-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das gesteuerte Splitten von Fluidvolumen
in Mikrofluid-Leitungen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Es
besteht ein zunehmendes Interesse an der Herstellung und Verwendung
von Mikrofluid-Systemen für
die Akquisition chemischer und biologischer Informationen. Insbesondere
können
komplizierte biochemische Reaktionen, wenn diese in Mikrofluid-Volumen
geführt
werden, unter Verwendung sehr kleiner Flüssigkeitsvolumen durchgeführt werden.
Zu den Vorteilen gehört,
dass Mikrofluid-Systeme die Antwortzeiten der Reaktionen verbessern, das
Probenvolumen minimieren und den Reagenz-Verbrauch verringern. Wenn
flüchtige
oder gefährliche
Materialien verwendet oder erzeugt werden, führt die Durchführung von
Reaktionen in Mikrofluid-Volumen auch zu einer Vergrößerung der
Sicherheit und zu einer Reduktion der Abfallmengen.
-
Üblicherweise
sind Mikrofluid-Vorrichtungen auf planare Weise unter Verwendung
von Techniken gebaut worden, die der Siliziumindustrie entlehnt sind.
Repräsentative
Systeme sind z.B. in einigen frühen
Arbeiten von Manz et al. beschrieben (Trends in Anal. Chem. (1990)
10(5): 144-149; Advances in Chromatography (1993) 33: 1-66). In
diesen Veröffentlichungen
sind Mikrofluid-Vorrichtungen unter Verwendung von Photolithographie
konstruiert, um Kanäle
auf Silizium- oder Glas-Substraten zu definieren, oder unter Verwendung
von Ätz-Techniken gebaut,
um Material zur Bildung der Kanäle
von dem Substrat zu entfernen. Eine Abdeckplatte ist an der Oberseite
der Vorrichtung befestigt, um einen Verschluss bereitzustellen.
Miniaturpumpen und -Ventile können
ebenfalls hergestellt werden, um integral mit (z.B. innerhalb von)
solchen Vorrichtungen zu sein. Alternativ dazu werden separate oder
Offline-Pumpmechanismen in Betracht gezogen.
-
In
kürzerer
Zeit ist eine Anzahl von Verfahren entwickelt worden, die einen
Bau von Mikrofluid-Vorrichtungen aus Kunststoff-, Silizium- oder
anderen polymereischen Materialien zulassen. Bei einem solcher Verfahren
wird zunächst
eine negative Form gebaut und dann wird Kunststoff oder Silizium
in oder über
die Form gegossen. Die Form kann unter Verwendung einer Siliziumscheibe
(siehe z. B. Duffy et al., Analytical Chemistry (1998) 70: 4974-4984;
McCormick et al., Analytical Chemistry (1997) 69: 2626-2630), oder
durch Herstellung einer herkömmlichen
Injektions-Pressformkavität
für Kunststoffvorrichtungen
gebaut werden. Einige Formherstellungs-Einrichtungen haben Techniken
zum Bau extrem kleiner Formen entwickelt. Bauteile, die unter Verwendung
einer LIGA-Technik gebaut sind, sind am Karlsruher Zentrum für Nuklearforschung
in Deutschland entwickelt worden (siehe z. B. Schomburg et al.,
Journal of Micromechanical Microengineering (1994) 4: 186-191),
und sind kommerziell angewendet worden durch MicroParts (Dortmund, Deutschland).
Jenoptik (Jena, Deutschland) verwendet ebenfalls eine LIGA- und
eine Heißprägetechnik. Prägeverfahren
mit PMMA sind ebenfalls demonstriert worden (siehe Martynowa et
al., Analytical Chemistry (1997) 67: 4783-4789). Jedoch bieten sich
diese Techniken nicht für
das Rapid-Prototyping und einer Herstellungsflexibilität an. Darüber hinaus
sind die Werkzeugkosten für
beide dieser Techniken ziemlich hoch und können unerschwinglich sein.
-
Bemerkenswert
ist, dass die vorangehend genannten Referenzen nur die Vorbereitung
von planaren Mikrofluid-Strukturen lehren. Verschiedene konventionelle
Werkzeuge und Kombinationen von Werkzeugen werden verwendet, wenn
eine biochemische Synthese und Analyse von konventionellen makroskopischen
Volumen durchgeführt
werden. Solche Werkzeuge schließen
z. B. ein: Messvorrichtungen, Reaktoren, Ventile, Erhitzer, Kühler, Mixer, Splitter,
Diverter, Kanülen,
Filter, Kondenser, Inkubatoren, Trennvorrichtungen und Katalysatorvorrichtungen.
Versuche, diese Aktivitäten
in Mikrofluid-Volumen durchzuführen,
sind durch Schwierigkeiten bei der Herstellung von Werkzeugen in
einer Mikrofluid-Größe und dann
beim Integrieren solcher Werkzeuge in Mikrofluid-Vorrichtungen erstickt worden.
-
Eine
spezielle Schwierigkeit liegt im genauen Messen oder Dosieren der
Mikrofluid-Aliquoten des Fluids, die bei der Durchführung der
Analyse und Systeme in Mikrofluid-Maßstab benötigt wird. Resultierend aus
den sehr kleinen Dimensionen von Mikrofluid-Strukturen sind Fluide,
die sich durch solche Strukturen bewegen, gekennzeichnet durch sehr
geringe Reynoldszahlen entsprechend der laminaren Strömung und
der Strömungsdynamik,
die deutlich beeinflusst, wenn nicht dominiert ist von Oberflächeninteraktionen.
Folglich zeigen Fluide in Mikrofluid-Strukturen oft überraschende
und unerwartete Eigenschaften. z. B. kann das Fluid, wenn das durch eine
Mikrofluid-Struktur gehende Fluid auf eine Aufspaltung oder Verzweigung
in einem Kanal trifft, nur durch eine Verzweigung oder nur durch
die andere fließen – so dass
dieses nicht ebenmäßig in zwei
Abzweigungen geteilt wird, wie es von einer makrofluidischen Fluidströmung erwartet
werden würde.
Alternativ dazu kann zwar die Strömung gesplittet werden, jedoch
nicht gleichmäßig.
-
Aus
diesem Verhalten kann gefolgert werden, dass es schwierig sein kann,
Mikrofluid-Vorrichtungen zur konsistenten und genauen Messung vorbestimmter
Mikrofluidvolumen zu verwenden, einfach weil es schwierig vorherzusehen
sein kann, wohin in einer Mikrofluid-Struktur ein gegebenes Fluid fließen wird.
Dieses Problem kann durch das Bedürfnis verschlimmert werden,
eine große
Zahl von gleichen Mikrofluid-Volumen für z. B. eine Bohrlochplatte bereitzustellen.
Dies liegt daran, dass sich die Schwierigkeit in der Vorhersage
des Verhaltens eines Fluidströmungspfads
innerhalb der Struktur durch die Zahl von Bohrlöchern in der Bohrlochplatte
multiplizieren kann, an die Proben geliefert werden müssen.
-
Planare
Mikrofluidsblätter
sind entwickelt worden, mit denen auf vorhersehbare Weise Strömungen von
einem zentralen Einlass zu einer Mehrzahl von Auslässen entlang
einer Kante der planaren Vorrichtung getrennt werden können. Jedoch
sind diese Mikrofluid-Strukturen innerhalb solcher Splitter auf
eine einzelne Ebene beschränkt.
Folglich können diese
Splitter ein großes
Gebiet oder "Footprint" benötigen, um
eine Zahl von Verzweigungen herzustellen, die zur Bereitstellung
der Zahl von Sample bei einer typischen Bohrlochplatte, die 96,
384 oder sogar mehr Bohrlöcher
aufweist. Dies ist der Fall, weil sich Fluidkanäle in solchen Vorrichtungen
nicht überlappen
können,
ohne dass sich die Fluide in jedem Kanal mischen oder ein "Cross Communicating" durchführen, wodurch
der Grad begrenzt wird, mit dem die Mikrofluid-Strukturen innerhalb
der Vorrichtung konvolutiert oder auf sich selbst umgekehrt werden
können.
Darüber
hinaus kann eine solche planare Mikrofluid-Vorrichtung, während diese fähig ist,
vorher gemessene Sample an eine einzelne Reihe oder Spalte einer
Bohrlochplatte abzugeben, nicht verwendet werden, um gleichzeitig
Sample an das gesamte zweidimensionale Array von Bohrlöchern in
einer Bohrlochplatte abzugeben. Planare Vorrichtungen verlangen
daher zahlreiche sich wiederholende Aktionen, um die Bohrlochplatte
in vollständiger
Weise auszunützen,
da der eindimensionale planare Splitter von Reihe zu Reihe oder
Spalte zu Spalte bewegt wird.
-
Folglich
wäre es
erstrebenswert, Mikrofluid-Werkzeuge bereitzustellen, die auf genaue
und konsistente Weise ein oder mehrere vorbestimmte Mikrofluid-Volumen
in kleinere Volumen splittet oder dosiert. Auch wäre die Bereitstellung
von Mikrofluid-Werkzeugen erstrebenswert, die auf genaue und konsistente
Weise vorbestimmte Mikrofluid-Volumen auf ein zweidimensionales
Array von Bohrlöchern
in einer Bohrlochplatte splittet oder dosiert.
-
Inhalt der
Erfindung
-
In
einem ersten getrennten Aspekt der Erfindung umfasst eine mehrschichtige
Mikrofluid-Splittervorrichtung eine erste, eine Einlassöffnung definierende
Vorrichtungsschicht, eine zweite, eine Mehrzahl von Auslassöffnungen
definierende Vorrichtungsschicht und eine Mehrzahl von Kanal-Vorrichtungsschichten,
die zwischen der ersten Vorrichtungsschicht und der zweiten Vorrichtungsschicht
angeordnet ist. Jede Kanal-Vorrichtungsschicht definiert eine Mehrzahl
von Zweigkanalsegmenten. Eine Mehrzahl von Überlappungsbereichen erlaubt
eine Fluid-Kommunikation zwischen zumindest zwei Zweigkanalsegmenten,
die in unterschiedlichen Vorrichtungsschichten definiert sind. Die
Zweigkanalsegmente definieren eine Mehrzahl einer Mehrzahl von durchgehenden
Strömungspfaden
zwischen der Einlassöffnung
und der Mehrzahl von Auslassöffnungen.
Jeder durchgehende Strömungspfad
der Mehrzahl von durchgehenden Strömungspfaden hat eine Fluidimpedanz,
eine Pfadlänge
und eine geometrische Struktur. Die Fluidimpedanz jedes durchgehenden
Strömungspfads
der Mehrzahl von durchgehenden Strömungspfaden ist im Wesentlichen
gleich.
-
Diese
und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann aufgrund der Durchsicht der Beschreibung, der Zeichnungen
und der beigefügten
Ansprüche
deutlich.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1A ist
eine Draufsicht auf einen mehrschichtigen Mikrofluidsplitter nach
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
1B ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung des mehrschichtigen Mikrofluidsplitters nach
der 1A.
-
2A ist
eine Draufsicht auf einen mehrschichtigen Mikrofluidsplitter nach
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
2B ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung des mehrschichtigen Mikrofluidsplitters der 2A.
-
3A ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Abschnitts des
mehrschichtigen Mikrofluidsplitters der 1A nach
einer ersten alternativen Ausführungsform.
-
3B ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Abschnitts des
mehrschichtigen Mikrofluidsplitters der 1A nach
einer zweiten alternativen Ausführungsform.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Definitionen
-
Die
Begriffe "Kanal" ("channel") oder "Kammer" ("chamber") wie sie hier verwendet
werden, soll in einem breiten Sinn interpretiert werden. Folglich
ist nicht beabsichtigt, diese auf ausgedehnte Konfigurationen einzuschränken, bei
denen die Quer- oder Längserstreckung
deutlich den Durchmesser oder die Querschnittsabmessung überschreitet.
Vielmehr werden solche Begriffe unter einer Bedeutung verstanden,
die Kavitäten
oder Tunnel jeder gewünschten
Gestalt oder Konfiguration umfassen, durch die Flüssigkeiten
geleitet werden können.
Solch eine Fluidkavität
kann z. B. eine Durchflusszelle zum kontinuierlichen Hindurchführen von
Fluid oder alternativ eine Kammer zum Halten eines spezifizierten,
diskreten Anteils von Fluid über
einen spezifizierten Zeitanteil umfassen. "Kanäle" und "Kammern" können gefüllt werden
oder können
interne Strukturen enthalten, die z. B. Ventile, Filter und ähnliche
oder äquivalente
Komponenten und Materialien umfassen.
-
Der
hier verwendete Ausdruck "mikrofluidisch" wird ohne jede Einschränkung dahingehend verstanden,
dass sich dieser aus Strukturen oder Vorrichtungen bezieht, durch
die ein Fluid oder Fluide geführt
oder geleitet werden können,
wobei eine oder zwei der Abmessungen kleiner als 500 μm sind. Zusätzlich können solche
Vorrichtungen unter Verwendung jeglicher hierin beschriebener Materialien
gebaut werden, wie auch Kombinationen solcher Materialien und ähnliche
oder äquivalente
Materialien.
-
Der
Ausdruck "selbsklebendes
Tape" ("self-adhesive tape"), wie er hierin
verwendet wird, bezieht sich auf eine Materialschicht oder einen
Film, die bzw. der eine integrale Klebebeschichtung auf einer oder
beiden Seiten hat.
-
Der
Ausdruck "Matrize" ("stencil"), wie er hierin
verwendet wird, bezieht sich auf eine vorzugsweise im Wesentlichen
planare Materialschicht oder ein Sheet, durch die bzw. das eine
oder mehrere unterschiedlich geformte oder orientierte Abschnitte
geschnitten oder über
die gesamte Dicke der Schicht entfernt worden sind, wobei die entfernten
Abschnitte wesentliche Fluid-Bewegung innerhalb der Schicht zulassen
(im Gegensatz zu einfachen Durchgangslöchern oder Durchtritten zum Übertragen
von Fluid von einer Schicht zu einer anderen Schicht). Die Abgrenzungen
der geschnittenen oder entfernten Abschnitte formen die lateralen
Grenzen von Mikrostrukturen, die gebildet werden, wenn ein Stencil
zwischen anderen Schichten, wie Substrate oder andere Stencile,
sandwichartig eingelegt sind.
-
Mikrofluid-Vorrichtung-Herstellung
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden Mikrofluid-Vorrichtungen
unter Verwendung von Matrizenschichten zur Definition von Strukturen
wie Kanäle
und/oder Kammern unter Entfernung von Material über die gesamte Dicke der Schicht
hergestellt. Eine Matrizenschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen
planar und hat einen Kanal oder eine Kammer, die über die
gesamte Dicke der Schicht geschnitten ist. Z.B. kann ein computergesteuerter
Plotter, der dahingehend modifiziert worden ist, ein Schneidblatt zu
akzeptieren, verwendet werden, um verschiedene Muster durch eine
Materialschicht zu schneiden. Solch eine Klinge kann dazu verwendet
werden, um entweder von der Matrizenschicht abzulösende oder zu
entfernende Sektionen zu schneiden oder um Schlitze zu formen, die
Regionen in der Matrizenschicht bilden, ohne irgendein Material
zu entfernen. Alternativ dazu kann eine computergesteuerte Laserschneid-Vorrichtung
verwendet werden, um Abschnitte durch eine Materialschicht zu schneiden. Während Laserschneid-Vorrichtungen
zur Erzielung präzis
dimensionierter Mikrostrukturen verwendet werden können, bringt
die Verwendung eines Lasers zum Schneiden einer Matrizenschicht
auf inhärente Weise
die Entfernung von mehr Material mit sich. Weitere Beispiele von
Verfahren, die zur Bildung von Matrizenschichten verwendet werden
können,
schließen
konventionelle Präge-
oder Stanz-Technologien ein. Die zuvor genannten Verfahren zum Schneiden einer
Matrizenschicht oder einer Folie erlaubt die schnelle und kostengünstige Herstellung
von Vorrichtungen verglichen mit konventionellen Oberflächen-Mikrobehandlungen
oder Materialablagerungs-Techniken, die konventionellerweise zur
Herstellung von Mikrofluid-Vorrichtungen verwendet werden.
-
Nachdem
ein Abschnitt einer Matrizenschicht geschnitten oder entfernt worden
ist, formen die Umrisse der geschnitten oder auf andere Weise entfernten
Abschnitte die Lateralgrenzen der Mikrostrukturen, die durch sandwichartiges
Zwischenlegen einer Matrize zwischen Substrate und/oder andere Matrizen
vervollständigt
werden. Die Dicke oder Höhe
der Mikrostrukturen wie Kanäle
oder Kammern können
durch Variierung der Dicke der Matrizenschicht oder durch Verwendung
mehrfacher im Wesentlichen identischer Matrizenschichten, die eines nach
der anderen aufeinander gestapelt werden, variiert werden. Zusammengesetzt
in einer Mikrofluid-Vorrichtung sind die Oberflächen der Oberseite und Unterseite
der Matrizenschichten dazu vorgesehen, mit einer oder mehreren benachbarten
Schichten zusammenzupassen (wie Matrizenschichten oder Substratschichten),
um eine im Wesentlichen geschlossene Vorrichtung zu bilden, die
typischerweise zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung aufweist.
-
Eine
große
Vielfalt von Materialen kann für die
Herstellung von Mikrofluid-Vorrichtungen verwendet werden, die sandwichartig
eingelegte Matrizenschichten, aufweisen, einschließlich polymerische, metallische
und/oder Verbund-Materialien,
nur um einige zu nennen. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird zumindest ein polymerisches Material bei der Herstellung solch
einer Vorrichtung verwendet. Zusätzlich können Mikrofluid-Vorrichtungen
teilweise oder im Wesentlichen mit verschiedenen Füllmaterialen
gefüllt
werden, wobei hierbei einschließlich
aber nicht beschränkend
Filter, Katalysatoren und/oder Trennmedien einschließlich Kügelchen,
Körnchen oder
verschiedene poröse
Materialien in Betracht kommen. Füllmaterialien können entweder
vor oder nach dem Zusammenbau solch einer Vorrichtung hinzugefügt werden.
-
Verschiedene
Mittel können
verwendet werden, um Schichten einer Vorrichtung abzudichten oder
zusammenzubinden. Z. B. können
Klebstoffe verwendet werden. In einer Ausführungsform können eine
oder mehrere Schichten einer Vorrichtung aus einem einseitig oder
doppelseitig beklebten Band hergestellt werden, obgleich andere
Verfahren zur Befestigung von Matrizenschichten verwendet werden
können.
Ein Abschnitt eines Tape (der gewünschten Gestalt und Abmessungen)
kann geschnitten oder entfernt werden, um Kanäle, Kammern und/oder Aperturen
zu bilden. Eine Tape-Matrize kann dann auf ein Stützsubstrat
mit einer geeigneten Deckschicht, zwischen Schichten des Tapes oder zwischen
Schichten anderer Materialien angeordnet werden. In einer Ausführungsform
können
Matrizenschichten aufeinander gestapelt werden. Bei dieser Ausführungsform
kann die Dicke oder Höhe
der Kanäle
innerhalb einer einzelnen Matrizenschicht durch Variierung der Dicke
der Matrizenschicht variiert werden (z. B. der Tape-Träger und
das darauf befindliche Klebematerial) oder durch Verwendung mehrerer
im Wesentlichen identischer Matrizenschichten, die aufeinander gestapelt
werden. Verschiedene Tape-Arten können bei solch einer Ausführungsform
verwendet werden. Geeignete Tapeträger-Materialien sind nicht
einschränkenderweise
aus Polyester, Polycarbonaten, Polytetraflour-Ethylene, Polypropylene
und Polyimide gebildet. Solche Tapes können verschiedene Verfahren
zum Härten
haben, einschließlich
eines Härtens
durch Druck, Temperatur oder chemische oder optische Interaktion.
Die Dicken dieser Trägermaterialien
und Klebstoffe können
variieren.
-
Eine
oder mehrere Materialien können
vorteilhafterweise zum Beschichten, Abdichten und/oder Ankleben
von Abschnitten von Mikrostrukturen innerhalb solcher Vorrichtungen
verwendet werden. Die Verwendung verschiedener Materialien, einschließlich Polymere
und Beschichtungen eigenen sich für Mikrofluid-Vorrichtungen,
die die Verwendung einer großen
Spanne von flüssigen
Reagenten oder Lösungen
ermöglichen.
-
Insbesondere
ermöglichen
Matrizen-basierte Herstellungsverfahren eine sehr schnelle Herstellung von
Vorrichtungen sowohl für
Prototyping als auch für die
Großproduktion
mit minimalen Werkzeugkosten. Rapid-Prototyping ist günstig für die Erprobung
und die Optimierung neuer Vorrichtungs-Designs, da Designs schnell
implementiert, getestet und (wenn notwendig) modifiziert und wiederum
getestet werden können,
um ein angestrebtes Ergebnis zu erzielen. Die Fähigkeit eines schnellen Prototypings
von Vorrichtungen mittels Matrizen-Herstellungsverfahren lässt auch
zu, dass mehrere unterschiedliche Varianten eines spezifischen Designs
gleichzeitig getestet und evaluiert werden können.
-
Zusätzlich zu
der Verwendung von oben diskutierten Bonding-Verfahren mit und ohne Klebstoffen können andere
Techniken verwendet werden, um eine oder mehrere der verschiedenen,
für die
vorliegende Erfindung nützlichen
Schichten der Mikrofluid-Vorrichtungen
anzulagern, wie es durch einen in Bezug auf Anlagerungsmaterialien
bewanderten Fachmann erkennbar wäre.
Z.B. können
Anlagerungstechniken einschließlich
thermische, chemische oder lichtaktivierte Bonding-Schritte; mechanisches
Anbringen (wie die Verwendung von Klammern oder Schrauben zum Ausüben von
Druck auf die Schichten); ultrasonisches Anbringen; und/oder andere äquivalente
Kopplungsverfahren verwendet werden.
-
Andere
Herstellungsverfahren, die nicht auf sandwichartig eingelagerte
Matrizen gegründet
sind, können
zum Bau von Mikrofluid-Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung
verwendet werden. Z. B. können
solche Vorrichtungen unter Verwendung bekannter Techniken gebaut
werden, wie z. B. Formgebungs-, Ätz-,
Präge-,
Stempel-, Suff-Lithographie- oder andere Mikrobehandlungs-Techniken
für flexible oder
frigide Materialien. Ein Beispiel für eine spezifische Technik,
die zur Herstellung von Mikrofluid-Vorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können,
ist die Silizium-Gummi-Replikationstechnik, die in Duffy et al.,
Analytical Chemistry (1988) 70: 4974-4984 diskutiert worden ist.
Rigide Materialien, die zum Bau nicht-planarer Vorrichtungen nach
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Silizium,
Glas, rigide Polymere und Hybride von Polymeren und anderen Materialien
ein, was jedoch nicht einschränkend
zu verstehen ist.
-
Die
hierin beschriebenen Mikrofluid-Vorrichtungen sind vorzugsweise "generisch" insoweit, dass sie
modular sind und auf einfache Weise in jegliches Design rekonfiguriert
oder an jegliches Design angepasst werden können. Zusätzlich können diese Vorrichtungen vorzugsweise
mit einer Vielzahl von Pumpen- und Ventil-Mechanismen verwendet
werden, einschließlich
mittels Druck, peristaltischem Pumpen, elektrokinetischem Fließen, Elektroporese,
Vakuum und dergleichen. Zusätzlich
können
Mikrofluid-Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang
mit der optischen Detektion (z. B. Fluor-Essenz, Phosphoreszenz,
Lumineszenz, Absorption- und Kolorimetrie) elektrochemische Detektion
und irgendwelche von verschiedenen geeigneten Detektionsverfahren
einschließlich
der visuellen Detektion verwendet werden.
-
Geeignete
Detektionsverfahren hängen
von der Geometrie und dem Aufbau der Vorrichtung ab. Die Auswahl
eines solchen Detektionsverfahrens liegt im Bereich des Fachwissens.
-
Bevorzugte
Mikrofluid-Vorrichtungen
-
Es
ist beobachtet worden, dass das Fluid-Strömungsverhalten innerhalb von
Mikrofluid-Strukturen durch die beim Fluid anzutreffende Fluid-Impedanz
beeinflusst werden kann. Die Existenz oder Größe der Fluid-Impedanz hängt von
einer Anzahl von Faktoren ab, zu denen gehören: die Interaktion zwischen
dem Fluid und der Oberfläche
der Struktur ("Oberflächen-Interaktionen"); der das Fluid-treibende
Druck ("Fluid-Druck"); der der Fluid-Strömung widerstehende
Druck ("Gegendruck"); die physikalische
Anordnung der Mikrofluid-Struktur
("Strukturgeometrie"); und die Eigenschaften
des Fluids einschließlich
der Masse, der Dichte und der Viskosität, wobei diese nicht einschränkend genannt
sind ("Fluid-Eigenschaften"). Insbesondere ist
bemerkt worden, dass Fluide, die von einer einzelnen Quelle oder einem
einzelnen Einlass (der ein Port, eine Apertur oder ein Kanal sein
kann) in einer Mehrzahl von Zweigkanälen gesplittert worden ist,
zu einem gleichmäßigen Aufsplittern
in Zweigkanäle
nur dann tendieren, wenn die bei dem Fluid anzutreffende Impedanz
im Wesentlichen über
alle diejenigen Zweigkanäle,
in die das Fluid aufgeteilt wird, im Wesentlichen gleich ist. Es
ist zu verstehen, dass jeder Zweigkanal als Einlasskanal für ein weiteres
Splittern des Fluids wirken kann.
-
Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein bevorzugtes Mittel
zur Bereitstellung im Wesentlichen derselben Impedanz über einer
Mehrzahl von Zweigkanälen
vorgesehen, um dem Fluid im Wesentlichen identische Strukturgeometrien
an jedem Punkt zur Verfügung
zu stellen, an dem ein Einlasskanal auf einen oder mehrere Zweigkanäle trifft ("Zweiganschluss"). Dadurch wird ein
auf einen Zweiganschluss treffendes Fluid in eine Mehrzahl von Zweigkanälen geleitet,
von denen jede eine im Wesentlichen identische geometrische Schnittstelle
zu dem Einlasskanal darstellt. Die Strukturgeometrie schließt Faktoren
ein wie die Länge
des Zweigkanals, den Durchmesser der Schnittstelle, Änderungen
in Richtung und Winkel der Fluid-Strömung, etc.. In einer bevorzugten
Ausführungsform
kann eine solche substantielle Identität der Strukturgeometrie mittels einer
topologisch symmetrischen Geometriestruktur hergestellt werden.
-
Alternativ
dazu kann sogar das Splitten mit asymmetrischen Strukturen bewirkt
werden, bei denen das Zusammenpassen der Impedanz durch Veränderung
der anderen zuvor genannten Faktoren erreicht wird. Z. B. kann der
Gegendruck von einem Zweigkanal zu einem anderen Zweigkanal variiert werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine kompakte dreidimensionale Splittervorrichtung zum Splitten
von Fluid-Sample
in eine große
Anzahl von Aliquoten oder zum Splitten eines Fluid-Stroms in eine
große
Zahl von Unterströmen
bereitgestellt. Bezugnehmend auf die 1A-1B wird
eine hochintegrierte Splitter-Vorrichtung (550) aus sieben Schichten
vorzugsweise unter Verwendung polymerischen Materials gebildet.
Fluid wird zwischen den Aperturen und den Kanalsegmenten jeder Schicht
an Überlappungsbereichen
(510) übermittelt.
Die erste Schicht (551) definiert eine zentrale Einlassöffnung (558).
Die zweite Schicht (552) definiert vier Zweigkanal-Segmente
(559A-559N), die sich unter der Einlassöffnung (558)
an einem Überlappungsbereich (510)
schneiden. Die dritte Schicht (553) bestimmt vier Aperturen
(560), die unter den entfernten Enden der Zweigkanalsegmente
(559A-559N) positioniert sind. Die vierte Schicht
(554) bestimmt vier Gruppen von vier (insgesamt 16) Zweigkanalsegmenten (561A-561N),
wobei sich alle Gruppen unter den Aperturen (562) an weiteren Überlappungsbereichen (510) überschneiden.
Die siebente Schicht bestimmt vierundsechzig Aperturen (564A-564N),
die unter den distal gelegenen Enden der Zweigkanalsegmente (563A-563N)
gelegen sind. Es soll verstanden werden, dass jedes der "upstream"-Zweigkanalsegmente (559A-559N),
(561A-561N) als Einlasskanäle für Downstream-Zweigkanalsegmente
(i. e. Zweigkanalsegmente 561A-561N bzw. 563A-563N)
wirken.
-
Folglich
bildet das Arrangement von Vorrichtungsschichten (551-557)
eine Mehrzahl von durchgehenden Fluid-Strömungspfaden
(600A-600N; gezeigt als gestrichelte Linien) zwischen
der zentralen Einlassöffnung
(558) und den vierzundechzig Auslass-Aperturen (564A-564N).
Diese durchgehenden Fluid-Strömungspfade
(600A-600N) haben im Wesentlichen dieselben Längen. Es
soll verstanden werden, dass zusätzlich
Fluid-Strömungspfade
(nicht gezeigt) vorgesehen sein können, die nicht im Wesentlichen
dieselbe Länge
aufweisen. Z. B. kann es erstrebenswert sein, einen Abfallkanal
(nicht gezeigt) zum Abführen
von überschüssigem Fluid
vorzusehen, der nicht dieselbe Impedanz für die Fluidströmung darzustellen
braucht.
-
Viele
der Zweigkanalsegmente (559A-559N, 561A-561N, 563A-563N)
haben Abschnitte, die zueinander kolinear sind. Folglich würde ein
Fluid, wenn die Vorrichtungsschichten (552, 554, 556)
benachbart zueinander liegen, zwischen den Zweigkanalsegmenten (559A-559N, 561A-561N, 563A-563N)
hindurchfließen
und im Wesentlichen die Vorrichtung betriebsunfähig machen. Deshalb wirken
die Vorrichtungsschichten (553, 555) als Abstandhalter,
um einen Fluid-Austausch zwischen Kanal-Vorrichtungsschichten (552, 554, 556)
und den kolinearen Abschnitten der darin definierten Zweigkanalsegmente
(559A-559N, 561A-561N, 563A-563N) zu
verhindern. Es ist zu bemerken, dass die Abschnitte (570)
der Abstandhalter-Vorrichtungsschichten (553, 555),
die kolinearen Zweigkanalsegmente trennen, im Wesentlichen für Fluidströmung undurchlässig sind.
Gleichzeitig würde
eine solide Abstandhalter-Vorrichtungsschicht (553, 555)
jeglichen Fluss zwischen den Zweigkanalsegmenten (559A-559N, 561A-561N, 563A-563N)
blockieren und dabei wiederum die Vorrichtung betriebsunfähig machen.
Folglich definieren die Abstandhalter-Vorrichtungsschichten (553, 555)
Aperturen (560, 562), die an den Überlappungsbereichen
(510) der Vorrichtung (550) gelegen sind, um einen
Fluid-Austausch durch die Zweigkanalsegmente (559A-559N, 561A-561N, 563A-563N)
zu erlauben, um die durchgehenden Strömungspfade (600A-600N)
zu bilden.
-
Im
Betrieb wird ein Sample in die zentrale Einlassöffnung (558) injiziert
und wiederholt gesplittet, um letztendlich vierundsechzig Aliquoten
zu bilden, die ungefähr
gleiche Volumina haben. Auslassöffnungen
(nicht gezeigt) können
in der siebenten Schicht 557 vorgesehen sein, um die Aliquoten
(oder Subströmungen)
an einer andere Stelle innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung (550)
auszulassen. Eine Vorrichtung (550) ist aus quadratischen
Schichten mit Seitenlängen
2 ¼ Inch
erbaut worden, wobei eine Splitterdichte von 12 6/10 Kammern pro Inch2 oder
1 93/100 Kammern/cm2 bereitgestellt wird.
-
Es
soll verstanden werden, dass verschiedene Kanalgeometrien und eine
verschiedene Anzahl von Vorrichtungsschichten von einem Fachmann
verwendet werden können,
um das angestrebte Ergebnis zu erreichen. Z. B. zeigen die 2A-2B eine
Struktur nach der vorliegenden Erfindung in ähnlicher Weise als die 1A-1B,
ausgenommen, dass in den 2A-2B die
Zweigkanalsegmente (561A-561N, 563A-563N)
der 1A-1B um ungefähr 45° gedreht
sind (siehe Zweigkanalsegmente 660, 662, 664).
Auf diese Weise werden die dazwischen liegenden Abstandhalterschichten
(553, 555) der Vorrichtung (550) eliminiert.
Folglich stellt die Vorrichtung (650) gleiche Pfadlängen der
durchgehenden Strömungspfade
(700A-700N) zwischen der Einlassöffnung (658)
und den Auslassöffnungen (666A-666N)
durch Rotieren der Zweigkanalsegmente (660A-660N, 662A-662N, 664A-664N)
her (relative zu den Zweigkanalsegmenten (559A-559N, 561A-561N, 563A-563N).
Da die Zweigkanalsegmente (660A-660N, 662A-662N, 664A-664N)
nicht kolinear sind, sind die Abstandhalter-Vorrichtungsschichten
nicht notwendig zur Verhinderung eines unerwünschten Fluid-Austausches zwischen
den Zweigkanalsegmenten (660A-660N, 662A-662N, 664A-664N),
obwohl die Abstandhalter-Vorrichtungsschichten für andere erwünschte Zwecke
verwendet werden können.
-
In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
können
Strukturen in einer einzelnen Schicht, wie die Zweigkanalsegmente
(559A-559N)
in der Vorrichtungsschicht (552) der in der 1A gezeigten
Vorrichtung (550) in zwei Vorrichtungsschichten geteilt
werden können,
die die Vorrichtungsschichten (552A-552B oder 552C, 552D)
wie es in den 3A und 3B gezeigt
ist, oder irgendeine Zahl von Vorrichtungsschichten und/oder zwei
Kanalsegmenten, wie sie wünschenswert
sind. Auch kann jede Zahl von Fluid-Splittern hergestellt werden.
Z. B. können die
Zweigkanalsegmente einer Struktur (nicht gezeigt) die Strömung in
drei, sechs, acht oder jede gewünschte
Zahl von Zweigkanälen
trennen. Auf diese Weise können
Mikrofluid-Splitter
bereitgestellt werden, die ein Fluid in jede gewünschte Zahl von Aliquoten oder
Subströmungen
teilen, um eine Kompatibilität
mit existierenden oder neuen Geometrien von Bohrlochplatten oder
anderen fluidischen Vorrichtungen, Laborwerkzeugen oder Instrumenten
herzustellen.
-
Die
Verwendung von Mehrfachschichten oder von drei Dimensionen zum Erreichen
eines Splittens kann vorgesehen sein, um präziser geteilte Aliquoten oder
Subströmungen
zu schaffen, als es mit zweidimensionalen Splittervorrichtungen
möglich ist.
Der Grund dafür
ist, dass präzises
Splitten die Präsenz
von im Wesentlichen ähnlichen
Fluid-Inpedanzen über
die Zweigkanäle
verlangt. In zweidimensionalen Strukturen werden solche Impedanzen
gewöhnlicherweise
durch eine Veränderung
des Volumens der Zweigkanäle
an einem Punkt ihrer Länge geschaffen,
was typischerweise durch Verengen oder Einschränken des Zweigkanals um einen
vorbestimmten Betrags gemacht wird. Solche Einschränkungen
sind schwierig auf eine identische Weise über eine große Zahl
von in einer einzelnen Schicht definierten Zweigkanälen zu replizieren.
Folglich sind hochtolerante Herstellungsprozesse gefordert, die den
Herstellungsprozess verlängern
und verkomplizieren.
-
Im
Gegensatz dazu können
dreidimensionale Strukturen die Impedanz ausnutzen, die typischerweise
an einer Schnittstelle oder einem Überlappungsbereich entsteht,
an der bzw. dem zwei, in verschiedenen Vorrichtungsschichten definierte
Kanalsegmente überlappen,
wie die in der 1A gezeigten Überlappungsbereiche
(510). Da bei solchen Überlappungen
die Impedanz als ein Resultat der Überlappung selbst entsteht,
ergibt sich der einzige Toleranzaspekt der Ausrichtung der Vorrichtungsschichten.
Es wurde herausgefunden, dass solche Toleranzen im Wesentlichen
weniger kritisch sind, als solche, die zur Bereitstellung gleichmäßig genauer Vorrichtungen,
die Mikrobehandlungs- und Ätz-Techniken
verwenden, erforderlich sind.
-
Das
Vorsehen von Impedanzen zwischen Kanalsegmenten innerhalb eines
gemeinsamen Strömungspfads
ist insbesondere vorteilhaft zur Unterstützung eines konsistenten und
wiederholbaren Splittings eines Flüssigkeitssempel, wenn das Sample
zuerst der Vorrichtung zugeführt
wird. In der Abwesenheit solcher Impedanz-Bereiche kann eine fortschreitende
flüssige
Fluid-Front nicht
wiederholbar alle untereinander verbundenen Zweigkanalsegmente in
einer einzelnen Generation von zwei Kanälen füllen, bevor sie fortfährt, nachfolgende
Generationen zu füllen.
Wenn vielmehr einer versucht, einen entstehenden Flüssigkeitsstrom
(i. e. die fortschreitende Schnittstelle zwischen einer Flüssigkeit
und einem Gas wie in einer leeren Vorrichtung enthaltene Luft) ohne
die Verwendung von Impedanzbereichen zu splitten, führt dies
typischerweise dazu, dass ein oder mehrere, zur Aufnahme von Flüssigkeit
vorgesehene Zweigkanäle
eine solche Flüssigkeit
nicht aufnehmen. Bei beiden in den 1A-2B gezeigten
Vorrichtungen (550, 650) verhindern die Überlappungen
zwischen den Zweigkanalsegmenten in ausreichender Weise einen Initialfluss
von Flüssigkeit
durch die Überlappung,
um dieses Problem zu überwinden.
Eine solche Impedanz resultiert aus einem Überlappungsbereich, der in
benachbarten Schichten definierte Kanalsegmente aufweist, und von
einem Überlappungsbereich,
der Kanalsegmente aufweist, die in nicht-benachbarten Vorrichtungsschichten definiert
sind, die durch eine zwischenliegende Abstandhalter-Vorrichtungsschicht
mit einer Apertur getrennt sind, die ko-loziert ist mit dem Überlappungsbereich,
um Fluid-Austausch durch diesen zu erlangen. Der Effekt jedes dieser
Typen von Überlappungsbereichen
besteht in der Verhinderung eines Initialflusses von Flüssigkeit,
der ausreicht, um alle miteinander verbundenen, in einer spezifischen Schicht
(oder "Generation" von Zweigkanälen) definierten
Zweigkanälen
zu füllen,
bevor das Fluid durch irgendeinen Überlappungsbereich "durchbricht", um in einen in
einer unterschiedlichen Vorrichtungsschicht definierten Stromabwärts-Zweigkanal
zu fließen.
-
Darüber hinaus
erlauben dreidimensionale Vorrichtungen einen Zuwachs der Mikrofluidstruktur-Dichte,
die erstrebenswert sein kann, um eine Kompatibilität mit existierender
Laborausrüstung,
wie z. B. Bohrlochplatten, zu erreichen, wie auch um den "Footprint", der mit der Mikrofluid-Vorrichtung
verbunden ist, zu minimieren. Ein dreidimensionales, in Mehrfach-Schichten
einer Mikrofluid-Vorrichtung gebildetes Netzwerk lässt es zu,
dass Zweigkanäle dicht
gepackt werden und sogar sich überlappen
(wie vorangehend unter Bezugnahme auf die kolinearen Abschnitte
der Zweigkanalsegmente (559A-559N, 561A-561N, 563A-563N),
ohne irgendeinen unerwünschten
Fluid-Queraustausch (i. e. ein Mischen von Fluiden zwischen Kanälen an anderen
Stellen als in Aperturen, die aufgrund des Designs vorgesehen sind,
um Fluid-Austausch zwischen den Kanälen hervorzusehen).
-
Mehrschichtige
Mikrofluid-Splitter nach der vorliegenden Erfindung erlauben ein
Splitten eines Fluid-Sample in einer Mehrzahl substantiell gleicher Mikrofluid-Volumen
durch Präsentieren
eines Fluid-Sempels in einen Einlass mit einem Zweiganschluss an
eine Mehrzahl von Zweigkanälen,
von denen jeder im Wesentlichen dieselbe Fluid-Impedanz hat. In
einer bevorzugten Ausführungsform
resultiert die substantielle Identität von Impedanz aus der topologischen
Symmetrie der Strukturgeometrie. Beispielsweise kann unter Bezugnahme
auf 1B und 2B beobachtet
werden, dass die Länge
irgendeines durchgehenden Strömungspfads 600A-600N, 700A-700N zwischen
der Einlassapertur 558, 658 und einer der Auslassaperturen 564A-564N, 666A-666N identisch
ist, unabhängig
von der Position eines der Auslassaperturen 564A-564N, 666A-666N relativ
zu der Einlassapertur 558, 658. Folglich ist jeder
Strömungspfad 600A-600N, 700A-700N zwischen
einer der Auslassaperturen 564A-564N, 666A-666N und
dem der Einlassöffnung 558, 658 ist
turbologisch symmetrisch zu irgendeinem anderen Strömungspfad
zwischen irgendeiner anderen Auslassapertur 564A-564N, 666A-660N und
der Einlassöffnung 558, 658.
Solch eine topologische, symmetrische Struktur wird vorzugsweise aus
einer Anzahl von Gründen
in drei Dimensionen hergestellt.
-
Insbesondere
würde die
in einer Mikrofluidstruktur erstrebenswerte hohe Merkmalsdichte
in einer einzelnen Schicht schwierig herzustellen sein. Beispielsweise
zeigt die Vorrichtung 650 der 2b eine
Anzahl von eng benachbarten Merkmalsbereichen 651. Solche
Bereiche sind unter Verwendung konventioneller Techniken auf Grund
der geringen Toleranzen schwierig herzustellen, die zur Vermeidung
von Fluid-Queraustausch
zwischen den Kanälen
erforderlich sind. Darüber
hinaus verteilt eine Struktur, wie sie in der 2b gezeigt
ist, Aliquoten oder Subströmungen
nach einem asymmetrischen Muster. Es ist erstrebenswert, Aliquoten
in einem gleichmäßig verteilten,
symmetrischen Muster zu liefern, wie es in 1b gezeigt
ist, um die Kompatibilität
mit konventionellen Bohrlochplatten und anderer Laborausrüstung zu
erhalten, sowie den Raum höchsteffizient
zu nutzen. Ein Charakteristikum von Strukturen, die Aliquoten in
gleichmäßig verteilten Mustern
verteilen, besteht darin, dass Abschnitte von Zweigkanälen sich
notwendigerweise überlappen und/oder
kolinear sind. Wenn solche Zweigkanäle in einer einzelnen Vorrichtungsschicht
vorgesehen sind, würde
die Struktur betriebsunfähig
sein, da sich Fluide in verschiedenen Kanälen an der Überlappung vermischen würden (oder,
wenn nur ein kolinearer Kanal existieren kann, dort wo mehr als
ein Kanal notwendig wäre,
um gleiche durchgehende Flusspfadlängen aufrecht zu erhalten),
was die Messgenauigkeit und Vorhersehbarkeit der Fluidströmung störend beeinflussen
würde oder
einfach die Vorrichtung betriebsunfähig machen würde. Durch
Verteilung der Zweige über
eine Mehrzahl von Vorrichtungsschichten, können zusätzlich nicht durchlässige Abstandhalter-Vorrichtungsschichten
zwischen Schichten eingelegt werden, die überlappende oder kolineare
Zweigkanäle
haben, um die Integrität
der Fluidströmung
in jedem Zweigkanal zu erhalten. In geeigneter Weise angeordnete
Aperturen in den undurchlässigen
Abstandhalter-Vorrichtungsschichten würden ein Austausch von Fluid
durch die Zweigkanäle
auf verschiedenen Schichten zulassen, wodurch die angestrebten durchgehenden
Strömungspfade geformt
werden.
-
Darüber hinaus
wäre es
schwierig, eine große
Zahl von topologisch symmetrischen Kanälen in einer einzelnen Schicht
(z. B. in einer konventionellen zweidimensionalen Vorrichtung) bereitzustellen.
Kanäle
zwischen dem Einlass und benachbarten Auslässen müssten schwerwiegend konvolutiert
werden, um dieselbe Länge
als Kanäle
zum Auslass weiter von Einlass zu haben. Folglich würden entfernt
von den Auslässen
gelegene Kanäle
zu konvolutieren sein, um die Konvolution anderer Kanäle zu umgehen.
Das Resultat wäre
wahrscheinlich eine extrem komplexe Vorrichtung, die schwierig zu
Validieren sein würde.
Alternativ dazu können
Kanäle
begrenzt werden, um ähnliche
Impedanzen über
Kanäle
unterschiedlicher Länge
aufrecht zu erhalten. Wie oben bemerkt, für kompliziert jedoch die Bereitstellung
genauer Kanalimpedanzen mit Einschränkungen den Herstellungsprozess.
-
Es
soll verstanden werden, dass die Zeichnungen und Beschreibungen
von Ansichten einzelner Mikrofluid-Werkzeuge, Vorrichtungen und
Verfahren, die hierin vorgesehen sind, Komponenten offenbaren sollen,
die in einer Arbeitsvorrichtung kombiniert werden können. Verschiedene
hierin vorgesehene Anordnungen und Kombinationen einzelner Werkzeuge,
Vorrichtungen und Methoden werden abhängig von Anforderungen an eine
spezielle Anwendung in Betracht gezogen. Die speziellen hierin dargestellten
und beschriebenen Mikrofluid-Werkzeuge,
Vorrichtungen und Verfahren werden nur auf dem Weg eines Beispiels
dargebracht, wobei nicht die Absicht besteht, den Umfang der Erfindung
zu begrenzen.