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Die
Erfindung betrifft ein Mikrofluidsystem mit einer modularen Konstruktion
für einen
schnellen Aufbau und Abbau, sowie ein Verfahren der Bereitstellung
eines derartigen Systems.
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Mikrofluidvorrichtungen
und -systeme wurden zunehmend bedeutend in den vergangenen Jahren
für die
Durchführung
von großen
Zahlen unterschiedlicher chemischer und/oder biologischer Verfahren
auf einem handlichen Maßstab,
da sie es gestatten, dass eine große Anzahl von chemischen oder
biologischen Reaktionen als Teil eines analytischen und/oder synthetischen
Verfahrens in einem relativ kleinen Flüssigkeitsvolumen durchgeführt wird.
Derartige Miniaturisierte analytische oder synthetische Verfahren
sind im Allgemeinen effizienter, erzeugen erhöhte Antwortzeiten und reduzieren
das Erfordernis an möglicherweise
teuren Reagenzien.
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Herkömmliche
Mikrofluidvorrichtungen und -komponenten wurden auf einem Chip unter
Verwendung einer Technologie konstruiert, die analog zu der ist,
die in der Siliziumherstellungsindustrie im Allgemeinen befolgt
wird, beispielsweise durch Konstruieren der Vorrichtungen in einer
planaren Weise mittels Photolithographie und Ätztechniken. Herkömmlich bestand
eine Tendenz, insbesondere durch Analogie mit der Miniaturisierung
in anderen Bereichen in der Siliziumindustrie, die Entwicklungsbemühungen auf die
Miniaturisierung auf einen einzelnen Chip einer kleinstmöglichen
Größe der gesamten
chemischen, biochemischen und biologischen Verarbeitung, die mit
einem speziellen synthetischen und/oder analytischen Verfahren verbunden
ist, zu konzentrieren.
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Derartige
Konstruktionen bieten viele Vorteile. Der resultierende Chip jedoch
ist relativ unflexibel. Es ist nicht immer einfach, unterschiedliche
Materialien und Vorrichtungstechnologien innerhalb eines derartigen
einzelnen Chips zu mischen. Die Inspektion, Wartung und Reparatur
kann komplex sein.
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, ein Mikrofluidsystem bereitzustellen,
das eine verbesserte Flexibilität
bietet und das manche oder alle Nachteile von integralen Einzelchipsystemen
abschwächt.
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Es
ist ein spezieller Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein modulares
Mikrofluidsystem bereitzustellen, in dem verschiedene unterschiedliche
Mikrofluidkomponenten leicht in ein vollständiges System aufbaubar und
abbaubar sind, um eine verbesserte Flexibilität und Nützlichkeit zu bieten.
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Folglich
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem ersten Aspekt ein modulares Mikrofluidsystem
wie in Anspruch 1 beansprucht bereitgestellt. Es umfasst zumindest
eine Grundplatte, die eine Mehrzahl strömungsmäßig verbundener Fluidzufuhröffnungen
auf einer oder beiden Seiten davon aufweist, eine Mehrzahl von Mikrofluidmodulen,
die eingerichtet sind, abnehmbar an der Grundplatte angebracht zu
werden, wobei jede davon eines oder mehrere Fluideinlässe und/oder
-auslässe
aufweist, sowie eine Mehrzahl von Fluidkupplungen, um eine trennbare,
im Wesentlichen fluiddichte Fluidbindung zwischen einem Modul und
einer Grundplatte über eine
Zufuhröffnung
auf der Grundplatte und einen Einlass/Auslass auf dem Modul zu bewirken.
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Vorzugsweise
umfasst das System ferner zumindest eine Fluidquellenöffnung,
die strömungsmäßig damit
verbunden ist, um Fluid aus der Quelle an das System zuzuführen, und/oder
zumindest eine Fluidauslassöffnung,
die strömungsmäßig damit
verbunden ist, um Fluid aus dem System abzugeben. Die Quellen- und/oder
Auslassöffnungen
können
in direkter Kommunikation mit der Grundplatte oder über Module
bereitgestellt sein. Eine Mehrzahl von derartigen Fluidquellenöffnungen
und/oder Fluidauslassöffnungen
kann bereitgestellt werden.
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Die
Fluidzufuhr kann gasförmig
oder flüssig sein.
Es kann mehr als ein Fluid an ein beliebiges gegebenes System zugeführt werden.
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Gemäß der Erfindung
ist der Mikrofluidkreislauf auf der Grundplatte aufgebaut, wobei
das System in modularer Weise auf den Grundplattenchip aufgebaut
ist, anstatt damit in herkömmlicher
Weise integral ausgebildet zu sein. Fluid wird an das konstruierte
Mikrofluidsystem über
eine Fluidquellenöffnung
in der Grundplatte oder durch direktes Einführen in ein Modul zugeführt. Der
Grundplattenchip ist vorzugsweise mit einem Muster von zumindest
teilweise miteinander verbindenden Mikrofluidkanälen konstruiert, um eine Mehrzahl
von Fluidkanälen und/oder
-kammern bereitzustellen, die in Fluidkommunikation bei zumindest
manchen der Zufuhröffnungen
miteinander und/oder mit der Quellenöffnung verbinden. Die Fluidzufuhrdurchtritte
innerhalb der Module agieren in Zusammenwirkung damit, um einen
gewünschten
Mikrofluidkreislauf zu vervollständigen,
wenn die modulare Struktur aufgebaut wird, wobei der Kreislauf dazu
dient, Fluid an miteinander verbindende Punkte auf der Platte und
folglich an die Module zu verteilen. Das aufgebaute System kann eine
Mehrzahl derartiger Kreisläufe
bereitstellen, die in Verbindung miteinander oder unabhängig voneinander
funktionieren.
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Die
Erfindung bietet signifikante Vorteile, insbesondere in Bezug auf
die Flexibilität
der Konstruktion in der Verwendung, im Vergleich zu Systemen des
Standes der Technik. Verbindungen des Chipmoduls an die Grundplatte
können
bequemerweise kompakt und einfach hergestellt werden, während zur
selben Zeit Verbindungen zwischen der Platte und externer Ausrüstung gut
etablierte Verbindungen oder Schnittstellen zu dieser Ausrüstung verwenden können. Das
Mischen von verschiedenen Materialien und Vorrichtungstechnologien
ist möglich
(beispielsweise Glaschips auf einer Polymerplatte). In derselben
Weise wird eine Wahl von externen Systemen wie beispielsweise externen
Pumpen sowie auf der Platte oder Moduloberfläche montierte Pumpen und Ventile
etc. geboten.
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Das
System der Erfindung bietet eine Flexibilität der Wahl des Designs. Beispielsweise
kann ein einfaches Grundplattendesign mit austauschbaren komplexen
Modulen bereitgestellt werden, oder komplexe Systeme können innerhalb
der Grundplatte eingeschlossen werden, wobei die daran anbringbaren
Module einfach und/oder wegwerfbar sind. Dichtungen und Verbindungen
zwischen Modul und Platte können
gemäß der Modulfunktion
gewählt
werden.
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Das
Gesamtsystem stellt eine einfache Inspektion und Wartung, Flexibilität der Verwendung und
Einfachheit der Reparatur an den Systemen, beispielsweise durch
Ersetzen lediglich eines Moduls, das defekt ist, statt des gesamten
Systems, bereit.
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Ein
Mikrofluidmodul gemäß der Erfindung umfasst
eine oder mehrere Mikrofluidvorrichtungen. Wie hierin verwendet,
kann eine Mikrofluidvorrichtung jedes beliebige bekannte Element
eines Mikrofluidsystems umfassen, einschließend, ohne Beschränkung, eine
aktive Vorrichtungseinheit, wie beispielsweise einen Reaktor, eine
Heizvorrichtung, eine Kühlvorrichtung,
einen Analysator, einen Detektor, einen Mischer, einen Prozessor,
einen Separator oder dergleichen, eine Fluidfunktionseinheit, wie
beispielsweise eine Pumpe, ein Ventil, einen Filter oder dergleichen
oder lediglich einen Fluidkanal, eine Kammer oder einen Verteiler,
um einen speziellen Mikrofluidkreislauf zu vervollständigen.
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Mikrofluidvorrichtungen
gemäß der Erfindung
können
dreidimensional oder im Allgemeinen planar sein. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind
die Vorrichtungen im Allgemeinen planar. Jedes Modul weist eine
im Allgemeinen planare Konstruktion auf, um auf eine im Allgemeinen
planare Grundplatte eingearbeitet zu werden. Einlass/Auslassöffnungen
sind am bequemsten auf einer der planaren Flächen eines derartigen Moduls
bereitgestellt. Zufuhröffnungen
sind am bequemsten auf einer planaren Fläche auf der Grundplatte bereitgestellt,
und (eine) Quellenöffnung(en)
kann/können
an einer Kante oder Kantenfläche
oder derselben oder gegenüberliegenden
planaren Fläche
davon bereitgestellt sein.
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Insbesondere
weist jedes Modul vorzugsweise eine im Allgemeinen planare Sandwichkonstruktion
auf, umfassend zumindest eine innere Sandwichschicht, die einen
Fluidkanal und/oder Kammerabschnitt definiert, und zumindest eine
Deckschicht, die selbigen abdeckt und ein Einschließen bewirkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Modul zumindest eine Sandwichschicht, die einen eingeschlossenen
Fluidkanal und/oder Kammerabschnitt definiert, beispielsweise bestehend
aus gepaarten Sandwichelementen, wobei Kanäle in die Oberfläche von
zumindest einem dieser derart hergestellt sind, dass das zusammengebaute
Paar eine derartige Einschließung
mit Deckschichten auf jeder Seite davon definiert. Weitere dazwischen
liegende Schichten können
vorhanden sein.
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Aktive
Mikrofluidelemente können
innerhalb der so in der Sandwichschicht gebildeten Kanäle und/oder
Kammern eingearbeitet werden oder zusätzlich oder alternativ auf
der Moduloberfläche
in Fluidkommunikation mit den darin befindlichen Kanälen bereitgestellt
werden. Eine oder mehrere Einlass und/oder Auslassöffnungen
sind bereitgestellt, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Kanal
und einer äußeren Fläche des
Moduls für
eine Fluidverbindung mit der Grundplatte zu bewirken. Eine Grundplatte
kann ähnlich
konstruiert sein.
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Die
Grundplatte und die Module können
bequemerweise in geeignetem Kunststoffmaterial hergestellt werden.
Sie können
aus monolithischen Blöcken
eines Materials, aus Sandwichschichten wie oben beschrieben, oder
aus dünnen
Schichtlaminaten oder Kombinationen davon konstruiert werden. Schichten
oder Materialien, die in der Verwendung Fluid kontaktieren, werden
vorzugsweise, sofern nötig,
aus chemisch widerstandsfähigen
bzw. resistenten Kunststoffmaterialien hergestellt, wie beispielsweise
Epoxid bzw. Epoxidharz, wobei photobelichtbares Epoxid am meisten
bevorzugt ist. Geeignete widerstandsfähige dünne Filmlaminatmaterialien können Epoxid-geklebte
PEN-Laminate umfassen. Dies
ergibt eine gute Widerstandsfähigkeit
mit guter Herstellbarkeit der Fluidkanäle und -kammern. In Sandwichstrukturen
werden Deckschichten, die Fluideinlass-/Auslassöffnungen umfassen, die ebenfalls Fluid
bei der Verwendung kontaktieren könnten, auch vorzugsweise aus
Materialien hergestellt, die eine gute chemische Widerstandsfähigkeit
zeigen, beispielsweise Epoxid oder andere Kunststoffe wie beispielsweise
Polyetheretherketon (PEEK). Alternativ können Materialien mit einer
geeigneten widerstandsfähigen
Beschichtung in derartigen Bereichen versehen werden.
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Die
chemischen Eigenschaften von lediglich strukturellen Deck- oder
Zwischenschichten können weniger
entscheidend sein. Ebenso kann die Materialauswahl weniger entscheidend
sein für
Komponenten, die für
die Verwendung mit Fluiden vorgesehen sind, die eine weniger raue
Umgebung darstellen. In diesen Fällen
können
weniger widerstandsfähige Materialien
wie beispielsweise PMMA, PET, Acrylpolymere und dergleichen geeignet
sein.
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Zusätzlich können beliebige
Materialien oder Schichten und insbesondere Deckschichten auch für spezielle
Eigenschaften modifiziert werden, beispielsweise für Transparenz,
für elektrische,
magnetische oder dielektrische Eigenschaften, um Befestigungen für extern
montierte Mikrofluidvorrichtungskomponenten etc. bereitzustellen.
Metallschichten können
beispielsweise bereitgestellt oder eingearbeitet werden, um als
ein Leiter, ein Heizwiderstand oder anderweitig zu dienen.
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In
der Praxis können
verschiedene Teile individueller Komponenten verschiedene funktionelle
Erfordernisse aufweisen, beispielsweise bezüglich Transparenz, struktureller Stärke, chemischer
Widerstandsfähigkeit
etc. Kombinationen von Materialien können verwendet werden, beispielsweise
unter Verwendung einer Kombination von Materialien und Komponenten
und durch Verwendung von Komposit- bzw. Verbundsubstraten für die Grundplatte
und Module, um die beste Kombination der Eigenschaften zu erzielen.
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Im
Falle eines mikrochemischen Reaktors ist es beispielsweise von Vorteil,
ein Subtratpolymer zu verwenden, das optisch transparent ist, um
eine einfache Inspektion des Fluidwegs zu ermöglichen und/oder Messungen
zu erlauben und/oder das thermisch transparent oder transparent
bei anderen Wellenlängen
ist, für
jeden beliebigen Zweck. Es wird jedoch verstanden werden, dass ein
leicht verfügbares Polymer
mit guter Transparenz, das auch widerstandsfähig gegenüber einem breiten Bereich von Lösungsmitteln
ist, die in der synthetischen Chemie verwendet werden, allgemein
nicht verfügbar
ist. Durch Übernehmen
eines Verbundwerkstoff- bzw. Kompositansatzes kann ein Substrat
leicht gebildet werden, das eine Verbundstruktur umfasst, die Bereiche
von transparentem Material aufweist (nicht zwingend eine hohe chemische
Widerstandsfähigkeit
zeigend), wo dies benötigt
wird, sowie Bereiche von chemisch widerstandsfähigem Material (nicht zwingend
eine hohe Transparenz zeigend) zumindest in Bereichen, wo Lösungsmittelkontakt
möglich
ist, wobei ein Kontakt mit dem weniger widerstandsfähigen transparenten
Substratmaterial verhindert wird. Beispielsweise umfasst eine Grundstruktur
ein transparentes Material, in das jedoch Einsätze von chemisch widerstandsfähigem Material
in dem Substrat in Regionen, wo ein Lösungsmittelkontakt möglich ist,
eingeschlossen sind. Alternativ wird eine Grundstruktur von chemisch
widerstandsfähigem
Material mit "Fenster"-Einsätzen von
transparentem Material demselben Zweck dienen. Spezielle Bereiche
mit anderer Funktionalität
werden sich in ähnlicher
Weise einfach aufdrängen.
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Wie
hierin verwendet, wird mikrofluid verstanden werden, dass es sich
auf Mikrostrukturen bezieht, die zumindest eine gewisse Sub-Millimeter-Dimensionen
aufweisen, wobei Mikrostruktur in diesem Fall verwendet wird, um
sich auf eine beliebige einer Reihe von gut bekannten Strukturen
in derartigen Systemen zu beziehen, einschließend, jedoch nicht beschränkt auf
die hierin zuvor beschriebenen Kanäle und Kammern, die in der
Lage sind, einen Durchtritt oder eine Speicherung für ein Fluid
bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Mehrzahl von Fluidkopplungen bereitgestellt, um eine fluiddichte
Verbindung zwischen zumindest einer Fluidzufuhröffnung auf einer Grundplatte
und zumindest einem Einlass/Auslass auf einem Mikrofluidvorrichtungsmodul
zu bewirken. Die fluiddichte Verbindung wird vorzugsweise bewirkt
durch Presspassung zwischen einer Kopplung und einer Zufuhröffnung,
und Kopplungen und Öffnungen
sind dementsprechend bemessen und Materialien für deren Herstellung sind dementsprechend
ausgewählt,
beispielsweise flexibel elastisch zumindest im Bereich der Verbindung
zu sein.
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Diese
Presspassung allein kann ausreichend sein, um eine fluiddichte Verbindung
aufrechtzuerhalten, zumindest in der Verwendung unter Betrieb eines
Drucks von zugeführtem
Fluid. Alternativ können
Verbindungsmittel bereitgestellt werden, um den Aufbau bei der Verwendung
zusammenzuhalten und bei der Aufrechterhaltung einer fluiddichten
Verbindung zwischen den Modulen und der Platte zu helfen, indem
die Kopplung und die Öffnung
in engere Verbindung gedrängt
werden und darin mit einer geeigneten drängenden Kraft festgehalten
werden. Derartige Verbindungsmittel können beispielsweise Federklemmen,
Schrauben, Bolzen, Klammern oder ähnliche mechanische Befestigungen
umfassen. Die Verbindungsmittel verbinden Module und Platte miteinander.
Es besteht kein Bedarf an speziellen Verbindungsmitteln, die separat
mit jeder Kopplungs/Öffnungs-Verbindung
verbunden sind. Einer oder wenige mechanische Befestiger können verwendet
werden, um ein System zusammenzuhalten, das mehrere Fluidverbindungen
macht.
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Diese
Verbindungsmittel werden typischerweise lösbar sein, da es ein Merkmal
der Erfindung ist, dass Module einfach in verschiedene Konfigurationen
zusammengebaut bzw. aufgebaut werden und geeignet sind, durch einen
Benutzer zerlegt bzw. abgebaut zu werden, beispielsweise für einen
erneuten Aufbau in andere Konfigurationen. Es wird jedoch erkannt
werden, dass unter gewissen Umständen
der Benutzer wünschen
kann, dauerhaftere Fixierungen zum Halten der Kopplung und der Öffnung in
fluiddichter Verbindung auf einer semi-permanenten oder permanenten
Basis zu verwenden, beispielsweise durch permanente mechanische
Fixierung oder Kleben, und ein System gemäß der Erfindung erlaubt es einem
Benutzer, zu wählen,
dies zu unternehmen.
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Bequemerweise
umfasst die Verbindung eine lösbare
Kopplung, beispielsweise in der Form von Kanalmitteln, die entfernbar
in eine geeignete Aussparung in solch einem Einlass/Auslass/Öffnung einführbar ist,
um eine fluiddichte kommunizierende Verbindung dazwischen zu bewirken.
Derartige Kanalmittel umfassen bequemerweise ein röhrenförmiges Element,
insbesondere ein starres röhrenförmiges Element,
das beispielsweise parallelseitig ist, das beispielsweise quadratisch
oder rechteckig ist, polygonal, oder alternativ einen kreisförmigen oder elliptischen
Querschnitt aufweist, wobei jede beliebige Aussparung, in die ein
derartiges röhrenförmiges Element
aufzunehmen ist, vorzugsweise entsprechend geformt ist.
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Ein
derartiges röhrenförmiges Element
kann eine trennbare und gesonderte Einheit sein. Für die Bequemlichkeit
jedoch, insbesondere in Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform,
wo Grundplatte und Modul im Allgemeinen planare Komponenten umfassen,
umfasst das röhrenförmige Element
vorzugsweise einen hervorstehenden Bundring, integral mit und hervorstehend
von einer ersten Öffnung,
umfassend entweder eine Fluidzufuhröffnung in der Grundplatte oder
einen Einlass/Auslass im Modul, und angepasst, um in einer Aussparung
aufgenommen zu werden, die als eine zweite Öffnung umfasst ist, entsprechend
entweder als ein Einlass/Auslass im Modul oder eine Zufuhröffnung in
der Grundplatte. Insbesondere ragt der Bundring im Allgemeinen rechtwinklig
von einer im Allgemeinen planaren Fläche hervor, um eine Fluidverbindung
zwischen einer Grundplatte und einem Modul zu bewirken, das angepasst
ist, um im Allgemeinen parallel zu liegen, wenn es verbunden ist.
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In
einer am meisten bevorzugten Form sind Bundringe bereitgestellt,
die oberhalb der Oberfläche der
Grundplatte hervorragen, um innerhalb von Aussparungen aufgenommen
zu werden, die die Einlass/Auslassöffnungen von daran zu befestigenden Modulen
umfassen.
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Bundringe
wie oben beschrieben können
besondere Vorteile bieten. Das Bundringsystem ermöglicht es,
dass totes Volumen im Fluidweg zwischen "Chips" minimiert wird. Die Verwendung von
Bundringen gestattet ferner eine höhere Dichte der Verbindungen
als andere Passungen bzw. Verbindungen, wie beispielsweise Hochdruckflüssigchromatographie
(HPLC)-Verbindungen und dergleichen. Bundringe können hohen Drücken standhalten. Bundringe
erfordern im Allgemeinen eine reduzierte Dicke des Materials, in
dem sie zu halten sind, verglichen mit der Dicke, die benötigt wird,
um ein Schraubengewinde oder eine ähnliche Verbindung zu halten,
was viel dünnere
Schichten erlaubt, hinab bis auf Schichten, die im Wesentlichen
Filme umfassen, um miteinander verbunden zu werden. Einer oder wenige
mechanische Befestiger können
verwendet werden, um ein System zusammenzuhalten, das mehrere Fluidverbindungen
durch die Bundringe herstellt.
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Die
Bundringe stellen eine genaue mechanische Ausrichtung von Fluidelementen
sicher, was eine genaue Modulplatzierung einfach macht.
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Es
ist im Allgemeinen einfach, geeignete Bundringaussparungen innerhalb
des Materials, das typischerweise für die Verwendung als Grundplatte und
Module beabsichtigt ist, einzuarbeiten, was einen Anwendungsbereich
für einen
Bereich von Bundring- und Aussparungsformen ergibt. Die innere Bohrung
und der äußere Durchmesser
können
innerhalb Grenzen variiert werden, was es möglich macht, dass im Bundring
Mikrofluidfunktionalität
eingearbeitet wird. Beispielsweise könnte in die innere Bohrung eine
Filtrationsfunktion eingearbeitet sein, optional umfassend mehrere
Löcher
(in einer Weise analog zu einem photonischen Kristall). Beispielsweise
kann der Bundring zu einer größeren Form
modifiziert werden, um eine Reservoirfunktion zu umfassen.
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Optional
kann in die Fluidkopplung eine zusätzliche Funktionalität eingearbeitet
werden, dass sie innerhalb eines Fluidkanals darin eine fluidaktive Komponente
umfasst, anstatt lediglich als ein Kanal zu dienen. Die Fluidkopplung
könnte
ein Rückschlagventil,
beispielsweise ein Kugelventil, enthalten. Das Kugelventil könnte bequemerweise
ein magnetisch schaltbares Ventil sein. Die Fluidkopplung könnte eine
Katalysatorfritte enthalten oder es könnte ein Filter eingearbeitet
sein. Verschiedene Schalter könnten
ausgedacht werden.
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Es
ist möglich
eine leitende, beispielsweise metallische, Fluidkopplung wie beispielsweise
einen Metallbundring zu verwenden, um sowohl eine elektrische als
auch eine Fluidverbindung zwischen Modulen und/oder Platten zu bewirken.
Eine derartige metallische Kopplung könnte optional mit einer Isolierungsschicht
auf einer fluid- und/oder modulkontaktierenden Oberfläche bereitgestellt
sein, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen Modulen und/oder elektrischer
Kontakt mit Fluid darin bewirkt wird. Ein bundringbasierendes Design
bietet insbesondere eine Flexibilität darin, dass das System einfach
mit weiteren funktionellen Verbindungen (z. B. magnetischen, optischen)
entweder integral mit oder separat vom Bundring bereitgestellt werden
kann.
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Optional
kann der Bundring einen Verschluss einarbeiten oder damit bereitgestellt
sein, zum Verschließen
eines Weges, der in einer speziellen Vorrichtungskombination nicht
verwendet wird, was eine Redundanz in der Wahl des Weges in der Grundplatte
beispielsweise während
der sofort betriebsbereiten bzw. Plug-and-Play-Verwendung erlaubt.
Der Verschluss kann einen Spund bzw. Stöpsel umfassen, der von einem
Benutzer anzuwenden ist, oder ein integrales Verschlussventil, das
angepasst ist, um manuell betrieben zu werden, oder um automatisch
bei der Einführung
des Bundrings in die Aussparung zu arbeiten.
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Die
Erfindung hierin zuvor wurde bezüglich einer
einzelnen Grundplatte mit einer Mehrzahl von Modulen beschrieben,
die darauf in einer einzigen Schicht angeordnet sind. Es wird leicht
verstanden werden, dass die Erfindung nicht derart beschränkt ist.
Eine spezielle Flexibilität
der Erfindung ist die, dass sie eine Mehrniveaustapelung von Modulen und/oder
primären
Grundplatten und/oder Zwischenniveauplatten gestattet. Derartige
Zwischenniveauplatten können
dazu dienen, dass sie lediglich Fluidverbindungen in der Form von
Kanälen,
Kammern oder dergleichen bereitstellen, oder sie können auch aktive
Mikrofluidkomponenten umfassen. Gleichsam wird verstanden werden,
dass die Erfindung modulare Strukturen umfasst, die eine Mehrzahl
von Modulen wie hierin zuvor beschrieben und zumindest eine primäre Grundplatte
umfassen, wobei die Grundplatte auch optional mit aktiven Mikrofluidkomponenten bereitgestellt
ist.
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Bezugnahmen
hierin zuvor auf Merkmale der primären Grundplatte werden verstanden
werden, dass sie gleichermaßen
auf derartige Zwischenniveauplatten anwendbar sind. Zwischenniveauplatten können konstruiert
werden wie oben beschrieben und bevorzugte Merkmale davon werden
durch Analogie gebildet werden. Insbesondere sind Platten vorzugsweise
planar, und vorzugsweise von einer Sandwichkonstruktion wie oben.
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In
Ausführungsformen,
die ein derartiges Mehrniveaustapelsystem umfassen, wird jede beliebige
Komponente, die angepasst ist für
die Verwendung bei einem Zwischenniveau, zumindest eine Einlassöffnung auf
einer ersten "unteren" Oberfläche und
zumindest eine Auslassöffnung
an einer zweiten "oberen" Oberfläche umfassen
(wobei verstanden wird, dass untere und obere als eine Bequemlichkeit hierin
verwendet werden, um auf Oberflächen
Bezug zu nehmen, die proximal und distal zur Grundplatte angeordnet
sind, und nicht um eine beliebige beschränkende Orientierung zu implizieren).
Bezugnahmen hierin auf Einlässe/Auslässe in einem
Modul werden verstanden werden, dass sie gleichsam, wo dies angemessen
ist, auf eine derartige untere Öffnung
zutreffen, und Bezugnahmen hierin auf eine Grundplattenfluidzufuhrvorrichtung
werden verstanden werden, dass sie gleichsam, wo dies angemessen
ist, auf eine derartige obere Öffnung
in einer Zwischenniveaukomponente zutreffen. Es ist insbesondere
einfach, mehrere Schichten unter Verwendung der bevorzugten Bundringausführungsform
zu stapeln.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Fluidverbindungen durch hervorstehende Bundringe zwischen
Komponenten, die angepasst sind, um im Allgemeinen parallel zu liegen,
bewirkt. In Mehrniveausystemen wird es bequem sein, dass diese Bundringe
alle in dieselbe Richtung hervorstehen. Insbesondere sind Bundringe
vorzugsweise bei Öffnungen
in der oberen Oberfläche
der Grundplatte und bei Öffnungen
in der oberen Oberfläche
aller Zwischenniveaumodule bereitgestellt, um empfangsmäßig in fluiddichter
Verbindung mit ausgesparten Abschnitten bei Öffnungen auf der unteren Oberfläche aller
Zwischenniveaukomponenten und aller obersten Niveaukomponenten in
Eingriff zu stehen.
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Die
Befestigung eines Moduls an der Platte, oder eines oberen Schichtmoduls
an einem unteren Schichtmodul in Mehrschichtsystemen, kann durch jede
beliebige geeignete lösbare
Befestigungseinrichtung erreicht werden, einschließend, ohne
Beschränkung
auf, Schrauben oder Schraubenfixierungen, Bajonettverbindungen,
ob schnell lösbar
oder nicht, Schiebe- und Schnapppassungsverbinder, Vakuum- oder
mechanische Klemmverbindungen, lösbare
gegenseitig eingreifende elastische Haken- und Filzkissen, Haken,
Klammern etc. Die Fluidkopplungen selbst, speziell in der bevorzugten
Form als Kanalmittel in Presspassung zwischen Paaren von verbundenen Öffnungen,
beispielsweise Bundringe, in Eingriff mit Presspassung in Aussparungen,
können dabei
helfen oder sogar ausreichen, um eine derartige mechanische Verbindung
zu bilden. Es werden jedoch üblicherweise
zusätzliche
mechanische Verbinder bevorzugt.
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Das
System gemäß der Erfindung
stellt eine Mehrzahl von austauschbaren Elementen bereit, was es
erlaubt, dass eine Mehrzahl von verschiedenen Mikrofluidfunktionen
auf einem oder mehreren Niveaus durchgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung
ist in einem weiteren Aspekt ein Verfahren der Bereitstellung eines
Mikrofluidsystems als ein modularer Aufbau wie in Anspruch 19 beansprucht
bereitgestellt. Insbesondere umfasst das Verfahren die Schritte:
Bereitstellen
mindestens einer Grundplatte mit einer Mehrzahl von strömungsmäßig verbundenen
Fluidzufuhröffnungen
auf einer oder beiden Seiten davon und einer Mehrzahl von Fluidkanälen und/oder
-kammern, die in Fluidverbindung mit zumindest einigen der Zufuhröffnungen
verbinden;
Bereitstellen einer Mehrzahl von Mikrofluidmodulen, von
denen jedes einen oder mehrere Fluideinlässe und/oder -auslässe und
zumindest einen Fluidkanal oder eine Fluidkammer in Fluid- bzw.
Strömungsverbindung
dazwischen aufweist;
Verbinden der Module mit der Grundplatte über Fluidkupplungen,
die angepasst sind, um eine lösbare fluiddichte
Verbindung dazwischen über
eine Zufuhröffnung
auf der Grundplatte und einen Einlass/Auslass auf dem Modul zu bewirken;
derart
dass die Fluidkanäle
oder -kammern innerhalb der Module mit den Fluidkanälen oder
-kammern in der Grundplatte zusammenwirken, um einen gewünschten
Mikrofluid-Kreislauf
zu vervollständigen.
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Andere
Merkmale des Verfahrens werden durch Analogie verstanden werden.
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhalber mit Bezug auf die 1 bis 8 der
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
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1 stellt
im Querschnitt dar, wie eine Fluidverbindung zwischen Komponenten
gemäß der Erfindung
bewirkt wird;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer einfachen Grundkonstruktion
einer Mikrofluidvorrichtung für
die Verwendung mit der Erfindung;
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3 ist
ein beispielhaftes Mikroreaktorsystem, das die Prinzipien der Erfindung
anwendet;
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4 ist
eine Draufsicht der Grundplatte des Reaktors von 3;
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5 ist
ein auf dem Chip befindlicher Verteiler vom Reaktor von 3;
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6 ist
eine Draufsicht einer ersten aktiven Mikrofluidvorrichtung vom Reaktor
von 3;
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7 ist
eine Draufsicht einer zweiten aktiven Mikrofluidvorrichtung vom
Reaktor von 3;
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8 ist
eine Draufsicht einer dritten aktiven Mikrofluidvorrichtung vom
Reaktor von 3;
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9 und 10 sind
Beispiele von Komposit-Mikrofluidvorrichtungs-/Substratanordnungen, die
eine Kombination von Materialien verwenden, um die beste Kombination
von Eigenschaften zu erreichen;
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11 und 12 sind
Beispiele von Reaktorchipanordnungen, die die Komposite von 9 und 10 verwenden.
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1 stellt
im Querschnitt das Grunddesign der Fluidverbindung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung der hervorstehenden Bundringe dar.
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In 1 schematisch
dargestellt sind eine Grundplatte 1, eine erste Niveaukomponentenschicht 2 und
eine zweite Niveaukomponentenschicht 3. Die drei Schichten
sind in einer Explosionsansicht zerlegt, jedoch für den Zusammenbau
ausgerichtet, gezeigt.
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Eine
Fluidverbindung innerhalb des Systems wird bewirkt durch Einführen von
Bundringen 7, 9, die jeweils an einer oberen Zufuhröffnung in
der Grundplatte 1 und an einer oberen Auslassöffnung in
der ersten Niveauplatte 2 bereitgestellt sind, die in den Aussparungen 6, 8 aufgenommen
werden, die jeweils in einer unteren Oberfläche der ersten Niveauplatte 2 und
in einer unteren Oberfläche
der zweiten Niveauplatte 3 bereitgestellt sind. In der
Ausführungsform
verwendet die Verbindung einfache parallelseitige Löcher zur
Verwendung von PTFE-Röhren, die
die Bundringe 7, 9 ausbilden, obwohl verstanden wird,
dass komplexere Löcher
und Bundringe möglich
sind. Die Bundringe werden innerhalb der Löcher in Presspassung festgehalten,
um eine fluiddichte lecksichere Verbindung bereitzustellen.
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Im
gezeigten Beispiel wird die Fluidzufuhr über eine Einlassfluidquellenöffnung 10,
umfassend flexibles Rohrmaterial 11 von 1/16 Inch (1,5
mm) Durchmesser, festgehalten innerhalb von HPLC-Fittings bzw. -Verbindungen 12,
bewirkt. Der Fluidweg ist durch die dunkle Linie 14 gezeigt.
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Um
die modulare Struktur in einem Laborsystem zusammen- bzw. aufzubauen,
wird eine mechanische Last in Richtung der Pfeile L angewendet, um
ein Eingreifen zwischen den Bundringen 7, 9 und den
Aussparungen 6, 8 zu bewirken. Zusätzliche
mechanische Fixierungen (nicht gezeigt) können bereitgestellt werden,
um eine sicherere mechanische Verbindung zwischen den Komponenten 1, 2, 3 sicherzustellen.
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Eine
einfache schematische Vorrichtungskonstruktion ist in der Explosionsansicht
in 2 dargestellt. Die Beispielvorrichtung weist eine
Sandwichschichtstruktur auf, die eine äußere Grund- bzw. Basisschicht 21 aus
Polyetheretherketon (PEEK), ein Paar von Innenschichten 22 aus
photobelichtbarem Epoxid und eine obere Schicht 24 aus
Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie innere Schichten 22 umfasst.
Kanalmittel 23 sind in der inneren Epoxidsandwichschicht 22 bereitgestellt,
um die notwendige Mikrofluidmikrostruktur bereitzustellen. Fluidöffnungen 25 durch
die obere Schicht 24 ergeben eine Fluidkommunikation von
einer Oberfläche
der vervollständigten
Vorrichtung zu den Kanalmitteln 23, die eingeschlossene
innere Kanäle
bilden, sobald die zwei in der Explosionsansicht von 2 dargestellten
Teile zusammengebaut sind.
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Die
Sandwichschichtelemente 22 und die obere Schicht 24 kontaktieren
das Fluid bei der Verwendung jeweils in den Kanälen 23 und den Öffnungen 25.
Folglich werden diese aus Materialien hergestellt, die eine gute
chemische Widerstandsfähigkeit zeigen,
im Beispiel jeweils photobelichtbares Epoxid und PEEK. Eigenschaften
der lediglich strukturellen unteren Schicht 21 sind weniger
entscheidend.
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Die
einfache schematische Darstellung in 2 stellt
keine aktiven Mikrofluidvorrichtungen dar. Es wird verstanden werden,
dass diese geeigneterweise innerhalb der Kanäle selbst (beispielsweise insbesondere,
wenn diese die Form von Pumpen, Ventilen, Filtern oder dergleichen
annehmen) eingearbeitet werden können,
oder auf einer Moduloberfläche
in Fluidkommunikation mit den Kanälen 23 eingearbeitet
werden können.
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Ein
Mikrofluidreaktionssystem gemäß der Erfindung
ist in Draufsicht in 3 dargestellt. Der Reaktor umfasst
Einlässe
für zwei
Zufuhrfluide ("Fluid
A" und "Fluid B"), und stellt drei
Verarbeitungsströme
("Strom 1", "Strom 2", "Strom 3") bereit.
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Der
Reaktor umfasst eine Grundplatte 31, die eine Mehrzahl
von Fluidzufuhrkanälen 32 darin einarbeitet.
Die Grundplatte weist eine Anzahl von Mikrofluidkomponenten darauf
montiert auf, die ein Verteiler 34 sind, um das Zufuhrfluid
A, B in die drei Ströme
(Ströme 1,
2, 3) aufzuteilen, und dann innerhalb jedes Stroms eine Serie von
Modulen, umfassend einen Mixerchip 35, einen Detektorchip 36,
einen Reaktorchip 37 und einen weiteren Detektorchip 36.
Diese Komponenten sind separat in den 4 bis 8 gezeigt.
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Ein
System, das gemäß den Prinzipien
der Erfindung wie in 3 dargestellt konstruiert ist,
bietet eine bemerkenswerte Einfachheit und Flexibilität, wobei
eine Anzahl von Vorteilen gegenüber
herkömmlichen
Designs bereitgestellt wird. Insbesondere ermöglicht es die Verwendung von
größeren Verbindungskomponenten
und eine Skalierung von der Makro- in die Mikrowelt durch Mikrofluid-"Fächerung" (Übergang
von einem großen
Abstand zu einem kleinen Abstand zwischen den Fluidkanälen). Verbindungen
vom Chip zur Platte ermöglichen
eine enge Packung der Verbindungen auf <2 mm im Quadrat bei gepackter Beabstandung
oder <1 mm bei
versetzter Beabstandung.
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4 stellt
in Draufsicht die Grundplatte 31 von 3 ohne
die befestigten Komponenten dar. Die Fluidkanalmittel, die innerhalb
der Grundplatte 31 bereitgestellt sind, sind deutlicher
dargestellt.
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Der
Verteiler 34 von 3 ist in
größerem Detail
in der Draufsicht von 5 dargestellt. Es kann von 5 gesehen
werden, wie der Verteiler von einem einzelnen Einlass die zwei Fluide
(Fluid A, Fluid B) empfängt
und sechs Auslässe,
1 bis 6, erzeugt, wobei eine gepaarte Zufuhr von Fluid A und Fluid
B an die drei in 3 dargestellten Ströme bewirkt
wird.
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Die
Vorrichtung ist gemäß den Prinzipien
von 2 konstruiert. Die Kanalgröße im Beispiel ist 150 μm mal 50 μm. Die Streckenführung wird
bewirkt durch 300 μm
Kanäle.
Die Gesamtgröße der Vorrichtung
ist 62 mal 72 mal 4 mm.
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6 stellt
in Seitenansicht (oben) und Draufsicht (unten) den Mikromixerchip
von 3 dar. Der Mikromixerchip empfängt zwei Fluidströme, umfassend
Fluid A und Fluid B, jeweils in Einlass A und Einlass B. Diese werden
zusammengemischt, wenn sie dem Flusskanal 41 zum Auslass
folgen. Der Chip ist von einem grundlegenden Design wie in 2 dargestellt,
mit einer Kanalgröße von 100 μm mal 50 μm und einer
Gesamtgröße von 45
mal 25 mal 4 mm. Er wird in Position auf der Grundplatte mittels
der Klammer 42 festgehalten.
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7 ist
eine Darstellung eines Reaktorchips 37 von 3,
gezeigt in Seitenansicht (oben) und Draufsicht (unten). Fluidflüsse vom
Einlass zum Auslass über
den Fluidkanal 51 passieren dabei durch den Reaktorabschnitt 53.
Der Reaktorabschnitt umfasst ein Katalysatorbett 54, 3
mm im Durchmesser und 2 mm tief, festgehalten von der Schraube im Stöpsel 55.
Der Gesamtaufbau weist eine Kanalgröße von 100 μm mal 50 μm auf, eine Gesamtgröße von 36
mal 25 mal 6 mm, und wird in Position gehalten von der Klammer 52.
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8 stellt
den Detektorchip 36 von 3 in Seitenansicht
(oben) und Draufsicht (unten) dar. Fluid fließt vom Einlass zum Auslass über den
Flusskanal 61.
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Der
aktive Bereich 68 des Detektors umfasst eine Lichtquelle
in der Form einer LED 63 oder einer optischen Faser (nicht
gezeigt) zu einer externen Quelle, ein Beugungsgitter 64 sowie
einen Lichtkollektor in der Form der optischen Faser 65.
Eine Linse 66 in der Vorderseite der Lichtquelle kollimiert
das Licht und eine Linse 67 in der Vorderseite der Lichtsammelfaser
verbessert die Lichtsammlungseffizienz. Gesammeltes Licht wird zur
Spektralanalyse gesendet.
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Eine
zusätzliche
elektrische Detektionsfunktion wird über Gruppen von drei Goldmikroelektroden 69,
110 μm breit
und 200 μm
im Abstand, bereitgestellt. Die Kanalgröße ist 400 μm mal 400 μm, wobei sich eine Gesamtvorrichtungsdimension
von 50 mal 30 mal 5 mm ergibt.
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Es
wurde betont, dass Systeme gemäß der Erfindung
mit einer verbesserten Funktionalität versehen werden können, indem
eine Kombination von Materialien und Komponenten verwendet wird,
und indem Kompositsubstrate für
die Grundplatte und die Chips verwendet werden, um die beste Kombination von
Eigenschaften zu erreichen.
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Beispielsweise
ist es im Falle eines mikrochemischen Reaktors vorteilhaft, ein "Fenster"-Substratpolymer zu verwenden, das transparent
ist, um eine einfache Inspektion des Fluidwegs zu ermöglichen,
wobei jedoch Einsätze
im Substrat in den Regionen eingeschlossen sind, wo ein Lösungsmittelkontakt
möglich
ist; wobei Kontakt mit dem "Fenster"-Substrat verhindert
wird.
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Ein
Beispiel einer derartigen Kompositstruktur ist in 9 gegeben.
In der Figur sind verschiedene Materialien durch verschiedene Schattierung
repräsentiert,
umfassend gemäß dem dargestellten Schlüssel:
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- Grundplattensubstratmaterial
(z. B. PMMA);
- 72
- Chipsubstratmaterial
(z. B. PMMA)
- 73
- photobelichtbares
Epoxid
- 74
- chemisch
widerstandsfähige
Einsätze
(z. B. PEEK)
- 75
- Bundringe
(z. B. PTFE)
- 76
- Fluidverbinder
(z. B. PEEK)
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Der
Einsatz ist einfach ein Zylinder, der das Substrat durchläuft, durch
welches ein Fluidweg und eine Aussparung zum Tragen eines Bundrings
gebohrt ist. Das Material des Einsatzes kann von chemisch hoch widerstandsfähigen Polymeren
wie beispielsweise PEEK oder PTFE, oder in einem härtbaren
Harz, gebildet durch Mikroformung oder lithographische Verwendung
eines photobildbaren Harzes, ausgewählt sein. Die Einsätze können durch
jedes beliebige Verfahren einschließlich maschineller Bearbeitung
oder Spritzgießen
hergestellt werden.
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Komplexere
Einsätze
können
den Bundring integral mit dem Einsatz aufweisen. Obwohl dies ein Ersetzen
des Bundrings hemmen würde,
wäre es eine
gute Option für
große
Arrays von Chips, wo eine Einfügung
mehrerer Bundringe zeitaufwändig
wäre. Dies
ist durch die Elemente 77 in 10 dargestellt, wo
andernfalls gleiche Nummern für
gleiche Materialien verwendet werden.
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Das
Konzept der Verwendung eines Kompositansatzes, um die benötigten Eigenschaften
am optimalen Ort zu erzielen, kann auch auf die Mikrofluidkanalwände ausgedehnt
werden. Die Oberflächeneigenschaften
der Wände
sollten idealerweise den gewünschten
Flusscharakteristiken des vom Kanal transportierten Materials angepasst
werden. Beispielsweise, wenn ein geringer Wandkontaktwiderstand
benötigt
wird, ist eine Beschichtung niedriger Oberflächenenergie ein bequemeres
Verfahren der Erreichung des gewünschten
Effekts, verglichen mit der Herstellung des gesamten Systems in
einem Polymer aus niedriger Oberflächenenergie. Beispielsweise
reduziert ein photobelichtbares Epoxid, behandelt mit Fluorolink
S10 (Ausimont) – ein
Di-Triethoxilan, basierend auf einem linearen Perfluorpolyether-Backbone – die Oberflächenenergie
auf 13 dyn/cm. Bequemerweise können
die Wände
der Kanäle
alternativ behandelt werden, um sie hydrophil oder hydrophob zu
machen oder um Biokompatibilität
etc. bereitzustellen.
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Ein
weiterer Vorteil des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden
Konzepts von verbundener Grundplatte und Prozessorchip ist die Möglichkeit
der Anwendung einer Vergrößerung durch
Ausskalierung. Ausskalierung ist der Begriff, der häufig auf
eine Steigerung der Ausgabe von einem Prozessorchip angewendet wird,
der beispielsweise ein synthetisches Arbeitsverfahren durchführt, durch
Vervielfältigen
der Anzahl der Prozessorchips. Dies behält die Reaktionsbedingungen
für die
Kanaldimension optimiert für
ein einzelnes Verfahren oder eine Serie von Verfahren bei, die sich
andernfalls verändern würden, wenn
die Kanaldimensionen vergrößert werden
würden,
um einen höheren
Durchsatz zu erzielen. Dies kann erreicht werden, indem die Grundplatte
als ein Verteiler funktioniert, der Reagenzien an ein Array von
Prozessorchips zuführt.
Der Verteiler kann eine einseitige Eingabe an mehrere Ausgaben von jedem
Prozessorchip bereitstellen. Ein Verteiler auf einer Seite kann
ein integriertes Eingabe- und Ausgabearray von Kanälen bereitstellen
oder eine Seite kann einen Eingabeverteiler bereitstellen und eine Platte
auf einem höheren
Niveau kann einen Ausgabeverteiler bereitstellen.
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Beispiele
derartiger Anordnungen bzw. Aufbauten, die das Kompositkonzept verwerten,
sind in den 11 und 12 gezeigt,
die jeweils die Verwendung einer Grundplatte als einen Verteiler
zum Zuführen
von Fluid parallel zu einem Array von Prozessoren mit mehreren Ausgaben
von jedem Prozessorchip sowie die Verwendung von Grundplatten als Eingabe- und Ausgabeverteiler
für das
Versorgen der Prozessorchips parallel zum Vergrößern durch Ausskalierung oder
durch Prozessorreplikation darstellen. Der Schattierungsschlüssel der 9 und 10 ist
auf die in den 11 und 12 dargestellten
Systeme angewendet.
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Das
Verbindungssystem stellt ein einfaches Mittel der Entwicklung von
Verfahren durch eine Serienverbindung von jedem Verfahren bereit,
wobei eine Optimierung jedes Verfahrens einfach durch den Austausch
von Chips erzielt wird. Sobald eine Serie von Verfahren optimiert
ist, können
sie bequem in einen einzelnen Chip integriert werden und dann, sofern
gewünscht,
in Arrays umgewandelt werden, wobei die Grundplatte mehrere Zufuhren
für die
Verwendung im Hochdurchsatzscreening bereitstellt, oder die Grundplatte
als Eingabe- und Ausgabeverteiler für die Verfahrensreplikation
zur Vergrößerung oder zum
Erzielen eines erhöhten
Durchsatzes durch Ausskalierung dient. Auf diese Weise kann eine
große Anzahl
von Chips aufgestellt werden, um eine Produktionsfähigkeit
zu erzielen.
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Das
vollständige
System kann ein vollständiger
Mischling von Materialien sein, wobei beispielsweise der Grundplattenverteiler
aus Polymer, die Bundringdichtungen aus Polymer, die Prozessorchips
aus Glas, das Pump- und Ventilsystem aus Metall, möglicherweise
mit inneren Polymerdichtungen, etc. sind.