EP1488157A1 - Vorrichtung und verfahren zur leitungsankopplung an fluidische mikrosysteme - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur leitungsankopplung an fluidische mikrosysteme

Info

Publication number
EP1488157A1
EP1488157A1 EP03708267A EP03708267A EP1488157A1 EP 1488157 A1 EP1488157 A1 EP 1488157A1 EP 03708267 A EP03708267 A EP 03708267A EP 03708267 A EP03708267 A EP 03708267A EP 1488157 A1 EP1488157 A1 EP 1488157A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sealing
liquid line
fluidic
liquid
fluidic system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03708267A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Müller
Annette Pfennig
Stephen Shirley
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PerkinElmer Cellular Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Evotec OAI AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evotec OAI AG filed Critical Evotec OAI AG
Publication of EP1488157A1 publication Critical patent/EP1488157A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L37/00—Couplings of the quick-acting type
    • F16L37/02—Couplings of the quick-acting type in which the connection is maintained only by friction of the parts being joined
    • F16L37/04—Couplings of the quick-acting type in which the connection is maintained only by friction of the parts being joined with an elastic outer part pressing against an inner part by reason of its elasticity
    • F16L37/05—Couplings of the quick-acting type in which the connection is maintained only by friction of the parts being joined with an elastic outer part pressing against an inner part by reason of its elasticity tightened by the pressure of a mechanical element

Definitions

  • the invention relates to devices for coupling fluid lines to fluidic microsystems, in particular a coupling device for fluid-tight coupling of at least one fluid line to a fluidic system, fluidic systems equipped with such devices, and methods for line coupling to fluidic microsystems.
  • fluidic systems are used to handle suspended biological or synthetic samples.
  • miniaturized fluidic systems microfluidic systems, fluidic microsystems
  • Fluidic microsystems are particularly suitable for sample-specific single cell treatment or measurement and may be equipped with microelectrode devices for this purpose.
  • a fluid microsystem is typically produced as a compact component (so-called chip). The following techniques are known from practice for loading the microsystem with the respective samples (e.g. biological cells, cell components, synthetic particles and / or liquid media).
  • the fixed attachment of tubes to microsystems is disadvantageous, since in most applications a flexible adaptation of the microsystem to the sample supply and separate handling of the tubes and the microsystem, e.g. B. for cleaning purposes, is desired.
  • the plug-in or screw connections on the other hand, have fluidic disadvantages, since an undesired dead volume is formed at the place of a plug-in or screw adapter, in which a change in the flow cross-section also takes place in comparison to the connected hose.
  • a dead volume causes several problems.
  • a quantitative sample entry or a quantitative sampling with small cell numbers and / or small sample volumes (e.g. ⁇ 10 ⁇ l, ⁇ 1000 cells / ⁇ l) is made more difficult or impossible.
  • the applications of conventional hose couplings are limited to microsystems in which volumes in the higher ⁇ l to ml range can be taken up as storage volume and the flow velocities and volume flows are in the range> 100 ⁇ l / h and the velocities in the range> 500 ⁇ m / s Recovery rate for the sample examined is not of significant interest. However, this represents a considerable restriction of the area of application of conventional microsystems.
  • each dead volume is associated with extended pumping times.
  • a hose with an inner diameter of approx. 250 ⁇ has a volume of approx. 2 ul.
  • a desired flow rate of e.g. B. 10 ⁇ l / h results in a residence time of approx. 10 mins.
  • the dead volume is also associated with a change in the flow cross-section, e.g. B. an expansion connected to a connection adapter.
  • the flow velocity is reduced.
  • Samples or sample components can settle (sedimentation). For example, there may be an undesirable loss of cells or a delay until the cells continue to be rinsed.
  • Dead volumes therefore also create a risk of contamination build-up, which can lead to susceptibility to germs.
  • a coupling device for microfluidic applications is known from WO 99/63260.
  • a hollow body is fixed on a fluidic chip and an O-ring seal is integrated in its end facing the fluidic chip via an opening in the fluidic chip.
  • a liquid line with a profiled outer wall is inserted into the hollow body with the O-ring seal.
  • the free end of the liquid line is pushed towards the opening until the profiled outer wall of the liquid line sits in the O-ring seal.
  • the O-ring seal is radially compressed in the hollow body, a liquid-tight connection being formed between the liquid line and the fluidic chip.
  • the coupling device according to WO 99/63260 has several disadvantages.
  • the coupling device can only be used with liquid lines with a profiled line end.
  • the end of the line may have to be processed before use (e.g. by machining or heat treatment).
  • a further disadvantage arises when, by inserting the end of the liquid line into the fluid chip in the respective opening of the fluid chip, the thickness of the wall material of the liquid line creates a step by which the dead volume is formed with the disadvantages described above.
  • Another problem is that the conventional technology is designed for relatively high operating pressures (for example 70 bar), but which are impractical in fluidic microsystem technology, in which fragile glass chips are used, for example.
  • a major disadvantage is that, according to WO 99/63260, a good seal is achieved between the liquid line and the radially clamped O-ring.
  • the sealing function of which is unreliably fulfilled because of its small expansion.
  • the surface of the fluid chip is loaded unevenly. Higher demands are placed on the stability of the fluidic chip. If correspondingly thicker wall materials are used, there are disadvantages for the applicability of optical measurement methods on the fluidic chip.
  • Small cell counts in the range of 1 to 500 cells should be flushed through the microsystem with a recovery rate> 70% and evaluated and manipulated according to various criteria (e.g. size, dielectric properties, optical properties, fluorescence properties).
  • Typical pump speeds in the range of 100 to 500 ⁇ m / s or pumping rates in the range of 2-20 ⁇ l / h should be realized.
  • the object of the invention is to provide improved devices for coupling liquid lines to fluidic microsystems, with which the disadvantages of conventional coupling techniques are overcome.
  • the devices are to be characterized in particular by an expanded area of application, high flexibility and improved flow properties, such as, for. B. feature a minimal dead volume and avoidance of steps in the flow cross-section.
  • the object of the invention is also to provide improved methods for coupling liquid lines to fluidic microsystems, in particular using such devices.
  • a basic idea of the invention is to provide a coupling device for the liquid-tight coupling of at least one liquid
  • a coupling device for the liquid-tight coupling of at least one liquid
  • a fluidic system in particular to a fluidic microsystem, which has at least one sealing device at which the liquid line ends and the at least one sleeve with a first planar sealing surface for resting on an outer surface of the fluidic system through which the end of the liquid line points to an opening in the outer surface, and comprises at least one clamping device with which the sealing device can be pressed against the fluidic system, so that the first sealing surface enters into a liquid-tight connection with the outer surface of the fluidic system.
  • the provision of a sealing device with a sealing surface radially surrounding the end of the liquid line has the advantage that the liquid line can be coupled directly to the fluidic system without a dead volume.
  • the liquid line opens directly into the microsystem without an intermediate adapter.
  • the clamping device creates a releasable connection between the liquid line and the fluidic system, which is advantageously suitable for sealing even at elevated pressures, and thus enables high flow velocities even with small flow cross sections, without the fluidic system being influenced by mechanical pressing.
  • the coupling device according to the invention is characterized by simplified handling.
  • the liquid line equipped with the sealing device can be placed on its outer surface for coupling to a fluidic system, the end of the liquid line being arranged over a selected opening in the outer surface, and fixed by a simple actuation of the clamping device.
  • the clamping device has at least one hollow plunger which is movable relative to the outer surface of the fluidic system, so that the movement towards the fluidic system onto the at least one sleeve of the sealing device causes one to face the outer surface of the fluidic system. directed force can be exerted.
  • the at least one sleeve of the sealing device has an outer shape which is formed such that the desired force is exerted on the sealing surface under the action of the hollow plunger.
  • the clamping device comprises at least one hollow punch which has at least one receptacle for at least part of the sleeve of the sealing device and, if appropriate, an end face with which the sealing device can be pressed onto the fluidic system.
  • a hollow plunger has the particular advantage that the contact pressure for fixing the sealing device on the outer surface of the fluidic system can be distributed uniformly and can be chosen to be so small in relation to the sealing surface that the fluidic system is not deformed or possibly destroyed.
  • a plurality of liquid lines, which can be connected to form one or more sealing devices can advantageously be held in place with a plurality of sleeves simultaneously and in a space-saving manner with respectively associated hollow punches.
  • the sealing device can be formed integrally with the end of the liquid line or can be firmly connected (eg glued). According to preferred embodiments of the invention, however, the liquid line and the sealing device form separate, detachable components which can be reversibly connected to one another.
  • the sleeve of the sealing device has an inner hollow channel which is designed to releasably receive an end region of the liquid line and forms a second sealing surface, the sealing device with the clamping device being able to be pressed onto the end region of the liquid line, so that the second sealing surface with the surface of the end region the liquid line enters into a liquid-tight connection.
  • the sealing device advantageously fulfills a double function.
  • the end of the fluid line is sealed laterally (or radially) from the outer surface of the fluidic system and according to the orientation of the fluid line (or axially) along the surface of the fluid line.
  • the detachable sealing device has the additional advantage of an increased flexibility of the coupling device.
  • the sleeve can easily be plugged into a hose end and fixed to a fluidic system with the clamping device, in particular the hollow punch.
  • the length of the liquid line can be optimally adjusted in advance to the geometric conditions in the specific application. Hose lengths can be reduced and pumping times can be shortened.
  • the hollow punch of the clamping device for the sleeve of the sealing device forms a conical or a cylindrical receptacle, the maximum inside diameter of which is smaller than the outside diameter of the sealing device.
  • a cylindrical receptacle has the advantage of evenly pressing the sealing device onto the end of the liquid line.
  • the at least one sealing device is equipped with a plurality of sleeves with which a plurality of liquid lines can be coupled to the fluidic system.
  • the sleeves can be connected in rows or in a matrix in one or more sealing units.
  • the first sealing area is larger than the cross-sectional area of the end of the liquid line, there may be advantages for the tightness even with a low contact pressure of the clamping device.
  • Another object of the invention is a fluidic system which is equipped with at least one coupling device according to the invention.
  • the fluidic system has a chip body, to which at least one liquid line is connected to the coupling device.
  • the chip body has an at least partially planar outer surface in which at least one opening is formed, the liquid line preferably being seated on the planar outer surface with its line end.
  • the dead volume of the coupling can thus advantageously be minimized.
  • the line end of the liquid line preferably has the outer shape of a circular cylinder, non-profiled tubes or capillaries can advantageously be used as liquid lines without additional processing steps. No special accuracy requirements have to be placed on the outside diameter of liquid lines.
  • the fluidic system according to the invention comprises a fluidic microsystem. The requirements of fluidic microsystems with regard to a mechanically gentle handling and the possibility of measurements in the microsystem also in the vicinity of the connected lines are optimally met by the combination with the coupling device according to the invention.
  • the invention also relates to a method for the liquid-tight coupling of at least one liquid line to a fluidic system, in particular with a coupling device according to the invention.
  • the method is characterized by a sequence of steps in which at least one liquid line with a sealing device and the clamping device is coupled to the fluidic system, so that the end of the liquid line is aligned with an opening in the outer surface of the fluidic system, a contact force being formed on the clamping device in this way is that the sealing device forms the liquid-tight connection with the outer surface of the fluidic system.
  • the method according to the invention has the advantage of a simple and universal application in various types of liquid lines that are of interest in practice. Liquids, e.g. B. particle suspensions, dead volume free, d. H. introduced directly from the liquid line (hollow body) into the microfluidic system.
  • the invention has the following further advantages.
  • the coupling device according to the invention is simple to use for the user.
  • the flat design of the first sealing surface results in a large contact surface with the outer surface of the fluidic system, as a result of which an optimal seal is achieved.
  • the coupling device is characterized by a uniform pressure distribution tion and thus a low mechanical load on the fluidic system, in particular a fluidic microsystem. Tightness is guaranteed even with increased internal pressures. There is a reliable seal even with internal pressures of up to 0.1 MPa, for example.
  • the coupling device is reversible and easy (ie without tools) and user-friendly detachable.
  • the entire coupling device, parts of it or a combination of the coupling device and the lines can be manufactured as disposable items or can be sterilized by a suitable method.
  • FIG. 3 a perspective view of an embodiment of the coupling device according to the invention, which is designed for coupling several liquid lines,
  • Fig. 5 two views of a clamping device
  • FIG. 9 a graphical representation of test results obtained with a coupling device according to the invention.
  • a liquid line is a hollow body in which a liquid sample is arranged and which is set up for introducing the sample into the fluidic system.
  • the liquid line can in particular be a tube, a capillary, a part of a syringe, or a connection to a reservoir of a microtiter plate or to a liquid delivery device.
  • FIG. 1 partially illustrates a first embodiment of the coupling device 100, which is set up for coupling a liquid line 10 to the microsystem 20 with a sealing device 30.
  • Fig. 1 is a schematic illustration, the details and proportions may vary in practice.
  • the liquid line 10 is, for example, a hose made of plastic Fabric material, e.g. B. PTFE, PEEK, polypropylene, polyethylene, PVC, silicone, or a capillary made of glass, metal or a metal alloy.
  • plastic Fabric material e.g. B. PTFE, PEEK, polypropylene, polyethylene, PVC, silicone, or a capillary made of glass, metal or a metal alloy.
  • the material is selected depending on the application and is preferably inert (cell compatible), sterilizable and not very cell-adhesive with respect to the samples to be treated.
  • the inside diameter of the liquid line 10 is approx. 250 ⁇ m. In cell biological applications, the inner diameter is preferably in the range from 120 ⁇ m to 200 ⁇ m or larger.
  • the outer diameter of the liquid line 10 is, for example, 1.6 mm.
  • the microsystem 20 which is shown schematically only in part in FIGS. 1 and 2, is formed by a channel or compartment structure in a solid body (chip).
  • the channels 21 of the microsystem have dimensions that are typically in the range from 5 to 1000 ⁇ m (width), 5 to 1000 ⁇ m (height) and from 1 to 100 mm (length).
  • biological or synthetic samples e.g. B. cells, cell components, macromolecules, plastic particles or the like. Analyzed, manipulated, separated and / or microscopically evaluated (see Müller et al. In "Biosensors & Bioelectronics, Vol. 14, 1999, pp. 247-256).
  • the microsystem 20 is in a manner known per se with measuring and / or manipulation devices, in particular with a microelectrode device.
  • the microsystem consists, for example, of a semiconductor material (for example silicon), plastic or glass or one or a composite of at least two of these materials.
  • the device (not shown) for dielectrophoretic manipulation and / or measurement of particles.
  • the chip body of the microsystem 20 has an outer surface 22 that is at least sectionally flat.
  • FIGS The flat outer surface 22 is provided with openings 23 through which the structure of the channels 21 or compartments can be accessed.
  • the number and arrangement of openings 23 is selected depending on the task in the design of the microsystem. For example, a single opening 23 is shown in Fig. 1, which has a diameter of z. B. 500 microns and the coupling of a suspension sample from the liquid line 10 in the channel 21 is used. Generally, the opening forms an inlet or outlet in the wall of the fluidic system. In the vicinity of the opening or bores 23, the outer surface 22 has a flat, smooth surface. Most chip materials have a smooth surface.
  • the sealing device 30 comprises a conical sleeve 32, on the wider end surface (bottom side in FIG. 1) of which the first sealing surface 31 is formed.
  • the sleeve 32 has a lower projection 33.
  • the projection 33 on the one hand enlarges the first sealing surface 31 and on the other hand creates an engagement surface for the clamping device 40 (see FIG. 2).
  • the projection 33 is not a mandatory feature of the invention.
  • the sealing function can also be formed with a simply conical sleeve 32 or with a suitable inner shape of the clamping device 40 by a sleeve in the form of a straight cylinder.
  • the outer shape of the sleeve 32 and the inner shape of the clamping device 40 are formed such that a force can be exerted at least towards the outer surface of the microsystem.
  • the first sealing surface 31 has a dimension of at least 10 mm 2 , preferably 20 mm 2 .
  • the sealing device 30 consists of an elastic plastic material, such as. As silicone material, rubber or another elastic plastic, which is preferably sterilizable, not swellable, and is biologically harmless.
  • the material is preferably so soft that in cooperation with the Clamping a seal is made possible without deforming or destroying the chip body. For example, it has a hardness in the range 30-50 Shore A.
  • Materials are preferably used which have a high resistance to temperature, solvents (e.g. organic solvents such as ethanol) and nonionic, anionic and cationic surfactants and / or which sterilize the device by autoclaving (e.g. 20 minutes Allow 121 ° C in the tensioned steam at 2 bar).
  • the sleeve 32 has a hollow channel 34, which is designed to releasably receive the end region 11 of the liquid line 10.
  • the hollow channel 34 forms a second sealing surface 35, which represents a contact surface of the sealing device 30 with the end region 11.
  • the conical second sealing surface 35 has a dimension of at least 10 mm 2 , preferably 20 mm 2 .
  • the inner diameter of the hollow channel 34 is preferably selected such that it is at most as large as the outer diameter of the end region 11, but is preferably slightly smaller.
  • the sealing device 30 is pressed onto the hose 10 and against the microsystem 20 with the clamping device 40, as is illustrated schematically in FIG. 2.
  • the clamping device 40 comprises a hollow punch 41, which can be pressed against the microsystem 20 with a schematically shown clamping mechanism 42.
  • the underside of the hollow punch 41 is at a distance from the outer surface 22.
  • the clamping mechanism 42 is actuated (for example a bayonet connection, see FIG. 7), the distance from the hollow punch 41 from the outer surface 22 is reduced.
  • the associated exertion of force takes place according to the arrows perpendicular to the outer surface 22.
  • the hollow punch 41 forms a conical receptacle 43, the inner shape of which rests on the outer shape of the sleeve 32 is adjusted.
  • the contact area between the inner and outer shapes has a dimension of at least 10 mm 2 , preferably 33 mm 2 .
  • Figures 1 and 2 show as a particular advantage of the coupling device according to the invention that the end 12 of the liquid line 10 directly adjoins the opening 23 of the channel 21. Samples are transferred from the liquid line 10 into the channel 21 without dead volume. The liquid line 10 opens directly into the channel 21 without the interposition of adapters or the like.
  • the coupling according to the invention with the coupling device 100 takes place according to one of the following procedures, depending on the application and structure of the clamping device 40.
  • the coupling device according to the invention makes it possible, as an alternative, first to put the sealing device 30 alone over the opening 23 with the clamping device 40, but without pressing the clamping device 40 onto the microsystem 20. In this state, the end region 11 of the liquid line 10 can be pushed into the sleeve 32 and then the clamping device 40 can be tightened. be. This procedure is particularly advantageous when using sealing units, which are described below with reference to FIGS. 3 to 6.
  • a modified embodiment of the coupling device 100 according to the invention is shown in perspective in an exploded view in FIG. 3.
  • a plurality of liquid lines 10 are coupled to a fluidic microsystem 22, two sealing units 36 being separated from one another as sealing devices 30 and a fluidic block 45 being provided as a clamping device 40.
  • the liquid lines or hollow bodies 10 are used to guide one or more externally induced liquid flows into and / or out of the microfluidic system independently of one another.
  • the microsystem 20 comprises the chip body 24, on which a holding plate 25 is placed.
  • the chip body 24 contains the channel or compartment structure with a microelectrode device, from which electrical contacts 26 are guided to the edge of the chip body 24.
  • the chip body 24 consists, for example, of a glass composite with a plurality of fluidic openings, each of which corresponds to the opening 23 in FIG. 1. For example, eight fluidic openings with a diameter of 500 ⁇ m each are provided.
  • the holding plate 25 is provided on the upper side of the chip body 24 and has two cutouts 27 for receiving a sealing unit 36 and an observation window 28 through which the glass chip body 24 is exposed.
  • each sealing unit 36 which is illustrated in an enlarged manner in FIG. 4, comprises four conical sleeves 32, which are each constructed analogously to the sealing device 30 according to FIG. 1 and are connected to one another via the continuous projections 33 as a row.
  • the continuous projections 33 form a sealing mat.
  • the spacing of the sealing sleeve 32 protruding from the sealing mat in the sealing unit 36 corresponds precisely to the spacing of the fluidic openings in the chip body 26.
  • the sealing mat has the particular advantage that the pressing forces generated by the clamping device are transmitted uniformly to the outer surface of the chip body 24.
  • the fluidic block 45 which is shown in more detail from two sides in FIG. 5, fulfills the function of the clamping device 40. It consists of a carrier plate 46, on the side facing the microsystem 20, two rows of hollow punches 47 are provided, which simultaneously serve for hose guides and receptacles form for the sealing units 36.
  • the fluidic block 45 is preferably made of metal, metal alloys, plastics, such as. B. Teflon, PEEK, KEL-F, or ceramics.
  • the sealing units 36 are inserted into the rows of hollow punches 47. This can be done manually with little pressure.
  • the fluidic block 45 is then placed on the microsystem 20.
  • the undersides of the sealing units 36 are received by the cutouts 27 in the holding plate 25.
  • the fluidic block 45 and the microsystem 20 are connected to one another with a mechanical structure (for example: bayonet connection, see FIG. 7).
  • the liquid lines 10 are then introduced into the hollow channels of the sealing devices and the fluidic block 45 is pressed against the microsystem.
  • the liquid-tight composite is advantageously produced simultaneously for all liquid lines. In the event that one or more fluidics openings should not be coupled to a line, massive packing, z. B. in rod form.
  • FIG. 6 A modified design of the coupling device according to FIG. 3 is illustrated in FIG. 6.
  • a chip carrier (so-called pillar) 48 is shown, which interacts with the fluidic block 45.
  • the reference numeral 29 refers to a circuit board adapter which interacts with the electrical contacts 26 of the chip body for the electrical control of the microsystem.
  • the chip body 24 is connected (for example glued) to the holding plate 25.
  • the holding plate 25 serves to increase the strength of the chip body and the cooling (heat sink).
  • the holding plate 25 is screwed onto the chip carrier 48. It has two parallel elongated holes corresponding to the above-mentioned recesses 27, between which the observation window 28 is located.
  • the sealing units 36 arranged between the chip carrier 48 and the chip body 24 fulfill two tasks, namely the reception of the liquid lines 10 and the sealing of the End sections of the liquid lines.
  • the microsystem 20 is set up to analyze, separate and / or isolate molecules or particles in liquids. For example, micro objects such as cells and artificial particles in the order of magnitude of usually 2 ⁇ m to 100 ⁇ m are to be analyzed, manipulated, pored, separated and / or evaluated microscopically.
  • the microsystem 20 forms a sorter, for example.
  • the chip body contains at least at least a channel with a sorting device, as is known per se in fluidic microsystems. They are based, for example, on the dielectric separation of particles with different properties measured in the microsystem. A suspension with a particle mixture is introduced into the channel via a liquid line.
  • the sample is introduced accelerated by a sheath flow, which has a flow rate of up to 2000 pl / s, for example.
  • a sheath flow which has a flow rate of up to 2000 pl / s, for example.
  • two partial streams are discharged from the microsystem, each of which is accelerated with an enveloping stream for accelerated decoupling.
  • a bayonet connection 42 is shown, by means of which the fluidic block 45 and the holding plate 25 are connected to one another.
  • the bayonet connection 42 simultaneously forms a coupling and the clamping mechanism shown schematically in FIG. 2, with which the distance between the components mentioned can be reduced and the contact pressure can thereby be exerted.
  • the bayonet connection 42 comprises a bayonet ring 42.1 with two anchoring ramps 42.2 and a slot 42.3.
  • the slot 42.3 advantageously enables the bayonet ring 42.1 to be fitted when the tubes 10 have already been inserted into the sealing units 36 by an external additional device (not shown, for example sample reservoir, pump). In this case, the tubes 10 are threaded through the slot 42.3 into the bayonet ring 42.1.
  • the anchoring ramps 42.2 interact with two anchor pins 25.1 which protrude from the holding plate 25.
  • the pressure of the fluid block 45 against the fluidic chip 24 with the holding plate 25 is achieved when the bayonet connection 42 is locked. This is preferably between the bayonet ring 42.1 and the holding plate 25, a spring ring (not shown) is provided. Alternatively, the movement of the bayonet ring 42.1 towards the holding plate 25 can be adjusted by the design of the anchoring ramps 42.2.
  • the fluidic block 45 is equipped with guide pins 45.1, which serve to guide and align the bayonet ring 42.1.
  • the guide pins 45.1 comprise projections which are arranged at the corners of the surface of the fluidic block 45.
  • the holding plate 45 is provided with lateral recesses 45.2 through which the anchor pins 25.1 of the holding plate 25 can protrude.
  • the sealing units 36 are first placed in the cutouts 27 of the holding plate 25 on the chip body 24 or the sealing units 36 are inserted into the hollow punch rows 47 of the fluidic block 45 and then the fluidic block 45 is placed on the holding plate 25.
  • Commercially available hoses are inserted into the addressed openings in the fluidic block.
  • hoses made of PTFE OD 1/16 ''
  • the bayonet ring 42.1 is put on and locked (for example by half a turn).
  • the fluidic block 45 is pressed onto the chip body 24 by the locking movement and the desired sealing of the inserted tubes is thus achieved.
  • the in Figs. Embodiments of the invention shown in Figures 7 and 8 have the following further advantages.
  • the bayonet connection 42 is easy to handle.
  • the fluidic block is reversibly attached to the chip so that, in particular, the tubes and the conical sealing elements are replaced. is made possible.
  • the hoses and the chip do not require any special processing (grooves, etc.) to be sealed, and they can be inserted into the attached fluidic block and do not have to be inserted before assembly.
  • the risk of breakage for the chip when placing the fluidic block can be reduced to a minimum.
  • the fluidic block is adjusted by guides mounted on the chip. Tilting of the fluidic block by turning the bayonet lock is prevented by the guide pins 45.1.
  • FIG. 9 The result of a test of the coupling device according to the invention is illustrated in FIG. 9.
  • the speed in the channel of the microsystem was measured as a function of the pressure in a sheath flow container, with which the speed of the sheath flow is set. With increasing pressure, there is only a slight fluctuation in the flow velocity in the channel. The current in the channel is negligibly influenced by the increase in the flow velocity of the enveloping currents. This proves the high tightness of the coupling device according to the invention. In contrast to this, a strong dependence of the flow velocity in the channel on the flow rate of the sheath flow was observed when testing a conventional coupling device with screw adapters.

Abstract

Es wird eine Kopplungseinrichtung (100), insbesondere zur flüssigkeitsdichten Ankopplung mindestens einer Flüssigkeitsleitung (10) an ein Fluidiksystem (20) beschrieben, die umfasst: mindestens eine Dichtungseinrichtung (30), die zur Aufnahme eines Endbereichs (11) der Flüssigkeitsleitung (10) ausgebildet ist und eine erste Dichtungsfläche (31) zur Auflage auf einer Aussenfläche (22) des Fluidiksystems derart besitzt, dass das Ende der Flüssigkeitsleitung (10) von der ersten Dichtungsfläche (31) lateral umgeben wird und zu einer Öffnung (23) in der Aussenfläche (22) weist, und eine Klemmeinrichtung (40), mit der die Dichtungseinrichtung (30) an das Fluidiksystem (20) anpressbar ist, so dass die erste Dichtungsfläche (31) mit der Aussenfläche (22) eine flüssigkeitsdichte Verbindung eingeht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Leitungsankopplung an fluidische Mikrosysteme
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Ankopplung von Flüssigkeitsleitungen an fluidische Mikrosysteme, insbesondere eine Kopplungseinrichtung zur flüssigkeitsdichten Ankopplung mindestens einer Flüssigkeitsleitung an ein Fluidiksystem, Fluidik- systeme, die mit derartigen Vorrichtungen ausgestattet sind, und Verfahren zur Leitungsankopplung an fluidische Mikrosysteme .
In der Biotechnologie, Analytik, medizinischen Forschung, Diagnostik und bei pharmazeutischen Screeningtechniken werden zur Handhabung suspendierter biologischer oder synthetischer Proben Fluidiksysteme verwendet. Von besonderem Interesse sind miniaturisierte Fluidiksysteme (mikrofluidische Systeme, fluidische Mikrosysteme) mit typischen Dimensionen von Fluidikkanälen oder Kompartimenten im Sub-Millimeter-Bereich. Fluidische Mikrosysteme sind insbesondere zur probenspezifischen Einzelzellbehandlung oder -Vermessung geeignet und hierzu ggf. mit Mikroelekt- rodeneinrichtungen ausgestattet. Typischerweise wird ein flui- disches Mikrosystem als kompaktes Bauteil (sog. Chip) hergestellt. Zur Beladung des Mikrosystems mit den jeweiligen Proben (z. B. biologische Zellen, Zellbestandteile, synthetische Partikel und/oder flüssige Medien) sind aus der Praxis die folgenden Techniken bekannt.
Erstens ist es bekannt, Proben in Pipettenspritzen aufzunehmen und über Schläuche zu applizieren, die an das Mikrosystem angeschlossen sind. Ferner ist bekannt, Mikrosysteme laufend mit einem Transport- oder Hüllstrom zu durchsetzen, in den die Proben mit Pumpen (z. B. Spritzenpumpen, Peristaltikpumpen, piezoelektrische Pumpen und dgl.) eingebracht werden. Zum Anschluss von Schläuchen ist bekannt, feste Klebverbindungen bereitzustellen, Aufsteckadapter zu verwenden, die am Mikrosystem ange- bracht sind (siehe Reichle et al. "BBA", Bd. 1459, 2000, S. 218-229), oder einen Anschluss mit Schraubhülsen zu bilden.
Die feste Anbringung von Schläuchen an Mikrosystemen ist nachteilig, da bei den meisten Anwendungen eine flexible Anpassung des Mikrosystems an die Probenzufuhr und eine separate Handhabung der Schläuche und des Mikrosystems, z. B. für Reinigungszwecke, erwünscht ist. Die Steck- oder Schraubverbindungen hingegen besitzen strömungstechnische Nachteile, da am Ort eines Steck- oder Schraubadapters ein unerwünschtes Totvolumen gebildet wird, bei dem ferner im Vergleich zum angeschlossenen Schlauch eine Änderung des Strömungsquerschnitts erfolgt.
Die Bildung eines Totvolumens verursacht mehrere Probleme. Erstens wird ein quantitativer Probeneintrag oder eine quantitative Probenentnahme bei geringen Zellzahlen und/oder geringen Probenvolumina (z. B. < 10 μl, < 1000 Zellen/μl) erschwert oder ausgeschlossen. Die Anwendungen herkömmlicher Schlauchankopplungen sind auf Mikrosysteme beschränkt, bei denen Volumen im höheren μl- bis ml-Bereich als Vorratsvolumen aufgenommen werden können und die Strömungsgeschwindigkeiten und Volumenflüsse im Bereich > 100 μl/h und die Geschwindigkeiten im Bereich > 500 μm/s liegen und die Wiederfindungsrate bei der untersuchten Probe nicht von maßgeblichem Interesse ist. Dies stellt jedoch eine erhebliche Einschränkung des Einsatzbereiches herkömmlicher Mikrosysteme dar. Des Weiteren ist jedes Totvolumen mit verlängerten Pumpzeiten verbunden. Ein Schlauch mit einem Innendurchmesser von rd. 250 μ besitzt auf 1 cm Schlauchlänge ein Volumen von rd. 2 μl . Bei einer gewünschten Strömungsgeschwindigkeit von z. B. 10 μl/h ergibt sich eine Verweilzeit von rd. 10 Minuten. Mit einem gleichen Totvolumen ergibt sich entsprechend eine unerwünschte Verlängerung der Pumpzeit. Wenn anwendungsbedingt mehrere Mikrosysteme verkoppelt werden, ergeben sich unakzeptable Verfahrensverzögerungen.
Besonders kritisch ist, dass an Substratübergängen und Totvolumen Luftblasen gebildet werden können oder anhaften können. Diese führen insbesondere bei einem diskontinuierlichen Betrieb ("stop-go") zu nicht reproduzierbaren Druckveränderungen und damit zu nachteiligen Bewegungsvariationen der Partikel oder Zellen im Mikrosystem.
Meistens ist das Totvolumen auch mit einer Änderung des Strömungsquerschnitts, z. B. einer Aufweitung an einem Anschlußadapter, verbunden. Bei einer Aufweitungoder entsprechend nach einer Verengung kommt es zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit. Proben oder Probenbestandteile können sich absetzen (Sedimentation) . Es kann bspw. zu einem unerwünschten Verlust von Zellen oder einer Verzögerung kommen, bis die Zellen weiter gespült werden. Totvolumen erzeugen daher auch eine Gefahr durch Ablagerung von Verunreinigungen, durch die eine Keimanfälligkeit auftreten kann.
Aus WO 99/63260 ist eine Kopplungseinrichtung für mikrofluidi- sche Anwendungen bekannt. Auf einem Fluidikchip ist ein Hohlkörper fixiert, in dessen zum Fluidikchip weisenden Ende über einer Öffnung im Fluidikchip eine O-Ring-Dichtung integriert ist. Zur Ankopplung wird eine Flüssigkeitsleitung mit einer profilierten Außenwand in den Hohlkörper mit der O-Ring- Dichtung gesteckt. Das freie Ende der Flüssigkeitsleitung wird zur Öffnung geschoben, bis die profilierte Außenwand der Flüssigkeitsleitung in der O-Ring-Dichtung sitzt. In diesem Zustand wird die O-Ring-Dichtung im Hohlkörper radial komprimiert, wobei eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen der Flüssigkeitsleitung und dem Fluidikchip gebildet wird. Die Kopplungseinrichtung gemäß WO 99/63260 besitzt mehrere Nachteile. Erstens ist die Kopplungseinrichtung nur mit Flüssigkeitsleitungen mit einem profilierten Leitungsende verwendbar. Das Leitungsende muss ggf. vor der Benutzung bearbeitet werden (z. B. durch einen spanenden Abtrag oder eine Hitzebehandlung) . Ein weiterer Nachteil tritt auf, wenn durch ein Einstecken des Endes der Flüssigkeitsleitung in den Fluidikchip in der jeweiligen Öffnung des Fluidikchips durch die Dicke des Wandmaterials der Flüssigkeitsleitung eine Stufe entsteht, durch die das Totvolumen mit den oben beschriebenen Nachteilen gebildet wird. Problematisch ist ferner, dass die herkömmliche Technik für relativ hohe Betriebsdrucke (zum Beispiel 70 bar) ausgelegt ist, die aber in der fluidischen Mik- rosystemtechnik, bei der zum Beispiel fragile Glaschips verwendet werden, unpraktikabel sind.
Ein wesentlicher Nachteil ist es, dass gemäß WO 99/63260 zwar eine gute Dichtung zwischen der Flüssigkeitsleitung und dem radial gespannten O-Ring erzielt wird. Zwischen dem O-Ring und dem Fluidikchip hingegen besteht nur eine relativ schmale Kontaktfläche, deren Dichtungsfunktion wegen ihrer geringen Ausdehnung unzuverlässig erfüllt wird. Außerdem wird die Oberfläche des Fluidikchips ungleichmäßig belastet. An die Stabilität des Fluidikchips werden höhere Anforderungen gestellt. Wenn entsprechend dickere Wandmaterialien verwendet werden, ergeben sich Nachteile für die Anwendbarkeit optischer Messmethoden am Fluidikchip.
Die genannten Probleme betreffen nicht nur die Ankopplung von Schläuchen, sondern allgemein auch andere Verbindungen zwischen Flüssigkeitsleitungen (z. B. Kapillaren) und fluidischen Mikro- systemen.
Insbesondere bei der Anwendung von Mikrosystemen mit kleinem Eigenvolumen und/oder bei zellbiologischen oder medizinischen Fragestellungen können die folgenden Anforderungen bestehen. Kleine Zellzahlen im Bereich von 1 bis 500 Zellen sollen mit einer Wiederfindungsrate > 70% durch das Mikrosystem gespült und in diesem nach verschiedenen Kriterien (z. B. Größe, dielektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften, Fluoreszenzeigenschaften) bewertet und manipuliert werden. Dabei sollen typische Pumpgeschwindigkeiten im Bereich von 100 bis 500 μm/s oder Pumpraten im Bereich von 2-20 μl/h realisiert werden. Des Weiteren ist es bei bestimmten Anwendungen erwünscht, die Zellen, ggf. bis hin zu einzelnen Zellen, quantitativ wiederzugewinnen. Hierzu bestehen Anwendungen bspw. beim Isolieren von Klonen ausgehend von einzelnen Zellen und bei der Probenvorbereitung für Einzelzelltechniken, wie Einzelzell-PCR, Einzel- zell-CE oder dgl..
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Vorrichtungen zur Ankopplung von Flüssigkeitsleitungen an fluidische Mikrosysteme bereitzustellen, mit denen die Nachteile herkömmlicher Ankopp- lungstechniken überwunden werden. Die Vorrichtungen sollen sich insbesondere durch einen erweiterten Anwendungsbereich, eine hohe Flexibilität und verbesserte strömungstechnische Eigenschaften, wie z. B. ein minimales Totvolumen und eine Vermeidung von Stufen im Strömungsquerschnitt auszeichnen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, verbesserte Verfahren zur Ankopplung von Flüssigkeitsleitungen an fluidische Mikrosysteme, insbesondere unter Verwendung derartiger Vorrichtungen, bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit Kopplungseinrichtungen, Fluidiksyste- men und Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1, 14 oder 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Grundidee der Erfindung ist es, eine Kopplungseinrichtung zur flüssigkeitsdichten Ankopplung mindestens einer Flüssig- keitsleitung an ein Fluidiksystem, insbesondere an ein fluidi- sches Mikrosystem, bereitzustellen, die mindestens eine Dichtungseinrichtung, an der die Flüssigkeitsleitung endet und die mindestens eine Hülse mit einer ersten planaren Dichtungsfläche zur Auflage auf einer Außenfläche des Fluidiksystems besitzt, durch die das Ende der Flüssigkeitsleitung zu einer Öffnung in der Außenfläche weist, und mindestens eine Klemmeinrichtung um- fasst, mit der die Dichtungseinrichtung an das Fluidiksystem anpressbar ist, so dass die erste Dichtungsfläche mit der Außenfläche des Fluidiksystems eine flüssigkeitsdichte Verbindung eingeht. Die Bereitstellung einer Dichtungseinrichtung mit einer radial das Ende der Flüssigkeitsleitung umgebenden Dichtungsfläche besitzt den Vorteil, dass die Flüssigkeitsleitung ohne ein Totvolumen direkt an das Fluidiksystem ankoppelbar ist. Die Flüssigkeitsleitung mündet ohne Zwischenadapter direkt in das Mikrosystem. Mit der Klemmeinrichtung wird eine lösbare Verbindung zwischen der Flüssigkeitsleitung und dem Fluidiksystem hergestellt, die vorteilhafterweise geeignet ist, auch bei erhöhten Drucken abzudichten, und damit auch bei geringen Strömungsquerschnitten hohe Strömungsgeschwindigkeiten ermöglicht, ohne dass durch das mechanische Anpressen das Fluidiksystem beeinflusst wird. Die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung zeichnet sich durch eine vereinfachte Handhabbarkeit aus. Die mit der Dichtungseinrichtung ausgestattete Flüssigkeitsleitung kann zur Ankopplung an ein Fluidiksystem auf dessen Außenfläche aufgesetzt werden, wobei das Ende der Flüssigkeitsleitung über einer gewählten Öffnung in der Außenfläche angeordnet ist, und durch eine einfache Betätigung der Klemmeinrichtung fixiert werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Klemmeinrichtung mindestens einen Hohlstempel aufweist, der relativ zur Außenfläche des Fluidiksystems beweglich ist, so dass durch die Bewegung hin zum Fluidiksystem auf die mindestens eine Hülse der Dichtungseinrichtung eine zur Außenfläche des Fluidiksystems ge- richtete Kraft ausgeübt werden kann. Die mindestens eine Hülse der Dichtungseinrichtung besitzt eine Außenform, die so gebildet ist, dass unter der Wirkung des Hohlstempels die gewünschte Kraft auf die Dichtungsfläche ausgeübt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Klemmeinrichtung mindestens einen Hohlstempel, der mindestens eine Aufnahme für mindestens einen Teil der Hülse der Dichtungseinrichtung und ggf. eine Stirnfläche aufweist, mit denen die Dichtungseinrichtung an das Fluidiksystem anpressbar ist. Die Verwendung eines Hohlstempels besitzt den besonderen Vorteil, dass der Anpressdruck zur Fixierung der Dichtungseinrichtung auf der Außenfläche des Fluidiksystems gleichmäßig verteilt und bezogen auf die Dichtungsfläche so gering gewählt werden kann, dass das Fluidiksystem nicht deformiert oder ggf. zerstört wird. Des Weiteren können vorteilhafterweise mehrere Flüssigkeitsleitungen, die zu einer oder mehreren Dichtungseinrichtungen verbunden sein können, entsprechend mit mehreren Hülsen gleichzeitig und platzsparend mit jeweils zugehörigen Hohlstempeln festgehalten werden.
Die Dichtungseinrichtung kann mit dem Ende der Flüssigkeitsleitung integral gebildet oder fest verbunden (z. B. verklebt) sein. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung bilden die Flüssigkeitsleitung und die Dichtungseinrichtung jedoch separate, voneinander lösbare Bauteile, die miteinander reversibel verbunden werden können. Hierzu besitzt die Hülse der Dichtungseinrichtung einen inneren Hohlkanal, der zur lösbaren Aufnahme eines Endbereichs der Flüssigkeitsleitung ausgebildet ist und eine zweite Dichtungsfläche bildet, wobei die Dichtungseinrichtung mit der Klemmeinrichtung an den Endbereich der Flüssigkeitsleitung anpressbar ist, so dass die zweite Dichtungsfläche mit der Oberfläche des Endbereichs der Flüssigkeitsleitung eine flüssigkeitsdichte Verbindung eingeht. Bei dieser Gestaltung erfüllt die Dichtungseinrichtung vorteilhafterweise eine Doppelfunktion. Das Ende der Flüssigkeitsleitung wird lateral (oder radial) gegenüber der Außenfläche des Fluidiksystems und entsprechend der Ausrichtung der Flüssigkeitsleitung (oder axial) entlang der Oberfläche der Flüssigkeitsleitung abgedichtet. Mit der lösbaren Dichtungseinrichtung ergibt sich der zusätzliche Vorteil einer erweiterten Flexibilität der Kopplungseinrichtung. Die Hülse kann problemlos an ein Schlauchende gesteckt und mit der Klemmeinrichtung, insbesondere dem Hohlstempel an einem Fluidiksystem fixiert werden. Die Länge der Flüssigkeitsleitung kann vorab optimal an die geometrischen Bedingungen bei der konkreten Anwendung angepasst werden. Schlauchlängen können vermindert und damit Pumpzeiten verkürzt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Hohlstempel der Klemmeinrichtung für die Hülse der Dichtungseinrichtung eine konische oder eine zylindrische Aufnahme, deren maximaler Innendurchmesser geringer als der Außendurchmesser der Dichtungseinrichtung ist. Eine zylindrische Aufnahme besitzt den Vorteil eines gleichmäßigen Anpressens der Dichtungseinrichtung an das Ende der Flüssigkeitsleitung. Mit der konischen Aufnahme wird vorteilhafterweise die gleichzeitige Abdichtung der ersten und zweiten Dichtungsfläche bei der Betätigung der Klemmeinrichtung bewirkt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Dichtungseinrichtung mit mehreren Hülsen ausgestattet, mit denen mehrere Flüssigkeitsleitungen an das Fluidiksystem ankoppelbar sind. Die Hülsen können in einer oder mehreren Dichtungseinheiten reihenweise oder matrixartig miteinander verbunden sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der gleichzeitigen und parallelen Ankopplung einer Vielzahl von Flüssigkeitsleitungen am Fluidiksystem. Sowohl in Bezug auf die Ausrichtung der Flüssigkeitsleitung relativ zur Öffnung in der Außenfläche des Mikrosystems als auch auf die totvolumenfreie Ankopplung ist es von Vorteil, wenn der Innendurchmesser der Flüssigkeitsleitung geringer als der Durchmesser der Öffnung in der Außenfläche des Fluidiksystems ist. Bei der Ankopplung kommt es zwar zu einer Verbreiterung des Strömungsquerschnittes im Bereich der Öffnung, aber durch die Gestaltung des Mikrosystems, z. B. durch Mikroelektroden in der Nähe der Öffnung kann verhindert werden, dass bei dieser Verbreiterung bspw. Zellverluste durch Absetzen erfolgen.
Wenn die erste Dichtungsfläche größer als die Querschnittsfläche des Endes der Flüssigkeitsleitung ist, können sich Vorteile für die Dichtheit selbst bei geringem Anpressdruck der Klemmeinrichtung ergeben.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fluidiksystem, das mit mindestens einer erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung ausgestattet ist. Das Fluidiksystem besitzt einen Chipkörper, an den mit der Kopplungseinrichtung mindestens eine Flüssigkeitsleitung angeschlossen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Chipkörper eine zumindest abschnittsweise planare Außenfläche, in der mindestens eine Öffnung gebildet ist, wobei die Flüssigkeitsleitung mit ihrem Leitungsende vorzugsweise auf der planaren Außenfläche aufsitzt. Damit kann das Totvolumen der Ankopplung vorteilhafterweise minimiert werden. Da das Leitungsende der Flüssigkeitsleitung vorzugsweise die Außenform eines Kreiszylinders besitzt, können vorteilhafterweise ohne zusätzliche Bearbeitungsschritte unprofilierte Schläuche oder Kapillaren als Flüssigkeitsleitungen verwendet werden. An die Außendurchmesser Flüssigkeitsleitungen müssen keine besonderen Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das erfindungsgemäße Fluidiksystem ein fluidisches Mikrosystem umfasst. Die Anforderungen fluidischer Mikrosysteme in Bezug auf einen mechanisch schonenden Umgang und die Möglichkeit von Messungen im Mikrosystem auch in der Nähe der angekoppelten Leitungen werden durch die Kombination mit der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung optimal erfüllt.
Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur flüssigkeitsdichten Ankopplung mindestens einer Flüssigkeitsleitung an ein Fluidiksystem, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung. Das Verfahren zeichnet sich durch eine Schrittfolge aus, bei der mindestens eine Flüssigkeitsleitung mit einer Dichtungseinrichtung und der Klemmeinrichtung am Fluidiksystem angekoppelt wird, so dass das Ende der Flüssigkeitsleitung zu einer Öffnung in der Außenfläche des Fluidiksystems ausgerichtet ist, wobei an der Klemmeinrichtung eine Anpresskraft derart ausgebildet wird, dass die Dichtungseinrichtung mit der Außenfläche des Fluidiksystems die flüssigkeitsdichte Verbindung bildet. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil einer einfachen und universalen Anwendung bei verschiedenen, in der Praxis interessierenden Arten von Flüssigkeitsleitungen. Flüssigkeiten, z. B. Partikelsuspensionen, werden totvolumenfrei, d. h. unmittelbar aus der Flüssigkeitsleitung (Hohlkörper) in das mikrofluidische System eingebracht.
Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung ist für den Nutzer einfach verwendbar. Durch die ebene Ausführung der ersten Dichtfläche ergibt sich eine große Kontaktfläche zur Außenfläche des Fluidiksystems, wodurch eine optimale Abdichtung erzielt wird. Entsprechendes gilt für den in die Klemmeinrichtung ragenden Teil der Dichtungseinrichtung, der eine große Kontaktfläche zum Endbereich der Flüssigkeitsleitung gewährleistet. Die Kopplungseinrichtung zeichnet sich durch eine gleichmäßige Druckvertei- lung und damit eine geringe mechanische Belastung des Fluidiksystems, insbesondere eines fluidischen Mikrosystems, aus. Auch bei erhöhten Innendrucken ist die Dichtigkeit gewährleistet. Es erfolgt selbst bei Innendrucken von bis zum Beispiel 0.1 MPa eine zuverlässige Abdichtung. Ungeachtet der hierfür erforderlichen Dichtkräfte ist die Kopplungseinrichtung reversibel und leicht (d. h. ohne Werkzeug) und benutzerfreundlich lösbar. Die gesamte Kopplungseinrichtung, Teile von dieser oder ein Verbund aus der Kopplungseinrichtung und den Leitungen können als Einwegartikel gefertigt oder durch ein geeignetes Verfahren sterilisiert werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Schnittansicht einer Dichtungseinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung,
Fig. 2: eine schematische Illustration der Zusammenwirkung von Dichtungs- und Klemmeinrichtungen der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung,
Fig. 3: eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung, die zur Ankopplung von mehreren Flüssigkeitsleitungen ausgelegt ist,
Fig. 4: eine Dichtungseinheit einer Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 3,
Fig. 5: zwei Ansichten einer Klemmeinrichtung der
Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 3, Fig. 6: eine abgewandelte Ausführungsform der Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 3,
Fig. 7: eine weitere abgewandelte Ausführungsform der
Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 3,
Fig. 8: eine Darstellung der Teile der Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 7, und
Fig. 9: eine graphische Darstellung von Testergebnissen, die mit einer erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung erhalten wurden.
Die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf Ausführungsformen beschrieben, die zur Ankopplung von flexiblen Flüssigkeitsleitungen (Schläuchen) an ein fluidisches Mikrosystem eingerichtet sind. Die Erfindung ist nicht auf die illustrierten Gestaltungen beschränkt, sondern auch mit abgewandelten Flüssigkeitsleitungen und Fluidik- systemen realisierbar. Allgemein ist eine Flüssigkeitsleitung ein Hohlkörper, in dem eine flüssige Probe angeordnet ist und der zum Einbringen der Probe in das Fluidiksystem eingerichtet ist. Die Flüssigkeitsleitung kann insbesondere ein Schlauch, eine Kapillare, ein Teil einer Spritze, oder eine Verbindung mit einem Reservoir einer Mikrotiterplatte oder mit einer Flüssigkeitsfördereinrichtung sein.
Fig. 1 illustriert teilweise eine erste Ausführungsform der Kopplungseinrichtung 100, die zur Ankopplung einer Flüssigkeitsleitung 10 am Mikrosystem 20 mit einer Dichtungseinrichtung 30 eingerichtet ist. Fig. 1 ist eine schematische Illustration, wobei die Einzelheiten und Größenverhältnisse in der Praxis variiert sein können. Die Klemmeinrichtung 40, die Teil der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung ist, wird aus Übersichtlichkeitsgründen in ihrer Funktion erst in Fig. 2 gezeigt. Die Flüssigkeitsleitung 10 ist bspw. ein Schlauch aus Kunst- Stoffmaterial, z. B. PTFE, PEEK, Polypropylen, Polyethylen, PVC, Silikon, oder eine Kapillare aus Glas, Metall oder einer Metalllegierungen. Das Material wird anwendungsabhängig gewählt und ist vorzugsweise in Bezug auf die zu behandelnden Proben inert (zellverträglich), sterilisierbar und wenig zelladhäsiv. Der Innendurchmesser der Flüssigkeitsleitung 10 beträgt bspw. rd. 250 μm. Bei zellbiologischen Anwendungen ist der Innendurchmesser vorzugsweise im Bereich 120 μm bis 200 μm oder größer. Der Außendurchmesser der Flüssigkeitsleitung 10 beträgt zum Beispiel 1.6 mm.
Das Mikrosystem 20, das in den Figuren 1 und 2 schematisch nur auszugsweise gezeigt ist, wird durch eine Kanal- oder Komparti- mentstruktur in einem festen Körper (Chip) gebildet. Die Kanäle 21 des Mikrosystems besitzen Abmessungen, die typischerweise im Bereich von 5 bis 1000 μm (Breite) , 5 bis 1000 μm (Höhe) und von 1 bis 100 mm (Länge) liegen. Im Mikrosystem sollen biologische oder synthetische Proben, z. B. Zellen, Zellbestandteile, Makromoleküle, Kunststoffpartikel oder dgl. analysiert, manipuliert, separiert und/oder mikroskopisch bewertet werden (siehe Müller et al . in "Biosensors & Bioelectronics, Bd. 14, 1999, S. 247-256) . Für zellbiologische Anwendungen sind die Maße des Kanals 21 bspw. : 40 μm Kanalhöhe, 200 bis 800 μm Kanalbreite, 20 mm Kanallänge. Das Mikrosystem 20 ist je nach seiner Aufgabenstellung in an sich bekannter Weise mit Mess- und/oder Manipulationseinrichtungen, insbesondere mit einer Mikroelektroden- einrichtung (nicht gezeigt) zur dielektrophoretischen Manipulierung und/oder Vermessung von Partikeln ausgestattet. Das Mikrosystem besteht bspw. aus einem Halbleitermaterial (z. B. Silizium) , Kunststoff oder Glas oder einem oder einem Mischverbund aus mindestens zwei dieser Materialien.
Der Chipkörper des Mikrosystems 20 besitzt eine zumindest abschnittsweise ebene Außenfläche 22. Zur Verbindung mit anderen Mikrosystemen oder Ver- oder Entsorgungseinrichtungen sind in der ebenen Außenfläche 22 Öffnungen 23 vorgesehen, durch die auf die Struktur der Kanäle 21 oder Kompartimente zugegriffen werden kann. Die Zahl und Anordnung von Öffnungen 23 wird in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung bei der Gestaltung des Mikrosystems gewählt. Beispielhaft wird in Fig. 1 eine einzelne Öffnung 23 gezeigt, die einen Durchmesser von z. B. 500 μm besitzt und der Einkopplung einer Suspensionsprobe von der Flüssigkeitsleitung 10 in den Kanal 21 dient. Allgemein bildet die Öffnung einen Einlass oder Auslass in der Wand des Fluidiksystems. In der Umgebung der Öffnung oder Bohrungen 23 besitzt die Außenfläche 22 eine ebene, glatte Oberfläche. Die glatte Oberfläche ist bei den meisten Chipmaterialien an sich gegeben.
Die Dichtungseinrichtung 30 umfasst eine konusförmige Hülse 32, an deren breiteren Stirnfläche (in Fig. 1 Unterseite) die erste Dichtungsfläche 31 gebildet ist. Beim dargestellten Beispiel besitzt die Hülse 32 eine untere Auskragung 33. Durch die Auskragung 33 wird einerseits die erste Dichtungsfläche 31 vergrößert und andererseits eine Angriffsfläche für die Klemmeinrichtung 40 (siehe Fig. 2) geschaffen. Die Auskragung 33 ist allerdings kein zwingendes Merkmal der Erfindung. Die Dichtungsfunktion kann auch mit einer einfach konischen Hülse 32 oder bei geeigneter Innenform der Klemmeinrichtung 40 durch eine Hülse in Form eines geraden Zylinders gebildet werden. Allgemein sind die Außenform der Hülse 32 und die Innenform der Klemmeinrichtung 40 so gebildet, dass eine Kraft mindestens hin zur Außenfläche des Mikrosystems ausgeübt werden kann. Die erste Dichtungsfläche 31 besitzt eine Dimension von mindestens 10 mm2, vorzugsweise 20 mm2.
Die Dichtungseinrichtung 30 besteht aus einem elastischen Kunststoffmaterial, wie z. B. Silikonmaterial, Gummi oder einem anderen elastischen Kunststoff, das vorzugsweise sterilisierbar, nicht quellbar, und biologisch unbedenklich ist. Das Material ist vorzugsweise so weich, dass in Zusammenwirkung mit der Klemmeinrichtung eine Abdichtung ermöglicht wird, ohne den Chipkörper zu deformieren oder zu zerstören. Es besitzt beispielsweise eine Härte im Bereich 30-50 Shore A.
Es werden vorzugsweise Materialien verwendet, die eine hohe Beständigkeit gegen Temperatur, Lösungsmittel (z. B. organische Lösungsmittel wie Ethanol) und nichtionische, anionische und kationische Tenside aufweisen und/oder die ein Sterilisieren der Vorrichtung durch Autoklavieren (z. B. 20 Minuten bei 121 °C im gespannten Wasserdampf bei 2 bar) ermöglichen.
Im Inneren besitzt die Hülse 32 einen Hohlkanal 34, der zur lösbaren Aufnahme des Endbereichs 11 der Flüssigkeitsleitung 10 ausgebildet ist. Der Hohlkanal 34 bildet eine zweite Dichtungsfläche 35, die eine Kontaktfläche der Dichtungseinrichtung 30 mit dem Endbereich 11 darstellt. Die konische zweite Dichtungsfläche 35 besitzt eine Dimension von mindestens 10 mm2, vorzugsweise 20 mm2. Der Innendurchmesser des Hohlkanals 34 ist vorzugsweise so gewählt, dass er maximal so groß wie der Außendurchmesser des Endbereichs 11, vorzugsweise jedoch geringfügig kleiner ist.
Zur Ausbildung der flüssigkeitsdichten Ankopplung wird die Dichtungseinrichtung 30 an den Schlauch 10 und an das Mikrosystem 20 mit der Klemmeinrichtung 40 angepresst, wie es schematisch in Figur 2 illustriert ist. Die Klemmeinrichtung 40 umfasst einen Hohlstempel 41, der mit einem schematisch gezeigten Klemmmechanismus 42 gegen das Mikrosystem 20 gepresst werden kann. Die Unterseite des Hohlstempels 41 besitzt einen Abstand von der Außenfläche 22. Bei Betätigung des Klemmmechanis- us 42 (zum Beispiel Bajonettverbindung, siehe Figur 7) wird der Abstand des Hohlstempels 41 von der Außenfläche 22 vermindert. Die damit verbundene Kraftausübung erfolgt entsprechend den Pfeilen senkrecht zur Außenfläche 22. Der Hohlstempel 41 bildet eine konische Aufnahme 43, deren Innenform an die Außen- form der Hülse 32 angepasst ist. Die Kontaktfläche zwischen den Innen- und Außenformen besitzt eine Dimension von mindestens 10 mm2, vorzugsweise 33 mm2. Wenn der Hohlstempel 41 gegen das Mikrosystem 20 gepresst wird, erfolgt eine Komprimierung des Dichtungsmaterials und die ersten und zweiten Dichtungsflächen 31, 35 werden flüssigkeitsdicht. Dieser Zustand ist in Fig. 2 illustriert .
Die Figuren 1 und 2 zeigen als besonderen Vorteil der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung, dass das Ende 12 der Flüssigkeitsleitung 10 unmittelbar an die Öffnung 23 des Kanals 21 angrenzt. Proben werden von der Flüssigkeitsleitung 10 totvolu- menfrei in den Kanal 21 übertragen. Die Flüssigkeitsleitung 10 mündet ohne die Zwischenschaltung von Adaptern oder dgl. direkt in den Kanal 21.
Die erfindungsgemäße Ankopplung mit der Kopplungseinrichtung 100 erfolgt je nach Anwendung und Aufbau der Klemmeinrichtung 40 nach einer der folgenden Prozeduren. Erstens ist es möglich, zunächst den Endbereich 11 der Flüssigkeitsleitung 10 in die Hülse 32 der Dichtungseinrichtung 30 einzusetzen und dann die Dichtungseinrichtung 30 in die Aufnahme 43 der Klemmeinrichtung 40 zu schieben. Anschließend wird die Klemmeinrichtung 40 mit der Dichtungseinrichtung über der Öffnung 23 positioniert und am Mikrosystem 20 fixiert. Alternativ ist es möglich, zunächst die Dichtungseinrichtung 30 mit der eingesetzten Flüssigkeitsleitung 10 über der Öffnung 23 zu positionieren und dann die Klemmeinrichtung 40 aufzusetzen und festzuziehen, um den flüssigkeitsdichten Verbund herzustellen. Schließlich ermöglicht es die erfindungsgemäße Kopplungseinrichtung alternativ, zunächst allein die Dichtungseinrichtung 30 über der Öffnung 23 mit der Klemmeinrichtung 40 aufzusetzen, ohne jedoch die Klemmeinrichtung 40 an das Mikrosystem 20 anzupressen. In diesem Zustand kann der Endbereich 11 der Flüssigkeitsleitung 10 in die Hülse 32 geschoben und anschließend die Klemmeinrichtung 40 festgezo- gen werden. Diese Verfahrensweise ist insbesondere bei der Verwendung von Dichtungseinheiten von Vorteil, die unten in Bezug auf die Figuren 3 bis 6 beschrieben werden.
Eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung 100 ist in auseinander gezogener Darstellung perspektivisch in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Gestaltung werden mehrere Flüssigkeitsleitungen 10 an ein fluidisches Mikrosystem 22 angekoppelt, wobei als Dichtungseinrichtungen 30 zwei voneinander getrennte Dichtungseinheiten 36 und als Klemmeinrichtung 40 ein Fluidikblock 45 vorgesehen sind. Mit den Flüssigkeitsleitungen oder Hohlkörpern 10 werden eine oder mehrere extern induzierte Flüssigkeitsströmungen unabhängig voneinander in das mikrofluidische System hinein und/oder hinausgeleitet.
Das Mikrosystem 20 umfasst den Chipkörper 24, auf den eine Halteplatte 25 aufgesetzt ist. Der Chipkörper 24 enthält die Kanal- oder Kompartimentstruktur mit einer Mikroelektrodenein- richtung, von der elektrische Kontakte 26 an den Rand des Chipkörpers 24 geführt sind. Der Chipkörper 24 besteht bspw. aus einem Glasverbund mit einer Vielzahl von Fluidik-Öffnungen, die jeweils der Öffnung 23 in Fig. 1 entsprechen. Es sind bspw. acht Fluidik-Öffnungen mit einem Durchmesser von jeweils 500 μm vorgesehen. Die Halteplatte 25 ist auf der Oberseite des Chipkörpers 24 vorgesehen und besitzt zwei Aussparungen 27 jeweils zur Aufnahme einer Dichtungseinheit 36 und ein Beobachtungsfenster 28, durch das der gläserne Chipkörper 24 freiliegt. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass die Kopplungseinrichtung in z-Richtung (d. h. senkrecht zur oberen Außenfläche des Chipkörpers 24) eine derart niedrige Bauhöhe besitzt, dass das Innere des Mikrosystems 20 durch ein optisches Mikroskop abgebildet werden kann. Die Justierung der optischen Komponenten des Mikroskops wird durch Teile der Kopplungseinrichtung nicht behindert. Jede Dichtungseinheit 36, die vergrößert in Fig. 4 illustriert ist, umfasst vier konusförmige Hülsen 32, die jeweils analog zur Dichtungseinrichtung 30 gemäß Fig. 1 aufgebaut und über die durchgehenden Auskragungen 33 als Reihe miteinander verbunden sind. Die durchgehenden Auskragungen 33 bilden eine Dichtungsmatte. Die Abstände der aus der Dichtungsmatte herausragenden Dichtungshülse 32 in der Dichtungseinheit 36 entsprechen gerade den Abständen der Fluidik-Öffnungen im Chipkörper 26. Die Dichtungsmatte besitzt den besonderen Vorteil, dass die von der Klemmeinrichtung erzeugten Anpresskräfte gleichmäßig auf die Außenfläche des Chipkörpers 24 übertragen werden.
Der Fluidikblock 45, der in weiteren Einzelheiten von zwei Seiten in Fig. 5 gezeigt ist, erfüllt die Funktion der Klemmeinrichtung 40. Er besteht aus einer Trägerplatte 46, an deren zum Mikrosystem 20 weisenden Seite zwei Hohlstempelreihen 47 vorgesehen sind, die gleichzeitig Schlauchführungen und Aufnahmen für die Dichtungseinheiten 36 bilden. Der Fluidikblock 45 besteht vorzugsweise aus Metall, Metalllegierungen, Kunststoffen, wie z. B. Teflon, PEEK, KEL-F, oder Keramik.
Zur Ankopplung der Flüssigkeitsleitungen 10 an das Mikrosystem 20 werden die Dichtungseinheiten 36 in die Hohlstempelreihen 47 eingesetzt. Dies kann unter geringer Druckausübung manuell erfolgen. Anschließend wird der Fluidikblock 45 auf das Mikrosystem 20 aufgesetzt. Die Unterseiten der Dichtungseinheiten 36 werden von den Aussparungen 27 in der Halteplatte 25 aufgenommen. Mit einem mechanischen Aufbau (zum Beispiel: Bajonettverbindung, siehe Figur 7) werden der Fluidikblock 45 und das Mikrosystem 20 miteinander verbunden. Anschließend werden die Flüssigkeitsleitungen 10 in die Hohlkanäle der Dichtungseinrichtungen eingeführt und der Fluidikblock 45 an das Mikrosystem angepresst. Vorteilhafterweise wird der flüssigkeitsdichte Verbund gleichzeitig für alle Flüssigkeitsleitungen hergestellt. Für den Fall, dass eine oder mehrere Fluidik-Öffnungen nicht an eine Leitung angekoppelt werden sollen, werden in die entsprechenden Dichtungseinrichtungen massive Füllkörper, z. B. in Stabform, eingesetzt.
Eine abgewandelte Bauform der Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 3 ist in Fig. 6 illustriert. Zusätzlich zum Mikrosystem 20 mit dem Chipkörper 24 und der Halteplatte 25 ist ein Chipträger (sog. Pillar) 48 dargestellt, der mit dem Fluidikblock 45 zusammenwirkt. Das Bezugszeichen 29 verweist auf einen Leiterplattenadapter, der mit den elektrischen Kontakten 26 des Chipkörpers zur elektrischen Ansteuerung des Mikrosystems zusammenwirkt.
Der Aufbau gemäß Fig. 6 wird wie folgt zusammengesetzt. Der Chipkörper 24 wird mit der Halteplatte 25 verbunden (z. B. verklebt) . Die Halteplatte 25 dient der Erhöhung der Festigkeit des Chipkörpers und der Kühlung (Wärmesenke) . Die Halteplatte 25 wird an den Chipträger 48 geschraubt. Sie besitzt zwei parallele Langlöcher entsprechend den oben genannten Aussparungen 27, zwischen denen sich das Beobachtungsfenster 28 befindet. Auf der Oberseite des Chipträgers 48 und der Unterseite des Fluidikblocks 45 befinden sich Führungsstifte 49 zur Justierung des Fluidikblocks 45 auf dem Chipträger 48. Die zwischen Chipträger 48 und Chipkörper 24 angeordneten Dichtungseinheiten 36 erfüllen zwei Aufgaben, nämlich die Aufnahme der Flüssigkeitsleitungen 10 und die Abdichtung der Endabschnitte der Flüssigkeitsleitungen.
Das Mikrosystem 20 ist dazu eingerichtet, Moleküle oder Partikel in Flüssigkeiten zu analysieren, separieren und/oder zu isolieren. Es sollen beispielsweise Mikroobjekte, wie Zellen und artifizielle Partikel in der Größenordnung von üblicherweise 2 μm bis 100 μm analysiert, manipuliert, poriert, separiert und/oder mikroskopisch bewertet werden. Das Mikrosystem 20 bildet bspw. einen Sortierer. Hierzu enthält der Chipkörper min- destens einen Kanal mit einer Sortiereinrichtung, wie sie in fluidischen Mikrosystemen an sich bekannt ist. Sie basieren bspw. auf der dielektrischen Trennung von Partikeln mit verschiedenen, im Mikrosystem gemessenen Eigenschaften. Eine Suspension mit einem Partikelgemisch wird über eine Flüssigkeitsleitung in den Kanal eingeführt. Zur Einkopplung wird die Probe von einem Hüllstrom beschleunigt eingeführt, der bspw. eine Strömungsgeschwindigkeit bis zu 2000 pl/s besitzt. Nach der Sortierung werden zwei Teilströme aus dem Mikrosystem abgeführt, die jeweils zur beschleunigten Auskopplung wiederum mit einem Hüllstrom beschleunigt werden.
In den Fign. 7 und 8 ist unter Bezug auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Bajonettverbindung 42 gezeigt, durch die der Fluidikblock 45 und die Halteplatte 25 miteinander verbunden werden. Vorteilhafterweise bildet die Bajonettverbindung 42 gleichzeitig eine Kopplung und den in Fig. 2 schematisch gezeigten Klemmmechanismus, mit dem der Abstand zwischen den genannten Komponenten vermindert und dadurch die Anpresskraft ausgeübt werden kann.
Die Bajonettverbindung 42 umfasst einen Bajonettring 42.1 mit zwei Verankerungsrampen 42.2 und einem Schlitz 42.3. Der Schlitz 42.3 ermöglicht vorteilhafterweise ein Aufsetzen des Bajonettringes 42.1, wenn die Schläuche 10 von einem externen Zusatzgerät (nicht dargestellt, zum Beispiel Probenreservoir, Pumpe) bereits in die Dichtungseinheiten 36 eingesteckt sind. In diesem Fall werden die Schläuche 10 durch den Schlitz 42.3 in den Bajonettring 42.1 eingefädelt. Die Verankerungsrampen 42.2 wirken mit zwei Ankerstiften 25.1 zusammen, die von der Halteplatte 25 abstehen.
Die Anpressung des Fluidblocks 45 gegen den Fluidikchip 24 mit der Halteplatte 25 wird beim Verriegeln der Bajonettverbindung 42 erzielt. Hierzu ist vorzugsweise zwischen dem Bajonettring 42.1 und der Halteplatte 25 ein Federring (nicht dargestellt) vorgesehen. Alternativ kann die Bewegung des Bajonettringes 42.1 hin zur Halteplatte 25 durch die Gestaltung der Verankerungsrampen 42.2 eingestellt werden.
Der Fluidikblock 45 ist bei dieser Ausführungsform mit Führungsstiften 45.1 ausgestattet, die einer Führung und Ausrichtung des Bajonettringes 42.1 dienen. Die Führungsstifte 45.1 umfassen Vorsprünge, die an den Ecken der Oberfläche des Fluidikblocks 45 angeordnet sind. Des Weiteren ist die Halteplatte 45 mit seitlichen Ausnehmungen 45.2 ausgestattet, durch die Ankerstifte 25.1 der Halteplatte 25 hindurchragen können.
Zur Zusammensetzung der Kopplungseinrichtung gemäß Fig. 7 werden zunächst die Dichtungseinheiten 36 in die Aussparungen 27 der Halteplatte 25 auf dem Chipkörper 24 aufgelegt oder die Dichtungseinheiten 36 in die Hohlstempelreihen 47 des Fluidikblocks 45 eingesetzt und dann der Fluidikblock 45 auf die Halteplatte 25 aufgesetzt. Es werden handelsübliche Schläuche in die adressierten Öffnungen des Fluidikblocks eingesteckt. Vorteilhafterweise ist es nicht erforderlich, dass speziell konfektionierte Schläuche mit bestimmten Durchmessern oder Außenformen verwendet werden. Es sind beispielsweise Schläuche aus PTFE (OD 1/16'') vorgesehen. Schließlich erfolgt das Aufsetzen des Bajonettrings 42.1 und dessen Arretierung (zum Beispiel durch eine halbe Drehung) . Durch die Arretierungsbewegung wird der Fluidikblock 45 auf den Chipkörper 24 gepresst und damit die gewünschte Abdichtung der eingesteckten Schläuche erreicht.
Das in den Fign. 7 und 8 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Die Bajonettverbindung 42 ist einfach handhabbar. Es erfolgt eine reversible Befestigung des Fluidikblocks auf dem Chip, so dass insbesondere ein Austausch der Schläuche und der konusförmigen Dich- tungsmatten ermöglicht wird. Die Schläuche und der Chip benötigen keine spezielle Bearbeitung (Rillen etc.), um abgedichtet zu werden, und sie können in den aufgesetzten Fluidikblock eingesteckt werden und müssen nicht vor der Montage eingesetzt werden. Die Bruchgefahr kann für den Chip beim Aufsetzen des Fluidikblocks auf ein Minimum reduziert werden. Schließlich erfolgt eine Justage des Fluidikblocks durch auf den Chip montierte Führungen. Eine Verkippung des Fluidikblocks durch Verdrehen des Bajonettverschlusses wird durch die Führungsstifte 45.1 ausgeschlossen.
In Fig. 9 ist das Ergebnis eines Tests der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung illustriert. Im Experiment wurde die Geschwindigkeit im Kanal des Mikrosystems in Abhängigkeit vom Druck in einem Hüllstrombehälter, mit dem die Geschwindigkeit des Hüllstroms eingestellt wird, gemessen. Mit zunehmendem Druck ergibt sich eine nur geringfügige Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal. Der Strom im Kanal wird in vernachlässigbarer Weise durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Hüllströme beeinflusst. Dies belegt die hohe Dichtigkeit der erfindungsgemäßen Kopplungseinrichtung. Im Gegensatz hierzu wurde beim Test einer herkömmlichen Kopplungseinrichtung mit Schraubadaptern eine starke Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal von der Durchflussrate des Hüllstroms beobachtet.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kopplungseinrichtung (100) zur flüssigkeitsdichten Ankopplung mindestens einer Flüssigkeitsleitung (10) an ein Fluidiksystem (20) , die umfasst:
- mindestens eine Dichtungseinrichtung (30) mit mindestens einer Hülse (32), die zur Aufnahme eines Endbereichs (11) der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (10) ausgebildet ist und eine erste Dichtungsfläche (31) zur Auflage auf einer Außenfläche (22) des Fluidiksystems besitzt, wobei das Ende der Flüssigkeitsleitung (10) von der ersten Dichtungsfläche (31) lateral umgeben wird und zu einer Öffnung (23) in der Außenfläche (22) weist, und
- eine Klemmeinrichtung (40) mit mindestens einem Hohlstempel (41, 47), der eine Aufnahme (43) für mindestens einen Teil der Hülse (32) bildet und mit dem die Hülse (32) an das Fluidiksystem (20) anpressbar ist, so dass die erste Dichtungsfläche (31) mit der Außenfläche (22) eine flüssigkeitsdichte Verbindung eingeht, dadurch gekennzeichnet, dass
- der mindestens eine Hohlstempel (41, 47) relativ zur Außenfläche (22) beweglich angeordnet ist, und
- die Hülse (32) eine Außenform besitzt, die mit der Innenform des Hohlstempels (41, 47) der Klemmeinrichtung (40) so zusammenwirkt, dass mit dem Hohlstempel (41, 47) auf die Hülse (32) eine zur Außenfläche (22) des Fluidiksystems gerichtete Kraft ausgeübt werden kann.
2. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der mindestens eine Hohlstempel (41, 47) für die jeweilige Hülse (32) der Dichtungseinrichtung (30) eine konische oder eine zylindrische Aufnahme (43) bildet.
3. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die mindestens eine Hülse (32) der Dichtungseinrichtung (30) eine konische Außenform besitzt.
4. Kopplungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Hülse (32) der Dichtungs- einrichtung (30) eine Auskragung (33) aufweist, die die erste Dichtungsfläche (31) und eine Angriffsfläche für die Klemmein-' richtung (40) bildet.
5. Kopplungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Hülse (32) einen inneren Hohlkanal (34) aufweist, der zur lösbaren Aufnahme des Endbereichs (11) der Flüssigkeitsleitung (10) ausgebildet ist, wobei der innere Hohlkanal (34) eine zweite Dichtungsfläche (35) bildet und die Dichtungseinrichtung (30) mit dem Hohlstempel (41, 47) an den Endbereich (11) der Flüssigkeitsleitung (10) derart anpressbar ist, dass die zweite Dichtungsfläche (33) mit der Oberfläche des Endbereichs (11) eine flüssigkeitsdichte Verbindung eingeht.
6. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 5, bei der innere Hohlkanal (34) eine zylindrische Innenform besitzt.
7. Kopplungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Dichtungsfläche (31) größer als die Querschnittsfläche des Endes der Flüssigkeitsleitung (10) ist.
8. Kopplungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der an der Dichtungseinrichtung (30) mehrere Hülsen (32) vorgesehen sind, die mindestens eine Dichtungseinheit (36) bilden und mit denen mehrere Flüssigkeitsleitungen (10) gleichzeitig an das Fluidiksystem (20) ankoppelbar sind.
9. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Hülsen (32) der Dichtungseinrichtung (30) in der mindestens einen Dichtungseinheit (36) reihenweise oder matrixartig miteinander verbunden sind.
10. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die mindestens eine Dichtungseinheit (36) eine Dichtungsmatte (33) bildet, aus der die Hülsen (32) herausragen.
11. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Klemmeinrichtung (40) einen Fluidikblock (45) umfasst, in dem Hohlstempel (47) entsprechend der Anordnung der Hülsen (32) der Dichtungseinheit (36) gebildet sind.
12. Kopplungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der eine Halteplatte (25) vorgesehen ist, mit der das Fluidiksystem (20) fest verbunden ist und die zur Positionierung der mindestens einen Dichtungseinheit (36) auf dem Fluidiksystem (20) eingerichtet ist.
13. Kopplungseinrichtung gemäß Anspruch 12, bei der der Fluidikblock (45) mit einer Bajonettverbindung (42) an die Halteplatte (25) anpressbar ist.
14. Fluidiksystem (20) mit einem Chipkörper (24), an den mit einer Kopplungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mindestens eine Flüssigkeitsleitung (10) angeschlossen ist.
15. Fluidiksystem gemäß Anspruch 14, bei dem der Chipkorper (24) eine zumindest abschnittsweise planare Außenfläche (22) aufweist, in der mindestens eine Öffnung (23) gebildet ist, an die die mindestens eine Flüssigkeitsleitung (10) mit einem Leitungsende (11) angrenzt.
16. Fluidiksystem gemäß Anspruch 15, bei dem das Leitungsende (11) der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (10) eine zylindrische Außenform besitzt.
17. Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, das ein fluidisches Mikrosystem umfasst.
18. Verfahren zur flüssigkeitsdichten Ankopplung mindestens einer Flüssigkeitsleitung (10) an ein Fluidiksystem (20) mit einer Kopplungseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, mit den Schritten:
- Bildung eines Verbundes aus der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (10) mit jeweils einer Hülse (32) einer Dichtungs- einrichtung (30) , der Klemmeinrichtung (40) und dem Fluidiksystem (20) , und
- Betätigung der Klemmeinrichtung (40) zur Ausbildung einer Anpresskraft derart, dass die Dichtungseinrichtung (30) mit der Außenfläche des Fluidiksystems (20) die flüssigkeitsdichte Verbindung bildet.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem zur Bildung des Verbundes der Endbereich (11) der Flüssigkeitsleitung (10) in eine Hülse (32) der Dichtungseinrichtung (30) gesteckt wird, die vorher mit der Klemmeinrichtung (40) am Fluidiksystem (20) positioniert wurde, so dass das Ende der Flüssigkeitsleitung (10) auf eine Öffnung in der Außenfläche des Fluidiksystems (20) weist .
20. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem zur Bildung des Verbundes der Endbereich (11) der Flüssigkeitsleitung (10) in eine Hülse (32) der Dichtungseinrichtung (30) gesteckt wird, die anschließend mit der Klemmeinrichtung (40) verbunden und am Fluidiksystem (20) positioniert wird, so dass das Ende der Flüssigkeitsleitung (10) auf eine Öffnung in der Außenfläche des Fluidiksystems (20) weist.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Anpresskraft durch Schließen einer Bajonettverbindung (42) zwischen der Klemmeinrichtung (40) und dem Fluidiksystem (20) ausgeübt wird.
EP03708267A 2002-03-25 2003-03-25 Vorrichtung und verfahren zur leitungsankopplung an fluidische mikrosysteme Withdrawn EP1488157A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10213272A DE10213272A1 (de) 2002-03-25 2002-03-25 Vorrichtung und Verfahren zur Leitungsankopplung an fluidische Mikrosysteme
DE10213272 2002-03-25
PCT/EP2003/003092 WO2003081113A1 (de) 2002-03-25 2003-03-25 Vorrichtung und verfahren zur leitungsankopplung an fluidische mikrosysteme

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1488157A1 true EP1488157A1 (de) 2004-12-22

Family

ID=28050821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP03708267A Withdrawn EP1488157A1 (de) 2002-03-25 2003-03-25 Vorrichtung und verfahren zur leitungsankopplung an fluidische mikrosysteme

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7475916B2 (de)
EP (1) EP1488157A1 (de)
AU (1) AU2003212378A1 (de)
DE (1) DE10213272A1 (de)
WO (1) WO2003081113A1 (de)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2216128B1 (de) * 2002-03-12 2016-01-27 Hamamatsu Photonics K.K. Verfahren zum Schneiden eines bearbeiteten Gegenstands
DE10320956B4 (de) * 2003-02-05 2005-02-17 Evotec Technologies Gmbh Untersuchungsverfahren für biologische Zellen und zugehörige Untersuchungseinrichtung
DE10304653B4 (de) * 2003-02-05 2005-01-27 Evotec Technologies Gmbh Mehrparametrige Detektion in einem fluidischen Mikrosystem
DE10320871B3 (de) * 2003-05-09 2004-09-16 Evotec Technologies Gmbh Probenablageeinrichtung für einen Zellsortierer
EP1555146B1 (de) * 2004-01-13 2007-01-17 Frape Behr S.A. Befestigungsvorrichtung für ein Expansionsventil einer Kraftfahrzeugklimaanlage
DK2069673T3 (da) * 2006-08-12 2013-11-04 Pelt Colleen K Van Nanoliter-flowrate-separations- og elektrosprayanordning med plug and play-trykforbindelser og diagnoseovervågningssystem med flere sensorer
DK2152417T3 (en) 2007-05-04 2018-08-06 Opko Diagnostics Llc APPARATUS AND PROCEDURE FOR ANALYSIS IN MICROFLUID SYSTEMS
DE102007037788B4 (de) * 2007-08-10 2010-11-04 Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften-ISAS-e.V. Vorrichtung zum Ankoppeln von Leitungen an einen mikrofluidischen Chip
US20090121476A1 (en) * 2007-11-08 2009-05-14 The Government Of The Us, As Represented By The Secretary Of The Navy Microfluidic Bus for Interconnecting Multiple Fluid Conduits
EP3278877B1 (de) 2009-02-02 2020-06-03 Opko Diagnostics, LLC Strukturen zur steuerung von lichtinteraktion mit mikrofluidischen vorrichtungen
DE102009053285B4 (de) 2009-11-13 2012-10-04 Karlsruher Institut für Technologie Verfahren zum reversiblen, parallelen Schließen einer Vielzahl von fluidischen Zuleitungen mit einem mikrofluidischen System
DE102010037532A1 (de) * 2010-09-14 2012-03-15 Andreas Hettich Gmbh & Co. Kg Anschlussvorrichtung zur fluidischen Kontaktierung von Mikrofluidikchips
GB2509440B (en) * 2011-10-25 2015-06-03 Ibm Microfluidic device with interconnects
EA030682B1 (ru) 2012-03-05 2018-09-28 Ой Арктик Партнерс Аб Способы и аппараты для прогнозирования риска рака предстательной железы и объема предстательной железы
US9791080B2 (en) * 2012-03-12 2017-10-17 Idex Health & Science Llc Microfluidic interconnect
US20150137015A1 (en) * 2012-07-12 2015-05-21 Agency For Science, Technology And Research Connector for microfluidic device, a method for injecting fluid into microfluidic device using the connector and a method of providing and operating a valve
CN112169851B (zh) * 2020-10-13 2022-03-29 中国科学院微电子研究所 一种微流道入口盖板及其制备和使用方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2812959A (en) * 1953-08-21 1957-11-12 Westinghouse Air Brake Co Flange union fitting with gland expandible into an opening
US3973792A (en) * 1974-01-14 1976-08-10 Bodenseewerk Perkin-Elmer & Co. Gmbh Connecting device for connecting chromatographic separating columns of glass
US4995646A (en) * 1989-11-28 1991-02-26 Crawford Fitting Company Connector for multiple lines
US6056331A (en) * 1996-09-12 2000-05-02 The Regents Of The University Of California Zero dead volume tube to surface seal
US5961932A (en) * 1997-06-20 1999-10-05 Eastman Kodak Company Reaction chamber for an integrated micro-ceramic chemical plant
US6209928B1 (en) * 1998-06-04 2001-04-03 The Regents Of The University Of California Microfluidic interconnects
US6077015A (en) * 1999-02-10 2000-06-20 Xerox Corporation Quick insertion screw
US6273478B1 (en) * 1999-03-30 2001-08-14 The Regents Of The University Of California Microfluidic interconnects
US6267143B1 (en) * 1999-06-29 2001-07-31 Upchurch Scientific, Inc. Selection valve with ferrule cluster

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO03081113A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE10213272A1 (de) 2003-10-23
WO2003081113A1 (de) 2003-10-02
US7475916B2 (en) 2009-01-13
AU2003212378A1 (en) 2003-10-08
US20060012167A1 (en) 2006-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1480749B1 (de) Mikrofluidsystem
EP1488157A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur leitungsankopplung an fluidische mikrosysteme
DE19947495C2 (de) Mikrofluidischer Mikrochip
EP1160573A2 (de) Mikrotiterplatte und gekoppeltes Vielfachpipettiergerät
DE10319045A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Aufbereitung Biopolymerhaltiger Flüssigkeiten
EP1750155B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Probenkammer
EP1599287A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum kontaktieren einer mikrofluidikstruktur
DE10209897A1 (de) Mikrokomponenten-Anschlusssystem
EP1489404A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer 3-D-Mikroskop-Durchflusszelle
EP2616179A1 (de) Anschlussvorrichtung zur fluidischen kontaktierung von mikrofluidikchips
DE10244960B4 (de) Kartusche mit Verbindung für einen Pump-Antrieb und Handhabungs-System für einen flüssigen oder gasförmigen Stoff
LU102325B1 (de) Probenbehältnis für eine Dispensiervorrichtung
DE102007054043B4 (de) Modulare mikrofluidische Funktionsplattform und deren Verwendung
EP1622715A1 (de) Mikroverfahrenschnischer baustein
EP1340543A1 (de) Mikrofluidsystem
DE102004058828B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur parallelen Aufbereitung von Biopolymeren
DE102021204570A1 (de) Dosierkopf und Fluidiksystem zur Aufnahme und Dosierung wenigstens eines Mediums
EP4122604A2 (de) Anordnung und verfahren zum generieren von fluidsequenzen in einem multifluidtransportkanal und zum konditionieren und detektieren der in dem multifluidtransportkanal generierten fluidsequenzen
DE102022102894A1 (de) Mikrofluidiksystem und Verfahren zum Herstellen eines solchen
DE102021204571A1 (de) Dosierkopf und Dosiersystem zur Aufnahme und Dosierung eines Mediums
DE102022211313A1 (de) Dosiermodul mit Betätigungsfenster
EP1314479A2 (de) Vorrichtung für den Transfer flüssiger Proben
DE202004006024U1 (de) Flusskammer im Well
DE102017205286A1 (de) Mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturregelung eines Arbeitsfluids
EP1325258A1 (de) Miniaturverschlusskupplung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20040915

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: REICHEL, MARTIN

Inventor name: HUMMEL, STEFAN

Inventor name: SHIRLEY, STEPHEN

Inventor name: PFENNIG, ANNETTE

Inventor name: MUELLER, TORSTEN

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: EVOTEC TECHNOLOGIES GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20101001