EP1559676A2 - Mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung zumindest eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten, Vorrichtung mit einer solchen Anordnung und Befüllungsverfahren - Google Patents

Mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung zumindest eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten, Vorrichtung mit einer solchen Anordnung und Befüllungsverfahren Download PDF

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EP1559676A2
EP1559676A2 EP04029633A EP04029633A EP1559676A2 EP 1559676 A2 EP1559676 A2 EP 1559676A2 EP 04029633 A EP04029633 A EP 04029633A EP 04029633 A EP04029633 A EP 04029633A EP 1559676 A2 EP1559676 A2 EP 1559676A2
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EP
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liquid
transition region
arrangement according
area
inlet
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Gert Dr. Blankenstein
Claus Dipl.-Ing. Marquordt
Ralf-Peter Dr. Dipl.-Ing. Peters
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Boehringer Ingelheim Microparts GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a microstructured arrangement for Bubble-free filling of at least one system for the derivation of Liquids (liquid-removing system) with a liquid.
  • the invention further relates to a device with such Arrangement and a method for filling a system for Discharge of liquids with such an arrangement.
  • the bubble located in the corner area can but in Continue to release from the corner area and as a graft in front of the 90 ° angled duct section, d. H. the liquid-discharging Set system. Another liquid transport can thereby prevented or at least handicapped.
  • EP 1 201 304 A2 is a microstructured platform for studying a Fluid known in the various cavities through Capillary forces are filled with liquids.
  • a chamber 130 known, which has a Supply channel 450 is filled.
  • the chamber has one comparatively large depth and the supply channel opens immediately below the lid of the chamber, the Mouth area has a small cross-sectional area. in the Mouth area is thus an abrupt transition from the small Cross-sectional area of the supply channel to the large Cross-sectional area of the chamber, which acts like a capillary stop, at which a liquid transport breaks off.
  • Fig. 5 and 7 is a similar Notch, there referred to as inlet channel 62, known, which are the same Purpose met as the notch in the document EP 1 201 304 A2.
  • cascade and Butterfly structures described that have a uniform Diffusion of a liquid flow in one with uniform Speed-flowing liquid layer (or vice versa uniform merging of a wide liquid flow) allows.
  • These cascade and butterfly structures alone however, they do not guarantee bubble-free filling adjoining chamber. Rather, in the chamber itself Have delay structures at the edges leading the way an edge flow and thus the inclusion of air bubbles prevent.
  • the invention has for its object an arrangement and a Device with such an arrangement and a method for To propose such an arrangement, which ensures that or the liquid-discharging systems be filled bubble-free.
  • a microstructured according to the invention Arrangement for bubble-free filling of at least one Liquid-discharging system with a liquid an inlet for a connection of the arrangement with a system for the supply of Liquids (liquid-supplying systems) on.
  • the order further comprises at least one outlet for a connection of Arrangement with the at least one liquid-discharging system on and the arrangement includes a transition area, through which the liquid from the inlet to the at least one Outlet is transportable.
  • At the beginning of this transitional area is at least a first microstructure element for generating a location provided with increased capillary force to ensure complete wetting the area bordering this area with increased capillary force, in particular of side walls, a ceiling and / or a floor to reach.
  • the gapless wetting of the beginning of the transition area causes no air bubbles at the beginning of the transition area can be formed. From the beginning of the transition area then contracts due to the acting capillary forces Fluid meniscus to the end of the transition region, d. H. to that or the outlets of the assembly. The inclusion of air bubbles is excluded. This allows the liquid through the Transition area transported without the formation of air bubbles and a bubble-free filling of the liquid-discharging Systems that connect to the outlet is guaranteed. The before filling with the liquid in the transition area Air contained by the advance of the liquid in the direction to the outlet and displaced into the liquid removal system.
  • the transition area from beginning to end one uniform cross section without abrupt transitions or corners or like.
  • an area for collecting over the Inlet supplied liquid may be arranged.
  • the collection area can then pass through the place with elevated Capillary force and otherwise by a capillary stop of the remaining transition area be separated.
  • This capillary stop can then, after the site with the increased capillary force through the Liquid was wetted and the liquid due to the acting Capillary forces are transported along the transition area, according to and after wetting, so that the capillary stop between the Collection area and the remaining transitional area.
  • the collection area can according to the invention laterally almost completely be surrounded by the transition area.
  • the collection area is essentially one has circular base area, wherein the inlet of the arrangement in Center of the base of the collection area can be provided.
  • transition area between the inlet and the outlet can in an inventive arrangement substantially annular be educated. This is especially the case when the Collection area has a substantially circular base.
  • the capillary stop between the collection area and the Transition region may be formed according to the invention be formed by a paragraph.
  • the liquid comes to the edge of the paragraph and can this due to the counteracting Do not overcome capillary forces.
  • the paragraph can only then be overcome if a liquid from the other side introduces the paragraph and wets it.
  • the capillary stop, as a paragraph between the collection area and the Transition region is formed, on the one hand by a compared to the transition area increased collection area or Others increased by a relative to the collection area Transition region be formed.
  • An arrangement according to the invention has at least one outlet advantageous, however, several outlets for the connection of Arrangement for the liquid-discharging systems. These outlets are beneficial between the beginning and at least one end of the Transition region arranged.
  • An inventive arrangement can be designed so that each one outlet for the connection of Arrangement to the liquid-discharging systems at the end, or arranged at the ends of the transition region is.
  • the inlet and the outlets and in particular those attached to the Inlet and the outlets subsequent liquid-supplying or liquid-discharging systems can Orientation directions that deviate at an angle from 0 ° or 180 ° to each other. That's it in particular possible that the inlet and the outlets Orientation directions that at an angle of about 90 ° to stand by each other.
  • the transition region of an arrangement according to the invention can in special configurations between the beginning and at least one of the outlets at least a second microstructure element exhibit.
  • This second microstructure element or these second microstructure elements can accelerate the Transports the liquid through the transition region of the latter Start to exit.
  • the first and / or the second Microstructure element to be a ramp.
  • the first and / or the second microstructure element is a staircase.
  • the first and / or second microstructure element may as well be at least one pillar or at least one notch.
  • a microstructured device according to the invention with a System for supplying liquids (liquid-supplying system) and a system for the discharge of liquids (liquid-discharging system) may be an arrangement of have the type described above.
  • the liquid-supplying system This device can as well as the liquid-draining system to be a channel.
  • the transition region can be designed as a chamber be. It is also possible that the transition area and the Collection area of a device according to the invention sections to form a chamber.
  • the first device shown in Figs. 1 and 2 has a Body 7, in which a recess is introduced. These Recess forms a transition region 3. Of the Transition region 3, starting a channel of a extends Liquid-discharging system 5 forms. The liquid-removing System 5 is via an outlet 4 to the transition region. 3 connected.
  • the transition region 3 can be divided into two parts become. A first, the outlet 4 facing away from the first part Microstructure elements in the form of columns. This area forms a spot 6 with increased capillary force. The rest, the outlet 4 facing part is designed without special microstructure elements.
  • a cover 8 covers the transition region 3 and the metrekeitsabracede system 5 from that in the area of the 6th leaves an inlet 2, over which a liquid in the Transition region 3 can be filled.
  • the first Microstructure elements forming pillar 6 with elevated Capillary force cause a liquid that over the Inlet 2 is filled in the transition area 3, first completely remains at this point 6 with increased capillary force.
  • the Liquid does not penetrate beyond point 6 until it reaches this point Position 6 and the area bounding the area of Transition region such as the underside of the lid 8, the side walls of the transition region 3 and the bottom of the Transition region 3 are wetted. Once a complete and complete wetting of the site 6 is done, d. H. no air is more at the point 6, more will be on the inlet 2 supplied liquid ensure that also liquid in the outlet 4 facing part of the transition region penetrates.
  • a ramp 12 may be provided, the level of the bottom of the transition region 3 to the outlet 4 on raises the level of the liquid-discharging system 5.
  • the entire transition region 3 in the direction of Outlet 4 taper, so that at the outlet 4 no sudden cross-sectional conditions from the transition region 3 to liquid-discharging system 5 results.
  • the liquid, which in the first device according to the invention is filled through the inlet 2, can over a as liquid supplying system pipette or the like be supplied.
  • the second invention shown in FIGS. 3 and 4 Device also has a body 7, in which a Recess is introduced, which forms a transition region 3.
  • the transition region 3 has an inlet 2, in which a as Channel formed liquid supplying system 9 in the Transition region 3 opens.
  • the transition region 3 also has an outlet 4, from which a channel formed as Liquid discharging system 5 begins extending.
  • the outlet 4 is in a lateral boundary surface of the Transition region 3 is provided, namely at the inlet 2 opposite end of the transition region 3.
  • the body 7 and thus also the complete transition region 3 and the lichenkeitsabracede system 5 are covered with a cover 8.
  • This point 6 is formed by a notch, which causes the liquid-carrying system 9 inflowing liquid due to the increased capillary force at the Place 6 first wetted the point 6 and from there starting the Transition region 3 along the lateral boundary surface, the Bottom of the lid 8 and the bottom of the transition area is wetted.
  • a liquid meniscus then moves due to the acting capillary forces from the inlet 2 via the point 6 with increased Capillary force along the transition region 3 to the outlet 4 and pushes the gas previously contained in the transition region 3 to the outlet 4.
  • the third invention shown in FIGS. 5 to 8 Device has a substantially cylindrical body. 7 on.
  • This body 7 has a central bore, which a liquid supplying system 9 forms and in an inlet 2 in a chamber opens through a collection area 10 and a formed the collecting region 10 surrounding transition region 3 becomes.
  • the chamber is as a recess on one end of the Body 7 is provided, wherein the collecting area 10 directly to the inlet 2, the inlet 2 completely surrounding connects.
  • a capillary stop 11 formed by a shoulder. Paragraph is designed so that the collecting area 10 above the Transition region 3 is sublime.
  • the transition region 3 thus substantially surrounds the ring Collection area 10, where the ring is an interruption between has a beginning and an end of the transition region 3.
  • the beginning and the end of the transition area 3 are by a Projection separated, which the interruption of the im Substantially annular transition region 3 forms.
  • the beginning of the collecting area 3 has a point 6 with increased Capillary force on.
  • the point 6 with increased capillary force is through a Notch formed, which at the capillary stop 11 between the Collection area 10 and the transition area 3 connects.
  • These Notch representing a first microstructure element of the device, causes a liquid to enter through the inlet 2 Collection area 10 has occurred, due to the acting increased capillary forces to the beginning of the transition region 3 draws.
  • the point 6 with increased capillary force causes further, that the At the beginning of the transition zone 3, it is completely wetted with the liquid is, before the liquid continues in the transition region. 3 penetrates.
  • the fourth embodiment of an inventive Device according to FIGS. 9 to 12 essentially corresponds to the Structure of the third embodiment according to FIGS. 5 to 8.
  • the Difference between the third device according to the invention and the fourth device according to the invention is essentially in that, unlike the third invention Device in the fourth device according to the invention the Collection area 10 deeper than the substantially annular Transition area 3 is located. That is, the transition region 3 is over the collection area 10 raised. Nevertheless, a paragraph forms between the collecting area 10 and the transition area 3 a Kapillarstopp 11, the entry of the liquid from the Collection area 10 in the transition area 3 alone due to Capillary forces prevented. An exception is the point 6, the am Beginning of the transition region 3 is located and an increased capillary force having. The point 6 causes a wetting of the beginning of Transition region 3 causes.
  • Site 6 with increased capillary force is formed by a first microstructure element, which by a Notch, which is at the capillary stop 11 between the Collection area 10 and the transition area 3 connects.
  • the Position 6 with increased capillary force causes only the first Beginning of the transition region 3 with the from the inlet 2 in the Collection area 10 entered liquid is wetted and is then a liquid meniscus along the transition region 3 of whose beginning moves to its end, gradually the Capillary stop 11 to collection area 10 cancels and the outlets. 4 wetted, so that the liquid also the liquid-discharging Systems can penetrate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung zumindest eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsabführenden Systems, 5) mit einer Flüssigkeit. Die Anordnung weist einen Einlass (2) für eine Verbindung der Anordnung mit einem System zur Zufuhr von Flüssigkeiten (flüssigkeitszuführendes System, 9) und zumindest einen Auslass (4) für eine Verbindung der Anordnung mit dem zumindest einem flüssigkeitsabführenden System (5) auf. Die Anordnung weist einen Übergangsbereich (3) auf, durch welchen die Flüssigkeit von dem Einlass (2) zu dem zumindest einen Auslass (4) transportierbar ist. An einem Anfang des Übergangsbereichs (3) ist ein erstes Mikrostrukturelement zur Erzeugung einer Stelle (6) mit erhöhter Kapillarkraft vorgesehen, um eine lückenlose Benetzung der diese Stelle mit erhöhter Kapillarkraft begrenzenden Flächen insbesondere von Seitenwänden, einer Decke und/oder eines Bodens zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung zumindest eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsabführendes System) mit einer Flüssigkeit. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung mit einer solchen Anordnung und ein Verfahren zum Befüllen eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten mit einer solchen Anordnung.
Bei dem Transport von Flüssigkeiten aufgrund von Kapillarkräften in mikrostrukturierten Systemen gibt es immer wieder Probleme mit Luftblasen in den Transportwegen. Diese können den gewünschten Flüssigkeitstransport hemmen oder sogar verhindern. Luftblasen werden oftmals beim Umlenken des Flüssigkeitsstroms gebildet, beispielsweise wenn ein Kanal um 90° seine Richtung ändert. Die im Eckbereich vorhandenen Kanten können dazu führen, dass dieser Eckbereich nicht vollständig von der Flüssigkeit benetzt wird und bereits Flüssigkeit in den um 90° abbiegenden Kanalabschnitt (flüssigkeitsabführendes System) eindringt, bevor der Eckbereich vollständig von der Flüssigkeit benetzt ist. Der Flüssigkeitsstrom fließt dann an einer sich in dem Eckbereich gebildeten Luftblase vorbei und dringt in den 90° abgewinkelten Abschnitt des Kanals ein. Die in dem Eckbereich befindliche Luftblase kann sich aber im Weiteren aus dem Eckbereich lösen und sich als Pfropf vor den um 90° abgewinkelten Kanalabschnitt, d. h. dem flüssigkeitsabführenden System setzen. Ein weiterer Flüssigkeitstransport kann dadurch verhindert oder zumindest behindert sein.
Ähnliche Effekte können auftreten, wenn Flüssigkeiten über eine Verzweigungsstelle in verschiedene flüssigkeitsabführende Systeme geleitet werden sollen. Auch hier ist nicht unbedingt gewährleistet, dass die Verzweigungsstelle vollständig mit Flüssigkeit befüllt ist und keine Luftblasen an der Verzweigungsstelle enthalten sind, bevor alle flüssigkeitsabführenden Systeme benetzt und mit Flüssigkeit befüllt werden.
Aus der Druckschrift mit der Veröffentlichungsnummer EP 1 201 304 A2 ist eine mikrostrukturierte Plattform für die Untersuchung einer Flüssigkeit bekannt, bei der verschiedene Hohlräume durch Kapillarkräfte mit Flüssigkeiten befüllt werden. So ist zum Beispiel aus Fig. 4 der Druckschrift eine Kammer 130 bekannt, die über einen Zuleitungskanal 450 befüllt wird. Die Kammer hat eine vergleichsweise große Tiefe und der Zuleitungskanal mündet unmittelbar unterhalb des Deckels der Kammer, wobei der Mündungsbereich eine kleine Querschnittsfläche hat. Im Mündungsbereich liegt damit ein abrupter Übergang von der kleinen Querschnittsfläche des Zuleitungskanals auf die große Querschnittsfläche der Kammer vor, der wie ein Kapillarstopp wirkt, an dem ein Flüssigkeitstransport abbricht. Um jedoch den Flüssigkeitstransport nicht abbrechen zu lassen und ein Befüllen der Kammer über den Zuleitungskanal überhaupt zu ermöglichen, ist eine Kerbe 440 vorgesehen, die sich von dem Mündungsbereich des Zuleitungskanals bis zum Boden der Kammer in der Seitenwand der Kammer erstreckt. In der Kerbe liegt eine erhöhte Kapillarkraft vor, die bewirkt, dass sich die über den Zuleistungskanal herangeführte Flüssigkeit entlang der Kerbe zum Boden der Kammer zieht. Die Kerbe leitet so die Flüssigkeit zum Boden der Kammer und vom Boden der Kammer steigt dann die Flüssigkeit in die Kammer auf. Bevor die Kammer vollständig mit der Flüssigkeit befüllt ist, wird der Auslass der Kammer zur Einlassstruktur 410 hin benetzt und Flüssigkeit tritt aus der Kammer 130 aus. Dann ist jedoch Luft in der Kammer 130 eingeschlossen, was unerwünscht ist.
Aus der Druckschrift WO 99/46045, Fig. 5 und 7, ist eine ähnliche Kerbe, dort als Einlaufrinne 62 bezeichnet, bekannt, die die gleichen Zwecke erfüllt wie die Kerbe in der Druckschrift EP 1 201 304 A2.
Außerdem sind in der Druckschrift EP 1 201 304 A2 Kaskaden- und Schmetterlingsstrukturen beschrieben, die eine gleichmäßige Verbreitung eines Flüssigkeitsstromes in eine mit gleichmäßiger Geschwindigkeit strömende Flüssigkeitsschicht (oder umgekehrt gleichförmiges Zusammenführen eines breiten Flüssigkeitsstroms) ermöglicht. Diese Kaskaden- und Schmetterlingsstrukturen allein gewährleisten jedoch kein blasenfreies Befüllen einer sich anschließenden Kammer. Vielmehr müssen in der Kammer selbst Verzögerungsstrukturen an den Rändern aufweisen, die ein voreilen einer Randströmung und somit das Einschließen von Luftblasen verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung und eine Vorrichtung mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung vorzuschlagen, die gewährleistet, dass das beziehungsweise die flüssigkeitsabführenden Systeme blasenfrei befüllt werden.
Diese Aufgaben werden durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1, durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 21 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 25 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den davon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Demgemäß weist eine erfindungsgemäße mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung von zumindest einem flüssigkeitsabführenden System mit einer Flüssigkeit einen Einlass für eine Verbindung der Anordnung mit einem System zur Zufuhr von Flüssigkeiten (flüssigkeitszuführenden Systemen) auf. Die Anordnung weist ferner zumindest einen Auslass für eine Verbindung der Anordnung mit dem zumindest einen flüssigkeitsabführenden System auf und die Anordnung umfasst einen Übergangsbereich, durch welchen die Flüssigkeit von dem Einlass zu dem zumindest einen Auslass transportierbar ist. Am Anfang dieses Übergangsbereichs ist zumindest ein erstes Mikrostrukturelement zur Erzeugung einer Stelle mit erhöhter Kapillarkraft vorgesehen, um eine lückenlose Benetzung der diese Stelle mit erhöhter Kapillarkraft begrenzenden Flächen, insbesondere von Seitenwänden, einer Decke und/oder eines Bodens zu erreichen.
Die lückenlose Benetzung des Anfangs des Übergangsbereichs bewirkt, dass am Anfang des Übergangsbereichs keine Luftblasen gebildet werden können. Von dem Anfang des Übergangsbereichs zieht sich dann aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte ein Flüssigkeitsmeniskus zum Ende des Übergangsbereichs, d. h. zu dem oder den Auslässen der Anordnung. Das Einschließen von Luftblasen ist dabei ausgeschlossen. Dadurch kann die Flüssigkeit durch den Übergangsbereich ohne die Bildung von Luftblasen transportiert werden und eine blasenfreie Befüllung des flüssigkeitsabführenden Systems, das sich an den Auslass anschließt, ist gewährleistet. Die vor der Befüllung mit der Flüssigkeit in dem Übergangsbereich enthaltene Luft wird durch das Vordringen der Flüssigkeit in Richtung zum Auslass und in das flüssigkeitsabführende System verdrängt.
Vorteilhaft hat der Übergangsbereich von Anfang zum Ende einen gleichförmigen Querschnitt ohne abrupte Übergänge oder Ecken oder dergleichen.
Bei erfindungsgemäßen Anordnungen kann zwischen dem Einlass und dem Übergangsbereich ein Bereich zum Sammeln der über den Einlass zugeführten Flüssigkeit (Sammelbereich) angeordnet sein.
Der Sammelbereich kann dann durch die Stelle mit erhöhter Kapillarkraft und im übrigen durch einen Kapillarstopp von dem übrigen Übergangsbereich getrennt sein. Dieser Kapillarstopp kann dann, nachdem die Stelle mit der erhöhten Kapillarkraft durch die Flüssigkeit benetzt wurde und die Flüssigkeit aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte entlang des Übergangsbereichs transportiert wird, nach und nach benetzt werden, so dass der Kapillarstopp zwischen dem Sammelbereich und dem übrigen Übergangsbereich aufgehoben ist. Der Sammelbereich kann gemäß der Erfindung seitlich fast vollständig von dem Übergangsbereich umgeben sein.
Es ist möglich, dass der Sammelbereich eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche hat, wobei der Einlass der Anordnung im Zentrum der Grundfläche des Sammelbereichs vorgesehen sein kann.
Der Übergangsbereich zwischen dem Einlass und dem Auslass kann bei einer erfindungsgemäßen Anordnung im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sein. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn der Sammelbereich eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche hat.
Der Kapillarstopp, der zwischen dem Sammelbereich und dem Übergangsbereich ausgebildet sein kann, kann gemäß der Erfindung durch einen Absatz gebildet sein. Die Flüssigkeit tritt bis an den Rand des Absatzes heran und kann diesen aufgrund der entgegenwirkenden Kapillarkräfte nicht überwinden. Der Absatz kann erst dann überwunden werden, wenn eine Flüssigkeit von der anderen Seite an den Absatz herangeführt wird und diesen benetzt. Der Kapillarstopp, der als Absatz zwischen dem Sammelbereich und dem Übergangsbereich ausgebildet ist, kann zum Einen durch einen gegenüber dem Übergangsbereich erhöhten Sammelbereich oder zum Anderen durch einen gegenüber dem Sammelbereich erhöhten Übergangsbereich ausgebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Anordnung hat zumindest einen Auslass vorteilhaft jedoch mehrere Auslässe für die Verbindung der Anordnung zu den flüssigkeitsabführenden Systemen. Diese Auslässe sind vorteilhaft zwischen dem Anfang und zumindest einem Ende des Übergangsbereichs angeordnet. Eine erfindungsgemäße Anordnung kann so ausgestaltet sein, dass je ein Auslass für die Verbindung der Anordnung zu den flüssigkeitsabführenden Systemen am Ende, beziehungsweise an den Enden des Übergangsbereichs angeordnet ist.
Der Einlass und die Auslässe und insbesondere die sich an den Einlass und die Auslässe anschließenden flüssigkeitszuführenden beziehungsweise flüssigkeitsabführenden Systeme können Orientierungsrichtungen haben, die in einem Winkel abweichend von 0° beziehungsweise 180° zueinander stehen. Dabei ist es insbesondere möglich, dass der Einlass und die Auslässe Orientierungsrichtungen haben, die in einem Winkel von ca. 90° zueinander stehen.
Der Übergangsbereich einer erfindungsgemäßen Anordnung kann in besonderen Ausgestaltungen zwischen dem Anfang und zumindest einem der Auslässe zumindest ein zweites Mikrostrukturelement aufweisen. Dieses zweite Mikrostrukturelement beziehungsweise diese zweiten Mikrostrukturelemente können eine Beschleunigung des Transports der Flüssigkeit durch den Übergangsbereich von dessen Anfang zum Auslass bewirken.
Gemäß der Erfindung kann das erste und/oder das zweite Mikrostrukturelement eine Rampe sein. Ebenso ist es möglich, dass das erste und/oder das zweite Mikrostrukturelement eine Treppe ist.
Das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement kann ebenso zumindest eine Säule oder zumindest eine Kerbe sein.
Eine mikrostrukturierte erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem System zur Zufuhr von Flüssigkeiten (flüssigkeitszuführendes System) und einem System zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsableitendes System) kann eine Anordnung der vorbeschriebenen Art aufweisen. Das flüssigkeitszuführende System dieser Vorrichtung kann ebenso wie das flüssigkeitsableitende System ein Kanal sein. Der Übergangsbereich kann als Kammer ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass der Übergangsbereich und der Sammelbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Abschnitte einer Kammer bilden.
Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1
einen Schnitt durch den Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2
eine Draufsicht gemäß dem Pfeil II in Fig. 1 auf die erste erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 3
einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 4 durch eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 4
einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 durch die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 5
eine perspektivische Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 6
eine Draufsicht auf die dritte erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 7
einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 6 durch die dritte erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 8
ein Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 6 der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 9
eine perspektivische Ansicht einer vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 10
eine Draufsicht auf die vierte erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 11
einen Schnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 10 durch die vierte erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 12
einen Schnitt entlang der Linie XII-XII in Fig. 10 durch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die in der Zeichnung dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen weisen zum Teil Merkmale auf, die zumindest in ihrer Funktion einander entsprechen. Einander funktional entsprechende Merkmale der verschiedenen Vorrichtungen sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Vorrichtung weist einen Körper 7 auf, in den eine Ausnehmung eingebracht ist. Diese Ausnehmung bildet einen Übergangsbereich 3. Von dem Übergangsbereich 3 ausgehend erstreckt sich ein Kanal der ein flüssigkeitsabführendes System 5 bildet. Das flüssigkeitsabführende System 5 ist dabei über einen Auslass 4 an den Übergangsbereich 3 angeschlossen. Der Übergangsbereich 3 kann in zwei Teile unterteilt werden. Ein erster, dem Auslass 4 abgewandter Teil weist erste Mikrostrukturelemente in Form von Säulen auf. Dieser Bereich bildet eine Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft. Der übrige, dem Auslass 4 zugewandte Teil ist ohne besondere Mikrostrukturelemente gestaltet. Ein Deckel 8 deckt den Übergangsbereich 3 und das flüssigkeitsabführende System 5 so ab, dass im Bereich der Stelle 6 ein Einlass 2 freibleibt, über welchen eine Flüssigkeit in den Übergangsbereich 3 eingefüllt werden kann. Die die ersten Mikrostrukturelemente bildenden Säulen der Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft bewirken dabei, dass eine Flüssigkeit, die über den Einlass 2 in den Übergangsbereich 3 eingefüllt wird, zunächst vollständig an dieser Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft verbleibt. Die Flüssigkeit dringt so lange nicht über die Stelle 6 hinaus, bis diese Stelle 6 und die die Stelle begrenzenden Flächen des Übergangsbereichs wie zum Beispiel die Unterseite des Deckels 8, die Seitenwände des Übergangsbereichs 3 und der Boden des Übergangsbereichs 3 benetzt sind. Sobald eine vollständige und lückenlose Benetzung der Stelle 6 erfolgt ist, d. h. sich keine Luft mehr an der Stelle 6 befinde, wird weitere über den Einlass 2 zugeführte Flüssigkeit dafür Sorge tragen, dass auch Flüssigkeit in den dem Auslass 4 zugewandten Teil des Übergangsbereichs eindringt. Die Benetzung dieses dem Auslass 4 zugewandten Teils des Übergangsbereichs 3 erfolgt dabei entlang der Begrenzungsflächen, die durch die Unterseite des Deckels 8, die Seitenwände und den Boden des Übergangsbereichs gebildet werden. Diese Benetzung entlang der Begrenzungsflächen trägt dafür Sorge, dass die in dem dem Auslass 4 zugewandten Teil des Übergangsbereichs befindliche Luft über den Auslass 4 aus dem Übergangsbereich hinausgedrängt wird und über das flüssigkeitsabführende System 5 aus dem Übergangsbereich 3 austritt. Sobald der Übergangsbereich 3 vollständig mit Flüssigkeit befüllt ist, dringt die Flüssigkeit ebenfalls über den Auslass 4 in das flüssigkeitsabführende System ein. Um das Strömungsverhalten der Flüssigkeit in dem Übergangsbereich 3 zu verbessern und insbesondere den Flüssigkeitstransport zu beschleunigen, kann in dem dem Auslass 4 zugewandten Teil des Übergangsbereichs 3 als zweites Mikrostrukturelement eine Rampe 12 vorgesehen sein, die das Niveau des Bodens des Übergangsbereichs 3 zum Auslass 4 auf das Niveau des flüssigkeitsabführenden Systems 5 anhebt. Darüber hinaus kann der gesamte Übergangsbereich 3 in Richtung zum Auslass 4 konisch zulaufen, so dass sich am Auslass 4 keine sprunghafte Querschnittsverhältnisse vom Übergangsbereich 3 zum flüssigkeitsabführenden System 5 ergibt.
Die Flüssigkeit, welche in die erste erfindungsgemäße Vorrichtung über den Einlass 2 eingefüllt wird, kann über eine als flüssigkeitszuführendes System dienende Pipette oder dergleichen zugeführt werden.
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte zweite erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls einen Körper 7 auf, in dem eine Ausnehmung eingebracht ist, die einen Übergangsbereich 3 bildet. Der Übergangsbereich 3 weist einen Einlass 2 auf, in dem ein als Kanal ausgebildetes flüssigkeitszuführendes System 9 in den Übergangsbereich 3 mündet. Der Übergangsbereich 3 weist ferner einen Auslass 4 auf, von dem aus sich ein als Kanal ausgebildetes flüssigkeitabführendes System 5 beginnend erstreckt. Der Auslass 4 ist dabei in einer seitlichen Begrenzungsfläche des Übergangsbereichs 3 vorgesehen, und zwar an einem dem Einlass 2 gegenüberliegenden Ende des Übergangsbereichs 3. Der Körper 7 und somit auch der vollständige Übergangsbereich 3 und das flüssigkeitsabführende System 5 sind mit einem Deckel 8 abgedeckt.
Am Anfang des Übergangsbereichs im Bereich des Einlasses 2 weist der Übergangsbereich 3 eine Stelle 6 auf, die eine erhöhte Kapillarkraft hat. Diese Stelle 6 wird durch eine Kerbe gebildet, welche bewirkt, dass die aus dem flüssigkeitsführenden System 9 zuströmende Flüssigkeit aufgrund der erhöhten Kapillarkraft an der Stelle 6 zunächst die Stelle 6 benetzt und von dort ausgehend der Übergangsbereich 3 entlang der seitlichen Begrenzungsfläche, der Unterseite des Deckels 8 und dem Boden des Übergangsbereichs benetzt wird. Ein Flüssigkeitsmeniskus bewegt sich dann aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte vom Einlass 2 über die Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft entlang des Übergangsbereichs 3 zum Auslass 4 und schiebt dabei das zuvor in dem Übergangsbereich 3 enthaltene Gas zum Auslass 4. Es entsteht dadurch eine Strömung vom flüssigkeitszuführenden System 9 über die Stelle 6 und den übrigen Übergangsbereich 3 zum Auslass 4 in das flüssigkeitsabführenden System 5, wobei die Bildung von Luftblasen innerhalb des Übergangsbereichs 3 und dem flüssigkeitsabführenden System verhindert wird. Damit ist beispielsweise die Umlenkung eines Flüssigkeitsstroms um einen Winkel von 90° möglich, ohne das sich Luftblasen in der Vorrichtung bilden.
Natürlich ist es ebenso möglich durch eine geeignete Anordnung eine Umlenkung des Flüssigkeitsstroms um Winkel kleiner oder größer als 90° zu erreichen, wobei dabei gewährleistet ist, dass der Flüssigkeitsmeniskus auf breiter Front durch den Übergangsbereich wandert und die Wände beziehungsweise die seitlichen Begrenzungsflächen, die Unterseite des Deckels 8 und den Boden des Übergangsbereichs lückenlos benetzt und die in zuvor in dem Übergangsbereich 3 enthaltene Luft in das flüssigkeitsabführende System 5 verdrängt wird, so dass keine Luftblasen im Übergangsbereich 3 oder im flüssigkeitsabführenden System 5 zurückbleiben.
Die in den Fig. 5 bis 8 dargestellte dritte erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen im Wesentlichen zylinderförmigen Körper 7 auf. Dieser Körper 7 weist eine zentrale Bohrung auf, die ein flüssigkeitszuführendes System 9 bildet und in einem Einlass 2 in eine Kammer mündet, die durch einen Sammelbereich 10 und einen den Sammelbereich 10 umgebenden Übergangsbereich 3 gebildet wird. Die Kammer ist als Ausnehmung auf einer Stirnseite des Körpers 7 vorgesehen, wobei sich der Sammelbereich 10 unmittelbar an den Einlass 2, den Einlass 2 vollständig umgebend anschließt. Der Übergangsbereich 3 schließt sich an den Sammelbereich 10 durch einen durch einen Absatz gebildeten Kapillarstopp 11 an. Der Absatz ist dabei so gestaltet, dass der Sammelbereich 10 über dem Übergangsbereich 3 erhaben ist.
Der Übergangsbereich 3 umgibt somit im Wesentlichen ringförmig den Sammelbereich 10, wobei der Ring eine Unterbrechung zwischen einem Anfang und einem Ende des Übergangsbereichs 3 aufweist. Der Anfang und das Ende des Übergangsbereichs 3 sind durch einen Vorsprung voneinander getrennt, welcher die Unterbrechung des im Wesentlichen ringförmigen Übergangsbereich 3 bildet.
Zwischen dem Anfang des Übergangsbereichs und dem Ende des Übergangsbereichs 3 zweigen vom Übergangsbereich radial nach außen Kanäle ab, die flüssigkeitsabführende Systeme 5 bilden. Diese flüssigkeitsabführenden Systeme 5 sind über Auslässe 4 mit dem Übergangsbereich 3 verbunden.
Der Anfang des Sammelbereichs 3 weist eine Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft auf. Die Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft ist durch eine Kerbe gebildet, welche sich an den Kapillarstopp 11 zwischen dem Sammelbereich 10 und dem Übergangsbereich 3 anschließt. Diese Kerbe, die ein erstes Mikrostrukturelement der Vorrichtung darstellt, bewirkt, dass eine Flüssigkeit, die über den Einlass 2 in den Sammelbereich 10 eingetreten ist, sich aufgrund der wirkenden erhöhten Kapillarkräfte zu dem Beginn des Übergangsbereichs 3 zieht. Die Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft bewirkt weiter, dass der Anfang des Übergangsbereichs 3 lückenlos mit der Flüssigkeit benetzt wird, bevor die Flüssigkeit weiter in den Übergangsbereich 3 eindringt.
Nachdem der Anfang des Übergangsbereichs 3 vollständig mit der Flüssigkeit benetzt wurde, bewirken die weiter in dem Übergangsbereich 3 wirkenden weiteren Kapillarkräfte, dass die Flüssigkeit entlang des Übergangsbereich befördert wird, wobei der den Kapillarstopp 11 bildende Absatz benetzt wird und der Kapillarstopp 11 dadurch aufgehoben wird. Die Flüssigkeit bewegt sich entlang des Übergangsbereichs 3 und benetzt dabei die Auslässe 4, so dass Flüssigkeit in die flüssigkeitsabführenden Systeme 5 eintreten kann. Dabei wird die in dem Übergangsbereich 3 befindliche Luft über die Auslässe 4 und die Flüssigkeitsabführenden Systeme aus dem Übergangsbereich 3 und gegebenenfalls auch aus dem Sammelbereich 10 verdrängt. Es bleiben somit weder im Übergangsbereich 3 noch im Sammelbereich 10 Luftblasen zurück. Es ist somit eine blasenfreie Befüllung der flüssigkeitsabführenden Systeme 5 möglich.
Das vierte Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der Fig. 9 bis 12 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 5 bis 8. Der Unterschied zwischen der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung und der vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt im Wesentlichen darin, dass im Unterschied zu der dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der vierten erfindungsgemäßen Vorrichtung der Sammelbereich 10 tiefer als der im Wesentlichen ringförmige Übergangsbereich 3 liegt. Das heißt der Übergangsbereich 3 ist über den Sammelbereich 10 erhaben. Gleichwohl bildet ein Absatz zwischen dem Sammelbereich 10 und dem Übergangsbereich 3 einen Kapillarstopp 11, der ein Eintreten der Flüssigkeit aus dem Sammelbereich 10 in den Übergangsbereich 3 allein aufgrund von Kapillarkräften verhindert. Eine Ausnahme bildet die Stelle 6, die am Anfang des Übergangsbereichs 3 liegt und eine erhöhte Kapillarkraft aufweist. Die Stelle 6 bewirkt eine Benetzung des Anfangs des Übergangsbereichs 3 bewirkt. Die Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft wird durch ein erstes Mikrostrukturelement gebildet, das durch eine Kerbe ist, welche sich an den Kapillarstopp 11 zwischen dem Sammelbereich 10 und dem Übergangsbereich 3 anschließt. Die Stelle 6 mit erhöhter Kapillarkraft bewirkt, dass zunächst nur der Anfang des Übergangsbereichs 3 mit der aus dem Einlass 2 in den Sammelbereich 10 eingetretenen Flüssigkeit benetzt wird und sich dann ein Flüssigkeitsmeniskus entlang des Übergangsbereichs 3 von dessen Anfang zu seinem Ende bewegt, der nach und nach den Kapillarstopp 11 zum Sammelbereich 10 aufhebt und die Auslässe 4 benetzt, so dass die Flüssigkeit auch die flüssigkeitsabführenden Systeme eindringen kann. Gleichzeitig wird die in dem Übergangsbereich 3 und gegebenenfalls noch in dem Sammelbereich 10 befindliche Luft über die Auslässe 4 in die flüssigkeitsabführenden Bereich 5 verdrängt, so dass anschließend keine Luftblasen im Sammelbereich 10 im Übergangsbereich 3 und in den flüssigkeitsabführenden Bereichen 5 zurückbleiben. Dadurch ist eine blasenfreie Befüllung der flüssigkeitsabführenden Systeme garantiert.

Claims (26)

  1. Mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung zumindest eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsabführenden Systems, 5) mit einer Flüssigkeit umfassend folgende Merkmale:
    die Anordnung weist einen Einlass (2) für eine Verbindung der Anordnung mit einem System zur Zufuhr von Flüssigkeiten (flüssigkeitszuführendes System, 9) auf;
    die Anordnung weist zumindest einen Auslass (4) für eine Verbindung der Anordnung mit dem zumindest einem flüssigkeitsabführenden System (5) auf;
    die Anordnung weist einen Übergangsbereich (3) auf, durch welchen die Flüssigkeit von dem Einlass (2) zu dem zumindest einen Auslass (4) transportierbar ist;
    an einem Anfang des Übergangsbereichs (3) ist zumindest ein erstes Mikrostrukturelement zur Erzeugung einer Stelle (6) mit erhöhter Kapillarkraft vorgesehen, um eine lückenlose Benetzung der diese Stelle mit erhöhter Kapillarkraft begrenzenden Flächen, insbesondere von Seitenwänden, einer Decke und/oder eines Bodens zu erreichen und um vom Anfang des Übergangsbereichs (3) zum Ende des Übergangsbereichs, d. h. zu dem oder zu den Auslässen (4) einen sich aufgrund von Kapillarkräften ziehenden Flüssigkeitsmeniskus zu bewirken.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlass und dem Übergangsbereich ein Bereich zum Sammeln der über den Einlass zugeführten Flüssigkeit (Sammelbereich, 10) angeordnet ist.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (10) durch die Stelle mit erhöhter Kapillarkraft und im Übrigen durch einen Kapillarstopp (11) von dem Übergangsbereich (3) getrennt ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (10) seitlich fast vollständig von dem Übergangsbereich (3) umgeben ist.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (10) eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche hat.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) im Zentrum der Grundfläche des Sammelbereichs (10) vorgesehen ist.
  7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapillarstopp (11) als Absatz zwischen Sammelbereich (10) und Übergangsbereich (3) ausgebildet ist.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (10) gegenüber dem Übergangsbereich (3) erhöht ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) gegenüber dem Sammelbereich (10) erhöht ist.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Auslässe (4) für die Verbindung der Anordnung zu den flüssigkeitsabführenden Systemen (5) zwischen dem Anfang und zumindest einem Ende des Übergangsbereichs (3) angeordnet sind.
  12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Auslass (4) für die Verbindung der Anordnung zu den flüssigkeitsabführenden Systemen (5) am Ende des Übergangsbereichs (3) angeordnet ist.
  13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) und die Auslässe (4) Orientierungsrichtungen haben, die in einem Winkel abweichend von 0° bzw. 180° zueinander stehen.
  14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) und die Auslässe (4) Orientierungsrichtungen haben, die in einem Winkel von ca. 90° zueinander stehen.
  15. Anordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) zumindest ein zweites Mikrostrukturelement aufweist, das zwischen dem Anfang und dem zumindest einen Auslass angeordnet ist.
  16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement eine Rampe ist.
  17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement eine Treppe ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement zumindest eine Säule ist.
  19. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement zumindest eine Kerbe ist.
  20. Mikrostrukturierte Vorrichtung mit einem System zur Zufuhr von Flüssigkeiten (flüssigkeitszuführendes System, 9) und einem System zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsableitendes System, 5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1a bis 1 b) eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 aufweist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitszuführende System ein Kanal (9) ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitsableitende System ein Kanal (5) ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) eine Kammer ist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) und der Sammelbereich (10) Abschnitte einer Kammer bilden.
  25. Verfahren zum Befüllen eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsabführendes System, 5) mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 umfassend folgende Schritte:
    eine Flüssigkeit wird durch einen Einlass (2) in den Übergangsbereich (3) eingefüllt,
    wobei die Flüssigkeit zunächst die Stelle (6) mit erhöhter Kapillarkraft lückenlos benetzt und
    wobei von der Stelle (6) mit erhöhter Kapillarkraft mit der Flüssigkeit ausgehend der Übergangsbereich fortschreitend, befüllt wird,
    um dann über den bzw. die Auslässe (4) in ein flüssigkeitsabführendes System (5) geleitet zu werden.
  26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportrichtung der Flüssigkeit beim Transport durch den Transportbereich (3) von dem Einlass (2) zu dem Auslass (4) bzw. den Auslässen (4) um ca. 90° geändert wird.
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