EP1559676B1 - 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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EP1559676B1
EP1559676B1 EP04029633.7A EP04029633A EP1559676B1 EP 1559676 B1 EP1559676 B1 EP 1559676B1 EP 04029633 A EP04029633 A EP 04029633A EP 1559676 B1 EP1559676 B1 EP 1559676B1
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EP
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liquid
transition region
region
arrangement
arrangement according
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EP1559676A2 (de
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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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Boehringer Ingelheim Microparts GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a microstructured arrangement for the bubble-free filling of at least one system for the discharge of liquids (liquid-discharging system) with a liquid.
  • the invention further relates to a device with such an arrangement.
  • Air bubbles are often formed when deflecting the liquid flow, for example, when a channel changes its direction by 90 °. The edges present in the corner area may cause this corner area is not completely wetted by the liquid and already liquid penetrates into the 90 ° bend channel section (liquid-discharging system) before the corner area is completely wetted by the liquid. The liquid stream then flows past an air bubble formed in the corner region and penetrates into the 90 ° angled section of the channel.
  • the air bubble located in the corner area can, however, subsequently detach from the corner area and act as a plug in front of the channel section which is angled at 90 °, ie. H. put the liquid-discharging system.
  • Another liquid transport can be prevented or at least disabled.
  • EP 1 201 304 A2 is a microstructured platform for the study of a liquid known in which various cavities are filled by capillary forces with liquids.
  • a chamber 130 which is filled via a feed channel 450.
  • the chamber has a comparatively large depth and the supply channel opens directly below the lid of the chamber, wherein the mouth region has a small cross-sectional area.
  • the mouth region there is thus an abrupt transition from the small cross-sectional area of the feed channel to the large cross-sectional area of the chamber, which acts like a capillary stop, at which a liquid transport breaks off.
  • a notch 440 is provided, which extends from the mouth region of the supply channel to the bottom of the chamber in the side wall of the chamber. There is an increased capillary force in the notch causing the liquid introduced via the supply duct to draw along the notch to the bottom of the chamber. The notch thus directs the liquid to the bottom of the chamber, and from the bottom of the chamber, the liquid then rises into the chamber. Before the chamber is completely filled with the liquid, the outlet of the chamber is wetted to the inlet structure 410 and liquid exits the chamber 130. However, then air is trapped in the chamber 130, which is undesirable.
  • a similar notch, referred to therein as the gutter 62 which serves the same purposes as the notch in the document EP 1 201 304 A2 .
  • Cascade and butterfly structures are described, which allows a uniform flow of a liquid flow into a uniformly flowing liquid layer (or vice versa, uniform merging of a wide liquid flow).
  • these cascade and butterfly structures alone do not ensure bubble-free filling of a subsequent chamber. Rather, in the chamber itself must have delay structures at the edges, which prevent a leading edge flow and thus the inclusion of air bubbles.
  • a microstructured assembly for the bubble-free filling of at least one liquid-removing system with a liquid has an inlet for a connection of the arrangement to a system for the supply of liquids (liquid-feeding systems).
  • the assembly further includes at least one outlet for connection of the assembly to the at least one liquid-removing system, and the assembly includes a transition region through which the liquid is transportable from the inlet to the at least one outlet.
  • at least a first microstructure element is provided for producing a position with increased capillary force, in order to achieve a complete wetting of the surfaces limiting this position with increased capillary force, in particular of side walls, a ceiling and / or a floor.
  • a region for collecting the liquid supplied via the inlet is arranged between the inlet and the transition region.
  • the collection area is then separated from the remaining transition area by the location with increased capillary force and otherwise by a capillary stop.
  • This capillary stop may then be gradually wetted, after the location with the increased capillary force has been wetted by the liquid and the liquid is transported along the transition area due to the acting capillary forces, so that the capillary stop between the collection area and the remaining transition area is canceled.
  • the capillary stop which is formed between the collecting region and the transition region is formed according to the invention by a paragraph.
  • the liquid comes to the edge of the paragraph and can not overcome this due to the counteracting capillary forces.
  • the heel can only be overcome if a liquid from the other side is brought to the heel and wets it.
  • the capillary stop which is formed as a shoulder between the collecting region and the transition region, may be formed, on the one hand, by a collecting region which is elevated in relation to the transition region or, on the other hand, by a transition region which is elevated in relation to the collecting region.
  • the gapless wetting of the beginning of the transition zone means that no air bubbles can be formed at the beginning of the transition zone. From the beginning of the transitional area, a fluid meniscus then contracts to the end of the transitional area due to the acting capillary forces, i. H. to the outlet (s) of the assembly. The inclusion of air bubbles is excluded. As a result, the liquid can be transported through the transition region without the formation of air bubbles, and a bubble-free filling of the liquid-discharging system, which adjoins the outlet, is ensured. The air contained in the transition region prior to filling with the liquid is displaced by the advance of the liquid towards the outlet and into the liquid removal system.
  • the transition region from beginning to end has a uniform cross section without abrupt transitions or corners or the like.
  • the collection area can be laterally almost completely surrounded by the transition area according to the invention.
  • the collecting area has a substantially circular base area, wherein the inlet of the arrangement may be provided in the center of the base area of the collecting area.
  • the transition region between the inlet and the outlet may be formed substantially annular in an arrangement according to the invention. This is the case in particular when the collecting area has a substantially circular base area.
  • An arrangement according to the invention has at least one outlet but advantageously a plurality of outlets for the connection of the arrangement to the liquid-discharging systems. These outlets are advantageously arranged between the beginning and at least one end of the transitional area.
  • An arrangement according to the invention can be configured so that an outlet for the connection of the arrangement to the liquid-discharging systems is arranged at the end or at the ends of the transition region.
  • the inlet and the outlets and in particular the liquid-supplying or liquid-discharging systems adjoining the inlet and the outlets, can have orientation directions which are at an angle deviating from 0 ° or 180 ° to one another. It is particularly possible that the inlet and the outlets have orientation directions which are at an angle of approximately 90 ° to each other.
  • the transition region of an arrangement according to the invention may, in particular embodiments, have at least one second microstructure element between the beginning and at least one of the outlets.
  • This second microstructure element or these second microstructure elements can accelerate the transport of the liquid through the transition region from its start to the outlet.
  • the first and / or the second microstructure element may be a ramp. It is also possible that the first and / or the second microstructure element is a staircase. The first and / or second microstructure element may also be at least one pillar or at least one notch.
  • the devices according to the invention shown in the drawing have some features that correspond to each other at least in their function. Mutually functionally corresponding features of the various devices are therefore provided with the same reference numerals.
  • the in the Fig. 1 and 2 shown first device not according to the invention comprises a body 7, in which a recess is introduced.
  • This recess forms a transition region 3.
  • the liquid-removing system 5 is connected via an outlet 4 to the transition region 3.
  • the transition region 3 can be divided into two parts. A first, the outlet 4 facing away from the first microstructure elements in the form of columns. This area forms a site 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 liquid-removing system 5 such that an inlet 2 remains free in the region of the point 6, via which a liquid can be introduced into the transition region 3.
  • the pillars of the point 6 with increased capillary force forming the first microstructure elements cause a liquid, which is introduced into the transition region 3 via the inlet 2, initially to remain completely at this point 6 with increased capillary force.
  • the Liquid does not penetrate beyond the point 6 until this point 6 and the point-limiting surfaces of the transition region, such as the underside of the cover 8, the side walls of the transition region 3 and the bottom of the transition region 3 are wetted.
  • a ramp 12 may be provided in the part of the transition region 3 facing the outlet 4 as the second microstructure element, which ramp has the level of the bottom of the transition region 3 to the outlet 4 raises the level of the liquid-discharging system 5.
  • the entire transition region 3 can taper in the direction of the outlet 4, so that there is no sudden cross-sectional conditions at the outlet 4 from the transition region 3 to the liquid-removing system 5.
  • the liquid which is introduced into the first device not according to the invention via the inlet 2 can be supplied via a pipette or the like serving as a liquid-supplying system.
  • the in the 3 and 4 illustrated second non-inventive 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 liquid-feeding system 9 designed as a channel opens into the transition region 3.
  • the transition region 3 also has an outlet 4, from which extends a channel formed as liquid-discharging system 5 starting.
  • the outlet 4 is provided in a lateral boundary surface of the transitional region 3, specifically at an end of the transitional region 3 opposite the inlet 2.
  • the body 7 and thus also the complete transitional region 3 and the liquid-removing system 5 are covered with a cover 8.
  • the transition region 3 has a point 6 which has an increased capillary force.
  • This point 6 is formed by a notch, which causes the liquid flowing from the liquid-conducting system 9 due to the increased capillary force at the point 6 first wets the point 6 and from there, the transition region 3 along the lateral boundary surface, the underside 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 in the Fig. 5 to 8 illustrated first device according to the invention has a substantially cylindrical body 7.
  • This body 7 has a central bore which forms a liquid-supplying system 9 and opens into an inlet 2 into a chamber which is formed by a collecting region 10 and a transition region 3 surrounding the collecting region 10.
  • the chamber is provided as a recess on an end face of the body 7, wherein the collecting area 10 directly adjoins the inlet 2, the inlet 2 completely surrounding.
  • the transition region 3 adjoins the collecting region 10 by means of a capillary stop 11 formed by a shoulder. Paragraph is designed so that the collecting area 10 is raised above the transition area 3.
  • the transition region 3 thus substantially surrounds the collecting region 10 in an annular manner, the ring having an interruption between a beginning and an end of the transitional region 3.
  • the beginning and the end of the transition region 3 are separated by a projection, which forms the interruption of the substantially annular transition region 3.
  • liquid-removing systems 5 are connected via outlets 4 to the transition region 3.
  • the beginning of the collecting area 3 has a point 6 with increased capillary force.
  • the point 6 with increased capillary force is formed by a notch, which adjoins the capillary stop 11 between the collecting region 10 and the transition region 3.
  • This notch which is a first microstructure element of the device, causes a liquid that has entered the collection area 10 via the inlet 2 to draw to the beginning of the transition area 3 due to the increased capillary forces acting.
  • the point 6 with increased capillary force further causes the beginning of the transition region 3 is wetted without gaps with the liquid before the liquid penetrates further into the transition region 3.
  • the second embodiment of an inventive device according to the Fig. 9 to 12 corresponds essentially to the structure of the first embodiment according to the Fig. 5 to 8 ,
  • the difference between the first device according to the invention and the second device according to the invention lies essentially in the fact that, unlike the first device according to the invention in the second device according to the invention, the collecting region 10 is lower than the substantially annular transition region 3. That is, the transition region 3 is raised above the collecting area 10. Nevertheless, a shoulder between the collecting area 10 and the transition area 3 forms a capillary stop 11, which prevents the liquid from entering the collecting area 10 into the transition area 3 solely due to capillary forces. An exception is the point 6, which is located at the beginning of the transition region 3 and has an increased capillary force.
  • the point 6 causes a wetting of the beginning of the transition region 3 causes.
  • Site 6 with increased capillary force is formed by a first microstructure element which is through a notch which adjoins the capillary stop 11 between the Collection area 10 and the transition area 3 connects.
  • the point 6 with increased capillary force causes only the beginning of the transition region 3 is wetted with the liquid from the inlet 2 into the collection area 10 and then moves a liquid meniscus along the transition region 3 from its beginning to its end, the after and after the capillary stop 11 picks up the collecting area 10 and wets the outlets 4, so that the liquid can penetrate the distinctlykeitsabshareden systems.
  • the air in the transition area 3 and possibly also in the collecting area 10 is displaced via the outlets 4 into the liquid-removing area 5, so that subsequently no air bubbles remain in the collecting area 10 in the transition area 3 and in the liquid-discharging areas 5. This guarantees a bubble-free filling of the liquid-discharging systems.

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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.
  • 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.
  • Aus den Figuren 4a bis 4c der Druckschrift EP 1 201 304 A2 eine Struktur bekannt, die ein blasenfreies Befüllen eines Auslass ermöglicht, der einem Übergangsbereich zwischen einem Einlass und dem Auslass nachgeschaltet ist, sofern am Einlass des Übergangsbereich ausreichend Flüssigkeit zur Verfügung gestellt wird. Das am Einlass des Übergangsbereich ausreichend Flüssigkeit für eine blasenfreie Befüllung zur Verfügung gestellt wird, ist allerdings nicht durch die Struktur der Anordnung gewährleistet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anordnung und eine Vorrichtung mit einer solchen Anordnung 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 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15 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.
  • Bei erfindungsgemäßen Anordnungen ist zwischen dem Einlass und dem Übergangsbereich ein Bereich zum Sammeln der über den Einlass zugeführten Flüssigkeit (Sammelbereich) angeordnet. Der Sammelbereich ist dann durch die Stelle mit erhöhter Kapillarkraft und im übrigen durch einen Kapillarstopp von dem übrigen Übergangsbereich getrennt. 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 Kapillarstopp, der zwischen dem Sammelbereich und dem Übergangsbereich ausgebildet ist, ist gemäß der Erfindung durch einen Absatz gebildet. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der Linie I-I in Fig. 2,
    Fig. 2
    eine Draufsicht gemäß dem Pfeil II in Fig. 1 auf die erste nicht erfindungsgemäße Vorrichtung,
    Fig. 3
    einen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 4 durch eine zweite nicht erfindungsgemäße Vorrichtung,
    Fig. 4
    einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 durch die zweite nicht erfindungsgemäße Vorrichtung,
    Fig. 5
    eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Fig. 6
    eine Draufsicht auf die erste erfindungsgemäße Vorrichtung,
    Fig. 7
    einen Schnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 6 durch die erste erfindungsgemäße Vorrichtung,
    Fig. 8
    ein Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 6 der ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Fig. 9
    eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Fig. 10
    eine Draufsicht auf die zweite erfindungsgemäße Vorrichtung,
    Fig. 11
    einen Schnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 10 durch die zweite 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 nicht erfindungsgemäße 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 nicht 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 nicht 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 erste 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 zweite Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der Fig. 9 bis 12 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 5 bis 8. Der Unterschied zwischen der ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung und der zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt im Wesentlichen darin, dass im Unterschied zu der ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der zweiten 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 (19)

  1. Mikrostrukturierte Anordnung zur blasenfreien Befüllung zumindest eines Systems zur Ableitung von Flüssigkeiten (flüssigkeitsabführenden Systems, 5) mit einer Flüssigkeit, wobei
    - die Anordnung einen Einlass (2) für eine Verbindung der Anordnung mit einem System zur Zufuhr von Flüssigkeiten (flüssigkeitszuführendes System, 9) aufweist,
    - die Anordnung zumindest einen Auslass (4) für eine Verbindung der Anordnung mit dem zumindest einem flüssigkeitsabführenden System (5) aufweist,
    - die Anordnung einen Übergangsbereich (3) aufweist, durch welchen die Flüssigkeit von dem Einlass (2) zu dem zumindest einen Auslass (4) transportierbar ist,
    - an einem Anfang des Übergangsbereichs (3) zumindest ein erstes Mikrostrukturelement zur Erzeugung einer Stelle (6) mit erhöhter Kapillarkraft vorgesehen ist, 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zwischen dem Einlass und dem Übergangsbereich ein Bereich zum Sammeln der über den Einlass zugeführten Flüssigkeit (Sammelbereich, 10) angeordnet ist, wobei der Sammelbereich (10) durch die Stelle mit erhöhter Kapillarkraft und im Übrigen durch einen Kapillarstopp (11) von dem Übergangsbereich (3) getrennt ist, wobei der Kapillarstopp (11) als Absatz zwischen Sammelbereich (10) und Übergangsbereich (3) ausgebildet ist, und wobei entweder der Sammelbereich (10) gegenüber dem Übergangsbereich (3) erhöht ist oder der Übergangsbereich (3) gegenüber dem Sammelbereich (10) erhöht ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (10) seitlich fast vollständig von dem Übergangsbereich (3) umgeben ist.
  3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (10) eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche hat.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) im Zentrum der Grundfläche des Sammelbereichs (10) vorgesehen ist.
  5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Auslass (4) für die Verbindung der Anordnung zu den flüssigkeitsabführenden Systemen (5) am Ende des Übergangsbereichs (3) angeordnet ist.
  8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) und die Auslässe (4) Orientierungsrichtungen haben, die in einem Winkel abweichend von 0° bzw. 180° zueinander stehen.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) und die Auslässe (4) Orientierungsrichtungen haben, die in einem Winkel von ca. 90° zueinander stehen.
  10. Anordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) zumindest ein zweites Mikrostrukturelement aufweist, das zwischen dem Anfang und dem zumindest einen Auslass angeordnet ist.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement eine Rampe ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement eine Treppe ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement zumindest eine Säule ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Mikrostrukturelement zumindest eine Kerbe ist.
  15. 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 14 aufweist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitszuführende System ein Kanal (9) ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitsableitende System ein Kanal (5) ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) eine Kammer ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (3) und der Sammelbereich (10) Abschnitte einer Kammer bilden.
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