EP2567092A1 - Microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, and method for producing same - Google Patents

Microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, and method for producing same

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EP2567092A1
EP2567092A1 EP11709089A EP11709089A EP2567092A1 EP 2567092 A1 EP2567092 A1 EP 2567092A1 EP 11709089 A EP11709089 A EP 11709089A EP 11709089 A EP11709089 A EP 11709089A EP 2567092 A1 EP2567092 A1 EP 2567092A1
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EP
European Patent Office
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substrate
elastic membrane
microfluidic component
fluidic
microfluidic
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EP11709089A
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Christian Dorrer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06Pumps having fluid drive
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/08Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • Microfluidic component in particular peristaltic micropump, and method for its production
  • the present invention relates to a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, and a method for its production.
  • Macroscopic peristaltic pumps in radial and linear design are known from medical technology and chemical analysis.
  • a flexible hose is compressed from the outside so that it comes to a directed displacement of the liquid contained therein.
  • peristaltic micropumps offer the advantage of a greatly simplified production because there are no check valves
  • Nguyen et al. describe that the peristaltic micropumps require at least three pumping chambers connected by channels, each pumping chamber being bounded on one side by a pumping membrane
  • a wave-like actuation of the pumping chambers can be used to pump a fluid in a desired direction
  • micropumps can be used for the transport of fluids in microfluidic systems.
  • Microfluidic systems are used, for example, in the form of miniaturized analysis systems, so-called ā‡ (Miniaturized Total Analysis System) or lab-on-chip systems or as microreactors. They find particular applications in molecular diagnostics, biotechnology, analytical, pharmaceutical and clinical chemistry, environmental analysis and food chemistry.
  • the subject matter of the present invention is a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, comprising at least one layer structure comprising a fluidic substrate, a drive substrate and an elastic membrane arranged therebetween, wherein the fluidic substrate has a fluid chamber on its side adjacent to the elastic membrane, the drive substrate , At least on its side adjacent to the elastic membrane side, at least two independent Aktuleiterskomponenten each having at least partially disposed opposite the fluid chamber and can act on the elastic membrane and the Aktuiansskomponenten, optionally by one or more actuators, are independently actuated.
  • the at least three pumping chambers of the known peristaltic micropumps are replaced by a single main chamber. This advantageously results in a minimal fluidic resistance as well as an increased pumping rate. At the same time, the dead volume otherwise given by the connection channels between the pumping chambers can be eliminated.
  • the fluidic substrate is essentially plate-shaped, for example designed in the form of a layer.
  • the fluid chamber is formed as a recess in the fluidic substrate, which is closed by the elastic membrane on the side adjacent to this membrane.
  • the fluidic substrate is connected to the elastic membrane.
  • the fluid chamber according to the invention is also referred to as a pumping chamber or reservoir.
  • the drive substrate Opposite the fluidic substrate and separated therefrom, at least in the region of the pumping chamber, by an elastic membrane is the drive substrate, which is likewise connected to the elastic membrane. This results in a sandwich-like structure of the microfluidic component.
  • the drive substrate may also be substantially plate-shaped.
  • the at least two actuation components may comprise in the drive substrate, for example, actuation chambers, which may be formed as recesses, which are closed by the elastic membrane on the side adjacent to this membrane.
  • the Aktuleitershuntn may for example be separated by webs. The webs are expediently designed as narrow as possible in relation to the Aktu michshuntn.
  • the drive substrate can also be referred to as cover or cap of the microfluidic component.
  • the Aktuiansskomponenten can according to the invention act directly or indirectly on the elastic membrane.
  • the elastic membrane according to the invention can be realized in particular as a continuous film-shaped film.
  • the simplified elastic membrane results in a simplified production, improved mechanical strength and a lower risk of leaks.
  • the elastic membrane is also referred to as a pumping membrane.
  • microfluidic component according to the invention in particular a microfluidic pump, are a higher possible pumping rate relative to the size and a minimized dead volume.
  • the minimized dead volume can in particular also ensure the pumpability of gases and keep the required amounts of possibly expensive samples and reagents low.
  • the actuation of the actuation components used in the microfluidic component can be based, for example, on electromagnetic, piezoelectric based on electrical, hydraulic or pneumatic action principles.
  • the corresponding actuation components and / or actuators used for this purpose usually have the advantage that they can be easily implemented and offer a strong drive.
  • Other possible actuations according to the invention can also be based, for example, on electrostatic, electromagnetic, thermopneumatic or thermomechanical principles of action.
  • the actuation components can comprise actuation chambers which can be subjected to a pneumatic or hydraulic pressure, for example via supply ducts.
  • thermopneumatically a pressure can be generated in the Aktuleitershuntn, for example by heating a gas contained therein or evaporation of a liquid. If the pressure in the respective actuation chamber exceeds the pressure in the fluidic plane, the elastic membrane is deflected into the volume of the fluid chamber and the respective fluid, for example a liquid reagent, displaced. For example, by a Lauflichtianos Aktutechniksmuster a directed fluid flow can be achieved.
  • the component according to the invention can, in particular for controlling the actuation, furthermore a control device.
  • the drive substrate may comprise integrated electromagnetic, electrostatic, piezoelectric and / or shape memory effect actuation components which may be independently actuated.
  • Such actuators can act directly on the membrane and can optionally be produced simultaneously with the microfluidic component and advantageously allow a simplified miniaturization.
  • the actuation substrate instead of the actuation chambers, has an opening through which external electromagnetic, electrostatic, piezoelectric or shape memory effect actuators, if appropriate, can act on the membrane by means of a plunger.
  • the fluidic substrate and / or the drive substrate may be structured Polymer substrate, in particular of polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane or a cyclo-olefin copolymer, or designed as a glass or silicon substrate.
  • Polymer substrate in particular of polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane or a cyclo-olefin copolymer, or designed as a glass or silicon substrate.
  • made of polymers can be advantageously resorted to suitable and established methods such as hot stamping or injection molding.
  • the preparation of polymers is usually also inexpensive.
  • the recesses can also be subsequently formed for example by photolithography and etching or by milling in the substrates.
  • the fluidic substrate and the drive substrate can independently of one another have a layer thickness of 300 ā‡ m to 10 mm and / or a base area of 5 mm ā‡ 5 mm to 200 mm ā‡ 200 mm, for example of 15 mm ā‡ 30 mm.
  • the fluidic substrate and drive substrate may have the same footprint and terminate flush with each other.
  • the fluid chamber according to the invention for example, a length L1 of
  • the height of the fluid chamber T2 can be, in particular,> 100 ā‡ m to ā‡ 1000 ā‡ m, for example 250 ā‡ m or 500 ā‡ m.
  • the Aktuiansshuntn can, for example, a length L2 of> 3 mm to
  • ā‡ 1000 ā‡ for example, 250 ā‡ or 500 ā‡ amount.
  • the elastic membrane can be designed as a polymer film, in particular with a thickness of> 0.01 ā‡ m to 200 ā‡ m, for example with a thickness of 100 ā‡ m.
  • the elastic membrane may also be made thicker or thinner.
  • the elastic membrane may be formed from a thermoplastic, in particular weldable, polymer, in particular from a thermoplastic elastomer.
  • a weldable polymer as an elastic membrane, this can advantageously, in addition to the pumping and displacement function for a fluid, simultaneously serve as connection and sealing of the layer structure according to the invention, for example three-layer structure.
  • the use of a weldable polymer further allows easy connection of the substrates to the elastic membrane, for example by laser welding, ultrasonic welding or thermo-compression welding.
  • the elastic membrane is formed from a non-thermoplastic elastomer.
  • suitable elastomers are silicone elastomers, polyurethanes, rubbers such as polyacrylic rubber, styrene rubber, butadiene rubber or mixtures thereof.
  • the connection to the fluidic substrate and the drive substrate in this case can be done, for example, by an adhesive technique, for example, a lamination.
  • the fluid chamber may have rounded side walls.
  • the elastic membrane deflected downwards into the fluid chamber for example the pumping membrane, can thereby better fit against the fluid chamber and the fluidic resistance in the actuated state is increased.
  • a reflux of a fluid can advantageously be prevented and the pumping rate can be increased.
  • the dead volume is reduced by the rounding.
  • the fluid chamber may have phase conductors (phaseguides) arranged on its bottom.
  • Phase conductors are capillary pressure barriers, for example, edges or other structures that act perpendicular to the direction of movement of a gas, such as air, liquid meniscus. The meniscus then aligns itself with the phase conductor and eventually overcomes the barrier given, for example, by edges. In this way, a controlled, bubble-free filling and emptying with liquids can be achieved.
  • the microfluidic component according to the invention as a reservoir for the pre-storage of liquid reagents, for example in a lab-on-chip system.
  • the phase conductors can allow even more accurate dimensioning and pre-storage of a defined amount of liquid, as well as the substantially residue-free controlled emptying of the reservoir.
  • the chamber in the fluidic substrate for example, completely filled with a liquid reagent.
  • a liquid reagent for example, a liquid reagent.
  • the emptying of the reservoir can take place, for example, by first opening the valve at the outlet of the main chamber and then actuating the actuation chambers sequentially.
  • the fluidic substrate and / or the drive substrate may have further microfluidic structures and / or microfluidic components, for example chambers, mixers, valves.
  • the pumping or reservoir function of the microfluidic component can be further supported and / or the microfluidic component can simultaneously take on additional functions associated with the additional components.
  • these additional structures and / or components can be made at least partially simultaneously with the pumping chamber or the actuation chambers.
  • the invention further relates to a method for producing a microfluidic component, in particular a microfluidic peristaltic pump.
  • the fluidic substrate and the drive substrate can in particular be produced by microtechnological methods and provided for the further production of the microfluidic component.
  • a plate-shaped or sheet-shaped fluidic substrate and / or as a driving substrate a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board substrate or a
  • Polymer substrate in particular a pyrex substrate, a Teflon substrate, a polystyrene substrate, a polycarbonate substrate, a substrate of a cyclo-olefin copolymer, a polyester substrate or a PDMS substrate, or by injection molding or deep etching or embossing, in particular hot stamping, structured substrate, for example a structured glass substrate,
  • Silicon substrate or polymer substrate in particular a pyrex substrate, a teflon substrate, a polystyrene substrate, a polycarbonate substrate, a substrate of a cyclo-olefin copolymer, a polyester substrate or a PDMS substrate.
  • the invention also relates to the use of a microfluidic component in a lab-on-chip system.
  • the microfluidic component can be used as a peristaltic micropump.
  • a microfluidic component according to the invention can be used in a lab-on-chip system as a reservoir for pre-storage, in particular of liquid reagents. The volume of the fluid chamber then forms the fluid reservoir.
  • the microfluidic component according to the invention can therefore be used for the pre-storage and metering and / or for the transport of fluids, for example liquid reagents.
  • FIG. 1 is a schematic oblique plan view of an inventive microfluidic component, in particular a peristaltic pump
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the embodiment of the microfluidic component shown in FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-section along the line A-A 'through FIG. 1
  • FIG. 4 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic cross section along the line B-B 'through FIG. 4
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic reservoir according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic cross section along the line C-C through FIG. 6 embodiment of a microfluidic reservoir according to the invention
  • FIG. 8 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component according to the invention with three actuation components
  • Fig. 9 is a schematic cross-section along the line DD ' through the embodiment shown in Fig. 7.
  • FIG. 1 shows a microfluidic component 1 according to the invention which has a fluidic substrate 2, a drive substrate 4 and an elastic membrane 3 sandwiched between these substrates.
  • the fluidic substrate 2 adjoins the elastic membrane 3 and is connected to this area.
  • the elastic membrane 3 is also referred to as pumping membrane according to the invention.
  • the fluidic substrate 2 has on the side adjacent to the elastic membrane 3 side a recess 5, which is also referred to as a pumping chamber.
  • the at least two pumping chambers are combined to form a single main pumping chamber 5.
  • the dead volume can be minimized by the construction according to the invention with only one pumping chamber 5, in particular by the associated elimination of connecting channels between the pumping chambers.
  • the driving substrate 4 also abuts and is connected to the elastic membrane 3.
  • the drive substrate 4 has on its side adjacent to the elastic membrane 3 three recesses 6a, 6b, 6c, which are also referred to as Aktu rĆ©elleshuntn.
  • the actuation chambers 6a, 6b, 6c which are arranged one behind the other in the flow direction are provided by webs
  • actuation chambers are connected to supply channels 8a, 8b, 8c and can be acted on and actuated via inlet openings 9a, 9b, 9c in the drive substrate 4, for example with a hydraulic or pneumatic pressure by an external pressure device (not shown). Exceeds the pressure in the respective
  • Actuating chamber 6a, 6b, 6c the pressure in the fluidic plane 2, the pumping membrane 3 is deflected into the volume of the pumping chamber 5 into and displaces the respective fluid.
  • a directed fluid flow can be achieved.
  • a fluid can be fed through an inlet 10a via a supply channel 1 1 a in the pumping chamber 5 and led out through an outlet 10b via a feed line 1 1 b from the pumping chamber, in particular be pumped out by the previously described actuation of Aktuiansshuntn 6a, 6b, 6c , Further particularly suitable Aktutechniksmuster for a microfluidic peristaltic pump according to the invention with a fluid chamber 5 and three
  • Actuation chambers 6a, 6b, 6c are reproduced below in Examples 1 to 6.
  • FIG. 2 shows the microfluidic component 1 according to the invention shown in FIG. 1 in a schematic plan view of the drive substrate 4 with its
  • FIG. 3 shows a schematic cross section along the line AA 'through the microfluidic component 1 according to the invention shown in FIG. 2.
  • the height of the Aktu rĆ©elleshuntn 6 T1 according to the invention in particular> 100 ā‡ to ā‡ 1000 ā‡ , for example, 250 ā‡ or 500 ā‡ , amount.
  • the fluid chamber 5 according to the invention a height T2 of> 100 ā‡ to ā‡ 1000 ā‡ , for example, 250 ā‡ or 500 ā‡ have.
  • the pumping chamber 5 has in this embodiment rounded side walls, whereby advantageously, deflected into the volume of the fluid chamber, elastic membrane, such as pumping membrane, can create better to the fluid chamber walls. This allows the fluidic Resistance can be increased in the actuated state and advantageously prevents backflow of a fluid and the pumping rate can be increased. In addition, the dead volume is reduced by the rounding of the side walls.
  • FIG. 4 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component 1, in particular a peristaltic pump.
  • the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the drive substrate 4 are not shown in this illustration for the sake of clarity.
  • FIG. 3 shows once again that according to the invention only one pumping chamber 5 is provided.
  • the pumping chamber 5 can be filled and emptied through the supply channels 1 1 a and 1 1 b.
  • a fluid can be fed, for example through the channel 1 1 a in the pumping chamber 5, flow through them and leave through the channel 1 1 b the pumping chamber 5 again.
  • the generation of a directed fluid flow can be effected by the controlled sequential actuation of the actuation chambers 6a, 6b, 6c.
  • the actuation chambers 6a, 6b, 6c can be acted on and actuated via the supply channels 8a, 8b, 8c, for example, with a pneumatic or hydraulic pressure.
  • the Aktuiansshuntn 6a, 6b, 6c extend beyond the pumping chamber 5 in this embodiment laterally, perpendicular to the flow direction, and do not close, as shown in Figure 1, with the pumping chamber 5 flush.
  • Fig. 5 shows a schematic cross section along the line B-B 'of Fig. 3.
  • the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the driving substrate 4 are shown as a three-layer structure.
  • the figure illustrates that only one pumping chamber 5 is arranged essential to the invention in the fluidic substrate, whereby a minimized dead volume is advantageously provided in comparison with the prior art.
  • the controlled sequential actuation of the Aktu rĆ©elleshuntn 6a, 6b, 6c for example, pneumatic or hydraulic pressure.
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic component 1 according to the invention as a reservoir, as can be used, for example, for the preliminary storage of liquid reagents in a microfluidic lab-on-chip system.
  • the fluid chamber 5 is used as storage volume, ie as a reservoir.
  • the microfluidic component according to the invention may for example have a length L1 of> 15 mm to ā‡ 30 mm, for example 20 mm, and / or a width W of> 5 mm to ā‡ 15 mm, for example 10 mm.
  • the height of the fluid chamber T2 according to the invention can be in particular> 100 ā‡ to ā‡ 1000 ā‡ .
  • the microfluidic component 1 can furthermore have valves 14, 15 and 16. Through the inlet 10a liquid can be pumped through the reservoir 5 to a vent passage 17 and the reservoir 5 are thereby filled.
  • valve 15 is closed and the valves 14 and 16 are opened and the Aktu rĆ©elleshuntn 6a, 6b and 6c not actuated.
  • the valves 14 and 16 can then be closed and the liquid in the reservoir is now "on chip.ā€
  • the valve 15 can be opened while the valves 14 and 16 remain closed
  • the actuation chamber 6b, and finally the actuation chamber 6c can be evacuated and the reservoir 5 can be basically and not only limited to this embodiment also two or more than three actuation chambers 6 in FIG microfluidic component 1.
  • an amount of liquid precisely defined in the volume can be measured and stored in advance
  • the quantity of liquid provided can then be controlled, if necessary also in several defined S are discharged from the reservoir 5, without an external pump is needed.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section along the line CC through FIG. 6 through the actuation chamber 6b and its supply channel 8b.
  • the height of the Aktu istshuntn 6 T1 according to the invention in particular> 100 ā‡ to ā‡ 1000 ā‡ , for example, 250 ā‡ or 500 ā‡ , amount.
  • the fluid chamber 5 can also have a height T2 of> 100 ā‡ m to ā‡ 1000 ā‡ m, for example 250 ā‡ m or 500 ā‡ m.
  • FIG. 8 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component 1, in particular a peristaltic pump, in which the
  • Actuating chambers are replaced by alternative Aktu rĆ©elleskomponenten 18a, 18b, 18c.
  • the actuation components 18a, 18b, 18c may, for example, comprise actuators which can act on the elastic membrane directly or via plungers.
  • the actuators may be piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or shape memory actuators in this embodiment, for example.
  • the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the drive substrate 4 are not shown in this illustration for the sake of clarity. According to the invention, only one pumping chamber 5 is advantageously provided, which not only simplifies the production of the fluidic substrate, but also a minimal fluidic resistance and a pumping rate which is increased in relation to the size can be achieved.
  • the pumping chamber 5 can through the channels 1 1 a and 1 1 b, or through the inlet 10 a, filled and emptied through the outlet 10b.
  • a fluid can be fed, for example through the channel 1 1 a in the pumping chamber 5, flow through them and leave through the channel 1 1 b the pumping chamber 5 again. Directed fluid flow may be accomplished by the controlled sequential actuation of the actuation components 18a, 18b, 18c.
  • Fig. 9 shows a schematic cross section along the line D-D 'through Fig. 8.
  • the fluidic substrate 2 the elastic membrane 3 and the
  • the Aktu istskomponenten are designed as a plunger, which in turn act directly on the elastic membrane 3.
  • the external actuators can be, for example, piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or shape memory actuators.
  • Examples 1 to 6 give in tabular form particularly suitable Aktuleitersmuster a peristaltic pump according to the invention, as shown for example in Figure 1 again.
  • the Aktutechniksmuster are independent of the type of Aktutechnik and can for example be applied to an embodiment of the invention, as shown in Figures 8 and 9.
  • the invention provides a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, with an optimized design. Due to the design according to the invention, a minimum dead volume and, furthermore, a higher pumping rate relative to the size can be achieved. In particular, by virtue of the inventively minimized dead volume, by the provision of only one fluid chamber, in particular pumping chamber, the pumpability of gases can be ensured and the required amounts of sample material and reagents can be kept low.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The invention relates to a microfluidic component (1), in particular a peristaltic micropump, at least comprising a layer structure made of a fluidic substrate (2), an actuation substrate (4) and an elastic membrane (3) arranged therebetween, characterised in that on the side adjoining the elastic membrane (3) the fluidic substrate (2) comprises a fluid chamber (5), the actuation substrate (4), at least on the side adjoining the elastic membrane (3), comprises at least two actuation components separated from each other, each of which is arranged at least partially opposite of the fluid chamber (5) and is able to act on the elastic membrane (3), and the actuation components can be actuated independently of each other, optionally by means of one or more actuators. The invention further relates to a method for producing a microfluidic component (1) and to the use thereof in a lab-on-chip system.

Description

Beschreibung Titel Ā Description title
Mikrofluidisches Bauteil, insbesondere peristaltische Mikropumpe, und Verfahren zu dessen Herstellung Microfluidic component, in particular peristaltic micropump, and method for its production
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. The present invention relates to a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, and a method for its production.
Stand der Technik State of the art
Makroskopische peristaltische Pumpen in radialer und linearer Bauform sind aus der Medizintechnik und der chemischen Analytik bekannt. Bei diesen Pumpen wird ein flexibler Schlauch von auƟen so zusammengedrĆ¼ckt, dass es zu einer gerichteten VerdrƤngung der darin enthaltenen FlĆ¼ssigkeit kommt. Macroscopic peristaltic pumps in radial and linear design are known from medical technology and chemical analysis. In these pumps, a flexible hose is compressed from the outside so that it comes to a directed displacement of the liquid contained therein.
Realisierungen mikrotechnischer Pumpen, unter anderem mit peristaltischem Pumpprinzip, sind beispielsweise in der Verƶffentlichung von N.-T. Nguyen und W. Dƶtzel ā€žMikropumpen - der Entwicklungsstand im Ɯberblick", Mikrotechnik, Jahrg. 109, (2001 ), 3, Carl Hanser Verlag, MĆ¼nchen, beschrieben. GegenĆ¼ber anderen Bauformen bieten peristaltische Mikropumpen den Vorteil einer stark vereinfachten Herstellung, da keine RĆ¼ckschlagventile realisiert werden mĆ¼ssen. Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenĆ¼ber Partikeln. Andererseits ist bei Nguyen et al. beschrieben, dass die peristaltischen Mikropumpen mindestens drei Pumpkammern benƶtigen, die Ć¼ber KanƤle verbunden sind. Jede Pumpkammer ist auf einer Seite durch eine Pumpmembran begrenzt. Durch Auslenkung der Membran aus der Ruhestellung kann das Kammervolumen verƤndert werden. Durch eine wellenƤhnliche Aktuierung der Pumpkammern kann ein Fluid in eine gewĆ¼nschte Richtung gefƶrdert werden. Mikropumpen kƶnnen beispielsweise fĆ¼r den Transport von FlĆ¼ssigkeiten in mikrofluidischen Systemen eingesetzt werden. Mikrofluidische Systeme kommen beispielsweise in Form von miniaturisierten Analysesystemen, so genannten Ī¼Ī¤Ī‘Īµ (Miniaturized Total Analysis System) bzw. Lab-on-Chip-Systemen oder als Mikroreaktoren zum Einsatz. Sie finden insbesondere in der molekularen Diagnostik, der Biotechnologie, der analytischen, pharmazeutischen und klinischen Chemie, der Umweltanalytik und Lebensmittelchemie wichtige Anwendungsgebiete. Implementations of microtechnical pumps, inter alia with a peristaltic pumping principle, are described, for example, in the publication by N.-T. Nguyen and W. Dƶtzel "Micropumps - an overview of the state of development", Microtechnology, Jahrg., 109, (2001), 3, Carl Hanser Verlag, Munich. Compared to other types, peristaltic micropumps offer the advantage of a greatly simplified production because there are no check valves On the other hand, Nguyen et al., describe that the peristaltic micropumps require at least three pumping chambers connected by channels, each pumping chamber being bounded on one side by a pumping membrane A wave-like actuation of the pumping chambers can be used to pump a fluid in a desired direction, eg micropumps can be used for the transport of fluids in microfluidic systems. Microfluidic systems are used, for example, in the form of miniaturized analysis systems, so-called Ī¼Ī¤Ī‘Īµ (Miniaturized Total Analysis System) or lab-on-chip systems or as microreactors. They find particular applications in molecular diagnostics, biotechnology, analytical, pharmaceutical and clinical chemistry, environmental analysis and food chemistry.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, mindestens umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat, einem Ansteuerungssubstrat und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran, wobei das fluidische Substrat auf seiner an die elastische Membran angrenzenden Seite eine Fluidkammer aufweist, das Ansteuerungssubstrat, mindestens auf seiner an die elastische Membran angrenzenden Seite, mindestens zwei voneinander unabhƤngige Aktuierungskomponenten aufweist, die jeweils mindestens teilweise der Fluidkammer gegenĆ¼ber angeordnet sind und auf die elastische Membran einwirken kƶnnen und die Aktuierungskomponenten, gegebenenfalls durch ein oder mehrere Aktoren, unabhƤngig voneinander aktuierbar sind. The subject matter of the present invention is a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, comprising at least one layer structure comprising a fluidic substrate, a drive substrate and an elastic membrane arranged therebetween, wherein the fluidic substrate has a fluid chamber on its side adjacent to the elastic membrane, the drive substrate , At least on its side adjacent to the elastic membrane side, at least two independent Aktuierungskomponenten each having at least partially disposed opposite the fluid chamber and can act on the elastic membrane and the Aktuierungskomponenten, optionally by one or more actuators, are independently actuated.
Mit anderen Worten werden erfindungsgemƤƟ im fluidischen Substrat die mindestens drei Pumpkammern der bekannten peristaltischen Mikropumpen durch eine einzige Hauptkammer ersetzt. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein minimaler fluidischer Widerstand sowie eine dadurch erhƶhte Pumprate. Gleichzeitig kann das ansonsten durch die VerbindungskanƤle zwischen den Pumpkammern gegebene Totvolumen eliminiert werden. In other words, according to the invention, in the fluidic substrate, the at least three pumping chambers of the known peristaltic micropumps are replaced by a single main chamber. This advantageously results in a minimal fluidic resistance as well as an increased pumping rate. At the same time, the dead volume otherwise given by the connection channels between the pumping chambers can be eliminated.
Das fluidische Substrat ist erfindungsgemƤƟ im Wesentlichen plattenfƶrmig, beispielsweise schichtfƶrmig ausgestaltet. Die Fluidkammer ist im fluidischen Substrat als Ausnehmung ausgebildet, die von der elastischen Membran, auf der an diese Membran angrenzenden Seite, verschlossen wird. Das fluidische Substrat ist mit der elastischen Membran verbunden. Die Fluidkammer wird erfindungsgemƤƟ auch als Pumpkammer oder Reservoir bezeichnet. GegenĆ¼ber dem fluidischen Substrat und von diesem, zumindest im Bereich der Pumpkammer, durch eine elastische Membran getrennt befindet sich das Ansteuerungssubstrat, welches ebenfalls mit der elastischen Membran verbunden ist. Hieraus ergibt sich ein sandwichartiger Aufbau des mikrofluidischen Bauteils. Das Ansteuerungssubstrat kann ebenfalls im Wesentlichen plattenfƶrmig ausgestaltet sein. According to the invention, the fluidic substrate is essentially plate-shaped, for example designed in the form of a layer. The fluid chamber is formed as a recess in the fluidic substrate, which is closed by the elastic membrane on the side adjacent to this membrane. The fluidic substrate is connected to the elastic membrane. The fluid chamber according to the invention is also referred to as a pumping chamber or reservoir. Opposite the fluidic substrate and separated therefrom, at least in the region of the pumping chamber, by an elastic membrane is the drive substrate, which is likewise connected to the elastic membrane. This results in a sandwich-like structure of the microfluidic component. The drive substrate may also be substantially plate-shaped.
Die mindestens zwei Aktuierungskomponenten kƶnnen im Ansteuerungssubstrat beispielsweise Aktuierungskammern umfassen, die als Ausnehmungen ausgebildet sein kƶnnen, die von der elastischen Membran, auf der an diese Membran angrenzenden Seite, verschlossen werden. Die Aktuierungskammern kƶnnen beispielsweise durch Stege voneinander getrennt sein. Die Stege sind in Relation zu den Aktuierungskammern zweckmƤƟigerweise mƶglichst schmal ausgebildet. Das Ansteuerungssubstrat kann erfindungsgemƤƟ auch als Deckel oder Deckelung des mikrofluidischen Bauteils bezeichnet werden. Die Aktuierungskomponenten kƶnnen erfindungsgemƤƟ direkt oder indirekt auf die elastische Membran einwirken. The at least two actuation components may comprise in the drive substrate, for example, actuation chambers, which may be formed as recesses, which are closed by the elastic membrane on the side adjacent to this membrane. The Aktuierungskammern may for example be separated by webs. The webs are expediently designed as narrow as possible in relation to the Aktuierungskammern. According to the invention, the drive substrate can also be referred to as cover or cap of the microfluidic component. The Aktuierungskomponenten can according to the invention act directly or indirectly on the elastic membrane.
Die elastische Membran kann erfindungsgemƤƟ insbesondere als durchgƤngige filmfƶrmige Folie realisiert werden. Im Vergleich zur Verwendung von mehreren unterteilten Membranen ergibt sich erfindungsgemƤƟ mit der durchgƤngigen elastischen Membran eine vereinfachte Fertigung, verbesserte mechanische Festigkeit und eine geringere Gefahr von Leckagen. Im Falle eines mikrofluidischen Bauteils, dass als peristaltische Mikropumpe ausgestaltet und verwendet wird, wird die elastische Membran auch als Pumpmembran bezeichnet. The elastic membrane according to the invention can be realized in particular as a continuous film-shaped film. In comparison with the use of several divided membranes, according to the invention the simplified elastic membrane results in a simplified production, improved mechanical strength and a lower risk of leaks. In the case of a microfluidic component designed and used as a peristaltic micropump, the elastic membrane is also referred to as a pumping membrane.
Wichtige Vorteile des erfindungsgemƤƟen mikrofluidischen Bauteils, insbesondere einer mikrofluidischen Pumpe, sind eine relativ zur BaugrĆ¶ĆŸe hƶhere mƶgliche Pumprate und ein minimiertes Totvolumen. Durch das minimierte Totvolumen kann insbesondere auch die Pumpbarkeit von Gasen gewƤhrleistet und die benƶtigten Mengen an unter UmstƤnden teuren Proben und Reagenzien gering gehalten werden. Important advantages of the microfluidic component according to the invention, in particular a microfluidic pump, are a higher possible pumping rate relative to the size and a minimized dead volume. The minimized dead volume can in particular also ensure the pumpability of gases and keep the required amounts of possibly expensive samples and reagents low.
Die im mikrofluidischen Bauteil eingesetzte Aktuierung der Aktuierungskomponenten kann beispielsweise auf elektromagnetischen, piezo- elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Wirkprinzipien beruhen. Die dafĆ¼r eingesetzten entsprechenden Aktuierungskomponenten und/oder Aktoren haben meist den Vorteil, dass sie leicht implementiert werden kƶnnen und einen starken Antrieb bieten. Andere erfindungsgemƤƟ mƶgliche Aktuierungen kƶnnen beispielsweise auch auf elektrostatischen, elektromagnetischen, thermopneu- matischen oder thermomechanischen Wirkprinzipien beruhen. The actuation of the actuation components used in the microfluidic component can be based, for example, on electromagnetic, piezoelectric based on electrical, hydraulic or pneumatic action principles. The corresponding actuation components and / or actuators used for this purpose usually have the advantage that they can be easily implemented and offer a strong drive. Other possible actuations according to the invention can also be based, for example, on electrostatic, electromagnetic, thermopneumatic or thermomechanical principles of action.
In einer AusfĆ¼hrungsform der Erfindung kƶnnen die Aktuierungskomponenten Aktuierungskammern umfassen, die beispielsweise Ć¼ber ZuleitungskanƤle mit einem pneumatischen oder hydraulischen Druck beaufschlagt werden kƶnnen.In one embodiment of the invention, the actuation components can comprise actuation chambers which can be subjected to a pneumatic or hydraulic pressure, for example via supply ducts.
Alternativ kann in den Aktuierungskammern auch thermopneumatisch ein Druck erzeugt werden, zum Beispiel durch Aufheizen eines darin enthaltenen Gases oder Verdampfen einer FlĆ¼ssigkeit. Ɯbersteigt der Druck in der jeweiligen Aktuierungskammer den Druck in der fluidischen Ebene, so wird die elastische Membran in das Volumen der Fluidkammer ausgelenkt und das jeweilige Fluid, beispielsweise ein flĆ¼ssiges Reagenz, verdrƤngt. Beispielsweise durch ein lauflichtartiges Aktuierungsmuster kann ein gerichteter Fluidstrom erreicht werden. Das erfindungsgemƤƟe Bauteil kann, insbesondere zur Steuerung der Aktuierung, weiterhin eine Steuerungsvorrichtung. Alternatively, thermopneumatically a pressure can be generated in the Aktuierungskammern, for example by heating a gas contained therein or evaporation of a liquid. If the pressure in the respective actuation chamber exceeds the pressure in the fluidic plane, the elastic membrane is deflected into the volume of the fluid chamber and the respective fluid, for example a liquid reagent, displaced. For example, by a Lauflichtartiges Aktuierungsmuster a directed fluid flow can be achieved. The component according to the invention can, in particular for controlling the actuation, furthermore a control device.
In einer alternativen AusfĆ¼hrungsform der Erfindung kann das Ansteuerungssubstrat statt der Aktuierungskammern integrierte elektromagnetische, elektrostatische, piezoelektrische und/oder nach dem FormgedƤchtniseffekt arbeitende Aktuierungskomponenten umfassen, die unabhƤngig voneinander angesteuert (aktuiert) werden kƶnnen. Solche Aktoren kƶnnen direkt auf die Membran wirken und kƶnnen gegebenenfalls gleichzeitig mit dem mikrofluidischen Bauteil hergestellt werden und erlauben vorteilhafterweise eine vereinfachte Miniaturisierung. In einer weiteren alternativen AusfĆ¼hrung weist das Ansteuerungssubstrat statt der Aktuierungskammern einen Durchbruch auf, durch den externe elektromagnetische, elektrostatische, piezoelektrische oder nach dem FormgedƤchtniseffekt arbeitende Aktoren, gegebenenfalls mittels eines StĆ¶ĆŸels auf die Membran wirken kƶnnen. In an alternative embodiment of the invention, instead of the actuation chambers, the drive substrate may comprise integrated electromagnetic, electrostatic, piezoelectric and / or shape memory effect actuation components which may be independently actuated. Such actuators can act directly on the membrane and can optionally be produced simultaneously with the microfluidic component and advantageously allow a simplified miniaturization. In a further alternative embodiment, instead of the actuation chambers, the actuation substrate has an opening through which external electromagnetic, electrostatic, piezoelectric or shape memory effect actuators, if appropriate, can act on the membrane by means of a plunger.
Im Rahmen einer Ausgestaltung des mikrofluidischen Bauteils kann das fluidische Substrat und/ oder das Ansteuerungssubstrat als strukturiertes Polymersubstrat, insbesondere aus Polycarbonat, Polystyrol, Polydimethylsiloxan oder einem Cyclo-Olefin-Copolymer, oder als Glas- oder Siliziumsubstrat ausgestaltet sein. Bei der Fertigung der Substrate mit den entsprechenden Kammern, beziehungsweise dafĆ¼r vorzusehenden Ausnehmungen, aus Polymeren kann vorteilhafterweise auf geeignete und etablierte Verfahren wie HeiƟprƤgen oder SpritzgieƟen zurĆ¼ckgegriffen werden. Die Herstellung aus Polymeren ist in der Regel auƟerdem kostengĆ¼nstig. Die Ausnehmungen kƶnnen auch nachtrƤglich beispielsweise durch Photolithographie und Ƅtzen oder durch FrƤsen in den Substraten ausgebildet werden. Within the scope of an embodiment of the microfluidic component, the fluidic substrate and / or the drive substrate may be structured Polymer substrate, in particular of polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane or a cyclo-olefin copolymer, or designed as a glass or silicon substrate. In the manufacture of the substrates with the corresponding chambers, or recesses to be provided, made of polymers can be advantageously resorted to suitable and established methods such as hot stamping or injection molding. The preparation of polymers is usually also inexpensive. The recesses can also be subsequently formed for example by photolithography and etching or by milling in the substrates.
Das fluidische Substrat und das Ansteuerungssubstrat kƶnnen unabhƤngig voneinander eine Schichtdicke von 300 Ī¼Ī¹Ī· bis 10 mm und/oder eine GrundflƤche von 5 mm x 5 mm bis 200 mm x 200 mm, beispielsweise von 15 mm x 30 mm, aufweisen. Beispielsweise kƶnnen fluidisches Substrat und Ansteuerungssubstrat die gleiche GrundflƤche aufweisen und bĆ¼ndig miteinander abschlieƟen. The fluidic substrate and the drive substrate can independently of one another have a layer thickness of 300 Ī¼m to 10 mm and / or a base area of 5 mm Ɨ 5 mm to 200 mm Ɨ 200 mm, for example of 15 mm Ɨ 30 mm. For example, the fluidic substrate and drive substrate may have the same footprint and terminate flush with each other.
Die Fluidkammer kann erfindungsgemƤƟ beispielsweise eine LƤnge L1 vonThe fluid chamber according to the invention, for example, a length L1 of
> 15 mm bis < 30 mm, beispielsweise 20 mm und/oder eine Breite W von > 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm aufweisen. Die Hƶhe der Fluidkammer T2 kann erfindungsgemƤƟ insbesondere >100 Ī¼Ī¹Ī· bis < 1000 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise 250 Ī¼Ī¹Ī· oder 500 Ī¼Ī¹Ī· betragen. > 15 mm to <30 mm, for example 20 mm and / or have a width W of> 5 mm to <15 mm, for example 10 mm. According to the invention, the height of the fluid chamber T2 can be, in particular,> 100 Ī¼m to <1000 Ī¼m, for example 250 Ī¼m or 500 Ī¼m.
Die Aktuierungskammern kƶnnen beispielsweise eine LƤnge L2 von > 3 mm bisThe Aktuierungskammern can, for example, a length L2 of> 3 mm to
< 10 mm, beispielsweise 4 mm, 6 mm oder 9 mm und/oder eine Breite W2 von<10 mm, for example 4 mm, 6 mm or 9 mm and / or a width W2 of
> 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm aufweisen. Die Hƶhe der Aktuierungskammer T1 kann erfindungsgemƤƟ insbesondere >100 Ī¼Ī¹Ī· bis> 5 mm to <15 mm, for example 10 mm. The height of the Aktuierungskammer T1 according to the invention, in particular> 100 Ī¼Ī¹Ī· to
< 1000 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise 250 Ī¼Ī¹Ī· oder 500 Ī¼Ī¹Ī· betragen. <1000 Ī¼Ī¹Ī·, for example, 250 Ī¼Ī¹Ī· or 500 Ī¼Ī¹Ī· amount.
Die Dimensionierung des fluidischen Substrats, des Ansteuerungssubstrats, der Fluidkammern und der Aktuierungskammern, beziehungsweise die Ausgestaltung und Dimensionierung der Aktuierungskomponenten und/oder Aktoren kann erfindungsgemƤƟ auf bestimmte Anwendungen angepasst werden und ist nicht auf die vorstehend angegebenen Werte beschrƤnkt. In einer Ausgestaltung des mikrofluidischen Bauteils kann die elastische Membran als Polymerfolie insbesondere mit einer Dicke von > 0,01 Ī¼Ī¹Ī· bis 200 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise mit einer Dicke von 100 Ī¼Ī¹Ī·, ausgebildet sein. Die elastische Membran kann je nach Materialauswahl und gegebenenfalls je nach der beabsichtigten Anwendung, der gewĆ¼nschten und/oder benƶtigten Belastbarkeit und ElastizitƤt jedoch auch dicker oder dĆ¼nner ausgelegt sein. The dimensioning of the fluidic substrate, the drive substrate, the fluid chambers and the actuation chambers, or the design and dimensioning of the actuation components and / or actuators can be adapted according to the invention to specific applications and is not limited to the values given above. In one embodiment of the microfluidic component, the elastic membrane can be designed as a polymer film, in particular with a thickness of> 0.01 Ī¼m to 200 Ī¼m, for example with a thickness of 100 Ī¼m. Depending on the choice of material and, if appropriate, the intended use, the desired and / or required loading capacity and elasticity, however, the elastic membrane may also be made thicker or thinner.
In einer erfindungsgemƤƟen AusfĆ¼hrung des mikrofluidischen Bauteils kann die elastische Membran aus einem thermoplastischen, insbesondere schweiƟbaren, Polymer, insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer, ausgebildet sein. Durch den Einsatz eines schweiƟbaren Polymers als elastische Membran kann diese vorteilhafterweise, neben der Pump- und VerdrƤngungsfunktion fĆ¼r ein Fluid, gleichzeitig als Verbindung und Abdichtung des erfindungsgemƤƟen Schichtaufbaus, beispielsweise Dreischichtaufbaus, dienen. Der Einsatz eines schweiƟbaren Polymers ermƶglicht weiterhin eine einfache Verbindung der Substrate mit der elastischen Membran, beispielsweise durch LaserschweiƟen, UltraschallschweiƟen oder ThermokompressionsschweiƟen. In an embodiment of the microfluidic component according to the invention, the elastic membrane may be formed from a thermoplastic, in particular weldable, polymer, in particular from a thermoplastic elastomer. By using a weldable polymer as an elastic membrane, this can advantageously, in addition to the pumping and displacement function for a fluid, simultaneously serve as connection and sealing of the layer structure according to the invention, for example three-layer structure. The use of a weldable polymer further allows easy connection of the substrates to the elastic membrane, for example by laser welding, ultrasonic welding or thermo-compression welding.
GrundsƤtzlich ist es erfindungsgemƤƟ auch mƶglich, dass die elastische Membran aus einem nicht-thermoplastischen Elastomer ausgebildet ist. Beispiele fĆ¼r geeignete Elastomere sind Silikonelastomere, Polyurethane, Kautschuke, wie Polyacrylkautschuk, Styrolkautschuk, Butadienkautschuk oder Mischungen daraus. Die Verbindung mit dem fluidischen Substrat und dem Ansteuerungssubstrat kann in diesem Fall beispielsweise durch ein Klebetechnik-Verfahren, beispielsweise eine Laminierung, erfolgen. In principle, it is also possible according to the invention that the elastic membrane is formed from a non-thermoplastic elastomer. Examples of suitable elastomers are silicone elastomers, polyurethanes, rubbers such as polyacrylic rubber, styrene rubber, butadiene rubber or mixtures thereof. The connection to the fluidic substrate and the drive substrate in this case can be done, for example, by an adhesive technique, for example, a lamination.
Im Rahmen einer weiteren AusfĆ¼hrungsform der Erfindung kann die Fluidkammer verrundete SeitenwƤnde aufweisen. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass sich hierdurch die nach unten in die Fluidkammer ausgelenkte elastische Membran, beispielsweise Pumpmembran, besser an die Fluidkammer anlegen kann und der fluidische Widerstand im aktuierten Zustand erhƶht wird. Dadurch kann vorteilhafterweise ein RĆ¼ckfluss eines Fluids verhindert und die Pumprate erhƶht werden. AuƟerdem wird durch die Verrundung das Totvolumen verringert. In the context of a further embodiment of the invention, the fluid chamber may have rounded side walls. Advantageously, it has been found that the elastic membrane deflected downwards into the fluid chamber, for example the pumping membrane, can thereby better fit against the fluid chamber and the fluidic resistance in the actuated state is increased. As a result, a reflux of a fluid can advantageously be prevented and the pumping rate can be increased. In addition, the dead volume is reduced by the rounding.
Im Rahmen einer weiteren AusfĆ¼hrungsform der Erfindung kann die Fluidkammer auf ihrem Boden angeordnete Phasenleiter (Phaseguides) aufweisen. Phasenleiter sind Kapillardruckbarrieren, beispielsweise Kanten oder andere Strukturen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Gas-, beispielsweise Luft-, FlĆ¼ssigkeitsmeniskus wirken. Der Meniskus richtet sich dann an dem Phasenleiter aus und Ć¼berwindet letztendlich die, beispielsweise durch Kanten gegebene, Barriere. Auf diese Weise kann eine kontrollierte, blasenfreie BefĆ¼llung und Entleerung mit FlĆ¼ssigkeiten erzielt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Verwendung des erfindungsgemƤƟen mikrofluidischen Bauteils als Reservoir zur Vorlagerung von flĆ¼ssigen Reagenzien, beispielsweise in einem Lab-on-Chip-System. Hierbei kƶnnen die Phasenleiter eine noch genauere Abmessung und Vorlagerung einer definierten FlĆ¼ssigkeitsmenge, sowie die im Wesentlichen rĆ¼ckstandsfreie kontrollierte Entleerung des Reservoirs ermƶglichen. In the context of a further embodiment of the invention, the fluid chamber may have phase conductors (phaseguides) arranged on its bottom. Phase conductors are capillary pressure barriers, for example, edges or other structures that act perpendicular to the direction of movement of a gas, such as air, liquid meniscus. The meniscus then aligns itself with the phase conductor and eventually overcomes the barrier given, for example, by edges. In this way, a controlled, bubble-free filling and emptying with liquids can be achieved. This is particularly advantageous when using the microfluidic component according to the invention as a reservoir for the pre-storage of liquid reagents, for example in a lab-on-chip system. Here, the phase conductors can allow even more accurate dimensioning and pre-storage of a defined amount of liquid, as well as the substantially residue-free controlled emptying of the reservoir.
Bei der Verwendung der Erfindung als Reservoir in einem Lab-on-Chip-System kann die Kammer im fluidischen Substrat, beispielsweise vollstƤndig, mit einem flĆ¼ssigen Reagenz befĆ¼llt werden. Gegebenenfalls befinden sich am Ein- und Auslass der Hauptkammer Ventile, mit denen die befĆ¼llte Hauptkammer verschlossen werden kann. Die Entleerung des Reservoirs kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zunƤchst das Ventil am Auslass der Hauptkammer geƶffnet wird und danach die Aktuierungskammern sequentiell aktuiert werden. When using the invention as a reservoir in a lab-on-chip system, the chamber in the fluidic substrate, for example, completely filled with a liquid reagent. Optionally located at the inlet and outlet of the main chamber valves with which the filled main chamber can be closed. The emptying of the reservoir can take place, for example, by first opening the valve at the outlet of the main chamber and then actuating the actuation chambers sequentially.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemƤƟen Verfahrens kann das fluidische Substrat und/oder das Ansteuerungssubstrat weitere mikrofluidische Strukturen und/oder mikrofluidische Komponenten, beispielsweise Kammern, Mischer, Ventile aufweisen. Hiermit kƶnnen die Pump- oder Reservoirfunktion des mikrofluidischen Bauteils weiter unterstĆ¼tzt und/oder das mikrofluidische Bauteil kann gleichzeitig weitere mit den zusƤtzlichen Komponenten verbundene Funktionen Ć¼bernehmen. Vorteilhafterweise kƶnnen diese zusƤtzlichen Strukturen und/oder Komponenten mindestens teilweise gleichzeitig mit der Pumpkammer oder den Aktuierungskammern hergestellt werden. In a further embodiment of the method according to the invention, the fluidic substrate and / or the drive substrate may have further microfluidic structures and / or microfluidic components, for example chambers, mixers, valves. Hereby, the pumping or reservoir function of the microfluidic component can be further supported and / or the microfluidic component can simultaneously take on additional functions associated with the additional components. Advantageously, these additional structures and / or components can be made at least partially simultaneously with the pumping chamber or the actuation chambers.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauteils, insbesondere einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe. Das fluidische Substrat und das Ansteuerungssubstrat kƶnnen insbesondere durch mikrotechnologische Verfahren hergestellt und zur weiteren Fertigung des mikrofluidischen Bauteils bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann als platten- oder folienfƶrmiges fluidisches Substrat und/oder als Ansteuerungssubstrat ein Glassubstrat, ein Siliziumsubstrat, ein Leiterplattensubstrat oder einThe invention further relates to a method for producing a microfluidic component, in particular a microfluidic peristaltic pump. The fluidic substrate and the drive substrate can in particular be produced by microtechnological methods and provided for the further production of the microfluidic component. For example, as a plate-shaped or sheet-shaped fluidic substrate and / or as a driving substrate, a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board substrate or a
Polymersubstrat, insbesondere ein Pyrexsubstrat, ein Teflonsubstrat, ein Polystyrolsubstrat, ein Polycarbonatsubstrat, ein Substrat aus einem Cyclo- Olefin-Copolymer, ein Polyestersubstrat oder ein PDMS-Substrat, oder ein durch SpritzgieƟen oder TiefenƤtzen oder PrƤgen, insbesondere HeiƟprƤgen, strukturiertes Substrat, beispielsweise ein strukturiertes Glassubstrat,Polymer substrate, in particular a pyrex substrate, a Teflon substrate, a polystyrene substrate, a polycarbonate substrate, a substrate of a cyclo-olefin copolymer, a polyester substrate or a PDMS substrate, or by injection molding or deep etching or embossing, in particular hot stamping, structured substrate, for example a structured glass substrate,
Siliziumsubstrat oder Polymersubstrat, insbesondere ein Pyrexsubstrat, ein Teflonsubstrat, ein Polystyrolsubstrat, ein Polycarbonatsubstrat, ein Substrat aus einem Cyclo-Olefin-Copolymer, ein Polyestersubstrat oder ein PDMS-Substrat, verwendet werden. Silicon substrate or polymer substrate, in particular a pyrex substrate, a teflon substrate, a polystyrene substrate, a polycarbonate substrate, a substrate of a cyclo-olefin copolymer, a polyester substrate or a PDMS substrate.
Die Erfindung betrifft auƟerdem die Verwendung eines mikrofluidischen Bauteils in einem Lab-on-Chip-System. Insbesondere kann das mikrofluidische Bauteil als peristaltische Mikropumpe verwendet werden. Weiterhin kann ein mikrofluidisches Bauteil gemƤƟ der Erfindung in einem Lab-on-Chip-System als Reservoir zur Vorlagerung, insbesondere von flĆ¼ssigen Reagenzien, genutzt werden. Das Volumen der Fluidkammer bildet dann das FlĆ¼ssigkeitsreservoir. Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemƤƟe mikrofluidische Bauteil also zur Vorlagerung und Dosierung und/oder zum Transport von Fluiden, beispielsweise flĆ¼ssigen Reagenzien verwendet werden. The invention also relates to the use of a microfluidic component in a lab-on-chip system. In particular, the microfluidic component can be used as a peristaltic micropump. Furthermore, a microfluidic component according to the invention can be used in a lab-on-chip system as a reservoir for pre-storage, in particular of liquid reagents. The volume of the fluid chamber then forms the fluid reservoir. Advantageously, the microfluidic component according to the invention can therefore be used for the pre-storage and metering and / or for the transport of fluids, for example liquid reagents.
Zeichnungen drawings
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemƤƟen Gegenstandes werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erlƤutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschrƤnken. Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the figures have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 eine schematische schrƤge Draufsicht auf ein erfindungsgemƤƟes mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Pumpe, Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte AusfĆ¼hrungsform des mikrofluidischen Bauteils, 1 is a schematic oblique plan view of an inventive microfluidic component, in particular a peristaltic pump, FIG. 2 shows a schematic plan view of the embodiment of the microfluidic component shown in FIG. 1, FIG.
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A' durch Fig. 1 , Fig. 4 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemƤƟes mikrofluidisches Bauteil, Ā 3 shows a schematic cross-section along the line A-A 'through FIG. 1, FIG. 4 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component according to the invention,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B' durch Fig. 4, Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine AusfĆ¼hrungsform eines erfindungsgemƤƟen mikrofluidischen Reservoirs, Ā 5 shows a schematic cross section along the line B-B 'through FIG. 4, FIG. 6 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic reservoir according to the invention,
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie C-C durch Fig. 6 AusfĆ¼hrungsform eines erfindungsgemƤƟen mikrofluidischen Reservoirs,Ā 7 shows a schematic cross section along the line C-C through FIG. 6 embodiment of a microfluidic reservoir according to the invention, FIG.
Fig. 8 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf erfindungsgemƤƟes mikrofluidisches Bauteil mit drei Aktuierungskomponenten, und FIG. 8 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component according to the invention with three actuation components, and FIG
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie D-D' durch die in Fig. 7 gezeigte AusfĆ¼hrungsform. Fig. 9 is a schematic cross-section along the line DD ' through the embodiment shown in Fig. 7.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemƤƟes mikrofluidisches Bauteil 1 , welches ein fluidisches Substrat 2, ein Ansteuerungssubstrat 4 und eine, sandwichartig zwischen diesen Substraten angeordnete, elastische Membran 3 aufweist. Dabei grenzt das fluidische Substrat 2 an die elastische Membran 3 an und ist mit dieser flƤchig verbunden. Die elastische Membran 3 wird erfindungsgemƤƟ auch als Pumpmembran bezeichnet. Das fluidische Substrat 2 weist an der an die elastische Membran 3 angrenzenden Seite eine Ausnehmung 5 auf, die auch als Pumpkammer bezeichnet wird. Im Unterschied zu bisherigen Realisierungen von mikrofluidischen peristaltischen Pumpen sind die mindestens zwei Pumpkammern zu einer einzigen Haupt-Pumpkammer 5 zusammengefĆ¼hrt.FIG. 1 shows a microfluidic component 1 according to the invention which has a fluidic substrate 2, a drive substrate 4 and an elastic membrane 3 sandwiched between these substrates. In this case, the fluidic substrate 2 adjoins the elastic membrane 3 and is connected to this area. The elastic membrane 3 is also referred to as pumping membrane according to the invention. The fluidic substrate 2 has on the side adjacent to the elastic membrane 3 side a recess 5, which is also referred to as a pumping chamber. In contrast to previous implementations of microfluidic peristaltic pumps, the at least two pumping chambers are combined to form a single main pumping chamber 5.
Vorteilhafterweise ergeben sich hierdurch ein minimaler fluidischer Widerstand sowie eine erhƶhte Pumprate. ZusƤtzlich kann erfindungsgemƤƟ das Totvolumen durch den erfindungsgemƤƟen Aufbau mit nur einer Pumpkammer 5, insbesondere durch die damit verbundene Eliminierung von VerbindungskanƤlen zwischen den Pumpkammern, minimiert werden. Das Ansteuerungssubstrat 4 grenzt ebenso an die elastische Membran 3 und ist mit dieser verbunden. Das Ansteuerungssubstrat 4 weist an seiner an die elastische Membran 3 angrenzenden Seite drei Ausnehmungen 6a, 6b, 6c auf, die auch als Aktuierungskammern bezeichnet werden. Die in Strƶmungsrichtung hintereinander angeordneten Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c sind durch StegeAdvantageously, this results in a minimal fluidic resistance and an increased pumping rate. In addition, according to the invention, the dead volume can be minimized by the construction according to the invention with only one pumping chamber 5, in particular by the associated elimination of connecting channels between the pumping chambers. The driving substrate 4 also abuts and is connected to the elastic membrane 3. The drive substrate 4 has on its side adjacent to the elastic membrane 3 three recesses 6a, 6b, 6c, which are also referred to as Aktuierungskammern. The actuation chambers 6a, 6b, 6c which are arranged one behind the other in the flow direction are provided by webs
7a, 7b voneinander getrennt und kƶnnen unabhƤngig voneinander aktuiert werden. In der gezeigten AusfĆ¼hrungsform sind die Aktuierungskammern mit ZuleitungskanƤlen 8a, 8b, 8c verbunden und kƶnnen Ć¼ber Einlassƶffungen 9a, 9b, 9c im Ansteuerungssubstrat 4 beispielsweise mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druck durch eine externe Druckvorrichtung (nicht gezeigt) beaufschlagt und aktuiert werden. Ɯbersteigt der Druck in der jeweiligen7a, 7b separated from each other and can be actuated independently become. In the embodiment shown, the actuation chambers are connected to supply channels 8a, 8b, 8c and can be acted on and actuated via inlet openings 9a, 9b, 9c in the drive substrate 4, for example with a hydraulic or pneumatic pressure by an external pressure device (not shown). Exceeds the pressure in the respective
Aktuierungskammer 6a, 6b, 6c den Druck in der fluidischen Ebene 2, so wird die Pumpmembran 3 in das Volumen der Pumpkammer 5 hinein ausgelenkt und das jeweilige Fluid verdrƤngt. Beispielsweise durch ein lauflichtartiges Aktuierungsmuster kann ein gerichteter Fluidstrom erzielt werden. Ein Fluid kann durch einen Einlass 10a Ć¼ber einen Zuleitungskanal 1 1 a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden und durch einen Auslass 10b Ć¼ber eine Zuleitung 1 1 b aus der Pumpkammer herausgefĆ¼hrt, insbesondere durch die vorher beschriebene Aktuierung der Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c herausgepumpt werden. Weitere besonders geeignete Aktuierungsmuster fĆ¼r eine erfindungsgemƤƟe mikrofluidische peristaltische Pumpe mit einer Fluidkammer 5 und dreiActuating chamber 6a, 6b, 6c, the pressure in the fluidic plane 2, the pumping membrane 3 is deflected into the volume of the pumping chamber 5 into and displaces the respective fluid. For example, by a Lauflichtartiges Aktuierungsmuster a directed fluid flow can be achieved. A fluid can be fed through an inlet 10a via a supply channel 1 1 a in the pumping chamber 5 and led out through an outlet 10b via a feed line 1 1 b from the pumping chamber, in particular be pumped out by the previously described actuation of Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c , Further particularly suitable Aktuierungsmuster for a microfluidic peristaltic pump according to the invention with a fluid chamber 5 and three
Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c, sind im Folgenden in den Beispielen 1 bis 6 wiedergegeben. Actuation chambers 6a, 6b, 6c are reproduced below in Examples 1 to 6.
Figur 2 zeigt das in Figur 1 gezeigte, erfindungsgemƤƟe mikrofluidische Bauteil 1 in einer schematischen Draufsicht auf das Ansteuerungssubstrat 4 mit dessenFIG. 2 shows the microfluidic component 1 according to the invention shown in FIG. 1 in a schematic plan view of the drive substrate 4 with its
Einlassƶffungen 9a, 9b, 9c, durch die die drei Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c Ć¼ber die ZuleitungskanƤle 8a, 8b, 8c mit einem Druck beaufschlagt werden kƶnnen. Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A' durch das in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemƤƟe mikrofluidische Bauteil 1 . Die Hƶhe der Aktuierungskammern 6 T1 kann erfindungsgemƤƟ insbesondere > 100 Ī¼Ī¹Ī· bis < 1000 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise 250 Ī¼Ī¹Ī· oder 500 Ī¼Ī¹Ī·, betragen. UnabhƤngig davon kann die Fluidkammer 5 erfindungsgemƤƟ eine Hƶhe T2 von > 100 Ī¼Ī¹Ī· bis < 1000 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise 250 Ī¼Ī¹Ī· oder 500 Ī¼Ī¹Ī· aufweisen. Figur 2 zeigt auƟerdem, dass in dieser AusfĆ¼hrungsform die Aktuierungskammer 6b und die Pumpkammer 5 in ihren seitlichen Begrenzungen bĆ¼ndig miteinander abschlieƟen. Die Pumpkammer 5 weist in dieser Ausgestaltung verrundete SeitenwƤnde auf, wodurch sich vorteilhafterweise die, in das Volumen der Fluidkammer ausgelenkte, elastische Membran, beispielsweise Pumpmembran, besser an die FluidkammerwƤnde anlegen kann. Hierdurch kann der fluidische Widerstand im aktuierten Zustand erhƶht werden und vorteilhafterweise ein RĆ¼ckfluss eines Fluids verhindert und die Pumprate erhƶht werden. AuƟerdem wird durch die Verrundung der SeitenwƤnde das Totvolumen verringert. Inlet openings 9a, 9b, 9c, through which the three Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c can be acted upon via the supply channels 8a, 8b, 8c with a pressure. FIG. 3 shows a schematic cross section along the line AA 'through the microfluidic component 1 according to the invention shown in FIG. 2. The height of the Aktuierungskammern 6 T1 according to the invention in particular> 100 Ī¼Ī¹Ī· to <1000 Ī¼Ī¹Ī·, for example, 250 Ī¼Ī¹Ī· or 500 Ī¼Ī¹Ī·, amount. Regardless, the fluid chamber 5 according to the invention a height T2 of> 100 Ī¼Ī¹Ī· to <1000 Ī¼Ī¹Ī·, for example, 250 Ī¼Ī¹Ī· or 500 Ī¼Ī¹Ī· have. FIG. 2 also shows that, in this embodiment, the actuation chamber 6b and the pumping chamber 5 terminate flush with one another in their lateral boundaries. The pumping chamber 5 has in this embodiment rounded side walls, whereby advantageously, deflected into the volume of the fluid chamber, elastic membrane, such as pumping membrane, can create better to the fluid chamber walls. This allows the fluidic Resistance can be increased in the actuated state and advantageously prevents backflow of a fluid and the pumping rate can be increased. In addition, the dead volume is reduced by the rounding of the side walls.
Figur 4 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht auf ein mikrofluidisches Bauteil 1 , insbesondere eine peristaltische Pumpe. Das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 sowie das Ansteuerungssubstrat 4 sind in dieser Darstellung der Ɯbersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Figur 3 zeigt noch einmal, dass erfindungsgemƤƟ nur eine Pumpkammer 5 vorgesehen ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise ein minimaler fluidischer Widerstand sowie eine in Relation zur BaugrĆ¶ĆŸe erhƶhte Pumprate erzielt werden. Die Pumpkammer 5 kann durch die ZuleitungskanƤle 1 1 a und 1 1 b befĆ¼llt und entleert werden. Ein Fluid kann beispielsweise durch den Kanal 1 1 a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden, diese durchstrƶmen und durch den Kanal 1 1 b die Pumpkammer 5 wieder verlassen. Die Erzeugung eines gerichteten Fluidstroms kann durch die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c erfolgen. Die Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c kƶnnen Ć¼ber die ZuleitungskanƤle 8a, 8b, 8c beispielsweise mit einem pneumatischen oder hydraulischen Druck beaufschlagt und aktuiert werden. Die Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c Ć¼berragen in dieser AusfĆ¼hrungsform die Pumpkammer 5 seitlich, senkrecht zur Strƶmungsrichtung, und schlieƟen nicht, wie in Figur 1 wiedergegeben, mit der Pumpkammer 5 bĆ¼ndig ab. FIG. 4 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component 1, in particular a peristaltic pump. The fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the drive substrate 4 are not shown in this illustration for the sake of clarity. FIG. 3 shows once again that according to the invention only one pumping chamber 5 is provided. As a result, it is advantageously possible to achieve a minimal fluidic resistance and a pumping rate which is increased in relation to the size. The pumping chamber 5 can be filled and emptied through the supply channels 1 1 a and 1 1 b. A fluid can be fed, for example through the channel 1 1 a in the pumping chamber 5, flow through them and leave through the channel 1 1 b the pumping chamber 5 again. The generation of a directed fluid flow can be effected by the controlled sequential actuation of the actuation chambers 6a, 6b, 6c. The actuation chambers 6a, 6b, 6c can be acted on and actuated via the supply channels 8a, 8b, 8c, for example, with a pneumatic or hydraulic pressure. The Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c extend beyond the pumping chamber 5 in this embodiment laterally, perpendicular to the flow direction, and do not close, as shown in Figure 1, with the pumping chamber 5 flush.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B' durch Fig. 3. In dieser Figur sind das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 und das Ansteuerungssubstrat 4 als Dreischichtaufbau gezeigt. Die Figur verdeutlicht, dass erfindungswesentlich im fluidischen Substrat nur eine Pumpkammer 5 angeordnet ist, wodurch im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhafterweise ein minimiertes Totvolumen gegeben ist. Durch die ZuleitungskanƤle 8a, 8b, 8c kann die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c beispielsweise pneumatischen oder hydraulischen Druck erfolgen. Fig. 5 shows a schematic cross section along the line B-B 'of Fig. 3. In this figure, the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the driving substrate 4 are shown as a three-layer structure. The figure illustrates that only one pumping chamber 5 is arranged essential to the invention in the fluidic substrate, whereby a minimized dead volume is advantageously provided in comparison with the prior art. Through the supply channels 8a, 8b, 8c, the controlled sequential actuation of the Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c, for example, pneumatic or hydraulic pressure.
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine AusfĆ¼hrungsform eines erfindungsgemƤƟen mikrofluidischen Bauteils 1 als Reservoir, wie es beispielsweise zur Vorlagerung von flĆ¼ssigen Reagenzien in einem mikrofluidischen Lab-on-Chip-System verwendet werden kann. Die Fluidkammer 5 wird dabei als Vorratsvolumen, also als Reservoir, verwendet. Die Fluidkammer6 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic component 1 according to the invention as a reservoir, as can be used, for example, for the preliminary storage of liquid reagents in a microfluidic lab-on-chip system. The fluid chamber 5 is used as storage volume, ie as a reservoir. The fluid chamber
5 kann beispielsweise eine LƤnge L1 von >15 mm bis < 30 mm, beispielsweise 20 mm, und/oder eine Breite W von > 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm aufweisen. Die Hƶhe der Fluidkammer T2 kann erfindungsgemƤƟ insbesondere >100 Ī¼Ī¹Ī· bis < 1000 Ī¼Ī¹Ī· betragen. Das erfindungsgemƤƟe mikrofluidische Bauteil5 may for example have a length L1 of> 15 mm to <30 mm, for example 20 mm, and / or a width W of> 5 mm to <15 mm, for example 10 mm. The height of the fluid chamber T2 according to the invention can be in particular> 100 Ī¼Ī¹Ī· to <1000 Ī¼Ī¹Ī·. The microfluidic component according to the invention
1 weist auch in dieser Ausgestaltung drei Aktuierungskammern 6a, 6b und 6c auf, die unabhƤngig voneinander Ć¼ber ZuleitungskanƤle 8a, 8b und 8c, beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch, mit einem Druck beaufschlagt werden kƶnnen. Eine pneumatische oder hydraulische Aktuierung kann dabei Ć¼ber externe oder interne Pilotventile erfolgen. Die Aktuierungskammern kƶnnen beispielsweise eine LƤnge L2 von > 3 mm bis < 10 mm, beispielsweise 4 mm oder 6 mm, und/oder eine Breite W von > 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm, aufweisen. Das erfindungsgemƤƟe mikrofluidische Bauteil 1 kann weiterhin Ventile 14, 15 und 16 aufweisen. Durch den Einlass 10a kann FlĆ¼ssigkeit durch das Reservoir 5 zu einem EntlĆ¼ftungskanal 17 gepumpt und das Reservoir 5 hierdurch befĆ¼llt werden. Hierbei ist das Ventil 15 geschlossen und die Ventile 14 und 16 geƶffnet und die Aktuierungskammern 6a, 6b und 6c nicht aktuiert. Die Ventile 14 und 16 kƶnnen dann geschlossen werden und die im Reservoir befindliche FlĆ¼ssigkeit ist nun ā€žOn Chip" vorgelagert. Zum Freisetzen der FlĆ¼ssigkeit kann das Ventil 15 geƶffnet werden, wƤhrend Ventil 14 und 16 geschlossen bleiben. Nachfolgend kann zuerst die Aktuierungskammer 6a beispielsweise mit einem pneumatischen oder hydraulischen Ɯberdruck beaufschlagt werden, danach die Aktuierungskammer 6b, und schlieƟlich die Aktuierungskammer 6c. Dadurch kann das Reservoir 5 gezielt und kontrolliert entleert werden. Es kƶnnen erfindungsgemƤƟ grundsƤtzlich und nicht nur auf diese AusfĆ¼hrungsform beschrƤnkt auch zwei oder mehr als drei Aktuierungskammern 6 im mikrofluidischen Bauteil 1 vorgesehen werden. Vorteilhafterweise kann in einer solchen erfindungsgemƤƟen AusfĆ¼hrungsform eine im Volumen genau definierte FlĆ¼ssigkeitsmenge abgemessen und vorgelagert werden. Die vorgesehene FlĆ¼ssigkeitsmenge kann dann kontrolliert, gegebenenfalls auch in mehreren definierten Schritten, aus dem Reservoir 5 abgegeben werden, ohne dass eine externe Pumpe benƶtigt wird. ErfindungsgemƤƟ kann darĆ¼ber hinaus mit zwei oder mehr Aktuierungskammern1 also has in this embodiment three Aktuierungskammern 6a, 6b and 6c, which can be acted upon independently via feed channels 8a, 8b and 8c, for example pneumatically or hydraulically, with a pressure. A pneumatic or hydraulic actuation can take place via external or internal pilot valves. The actuation chambers may, for example, have a length L2 of> 3 mm to <10 mm, for example 4 mm or 6 mm, and / or a width W of> 5 mm to <15 mm, for example 10 mm. The microfluidic component 1 according to the invention can furthermore have valves 14, 15 and 16. Through the inlet 10a liquid can be pumped through the reservoir 5 to a vent passage 17 and the reservoir 5 are thereby filled. In this case, the valve 15 is closed and the valves 14 and 16 are opened and the Aktuierungskammern 6a, 6b and 6c not actuated. The valves 14 and 16 can then be closed and the liquid in the reservoir is now "on chip." In order to release the liquid, the valve 15 can be opened while the valves 14 and 16 remain closed After that, the actuation chamber 6b, and finally the actuation chamber 6c, can be evacuated and the reservoir 5 can be basically and not only limited to this embodiment also two or more than three actuation chambers 6 in FIG microfluidic component 1. Advantageously, in such an embodiment according to the invention, an amount of liquid precisely defined in the volume can be measured and stored in advance The quantity of liquid provided can then be controlled, if necessary also in several defined S are discharged from the reservoir 5, without an external pump is needed. According to the invention, moreover, with two or more Aktuierungskammern
6 verhindert werden, dass, insbesondere in den Ecken des Reservoirs 5, FlĆ¼ssigkeitsreste zurĆ¼ckbleiben. Hierdurch wird eine exaktere Dosierung von6 are prevented that, in particular in the corners of the reservoir 5, remain liquid residues. As a result, a more accurate dosage of
Fluiden, beispielsweise in einem Lab-on-Chip-System, mƶglich. Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie C-C durch Fig. 6 durch die Aktuierungskammer 6b und deren Zuleitungskanal 8b. Die Hƶhe der Aktuierungskammern 6 T1 kann erfindungsgemƤƟ insbesondere >100 Ī¼Ī¹Ī· bis < 1000 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise 250 Ī¼Ī¹Ī· oder 500 Ī¼Ī¹Ī·, betragen. UnabhƤngig davon kann auch die Fluidkammer 5 erfindungsgemƤƟ eine Hƶhe T2 von >100 Ī¼Ī¹Ī· bis < 1000 Ī¼Ī¹Ī·, beispielsweise 250 Ī¼Ī¹Ī· oder 500 Ī¼Ī¹Ī·, aufweisen. Fluids, for example in a lab-on-chip system, possible. FIG. 7 shows a schematic cross section along the line CC through FIG. 6 through the actuation chamber 6b and its supply channel 8b. The height of the Aktuierungskammern 6 T1 according to the invention in particular> 100 Ī¼Ī¹Ī· to <1000 Ī¼Ī¹Ī·, for example, 250 Ī¼Ī¹Ī· or 500 Ī¼Ī¹Ī·, amount. Independently of this, according to the invention, the fluid chamber 5 can also have a height T2 of> 100 Ī¼m to <1000 Ī¼m, for example 250 Ī¼m or 500 Ī¼m.
Figur 8 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht auf ein mikrofluidisches Bauteil 1 , insbesondere eine peristaltische Pumpe, in dem dieFIG. 8 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component 1, in particular a peristaltic pump, in which the
Aktuierungskammern durch alternative Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c ersetzt sind. Die Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c kƶnnen beispielsweise Aktoren umfassen, die direkt oder Ć¼ber StĆ¶ĆŸel auf die elastische Membran wirken kƶnnen. Die Aktoren kƶnnen in dieser Ausgestaltung beispielsweise piezoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische oder FormgedƤchtnisaktoren sein. Das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 sowie das Ansteuerungssubstrat 4 sind in dieser Darstellung der Ɯbersichtlichkeit halber nicht gezeigt. ErfindungsgemƤƟ ist vorteilhafterweise nur eine Pumpkammer 5 vorgesehen, wodurch nicht nur die Fertigung des fluidischen Substrats vereinfacht wird, sondern es kann ein minimaler fluidischen Widerstand sowie eine in Relation zur BaugrĆ¶ĆŸe erhƶhte Pumprate erzielt werden. Die Pumpkammer 5 kann durch die KanƤle 1 1 a und 1 1 b, beziehungsweise durch den Einlass 10 a, befĆ¼llt und durch den Auslass 10b entleert werden. Ein Fluid kann beispielsweise durch den Kanal 1 1 a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden, diese durchstrƶmen und durch den Kanal 1 1 b die Pumpkammer 5 wieder verlassen. Ein gerichteter Fluidstrom kann durch die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c erfolgen. Actuating chambers are replaced by alternative Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c. The actuation components 18a, 18b, 18c may, for example, comprise actuators which can act on the elastic membrane directly or via plungers. The actuators may be piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or shape memory actuators in this embodiment, for example. The fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the drive substrate 4 are not shown in this illustration for the sake of clarity. According to the invention, only one pumping chamber 5 is advantageously provided, which not only simplifies the production of the fluidic substrate, but also a minimal fluidic resistance and a pumping rate which is increased in relation to the size can be achieved. The pumping chamber 5 can through the channels 1 1 a and 1 1 b, or through the inlet 10 a, filled and emptied through the outlet 10b. A fluid can be fed, for example through the channel 1 1 a in the pumping chamber 5, flow through them and leave through the channel 1 1 b the pumping chamber 5 again. Directed fluid flow may be accomplished by the controlled sequential actuation of the actuation components 18a, 18b, 18c.
Fig. 9 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie D-D' durch Fig. 8. In dieser Figur sind das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 und dasFig. 9 shows a schematic cross section along the line D-D 'through Fig. 8. In this figure, the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the
Ansteuerungssubstrat 4 als Dreischichtaufbau gezeigt. Durch die im fluidischen Substrat angeordnete Haupt-Pumpkammer 5 wird im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhafterweise ein minimiertes Totvolumen und eine exaktere und genauer steuerbare Funktion des mikrofluidischen Bauteils 1 erreicht. Die Aktuierungskomponenten sind als StĆ¶ĆŸel ausgestaltet, die wiederum direkt auf die elastische Membran 3 wirken. Beispielsweise durch externe Aktoren kann die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der StĆ¶ĆŸel 18a, 18b, 18c erfolgen. Die externen Aktoren kƶnnen beispielsweise piezoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische oder FormgedƤchtnisaktoren sein. Drive substrate 4 shown as a three-layer structure. By virtue of the main pumping chamber 5 arranged in the fluidic substrate, a minimized dead volume and a more exact and more precisely controllable function of the microfluidic component 1 are advantageously achieved in comparison with the prior art. The Aktuierungskomponenten are designed as a plunger, which in turn act directly on the elastic membrane 3. For example, by external actuators, the controlled sequential actuation of the plunger 18a, 18b, 18c done. The external actuators can be, for example, piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or shape memory actuators.
Beispiele Examples
Die folgenden Beispiele 1 bis 6 geben in Tabellenform besonders geeignete Aktuierungsmuster einer erfindungsgemƤƟen peristaltischen Pumpe, wie sie beispielsweise in Figur 1 gezeigt ist, wieder. Die Aktuierungsmuster sind unabhƤngig von der Art der Aktuierung und kƶnnen beispielsweise auch auf eine erfindungsgemƤƟe AusfĆ¼hrungsform angewendet werden, wie sie in den Figuren 8 und 9 wiedergegeben ist. Ā The following Examples 1 to 6 give in tabular form particularly suitable Aktuierungsmuster a peristaltic pump according to the invention, as shown for example in Figure 1 again. The Aktuierungsmuster are independent of the type of Aktuierung and can for example be applied to an embodiment of the invention, as shown in Figures 8 and 9.
(X = Aktuierungskammer aktuiert, O = nicht aktuiert) (X = actuation chamber actuated, O = not actuated)
Beispiel 1 example 1
Schritt AktuierungsAktuierungsAktuierungskammer 1 kammer 2 kammer 3 Ā Step Actuation Actuation chamber 1 chamber 2 chamber 3
1 0 0 0 Ā 1 0 0 0
2 X 0 0 Ā 2 X 0 0
3 X X 0 Ā 3 X X 0
4 X X X Ā 4 X X X
5 0 X X Ā 5 0 X X
6 0 0 X Ā 6 0 0 X
Beispiel 2 Ā Example 2
Schritt AktuierungsAktuierungsAktuierungskammer 1 kammer 2 kammer 3 Ā Step Actuation Actuation chamber 1 chamber 2 chamber 3
1 0 0 0 Ā 1 0 0 0
2 X 0 0 Ā 2 X 0 0
3 X X 0 Ā 3 X X 0
4 0 X X Ā 4 0 X X
5 0 X X Ā 5 0 X X
6 0 0 X Ā 6 0 0 X
Beispiel 3 Ā Example 3
Schritt AktuierungsAktuierungsAktuierungskammer 1 kammer 2 kammer 3 Ā Step Actuation Actuation chamber 1 chamber 2 chamber 3
1 X 0 0 Ā 1 X 0 0
2 X X 0 Ā 2 X X 0
3 X X X Ā 3 X X X
4 0 X X Ā 4 0 X X
5 0 0 X Beispiel 4 5 0 0 X Example 4
Zusammenfassend wird erfindungsgemƤƟ ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, mit einem optimierten Design bereitgestellt. Durch das erfindungsgemƤƟe Design kann ein minimales Totvolumen und weiterhin relativ zur BaugrĆ¶ĆŸe eine hƶhere Pumprate erzielt werden. Insbesondere durch das erfindungsgemƤƟ minimierte Totvolumen, durch das Vorsehen nur einer Fluidkammer, insbesondere Pumpkammer, kann die Pumpbarkeit von Gasen gewƤhrleistet und die benƶtigten Mengen an Probenmaterial und Reagenzien gering gehalten werden. In summary, the invention provides a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, with an optimized design. Due to the design according to the invention, a minimum dead volume and, furthermore, a higher pumping rate relative to the size can be achieved. In particular, by virtue of the inventively minimized dead volume, by the provision of only one fluid chamber, in particular pumping chamber, the pumpability of gases can be ensured and the required amounts of sample material and reagents can be kept low.

Claims

AnsprĆ¼che Ā claims
Mikrofluidisches Bauteil (1 ), insbesondere peristaltische Mikropumpe, mindestens umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat (2), einem Ansteuerungssubstrat (4) und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran (3), dadurch gekennzeichnet, dass Microfluidic component (1), in particular a peristaltic micropump, at least comprising a layer structure comprising a fluidic substrate (2), a drive substrate (4) and an elastic membrane (3) arranged between them, characterized in that
ā€¢ das fluidische Substrat (2) auf seiner an die elastische Membran (3) angrenzenden Seite eine Fluidkammer (5) aufweist, Ā The fluidic substrate (2) has a fluid chamber (5) on its side adjacent to the elastic membrane (3),
ā€¢ das Ansteuerungssubstrat (4), mindestens auf seiner an die elastische Membran (3) angrenzenden Seite, mindestens zwei voneinander getrennte Aktuierungskomponenten aufweist, die jeweils mindestens teilweise der Fluidkammer (5) gegenĆ¼ber angeordnet sind und auf die elastische Membran (3) einwirken kƶnnen und Ā ā€¢ the drive substrate (4), at least on its side adjacent to the elastic membrane (3), has at least two separate actuation components which are at least partially disposed opposite the fluid chamber (5) and can act on the elastic membrane (3) and
ā€¢ die Aktuierungskomponenten, gegebenenfalls durch ein oder mehrere Aktoren, unabhƤngig voneinander aktuierbar sind. Ā ā€¢ the Aktuierungskomponenten, optionally by one or more actuators, can be independently actuated.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungskomponenten Aktuierungskammern (6) umfassen, die insbesondere hydraulisch, pneumatisch und/oder thermopneumatisch aktuierbar sind. Microfluidic component (1) according to claim 1, characterized in that the Aktuierungskomponenten comprise actuation chambers (6), which in particular hydraulically, pneumatically and / or thermopneumatically be actuated.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der AnsprĆ¼che 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuerungssubstrat (4) elektromagnetische, elektrostatische und/oder piezoelektrische Aktuierungskomponenten umfasst, die unabhƤngig voneinander aktuiert werden kƶnnen und direkt oder mittels eines StĆ¶ĆŸels (18) auf die elastische Membran (3) einwirken kƶnnen. Microfluidic component (1) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the drive substrate (4) comprises electromagnetic, electrostatic and / or piezoelectric actuation components which can be actuated independently of each other and directly or by means of a plunger (18) on the elastic Membrane (3) can act.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der AnsprĆ¼che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) und/oder das Ansteuerungssubstrat (4) aus Polycarbonat, Polystyrol, einem Cyclo-Olefin- Copolymer, Polydimethyldisiloxan, Glas oder Silizium ausgebildet sind. Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der AnsprĆ¼che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Membran (3) aus einem schweiƟbaren, thermoplastischen Elastomer ausgebildet ist. Microfluidic component (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fluidic substrate (2) and / or the driving substrate (4) made of polycarbonate, polystyrene, a cyclo-olefin copolymer, polydimethyldisiloxane, glass or silicon are formed , Microfluidic component (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the elastic membrane (3) is formed from a weldable, thermoplastic elastomer.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der AnsprĆ¼che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (2) verrundete SeitenwƤnde aufweist. Microfluidic component (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fluid chamber (2) has rounded side walls.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der AnsprĆ¼che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (2) auf ihrem Boden angeordnete Phasenleiter aufweist. Microfluidic component (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fluid chamber (2) has arranged on its bottom phase conductors.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden AnsprĆ¼che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) und/oder das Ansteuerungssubstrat (4) weitere mikrofluidische Strukturen und/oder mikrofluidische Komponenten aufweist. Microfluidic component (1) according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the fluidic substrate (2) and / or the drive substrate (4) further microfluidic structures and / or microfluidic components.
Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauteils (1 ) , insbesondere einer peristaltischen Mikropumpe, nach einem der AnsprĆ¼che 1 bis 8 umfassend die folgenden Schritte: Method for producing a microfluidic component (1), in particular a peristaltic micropump, according to one of Claims 1 to 8, comprising the following steps:
ā€¢ Bereitstellen eines fluidischen Substrats (2) mit einer Ausnehmung als Fluidkammer (5) , Providing a fluidic substrate (2) with a recess as a fluid chamber (5),
ā€¢ Bereitstellen einer auf dem fluidischen Substrat (2) angeordneten elastischen Membran (3) , Ā Providing an elastic membrane (3) arranged on the fluidic substrate (2),
ā€¢ Bereitstellen eines auf der elastischen Membran (3) und gegebenenfalls auf dem fluidischen Substrat (2) angeordneten Ansteuerungssubstrats (4) umfassend mindestens zwei voneinander unabhƤngig ansteuerbare Aktuierungskomponenten, Ā Providing a drive substrate (4) arranged on the elastic membrane (3) and possibly on the fluidic substrate (2), comprising at least two actuation components which can be controlled independently of one another,
ā€¢ Verbinden des fluidischen Substrats (2) und des Ansteuerungssubstrats (4) mit der elastischen Membran (3) zu einem Schichtverbund, wobei die Aktuierungskomponenten mindestens teilweise auf die elastische Membran (3) einwirken kƶnnen. ā€¢ Connecting the fluidic substrate (2) and the drive substrate (4) with the elastic membrane (3) to form a composite layer, wherein the Aktuierungskomponenten can act at least partially on the elastic membrane (3).
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) , das Ansteuerungssubstrat (4) und die elastische Membran (3) durch SchweiƟen, insbesondere Laserstrahl-, Ultraschall- oder thermisches SchweiƟen, miteinander verbunden werden. 10. The method according to claim 9, characterized in that the fluidic substrate (2), the drive substrate (4) and the elastic membrane (3) by welding, in particular laser beam, ultrasonic or thermal welding, are interconnected.
1 1 . Verwendung eines mikrofluidischen Bauteils (1 ) nach einem der AnsprĆ¼che 1 bis 8 in einem Lab-on-Chip-System und/oder zur Vorlagerung und/oder Dosierung von Reagenzien und/oder zum Transport eines Fluids. 1 1. Use of a microfluidic component (1) according to one of Claims 1 to 8 in a lab-on-chip system and / or for the preliminary storage and / or metering of reagents and / or for the transport of a fluid.
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