EP2679307A1 - Mikrospeicher, insbesondere zur Integration in eine mikrofluidische Flusszelle - Google Patents

Mikrospeicher, insbesondere zur Integration in eine mikrofluidische Flusszelle Download PDF

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EP2679307A1
EP2679307A1 EP20120173976 EP12173976A EP2679307A1 EP 2679307 A1 EP2679307 A1 EP 2679307A1 EP 20120173976 EP20120173976 EP 20120173976 EP 12173976 A EP12173976 A EP 12173976A EP 2679307 A1 EP2679307 A1 EP 2679307A1
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EP
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actuator element
memory according
barrier
micro memory
outlet channel
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Lutz Weber
Michel Neumeier
Stefan Keck
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Thinxxs Microtechnology GmbH
Original Assignee
Thinxxs Microtechnology GmbH
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    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/8593—Systems

Definitions

  • the invention relates to a micro-accumulator, in particular for integration into a microfluidic flow cell, with a fluid-containing storage space which communicates with an outlet channel for the fluid, in which a liftable barrier for the fluid is formed.
  • Micro memory of such kind are from the WO 2009/071078 A1 known.
  • the storage space and the outlet channel of this known micro memory form two arranged on a plate-shaped substrate films which are welded together under the limitation of the storage space and the outlet channel and / or glued.
  • the film facing away from the substrate has a dome-like shape.
  • a line-shaped transversely to the outlet channel extending welding or / and bonding of the films serves as the storage space hermetically sealing barrier.
  • the storage space forms a deep-drawn expansion of the film facing away from the substrate. In order to open the storage space, it is compressed with deformation of the film until such a pressure builds up at the intended as a predetermined breaking point lock that ruptures the predetermined breaking point.
  • the one-piece substrate forms part of a fluid processing device (flow cell) which, in addition to one or more micro-accumulators, may comprise further fluid-conveying elements. These include elements for supplying liquid or gaseous samples, mixing elements, pumps, valves, filters for separating components of a fluid, temperature chambers, detection chambers, lateral flow test strips, transport channels and waste chambers, which individually or in combination for the analysis and / or synthesis of Fluids for medical and pharmaceutical purposes or for analytical processes such as immunoassays or genetic assays.
  • the fluid pressure required to remove the barrier causes the fluid to shoot out of the storage space at the first moment after the exit channel has been opened at a high flow rate.
  • a subset of the stored fluid leaves in this way uncontrolled and undosed the memory space. If the flow cell is intended for reactions which require defined flow rates of supplied reagents, this subset is lost and thus the contents of the micro memory are not fully usable.
  • the invention has for its object to provide a new micro store of the type mentioned above, which allows a controlled from the beginning and metered removal of the stored fluid.
  • the problem solving micro memory according to the invention is characterized by means for lifting the lock without pressurization of the barrier by pressure of the fluid.
  • the lock can be canceled while leaving the entire amount of memory in the memory space. From the beginning, after the barrier has been opened, a controlled and metered removal of fluid from the reservoir can take place.
  • the means for lifting the barrier preferably comprise means for their mechanical destruction.
  • the barrier is formed by welding or / and bonding opposing boundary walls of the outlet channel and at least one of these two boundary walls consists of a flexible film.
  • the devices for the mechanical destruction of the barrier may comprise an actuator element which separates the welded or / and glued boundary walls, wherein this actuator element may be provided for the arrangement outside the outlet channel or within the outlet channel on the side facing away from the storage space of the barrier.
  • the at least one flexible film is arranged on a substrate and the actuator element can be pressed against the film through a passage opening in the substrate, thereby producing a break-off force which releases the barrier.
  • the outlet channel may be formed between two flexible films adjacent to each other and the film facing the substrate may be connected to the substrate, wherein the actuator element lifts the films apart by generating the demolition force across the channel width by expanding them with different radii.
  • the actuator element which is preferably in the form of a pin, expediently acts on the film on the side of the barrier which faces away from the storage space. In particular, this is done in an adjoining the outlet channel area in which the film is connected neither to the substrate nor another possibly existing film.
  • the actuator element can be part of a device for operating the micro-storage unit or flow cell.
  • the actuator element arranged within the outlet channel expediently has an impact element that can be extended against the barrier by deformation of the actuator element, which opens the barrier away from the side facing away from the storage space.
  • this actuator element is arc-shaped and the impact element can be extended by stretching the sheet.
  • the actuator element can be held in a form-fitting manner in an expansion of the film forming the boundary wall of the outlet channel at an end facing away from the butt end, so that essentially only the butt member of the element provided for opening the barrier is moved during the stretching of the arch.
  • the actuator element comprises a lever connected to the outside of the flexible film for producing a break-off force which releases the barrier.
  • the actuator element may comprise a rod element forming two such levers, crossing the outlet channel, the end of which is rotatable by bending the rod element around a pivot point formed by the substrate to form the tear-off force.
  • the ends of the rod could protrude beyond edges of the substrate, in a preferred embodiment two openings are provided in the substrate into which the ends are pressable under flexure of the rod member.
  • the actuator element provided within the outlet channel and / or the region of the outlet channel in the flow direction behind the barrier can be associated with a dry reagent which is resuspended when the fluid flows out.
  • the transport of the fluids out of the storage space can be carried out alternatively by deformation of a film forming the storage by application of pneumatic or / and hydraulic pressure.
  • Fig. 12 Reference is made, where in subfigures (a) to (f) conventional micro memory integrated into a microfluidic flow cell with a substrate 1 are shown.
  • the substrate is made of a plastic and is made by injection molding.
  • a storage space 2 for a fluid between the substrate 1 and a flexible film 3 welded or bonded to the substrate is formed by a depression in the film (FIG. Fig. 12a ) or in the substrate ( Fig. 12b to d ) educated.
  • a barrier 6 for the fluid is formed in the storage space 2, through which the storage space 2 is hermetically sealed.
  • Fig. 12d are two outlet channels, each with a barrier 6 or 6 'is formed, which delimits the storage space 2 against a feed channel 27 and a discharge channel 28.
  • Fig. 12e and f is the storage space 2 between the film 3 and another connected to the substrate 1 film 7.
  • the film 3 is with the film 7, in the same manner as the film 3 to the substrate 1 in Examples 12a-d, welded, or / and glued.
  • An outlet channel 4 with a barrier 6 is as in formed in the preceding examples by omitting the welding or gluing in the region of the channel.
  • the storage space 2 is formed between a depression of the film 3 and a depression of the film 7, the depression of the film 7 projecting into a depression formed in the substrate 1.
  • a channel-shaped storage space 2 is additionally provided with a filling channel 29 and a venting channel 30.
  • the fluid to be stored is entered by dispensing or by pumping into the filling channel 29 and the storage space completely filled. Air in the storage space can escape via the vent passage 30.
  • the filling channel 29 and the venting channel 30 are hermetically sealed by means of a bottom foil 31 glued or welded to the substrate 1. The bottom foil 31 simultaneously serves as a fluid-tight cover of the transport channel 5.
  • the foils 3, 7 are preferably made of a plastic, of aluminum or of a plastic-aluminum composite.
  • a plastic-aluminum composite foil e.g. PP, PE, COC, COP, PC, PMMA and PEEK come into consideration.
  • the storage space 2 is emptied by displacing the liquid or gaseous fluid contained therein by deformation of the film 3.
  • the fluid When the fluid is displaced, it penetrates into the unconnected channel area between the film 3 and the substrate 1 or between the film 3 and the other film 7 and is under pressure to the barrier 6 at. If the fluid pressure is sufficiently high, the barrier 6 breaks and the fluid continues to penetrate, with the opening of a channel cross-section, until the fluid flow reaches the channel 5.
  • FIG. 1 An in Fig. 1 shown, the example of Fig. 12a corresponding micro memory with a substrate 1 and a storage space 2, which is formed by a welded to the substrate 1 and / or bonded film 3 between the film 3 and the substrate 1, then points to an outlet channel 4, which penetrates the substrate 1 Channel 5 ends, a further region 8, in which the film 3 is not welded as in the outlet channel 4 with the substrate 1 and / or glued.
  • This region 8 is aligned with a passage opening 9 in the substrate 1.
  • an elastic, welded to the substrate 1 and / or bonded membrane 11 is inserted.
  • a film 12 covers the substrate on the opposite side of the storage space 2 under closure of a portion of the channel 5 from.
  • Operating equipment to be used comprises, in addition to an actuator 13 for deforming the film 3 in the region of the storage space 2, a pin-shaped actuator element 14 which is inserted into the opening 9 in the substrate 1 and against the elastic membrane 11 under deformation of the membrane 11 can be pressed. With the deformation of the membrane 11, the film 3 is raised in the adjoining the channel 4 unconnected region 8, wherein this increase continues into the channel 4 into it. This creates a tearing force which breaks the barrier 6.
  • the storage space 2 can now be emptied dosed by means of the actuator 13.
  • the film 3, which bears against the substrate 1 before the emptying of the storage space 2 is raised by the penetration of the fluid to form a channel cross-section. From the beginning, a metered delivery of fluid from the storage space 2 is possible using the entire storage contents.
  • a further actuator element 15 which can be attached to the film 3 by the side of the micro-memory that is opposite the actuator element 14, presses after opening the barrier 6, the film 3 against the substrate 1, so that fluid from the channel 4 can not penetrate into the unconnected region 8.
  • the pin-shaped, arranged outside the outlet channel 4 actuator element 14 goes out of the Fig. 4 to 7 a memory of Fig. 12e corresponding embodiment with a disposed within an outlet channel 4 actuator element 16 forth.
  • This in Fig. 5 separately shown actuator element 16 is accommodated in a molding 17 of the film 3, wherein the molding 17 is made together with the provided for forming the storage space 2 molding by deep drawing.
  • the actuator element 16 is arcuately formed with an expiring to a bow end towards impact wedge 18.
  • the actuator element 16 has a groove on its upper or lower side, in the present case on its upper side, the channel 26.
  • the channel forms a channel region in the pressed-on and stretched state, through the actuator element 16 and the pressed-on film 3 or film 7 is limited and through which the fluid from the storage space 2 can get into the channel 5.
  • the actuator element 16 is preferably made of plastic, in particular of the same plastic as the substrate, and is produced by injection molding.
  • the actuator element 16 may be made of a shape memory alloy or a bimetal, wherein in these cases, the stretching of the actuator element takes place by supplying heat.
  • an operator device comprises an actuator 13 for deforming the film 3 in the region of the storage space 2, a further actuator 19, through which the arcuate actuator element 16 compresses and stretch, so that the impact wedge 18 pierces the barrier 6, while the other end the arcuate actuator element is held positively in the formation 17.
  • the barrier 3 can be transferred from the storage space 2 into the channel 5 with the aid of the actuator 13 dosed fluid.
  • the actuator 19 can be rigidly connected to a clamping device which is part of a device for operating the flow cell.
  • a clamping device which is part of a device for operating the flow cell.
  • the actuator element 16 receiving formation 17, which is located in the channel 4 can be used to receive next to the actuator element 16, a reagent, in particular dry reagent is at a in Fig. 8a
  • the molding 17 is laid essentially in a region which adjoins the end of the channel 4, in which the films 3 and 4 are not welded or glued together.
  • Fig. 8b two outlet channels with a lock 6 and 6 'are provided, which can be destroyed by an actuator element 16 or 16'. After destruction of both locks, the memory can be emptied by pneumatic or hydraulic pressure without deformation of the storage space limiting film.
  • a through hole 20 may be formed in the substrate 1, in which a film 7 in the region of the channel 4 expanding actuator element 21 is inserted, wherein the expanded film 7, the film 3 near the barrier (in Fig. 9a not shown) and generates a tearing force.
  • one of the passage opening 20 corresponding opening 20 'for an actuator element 21' in the flow direction may also be provided in front of the barrier 6.
  • One in the 10 and 11 Micro memory shown has a rod-shaped actuator element 22, which crosses the region of the outlet channel 4, in which the film 3 is not connected to the substrate 1, and bonded to the outside of the film 3 at 23 and / or welded.
  • Through holes 24 and 25 in the substrate 1 allow a bending of the actuator element by pressing its ends in the Through holes 24,25, wherein the lock 6 canceling tear-off force is generated.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrospeicher, insbesondere zur Integration in eine mikrofluidische Flusszelle, mit einem ein Fluid aufnehmenden Speicherraum (2), der mit einem Austrittskanal (4) für das Fluid in Verbindung steht, in welchem eine aufhebbare Sperre (6) für das Fluid gebildet ist. Erfindungsgemäß sind Mittel zur Aufhebung der Sperre (6) ohne Beaufschlagung der Sperre (6) durch Druck des Fluids vorgesehen, wobei diese Mittel vorzugsweise Einrichtungen zur mechanischen Zerstörung der Sperre umfassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Mikrospeicher, insbesondere zur Integration in eine mikrofluidische Flusszelle, mit einem ein Fluid enthaltenden Speicherraum, der mit einem Austrittskanal für das Fluid in Verbindung steht, in welchem eine aufhebbare Sperre für das Fluid gebildet ist.
  • Mikrospeicher solcher Art sind aus der WO 2009/071078 A1 bekannt. Den Speicherraum und den Austrittskanal dieser bekannten Mikrospeicher bilden zwei auf einem plattenförmigen Substrat angeordnete Folien, die unter Begrenzung des Speicherraums und des Austrittskanals miteinander verschweißt oder/und verklebt sind. Zur Bildung des Speicherraums weist die dem Substrat abgewandte Folie eine kalottenartige Ausformung auf. Eine sich linienförmig quer zum Austrittskanal erstreckende Verschweißung oder/und Verklebung der Folien dient als den Speicherraum hermetisch dicht verschließende Sperre. Den Speicherraum bildet eine tiefgezogene Ausweitung der dem Substrat abgewandten Folie. Um den Speicherraum zu öffnen, wird er unter Verformung der Folie zusammengedrückt, bis sich an der als Sollbruchstelle vorgesehenen Sperre ein solcher Druck aufbaut, dass die Sollbruchstelle aufreißt.
  • Das einstückige Substrat bildet einen Teil einer Verarbeitungseinrichtung für Fluide (Flusszelle), die neben einem oder mehreren Mikrospeichern weitere Elemente zur Verareitung von Fluiden umfassen kann. Dazu gehören Elemente zur Zuführung von flüssigen oder gasförmigen Proben, Mischelemente, Pumpen, Ventile, Filter zum Abtrennen von Bestandteilen eines Fluids, Temperierkammern, Detektionskammern, Lateral Flow Teststreifen, Transportkanäle und Abfallkammern, welche einzeln oder in Kombination für die Analyse und/oder Synthese von Fluiden für medizinische und pharmazeutische Zwecke oder für analytische Prozesse wie Immuno- oder genetische Assays eingesetzt werden.
  • Nachteilig lässt der zur Aufhebung der Sperre erforderliche Fluiddruck das Fluid im ersten Moment nach Öffnung des Austrittskanals mit hoher Flussgeschwindigkeit aus dem Speicherraum herausschießen. Eine Teilmenge des gespeicherten Fluids verlässt auf diese Weise unkontrolliert und undosiert den Speicherraum. Sofern die Flusszelle für Reaktionen vorgesehen ist, welche definierte Flussgeschwindigkeiten zugeführter Reagenzien erfordern, ist diese Teilmenge verloren und somit der Inhalt des Mikrospeichers nicht vollständig nutzbar.
  • Besonders nachteilig wächst mit abnehmender Gesamtspeichermenge der nicht nutzbare Anteil, wodurch vorrangig besonders teure Reagenzien verlustig gehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Mikrospeicher der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine von Anfang an kontrollierte und dosierte Entnahme des gespeicherten Fluids ermöglicht.
  • Der diese Aufgabe lösende Mikrospeicher nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Aufhebung der Sperre ohne Beaufschlagung der Sperre durch Druck des Fluids.
  • Erfindungsgemäß lässt sich die Sperre unter Verbleib der gesamten Speichermenge im Speicherraum aufheben. Von Anfang an kann nach Öffnung der Sperre eine kontrollierte und dosierte Entnahme von Fluid aus dem Speicher erfolgen.
  • Während z.B. die Aufhebung einer Sperre durch Wärmeeinwirkung denkbar wäre, umfassen die Mittel zur Aufhebung der Sperre vorzugsweise Einrichtungen zu ihrer mechanischen Zerstörung.
  • Solche Einrichtungen kommen insbesondere zur Anwendung, wenn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Sperre unter Verschweißung oder/und Verklebung einander gegenüberliegender Begrenzungswände des Austrittskanals gebildet ist und wenigstens eine dieser beiden Begrenzungswände aus einer flexiblen Folie besteht.
  • Die Einrichtungen zur mechanischen Zerstörung der Sperre können ein die verschweißten oder/und verklebten Begrenzungswände trennendes Aktorelement umfassen, wobei dieses Aktorelement zur Anordnung außerhalb des Austrittskanals oder innerhalb des Austrittskanals auf der dem Speicherraum abgewandten Seite der Sperre vorgesehen sein kann.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine flexible Folie auf einem Substrat angeordnet und das Aktorelement durch eine Durchgangsöffnung in dem Substrat hindurch unter Erzeugung einer die Sperre aufhebenden Abreißkraft gegen die Folie andrückbar.
  • Insbesondere kann der Austrittskanal zwischen zwei flexiblen aneinander anliegenden Folien gebildet und die dem Substrat zugewandte Folie mit dem Substrat verbunden sein, wobei das Aktorelement die Folien unter Erzeugung der Abrisskraft über die Kanalbreite voneinander abhebt, indem es sie mit unterschiedlichen Radien ausdehnt.
  • Zweckmäßig wirkt das vorzugsweise als Stift ausgebildete Aktorelement auf der dem Speicherraum abgewandten Seite der Sperre auf die Folie ein. Insbesondere geschieht dies in einem sich an den Austrittskanal anschließenden Bereich, in welchem die Folie weder mit dem Substrat noch einer weiteren ggf. vorhandenen Folie verbunden ist.
  • Es versteht sich, dass das Aktorelement Bestandteil eines Geräts zum Betrieb der Mikrospeicherbaueinheit bzw. Flusszelle sein kann.
  • Zweckmäßig weist das innerhalb des Austrittskanals angeordnete Aktorelement ein durch Verformung des Aktorelements gegen die Sperre ausfahrbares Stoßelement auf, welches die Sperre von der dem Speicherraum abgewandten Seite her aufschließt.
  • Insbesondere ist dieses Aktorelement bogenförmig ausgebildet und das Stoßelement durch Streckung des Bogens ausfahrbar.
  • Das Aktorelement kann in einer Ausweitung der die Begrenzungswand des Austrittskanals bildenden Folie an einem dem Stoßende abgewandten Ende formschlüssig gehalten sein, so dass sich bei der Streckung des Bogens im Wesentlichen nur das zur Öffnung der Sperre vorgesehene Stoßelements des Elements bewegt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Aktorelement einen mit der Außenseite der flexiblen Folie verbundenen Hebel zur Erzeugung einer die Sperre aufhebenden Abreißkraft.
  • In weiterer Ausgestaltung dieses Prinzips kann das Aktorelement ein zwei solcher Hebel bildenden, den Austrittskanal kreuzendes Stabelement umfassen, dessen Ende unter Bildung der Abreißkraft durch Biegung des Stabelements um einen durch das Substrat gebildeten Drehpunkt drehbar ist.
  • Während die Enden des Stabes über Ränder des Substrats hinausstehen könnten, sind in einer bevorzugten Ausführungsform in dem Substrat zwei Öffnungen vorgesehen, in welche hinein die Enden unter Biegung des Stabelements eindrückbar sind.
  • Das innerhalb des Austrittskanals vorgesehene Aktorelement oder/und der Bereich des Austrittskanals in Strömungsrichtung hinter der Sperre kann mit einer Trockenreagenz behaftet sein, die beim Herausströmen des Fluids resuspendiert wird.
  • Der Transport der Fluids aus dem Speicherraum heraus lässt sich alternativ zur Verformung einer den Speicher bildenden Folie durch Beaufschlagung mit pneumatischen oder/und hydraulischem Druck durchführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Mikrospeicher in perspektivischer Darstellung,
    Fig. 2
    den Mikrospeicher von Fig. 1 in Explosionsdarstellung,
    Fig. 3
    eine die Funktionsweise des Mikrospeichers von Fig. 1 erläuternde Darstellung,
    Fig. 4
    ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Mikrospeicher nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
    Fig. 5
    ein in dem Mikrospeicher von Fig. 4 verwendetes Aktorelement,
    Fig. 6
    eine Explosionsdarstellung des Mikrospeichers von Fig. 4,
    Fig. 7
    eine die Funktionsweise des Mikrospeichers von Fig. 4 erläuternde Darstellung,
    Fig. 8
    Modifikationen des Mikrospeichers von Fig. 4,
    Fig. 9
    ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Mikrospeicher nach der Erfindung in Teildarstellung,
    Fig. 10
    ein viertes Ausführungsbeispiel für einen Mikrospeicher nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht,
    Fig. 11
    eine Explosionsdarstellung des Mikrospeichers von Fig. 10, und
    Fig. 12
    verschiedene Ausführungsformen von Mikrospeichern nach dem Stand der Technik.
  • Es wird zunächst auf Fig. 12 bezug genommen, wo in Teilfiguren (a) bis (f) herkömmliche, in eine mikrofluidische Flusszelle mit einem Substrat 1 integrierte Mikrospeicher gezeigt sind. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem Kunststoff und ist durch Spritzgießen hergestellt.
  • Gemäß den Beispielen (a) bis (d) ist ein Speicherraum 2 für ein Fluid zwischen dem Substrat 1 und einer mit dem Substrat verschweißten oder/und verklebten flexiblen Folie 3 durch eine Vertiefung in der Folie (Fig. 12a) oder in dem Substrat (Fig. 12b bis d) gebildet.
  • Ein mit dem Speicherraum 2 verbundener Austrittskanal 4, der an einem durch das Substrat 1 führenden Kanal 5 endet, ist dadurch gebildet, dass die Folie 3 im Bereich des Kanals 4 nicht mit dem Substrat 1 verbunden ist.
  • Durch Verschweißung oder/und Verklebung der Folie 3 mit dem Substrat 1 in einem den Kanal 4 durchquerenden Bereich ist eine Sperre 6 für das Fluid im Speicherraum 2 gebildet, durch welche der Speicherraum 2 hermetisch abgedichtet ist.
  • In dem Beispiel von Fig. 12d sind zwei Austrittskanäle mit je einer Sperre 6 bzw. 6' gebildet, welche den Speicherraum 2 gegen einen Zuführkanal 27 bzw. einen Abführkanal 28 abgrenzt. Über den Zuführkanal 27 nach dem Öffnen der Sperren 6,6' angelegter pneumatischer oder hydraulischer Druck transportiert das Fluid aus dem Speicherraum 2 zur Weiterverarbeitung in den Abführkanal 28.
  • In den Beispielen von Fig. 12e und f befindet sich der Speicherraum 2 zwischen der Folie 3 und einer weiteren mit dem Substrat 1 verbundenen Folie 7. Die Folie 3 ist mit der Folie 7, in gleicher Weise wie die Folie 3 mit dem Substrat 1 in den Beispielen 12a bis d, verschweißt oder/und verklebt. Ein Austrittskanal 4 mit einer Sperre 6 ist wie in den vorangehenden Beispielen durch Weglassen der Verschweißung bzw. Verklebung im Bereich des Kanals gebildet.
  • Bei dem Beispiel von Fig. 12f ist der Speicherraum 2 zwischen einer Vertiefung der Folie 3 und einer Vertiefung der Folie 7 gebildet, wobei die Vertiefung der Folie 7, in eine im Substrat 1 gebildete Vertiefung hineinragt.
  • In dem Beispiel von Fig. 12b ist ein kanalförmiger Speicherraum 2 zusätzlich mit einem Füllkanal 29 und einem Entlüftungskanal 30 versehen. Nach dem Verbinden der den Speicherraum 2 begrenzenden Folie 3 mit dem Substrat 1 und dem Herstellen der linienförmigen Sperre 6 mittels Verschweißen wird das zu speichernde Fluid durch Dispensierung oder durch Pumpen in den Füllkanal 29 eingegeben und der Speicherraum vollständig gefüllt. Luft im Speicherraum kann dabei über den Entlüftungskanal 30 entweichen. Nach dem Füllen werden der Füllkanal 29 und der Entlüftungskanal 30 mittels einer mit dem Substrat 1 verklebten oder verschweißten Bodenfolie 31 hermetisch verschlossen. Dabei dient die Bodenfolie 31 gleichzeitig als fluiddichte Abdeckung des Transportkanals 5.
  • Es versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale der Speicher gemäß den Beispielen 12a bis 12f miteinander kombiniert werden können, um weitere Ausführungsformen von Fluidspeichern zu bilden.
  • Vorzugsweise bestehen die Folien 3,7 aus einem Kunststoff, aus Aluminium oder einem Kunststoff-Aluminium-Verbund. Insbesondere besteht Übereinstimmung zwischen dem Kunststoff der Kunststoff-Aluminium-Verbundfolie und dem Kunststoff des Substrats, wofür z.B. thermoplastische Kunststoffe wie PP, PE, COC, COP, PC, PMMA und PEEK in Betracht kommen.
  • In allen vorangehend beschriebenen Beispielen 12a bis 12f erfolgt eine Entleerung des Speicherraums 2 unter Verdrängung des darin befindlichen flüssigen oder gasförmigen Fluids durch Verformung der Folie 3. Bei der Verdrängung des Fluids dringt dieses in den unverbundenen Kanalbereich zwischen der Folie 3 und dem Substrat 1 bzw. zwischen der Folie 3 und der weiteren Folie 7 ein und liegt unter Druck an der Sperre 6 an. Bei genügend hohem Fluiddruck bricht die Sperre 6 auf und das Fluid dringt unter Aufschluss eines Kanalquerschnitts weiter vor, bis der Fluidstrom den Kanal 5 erreicht.
  • Nachteilig strömt unmittelbar nach Aufbrechen der Sperre 6 unter hohem Druck Fluid unkontrolliert mit hoher Flussgeschwindigkeit aus dem Speicherraum 2 aus.
  • Bei den in Fig. 1 bis 11 beschriebenen Mikrospeichern ist ein solcher unkontrollierter Austritt beim Aufbrechen der Sperre 6 vermieden.
  • Ein in Fig. 1 gezeigter, dem Beispiel von Fig. 12a entsprechender Mikrospeicher mit einem Substrat 1 und einem Speicherraum 2, der durch eine mit dem Substrat 1 verschweißte oder/und verklebte Folie 3 zwischen der Folie 3 und dem Substrat 1 gebildet ist, weist anschließend an einen Austrittskanal 4, der an einem das Substrat 1 durchdringenden Kanal 5 endet, einen weiteren Bereich 8 auf, in welchem die Folie 3 wie in dem Austrittskanal 4 nicht mit dem Substrat 1 verschweißt oder/und verklebt ist. Dieser Bereich 8 ist zu einer Durchgangsöffnung 9 in dem Substrat 1 ausgerichtet. In eine Einsenkung 10 der Durchgangsöffnung 9 ist ein elastische, mit dem Substrat 1 verschweißte oder/und verklebte Membran 11 eingelegt.
  • Eine Folie 12 deckt das Substrat auf der dem Speicherraum 2 gegenüberliegenden Seite unter Verschluss eines Teils des Kanals 5 ab.
  • Ein mit dem Speicher von Fig. 1 und 2 zu verwendendes Betriebsgerät umfasst neben einem Aktor 13 zur Verformung der Folie 3 im Bereich des Speicherraums 2 ein stiftförmiges Aktorelement 14, das in die Öffnung 9 in dem Substrat 1 einführbar und gegen die elastische Membran 11 unter Verformung der Membran 11 andrückbar ist. Mit der Verformung der Membran 11 wird die Folie 3 in dem sich an den Kanal 4 anschließenden unverbundenen Bereich 8 angehoben, wobei sich diese Anhebung bis in den Kanal 4 hinein fortsetzt. Dadurch entsteht eine Abreißkraft, welche die Sperre 6 aufbricht.
  • Der Speicherraum 2 kann nun mit Hilfe des Aktors 13 dosiert entleert werden. Die Folie 3, die vor der Entleerung des Speicherraums 2 gegen das Substrat 1 anliegt, wird durch das Eindringen des Fluids unter Bildung eines Kanalquerschnitts angehoben. Von Anfang an ist unter Nutzung des gesamten Speicherinhalts eine dosierte Abgabe von Fluid aus dem Speicherraum 2 möglich.
  • Ein weiteres Aktorelement 15, das von der dem Aktorelement 14 entgegengesetzten Seite des Mikrospeichers an die Folie 3 ansetzbar ist, drückt nach Öffnung der Sperre 6 die Folie 3 gegen das Substrat 1 an, so dass Fluid aus dem Kanal 4 nicht in den unverbundenen Bereich 8 eindringen kann.
  • Bei genügend exakter Abdichtung der Durchgangsöffnung 9 durch Andrücken des weiteren Aktorelements 15 gegen die Folie 3 könnte ggf. auf die elastische Membran 14, welche die Durchgangsöffnung 9 verschließt, verzichtet werden.
  • Während bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel das stiftförmige, außerhalb des Austrittskanals 4 angeordnetes Aktorelement 14 verwendet wird, geht aus den Fig. 4 bis 7 ein dem Speicher von Fig. 12e entsprechendes Ausführungsbeispiel mit einem innerhalb eines Austrittskanals 4 angeordneten Aktorelement 16 hervor. Das in Fig. 5 gesondert dargestellte Aktorelement 16 ist in einer Ausformung 17 der Folie 3 aufgenommen, wobei die Ausformung 17 gemeinsam mit der zur Bildung des Speicherraums 2 vorgesehenen Ausformung durch Tiefziehen hergestellt ist. Das Aktorelement 16 ist bogenförmig mit einem zu einem Bogenende hin auslaufenden Stoßkeil 18 ausgebildet.
  • Vorzugsweise weist das Aktorelement 16 auf seiner Ober- oder Unterseite eine Rinne auf, im vorliegenden Fall auf seiner Oberseite die Rinne 26. Die Rinne bildet im angedrückten und gestreckten Zustand einen Kanalbereich, der durch das Aktorelement 16 und die angedrückte Folie 3 bzw. Folie 7 begrenzt ist und durch welchen das Fluid aus dem Speicherraum 2 in den Kanal 5 gelangen kann.
  • Das Aktorelement 16 besteht vorzugsweise aus Kunststoff, insbesondere aus dem gleichen Kunststoff wie das Substrat, und ist durch Spritzgießen hergestellt. In einer weiteren Ausführungsform kann das Aktorelement 16 aus einer Formgedächtnislegierung oder einem Bimetall hergestellt sein, wobei in diesen Fällen die Streckung des Aktorelements durch Zuführung von Wärme erfolgt.
  • Wie aus Fig. 7 hervorgeht, umfasst ein Betreibergerät neben einem Aktor 13 zur Verformung der Folie 3 im Bereich des Speicherraums 2 einen weiteren Aktor 19, durch den sich das bogenförmige Aktorelement 16 zusammendrücken und strecken lässt, so dass der Stoßkeil 18 die Sperre 6 durchstößt, während das andere Ende des bogenförmigen Aktorelements formschlüssig in der Ausformung 17 gehalten ist.
  • Nach Öffnung der Sperre 3 kann mit Hilfe des Aktors 13 dosiert Fluid aus dem Speicherraum 2 in den Kanal 5 überführt werden.
  • Während zum Dosieren des Fluids der Aktor 13 kontrolliert bewegt wird, bevorzugt mit Hilfe eines Motors oder eines magnetischen Antriebs, kann der Aktor 19 starr mit einer Klemmvorrichtung verbunden sein, die Teil eines Gerätes zum Betrieb der Flusszelle ist. Beim Schließen der Klemmvorrichtung drückt der Aktor 19 auf die Ausformung 17 der Folie 3 und damit das Aktorelement 16. Es versteht sich, dass die Flusszelle dafür auf deren Unterseite mechanisch unterstützt werden muss.
  • Während bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 bis 7 die das Aktorelement 16 aufnehmende Ausformung 17, die sich in dem Kanal 4 befindet, dazu genutzt werden kann, neben dem Aktorelement 16 eine Reagenz, insbesondere Trockenreagenz aufzunehmen, ist bei einem in Fig. 8a gezeigten Ausführungsbeispiel die Ausformung 17 im Wesentlichen in einen Bereich verlegt, der sich an das Ende des Kanals 4, in welchem die Folien 3 und 4 nicht miteinander verschweißt oder/und verklebt sind, anschließt.
  • In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8b sind zwei Austrittskanäle mit einer Sperre 6 bzw. 6' vorgesehen, die durch ein Aktorelement 16 bzw. 16' zerstört werden können. Nach Zerstörung beider Sperren lässt sich der Speicher durch pneumatischen oder hydraulischen Druck ohne Verformung der Speicherraum begrenzenden Folie entleeren.
  • Gemäß Ausführungsbeispiel von Fig. 9, könnte anstelle des innerhalb des Kanals 4 angeordneten Aktorelements 16 im Bereich des Austrittskanals 4, der in Fig. 9a im Querschnitt sichtbar ist, auch eine Durchgangsöffnung 20 in dem Substrat 1 gebildet sein, in das ein die Folie 7 im Bereich des Kanals 4 ausweitendes Aktorelement 21 einführbar ist, wobei die ausgeweitete Folie 7 die Folie 3 nahe der Sperre (in Fig. 9a nicht gezeigt) anhebt und eine Abreißkraft erzeugt.
  • Wie Fig. 9b zeigt, kann eine der Durchgangsöffnung 20 entsprechende Öffnung 20' für ein Aktorelement 21' in Strömungsrichtung zusätzlich auch vor der Sperre 6 vorgesehen sein.
  • Ein in den Fig. 10 und 11 dargestellter Mikrospeicher weist ein stabförmiges Aktorelement 22 auf, welches den Bereich des Austrittskanals 4, in welchem die Folie 3 nicht mit dem Substrat 1 verbunden ist, kreuzt und mit der Außenseite der Folie 3 bei 23 verklebt oder/und verschweißt ist. Durchgangsöffnungen 24 und 25 im Substrat 1 erlauben eine Biegung des Aktorelements durch Eindrücken seiner Enden in die Durchgangsöffnungen 24,25, wobei eine die Sperre 6 aufhebende Abreißkraft erzeugt wird.

Claims (15)

  1. Mikrospeicher, insbesondere zur Integration in eine mikrofluidische Flusszelle, mit einem ein Fluid aufnehmenden Speicherraum (2), der mit einem Austrittskanal (4) für das Fluid in Verbindung steht, in welchem eine aufhebbare Sperre (6) für das Fluid gebildet ist,
    gekennzeichnet durch Mittel zur Aufhebung der Sperre (6) ohne Beaufschlagung der Sperre (6) durch Druck des Fluids.
  2. Mikrospeicher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Mittel zur Aufhebung der Sperre (6) Einrichtungen zur mechanischen Zerstörung der Sperre umfassen.
  3. Mikrospeicher nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sperre (6) unter Verschweißung oder/und Verklebung einander gegenüberliegender Begrenzungswände des Austrittskanals (4) und vorzugsweise wenigstens eine der beiden Begrenzungswände durch eine flexible Folie (3,7) gebildet ist.
  4. Mikrospeicher nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Einrichtungen zur mechanischen Zerstörung der Sperre (6) ein die verschweißten oder/und verklebten Begrenzungswände trennendes Aktorelement (14;16;21;22) umfassen.
  5. Mikrospeicher nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Aktorelement (14;16;21;22) zur Anordnung außerhalb des Austrittskanals (4) oder innerhalb des Austrittskanals (4) vorgesehen ist, innerhalb vorzugsweise auf der dem Speicherraum (2) abgewandten Seite der Sperre (6).
  6. Mikrospeicher nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die wenigstens eine flexible Folie (3,7) auf einem Substrat (1) angeordnet und das Aktorelement (14;21) gegen die Folie (3,7) durch eine Durchgangsöffnung (9,20) in dem Substrat (1) hindurch unter Erzeugung einer die Sperre (6) aufhebenden Abrisskraft andrückbar ist.
  7. Mikrospeicher nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Austrittskanal (4) zwischen zwei aneinander anliegenden flexiblen Folien (3,7) gebildet und die dem Substrat (1) zugewandte Folie (7) mit dem Substrat verbunden ist, wobei das Aktorelement (21) die Folien (3,7) unter Erzeugung der Abrisskraft über die Kanalbreite voneinander abhebt.
  8. Mikrospeicher nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Aktorelement (14;21) auf der dem Speicherraum (2) abgewandten Seite der Sperre (6) an die Folie (3,7) andrückbar ist, insbesondere in einem sich an den Austrittskanal (4) anschließenden Bereich (8).
  9. Mikrospeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Aktorelement (14;21) Bestandteil eines Geräts zum Betrieb des Mikrospeichers bzw. der Flusszelle ist.
  10. Mikrospeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das innerhalb des Austrittskanals (4) angeordnete Aktorelement (16) ein durch Verformung des Aktorelements (16) gegen die Sperre (6) ausfahrbares Stoßelements (17) aufweist, wobei vorzugsweise das Aktorelement (16) bogenförmig ausgebildet und das Stoßelement (17) durch Streckung des Bogens ausfahrbar ist.
  11. Mikrospeicher nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Aktorelement (16) in einer Ausweitung (17) der die Begrenzungswand des Austrittskanals (4) bildenden Folie (3) an einem dem Stoßelements (17) abgewandten Ende formschlüssig gehalten ist.
  12. Mikrospeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Aktorelement (22) einen mit der Außenseite der flexiblen Folie (3) verbundenen Hebel zur Erzeugung einer die Sperre (6) aufhebenden Abrisskraft umfasst.
  13. Mikrospeicher nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Aktorelement einen zwei solche Hebel bildenden, den Austrittskanal (4) kreuzendes Stabelement (22) umfasst, dessen Enden unter Erzeugung der Abrisskraft durch Biegung des Stabelements (22) um je einen durch das Substrat (1) gebildeten Drehpunkt drehbar sind, wobei vorzugsweise die beiden Enden jeweils in eine Öffnung (24,25) in dem Substrat (1) hinein eindrückbar sind.
  14. Mikrospeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das innerhalb des Austrittskanals (4) vorgesehene Aktorelement (16) oder/und der Bereich des Austrittskanals (4) in Strömungsrichtung hinter der Sperre (6) mit einer Trockenreagenz behaftet ist.
  15. Mikrospeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Fluid aus dem Speicherraum (2) heraus durch pneumatischen oder/und hydraulischen Druck transportierbar ist.
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