EP2754495A2

EP2754495A2 - Mikrofluidisches Kanalsystem mit Blasenfängereinrichtung und Verfahren zum Entfernen von Gasblasen

Info

Publication number: EP2754495A2
Application number: EP13198054.2A
Authority: EP
Inventors: Thomas BRETTSCHNEIDER; Jochen Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-07-16
Also published as: DE102013200363A1; EP2754495A3

Abstract

Es wird ein mikrofluidisches Kanalsystem mit einer Blasenfängereinrichtung bereitgestellt, wobei die Blasenfängereinrichtung wenigstens eine für Gas im Wesentlichen undurchlässige und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässige semipermeable Membran (11) umfasst. Die semipermeable Membran (11) grenzt einen Zuleitungskanal (21) für Flüssigkeiten und einen Auslasskanal (22) für Flüssigkeiten voneinander ab, wobei in dem Bereich des Zuleitungskanals (21), der an die semipermeable Membran (11) grenzt, ein Blasenfängerraum (10) vorgesehen ist. Der Blasenfängerraum (10) ist mit einem Überdruck beaufschlagbar. Weiterhin geht von dem Blasenfängerraum (10) ein Blasenauslasskanal (41) zur Ableitung von Gasblasen ab.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Kanalsystem mit Blasenfängereinrichtung sowie ein Verfahren zum Entfernen von Gasblasen mittels einer Blasenfängereinrichtung in einem mikrofluidischen Kanalsystem.

Stand der Technik

In vielen Anwendungsbereichen werden mikrofluidische Kanalsysteme eingesetzt, beispielsweise in der Analytik, in der medizinischen Diagnostik und beispielsweise auch für die Kultur von Zellen oder von Geweben. Sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme erlauben es, komplexe Analysen oder Reaktionen mit sehr geringen Mengen von Reagenzien auf einem einzigen Chip durchzuführen. Die verschiedenen erforderlichen Reaktions- und Analysekammern werden durch ein Kanalsystem realisiert. Auf diese Weise können beispielsweise molekulardiagnostische Laboranwendungen miniaturisiert und automatisiert werden. Neben Kosteneinsparungen und einer Reduzierung der Fehleranfälligkeit erlauben derartige mikrofluidische Kanalsysteme die Durchführung von modernen Diagnostikmethoden beispielsweise auch in einer Arztpraxis oder sogar bei einem Patienten zuhause.
In mikrofluidischen Systemen dominieren die Oberflächenkräfte gegenüber Volumenkräften, so dass die Schwerkraft in der Regel keine Rolle spielt. Gegebenenfalls in der Flüssigkeit vorhandene Gasblasen treiben in mikrofluidischen Systemen also nicht nach oben, sondern werden mit der Flüssigkeit durch Kanäle und Kavitäten transportiert. Dies kann zu Problemen führen, da durch die im System vorhandenen Gasblasen der Fluidfluss erheblich beeinträchtigt werden kann und beispielsweise Sensoroberflächen oder Ähnliches blockiert werden können, so dass sie nicht mehr mit Flüssigkeit benetzt werden.
Gasblasen in mikrofluidischen Systemen können auf unterschiedliche Weise entstehen. Beispielsweise können sie mit den Reaktionsflüssigkeiten in das System eingebracht werden oder sie entstehen durch Ausgasung innerhalb des Systems, beispielsweise bewirkt durch Temperaturänderungen.
Um die Funktionsfähigkeit des mikrofluidischen Systems zu gewährleisten, ist es erforderlich, derartige Gasblasen aus dem System zu entfernen. Hierzu wurde bereits vorgeschlagen, gegebenenfalls vorhandene Gasblasen in einer Aufweitung eines mikrofluidischen Kanals aufzufangen. Durch die Oberflächenkräfte neigen die Gasblasen dazu, an einer Aufweitungsstelle hängenzubleiben, so dass sie aus dem Flüssigkeitsfluss herausgezogen werden können und nicht mehr störend wirken. Eine weitere Möglichkeit ist, eine Aufweitung im Kanalsystem mit einer Blockierungsstruktur am Auslass zu kombinieren. Die Gasblasen werden mit Hilfe einer semipermeablen Membran, die für Gas durchlässig, jedoch für Flüssigkeiten undurchlässig ist, durch ein Vakuum abgesaugt und aus dem Kanalsystem entfernt.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Entfernung von Gasblasen aus mikrofluidischen Kanalsystemen haben entweder den Nachteil, dass die Entfernung von Gasblasen aus dem System nur unzureichend erfolgt oder die Blasenfängervorrichtung ist verhältnismäßig aufwendig, beispielsweise ist eine Vakuumpumpe zur Entfernung des Gasvolumens erforderlich, so dass entsprechende Vorrichtungen verhältnismäßig teuer und damit nachteilig sind. Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von Gasblasen aus einem mikrofluidischen Kanalsystem bereitzustellen, das Gasblasen zuverlässig aus der Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Kanalsystem entfernt und dabei gleichzeitig mit wenig Aufwand einsetzbar und im Betrieb sehr robust ist.
Diese Aufgabe wird durch ein mikrofluidisches Kanalsystem mit einer Blasenfängereinrichtung gelöst, wie es sich aus dem Anspruch 1 ergibt. Ein Verfahren zum Entfernen von Gasblasen aus Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kanalsystem ist Gegenstand des weiteren unabhängigen Anspruchs. Bevorzugte Ausgestaltungen des mikrofluidischen Kanalsystems mit der Blasenfängereinrichtung bzw. des Verfahrens zum Entfernen von Gasblasen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße mikrofluidische Kanalsystem umfasst eine Blasenfängereinrichtung, wobei die Blasenfängereinrichtung wenigstens eine für Gas im Wesentlichen undurchlässige und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässige semipermeable Membran umfasst. Unter "im Wesentlichen" ist hierbei nachfolgend zu verstehen, dass die Membran unter üblichen Laborbedingungen weitestgehend undurchlässig für Gas und weitestgehend durchlässig für wässrige Flüssigkeiten ist. Die semipermeable Membran ist in der Einrichtung so angeordnet, dass die Membran einen Zuleitungskanal für Flüssigkeiten und einen Auslasskanal für Flüssigkeiten voneinander abgrenzt. In dem Bereich des Zuleitungskanals, der an die semipermeable Membran grenzt, ist ein Blasenfängerraum vorgesehen ist. Dieser Blasenfängerraum kann sehr klein ausgelegt sein und beispielsweise lediglich durch eine sehr kleine Aufweitung des Zuleitungskanals gebildet sein. Der Blasenfängerraum ist mit einem Überdruck beaufschlagbar, wobei beispielsweise in den Blasenfängerraum ein pneumatischer Kanal mündet, über den der Blasenfängerraum mit einem Überdruck beaufschlagt werden kann. Weiterhin geht von dem Blasenfängerraum ein Blasenauslasskanal ab, über den zurückgehaltene Gasblasen abgeleitet werden können. Diese Anordnung ist vorzugsweise als mehrschichtiger Aufbau realisiert, beispielsweise auf der Basis von Polymeren, insbesondere Polycarbonat. Die Entfernung von in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen erfolgt so, dass die Flüssigkeit über den Zuleitungskanal bis zu der semipermeablen Membran geführt wird. Durch das Anlegen eines Überdrucks wird die Flüssigkeit durch die semipermeable Membran gedrückt, wobei aufgrund der Membraneigenschaften die Gasblasen auf der Seite des Zuleitungskanals, also im sogenannten Blasenfängerraum, zurückgehalten werden. Die von Gasblasen gereinigte Flüssigkeit kann durch die Membran und über den Auslasskanal abfließen und einem weiteren fluidischen Netzwerk zugeführt werden. Das zurückgehaltene Gasvolumen kann über den Blasenauslasskanal oder eine vergleichbare Einrichtung abgezogen und aus dem System entfernt werden.
Als semipermeable Membran ist in besonderer Weise eine Membran aus Graphen geeignet, die die genannten semipermeablen Eigenschaften aufweist. Eine solche Membran wurde bereits von Nair et al. (Science 335 (2012), pp 442-444) beschrieben. Die Membran kann beispielsweise aus Graphenoxiden hergestellt werden. Die resultierende Membran ist für verschiedene Gase nicht durchlässig. Für Wasser ist die Membran jedoch permeabel. Diese Membran wurde von Nair et al. allgemein im Hinblick auf eine Eignung für die Filtration oder die Trennung von Gemischen beschrieben. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung konnte von den Erfindern gezeigt werden, dass eine solche Membran für die Verwendung in der Mikrofluidik und insbesondere als Bestandteil des erfindungsgemäßen Blasenfängers besonders vorteilhaft ist, da sie die geforderten semipermeablen Eigenschaften aufweist und aufgrund ihrer übrigen physikalischen Eigenschaften sehr gut in der Blasenfängereinrichtung einsetzbar ist.
Die Übertragung des angelegten Überdrucks auf die Flüssigkeit kann vorteilhafterweise mittels einer weiteren, auslenkbaren, insbesondere flexiblen Membran erfolgen. Geeignet ist beispielsweise eine flexible Polymermembran, beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer. Die auslenkbare Membran ist so angeordnet und fixiert, dass sie beim Anlegen eines Überdrucks eine Positionsveränderung erfährt, die das Volumen im Blasenfängerraum verkleinert, wodurch die Flüssigkeit durch die semipermeable Membran gedrückt wird. Die auslenkbare Membran ist hierbei insbesondere so angeordnet, dass sie zumindest im Bereich des Blasenfängerraumes an der Innenwandung des Kanalsystems anliegt und bei einem angelegten Überdruck in Richtung der semipermeablen Membran gedrückt wird.
Für den Betrieb des mikrofluidischen Kanalsystems mit der Blasenfängereinrichtung ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die verschiedenen Kanäle, also insbesondere der Zuleitungskanal und/oder der Auslasskanal und/oder der Blasenauslasskanal und/oder der pneumatische Zugang schaltbar sind. Vorteilhafterweise sind hierfür Ventile vorgesehen. Die Ventile können beispielsweise in der externen Peripherie der Blasenfängereinrichtung angeordnet sein, also im übrigen Kanalsystem, oder auch innerhalb des Kanalsystems mit der Blasenfängereinrichtung, z.B. in Form von Membranventilen. Die Ventile können die fluidischen Pfade zur externen Peripherie oder zu einem fluidischen Netzwerk öffnen und schließen. Der Blasenauslasskanal kann über das Ventil mit einem offenen Auslass verbunden sein. Das Ventil des Zuleitungskanals und das Ventil des Auslasskanals können die Verbindung mit einem weiteren fluidischen Netzwerk herstellen. Der pneumatische Zugang kann über ein Ventil mit einem pneumatischen Anschluss verbunden sein.
Wenn sich beim Betrieb des mikrofluidischen Kanalsystems mit der Blasenfängereinrichtung an der semipermeablen Membran Gasvolumina ansammeln, steigt der Druck auf der Einlassseite der semipermeablen Membran bei geschlossenem Blasenauslasskanal an, da kaum Flüssigkeit durch die semipermeable Membran aufgrund des vorhandenen Gasvolumens fließen kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Blasenfängereinrichtung ist daher zur Schaltung des Blasenauslasskanals ein Überdruckventil vorgesehen, das bei einem bestimmten, insbesondere einem vorgebbaren und/oder einstellbaren Druck automatisch öffnet, so dass die vorhandene Gasblase selbsttätig durch den Blasenauslasskanal abgeleitet werden kann.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische Kanalsystem weist gegenüber bekannten Blasenfängereinrichtungen verschiedene Vorteile auf. Beispielsweise ist für die Blasenfängereinrichtung gemäß der Erfindung nur ein sehr geringes Totvolumen als Blasenfängerraum erforderlich. Im Gegensatz hierzu sind bei bekannten Blasenfängereinrichtungen deutlich größere Totvolumen erforderlich, die zum Auffangen der Blasen benötigt werden. Diese Totvolumen müssen für die Gesamtmenge der entsprechenden Flüssigkeit berücksichtigt werden, so dass gerade in Anwendungsfällen mit sehr teuren Flüssigkeiten dies die Kosten des Gesamtsystems erheblich erhöht. Dieser Nachteil ist bei dem erfindungsgemäßen Blasenfänger nicht vorhanden, da das zusätzliche Volumen des Blasenfängerraumes gemäß der Erfindung nahezu zu vernachlässigen ist. Zusätzlich kann der Inhalt des Blasenfängerraumes nahezu vollständig durch das Auslenken der flexiblen Membran in das fluidische Netzwerk entleert werden, sodass keine Flüssigkeit als nicht verwertbarer Rest zurückbleibt. Weiterhin erfordert das erfindungsgemäße mikrofluidische Kanalsystem mit der Blasenfängereinrichtung keine Vakuumpumpe zur Entfernung des Gasvolumens. Das Vorhalten von Vakuum trägt bei herkömmlichen Systemen erheblich zu den Kosten und der Baugröße der Peripherie des Kanalsystems bei, so dass herkömmliche Systeme im Hinblick auf die Kosten und auch im Hinblick auf eine Portabilität mit erheblichen Nachteilen belastet sind. Das erfindungsgemäße System kommt hingegen im Allgemeinen ohne Vakuum aus, so dass die Kosten für die Herstellung und für den Betrieb des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kanalsystems deutlich niedriger liegen und die Größe der gesamten Peripherie des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kanalsystems ebenfalls deutlich kleiner als bei herkömmlichen Systemen ist. Der Betrieb des Blasenfängers gemäß der Erfindung erfordert lediglich das zeitweise Anlegen eines Überdrucks. Im Übrigen ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Anordnung eine automatische Pumpfunktion zur Entfernung der zurückgehaltenen Gasblasen, so dass auf eine weitere Pumpe verzichtet werden kann. Mit diesem Funktionsprinzip können Gasblasen sehr schnell und effizient aus einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Kanalsystem entfernt werden. In der Regel kann mit dem erfindungsgemäßen Blasenfänger das zurückgehaltene Gas in wenigen Sekunden abgeleitet werden. Im Gegensatz hierzu dauert das Entfernen von Gasblasen bei herkömmlichen Systemen wesentlich länger.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische Kanalsystem ist für verschiedene Anwendungen geeignet. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Kanalsystem für zellbiologische und/oder analytische und/oder diagnostische Vorrichtungen eingesetzt werden. Besonders geeignet ist es für sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme, bei denen auf kleinstem Raum verschiedene chemische, biochemische oder biologische Reaktionen ablaufen können. Im Prinzip kann das erfindungsgemäße mikrofluidische Kanalsystem für alle mikrofluidischen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise auch für die Zell- oder Gewebekultur in kleinen Maßstäben.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Entfernen von Gasblasen aus Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kanalsystem, bei dem wenigstens eine für Gas im Wesentlichen undurchlässige und für Flüssigkeiten im Wesentliche durchlässige semipermeable Membran eingesetzt wird, um Gasvolumina auf einer Seite der Membran zurückzuhalten, während Flüssigkeiten die Membran passieren können. Erfindungsgemäß wird die Flüssigkeit mittels Überdruck durch die semipermeable Membran gedrückt. Gegebenenfalls vorhandene Gasblasen werden an der semipermeablen Membran zurückgehalten und durch einen Blasenauslasskanal oder eine vergleichbare Einrichtung abgeleitet.
Als semipermeable Membran wird vorzugsweise eine Membran auf der Basis von Graphen, insbesondere Graphenoxiden, eingesetzt.
Vorzugsweise wird die Flüssigkeit mithilfe einer weiteren, auslenkbaren, insbesondere flexiblen Membran, die mittels des Überdrucks ausgelenkt wird, durch die semipermeable Membran gedrückt. Die auslenkbare Membran ist hierbei insbesondere an der Innenwandung des Kanalsystems im Bereich der Flüssigkeitszuleitung zu der semipermeablen Membran derart befestigt, dass sie an der Innenwandung anliegt und bei einer Beaufschlagung des Systems mit Überdruck eine Positionsveränderung erfährt, die zu einer Verkleinerung des Innenvolumens des Kanalsystems und insbesondere des Blasenfängerraumes führt. Hierdurch kann in besonders kontrollierter Weise die Flüssigkeit zuverlässig durch die semipermeable Membran gedrückt werden, so dass gegebenenfalls vorhandene Gasblasen von der Flüssigkeit abgetrennt und abgeleitet werden können.
Die an der semipermeablen Membran zurückgehaltenen Gasblasen werden vorzugsweise durch ein Öffnen des Blasenauslasskanals abgeleitet, wobei das Öffnen insbesondere mittels eines Ventils erfolgt. In besonders vorteilhafter Weise öffnet sich das Ventil selbsttätig bei einem bestimmten Druck. Dem liegt zugrunde, dass der Druck in diesem Bereich ansteigt, sobald sich ein Gasvolumen auf der Einlassseite der semipermeablen Membran ansammelt, da hierdurch der Flüssigkeitstransport durch die semipermeable Membran beeinträchtigt wird. Als Ventil für den Blasenauslasskanal wird demnach vorzugsweise ein Überdruckventil eingesetzt, das bei einem vorgebbaren Druck selbsttätig öffnet.
Der Fluidfluss im mikrofluidischen Kanalsystem kann beispielsweise durch Druckdifferenzen in dem oder den angeschlossenen fluidischen Netzwerk(en) angetrieben werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kanalsystems ist es vorgesehen, dass der Fluidfluss im System durch Positionsveränderungen einer auslenkbaren, insbesondere flexiblen Membran bewirkt wird, die sozusagen eine Pumpfunktion übernimmt. Eine derartige flexible Membran kann beispielsweise an der Innenwandung des Kanalsystems im Bereich der Flüssigkeitszuleitung zu der semipermeablen Membran anliegen, wobei durch die Beaufschlagung mit Druck und/oder bei einem Entlasten von Druck eine Positionsveränderung der Membran ausgelöst wird, die die Flüssigkeit entsprechend verdrängt oder den Raum für die Flüssigkeit freigibt. Hierfür geeignet ist insbesondere die auslenkbare Membran, die weiter oben bereits beschrieben wurde.
Die Erfindung umfasst schließlich die Verwendung einer semipermeablen Membran, die für Gas im Wesentlichen undurchlässig und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässig ist, und die auf der Basis von Graphen, insbesondere Graphenoxiden, hergestellt ist, für mikrofluidische Einrichtungen. Bezüglich weiterer Merkmale dieser Verwendung wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kanalsystems mit einer Blasenfängereinrichtung in Aufsicht;
Fig. 2A-F: Schnittdarstellung des mikrofluidischen Kanalsystems aus Fig. 1 entlang der Linie AA' und
Fig. 3: Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kanalsystems mit einer Blasenfängereinrichtung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Kanalsystems mit einer Blasenfängereinrichtung in Aufsicht, wobei sich diese Abbildung auf eine schematische Darstellung des Bereichs der Blasenfängereinrichtung beschränkt. Neben dem hier gezeigten Kanalsystem können weitere Kanäle oder Kanalsysteme oder fluidische Netzwerke vorgesehen sein, die beispielsweise auf einem Chip angeordnet sind und die eigentlichen Funktionalitäten des Kanalsystems, beispielsweise die Funktionalitäten eines Lab-on-a-Chip-Systems, realisieren. Die in der Fig. 1 gezeigte Schnittdarstellung zeigt gewissermaßen einen Ausschnitt aus einem mikrofluidischen Kanalsystem, das die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Blasenfängereinrichtung illustriert. Der zentrale Bereich 10 deutet den Blasenfängerraum an, der als wesentliche Komponente eine semipermeable Membran umfasst. Die semipermeable Membran ist für Gas im Wesentlichen undurchlässig und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässig. Kern der Erfindung ist, dass die Flüssigkeit im mikrofluidischen Kanalsystem, die erfindungsgemäß von Gasblasen befreit wird, durch diese semipermeable Membran mithilfe eines Überdrucks gedrückt wird, so dass Gasblasen an der semipermeablen Membran zurückgehalten werden und aus dem System entfernt werden können. Dementsprechend ist ein Zuleitungskanal 21 für Flüssigkeiten, der in den Bereich der Blasenfängereinrichtung 10 mündet, sowie ein Auslasskanal 22 vorgesehen, der die von Gasblasen befreite Flüssigkeit aus dem Bereich der Blasenfängereinrichtung 10 wegführt. Weiterhin ist ein pneumatischer Zugang 31 vorgesehen, über den der Bereich 10 der Blasenfängereinrichtung mit einem Überdruck beaufschlagt werden kann. Schließlich ist ein Blasenauslasskanal 41 vorgesehen, über den die an der semipermeablen Membran zurückgehaltenen Gasblasen abgeleitet und aus dem System entfernt werden können. Die Kanäle 21, 22, 41 und der pneumatische Zugang 31 sind in dieser Ausführungsform über Ventile 51, 52, 54 und 53 zu öffnen bzw. zu schließen, so dass die Blasenfängereinrichtung gemäß der nachfolgenden Beschreibung betrieben werden kann.
Die dargestellte Blasenfängereinrichtung wird durch einen mehrschichtigen oder mehrlagigen Aufbau realisiert, der in den Schnittdarstellungen der Fig. 2A-F entlang der Linie AA' aus Fig. 1 näher dargestellt ist. Der Blasenfängerraum 10 sowie der Zuleitungskanal 21, der Auslasskanal 22, der pneumatische Zugang 31 und der Blasenauslasskanal 41 werden durch den mehrlagigen Aufbau aus den Polymersubstraten 101, 102 und 103 gebildet. Die Basis dieser Anordnung bildet eine durchgehende Polymerschicht 104. Wesentliche Komponente der gesamten Blasenfängereinrichtung ist die semipermeable Membran 11, die in dieser Ausführungsform an der Basis des Blasenfängerraumes 10 angeordnet ist. Die Ventile 51, 52, 53 und 54 sind in den Schnittdarstellungen der Fig. 2 nicht dargestellt. Die Ventile können sich beispielsweise in der externen Peripherie des Kanalsystems oder innerhalb des Systems, beispielsweise in Form von Membranventilen, befinden. Die Ventile 51, 52, 53 und 54 öffnen und schließen die fluidischen Pfade zur externen Peripherie oder zu einem fluidischen Netzwerk, das der erfindungsgemäßen Blasenfängereinrichtung zugeordnet ist. In dieser Ausführungsform oberhalb des Blasenfängerraumes 10 ist der pneumatische Zugang 31 angeordnet. Über diesen Zugang kann der Blasenfängerraum 10 mit einem Überdruck beaufschlagt werden, um das Fluid durch die semipermeable Membran 11 zu drücken. Dabei werden vorhandene Gasvolumina an der semipermeablen Membran 11 zurückgehalten und über den Blasenauslasskanal 41 abgeleitet. Der Blasenauslasskanal 41 kann beispielsweise mit einem offenen Auslass verbunden sein, der mit dem Ventil 54 zu öffnen oder zu schließen ist, so dass die aus dem Fluid entfernten Gasblasen aus dem System entfernt werden können.
Als weitere Komponente ist in dieser Ausführungsform eine auslenkbare und flexible Membran 201 vorgesehen, beispielsweise eine flexible Polymermembran. Diese flexible Membran liegt an der Wandung oberhalb des Blasenfängerraumes 10 an und ist beweglich gelagert, so dass sie sich außerhalb ihrer fest fixierten Bereiche in den Blasenfängerraum 10 hinein bewegen kann. Diese Bewegung nach unten wird durch das Anlegen eines Überdrucks über den pneumatischen Zugang 31 bewirkt.
Die Darstellung in Fig. 2A zeigt den Ausgangszustand, bei dem alle Ventile 51, 52, 53 und 54 geschlossen sind. Die flexible Membran 201 liegt am oberen Polymersubstrat 103 an. In Fig. 2B ist der Zustand gezeigt, bei dem der pneumatische Zugang durch Öffnen des Ventils 53 geöffnet und mit einem Überdruck belegt wird. Weiterhin wird der Blasenauslasskanal 41 geöffnet, so dass die flexible Membran 201 ausgelenkt wird und das unter ihr befindliche Volumen durch den Blasenauslasskanal 41 nach außen verdrängt wird. Fig. 2C zeigt den Zustand, nachdem der Blasenauslasskanal 41 durch Schließen des Ventils 54 geschlossen wurde. Der pneumatische Zugang 31 wird auf Atmosphäre gelegt und der Zuleitungskanal 21 geöffnet, so dass sich die flexible Membran 201 entspannt und sich zurück in ihren Ausgangszustand bewegt. Auf diese Weise wird Flüssigkeit 301 aus dem fluidischen Netzwerk, mit dem der Zuleitungskanal 21 verbunden ist, in den Blasenfängerraum 10 eingesogen. Bei dieser Betriebsweise wirkt die flexible Membran 201 gewissermaßen als Pumpe, um den Fluidfluss anzutreiben. Um diese Pumpfunktion noch zu verstärken, kann der pneumatische Zugang 31 in diesem Stadium mit einem Vakuum beaufschlagt werden, so dass sich die flexible Membran 201 noch besser an das Polymersubstrat 103 anlegt.
Fig. 2D illustriert den Zustand, bei dem die Flüssigkeit 301 durch die semipermeable Membran 11 gedrückt wird. Hierfür wird der Auslasskanal 22 geöffnet und der pneumatische Zugang 31 mit Überdruck belegt. Die flexible Membran 201 lenkt sich entsprechend aus und verdrängt die Flüssigkeit durch die semipermeable Membran 11 in das fluidische Netzwerk, das dem Auslasskanal 22 nachgeschaltet ist.
Fig. 2E illustriert den Fall, dass mit der Flüssigkeit 301 eine Gasblase 401 mit angesaugt wird, die beim Passieren der semipermeablen Membran 11 an der Membran 11 aufgrund von deren semipermeablen Eigenschaften zurückgehalten wird. Durch Öffnen des Blasenauslasskanals 41 kann das Gasvolumen durch diesen Kanal aus dem System entfernt werden und beispielsweise über einen offenen Kanal in die Umgebung entlassen werden. Dieser Vorgang ist in der Fig. 2F dargestellt, wobei die Verdrängung des Gasvolumens 401 durch den Blasenauslasskanal 41 durch den angelegten Überdruck, der zu einer Auslenkung der flexiblen Membran 201 in Richtung der semipermeablen Membran 11 führt, verstärkt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Blasenfängers wird der Blasenauslasskanal 41 bzw. das Ventil 54 während des Durchdrückens der Flüssigkeit durch die semipermeable Membran 11 zunächst geschlossen gehalten. Dies führt dazu, dass der Druck auf der Einlassseite der semipermeablen Membran stark ansteigt, da kaum Flüssigkeit durch die semipermeable Membran 11 fließen kann. Vorteilhafterweise ist das Ventil 54, das den Blasenauslasskanal 41 verschließt, als Überdruckventil ausgeführt, das sich bei einem einstellbaren Druck automatisch öffnet, so dass das Gasvolumen 401 selbsttätig durch den Blasenauslasskanal 41 abgeleitet wird. In dem Moment, in dem das Gasvolumen in den Blasenauslasskanal 41 verdrängt wird, wird die semipermeable Membran 11 wieder mit Flüssigkeit benetzt, welche die Membran 11 durchdringen kann. Dadurch fällt der Druck im Blasenfängerraum 10 wieder ab und das Auslassventil 54 schließt automatisch, bis der Durchlass über die Membran 11 von einer nächsten Blase erneut blockiert wird.
Die beispielhaft erläuterte Funktionsweise der erfindungsgemäßen Blasenfängereinrichtung nutzt die flexible Membran 201 auch für eine Pumpfunktion gemäß den Teilfiguren Fig. 2B und 2C, um den Fluidfluss in die Blasenfängereinrichtung anzutreiben. In anderen Ausführungsformen kann der Fluidfluss allein durch Druckdifferenzen in den angeschlossenen fluidischen Netzwerken angetrieben werden, so dass die flexible Membran 201 ausschließlich für das Entfernen von Gasblasen aus dem Fluid gemäß den Teilfiguren Fig. 2E-F genutzt wird.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Blasenfängereinrichtung gemäß der Erfindung, wobei mit der vorherigen Ausführungsform vergleichbare Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei ist eine weitere Polymerschicht 501 vorgesehen, die sich in dieser Darstellung zwischen dem Polymersubstrat 102 und dem Polymersubstrat 101 befindet. Diese Ausführungsform hat Vorteile bei der Herstellung des Kanalsystems, da hier die semipermeable Membran 11 beispielsweise mittels Laserdurchstrahlschweißen über die Polymerschicht 501 an den Positionen 510 (beispielsweise ringförmig) fluiddicht mit dem Polymersubstrat 102 verbunden werden kann.
Als Material für das mikrofluidische Kanalsystem mit der Blasenfängereinrichtung können für die Polymersubstrate 101, 102 und 103 beispielsweise thermoplastische Werkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise auf der Basis von Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Polymethylmethacrylaten, Cyclo-Olefin-Polymeren (COP) oder CycloOlefin-Copolymeren (COC). Für die flexible Membran 201 können Elastomere, insbesondere thermoplastische Elastomere, andere thermoplastische Werkstoffe oder Heißklebefolien eingesetzt werden. Auch für die Polymerschicht 501 eignen sich Polymerfolien, beispielsweise selbstklebende Polymerfolien. Die semipermeable Membran 11 besteht vorzugsweise aus Graphen-basierten Materialien, insbesondere aus Graphenoxiden.
Der mehrschichtige Aufbau des Kanalsystems kann vorteilhafterweise durch Laserdurchstrahlschweißtechniken hergestellt werden, beispielsweise kann das Polymersubstrat 101 mit der semipermeablen Membran 11 verschweißt werden. In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann die Polymerschicht 501 mit der semipermeablen Membran 511 verschweißt werden. In vergleichbarer Weise ist auch das Kleben der Polymerschichten untereinander und mit der flexiblen Membran 11 möglich sowie beispielsweise ein Verschweißen mittels Ultraschall.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische Kanalsystem mit der Blasenfängereinrichtung kann in verschiedenen Dimensionen genutzt werden. Beispielhafte Abmessungen in Bezug auf die Dicke der Polymersubstrate sind beispielsweise 0,1 bis 10 mm. Der Durchmesser der verschiedenen Kanäle in den Polymersubstraten kann beispielsweise zwischen 200 µm bis 3 mm vorgesehen sein. Die Dicke der flexiblen Membran 201 und auch die Dicke der semipermeablen Membran 11 kann beispielsweise zwischen 5 und 500 µm gewählt werden. Als laterale Abmessungen des gesamten Kanalsystems können beispielsweise Bereiche zwischen 10 x 10 bis 200 x 200 mm² vorgesehen sein.

Claims

Mikrofluidisches Kanalsystem mit einer Blasenfängereinrichtung, wobei die Blasenfängereinrichtung wenigstens eine für Gas im Wesentlichen undurchlässige und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässige semipermeable Membran (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran (11) einen Zuleitungskanal (21) für Flüssigkeiten und einen Auslasskanal (22) für Flüssigkeiten voneinander abgrenzt, wobei in dem Bereich des Zuleitungskanals (21), der an die semipermeable Membran (11) grenzt, ein Blasenfängerraum (10) vorgesehen ist, der mit einem Überdruck beaufschlagbar ist und wobei von dem Blasenfängerraum (10) ein Blasenauslasskanal (41) zur Ableitung von Gasblasen (401) abgeht.
Mikrofluidisches Kanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran auf der Basis von Graphen, insbesondere Graphenoxiden, herstellt ist.
Mikrofluidisches Kanalsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine auslenkbare, insbesondere flexible Membran (201) vorgesehen ist, die zumindest im Bereich des Blasenfängerraumes (10) in einer Ausgangsposition an der Innenwandung des Kanalsystems anliegt und bei der Beaufschlagung des Systems mit Überdruck eine Volumenverkleinerung zumindest des Blasenfängerraumes (10) bewirkt.
Mikrofluidisches Kanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuleitungskanal (21) und/oder der Auslasskanal (22) und/oder der Blasenauslasskanal (41) und/oder ein pneumatische Zugang (31) schaltbar sind, wobei vorzugsweise Ventile (51, 52, 53, 54) vorgesehen sind.
Mikrofluidisches Kanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaltung des Blasenauslasskanals (41) ein Überdruckventil (54) vorgesehen ist.
Mikrofluidisches Kanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem für zellbiologische und/oder analytische und/oder diagnostische Vorrichtungen, insbesondere für Lab-on-a-Chip-Systeme, vorgesehen ist.
Verfahren zum Entfernen von Gasblasen (401) aus Flüssigkeiten in einem mikrofluidischen Kanalsystem unter Verwendung von wenigstens einer für Gas im Wesentlichen undurchlässigen und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässigen semipermeablen Membran (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (301) mittels Überdruck durch die semipermeable Membran (11) gedrückt wird, wobei gegebenenfalls vorhandene Gasblasen (401) an der semipermeablen Membran (11) zurückgehalten werden und wobei die Gasblasen (401) insbesondere durch einen Blasenauslasskanal (41) abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran auf der Basis von Graphen, insbesondere Graphenoxiden, hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine auslenkbare, insbesondere flexible Membran (201) vorgesehen ist, die in einer Ausgangsposition an der Innenwandung des Kanalsystems im Bereich der Flüssigkeitszuleitung zu der semipermeablen Membran (11) anliegt und wobei die Beaufschlagung des Systems mit Überdruck eine Positionsveränderung der flexiblen Membran (201) und damit eine Verkleinerung des Innenvolumens bewirkt, wodurch die Flüssigkeit (301) durch die semipermeable Membran (11) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ableiten von zurückgehaltenen Gasblasen (401) an der semipermeablen Membran (11) durch ein Öffnen des Blasenauslasskanals (41) erfolgt, wobei sich der Blasenauslasskanal (41) vorzugsweise selbsttätig bei einem bestimmten Überdruck öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidfluss im mikrofluidischen Kanalsystem durch Druckdifferenzen in dem oder den angeschlossenen fluidischen Netzwerk(en) angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidfluss im mikrofluidischen Kanalsystem durch Positionsveränderungen einer auslenkbaren, insbesondere flexiblen Membran (201), die in einer Ausgangsposition an der Innenwandung des Kanalsystems im Bereich der Flüssigkeitszuleitung zu der semipermeablen Membran (11) anliegt, angetrieben wird, wobei die Positionsveränderung der flexiblen Membran (201) durch ein Beaufschlagen mit Druck und/oder ein Entlasten von Druck bewirkt wird.
Verwendung einer semipermeablen Membran, die für Gas im Wesentlichen undurchlässig und für Flüssigkeiten im Wesentlichen durchlässig ist, und die auf der Basis von Graphen, insbesondere Graphenoxiden, hergestellt ist, für mikrofluidische Einrichtungen.