EP2862630A1 - Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung, mikrofluidische Vorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer solchen Auslaufschutzeinheit und Verfahren zum Herstellen einer solchen Auslaufschutzeinheit - Google Patents

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EP2862630A1
EP2862630A1 EP20140186087 EP14186087A EP2862630A1 EP 2862630 A1 EP2862630 A1 EP 2862630A1 EP 20140186087 EP20140186087 EP 20140186087 EP 14186087 A EP14186087 A EP 14186087A EP 2862630 A1 EP2862630 A1 EP 2862630A1
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EP
European Patent Office
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channel
protection unit
resistance
pressure
fluid
Prior art date
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EP20140186087
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Thomas BRETTSCHNEIDER
Franz Laermer
Jochen Rupp
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure

Definitions

  • the present invention relates to a leakage protection unit for a microfluidic device, a microfluidic device, a method for operating such a leakage protection unit and a method for producing such a leakage protection unit.
  • Microfluidic lab-on-a-chip (LOC) systems are commonly designed as disposable components and often consist of polymeric layer systems that incorporate microfluidic unit functions such as valves or pumps. For example, such functions can be mapped using two polymer substrates separated by a flexible polymer membrane. In this case, the polymer membrane can be deflected by pneumatic pressures to displace liquid within the lab-on-a-chip system or close a channel. For this purpose, both positive and negative relative pressures are generated in an external drive unit and passed on to the microfluidic system.
  • the present invention provides an outlet protection unit for a microfluidic device, a microfluidic device, a method for operating such an outlet protection unit, and a method for producing such an outlet protection unit presented the main claims.
  • Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
  • a microfluidic device may be understood to mean an apparatus for processing, duplicating, and / or analyzing a biochemical material, such as nucleic acids, proteins, and cells.
  • a cover element and a bottom element can each be understood a layer which is made for example of a plastic, in particular of a polymer.
  • Under a bottom recess for example, a depression in the bottom element can be understood.
  • the bottom recess may be formed as a fluid container and filled with a fluid.
  • a fluid can be understood as meaning a fluid containing the biochemical material.
  • a fluidic resistance also called flow resistance, can be understood as an attenuation characteristic of the resistance channel, by means of which a flow rate of a fluid located in the resistance channel is reduced.
  • the resistance channel a represent fluidic resistance by which the flow rate of the fluid is reduced by a factor of 50 to 150 or 75 to 125, compared to an embodiment without a resistance channel.
  • the resistance channel may represent a fluidic resistance such that a flow rate of a fluid in the resistance channel is reduced by a predetermined factor.
  • the described approach may be based on using a flow resistance to retain liquids in the device, for example in the form of a chip.
  • the present approach is based on the recognition that a lab-on-a-chip system may be connected to a pressure generating drive unit. Especially in conjunction with negative relative pressures, there may be the risk that liquid from the lab-on-a-chip system will be drawn into the actuation unit and contaminated by it.
  • a channel between a liquid container of the lab-on-a-chip system and a pressure port of the lab-on-a-chip system be designed with such a high fluid resistance that a return of the liquid is prevented in the direction of the pressure port ,
  • the present approach By means of the present approach, high costs, which may arise due to a possible decontamination of the drive unit by exchanging components and failure times, can be avoided. Furthermore, the present approach offers the advantage of high reliability, since in case of failure, no analyte can be distributed in the drive unit and thus a risk of erroneous results, in particular false positive results, can be reduced on a subsequent lab-on-a-chip system. Finally, the present approach can reduce the risk of health hazards due to leaking fluids.
  • the pressure channel can be formed as a passage opening in the bottom element and / or the cover element.
  • the bottom recess may also be arranged laterally offset from the passage opening. This can provide a cost effective and efficient interface to initiate printing.
  • the fluidic resistance can be predetermined by a cross-sectional shape and / or a diameter and / or a length of the resistance channel.
  • the fluidic resistance can be adapted very precisely to different conditions, such as the type of fluid or the level of the applied pressure.
  • a film may be arranged between the cover element and the bottom element.
  • the film may have the resistance channel.
  • a film can be understood as meaning a flat, flexible element, such as a plastic layer.
  • the film may be, for example, fluid-impermeable.
  • the resistance channel can be realized particularly inexpensive. Furthermore, a wide variety of geometries of the resistance channel can be realized with little manufacturing and cost.
  • the film can also be arranged in the region of the fluid container.
  • the film can close the fluid container fluid-tight. Thereby, leakage of a fluid in the fluid container can be prevented.
  • the film may be deflected, for example, by the pressure applied to the passage opening to control a fluid flow.
  • At least one lid recess may be formed as a component of the resistance channel in the lid member to increase a volume of the resistance channel.
  • a lid recess can be understood as a recess in the lid element.
  • the cover recess can serve as a fluid buffer, in particular when a negative pressure is applied to the pressure channel, in order to absorb a fluid drawn in through the resistance channel and thus prevent leakage of the fluid through the pressure channel.
  • the film in the region of the cover recess and / or the cover recess may have at least one resistance element and / or a hydrophobic layer in order to increase the fluidic resistance.
  • a resistance element may, for example, be understood to mean a groove or edge arranged transversely to the resistance channel.
  • Under one hydrophobic layer can be understood, for example, a wax or paraffin layer.
  • the lid recess may include an indicator material for identifying a liquid.
  • An indicator material may be understood to mean a material that undergoes a change of state upon contact with a liquid. For example, the indicator material may become discolored. This allows early and reliable detection of leaks in a microfluidic system.
  • the cover element may be formed with a first channel opening and a second channel opening at least one Druckumleitkanal.
  • the first channel opening can be arranged opposite the fluid container and the second channel opening can be fluidically coupled to the resistance channel and / or coupled. This allows controlled pressure to be exerted on the film to deflect the film.
  • a valve and / or pumping mechanism can be realized.
  • the resistance channel may comprise a liquid-absorbing material, which is designed to liquid-tightly close the resistance channel upon absorption of a liquid.
  • the liquid-absorbing material may be, for example, a fibrous material which, upon absorption of the liquid, increases in such a way that the resistance channel is closed in a liquid-tight manner. Thereby, the reliability of the leakage protection unit can be further increased.
  • the liquid-absorbing material may be disposed between the lid recess and the pressure channel. As a result, leakage of the fluid through the pressure channel can be prevented if the lid recess overflows.
  • a sealing membrane between the resistance channel and the pressure channel may be formed to close the pressure channel liquid-tight.
  • a sealing membrane can be a flat flexible element such as For example, be understood a plastic layer.
  • the sealing membrane may be gas permeable but liquid impermeable.
  • a pump By a means for applying the pressure, for example, a pump can be understood, which is designed to generate an overpressure and / or negative pressure in the pressure channel.
  • the fluid flow can be controlled very efficiently if, in the step of the application, an alternating pressure at specific time intervals is applied to the pressure channel.
  • the present approach provides a method of manufacturing a leak protection unit according to any of the above-described embodiments, the method comprising the steps of:
  • the resistance channel Forming at least one resistance channel between the lid member and the bottom member to fluidly couple the pressure channel and the fluid container, the resistance channel representing a fluidic resistance for a fluid in the resistance channel.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the leakage protection unit 100 has a cover element 105 and a bottom element 110.
  • a pressure passage 115 for applying a pressure is formed in the lid member 105.
  • a bottom recess 120 is formed as a fluid container 125.
  • the bottom recess 120 is arranged opposite the cover element 105.
  • a resistance channel 130 is formed to fluidly couple the pressure passage 115 and the fluid container 125.
  • the resistance channel 130 represents a fluidic resistance such that a flow rate of a fluid in the resistance channel 130 is reduced by a predetermined factor and leakage of the fluid through the pressure channel 115 is prevented.
  • the channel 130 may be excluded in either the layer 105 or the layer 110.
  • the pressure passage 115 is formed as a through hole in the lid member 105.
  • the bottom recess 120 is further arranged laterally offset from the passage opening.
  • the fluid container 125 is connected to the plane of the drawing, that is to say, for example, transversely to a longitudinal extension direction of the channel 130, to a fluidic network. Through the fluidic network, the container 125 can be filled and emptied in the regular operation of the device according to the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 has the in Fig. 2 shown leakage protection unit 100 in addition to a film 200 which is disposed between the lid member 105 and the bottom member 110.
  • the resistance channel 130 is formed in the film 200.
  • the fluid container 125 is closed fluid-tight by the film 200.
  • the cover element 105 has a cover recess 205 as a component of the resistance channel 130.
  • the cover recess 205 is fluidically coupled to the pressure channel 115 via a cover recess channel 210 formed in the cover element 105 as a further component of the resistance channel 130.
  • the cover recess 205 is designed to absorb, in particular when a negative pressure is applied to the pressure channel 115, a fluid drawn in via the resistance channel 130 and thus to prevent the fluid from escaping through the pressure channel 115.
  • the cover element 105 comprises a Druckumleitkanal 215 with a first channel opening 220 and a second channel opening 225.
  • the first channel opening 220 is disposed opposite the fluid container 125 and the second channel opening 225 fluidly coupled to the resistance channel 130.
  • the Druckumleitkanal 215 includes two perpendicular to the bottom member 110 disposed portions and a longitudinally arranged to the bottom member 110 connecting portion for connecting the vertical sections.
  • a first vertical section has the first channel opening 220 and a second vertical section has the second channel opening 225.
  • the connecting section is formed, for example, in the area of a surface of the cover element 105 facing away from the floor element 110 and is closed in a fluid-tight manner by a membrane applied to the cover element 105.
  • the Druckumleitkanal 215 is designed to direct the voltage applied to the pressure channel 115 pressure on the film 200 in the region of the fluid container 125, so that the film 200 is deflected. Is it like in Fig. 2 by an overpressure, the film 200 is bulged in the direction of the fluid container 125.
  • the leakage protection unit 100 comprises a first polymer substrate as cover element 105, a second polymer substrate as bottom element 110 and an interposed flexible polymer membrane as film 200.
  • a fluidic access 115 also called pressure channel 115
  • a cavity 205 also called Deckelaus Principleung 205.
  • This is connected to a microfluidic channel 130, which is designed as a resistance channel within the polymer membrane 200 and ends above a channel path 215, also called Druckumleitkanal 215, above the polymer membrane 200.
  • a further cavity as a fluid container 125.
  • the fluid container 125 is part of a diaphragm pump, for example. However, a diaphragm valve or another microfluidic function, which utilizes a deflection of the polymer membrane 200, may also be located at this point.
  • the channel path 215 is capped, for example, by a further polymer layer 220, for example an adhesive film.
  • the resistance channel 130 is designed, for example, in the form of a rectangular channel with dimensions of 50 ⁇ m by 18 ⁇ m by 26 mm. For example, this results in a flow rate of approximately 2.1 ⁇ l per second for air at a differential pressure of 20 kPa. Under the same environmental conditions, the flow rate for water is approximately 0.028 ⁇ l per second. For a switching period of, for example, 100 seconds between the overpressure and the vacuum phase, therefore, a volume of the cavity 205 of 2.8 ⁇ l is sufficient to prevent the liquid from leaving the system.
  • the volume of the cavity 205 can also be formed only through the channel to the pneumatic interface 115.
  • the pneumatic interface 115 may also be referred to as a pressure channel 115.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • Outlet protection unit 100 shown on another bottom recess 300.
  • the further floor recess 300 is arranged opposite the cover recess channel 210, so that the further floor recess 300 forms an extension of the cover recess channel 210.
  • a liquid-absorbing material 305 is introduced, which is formed in order to close the lid recess channel 210 in a liquid-tight manner upon absorption of a liquid emerging from the lid recess 205.
  • Another embodiment of the present invention provides that in front of the pneumatic interface 115, a material 305 is incorporated, which does not hinder a flow of gases. When the material 305 comes in contact with liquids, strong swelling causes the lid recessed channel 210 to close.
  • This embodiment has the particular advantage that an additional safety mechanism prevents leakage of liquids. This increases the reliability of the leakage protection.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the pressure channel 115 at the in Fig. 4 Outlet protection unit 100 shown not formed in the lid member 105, but in the bottom member 110.
  • the leakage protection unit 100 in this case comprises a closure membrane 400, which is arranged in a region of the bottom element 110 between the pressure channel 115 and the lid recess channel 210.
  • the closure membrane 400 is configured to fluidly separate the pressure passage 115 and the lid recess passage 210.
  • the leak protection unit 100 in front of the pneumatic interface 115 as a sealing membrane 400 contains a membrane which is permeable to gases but blocks for liquids. As a result, the reliability of the leakage protection is increased.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • leakage protection unit 100 is the lid recess 205 in Fig. 5 equipped with resistance elements 500 in order to increase the fluidic resistance of the resistance channel 130 in the region of the cover recess 205.
  • the resistive elements 500 are in Fig. 5 on the one hand as elevations on a wall portion of the lid recess 205 opposite the bottom element 110, and on the other hand as recesses in a portion of the film 200 opposite the lid recess 205.
  • the recesses are each arranged laterally offset from the surveys.
  • structures within the polymer membrane 200 and / or structures on the top side of the cavity 205 are formed within the cavity 205.
  • the structures are characterized by edges on which a progressive fluid meniscus experiences resistance due to capillary forces. This is also called capillary stop.
  • a hydrophobic surface coating is also incorporated, such as plasma treated surfaces, fluorinated surfaces, polytetrafluoroethylene (PTFE), wax or paraffin coatings. Both approaches lead to a filling of the cavity 205 is difficult. As a result, the leakage protection is additionally increased.
  • combinations of swelling material 305, liquid-impermeable membrane 400 or capillary stop are also possible.
  • a moisture indicator is deposited within the cavity 205, for example indicator powder which changes color upon contact with liquid.
  • an error case for example by a user or by an optical evaluation, detected within an external control unit and the Result of last test marked as invalid.
  • individual or all polymer layers 105, 110 are made transparent.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a microfluidic device 600 according to an embodiment of the present invention.
  • the microfluidic device 600 has an outlet protection unit 100 and a means 605 for applying the pressure to the pressure channel of the leakage protection unit 100.
  • the means 605 is fluidly connected to the pressure channel for this purpose.
  • the microfluidic device 600 is realized for example as a pressure-driven microfluidic polymer layer system, to which an external control unit is connected as means 605.
  • An embodiment of the present invention includes a high fluidic resistance channel-shaped structure realized on a lab-on-a-chip system as a microfluidic device 600 and extending between pneumatic interfaces to an external control unit, also referred to as means 605, and one controlling microfluidic function is located.
  • a geometry of the channel-shaped structure can be used to set a pressure rise edge, thereby providing a functional extension of the lab-on-a-chip system. This exploits the fact that the fluidic resistance of the same structure is orders of magnitude higher for a liquid due to viscosity In the event of a fault, this leads to the fact that at typical differential pressures of a few 100 mbar to several bar only a very small amount of liquid can escape through the channel-shaped structure in the direction of the pneumatic interface.
  • a volume of the cavity together with the fluidic resistance of the channel-shaped structure can be designed such that it can be used for a process time of from minutes to hours Lab-on-a-chip system is impossible even in the worst case, that the liquid reaches the pneumatic interface and contaminates the external control unit.
  • an error case for example by observing the cavity, by reading electrical signals such as an electrical resistance change or an electrical capacitance change and by depositing a dry indicator powder in the intermediate cavity, which discolors on contact with liquid.
  • the structures necessary for the present invention can be produced using the same manufacturing techniques as the remaining components of the Lab-on-a-Chip system.
  • the costs of a lab-on-a-chip system with corresponding structures are therefore only slightly increased.
  • FIG. 12 shows a flowchart of a method 700 for operating a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a pressure is applied to the pressure channel to control a fluid flow of a fluid in the fluid container.
  • the pneumatic pressure at the inlet 115 is typically periodically switched between positive and negative pressure to deflect the polymer membrane 200 above the cavity 120. It is often desirable to have this process not abruptly, but delayed.
  • the fluidic resistance of the channel 130 can be designed such that it acts as a throttle for gases. In the case of rupture of the polymer membrane 200 within the cavity 120, also called bottom recess 120, liquid can be sucked out of the cavity 120 into the channel path 215 and the channel 130 during the suction phase.
  • the fluid resistance increases by a factor of about 100 in the case of water, for example, whereupon the flow rate in the direction of the pneumatic interface 115 by about the same factor is reduced.
  • the volume of the cavity 205 can now be designed so that the liquid front does not penetrate as far as the pneumatic interface 115 within the intake phase and thus can not enter the external control unit.
  • FIG. 12 shows a flow chart of a method 800 for manufacturing a leak guard unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a step 805 of providing a lid member and a bottom member, in which at least one bottom recess is formed as a fluid container.
  • at least one pressure channel for applying a pressure is formed in the bottom element and / or the cover element.
  • the cover element and the bottom element are joined together. The joining takes place here in such a way that the bottom recess lies opposite the cover element.
  • at least one resistance channel is formed between the lid member and the bottom member to fluidly couple the pressure channel and the fluid container.
  • the resistance channel represents a fluidic resistance that is such that a flow rate of a fluid in the resistance channel is reduced by a predetermined factor.
  • thermoplastics such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclo-polefin polymer (COP) or cyclo-polefin copolymer (COC) can be used for the polymer substrate.
  • PC polycarbonate
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • COP cyclo-polefin polymer
  • COC cyclo-polefin copolymer
  • thermoplastic elastomer thermoplastics or hot-melt adhesive films can be used as material examples for the polymer membrane.
  • material 305 for example, materials can be used which increase their volume upon contact with liquids, such as superabsorbers.
  • Membranes 400 which are permeable to gases but impervious to liquids, such as PTFE membranes, also known under the name Gore-Tex, can be used as sealing membrane 400.
  • the thickness of the polymer substrates can be 0.1 to 10 mm, the channel diameter in the polymer substrates 200 ⁇ m to 3 mm, the thickness of the polymer membrane 5 to 500 ⁇ m, the volume of the cavities 125, 205 1 ⁇ l to 10 ml and the lateral dimensions of the entire embodiment are 10 times 10 mm 2 to 200 times 200 mm 2 .
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Auslaufschutzeinheit (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung. Hierbei umfasst die Auslaufschutzeinheit (100) ein Deckelelement (105) und ein Bodenelement (110), in dem zumindest eine Bodenausnehmung (120) als Fluidbehälter (125) ausgebildet ist, wobei die Bodenausnehmung (120) dem Deckelelement (105) gegenüberliegend angeordnet ist. Ferner umfasst die Auslaufschutzeinheit (100) zumindest einen Druckkanal (115) zum Anlegen eines Drucks, wobei der Druckkanal (115) in dem Bodenelement (110) und/oder dem Deckelelement (105) ausgebildet ist. Zwischen zwischen dem Deckelelement (105) und dem Bodenelement (110) ist zudem zumindest ein Widerstandskanal (130) ausgebildet, um den Druckkanal (115) und den Fluidbehälter (125) fluidisch zu koppeln. Hierbei repräsentiert der Widerstandskanal (130) einen fluidischen Widerstand für ein sich in dem Widerstandskanal (130) befindliches Fluid.

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung, eine mikrofluidische Vorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Auslaufschutzeinheit sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Auslaufschutzeinheit.
  • Mikrofluidische Lab-on-a-chip-Systeme (LOC) werden üblicherweise als Wegwerfbauteile konzipiert und bestehen häufig aus polymeren Schichtsystemen, in denen mikrofluidische Einheitsfunktionen wie Ventile oder Pumpen integriert sind. Solche Funktionen können beispielsweise mithilfe zweier Polymersubstrate, die durch eine flexible Polymermembran getrennt sind, abgebildet werden. In diesem Fall kann die Polymermembran durch pneumatische Drücke ausgelenkt werden, um Flüssigkeit innerhalb des Lab-on-a-chip-Systems zu verschieben oder einen Kanal zu verschließen. Hierfür werden sowohl positive als auch negative Relativdrücke in einer externen Ansteuerungseinheit erzeugt und an das mikrofluidische System weitergegeben.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung, eine mikrofluidische Vorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Auslaufschutzeinheit sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Auslaufschutzeinheit gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Es wird eine Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung vorgestellt, wobei die Auslaufschutzeinheit folgende Merkmale aufweist:
    • ein Deckelelement;
    • ein Bodenelement, in dem zumindest eine Bodenausnehmung als Fluidbehälter ausgebildet ist, wobei die Bodenausnehmung dem Deckelelement gegenüberliegend angeordnet ist;
    • zumindest einen Druckkanal zum Anlegen eines Drucks, wobei der Druckkanal in dem Bodenelement und/oder dem Deckelelement ausgebildet ist; und
    • zumindest einen Widerstandskanal, der zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement ausgebildet ist, um den Druckkanal und den Fluidbehälter fluidisch zu koppeln, wobei der Widerstandskanal einen fluidischen Widerstand für ein sich in dem Widerstandskanal befindliches Fluid darstellt.
  • Unter einer mikrofluidischen Vorrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung zum Aufbereiten, Vervielfältigen und/oder Analysieren eines biochemischen Materials wie beispielsweise Nukleinsäuren, Proteinen und Zellen verstanden werden. Unter einem Deckelelement und einem Bodenelement kann je eine Schicht verstanden werden, die beispielsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Polymer, gefertigt ist. Unter einer Bodenausnehmung kann beispielsweise eine Vertiefung in dem Bodenelement verstanden werden. Die Bodenausnehmung kann als Fluidbehälter ausgebildet sein und mit einem Fluid befüllt sein. Unter einem Fluid kann beispielsweise eine das biochemische Material enthaltende Flüssigkeit verstanden werden. Unter einem fluidischen Widerstand, auch Strömungswiderstand genannt, kann eine Dämpfungscharakteristik des Widerstandskanals verstanden werden, durch die eine Flussrate eines in dem Widerstandskanal befindlichen Fluids verringert wird. Durch den fluidischen Widerstand kann ein sich in der mikrofluidischen Vorrichtung befindliches Fluid, beispielsweise eine oder mehrere Flüssigkeiten, zurückgehalten werden. Beispielsweise kann der Widerstandskanal einen fluidischen Widerstand repräsentieren, durch den die Flussrate des Fluids, im Vergleich zu einer Ausführungsform ohne Widerstandskanal, um einen Faktor von 50 bis 150 oder 75 bis 125 verringert wird. Somit kann der Widerstandskanal einen fluidischen Widerstand repräsentieren, der derart ist, dass eine Flussrate eines in dem Widerstandskanal befindlichen Fluids um einen vorbestimmten Faktor verringert wird.
  • Der beschriebene Ansatz kann auf einer Verwendung eines Strömungswiderstands zum Zurückhalten von Flüssigkeiten in der Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Chips, basieren.
  • Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Lab-on-a-chip-System an eine druckerzeugende Ansteuerungseinheit angeschlossen sein kann. Speziell in Verbindung mit negativen Relativdrücken kann hierbei die Gefahr bestehen, dass Flüssigkeit aus dem Lab-on-a-chip-System in die Ansteuerungseinheit gezogen und diese dadurch kontaminiert wird. Vorteilhafterweise kann ein Kanal zwischen einem Flüssigkeitsbehälter des Lab-on-a-chip-Systems und einem Druckanschluss des Lab-on-a-chip-Systems mit einem so hohen fluidischen Widerstand ausgeführt sein, dass ein Rücklauf der Flüssigkeit in Richtung des Druckanschlusses verhindert wird.
  • Mittels des vorliegenden Ansatzes können hohe Kosten, die durch eine eventuelle Dekontamination der Ansteuerungseinheit durch Austausch von Bauteilen und Ausfallszeiten entstehen können, vermieden werden. Ferner bietet der vorliegende Ansatz den Vorteil einer hohen Zuverlässigkeit, da sich im Störungsfall kein Analyt in der Ansteuerungseinheit verteilen kann und somit ein Risiko fehlerhafter Resultate, insbesondere falsch positiver Ergebnisse, auf einem nachfolgenden Lab-on-a-chip-System reduziert werden kann. Schließlich kann durch den vorliegenden Ansatz auch ein Risiko gesundheitlicher Gefährdungen durch austretende Flüssigkeiten gesenkt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann der Druckkanal als Durchgangsöffnung in dem Bodenelement und/oder dem Deckelelement ausgebildet sein. Hierbei kann die Bodenausnehmung ferner seitlich versetzt zur Durchgangsöffnung angeordnet sein. Dadurch kann eine kostengünstige und effiziente Schnittstelle zum Einleiten des Drucks bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann der fluidische Widerstand durch eine Querschnittsform und/oder einen Durchmesser und/oder eine Länge des Widerstandskanals vorgegeben sein. Dadurch kann der fluidische Widerstand sehr genau an unterschiedliche Bedingungen wie Art des Fluids oder Höhe des anliegenden Drucks angepasst werden.
  • Des Weiteren kann eine Folie zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement angeordnet sein. Hierbei kann die Folie den Widerstandskanal aufweisen. Unter einer Folie kann ein flächiges flexibles Element wie beispielsweise eine Kunststofflage verstanden werden. Die Folie kann dabei beispielsweise fluidundurchlässig sein. Durch diese Ausführungsform kann der Widerstandskanal besonders kostengünstig realisiert werden. Ferner können dadurch unterschiedlichste Geometrien des Widerstandskanals mit geringem Fertigungs- und Kostenaufwand realisiert werden.
  • Die Folie kann ferner im Bereich des Fluidbehälters angeordnet sein. Hierbei kann die Folie den Fluidbehälter fluiddicht verschließen. Dadurch kann ein Austreten eines in dem Fluidbehälter befindlichen Fluids verhindert werden. Ferner kann die Folie beispielsweise durch den an der Durchgangsöffnung anliegenden Druck ausgelenkt werden, um einen Fluidstrom zu steuern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann zumindest eine Deckelausnehmung als Komponente des Widerstandskanals in dem Deckelelement ausgebildet sein, um ein Volumen des Widerstandskanals zu erhöhen. Unter einer Deckelausnehmung kann eine Vertiefung in dem Deckelelement verstanden werden. Die Deckelausnehmung kann insbesondere bei Anlegen eines Unterdrucks am Druckkanal als Fluidpuffer dienen, um ein durch den Widerstandskanal angesaugtes Fluid aufzufangen und so ein Auslaufen des Fluids durch den Druckkanal zu verhindern.
  • Darüber hinaus kann die Folie im Bereich der Deckelausnehmung und/oder die Deckelausnehmung zumindest ein Widerstandselement und/oder eine hydrophobe Schicht aufweisen, um den fluidischen Widerstand zu erhöhen. Unter einem Widerstandselement kann beispielsweise eine quer zum Widerstandskanal angeordnete Rille oder Kante verstanden werden. Unter einer hydrophoben Schicht kann beispielsweise eine Wachs- oder Paraffinschicht verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann ein Befüllen der Deckelausnehmung mit dem Fluid kontrolliert verzögert werden.
  • Ferner kann die Deckelausnehmung ein Indikatormaterial zum Identifizieren einer Flüssigkeit aufweisen. Unter einem Indikatormaterial kann ein Material verstanden werden, das bei Kontakt mit einer Flüssigkeit eine Zustandsänderung erfährt. Beispielsweise kann sich das Indikatormaterial hierbei verfärben. Dies ermöglicht eine frühzeitige und zuverlässige Erkennung von Undichtigkeiten in einem mikrofluidischen System.
  • In dem Deckelelement kann zumindest ein Druckumleitkanal mit einer ersten Kanalöffnung und einer zweiten Kanalöffnung ausgebildet sein. Hierbei kann die erste Kanalöffnung dem Fluidbehälter gegenüberliegend angeordnet sein und die zweite Kanalöffnung mit dem Widerstandskanal fluidisch gekoppelt und/oder koppelbar sein. Dadurch kann kontrolliert Druck auf die Folie ausgeübt werden, um die Folie auszulenken. Dadurch kann beispielsweise ein Ventil- und/oder Pumpmechanismus realisiert werden.
  • Zudem kann zumindest ein Teilabschnitt des Widerstandskanals ein flüssigkeitsabsorbierendes Material aufweisen, das ausgebildet ist, um bei Absorption einer Flüssigkeit den Widerstandskanal flüssigkeitsdicht zu verschließen. Bei dem flüssigkeitsabsorbierenden Material kann es sich beispielsweise um ein fasriges Material handeln, das sich bei Absorption der Flüssigkeit derart vergrößert, dass der Widerstandskanal flüssigkeitsdicht verschlossen wird. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Auslaufschutzeinheit weiter erhöht werden.
  • Das flüssigkeitsabsorbierende Material kann zwischen der Deckelausnehmung und dem Druckkanal angeordnet sein. Dadurch kann ein Auslaufen des Fluids durch den Druckkanal verhindert werden, falls die Deckelausnehmung überläuft.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann eine Verschlussmembran zwischen dem Widerstandskanal und dem Druckkanal ausgebildet sein, um den Druckkanal flüssigkeitsdicht zu verschließen. Unter einer Verschlussmembran kann ein flächiges flexibles Element wie beispielsweise eine Kunststofflage verstanden werden. Die Verschlussmembran kann beispielsweise gasdurchlässig, aber flüssigkeitsundurchlässig sein. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Auslaufschutzeinheit unabhängig von dem fluidischen Widerstand des Widerstandskanals oder einem Volumen der Deckelausnehmung sichergestellt werden.
  • Der vorliegende Ansatz schafft ferner eine mikrofluidische Vorrichtung mit folgenden Merkmalen:
    • einer Auslaufschutzeinheit gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen; und
    • einem Mittel zum Anlegen des Drucks am Druckkanal der Auslaufschutzeinheit.
  • Unter einem Mittel zum Anlegen des Drucks kann beispielsweise eine Pumpe verstanden werden, die ausgebildet ist, um einen Überdruck und/oder Unterdruck im Druckkanal zu erzeugen.
  • Des Weiteren schafft der vorliegende Ansatz ein Verfahren zum Betreiben einer Auslaufschutzeinheit gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • Anlegen des Drucks am Druckkanal, um einen Fluidstrom eines in dem Fluidbehälter befindlichen Fluids zu steuern.
  • Beispielsweise kann der Fluidstrom sehr effizient gesteuert werden, wenn im Schritt des Anlegens ein in bestimmten Zeitintervallen alternierender Druck am Druckkanal anliegt.
  • Schließlich schafft der vorliegende Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Auslaufschutzeinheit gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
  • Bereitstellen eines Deckelelements und eines Bodenelements, in dem zumindest eine Bodenausnehmung als Fluidbehälter ausgebildet ist, wobei in dem Bodenelement und/oder dem Deckelelement zumindest ein Druckkanal zum Anlegen eines Drucks ausgebildet ist;
  • Zusammenfügen des Deckelelements und des Bodenelements, wobei das Zusammenfügen derart erfolgt, dass die Bodenausnehmung dem Deckelelement gegenüberliegt; und
  • Bilden zumindest eines Widerstandskanals zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement, um den Druckkanal und den Fluidbehälter fluidisch zu koppeln, wobei der Widerstandskanal einen fluidischen Widerstand für ein sich in dem Widerstandskanal befindliches Fluid repräsentiert.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 6
    eine schematische Darstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 7
    ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
    Fig. 8
    ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Auslaufschutzeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Auslaufschutzeinheit 100 weist ein Deckelelement 105 und ein Bodenelement 110 auf. In dem Deckelelement 105 ist ein Druckkanal 115 zum Anlegen eines Drucks ausgebildet. In dem Bodenelement 110 ist eine Bodenausnehmung 120 als ein Fluidbehälter 125 ausgebildet. Die Bodenausnehmung 120 ist dem Deckelelement 105 gegenüberliegend angeordnet. Zwischen dem Deckelelement 105 und dem Bodenelement 110 ist ein Widerstandskanal 130 ausgebildet, um den Druckkanal 115 und den Fluidbehälter 125 fluidisch zu koppeln. Hierbei repräsentiert der Widerstandskanal 130 einen fluidischen Widerstand, der derart ist, dass eine Flussrate eines in dem Widerstandskanal 130 befindlichen Fluids um einen vorbestimmten Faktor verringert wird und ein Auslaufen des Fluids über den Druckkanal 115 verhindert wird. Der Kanal 130 kann entweder in der Schicht 105 oder in der Schicht 110 ausgenommen sein.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Druckkanal 115 als Durchgangsöffnung in dem Deckelelement 105 ausgebildet. Hierbei ist die Bodenausnehmung 120 ferner seitlich versetzt zur Durchgangsöffnung angeordnet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Fluidbehälter 125 in die Zeichenebene hinein, also beispielsweise quer zu einer Längserstreckungsrichtung des Kanals 130, mit einem fluidischen Netzwerk verbunden. Durch das fluidische Netzwerk kann der Behälter 125 im regulären Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung befüllt und entleert werden.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu Fig. 1 weist die in Fig. 2 gezeigte Auslaufschutzeinheit 100 zusätzlich eine Folie 200 auf, die zwischen dem Deckelelement 105 und dem Bodenelement 110 angeordnet ist. Hierbei ist der Widerstandskanal 130 in der Folie 200 ausgebildet. Ferner ist der Fluidbehälter 125 durch die Folie 200 fluiddicht verschlossen. Des Weiteren weist das Deckelelement 105 eine Deckelausnehmung 205 als Komponente des Widerstandskanals 130 auf. Die Deckelausnehmung 205 ist über einen in dem Deckelelement 105 ausgebildeten Deckelausnehmungskanal 210 als weitere Komponente des Widerstandskanals 130 mit dem Druckkanal 115 fluidisch gekoppelt.
  • Die Deckelausnehmung 205 ist ausgebildet, um insbesondere bei Anlegen eines Unterdrucks am Druckkanal 115 ein über den Widerstandskanal 130 angesaugtes Fluid aufzufangen und so ein Austreten des Fluids durch den Druckkanal 115 zu verhindern.
  • Ferner umfasst das Deckelelement 105 einen Druckumleitkanal 215 mit einer ersten Kanalöffnung 220 und einer zweiten Kanalöffnung 225. Hierbei ist die erste Kanalöffnung 220 dem Fluidbehälter 125 gegenüberliegend angeordnet und die zweite Kanalöffnung 225 mit dem Widerstandskanal 130 fluidisch gekoppelt.
  • In Fig. 2 umfasst der Druckumleitkanal 215 beispielhaft zwei senkrecht zum Bodenelement 110 angeordnete Abschnitte sowie einen längs zum Bodenelement 110 angeordneten Verbindungsabschnitt zum Verbinden der senkrechten Abschnitte. Hierbei weist ein erster senkrechter Abschnitt die erste Kanalöffnung 220 und ein zweiter senkrechter Abschnitt die zweite Kanalöffnung 225 auf. Der Verbindungsabschnitt ist beispielsweise im Bereich einer vom Bodenelement 110 abgewandten Oberfläche des Deckelelements 105 ausgebildet und durch eine auf das Deckelelement 105 aufgebrachte Membran fluiddicht verschlossen.
  • Der Druckumleitkanal 215 ist ausgebildet, um den am Druckkanal 115 anliegenden Druck auf die Folie 200 im Bereich des Fluidbehälters 125 zu leiten, sodass die Folie 200 ausgelenkt wird. Handelt es sich wie in Fig. 2 um einen Überdruck, so wird die Folie 200 in Richtung des Fluidbehälters 125 ausgewölbt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Auslaufschutzeinheit 100 ein erstes Polymersubstrat als Deckelelement 105, ein zweites Polymersubstrat als Bodenelement 110 und eine dazwischenliegende flexible Polymermembran als Folie 200. Innerhalb der Polymersubstrate 105, 110 sind Kanäle und Kavitäten ausgeformt, wie ein fluidischer Zugang 115, auch Druckkanal 115 genannt, und eine Kavität 205, auch Deckelausnehmung 205 genannt. Diese ist mit einem mikrofluidischen Kanal 130 verbunden, der innerhalb der Polymermembran 200 als Widerstandskanal ausgeführt ist und über eine Kanalstrecke 215, auch Druckumleitkanal 215 genannt, oberhalb der Polymermembran 200 endet. An dieser Stelle befindet sich unterhalb der Polymermembran 200 eine weitere Kavität als Fluidbehälter 125. Der Fluidbehälter 125 ist beispielsweise Teil einer Membranpumpe. An dieser Stelle kann sich jedoch auch ein Membranventil befinden oder eine andere mikrofluidische Funktion, die eine Auslenkung der Polymermembran 200 ausnutzt. Die Kanalstrecke 215 ist beispielsweise durch eine weitere Polymerschicht 220, etwa einer Klebefolie, gedeckelt.
  • Der Widerstandskanal 130 ist beispielsweise in Form eines rechteckigen Kanals mit den Abmessungen 50 µm mal 18 µm mal 26 mm ausgeführt. Hierbei ergibt sich beispielsweise für Luft eine Flussrate von ca. 2,1 µl pro Sekunde bei einem Differenzdruck von 20 kPa. Unter gleichen Umgebungsbedingungen beträgt die Flussrate für Wasser ca. 0,028 µl pro Sekunde. Für eine Umschaltdauer von beispielsweise 100 Sekunden zwischen Über- und Unterdruckphase genügt deshalb ein Volumen der Kavität 205 von 2,8 µl, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit das System verlässt.
  • Für höhere Umschaltfrequenzen kann das Volumen der Kavität 205 auch nur durch den Kanal zur pneumatischen Schnittstelle 115 ausgebildet sein. Die pneumatische Schnittstelle 115 kann auch als Druckkanal 115 bezeichnet werden.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu Fig. 2 weist die in Fig. 3 gezeigte Auslaufschutzeinheit 100 eine weitere Bodenausnehmung 300 auf. Die weitere Bodenausnehmung 300 ist dem Deckelausnehmungskanal 210 gegenüberliegend angeordnet, sodass die weitere Bodenausnehmung 300 eine Erweiterung des Deckelausnehmungskanals 210 bildet. In die weitere Bodenausnehmung 300 ist ein flüssigkeitsabsorbierendes Material 305 eingebracht, das ausgebildet ist, um bei Absorption einer aus der Deckelausnehmung 205 austretenden Flüssigkeit den Deckelausnehmungskanal 210 flüssigkeitsdicht zu verschließen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass vor der pneumatischen Schnittstelle 115 ein Material 305 eingearbeitet ist, das einen Fluss von Gasen nicht behindert. Kommt das Material 305 in Kontakt mit Flüssigkeiten, so führt ein starkes Quellen zum Verschließen des Deckelausnehmungskanals 210.
  • Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass ein zusätzlicher Sicherheitsmechanismus ein Entweichen von Flüssigkeiten verhindert. Damit wird die Zuverlässigkeit des Auslaufschutzes erhöht.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den vorangehend beschriebenen Figuren 1 bis 3 ist der Druckkanal 115 bei der in Fig. 4 gezeigten Auslaufschutzeinheit 100 nicht im Deckelelement 105, sondern im Bodenelement 110 ausgebildet. Ferner umfasst die Auslaufschutzeinheit 100 hierbei eine Verschlussmembran 400, die in einem Bereich des Bodenelements 110 zwischen dem Druckkanal 115 und dem Deckelausnehmungskanal 210 angeordnet ist. Die Verschlussmembran 400 ist ausgebildet, um den Druckkanal 115 und den Deckelausnehmungskanal 210 fluidisch zu trennen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält die Auslaufschutzeinheit 100 vor der pneumatischen Schnittstelle 115 als Verschlussmembran 400 eine Membran, die für Gase durchlässig ist, für Flüssigkeiten jedoch sperrt. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Auslaufschutzes erhöht.
  • Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Auslaufschutzeinheit 100 ist die Deckelausnehmung 205 in Fig. 5 mit Widerstandselementen 500 ausgestattet, um den fluidischen Widerstand des Widerstandskanals 130 im Bereich der Deckelausnehmung 205 zu erhöhen. Die Widerstandselemente 500 sind in Fig. 5 zum einen als Erhebungen an einem dem Bodenelement 110 gegenüberliegenden Wandbereich der Deckelausnehmung 205, zum anderen als Aussparungen in einem der Deckelausnehmung 205 gegenüberliegenden Teilabschnitt der Folie 200 ausgebildet. Hierbei sind die Aussparungen je seitlich versetzt zu den Erhebungen angeordnet.
  • Dadurch ergibt sich eine Struktur, die als Kapillarstopp fungiert und einem zu schnellen Befüllen der Deckelausnehmung 205 mit dem Fluid entgegenwirkt.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind innerhalb der Kavität 205 Strukturen innerhalb der Polymermembran 200 und/oder Strukturen auf der Oberseite der Kavität 205 ausgebildet. Die Strukturen zeichnen sich durch Kanten aus, an denen ein fortschreitender Flüssigkeitsmeniskus durch Kapillarkräfte einen Widerstand erfährt. Dies wird auch als Kapillarstopp bezeichnet. Alternativ wird innerhalb der Kavität 205 auch eine hydrophobe Oberflächenbeschichtung eingebracht, wie beispielsweise mit Plasma behandelte Oberflächen, fluorierte Oberflächen, Polytetrafluorethylen (PTFE), Wachs oder Paraffinbeschichtungen. Beide Ansätze führen dazu, dass ein Befüllen der Kavität 205 erschwert wird. Hierdurch wird der Auslaufschutz zusätzlich erhöht.
  • Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind auch Kombinationen aus quellendem Material 305, flüssigkeitsundurchlässiger Membran 400 oder Kapillarstopp möglich.
  • In einer Auslaufschutzeinheit 100 ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel innerhalb der Kavität 205 ein Nässeindikator hinterlegt, beispielsweise Indikatorpulver, das bei Kontakt mit Flüssigkeit seine Farbe ändert. Hierdurch kann ein Fehlerfall, beispielsweise durch einen Anwender oder durch eine optische Auswertung, innerhalb einer externen Steuereinheit detektiert und das Ergebnis des letzten Tests als ungültig markiert werden. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn einzelne oder alle Polymerschichten 105, 110 transparent ausgeführt sind.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die mikrofluidische Vorrichtung 600 weist eine Auslaufschutzeinheit 100 sowie ein Mittel 605 zum Anlegen des Drucks am Druckkanal der Auslaufschutzeinheit 100 auf. Das Mittel 605 ist hierzu mit dem Druckkanal fluidisch verbunden. Die mikrofluidische Vorrichtung 600 ist beispielsweise als druckgetriebenes mikrofluidisches Polymerschichtsystem realisiert, an das eine externe Steuerungseinheit als Mittel 605 angeschlossen ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine kanalförmige Struktur mit hohem fluidischen Widerstand, die auf einem Lab-on-a-chip-System als mikrofluidischer Vorrichtung 600 realisiert wird und sich zwischen pneumatischen Schnittstellen zu einer externen Steuereinheit, auch Mittel 605 genannt, und einer zu steuernden mikrofluidischen Funktion befindet. Eine Geometrie der kanalförmigen Struktur kann zum Einstellen einer Druckanstiegsflanke verwendet werden und stellt dadurch eine Funktionserweiterung des Lab-on-a-chip-Systems dar. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass der fluidische Widerstand der gleichen Struktur für eine Flüssigkeit viskositätsbedingt um Größenordnungen höher ist, beispielsweise etwa um den Faktor 100. Im Fehlerfall führt dies dazu, dass bei typischen Differenzdrücken von wenigen 100 mBar bis mehreren Bar nur eine sehr geringe Menge Flüssigkeit durch die kanalförmige Struktur in Richtung der pneumatischen Schnittstelle entweichen kann. Wird zusätzlich eine Kavität, etwa in Form der Deckelausnehmung, zwischen der kanalförmigen Struktur und der pneumatischen Schnittstelle angelegt, lässt sich ein Volumen der Kavität zusammen mit dem fluidischen Widerstand der kanalförmigen Struktur derart auslegen, dass es während einer von Minuten bis wenigen Stunden dauernden Prozesszeit des Lab-on-a-chip-Systems auch im ungünstigsten Fall unmöglich ist, dass die Flüssigkeit die pneumatische Schnittstelle erreicht und die externe Ansteuereinheit kontaminiert.
  • Vorteilhafterweise können dadurch Kosten für aufwendige Reparaturen und Ausfallzeiten der externen Steuereinheit vermieden werden.
  • Da sichergestellt ist, dass keine Flüssigkeiten aus dem Lab-on-a-chip-System entweichen, ist außerdem ein Gesundheitsrisiko für bedienendes Personal durch Kontamination der Ansteuereinheit ausgeschlossen.
  • Ferner wird eine Erkennung eines Fehlerfalls ermöglicht, etwa durch Betrachten der Kavität, durch Auslesen elektrischer Signale wie einer elektrischen Widerstandsänderung oder einer elektrischen Kapazitätsänderung sowie durch Hinterlegen eines trockenen Indikatorpulvers in der zwischengeschalteten Kavität, das sich bei Kontakt mit Flüssigkeit verfärbt.
  • Die für die vorliegende Erfindung notwendigen Strukturen können mit den gleichen Herstellungstechniken wie die restlichen Komponenten des Lab-on-a-chip-Systems erzeugt werden. Die Kosten eines Lab-on-a-chip-Systems mit entsprechenden Strukturen werden deshalb nur geringfügig erhöht.
  • Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Betreiben einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird in einem Schritt 705 ein Druck am Druckkanal angelegt, um einen Fluidstrom eines in dem Fluidbehälter befindlichen Fluids zu steuern.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Betrieb der pneumatische Druck am Zugang 115 typischerweise periodisch zwischen Über- und Unterdruck umgeschaltet, um die Polymermembran 200 oberhalb der Kavität 120 auszulenken bzw. anzudrücken. Hierbei ist es häufig erwünscht, diesen Vorgang nicht schlagartig, sondern verzögert ablaufen zu lassen. Hierzu kann der fluidische Widerstand des Kanals 130 derart ausgelegt werden, dass dieser als Drossel für Gase wirkt. Im Fall eines Reißens der Polymermembran 200 innerhalb der Kavität 120, auch Bodenausnehmung 120 genannt, kann während der Ansaugphase Flüssigkeit aus der Kavität 120 in die Kanalstrecke 215 und den Kanal 130 angesaugt werden. Bei gleichem Querschnitt und Länge des Kanals 130 erhöht sich der fluidische Widerstand beispielhaft im Fall von Wasser um einen Faktor von ca. 100, worauf entsprechend die Flussrate in Richtung der pneumatischen Schnittstelle 115 um etwa den gleichen Faktor verringert wird. Das Volumen der Kavität 205 kann nun so ausgelegt werden, dass die Flüssigkeitsfront innerhalb der Ansaugphase nicht bis zur pneumatischen Schnittstelle 115 vordringt und damit auch nicht in die externe Steuereinheit gelangen kann.
  • Fig. 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Herstellen einer Auslaufschutzeinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zunächst erfolgt ein Schritt 805 des Bereitstellens eines Deckelelements und eines Bodenelements, in dem zumindest eine Bodenausnehmung als Fluidbehälter ausgebildet ist. Hierbei ist in dem Bodenelement und/oder dem Deckelelement zumindest ein Druckkanal zum Anlegen eines Drucks ausgebildet. In einem weiteren Schritt 810 werden das Deckelelement und das Bodenelement zusammengefügt. Das Zusammenfügen erfolgt hierbei derart, dass die Bodenausnehmung dem Deckelelement gegenüberliegt. Schließlich wird in einem Schritt 815 zumindest ein Widerstandskanal zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement gebildet, um den Druckkanal und den Fluidbehälter fluidisch zu koppeln. Hierbei repräsentiert der Widerstandskanal einen fluidischen Widerstand, der derart ist, dass eine Flussrate eines in dem Widerstandskanal befindlichen Fluids um einen vorbestimmten Faktor verringert wird.
  • Als Materialbeispiele können für das Polymersubstrat Thermoplaste wie etwa Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cyclo-Polefin-Polymer (COP) oder Cyclo-Polefin-Copolymer (COC) eingesetzt werden.
  • Als Materialbeispiele für die Polymermembran können Elastomer, thermoplastisches Elastomer, Thermoplaste oder Heißklebefolien eingesetzt werden.
  • Für das Material 305 können beispielsweise Materialien eingesetzt werden, die bei Kontakt mit Flüssigkeiten ihr Volumen vergrößern, wie etwa Superabsorber.
  • Als Verschlussmembran 400 können Membranen eingesetzt werden, die für Gase durchlässig, aber für Flüssigkeiten undurchlässig sind, wie etwa PTFE-Membranen, auch unter dem Namen Gore-Tex bekannt.
  • Als beispielhafte Abmessungen der Ausführungsbeispiele können die Dicke der Polymersubstrate 0,1 bis 10 mm, der Kanaldurchmesser in den Polymersubstraten 200 µm bis 3 mm, die Dicke der Polymermembran 5 bis 500 um, das Volumen der Kavitäten 125, 205 1 µl bis 10 ml und die lateralen Abmessungen des gesamten Ausführungsbeispiels 10 mal 10 mm2 bis 200 mal 200 mm2 betragen.
  • Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
  • Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine "und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims (15)

  1. Auslaufschutzeinheit (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung (600), wobei die Auslaufschutzeinheit (100) folgende Merkmale aufweist:
    ein Deckelelement (105);
    ein Bodenelement (110), in dem zumindest eine Bodenausnehmung (120) als Fluidbehälter (125) ausgebildet ist, wobei die Bodenausnehmung (120) dem Deckelelement (105) gegenüberliegend angeordnet ist;
    zumindest einen Druckkanal (115) zum Anlegen eines Drucks, wobei der Druckkanal (115) in dem Bodenelement (110) und/oder dem Deckelelement (105) ausgebildet ist; und
    zumindest einen Widerstandskanal (130), der zwischen dem Deckelelement (105) und dem Bodenelement (110) ausgebildet ist, um den Druckkanal (115) und den Fluidbehälter (125) fluidisch zu koppeln, wobei der Widerstandskanal (130) einen fluidischen Widerstand für ein sich in dem Widerstandskanal (130) befindliches Fluid darstellt.
  2. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (115) als Durchgangsöffnung in dem Bodenelement (110) und/oder dem Deckelelement (105) ausgebildet ist, wobei die Bodenausnehmung (120) ferner seitlich versetzt zur Durchgangsöffnung angeordnet ist.
  3. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Widerstand durch eine Querschnittsform und/oder einen Durchmesser und/oder eine Länge des Widerstandskanals (130) vorgegeben ist.
  4. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (200) zwischen dem Deckelelement (105) und dem Bodenelement (110) angeordnet ist, wobei die Folie (200) den Widerstandskanal (130) aufweist.
  5. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (200) ferner im Bereich des Fluidbehälters (125) angeordnet ist, wobei die Folie (200) den Fluidbehälter (125) fluiddicht verschließt.
  6. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Deckelausnehmung (205) als Komponente des Widerstandskanals (130) in dem Deckelelement (105) ausgebildet ist, um ein Volumen des Widerstandskanals (130) zu erhöhen.
  7. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (200) im Bereich der Deckelausnehmung (205) und/oder die Deckelausnehmung (205) zumindest ein Widerstandselement (500) und/oder eine hydrophobe Schicht aufweist, um den fluidischen Widerstand zu erhöhen.
  8. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelausnehmung (205) ein Indikatormaterial zum Identifizieren einer Flüssigkeit aufweist.
  9. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Druckumleitkanal (215) mit einer ersten Kanalöffnung (220) und einer zweiten Kanalöffnung (225) in dem Deckelelement (105) ausgebildet ist, wobei die erste Kanalöffnung (220) dem Fluidbehälter (125) gegenüberliegend angeordnet ist und die zweite Kanalöffnung (225) mit dem Widerstandskanal (130) fluidisch gekoppelt und/oder koppelbar ist.
  10. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilabschnitt des Widerstandskanals (130) ein flüssigkeitsabsorbierendes Material (305) aufweist, das ausgebildet ist, um bei Absorption einer Flüssigkeit den Widerstandskanal (130) flüssigkeitsdicht zu verschließen.
  11. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitsabsorbierende Material (305) zwischen der Deckelausnehmung (205) und dem Druckkanal (115) angeordnet ist.
  12. Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschlussmembran (400) zwischen dem Widerstandskanal (130) und dem Druckkanal (115) ausgebildet ist, um den Druckkanal (115) flüssigkeitsdicht zu verschließen.
  13. Mikrofluidische Vorrichtung (600) mit folgenden Merkmalen:
    einer Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und
    einem Mittel (605) zum Anlegen des Drucks am Druckkanal (115) der Auslaufschutzeinheit (100).
  14. Verfahren (700) zum Betreiben einer Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst:
    Anlegen (705) des Drucks am Druckkanal (115), um einen Fluidstrom eines in dem Fluidbehälter (125) befindlichen Fluids zu steuern.
  15. Verfahren (800) zum Herstellen einer Auslaufschutzeinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren (800) folgende Schritte umfasst:
    Bereitstellen (805) eines Deckelelements (105) und eines Bodenelements (110), in dem zumindest eine Bodenausnehmung (120) als Fluidbehälter (125) ausgebildet ist, wobei in dem Bodenelement (110) und/oder dem Deckelelement (105) zumindest ein Druckkanal (115) zum Anlegen eines Drucks ausgebildet ist;
    Zusammenfügen (810) des Deckelelements (105) und des Bodenelements (110), wobei das Zusammenfügen (810) derart erfolgt, dass die Bodenausnehmung (120) dem Deckelelement (105) gegenüberliegt; und
    Bilden (815) zumindest eines Widerstandskanals (130) zwischen dem Deckelelement (105) und dem Bodenelement (110), um den Druckkanal (115) und den Fluidbehälter (125) fluidisch zu koppeln, wobei der Widerstandskanal (130) einen fluidischen Widerstand für ein sich in dem Widerstandskanal (130) befindliches Fluid darstellt.
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