EP2862630B1

EP2862630B1 - Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung und entsprechende mikrofluidische Vorrichtung

Info

Publication number: EP2862630B1
Application number: EP14186087.4A
Authority: EP
Inventors: Thomas BRETTSCHNEIDER; Franz Laermer; Jochen Rupp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2021-02-17
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: EP2862630A1; DE102013220445A1; DE102013220445B4

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung und eine mikrofluidische Vorrichtung.
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-ona-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.
Die US2007/0000613 offenbart eine mikrofluidische Vorrichtung mit zwei Elementen, einer Ausnehmung, einer Durchgangsöffnung und einem Kanal, der die Ausnehmung mit der Durchgangsöffnung verbindet.
Die US200870008628 offenbart eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem unteren und einem oberen Substrat, wobei in dem unteren Substrat eine Kammer und in dem oberen Substrat ein Kanal ausgeformt ist.
Die DE10 2010 028 524 A1 offenbart ein mikrofluidisches Bauteil, umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat, einem Ansteuerungssubstrat und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran.
Die WO 02/41994 A2 offenbart ein Prüfgerät zum Durchführen einer chemischen Prüfung eines Fluids. Das Prüfgerät weist eine Membran auf, die zwischen einer oberen und einer unteren Kavitäten angeordnet ist und eine Durchgangsöffnung aufweist.
Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung und eine mikrofluidische Vorrichtung 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 ist eine Folie zwischen dem Deckelelement und dem Bodenelement angeordnet. Hierbei weist die Folie den Widerstandskanal auf. 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 verschließt den Fluidbehälter fluiddicht. 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 der Erfindung ist zumindest eine Deckelausnehmung als Komponente des Widerstandskanals in dem Deckelelement ausgebildet 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 weist die Folie im Bereich der Deckelausnehmung und/oder die Deckelausnehmung zumindest ein Widerstandselement und/oder eine hydrophobe Schicht auf, 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;
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. 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 µm, 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.
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

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;

eine Folie (200), die zwischen dem Deckelelement (105) und dem Bodenelement (110) angeordnet ist und den Fluidbehälter (125) fluiddicht verschließt;

zumindest einen Druckkanal (115) zum Anlegen eines periodisch zwischen Über- und Unterdruck umschaltenden pneumatischen Drucks zum Auslenken und Andrücken der Folie (200), 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 die Folie (200) fluidisch zu koppeln, wobei der Widerstandskanal (130) einen fluidischen Widerstand für ein sich in dem Widerstandskanal (130) befindliches Fluid darstellt;

dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (200) den Widerstandskanal (130) aufweist und zumindest eine Deckelausnehmung (205) als Komponente des Widerstandskanals (130) in dem Deckelelement (105) ausgebildet ist, um ein Volumen des Widerstandskanals (130) zu erhöhen, wobei ein Volumen der Deckelausnehmung (205) 1 µl bis 10 ml beträgt und so ausgelegt ist, dass im Fall eines Reißens der Folie (200) eine Flüssigkeitsfront innerhalb der Ansaugphase nicht bis zu dem Druckkanal (115) vordringt, und wobei die Folie (200) im Bereich der Deckelausnehmung (205) und/oder die Deckelausnehmung (205) Widerstandselemente (500) zum Ausformen einer als Kapillarstopp fungierenden Struktur und/oder eine hydrophobe Schicht aufweist, um den fluidischen Widerstand zu erhöhen, wobei der fluidische Widerstand als Drossel für Gase wirkt.
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.
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.
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.
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.
Auslaufschutzeinheit (100) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssigkeitsabsorbierende Material (305) zwischen der Deckelausnehmung (205) und dem Druckkanal (115) angeordnet ist.
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.
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).