EP2862630B1 - Leakage protection unit for a microfluidic device and corresponding microfluidic device - Google Patents
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Definitions
- the WO 02/41994 A2 discloses a test device for performing chemical testing of a fluid.
- the testing device has a membrane which is arranged between an upper and a lower cavity and has a through opening.
- At least a partial section of the resistance channel can have a liquid-absorbing material which is designed to close the resistance channel in a liquid-tight manner when a liquid is absorbed.
- the liquid-absorbing material can be, for example, a fibrous material that increases in size when the liquid is absorbed in such a way that the resistance channel is closed in a liquid-tight manner. This can further increase the reliability of the leakage protection unit.
- the liquid-absorbing material can be arranged between the cover recess and the pressure channel. This can prevent the fluid from leaking through the pressure channel if the cover recess overflows.
- a sealing membrane can be formed between the resistance channel and the pressure channel in order to close the pressure channel in a liquid-tight manner.
- a flat flexible element such as for example a plastic layer can be understood.
- the sealing membrane can, for example, be gas-permeable but liquid-impermeable.
- Fig. 1 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100.
- the leakage protection unit 100 has a cover element 105 and a base element 110.
- a pressure channel 115 for applying pressure is formed in the cover element 105.
- a base recess 120 is formed in the base element 110 as a fluid container 125.
- the bottom recess 120 is arranged opposite the cover element 105.
- a resistance channel 130 is formed between the cover element 105 and the base element 110 in order to fluidically couple the pressure channel 115 and the fluid container 125.
- the resistance channel 130 represents a fluidic resistance which is such that a flow rate of a fluid located in the resistance channel 130 is reduced by a predetermined factor and leakage of the fluid via the pressure channel 115 is prevented.
- the channel 130 can be recessed in either layer 105 or layer 110.
- the pressure diversion channel 215 is designed to guide the pressure applied to the pressure channel 115 onto the film 200 in the area 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 arched in the direction of the fluid container 125.
- Another exemplary embodiment of the present invention provides that a material 305 is incorporated in front of the pneumatic interface 115 which does not impede the flow of gases. If the material 305 comes into contact with liquids, strong swelling leads to the closure of the cover recess channel 210.
- Fig. 4 shows a schematic representation of a leakage protection unit 100 according to an embodiment of the present invention.
- the leakage protection unit 100 shown is not formed in the cover element 105, but in the base element 110.
- the leakage protection unit 100 comprises a sealing membrane 400, which is arranged in a region of the base element 110 between the pressure channel 115 and the cover recess channel 210.
- the sealing membrane 400 is designed to fluidically separate the pressure channel 115 and the cover recess channel 210.
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Auslaufschutzeinheit für eine mikrofluidische Vorrichtung und eine mikrofluidische Vorrichtung.The present invention relates to a leakage protection unit for a microfluidic device and a microfluidic device.
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.Microfluidic lab-on-a-chip systems (LOC) are usually designed as disposable components and often consist of polymer layer systems in which microfluidic unit functions such as valves or pumps are integrated. Such functions can be mapped, for example, using two polymer substrates that are separated by a flexible polymer membrane. In this case, the polymer membrane can be deflected by pneumatic pressures in order to displace liquid within the lab-on-chip system or to close a channel. For this purpose, both positive and negative relative pressures are generated in an external control unit and passed on to the microfluidic system.
Die
Die
Die
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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.Against this background, the present invention provides a leakage protection unit for a microfluidic device and a microfluidic device according to FIG presented to the main claims. Advantageous refinements result from the respective subclaims and the following description.
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.
- a lid member;
- a base element in which at least one base recess is designed as a fluid container, the base recess being arranged opposite the cover element;
- at least one pressure channel for applying a pressure, the pressure channel being formed in the base element and / or the cover element; and
- at least one resistance channel which is formed between the cover element and the base element in order to fluidically couple the pressure channel and the fluid container, the resistance channel representing a fluidic resistance for a fluid located in the resistance channel.
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.A microfluidic device can be understood to mean, for example, a device for processing, duplicating and / or analyzing a biochemical material such as nucleic acids, proteins and cells. A cover element and a base element can each be understood to mean a layer that is made, for example, from a plastic, in particular from a polymer. A bottom recess can be understood to mean, for example, a depression in the bottom element. The bottom recess can be designed as a fluid container and filled with a fluid. A fluid can be understood to mean, for example, a liquid containing the biochemical material. A fluidic resistance, also called flow resistance, can be understood as a damping characteristic of the resistance channel, by means of which a flow rate of a fluid located in the resistance channel is reduced. A fluid located in the microfluidic device, for example one or more liquids, can be retained by the fluidic resistance. For example, the resistance channel can be a represent fluidic resistance, by means of 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 can thus represent a fluidic resistance which is such that a flow rate of a fluid located in the resistance channel is reduced by a predetermined factor.
Der beschriebene Ansatz kann auf einer Verwendung eines Strömungswiderstands zum Zurückhalten von Flüssigkeiten in der Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Chips, basieren.The approach described can be based on the use of a flow resistance for retaining liquids in the device, for example in the form of a chip.
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.The present approach is based on the knowledge that a lab-on-a-chip system can be connected to a pressure-generating control unit. Particularly in connection with negative relative pressures, there can be the risk that liquid from the lab-on-a-chip system will be drawn into the control unit and this will be contaminated. A channel between a liquid container of the lab-on-a-chip system and a pressure connection of the lab-on-a-chip system can advantageously be designed with such a high fluidic resistance that the liquid is prevented from flowing back in the direction of the pressure connection .
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.By means of the present approach, high costs, which can arise from a possible decontamination of the control unit by replacing components and downtimes, can be avoided. Furthermore, the present approach offers the advantage of high reliability, since no analyte can be distributed in the control unit in the event of a malfunction and thus the risk of incorrect results, in particular false positive results, can be reduced on a subsequent lab-on-a-chip system. Finally, the present approach can also reduce the risk of health hazards from escaping liquids.
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.According to one embodiment of the present approach, the pressure channel can be designed as a through opening in the base element and / or the cover element. Here, the bottom recess can also be arranged laterally offset to the through opening. This enables an inexpensive and efficient interface for initiating the pressure to be provided.
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.According to a further embodiment of the present approach, the fluidic resistance can be predetermined by a cross-sectional shape and / or a diameter and / or a length of the resistance channel. As a result, the fluidic resistance can be adapted very precisely to different conditions such as the type of fluid or the level of the pressure applied.
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.Furthermore, a film is arranged between the cover element and the base element. Here, the film has the resistance channel. A film can be understood to be a flat, flexible element such as a plastic layer. The film can for example be impermeable to fluid. With this embodiment, the resistance channel can be implemented particularly cost-effectively. Furthermore, the most varied geometries of the resistance channel can thereby be implemented with low manufacturing and cost expenditure.
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.The film closes the fluid container in a fluid-tight manner. This can prevent a fluid located in the fluid container from escaping. Furthermore, the film can be deflected, for example, by the pressure applied to the passage opening in order to control a fluid flow.
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.According to the invention, at least one cover recess is formed as a component of the resistance channel in the cover element in order to increase a volume of the resistance channel. A cover recess can be understood as a recess in the cover 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 collect a fluid sucked in through the resistance channel and thus prevent the fluid from leaking through the pressure channel.
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.In addition, in the area of the cover recess and / or the cover recess, the film has at least one resistance element and / or a hydrophobic layer in order to increase the fluidic resistance. Under a resistance element, for example, a transverse to Resistance channel arranged groove or edge are understood. Under one hydrophobic layer can be understood, for example, as a wax or paraffin layer. By means of this embodiment, filling of the cover recess with the fluid can be delayed in a controlled manner.
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.Furthermore, the cover recess can have an indicator material for identifying a liquid. An indicator material can be understood to mean a material that experiences a change of state on contact with a liquid. For example, the indicator material can discolour. This enables an early and reliable detection of leaks in a microfluidic 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.At least one pressure diversion channel with a first channel opening and a second channel opening can be formed in the cover element. Here, the first channel opening can be arranged opposite the fluid container and the second channel opening can be fluidically coupled and / or can be coupled to the resistance channel. This allows pressure to be exerted on the film in a controlled manner in order to deflect the film. In this way, for example, a valve and / or pump mechanism can be implemented.
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.In addition, at least a partial section of the resistance channel can have a liquid-absorbing material which is designed to close the resistance channel in a liquid-tight manner when a liquid is absorbed. The liquid-absorbing material can be, for example, a fibrous material that increases in size when the liquid is absorbed in such a way that the resistance channel is closed in a liquid-tight manner. This can further increase the reliability of the leakage protection unit.
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.The liquid-absorbing material can be arranged between the cover recess and the pressure channel. This can prevent the fluid from leaking through the pressure channel if the cover recess overflows.
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.According to a further embodiment of the present approach, a sealing membrane can be formed between the resistance channel and the pressure channel in order to close the pressure channel in a liquid-tight manner. A flat flexible element such as for example a plastic layer can be understood. The sealing membrane can, for example, be gas-permeable but liquid-impermeable. As a result, the reliability of the leakage protection unit can be ensured independently of the fluidic resistance of the resistance channel or a volume of the cover recess.
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.
- a leakage protection unit according to one of the embodiments described above; and
- a means for applying the pressure to the pressure channel of the leakage protection unit.
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.A means for applying the pressure can be understood to mean, for example, a pump which is designed to generate an overpressure and / or underpressure in the pressure channel.
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.Furthermore, the present approach creates a method for operating a leakage protection unit according to one of the embodiments described above, the method comprising the following steps:
Applying the pressure to the pressure channel in order to control a fluid flow of a fluid located in the fluid container.
Beispielsweise kann der Fluidstrom sehr effizient gesteuert werden, wenn im Schritt des Anlegens ein in bestimmten Zeitintervallen alternierender Druck am Druckkanal anliegt.For example, the fluid flow can be controlled very efficiently if, in the application step, a pressure which alternates at certain time intervals is applied to the pressure channel.
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.
- Providing a cover element and a base element, in which at least one base recess is designed as a fluid container, wherein in the The base element and / or the cover element has at least one pressure channel for applying a pressure;
- Joining the cover element and the base element together, the joining taking place such that the base recess is opposite the cover element; and
- Forming at least one resistance channel between the cover element and the base element in order to fluidically couple the pressure channel and the fluid container, wherein the resistance channel represents a fluidic resistance for a fluid located in the resistance channel.
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.
- Fig. 1
- a schematic representation of a leakage protection unit;
- Fig. 2
- a schematic representation of a leakage protection unit according to an embodiment of the present invention;
- Fig. 3
- a schematic representation of a leakage protection unit according to an embodiment of the present invention;
- Fig. 4
- a schematic representation of a leakage protection unit according to an embodiment of the present invention;
- Fig. 5
- a schematic representation of a leakage protection unit according to an embodiment of the present invention;
- Fig. 6
- a schematic representation of a microfluidic device according to an embodiment of the present invention;
- Fig. 7
- a flowchart of a method for operating a leakage protection unit according to an embodiment of the present invention; and
- Fig. 8
- a flow chart of a method for producing a leakage protection unit according to an embodiment of the present invention.
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.In the following description of advantageous exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, a repeated description of these elements being dispensed with.
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.According to this exemplary embodiment, the
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.According to one embodiment, the
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.The
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.Furthermore, the
In
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
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.According to a further exemplary embodiment of the present invention, the
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.The
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.For higher switching frequencies, the volume of the
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.Another exemplary embodiment of the present invention provides that a
Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass ein zusätzlicher Sicherheitsmechanismus ein Entweichen von Flüssigkeiten verhindert. Damit wird die Zuverlässigkeit des Auslaufschutzes erhöht.This embodiment has the particular advantage that an additional safety mechanism prevents liquids from escaping. This increases the reliability of the leakage protection.
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.According to a further exemplary embodiment of the present invention, the
Dadurch ergibt sich eine Struktur, die als Kapillarstopp fungiert und einem zu schnellen Befüllen der Deckelausnehmung 205 mit dem Fluid entgegenwirkt.This results in a structure that functions as a capillary stop and counteracts excessive filling of the
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.According to a further exemplary embodiment of the present invention, structures within the
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind auch Kombinationen aus quellendem Material 305, flüssigkeitsundurchlässiger Membran 400 oder Kapillarstopp möglich.According to further exemplary embodiments of the present invention, combinations of swelling
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.According to a further exemplary embodiment, a moisture indicator, for example indicator powder, which changes its color when it comes into contact with liquid, is stored in a
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.One embodiment of the present invention includes a channel-shaped structure with high fluidic resistance, which is implemented on a lab-on-a-chip system as a
Vorteilhafterweise können dadurch Kosten für aufwendige Reparaturen und Ausfallzeiten der externen Steuereinheit vermieden werden.Advantageously, costs for complex repairs and downtimes of the external control unit can thereby be avoided.
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.Since it is ensured that no liquids escape from the lab-on-a-chip system, there is also no health risk for operating personnel due to contamination of the control unit.
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.Furthermore, a detection of an error is made possible, for example by looking at the cavity, by reading out electrical signals such as a change in electrical resistance or a change in electrical capacitance, and by placing a dry indicator powder in the intermediate cavity, which changes color when it comes into contact with liquid.
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.The structures required for the present invention can be produced using the same production 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 increased slightly.
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.According to an exemplary embodiment of the present invention, during operation the pneumatic pressure at the
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.Thermoplastics such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclo-polefin polymer (COP) or cyclo-polefin copolymer (COC) can be used as material examples for the polymer substrate.
Als Materialbeispiele für die Polymermembran können Elastomer, thermoplastisches Elastomer, Thermoplaste oder Heißklebefolien eingesetzt werden.As material examples for the polymer membrane, elastomer, thermoplastic elastomer, thermoplastic or hot-melt adhesive films can be used.
Für das Material 305 können beispielsweise Materialien eingesetzt werden, die bei Kontakt mit Flüssigkeiten ihr Volumen vergrößern, wie etwa Superabsorber.For the
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.As the sealing
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.As exemplary dimensions of the exemplary embodiments, the thickness of the polymer substrates 0.1 to 10 mm, the channel diameter in the
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.If an exemplary embodiment comprises a “and / or” link between a first feature and a second feature, this is to be read in such a way that the exemplary embodiment according to one embodiment includes both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only the has the first feature or only the second feature.
Claims (8)
- Leakage protection unit (100) for a microfluidic device (600), wherein the leakage protection unit (100) has the following features:a cover element (105);a base element (110), in which at least one base recess (120) is formed as a fluid container (125), wherein the base recess (120) is arranged so as to be situated opposite the cover element (105);a film (200), which is arranged between the cover element (105) and the base element (110) and which closes off the fluid container (125) in a fluidtight manner;at least one pressure channel (115) for application of a pneumatic pressure for deflecting and exerting pressure on the film (200), which pneumatic pressure is periodically switched between a positive pressure and a negative pressure, wherein the pressure channel (115) is formed in the base element (110) and/or the cover element (105); andat least one resistance channel (130), which is formed between the cover element (105) and the base element (110) so as to fluidically couple the pressure channel (115) and the film (200), wherein the resistance channel (130) provides a fluidic resistance for a fluid situated in the resistance channel (130);characterized in that the film (200) has the resistance channel (130), and at least one cover recess (205) is formed as a component of the resistance channel (130) in the cover element (105) so as to increase a volume of the resistance channel (130), wherein a volume of the cover recess (205) amounts to 1 µl to 10 ml and is configured such that, in the event of the film (200) tearing, a liquid front, within the intake phase, does not advance as far as the pressure channel (115), and wherein the film (200), in the region of the cover recess (205), and/or the cover recess (205) have/has resistance elements (500) for forming a structure functioning as a capillary stop, and/or have/has a hydrophobic layer, so as to increase the fluidic resistance, wherein the fluidic resistance acts as a throttle for gases.
- Leakage protection unit (100) according to Claim 1, characterized in that the pressure channel (115) is formed as a passage opening in the base element (110) and/or the cover element (105), wherein the base recess (120) is furthermore arranged laterally offset from the passage opening.
- Leakage protection unit (100) according to either of the preceding claims, characterized in that the fluidic resistance is predefined by a cross-sectional shape and/or a diameter and/or a length of the resistance channel (130).
- Leakage protection unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one pressure bypass channel (215) with a first channel opening (220) and with a second channel opening (225) is formed in the cover element (105), wherein the first channel opening (220) is arranged so as to be situated opposite the fluid container (125), and the second channel opening (225) is fluidically coupled and/or able to be coupled to the resistance channel (130).
- Leakage protection unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one sub-portion of the resistance channel (130) has a liquid-absorbing material (305), which is designed to close off the resistance channel (130) in a liquid-tight manner upon absorption of a liquid.
- Leakage protection unit (100) according to Claim 5, characterized in that the liquid-absorbing material (305) is arranged between the cover recess (205) and the pressure channel (115).
- Leakage protection unit (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a closure diaphragm (400) is formed between the resistance channel (130) and the pressure channel (115) so as to close off the pressure channel (115) in a liquid-tight manner.
- Microfluidic device (600) having the following features:a leakage protection unit (100) according to one of the preceding claims; anda means (605) for applying the pressure to the pressure channel (115) of the leakage protection unit (100).
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