EP3199240A1 - Mikrofluidische flusszelle mit integrierter elektrode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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EP3199240A1
EP3199240A1 EP16152755.1A EP16152755A EP3199240A1 EP 3199240 A1 EP3199240 A1 EP 3199240A1 EP 16152755 A EP16152755 A EP 16152755A EP 3199240 A1 EP3199240 A1 EP 3199240A1
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EP
European Patent Office
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flow cell
electrode
carrier body
cell according
cavity
Prior art date
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Pending
Application number
EP16152755.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thinxxs Microtechnology GmbH
Original Assignee
Thinxxs Microtechnology GmbH
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Publication date
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Priority to CN201680079923.8A priority patent/CN108495713B/zh
Priority to US16/070,125 priority patent/US11433393B2/en
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    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0877—Flow chambers

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic flow cell with an electrode or sensor device arranged within the flow cell, from which at least one connecting conductor is led to a connection contact accessible from the outside.
  • the invention further relates to a method for producing such a flow cell.
  • microfluidic flow cells (labs on a chip) are increasingly used in the so-called life sciences, e.g. for the analysis of body fluids, drinking water or other environmental samples preferably immediately after sampling. For example, in the investigation of food samples or the cultivation, processing and analysis of cells microfluidic flow cells are used.
  • microfluidic flow cells An essential aspect of the use of microfluidic flow cells is the cost-effective mass production as a disposable product. This has the consequence that, as far as possible, plastics and methods of plastics processing are used in the production of such flow cells.
  • microfluidic flow cells for example, essentially plate-shaped plastic parts with cavities open to a plate side and the cavities injection-molded on one side open for the formation of fluid channels and / or reaction chambers are closed with a film.
  • dry reagents can be introduced into cavities or channels prior to the connection of the sprayed plastic part with the film.
  • a special method for introducing dry reagents into a flow cell through such reagents receiving carrier body is in WO 2015/001070 A1 described.
  • Electrode pads deposited on a portion of a flow cell interfere with the connection of the member to a cover member, eg, a connection by laser welding, so that the height of the traces, which must be compensated for by the connection technique for leak-free sealing of the flow cell, is limited and inexpensive screen printing for the production of electrodes and electrical conductors therefore in many cases is not eligible.
  • thin printed conductors are sensitive and always exposed to the risk of cracking, especially in the manufacturing process. With adhesive tapes there is always the danger of detachment.
  • the fluid-tight installation of electrodes or sensors connected to connecting conductors in flow cells requires a high production outlay.
  • the object of the invention is to reduce the manufacturing outlay required for flow cells with built-in electrodes or sensors while increasing the reliability of the flow cells.
  • a flow cell according to the invention which solves this object is characterized in that the electrode or sensor device is arranged on an insulating carrier body, the connecting conductor is embedded in the carrier body and the carrier body can be inserted into an opening in the flow cell by arranging the electrode or sensor device in the flow cell.
  • an electrode or sensor device including externally accessible connection conductors, is produced by a separate component which can be inserted into the flow cell.
  • the electrode or sensor device contacts a fluid in a cavity within the flow cell, the opening forms a passage to the cavity, the carrier body is fluid-tight inserted into the passage and the connection conductor is fluid-tightly embedded in the carrier body. While the connection conductor can be easily embedded in the carrier body, only the carrier body inserted into the passage takes over the further sealing of the cavity.
  • the carrier body is designed in the manner of a stopper with an end face receiving the electrode or sensor device and a rotationally symmetrical, in particular conical, sealing surface which preferably forms a sealing press fit with the passage to the cavity.
  • the passage is preferably provided in a rigid, plate-shaped plastic injection-molded part in its basic form, wherein the plastic injection-molded part on its side facing away from the passage recesses for forming the cavity, preferably of channels and chambers comprises.
  • the plastic injection-molded part on its side facing away from the passage recesses for forming the cavity, preferably of channels and chambers comprises.
  • To close the cavities is a connected to the flat plate surface foil or another injection molding.
  • On the end face of the carrier body can be a plurality of electrodes, e.g. by screen printing, easily apply and their connection conductor through the support body through and insulated and fluid-tight lead to the outside.
  • the electrodes can be functionalized by coatings, for example as a molecule scavenger. On the other hand, by coating a passivation of conductor surfaces in the desired extent possible.
  • the externally accessible terminal contact is formed directly on the carrier body and provided for contacting by an operator device for the flow cell.
  • a connecting conductor penetrating the carrier body can be widened at one end.
  • the carrier body is formed with an outwardly open cavity, e.g. hat-shaped or cap-shaped.
  • connection contact may be formed on a bottom wall of the cavity opposite the cavity opening. Connection elements of the operator device then engage in this cavity.
  • the carrier body is produced as an injection-molded plastic part. It may consist exclusively of a plastic part or be formed as a composite part, wherein in particular the cavity opposite support wall for the electrode or the sensor may be formed of a deviating from the remaining material of the support body material, e.g. made of ceramic.
  • the carrier body has an area for manual handling or mechanical assembly.
  • This may in particular be a flange projecting from the rotationally symmetrical sealing surface, which forms a hat brim in the case of a hat-shaped design of the carrier body.
  • the carrier body inserted into the opening in the flow cell can, in particular in addition to a connection by means of an interference fit, furthermore be permanently connected to the flow cell, e.g. by welding or gluing.
  • welds are formed on the carrier body at a distance from an embedded connection conductor and / or an electrode or sensor device in order to avoid impairments of these parts by the weld.
  • a flow cell comprises a plate-shaped injection molding component 1, which consists for example of PMMA, PC, COC, PS, PEEK, PE or PP.
  • the injection molding component 1 is connected to a sheet side with a film 2, in particular glued or welded.
  • Channel structures 3, 4, 5 and 6 are formed between the injection molding component 1 and the film 2 by depressions in the injection molding component, which are in communication with input / output ports 7 on the side of the injection molding component 1 facing away from the film 2.
  • the channel structures 3 to 6 are each assigned a passage 8 which opens to the channel structure and has an inlet connection 9 projecting from the injection molding component 1.
  • fluid-tight plugs 10,10 ', 10 "and 10"' are used, wherein, as is Fig. 2 can be seen, the plug end face in each case reaches the channel structure 3,4,5 and 6 and limits this.
  • the reference numeral 11 indicates electrical contact elements of an (not shown otherwise) operator device, which serve for contacting with the plug connected conductors, as explained below.
  • Fig. 3 2 shows the plug 10 "'in two different views (a) and (b) and in a sectional view (c) .
  • the plug is basically a plastic injection-molded part which, like the injection-molded part 1, preferably consists of PMMA, PC, COC, COP, PP or PE and forms a carrier part.
  • the cap-shaped with a one-sided open cavity 12 formed plug 10 '" has an annular opening surrounding the opening of the cavity 13.
  • One of the opening of the cavity opposite bottom wall 14 pass through electrically conductive connecting conductor pieces 15 and 15 '.
  • connection conductor pieces On the inside of the plug 10 ", these connection conductor pieces each form a connection contact for a connection element 11 of the operator device.” On the outside of the plug, the conductor pieces 15, 15 'are each connected to a linear electrode 16 or 16' elongated, mutually parallel electrodes 16,16 'intersect perpendicularly in the mounting position provided for the plug 10'"the channel structure. 6
  • the conductor pieces 15, 15 'penetrating the bottom wall 14 may be printed, e.g. by screen printing of metal pastes such as silver paste or solder.
  • the elongated, active electrodes are preferably electrodes made of metal, in particular gold, platinum, chromium, copper or aluminum.
  • the thickness or height of the electrodes is preferably between 50 nm and 1 ⁇ m. For the production of these electrodes in particular the thin-film technique or a thermal transfer printing into consideration.
  • the electrodes 16, 16 'crossing the channel structure 6 are each about 50 ⁇ m wide and e.g. for cell counting (according to the principle of the Coulter Counter) suitable.
  • a conical sealing surface 17 of the stopper 10 '" forms a press fit
  • the slope of the sealing surface 17 corresponds to the Luer standard (6% gradient).
  • the stopper 10'" is additionally connected, eg welded, beyond the interference fit with the plastic injection-molded part 1.
  • Fig. 4a and 4b Plugs 10 "shown in different positions differ from the plug 10" in that a plurality of terminal conductors 18 penetrating the bottom wall 14 are arranged in a bottom wall 14 in an annular arrangement.
  • the conductor pieces 18 are connected on their side facing the channel structure 5 each via an elongated conductor piece with a circular electrode 19, wherein a rectangular field of such circular electrodes 19 is formed.
  • a passivation layer ensures that of the arranged on the bottom wall 14 ladder parts only the circular conductor parts can be effective as an active, interacting with the fluid electrodes 19.
  • the in Fig. 5 shown plug 10 ' has a preferably injection-molded from the above plastics base body, wherein a bottom wall 14' made of ceramic, another plastic or glass separately and connected for example by pressing, gluing or welding with the plastic body.
  • the bottom wall 14 ' is penetrated by conically shaped in the embodiment shown connecting conductor pieces 20, which are for example produced by screen printing.
  • the conical conductor pieces 20 are connected to active electrodes 21 and 22 on the front side of the bottom wall 14 ', wherein the active electrodes consist for example of silver or silver chloride.
  • the active electrodes consist for example of silver or silver chloride.
  • they may be printed and made of different metals.
  • the two electrodes can be, for example, a measuring electrode and a reference electrode for electrochemical investigations.
  • plug 10 is not formed as the above-described plug as hollow but as a solid body in which a plurality of terminal conductor pieces 23 are embedded in an annular arrangement.
  • the conductor pieces are each connected to straight, parallel electrodes 24, on the outer end of the plug open the conductor pieces 23 as widened connection contacts 25 for contacting by an operator device.
  • the conductor pieces 23 are preferably formed by wires or stamped and formed sheets which are integrated into the plug 10 by overmolding during the injection molding process.
  • the six parallel electrodes 24 cross the channel structure 3. In the even, active Electrodes 24 are printed electrodes in the example shown.
  • the electrodes 24 are suitable for example for impedance measurements.
  • a stopper 10 ', 10 ", 10"' similar to the stopper described above may be adjacent to different cavities of a flow cell, eg, according to FIG Fig. 7a to a channel 26 which is wider than the end face of the plug facing it, or according to Fig. 7c to a channel 27 which is narrower than this end face.
  • the plug can be placed particularly precisely with respect to the channel 27 by the narrow channel forms support shoulders for the end face of the plug.
  • the distance between the electrode and the channel bottom can be maintained very accurately.
  • Fig. 7b shows a plug adjacent to a reaction chamber 28 of a flow cell.
  • FIG. 8 A plug protrudes, which is provided with a positioning stop 29 for placing the plug in an intended rotational position relative to the flow cell. Accordingly, an injection molded part 1 of the flow cell has a counter element 30 for the positioning stop 29.
  • Fig. 9 shows various possibilities for additional, permanent attachment of a plug inserted into a flow cell, wherein Fig. 9a the possibility of ultrasonic or thermal welding by means of a dome-shaped welding tool 31 indicates.
  • Fig. 9b shows a laser weld 32 between an annular flange 13 of the plug and an inlet nozzle 9 of an injection molded component 1, wherein the inlet nozzle 9 is formed of a plastic material which absorbs the laser radiation to a particular extent at the wavelength of the laser light used for laser welding.
  • Fig. 9c shows a laser weld 33 on the side of the plug, which faces the channel region of the flow cell and which is optionally to produce prior to connection of an injection molded substrate 1 with a film 2. With sufficiently transparent film 2, the welding can also be done afterwards.
  • electrodes formed on one plug are combined with another electrode 35 introduced into a channel 34 at a distance from the plug.
  • the electrodes can cooperate in a suitable manner, for example as opposing electrodes between which the fluid is transported in the channel of the flow cell, which opens up further opportunities for interaction.
  • Fig. 10b shows a plug, the end face on a foil 2, which closes a channel structure, rests, wherein in the end face of the plug itself, a channel portion 36 is formed. Electrodes 37 and 38 connected to the plug are disposed in the channel section 36 opposite each other.
  • Fig. 11 shows an embodiment of a plug, on whose channel facing a front surface, a sensor 39 is arranged.
  • the end wall passing through conductor pieces form connecting lines for the sensor, which is produced for example by semiconductor technology or other methods, such as microelectronics.
  • FIG. 12 A plug emerges, which in the example shown is at the end of a channel 40 filled with a fluid which is analyzed by capillary electrophoresis. At the other not visible end of the channel 40 there is another, the plug corresponding stopper shown with an electrode 41.
  • the electrodes 41 of both plug generate an electric field of several 10 3 volts, in which the molecules in the fluid due to their size to different move quickly, so that a "separation" takes place. In some cases, high temperatures occur, which cause the fluid to outgas.
  • the plugs therefore each have a degassing 42.
  • Fig. 13 shows a stopper formed as a hollow body with an end wall 43 which is not injection molded like the rest of the stopper but is formed by a separate foil with continuous conductor pieces and functional electrodes on the front side.
  • the foil welded to the rest of the plug is flexible and can be deflected into the channel region by mechanical or pneumatic actuation by means of an operating device in accordance with arrow 44. By such a deflection, the interaction between the electrodes and a sample liquid to be analyzed or processed can be intensified.
  • a handling device 45 In a cavity of the plug, a handling device 45 is clamped with embedded connection conductors, which have contact with electrodes on the end face of the plug facing away from the handling device.
  • the electrodes can be functionalized with antibodies, for example.
  • the stopper is in a For example, immersed in a microtiter plate or other sample vessel 46 sample 47 immersed, with, for example, attach analytes to the plug.
  • the attachment can be supported by stirring movements.
  • the plug dips into a washing solution 48, for example.
  • the plug can be transferred into a detection reagent 49, which allows an electrical readout of the electrodes.
  • the plug could also have magnetic or electromagnetic means and be provided for use with functionalized magnetic beads as an alternative to antibodies applied directly to the plug.
  • the magnetic beads can also be dispensed into the respective liquids and be resumed by electromagnetic actuation from the plug for further transport.
  • Fig. 15 indicates how plugs with electrodes can be made efficiently.
  • the carrier body produced by injection molding can be according to Fig. 15a store and hold eg in quantities of 10 to 1000 components in defined positions on a carrier 50.
  • a via for example by a printing process, such as screen printing.
  • separate end walls of silicon, glass, ceramic or plastic could be applied.
  • a third step takes place according to Fig. 15c the formation of functional electrodes, eg by printing processes, such as screen printing or by thin-film processes or by laser processes.
  • a fourth step Fig. 15d
  • the plugs accumulated in large numbers can undergo surface functionalization, for example by antibodies or dry reagents or functionalized beads. This can be done by pipetting and subsequent drying. Alternatively, a passivation layer may be applied by a printing or thin-film process. Only in a last step ( Fig. 15e ), eg before assembly, a separation of the plugs must take place with removal from the magazine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Flusszelle mit einer innerhalb der Flusszelle angeordneten Elektrode (16,19, ...) oder Sensoreinrichtung (39), von der wenigstens ein Anschlussleiter (15,18, ...) zu einem von außen zugänglichen Anschlusskontakt geführt ist. Erfindungsgemäß ist die Elektrode (16,19, ...) oder Sensoreinrichtung (39) auf einem isolierenden Trägerkörper angeordnet, der Anschlussleiter (15,18, ...) in den Trägerkörper eingebettet und der Trägerkörper unter Anordnung der Elektrode (16,19, ...) oder Sensoreinrichtung (39) in der Flusszelle in eine Öffnung (8) in der Flusszelle einsetzbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Flusszelle mit einer innerhalb der Flusszelle angeordneten Elektrode oder Sensoreinrichtung, von der wenigstens ein Anschlussleiter zu einem von außen zugänglichen Anschlusskontakt geführt ist.
    Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Flusszelle.
  • Bekanntermaßen finden mikrofluidische Flusszellen (labs on a chip) zunehmend Anwendung in den sog. Life Sciences, z.B. zur Analyse von Körperflüssigkeiten, Trinkwasser- oder anderen Umweltproben vorzugsweise unmittelbar nach der Probenentnahme. Zum Beispiel auch bei der Untersuchung von Lebensmittelproben oder der Kultivierung, Verarbeitung und Analyse von Zellen kommen mikrofluidische Flusszellen zum Einsatz.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Anwendung mikrofluidischer Flusszellen liegt in der kostengünstigen Massenfertigung als Einwegprodukt. Dies hat zur Folge, dass bei der Herstellung solcher Flusszellen, soweit möglich, Kunststoffe und Verfahren der Kunststoffverarbeitung zum Einsatz kommen.
  • Zur Herstellung von mikrofluidischen Flusszellen werden z.B. im Wesentlichen plattenförmige Kunststoffteile mit zu einer Plattenseite hin offenen Hohlräumen und die für die Bildung von Fluidkanälen oder/und Reaktionskammern spritzgegossenen einseitig offenen Hohlräume mit einer Folie verschlossen. Vor der Verbindung des gespritzten Kunststoffteils mit der Folie können in Hohlräume oder Kanäle z.B. Trockenreagenzien eingebracht werden.
  • Ein besonderes Verfahren zum Einbringen von Trockenreagenzien in eine Flusszelle durch solche Reagenzien aufnehmende Trägerkörper ist in WO 2015/001070 A1 beschrieben.
  • Besondere Probleme ergeben sich bei der Integration von Elektroden, elektrischen Leiterbahnen oder Sensoren, deren Anschlussleiter aus den Fluidkanäle oder/und Reaktiongskammern bildenden Bereichen einer Flusszelle heraus zu führen sind, so dass eine elektrische Verbindung mit einem Betreibergerät für die Flusszelle hergestellt werden kann, gleichzeitig aber auch die Dichtigkeit der Fluidkanäle gesichert ist. Die Anschlussleiter erschweren erheblich die Abdichtung eines die Elektrode oder den Sensor aufnehmenden Hohlraums in der Flusszelle.
  • Zum Abdichten von Hohlräumen, in denen mit Anschlussleitern verbundene Elektroden oder Sensoren angeordnet sind, kommen herkömmlich Klebstoffe, insbesondere in Verbindung mit doppeltklebenden Bändern, sowie weiche Kunststoffe, Elastomere oder Silikone als Dichtungsmaterial zur Anwendung.
    Nachteilig ist die chemische Zusammensetzung solcher Stoffe häufig (und insbesondere nach langfristiger Lagerung der Flusszelle) unverträglich mit zu untersuchenden Proben oder in der Flusszelle gelagerten Reagenzien oder/und diese Stoffe beeinträchtigen die Durchführung analytischer Reaktionen. Dies betrifft vor allem in weichen Kunststoffen enthaltene Weichmacher. Zudem ist die Verarbeitung solcher Stoffe, insbesondere von Silikon, fertigungstechnisch sehr aufwendig.
    Auf ein Teil einer Flusszelle aufgebrachte Elektrodenanschlussleiterbahnen behindern die Verbindung des Teils mit einem Abdeckteil, z.B. auch eine Verbindung durch Laserschweißen, so dass die Höhe der Leiterbahnen, welche durch die Verbindungstechnik für ein leckagefreies Verschließen der Flusszelle kompensiert werden muss, begrenzt ist und ein preiswerter Siebdruck zur Herstellung von Elektroden und elektrischen Leiterbahnen daher in vielen Fällen nicht in Betracht kommt. Dünne Leiterbahnen sind aber empfindlich und vor allem im Fertigungsprozess stets der Gefahr von Rissbildung ausgesetzt. Bei Klebebändern besteht immer die Gefahr der Ablösung.
    So erfordert der fluiddichte Einbau von Elektroden oder mit Anschlussleitern verbundener Sensoren in Flusszellen einen hohen Fertigungsaufwand.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den für Flusszellen mit eingebauten Elektroden oder Sensoren erforderlichen Fertigungsaufwand bei erhöhter Funktionssicherheit der Flusszellen zu verringern.
  • Eine diese Aufgabe lösende Flusszelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode oder Sensoreinrichtung auf einem isolierenden Trägerkörper angeordnet, der Anschlussleiter in den Trägerkörper eingebettet und der Trägerkörper unter Anordnung der Elektrode oder Sensoreinrichtung in der Flusszelle in eine Öffnung in der Flusszelle einsetzbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird eine Elektrode oder Sensoreinrichtung einschließlich von außen zugänglicher Anschlussleiter durch ein separates, in die Flusszelle einsetzbares Bauteil erzeugt.
  • Insbesondere kontaktiert die Elektrode oder Sensoreinrichtung ein Fluid in einem Hohlraum innerhalb der Flusszelle, die Öffnung bildet einen Durchgang zu dem Hohlraum, der Trägerkörper ist fluiddicht in den Durchgang einsetzbar und der Anschlussleiter ist fluiddicht in den Trägerkörper eingebettet. Während sich der Anschlussleiter problemlos in den Trägerkörper einbetten lässt, übernimmt allein der in den Durchgang eingesetzte Trägerkörper die weitere Abdichtung des Hohlraums.
  • Vorzugsweise ist der Trägerkörper in der Art eines Stopfens mit einer die Elektrode oder Sensoreinrichtung aufnehmenden Stirnfläche und einer rotationssymmetrischen, insbesondere konischen, Dichtfläche ausgebildet, die vorzugsweise mit dem Durchgang zu dem Hohlraum eine abdichtende Presspassung bildet.
  • Entsprechend ist der Durchgang vorzugsweise in einem steifen, in seiner Grundform plattenförmigen Kunststoffspritzteil vorgesehen, wobei das Kunststoffspritzteil auf seiner dem Durchgang abgewandten Plattenseite Vertiefungen zur Bildung des Hohlraums, vorzugsweise von Kanälen und Kammern, aufweist. Zum Verschluss der Hohlräume dient eine mit der ebenen Plattenfläche verbundene Folie oder ein anderes Spritzgießbauteil.
  • Auf der Stirnfläche des Trägerkörpers lassen sich mehrere Elektroden, z.B. durch Siebdruck, problemlos aufbringen und deren Anschlussleiter durch den Trägerkörper hindurch isoliert und fluiddicht nach außen führen.
  • Die Elektroden können durch Beschichtungen funktionalisiert sein, z.B. als Molekülfänger. Andererseits ist durch Beschichtung eine Passivierung von Leiteroberflächen in gewünschtem Umfang möglich.
  • Zweckmäßig ist der von außen zugängliche Anschlusskontakt unmittelbar an dem Trägerkörper gebildet und zur Kontaktierung durch ein Betreibergerät für die Flusszelle vorgesehen. Zur Bildung eines Anschlusskontakts kann ein den Trägerkörper durchsetzender Anschlussleiter an einem Ende aufgeweitet sein.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Trägerkörper mit einem nach außen offenen Hohlraum ausgebildet, z.B. hut- oder kappenförmig.
  • Der genannte Anschlusskontakt kann an einer der Hohlraumöffnung gegenüberliegenden Bodenwand des Hohlraums gebildet sein. Anschlusselemente des Betreibergeräts greifen dann in diesen Hohlraum ein.
  • Es versteht sich, dass der Trägerkörper als spritzgegossenes Kunststoffteil hergestellt ist. Er kann ausschließlich aus einem Kunststoffteil bestehen oder als Verbundteil ausgebildet sein, wobei insbesondere die dem Hohlraum gegenüberliegende Trägerwand für die Elektrode oder den Sensor aus einem von dem übrigen Material des Trägerkörpers abweichenden Material gebildet sein kann, z.B. aus Keramik.
  • Zweckmäßig weist der Trägerkörper einen Bereich zur manuellen Handhabung oder maschinellen Montage auf. Hierbei kann es sich insbesondere um einen von der rotationssymmetrischen Dichtfläche vorstehenden Flansch handeln, der bei hutförmiger Ausbildung des Trägerkörpers eine Hutkrempe bildet.
  • Der in die Öffnung in der Flusszelle eingesetzte Trägerkörper kann, insbesondere zusätzlich zu einer Verbindung durch eine Presspassung, ferner unlösbar mit der Flusszelle verbunden sein, z.B. durch Schweißen oder Kleben.
  • Es versteht sich, dass Schweißstellen an dem Trägerkörper im Abstand zu einem eingebetteten Anschlussleiter oder/und einer Elektrode oder Sensoreinrichtung gebildet sind, um Beeinträchtigungen dieser Teile durch die Schweißung zu vermeiden.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemäße Flusszelle in verschiedenen Ansichten und Darstellungen,
    Fig. 2
    eine Schnittansicht der Flusszelle von Fig. 1,
    Fig. 3 bis 6
    in der Flusszelle von Fig. 1 und 2 verwendete Stopfen zur Elektrodenbildung in der Flusszelle,
    Fig. 7
    Elektroden bildende Stopfen in verschiedenen Anordnungen relativ zu Hohlräumen in einer Flusszelle,
    Fig. 8
    ein Stopfen zur Bildung einer Elektrode mit Einrichtungen zur Positionierung in einer bestimmten Drehstellung in einer Flusszelle,
    Fig. 9
    eine verschiedene Möglichkeiten zur Verbindung eines Elektroden tragenden Stopfens mit einer Flusszelle,
    Fig. 10
    weitere Möglichkeiten für die Anordnung von Elektroden in einer Flusszelle erläuternde Darstellungen,
    Fig. 11
    eine Flusszelle mit einem einen Sensor tragenden Stopfen,
    Fig. 12
    eine Flusszelle mit einer Elektrode zur Erzeugung eines zur Elektrophorese verwendeten elektrischen Feldes,
    Fig. 13
    eine Flusszelle mit einem Stopfen, der eine flexible Trägerwand für eine Elektrode aufweist,
    Fig. 14
    eine weitere Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Elektrodenträgerstopfens erläuternde Darstellung, und
    Fig. 15
    eine die rationelle Fertigung eines Elektrodenträgerstopfens erläuternde Darstellung.
  • Eine Flusszelle umfasst ein plattenförmiges Spritzgießbauteil 1, das z.B. aus PMMA, PC, COC, PS, PEEK, PE oder PP besteht. Das Spritzgießbauteil 1 ist auf einer Plattenseite mit einer Folie 2 verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt. Zwischen dem Spritzgießbauteil 1 und der Folie 2 sind durch Vertiefungen im Spritzgießbauteil Kanalstrukturen 3,4,5 und 6 gebildet, die mit Ein-/Ausgabeports 7 auf der der Folie 2 abgewandten Seite des Spritzgießbauteils 1 in Verbindung stehen. Den Kanalstrukturen 3 bis 6 ist jeweils ein zu der Kanalstruktur öffnender Durchgang 8 mit einem von dem Spritzgießbauteil 1 vorstehenden Eingangsstutzen 9 zugeordnet. In die Durchgänge 8 sind fluiddicht Stopfen 10,10', 10" und 10"' eingesetzt, wobei, wie sich Fig. 2 entnehmen lässt, die Stopfenstirnfläche jeweils an die Kanalstruktur 3,4,5 bzw. 6 heranreicht und diese begrenzt.
  • Das Bezugszeichen 11 weist auf elektrische Kontaktelemente eines (im Übrigen nicht gezeigten) Betreibergerätes hin, die zur Kontaktierung mit den Stopfen verbundener Leiter dienen, wie weiter unten erläutert ist.
  • Fig. 3 zeigt den Stopfen 10"' in zwei verschiedenen Ansichten (a) und (b) sowie in einer Schnittansicht (c). Bei dem Stopfen handelt es sich im Grundaufbau um ein Kunststoffspritzteil, das wie das Spritzgussteil 1 vorzugsweise aus PMMA, PC, COC, COP, PP oder PE besteht und ein Trägerteil bildet. Der kappenförmig mit einem einseitig offenen Hohlraum 12 ausgebildete Stopfen 10'" weist einen die Öffnung des Hohlraums umgebenden Ringflansch 13 auf. Eine der Öffnung des Hohlraums gegenüberliegende Bodenwand 14 durchsetzen elektrisch leitende Anschlussleiterstücke 15 und 15'. Auf der Innenseite des Stopfens 10'" bilden diese Anschlussleiterstücke jeweils einen Anschlusskontakt für ein Anschlusselement 11 des Betreibergerätes. Auf der Außenseite des Stopfens sind die Leiterstücke 15,15' jeweils mit einer linearen Elektrode 16 bzw. 16' verbunden. Die in dem gezeigten Beispiel länglichen, zueinander parallelen Elektroden 16,16' kreuzen in der für den Stopfen 10'" vorgesehenen Montagestellung senkrecht die Kanalstruktur 6.
  • Die die Bodenwand 14 durchdringenden Leiterstücke 15,15' können durch Drucken, z.B. durch Siebdruck von Metallpasten wie Silberpaste oder Lote, hergestellt sein. Bei den länglichen, aktiven Elektroden handelt es sich vorzugsweise um Elektroden aus Metall, insbesondere Gold, Platin, Chrom, Kupfer oder Aluminium. Die Dicke bzw. Höhe der Elektroden liegt bevorzugt zwischen 50 nm und einem 1 µm. Für die Herstellung dieser Elektroden kommt insbesondere die Dünnschichttechnik oder ein Thermotransferdruck in Betracht. Die die Kanalstruktur 6 kreuzenden Elektroden 16,16' sind jeweils ca. 50 µm breit und z.B. zur Zellzählung (nach dem Prinzip des Coulter Counters) geeignet.
  • Eine konische Dichtfläche 17 des Stopfens 10'" bildet eine Presspassung. Die Steigung der Dichtfläche 17 entspricht dem Luer-Standard (6 % Steigung). Gegebenenfalls ist der Stopfen 10'" über die Presspassung hinaus zusätzlich mit dem Kunststoffspritzteil 1 verbunden, z.B. verschweißt.
  • Letzteres gilt auch für die weiteren Stopfen 10 bis 10", die in Grundform und Grundmaterial mit dem Stopfen 10'" übereinstimmen.
  • Der in Fig. 4a und 4b in unterschiedlichen Positionen gezeigte Stopfen 10" unterscheidet sich von dem Stopfen 10"' dadurch, dass in einer Bodenwand 14 in ringförmiger Anordnung eine Vielzahl von die Bodenwand 14 durchdringenden Anschlussleiterstücken 18 angeordnet ist. Die Leiterstücke 18 sind auf ihrer der Kanalstruktur 5 zugewandten Seite jeweils über ein längliches Leiterstück mit einer kreisförmigen Elektrode 19 verbunden, wobei ein rechteckiges Feld solcher kreisförmiger Elektroden 19 gebildet ist. Wie Fig. 4d andeutet, sorgt eine Passivierungsschicht dafür, dass von den auf der Bodenwand 14 angeordneten Leiterteilen nur die kreisrunden Leiterteile als aktive, mit dem Fluid in Wechselwirkung tretende Elektroden 19 wirksam sein können.
  • Der in Fig. 5 gezeigte Stopfen 10' weist einen vorzugsweise aus obengenannten Kunststoffen spritzgegossenen Grundkörper auf, wobei eine Bodenwand 14' z.B. aus Keramik, einem anderen Kunststoff oder Glas separat hergestellt und z.B. durch Einpressen, Einkleben oder Einschweißen mit dem Kunststoffgrundkörper verbunden ist. Die Bodenwand 14' wird von in dem gezeigten Ausführungsbeispiel konisch geformten Anschlussleiterstücken 20 durchsetzt, die z.B. im Siebdruckverfahren hergestellt sind. Die konischen Leiterstücke 20 sind mit aktiven Elektroden 21 und 22 auf der Stirnseite der Bodenwand 14' verbunden, wobei die aktiven Elektroden z.B. aus Silber oder Silberchlorid bestehen. Gegebenenfalls können sie gedruckt und aus unterschiedlichen Metallen hergestellt sein. Bei den beiden Elektroden kann es sich z.B. um eine Mess- und eine Referenzelektrode für elektrochemische Untersuchungen handeln.
  • Der in Fig. 6 gesondert dargestellte Stopfen 10 ist nicht wie die vorangehend beschriebenen Stopfen als Hohl- sondern als Vollkörper ausgebildet, in den in ringförmiger Anordnung mehrere Anschlussleiterstücke 23 eingebettet sind. Auf der der Kanalstruktur 3 zugewandten Stirnseite des Stopfens 10 sind die Leiterstücke jeweils mit geraden, zueinander parallelen Elektroden 24 verbunden, auf der äußeren Stirnseite des Stopfens münden die Leiterstücke 23 als verbreiterte Anschlusskontakte 25 zur Kontaktierung durch ein Betreibergerät aus. Die Leiterstücke 23 werden bevorzugt durch Drähte oder gestanzte und geformte Bleche gebildet, welche durch Umspritzen während des Spritzgießprozesses in den Stopfen 10 integriert werden. Die sechs parallelen Elektroden 24 kreuzen die Kanalstruktur 3. Bei den geraden, aktiven Elektroden 24 handelt es sich in dem gezeigten Beispiel um gedruckte Elektroden. Die Elektroden 24 eignen sich z.B. für Impedanzmessungen.
  • Wie Fig. 7 zeigt kann ein den vorangehend beschriebenen Stopfen 10',10",10"' ähnlicher Stopfen an unterschiedliche Hohlräume einer Flusszelle angrenzen, z.B. gemäß Fig. 7a an einen Kanal 26, der breiter als die ihm zugewandte Stirnfläche des Stopfens ist, oder gemäß Fig. 7c an einen Kanal 27, der schmaler als diese Stirnseite ist. Im letzteren Fall lässt sich der Stopfen in Bezug auf den Kanal 27 besonders exakt platzieren, indem der schmale Kanal Auflageschultern für die Stirnfläche des Stopfens bildet. Insbesondere kann der Abstand zwischen der Elektrode und dem Kanalboden sehr exakt eingehalten werden.
    Fig. 7b zeigt einen Stopfen, der an eine Reaktionskammer 28 einer Flusszelle angrenzt.
  • Aus Fig. 8 geht ein Stopfen hervor, der mit einem Positionierungsanschlag 29 zur Anordnung des Stopfens in einer vorgesehenen Drehlage relativ zur Flusszelle versehen ist. Entsprechend weist ein Spritzgussteil 1 der Flusszelle ein Gegenelement 30 für den Positionierungsanschlag 29 auf.
  • Fig. 9 zeigt verschiedene Möglichkeiten zur zusätzlichen, unlösbaren Befestigung eines in eine Flusszelle eingesetzten Stopfens, wobei Fig. 9a die Möglichkeit der Ultraschall- oder thermischen Verschweißung mit Hilfe eines kalottenförmigen Schweißwerkzeugs 31 andeutet. Fig. 9b zeigt eine Laserschweißnaht 32 zwischen einem Ringflansch 13 des Stopfens und einem Eingangsstutzen 9 eines Spritzgussbauteils 1, wobei der Eingangsstutzen 9 aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, das bei der für die Laserverschweißung verwendeten Wellenlänge des Laserlichts die Laserstrahlung in besonderem Maße absorbiert.
  • Fig. 9c zeigt eine Laserschweißnaht 33 auf der Seite des Stopfens, welche dem Kanalbereich der Flusszelle zugewandt und die ggf. vor Verbindung eines Spritzgusssubstrats 1 mit einer Folie 2 herzustellen ist. Bei ausreichend transparenter Folie 2 kann die Verschweißung auch danach erfolgen.
  • Bei einem in Fig. 10a gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf einem Stopfen gebildete Elektroden mit einer weiteren, im Abstand von dem Stopfen in einen Kanal 34 eingebrachten Elektrode 35 kombiniert. Die Elektroden können in geeigneter Weise zusammenwirken, z.B. als einander gegenüberliegende Elektroden, zwischen denen das Fluid im Kanal der Flusszelle transportiert wird, wodurch sich weitere Möglichkeiten zur Interaktion eröffnen.
  • Fig. 10b zeigt einen Stopfen, dessen Stirnfläche auf einer Folie 2, die eine Kanalstruktur abschließt, aufliegt, wobei in der Stirnfläche des Stopfens selbst ein Kanalabschnitt 36 gebildet ist. Mit dem Stopfen verbundene Elektroden 37 und 38 sind in dem Kanalabschnitt 36 einander gegenüberliegend angeordnet.
  • Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Stopfen, auf dessen einem Kanal zugewandter Stirnfläche ein Sensor 39 angeordnet ist. Die Stirnwand durchsetzende Leiterstücke bilden Anschlussleitungen für den Sensor, welcher z.B. mittels Halbleitertechnik oder anderer Verfahren, z.B. der Mikroelektronik, hergestellt ist.
  • Aus Fig. 12 geht ein Stopfen hervor, der sich in dem gezeigten Beispiel am Ende eines Kanals 40 befindet, der mit einem Fluid gefüllt ist, das mittels Kapillarelektrophorese analysiert wird. Am anderen, nicht sichtbaren Ende des Kanals 40 befindet sich ein weiterer, dem gezeigten Stopfen entsprechender Stopfen mit einer Elektrode 41. Die Elektroden 41 beider Stopfen erzeugen ein elektrisches Feld von einigen 103 Volt, in dem sich die Moleküle im Fluid aufgrund ihrer Größe unterschiedlich schnell bewegen, so dass eine "Auftrennung" erfolgt. Dabei treten teilweise hohe Temperaturen auf, die das Fluid ausgasen lassen. Die Stopfen weisen daher jeweils einen Entgasungskanal 42 auf.
  • Fig. 13 zeigt einen als Hohlkörper ausgebildet Stopfen mit einer Stirnwand 43, die nicht wie der übrige Stopfen spritzgegossen sondern durch eine separate Folie mit durchgehenden Leiterstücken und Funktionselektroden auf der Stirnseite gebildet ist. Die mit dem übrigen Stopfen verschweißte Folie ist flexibel und durch mechanische oder pneumatische Aktuierung durch ein Betriebsgerät gemäß Pfeil 44 in den Kanalbereich hinein auslenkbar. Durch eine solche Auslenkung kann die Wechselwirkung zwischen den Elektroden und einer zu analysierenden oder zu verarbeitenden Probenflüssigkeit intensiviert werden.
  • Aus Fig. 14 geht eine von einer Flusszelle unabhängige Verwendung Elektroden aufweisender Stopfen hervor. In einem Hohlraum des Stopfens ist ein Handhabungsgerät 45 mit eingebetteten Anschlussleitern eingeklemmt, welche Kontakt mit Elektroden auf der dem Handhabungsgerät abgewandten Stirnseite des Stopfens haben. Die Elektroden können z.B. mit Antikörpern funktionalisiert sein. Der Stopfen wird in eine z.B. in einer Mikrotiterplatte oder anderem Probengefäß 46 enthaltene Probe 47 getaucht, wobei sich z.B. Analyte an dem Stopfen anlagern. Die Anlagerung kann durch Rührbewegungen unterstützt werden. Danach taucht der Stopfen z.B. in eine Waschlösung 48 ein. Schließlich kann der Stopfen in eine Detektionsreagenz 49 überführt werden, die ein elektrisches Auslesen der Elektroden ermöglicht. Der Stopfen könnte auch magnetische oder elektromagnetische Einrichtungen aufweisen und zur Verwendung von funktionalisierten magnetischen Beads vorgesehen sein, als Alternative zu direkt auf den Stopfen aufgebrachten Antikörpern. Dabei können die magnetischen Beads auch in die jeweiligen Flüssigkeiten abgegeben und durch elektromagnetische Aktuierung vom Stopfen zum Weitertransport wieder aufgenommen werden.
  • Fig. 15 deutet an, wie Stopfen mit Elektroden effizient hergestellt werden können. Die durch Spritzgießen hergestellten Trägerkörper lassen sich gemäß Fig. 15a magazinieren und z.B. in Stückzahlen von 10 bis 1000 Bauteilen in definierten Positionen auf einem Träger 50 halten.
    In einem folgenden Schritt (Fig. 15b) erfolgt eine Durchkontaktierung, z.B. durch ein Druckverfahren, wie Siebdruck. Alternativ könnten separate Stirnwände aus Silizium, Glas, Keramik oder Kunststoff aufgebracht werden.
  • In einem dritten Schritt erfolgt gemäß Fig. 15c die Bildung von Funktionselektroden, z.B. durch Druckprozesse, wie Siebdruck oder durch Dünnschichtprozesse oder durch Laserprozesse.
    In einem vierten Schritt (Fig. 15d) können die in großen Stückzahlen magazinierten Stopfen eine Oberflächenfunktionalisierung erfahren, z.B. durch Antikörper oder Trockenreagenzien oder funktionalisierte Beads. Dies kann durch Pipettierung und anschließende Trocknung geschehen. Alternativ kann durch einen Druck- oder Dünnschichtprozess eine Passivierungsschicht aufgebracht werden.
    Erst in einem letzten Schritt (Fig. 15e), z.B. vor einer Montage, muss eine Vereinzelung der Stopfen unter Entnahme aus dem Magazin erfolgen.

Claims (15)

  1. Mikrofluidische Flusszelle mit einer innerhalb der Flusszelle angeordneten Elektrode (16,19, ...) oder Sensoreinrichtung (39), von der wenigstens ein Anschlussleiter (15,18, ...) zu einem von außen zugänglichen Anschlusskontakt geführt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode oder Sensoreinrichtung auf einem isolierenden Trägerkörper angeordnet, der Anschlussleiter (15,18, ...) in den Trägerkörper eingebettet und der Trägerkörper unter Anordnung der Elektrode oder Sensoreinrichtung in der Flusszelle in eine Öffnung (8) in der Flusszelle einsetzbar ist.
  2. Flusszelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode (16,19, ...) oder Sensoreinrichtung (39) ein Fluid in einem Hohlraum (3-6, ...) innerhalb der Flusszelle kontaktiert, die Öffnung einen Durchgang (8) zu dem Hohlraum bildet, der Trägerkörper fluiddicht in den Durchgang einsetzbar und der Anschlussleiter fluiddicht in den Trägerkörper eingebettet ist.
  3. Flusszelle nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trägerkörper in der Art eines Stopfens (10,10', 10", 10'") mit einer Stirnfläche und einer rotationssymmetrischen, insbesondere konischen, Dichtfläche (17) ausgebildet ist, die mit dem Durchgang (8) vorzugsweise eine Presspassung bildet.
  4. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode (16,19, ...) oder Sensoreinrichtung (39) auf einer Stirnfläche des Trägerkörpers angeordnet ist.
  5. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Anschlusskontakt an dem Trägerkörper gebildet und zur Kontaktierung durch ein Betreibergerät für die Flusszelle vorgesehen ist.
  6. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper als Hohlkörper mit einem bezogen auf die Flusszelle nach außen hin offenen Hohlraum (12) ausgebildet ist.
  7. Flusszelle nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Anschlusskontakt an einer der Hohlraumöffnung gegenüberliegenden Bodenwand (14) des Hohlraums gebildet ist.
  8. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trägerkörper ein spritzgegossenes Kunststoffteil umfasst.
  9. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Trägerkörper einen Bereich zur manuellen Handhabung oder maschinellen Montage aufweist, wobei es sich vorzugsweise um einen von der rotationssymmetrischen Dichtfläche vorstehenden Flansch (13) handelt.
  10. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der in die Öffnung (8) eingesetzte Trägerkörper unlösbar mit der Flusszelle verbunden ist, z.B. durch Schweißen oder Kleben.
  11. Flusszelle nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Schweißstelle an dem Trägerkörper im Abstand zu dem eingebetteten Anschlussleiter oder/und der Elektrode oder Sensoreinrichtung gebildet ist.
  12. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode funktionalisiert ist.
  13. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode teilweise und/oder ein mit der Elektrode verbundene Anschlussleiter (18) durch eine Beschichtung passiviert ist.
  14. Stopfen mit einer Elektrode (16,19,...) oder Sensoreinrichtung (39) für eine Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
  15. Verfahren zur Bildung einer ein Fluid in einem Hohlraum (3-6,...) einer Flusszelle kontaktierenden Elektrode (16,19, ...)
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode (16,19,...) auf einem Träger angeordnet und der Träger unter Anordnung der Elektrode in dem Hohlraum in einen von dem Hohlraum nach außen führenden Durchgang (8) der Flusszelle fluiddicht eingesetzt wird.
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