EP3393661B1 - Mikrofluidische vorrichtung und verfahren zum betreiben einer mikrofluidischen vorrichtung - Google Patents

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EP3393661B1
EP3393661B1 EP16808605.6A EP16808605A EP3393661B1 EP 3393661 B1 EP3393661 B1 EP 3393661B1 EP 16808605 A EP16808605 A EP 16808605A EP 3393661 B1 EP3393661 B1 EP 3393661B1
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EP
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fluid chamber
opening
fluid
chamber
punch
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Thomas BRETTSCHNEIDER
Jochen Rupp
Daniel Czurratis
Christian Dorrer
Karsten Seidl
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Robert Bosch GmbH
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    • B01L2400/0683—Valves, specific forms thereof phase change valves; Meltable, freezing, dissolvable plugs; Destructible barriers mechanically breaking a wall or membrane within a channel or chamber

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • microfluidic devices liquids are provided or transported on a chip.
  • Such microfluidic devices can be used, for example, in so-called lab-on-a-chip systems (LOCs), in which the entire functionality of a macroscopic laboratory is accommodated on, for example, a credit card-sized plastic substrate (LOC cartridge) and complex biological, diagnostic, chemical or physical processes can be miniaturized.
  • LOCs lab-on-a-chip systems
  • Many LoC systems require a variety of fluids, such as liquid reagents, such as: As salt solutions, ethanol-containing solutions, aqueous solutions, detergents or dry reagents, such as lyophilisates, salts, etc., which are required for a variety of diagnostic applications.
  • These reagents can either be manually pipetted onto the LOC cartridge or pre-stored on the cartridge. The latter brings advantages in terms of automation, contamination risks, user-friendliness and transportability of LOC systems.
  • the WO 2014/090610 A1 describes a concept in which liquids are stored in tubular bags, so-called stickpacks.
  • the stickpacks are integrated into the LOC system, where they can be opened and emptied via a deflection of a flexible membrane.
  • microfluidic device and a method for manufacturing and a method for operating a microfluidic device according to the main claims are presented with the approach presented here.
  • the measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim microfluidic device are possible.
  • An advantage of the described microfluidic device is that liquids, such as reagents and moisture-sensitive dry reagents for LOC applications, can be stored for a long time and can be provided if required via a mechanical element, such as a stamp, a stamp unit, or a plunger.
  • a mechanical element such as a stamp, a stamp unit, or a plunger.
  • the chamber and lid substrate may be a polymeric substrate of high barrier plastics.
  • the Membrane is designed to be deflected at a pressure on the membrane.
  • the membrane is highly flexible and tear-resistant in one embodiment.
  • the membrane is configured to retract to its original position upon a withdrawal of the pressure. In particular, with a large deflection of the membrane, it can also lead to plastic deformation, which is not necessarily the function in the way.
  • An imagined mechanical stamping unit of the microfluidic device enables reliable reagent release. Since a high force can safely be applied to the fluid chamber containing a fluid, for example, the fluid can be stored, for example, in a blister or behind a barrier film with a particularly strong layer structure, which enables safe and long-term stable storage of the fluid.
  • the presented membrane has the advantage that the stamp unit can always remain separated from the fluid and thus reusable due to the hygienic application possibility. This can create a cost advantage.
  • the fluid chamber may, for example, have a volume less than 30 ml, 20 ml, 10 ml, 5 ml, 1 ml or less than 0.1 ml.
  • a mechanically movable punch unit has the advantage that the release of the reagents does not necessarily have to be gravity-driven.
  • the stamp unit can displace the volume of reagent through the membrane into other chambers or channels, wherein the entire structure can be arbitrarily aligned, for example at 0 ° inclination, but also under, for example, 30 °, 45 ° or 60 ° tilt. This offers advantages in handling and processing of the LOC cartridge.
  • the fluid may be received in the fluid chamber and held in the fluid chamber by a barrier film closing the fluid chamber.
  • the barrier film may be formed to be opened by the stamp unit, for example, to fluidly connect a channel or a rearrangement chamber with the fluid chamber.
  • the fluid such as a reagent for example, can be stored safely in the fluid chamber and can be selectively released only when required by introducing the stamp unit into the barrier film.
  • the fluid may be disposed in a hopper received by the fluid chamber, the barrier foil closing the hopper.
  • a depositor has the advantage that a direct filling of the fluid chamber can be avoided and thus simplifies manufacturing, simplifies use and incorrect operation and the risk of contamination can be excluded.
  • the insert container may be flexible or plastically shaped.
  • the insert may be formed so that it can be accommodated accurately in the fluid chamber, the material of the insert can have a higher barrier property with respect to the fluid than the chamber substrate.
  • the material of the insert can have a higher barrier property with respect to the fluid than the chamber substrate.
  • the fluid may also be disposed in a blister received from the fluid chamber, wherein the blister substantially fills a volume of the fluid chamber, the blister being shaped to be opened by the stamp unit.
  • a blister may be formed from one or more sealing films whose edges may be joined by tight sealing seams and may be a cost effective alternative to a depositor.
  • a blister made of an elastic material can simply be taken up, for example glued, in fluid chambers having different shapes.
  • a diameter of the die opening is greater than half the diameter of the fluid chamber opening.
  • the diameter of the die opening may advantageously have a diameter which corresponds to the diameter of the fluid chamber opening.
  • a stamp tip of the stamp unit can advantageously be formed so that the fluid is displaced in the fluid chamber in the direction of a channel.
  • the stamp unit can assume geometries on the end face, which promote cracking of the barrier film in the direction of the rearrangement chamber without damaging the flexible membrane.
  • stamp geometries which have elevations on the front side of the stamp unit are particularly advantageous in order to favor the beginning of cracking of the barrier film exactly in this area by means of local stress peaks.
  • the cracking continues and the displacement of the reagents gets a corresponding preferred direction. This allows a controlled displacement of the reagents in the rearrangement chamber.
  • a simple method is to allow the punch to move at a defined feed rate (typically 1 mm / min to 50 mm / min) until the face of the punch unit hits the bottom of the fluid chamber. Furthermore, it proves to be advantageous to make the process of the stamp step-shaped.
  • the stamp unit moves in the first step until the first tear of the barrier film.
  • the stamp unit retracts a few millimeters to allow the reagent to escape through the resulting cracks.
  • the stamp unit moves to the bottom of the fluid chamber for a complete displacement of the liquid in the rearrangement chamber.
  • any further variations of the feed rate and the sequence of the travel direction of the stamp unit are conceivable in order to enable an optimal and efficient release of reagents into the rearrangement chamber.
  • the device has a channel which runs on a side of the membrane facing the chamber substrate and is fluidically connected to the fluid chamber.
  • the channel can open into the fluid chamber.
  • a rearrangement chamber can be arranged for safe collection of the fluid.
  • another fluid may be upstream, which may be intended for mixing with the fluid after the release of the fluid.
  • a rearrangement chamber can also open directly into the fluid chamber.
  • the diameter of the punch opening may be smaller than half the diameter of the fluid chamber opening.
  • the punch opening may be arranged adjacent to the channel.
  • a relatively small punch opening can accommodate a correspondingly small punch unit, which in turn can make room for, for example, a further punch opening and / or for a vent opening on the side of the fluid chamber opening.
  • the channel can be arranged at a certain angle of inclination of the device so that the fluid can flow off or be sucked off in a gravity-directed direction.
  • the vent opening can be arranged, for example, over the plunger opening, from where, for example, an inflow of ambient air through the vent opening can favor the outflow of the fluid.
  • the channel has a channel extension and the cover substrate has a vent opening, which opens into the channel extension, wherein the punch opening can be arranged between the vent opening and the channel, wherein the membrane does not span the vent opening.
  • An imaginary vent opening above the channel with connection to the channel can favor, for example, due to an established connection to the ambient air, a drainage of the fluid through the channel.
  • the lid substrate may include a vent opening into the fluid chamber, wherein the die opening may be disposed between the vent and the channel, wherein the membrane may span the vent.
  • the apparatus may further comprise a further punch unit adapted to retract into the fluid chamber through the vent opening to deflect the diaphragm into the fluid chamber to allow inflow of further fluid into the fluid chamber.
  • a proposed approach allows the opening of a fluid chamber sealed by the barrier film, for example, and / or the opening of a blister disposed in the fluid chamber at two different locations.
  • the approach also provides the basic prerequisite for a possibly additional air duct with connection to the vent opening and to the fluid chamber, which can allow an inflow of another fluid into the fluid chamber.
  • an intermediate substrate is arranged between the chamber substrate and the membrane, which has a further punch opening continuing the die opening and a vent opening continuing further vent opening and is formed to a transverse to the vent opening and into the further vent opening to generate opening air duct.
  • the air duct may extend in a direction facing away from the channel.
  • An imaginary air channel can compensate for a resulting negative pressure in the fluid chamber after the stamping operation and during the outflow of the fluid by an inflow of, for example, ambient air through the air channel into the fluid chamber and thus promote the outflow of the fluid through the channel.
  • the intermediate substrate prevents an air path for venting during active intake of the released fluid. Otherwise there is a risk that only air is sucked in instead of liquid.
  • the channel can run between the membrane and the intermediate substrate and open into the punch opening. This approach allows a favorable arrangement of the channel when an intermediate substrate is placed in the device.
  • a diameter of the fluid chamber opening may correspond to the stamp opening, wherein the fluid chamber may have a second stamp opening which corresponds to a diameter of the further vent opening.
  • the chamber substrate may thus, except in the region of the fluid chamber opening and in the area of the second fluid chamber opening, have a fluid chamber opening side at the fluid chamber opening and the second one Fluid chamber opening are arranged extend.
  • the chamber substrate can be formed more stable.
  • a possibly arranged barrier film for closing the fluid chamber may, according to this embodiment, for example be glued along an inside of the fluid chamber facing the fluid chamber opening side and / or arranged between the chamber substrate and the intermediate substrate. When the barrier film is disposed between the chamber substrate and the intermediate substrate, the barrier film may span the fluid chamber opening and the second fluid chamber opening as well as the further vent opening and the further die opening of the intermediate substrate.
  • a fluid chamber bottom opposite the fluid chamber opening may be formed by a further barrier film. Due to the above-described increased stability of the chamber substrate on the fluid chamber opening side, the opposite fluid chamber bottom of the chamber substrate can only be formed by the further barrier film.
  • the chamber substrate can thus be filled, for example, beforehand by the fluid chamber bottom and subsequently closed by the further barrier film.
  • an internal pressure arising in the fluid chamber due to retraction of the stamp units can be compensated for by slightly moving the further barrier film in the direction of the punch movement.
  • the formation of an air path during active suction of the fluid is completely excluded, since the bottom of the fluidic chamber is connected over its entire area to the intermediate substrate.
  • a method for operating a said microfluidic device comprises the following step: Retracting the stamper unit through the stamper opening into the fluid chamber to deflect the diaphragm into the fluid chamber to allow outflow of the fluid from the fluid chamber when the fluid is received in the fluid chamber.
  • Fig. 1 10 shows a schematic cross-section of a microfluidic device 100.
  • the device 100 comprises a chamber substrate 105 with a fluid chamber 110 and a cover substrate 115 arranged adjacent to the chamber substrate 105.
  • the cover substrate 115 is arranged between the chamber substrate 105 and a stamp unit 120.
  • the lid substrate 115 has a punch opening 125 and the fluid chamber 110 has a fluid chamber opening 130.
  • a flexible membrane 135 is arranged, which spans the fluid chamber opening 130 and the adjacently arranged punch opening 125.
  • On a chamber substrate 105 facing the side of the membrane 135 optionally extends a channel 140 which is fluidly connected to the fluid chamber 110.
  • the channel 140 extends on a side of the cover substrate 115 facing the membrane 135.
  • the channel is then fluidly connected to the fluid chamber 110 via a through hole in the membrane 135.
  • the diameter of the die opening 125 in this variant is advantageously smaller than the diameter of the fluid chamber opening 130, so that the channel 140 in the cover substrate 115 can be guided to a position opposite the fluid chamber opening 130.
  • the stamp unit 120 is shaped to retract into the fluid chamber 110 through the lid substrate 115.
  • the stamp unit 120 according to this exemplary embodiment has, on a side facing the cover substrate 115, a rounded stamp tip which corresponds to an internal geometry of the fluid chamber 110.
  • the diaphragm 135 is deflected from the rounded punch tip of the stamp unit 120 into the fluid chamber 110.
  • the diaphragm 135, assumes its original position, which is shown in FIG Fig. 1 is shown again.
  • the membrane 135 remains at least partially deformed after retraction of the stamp unit 120.
  • a fluid may be contained in a blister in the fluid chamber 110.
  • the fluid may also be filled directly into the fluid chamber, wherein the fluid chamber opening 130 may then be closed by a barrier film, so that the fluid can not flow into the channel 140.
  • the fluid may alternatively be accommodated in an insert container accommodated in the fluid chamber 110, wherein the insert container may be closed by the barrier film.
  • microfluidic device 100 in FIG Fig. 1 shown in a position with a 0 ° inclination.
  • Fig. 2 shows a schematic cross section of a microfluidic device 100. These may be those based on Fig. 1 described microfluidic device 100, with the difference that the fluid chamber in Fig. 2 the barrier film 200 and the fluid 205 disposed in the fluid chamber 110. Furthermore, the device 100 has a transfer chamber 210 with a valve 215. The fluid 205 is received directly in the fluid chamber 110, with the barrier film 200 closing the fluid chamber opening, whereby the fluid 205 is securely held in the fluid chamber 110. According to this example, the fluid 205 does not completely fill the fluid chamber 110, it may contain other contents such as gas or air the fluid chamber 110 may be arranged. The fluid 205 may also be received in a blister disposed in the fluid chamber 110.
  • the rearrangement chamber 210 is connected to the channel 140 with the channel 140 disposed between the fluid chamber 110 and the rearrangement chamber 210.
  • the rearrangement chamber 210 is disposed below the fluid chamber 205.
  • the rearrangement chamber 210 has the valve 215 on a side facing away from the fluid chamber 110.
  • the LOC system 100 in the form of the microfluidic device 100 can consist of polymer-based multilayer structures in the form of the chamber substrate 105 and the cover substrate 115.
  • the chamber substrate 105 and the lid substrate 115 have polymer-based substrates in which cavities in the form of the fluid chamber 205 and / or the channel 140 are arranged.
  • a storage of liquids 205, hereinafter referred to as fluids 205, with small volumes below 1 ml is only conditionally possible in the fluid chamber 110 of the chamber substrate 105, since most plastics do not have sufficient barrier properties for long-term stable storage (PC, PA, US Pat. PS, PMMA).
  • the fluid 205 such as a reagent
  • the fluid 205 in the initial state is closed, z. B. by normally-closed valves 215, and on demand (on-demand) can be provided, which implies additional requirements for storage concepts.
  • a separate container such as a blister pack or a tube bag in the form of the blister may be accommodated in the fluid chamber 110, whereby the chamber substrate 105 is not limited in its material selection. This implies requirements on the manufacturing process due to handling and pick-and-place processes.
  • the chamber substrate 105 is made of plastics having high barrier properties, such as COP, COC, PP, PE or PET, allowing for safe fluid or reagent pre-storage in the chamber substrate 105 allows.
  • a concept based on such plastics can on the one hand be integrated directly into the material system of the fluid chamber 110 or, on the other hand, can be fluidically connected to the fluid chamber 110 by a joining process, for example by gluing, welding or clamping.
  • the illustrated device 100 has a polymeric layer structure consisting of at least two polymer substrates, namely the chamber substrate 105 and the cover substrate 115, which are separated by the flexible membrane 135.
  • an upstream fluid 205 is arranged, for example in the blister, in a sealed injection-molded insert container or in an opening in the form of the fluid chamber 110 within the chamber substrate 105 sealed with the or more of the barrier films 200.
  • At least one stamp unit 120 for example a plunger, which can penetrate through at least one opening in the form of the stamp opening 125 in the cover substrate 115 by relative movement into the LOC in the form of the fluid chamber 110 is used.
  • Fig. 3 shows a schematic cross section of a microfluidic device 100. These may be those based on Fig. 2 described device, with the difference that the stamp unit 120 is inserted into the die opening and the barrier film 200 is opened by the stamp unit 120. Here, the flexible membrane 135 is deflected by the stamp unit 120 without tearing. Upon contact with the barrier film 200, a force is exerted by the stamp unit 120, which results in the tearing of a sealing film of the blister, for example, in the fluid chamber 110 and / or the barrier film 135.
  • Fig. 4 shows a schematic cross section of a microfluidic device 100. These may be those based on Fig. 3 described device 100, with the difference that according to this embodiment, the stamp unit 120 completely in the Fluid chamber 110 is inserted and the fluid 205 is displaced into the rearrangement chamber 210.
  • the fluid 205 is either in a supply chamber 210, previously referred to as rearrangement chamber 210, displaced or emptied after retraction of the stamp unit 120 in the connected microfluidic channel 140.
  • the result of the described approach is the advantage of a reliable provision of the fluid 205 by the mechanically actuated punch unit 120 or the plunger.
  • laser ablation be dispensed with as can be exercised by the stamp unit 120 safely very large forces on the barrier film or the sealing film. It eliminates an associated additional manufacturing step.
  • barrier films can be used which have a strong layer structure and / or are formed very thick, for. B. by PP and metal layers, especially aluminum, these can still be broken reliably. This also favors the long-term stable storage of the fluid 205.
  • the stamping unit 120 advantageously does not come into contact with the upstream fluid 205 during the entire release process.
  • the flexible membrane 135 enables complete separation from the mechanical actuation mechanism in the form of the stamp unit 120 and the fluid 125 in the fluid chamber 110 a control unit to be installed and does not have to be disposed of together with the blister used, for example, or insert in the form of the hopper.
  • both the costs for the device 100 and the costs for a drive unit remain low, since this requires no additional mechanism in order to grip a punch unit 120 accommodated on the device 100.
  • the reagent pre-inventory concept is based on the chamber substrate 105 of FIG polymeric substrate with integrated fluid chamber 110 which is sealed by the barrier film.
  • the chamber substrate 105 may be made of plastics having high barrier properties, e.g. B. PP, PE, COC, COP, or have additional coatings such as Al, Al2O3, SiO meet the requirements for long-term storage of fluids 205 as liquid reagents.
  • the chamber substrate 105 is connected to the flexible membrane 135 and another polymeric substrate, the lid substrate 115.
  • laser transmission welding, ultrasonic welding, thermal bonding, gluing, clamping or comparable processes are suitable.
  • the lid substrate 135 has at least one opening in the form of the die opening 125.
  • the stamp unit 120 moves through the die opening 125, deflects the flexible membrane 135 without it tearing, and breaks the barrier film.
  • the fluid 205 is displaced via the transfer channel in the form of the channel 140 into the rearrangement chamber 210 and is ready for further microfluidic processes.
  • the fluid 205 may be sucked when opening the valve 215 by a negative pressure in a behind it located microfluidic network.
  • the flexible membrane 135 enables a complete fluidic separation between the fluidics in the chamber substrate 105 with all fluids 205 involved and the mechanical stamp unit 120.
  • the stamp unit 120 is preferably formed so that it displaces the largest possible volume from the fluid chamber 110, without the Seal edges of the fluid chamber 110 so that the fluid 205 no longer enters the rearrangement chamber 210. This is best achieved if the shape of the stamp unit 120 corresponds to the inverse of the fluid chamber 110, but for example has some 100 ⁇ m tolerance on the outer walls.
  • stamp unit 120 which promote targeted rupture of the barrier film and / or the sealing film and directional emptying of the fluid chamber 110.
  • the stamp unit 120 can hold a recess directed to the rearrangement chamber 210 in order to promote the displacement of the fluid 205 into the rearrangement chamber 210. It can thus be minimized crosstalk of the fluid 205.
  • Fig. 5 shows a schematic cross section of a microfluidic device 100 with insertion tray 500. These may be based on the Fig. 2 described device 100, with the difference that the cavity 505 having insert container 500 is received by the fluid chamber 110.
  • the fluid 205 is disposed in the cavity 505 of the loading container 500.
  • the fluid chamber 110 has a rectangular shaped cross-section to receive the loading container 500, which also has a rectangular cross-section.
  • the insert container 500 can be inserted with a precise fit or approximately exact fit into the fluid chamber 110. Due to the separate insert container, the channel 140 or the wall between the fluid chamber 110 and the rearrangement chamber 210 can be completely eliminated in an advantageous and space-saving embodiment.
  • the fluid chamber 110 and the rearrangement chamber 210 are combined into one chamber, or in other words, the rearrangement chamber 210 and the inserter bin 500, also referred to as an inserter, are not separated.
  • the wall between the fluid chamber 110 and the rearrangement chamber 210 can be reduced to a small indentation, be designed as a web for holding the insertion container 500 in the fluid chamber 110, or have a passage opening forming the channel 140.
  • the additional insert container 500 is integrated into the chamber substrate 105.
  • the insert container 500 ideally has higher barrier properties than the surrounding chamber substrate 105.
  • This insert container 500 contains the fluid 205 and is sealed to the barrier film 200.
  • the release of the fluid 205 is identical, as described in the preceding figures.
  • the material selection of the chamber substrate 105 remains independent of the requirements of the long-term stable reagent pre-storage according to this embodiment.
  • the insert container 500 can be glued, clamped, welded or integrated by other joining methods.
  • the loading container 500 may also be easily inserted into a suitably shaped receiving chamber in the form of the fluid chamber 110 in the Chamber substrate 105 has been inserted.
  • properly formed it is meant here that the fluid chamber 110 closely encloses the loading container 500. This has the advantage that the dead volume of the structure is minimized and slipping of the loading container 500 is avoided.
  • the loading container 500 has according to this embodiment, the cavity 505 for receiving the fluid 205, but according to an alternative embodiment, also have a plurality of such cavities 505, the z. B. each filled with different fluids 205. These cavities 505 may be arranged in the form of a bar or only in certain places, for. B. at the top, comb-like with each other. This has the advantage that in the fluid chamber 110 separating elements, for. As walls, may be arranged between the various fluids 205, which can reliably prevent mixing of the fluids 205. Furthermore, the deflection of the flexible membrane 135 by the movable punch unit causes the fluidic path to the in Fig. 6 sealed connection recesses 605 is sealed in order to prevent mixing of stored in separate fluid chambers 110 fluids 205 after their release safely.
  • Fig. 6 shows a perspective view of a chamber substrate 105 with a plurality of fluid chambers 110. This may be based on the Fig. 5 described chamber substrate 105, with the difference that no fluid is received in the cavities 505 of the hopper 500.
  • the chamber substrate 105 has four fluid chambers 110 arranged side by side.
  • the number of fluid chambers 110 is merely exemplary, so that more or fewer than four fluid chambers 110 may be provided.
  • Below the fluid chambers 110 four rearrangement chambers 210 are arranged.
  • the fluid chambers 110 have the insertion container 500, wherein the insertion container 500 is formed as a four cavities 505 comprehensive insert container 500, wherein one of the cavities 505 is accommodated in each case in one of the four fluid chambers 110.
  • the loading container 500 has a region between the cavities 505 facing away from the rearrangement chambers 210 three connecting webs 600 on.
  • the chamber substrate 105 has in the region corresponding to the connecting webs 600 three connecting recesses 605 for receiving the connecting webs 600.
  • Figure 7 shows a cross section of a microfluidic device 100 with a vent opening 700 according to an inventive embodiment. These may be the ones based on Fig. 3 described device 100, with the difference that the punch opening 125 is smaller than in Fig. 3 is formed and arranged in the region of the channel 140, and that the channel 140 has a channel extension 705, which has the vent opening 700.
  • the channel extension 705 extends according to this embodiment in a direction away from the channel 140, the punch opening 125 is arranged between the channel extension 705 and the channel 140.
  • the channel extension 705 is also disposed between the fluid chamber 110 and the diaphragm 135.
  • the channel extension 705 according to this embodiment extends over a height 710 of the fluid chamber 110, wherein the vent opening 700 opens transversely to the channel extension 705 in an out of the height 710 disposed end of the channel extension 705.
  • the vent opening 700 runs on a side of the fluid chamber 110 facing away from the stamp opening 100 according to this exemplary embodiment, parallel to the stamp opening 125.
  • a blister is embedded in the chamber substrate 105 in such a way that two sealed sealing areas 715 of the blister rest on a surface provided in the chamber substrate 105 and can be glued there, for example.
  • the lid substrate 115 has the vent opening 700, under which the membrane 135 is opened on.
  • the punch opening 125 is closed by the membrane 135.
  • the stamp unit 120 can penetrate through the die opening 125 into the assembly in the form of the device 100 and pierce the barrier film 200 as well as the sealing film surrounding the blister.
  • the fluid 205 may then be discharged through the channel 140.
  • This exemplary embodiment has the particular advantage that it is possible to dispense with an additional provision chamber in the form of the rearrangement chamber. Thus, this allows Embodiment, a particularly space-saving possibility forstructurerung the fluid 205th
  • Fig. 8 shows a cross section of a microfluidic device 100 with a vent opening 700 according to an inventive embodiment. These may be the ones based on Fig. 7 described device 100, with the difference that the punch unit 120 is again led out of the device 100 according to this embodiment, whereby the diaphragm 135 is retracted in the region of the die opening 125 and the fluid 205 flows into the channel 140.
  • Fig. 9 shows a cross section of a microfluidic device 100 with an intermediate substrate 900 and another stamp unit 905. These may be based on the Fig. 7 described device 100, with the difference that the channel 140 has no channel extension and the vent opening 700 is disposed in a region of the height 710.
  • the intermediate substrate 900 is disposed between the chamber substrate 105 and the lid substrate 115.
  • the intermediate substrate 900 has a further vent opening 910 and a further punch opening 915.
  • the further punch opening 915 continues the punch opening 125, and the further vent opening 910 continues the vent opening 700.
  • the intermediate substrate 900 is shaped to form an air channel 920 opening into the further venting channel 910.
  • the air channel 920 is arranged transversely to the further venting channel 910 on a side of the membrane 135 facing the fluid chamber 110.
  • the air duct 920 extends in a direction away from the punch opening 125.
  • the further stamp unit 905 is introduced into the fluid chamber 110 through the vent opening 700 and the further vent opening 910 according to this exemplary embodiment.
  • the further stamping device 905 opens according to this embodiment, the barrier film 200 and / or the sealing film of the example received blister in a region in which the fluid 205 at the in Fig. 9 shown position is not arranged.
  • the two sealing regions 715 are arranged between the chamber substrate 105 and the intermediate substrate 900.
  • a second plunger in the form of the further stamp unit 905 is used to push a second opening into the barrier film 200 and / or the sealing film of a blister. Since blisters are not completely filled due to their production, it is particularly advantageous to make the second opening at a location of the stickpack, ie the blister, behind which there is air or gas.
  • This example has the particular advantage that the blister can be ventilated via the air duct 920 and thus a particularly high emptying efficiency is achieved.
  • the fluid 205 is directly preceded in the fluid chamber 110, which is sealed by the barrier film 200.
  • the arrangement is chosen so that the barrier film 200 is connected in the sealing areas 715 areally with the chamber substrate 105.
  • the two mechanical punch units 120, 905 are moved into the anticipated openings in the form of the punch opening 125 and the vent opening 700 in the lid substrate 115 and the further punch opening 915 and the further vent opening 910 in the intermediate substrate 900 and divert the flexible membrane 135.
  • the barrier film 200 is broken open in the region of the additional punch opening 915 and the further vent opening 910. If the stamp devices 120, 905 are moved back again, the venting path in the form of the air duct 920 and the fluidic path in the form of the channel 140 are released.
  • An example polymeric sealing layer of the barrier film 200 has the particular advantage that the mechanical deformation after retraction of the mechanical stamp devices 120, 905 is maintained, which ensures the blockade-free opening of the channel 140 and the pneumatic air channel 920. It is also particularly advantageous to design the further stamping unit 905 so that it penetrates the barrier film 200 in front of the stamping unit 120. In this way, it is ensured that any overpressure occurring within the fluid chamber 110 can escape before the stamp unit 120 penetrates. With different execution The stamp units 120, 905 can continue to be a simultaneous actuation.
  • Fig. 10 shows a cross section of a microfluidic device 100 with an intermediate substrate 900 and another stamp unit 905. These may be based on the Fig. 9 described device 100, with the difference that the punch device 120 and the further stamping device 905 are led out of the device 100 according to this embodiment, whereby the diaphragm 135 is retracted in the region of the punch opening 125 and in the region of the vent opening 700, whereby the fluid 205 flows into the channel 140 and another fluid from the environment of the device 100 flows through the air channel 920 in the fluid chamber 110.
  • This example has the particular advantage that after the barrier film has been torn open and the stamp units have been retracted, the reagent can be actively sucked through the channel 140, at the same time the risk of creating an air path up to the vent 700 (as in FIG 7 and FIG. 8 ) is reduced to a minimum. The emergence of an air path for venting 700 would in the worst case, an active suction of the released reagent is no longer possible.
  • Fig. 11 shows a cross section of a microfluidic device 100 with another barrier film 1100. These may be based on Fig. 9 described device, with the difference that the fluid chamber bottom is formed by the further barrier film 1100, and that the fluid chamber 110 has a second punch opening 1105.
  • the fluid chamber opening 130 has a diameter corresponding to the die opening 125.
  • the fluid chamber opening 130 is arranged on a side of the fluid chamber 110 facing the channel 140.
  • the second fluid chamber opening 1105 has a diameter corresponding to the vent opening 700.
  • the second fluid chamber opening 1105 is fluidically connected to the further vent opening 910.
  • the fluid chamber 110 has a rectangular cross-section.
  • the chamber substrate 105 extends over the punch opening side including the fluid chamber opening 130 and the second punch opening 1105.
  • the Barrier film 200 is disposed between the chamber substrate 105 and the intermediate substrate 900, with the barrier film 200 spanning the fluid chamber opening 130 and the second die opening 1105.
  • the barrier film 200 is opened in the area of the fluid chamber opening 130 and in the region of the second fluid chamber opening 1105 by the stamp unit 120 and the further stamp unit 905.
  • the chamber substrate 105 is sealed on both sides with the barrier films 200, 1100.
  • the double-sided sealed chamber substrate 105 with integrated fluid 205 is attached to the multi-layer structure of the device 100 via a joining step, for example by gluing and / or welding and / or clamping, such that the punch opening 125 and the vent opening 700 are in an axis with the apertures in the form the fluid chamber opening 130 and the second fluid chamber opening 1105 are located.
  • the mechanical stamp devices 120, 905 can be moved back and the fluid 205 ready to be actively attracted, for example, in the fluidic channel 140.
  • Fig. 12 shows a cross section of a microfluidic device 100 with the other barrier film 1100. These may be based on the Fig. 11 described device 100, with the Difference that the stamping device 120 and the further stamping device 905 are again led out of the device 100, whereby the diaphragm 135 is retracted in the region of the punch opening 125 and in the region of the vent opening 700, whereby the fluid 205 flows into the channel 140 and the other fluid from the environment of the device 100 through the air channel 920 flows into the fluid chamber 110.
  • Fig. 13 shows a cross section of a microfluidic device 100 with the other barrier film 1100. These may be based on the Fig. 11 described apparatus, with the difference that the barrier film 200 according to this embodiment is disposed on an inner side of the fluid chamber 110 such that it spans the fluid chamber opening 130 and the second fluid chamber opening 1105.
  • the barrier film 200 is opened according to this exemplary embodiment by the stamp unit 120 and the further stamp unit 905.
  • the barrier film 200 is sealed on the inside of the fluid chamber 110, so that no air path between the channel 140 and the air channel 920 can form here as well.
  • the chamber substrate 105 is directly connected to the multi-layer structure of the device 100, so the intermediate substrate 900 via the joining surface 1110 positively or non-positively, for. B. by gluing and / or welding and / or terminals.
  • the barrier film 200 can also be sunk locally in the chamber substrate 105 in the region of the fluid chamber opening 130 and the second fluid chamber opening 1105.
  • the required polymer substrates ie the starting material, and the required structures in the polymer substrates can be produced for example by milling, injection molding, hot stamping, deep drawing and / or laser structuring.
  • Materials for the chamber substrate 105 and the lid substrate 115 may be thermoplastics, e.g. PC, PA, PS, PP, PE, PMMA, COP, COC.
  • Materials for the tray 500 may be thermoplastics, for. PC, PA, PS, PP, PE, PMMA, COP, COC and / or glass.
  • Materials for the stamping device 120 and the further stamping device 905 may include thermoplastics, for. PC, PA, PS, PP, PE, PMMA, COP, COC, and / or metals such as steel or brass, as well as elastomers.
  • Coatings of reservoirs such as fluid chamber 110, may be made with Al, Al 2 O 3, SiO 2.
  • Materials for membrane 135 may be elastomer, thermoplastic elastomer (TPU, TPS), thermoplastics, or heat sealable films.
  • barrier film 200 and sealing film commercially available polymer composite films of polymeric sealing and protective layers can be used, for.
  • PE polymeric sealing and protective layers
  • PA polymeric sealing and protective layers
  • PET polymeric sealing and protective layers
  • barrier layer usually vapor-deposited aluminum, but also other high barrier layers such as EVOH, BOPP.
  • the thickness of the chamber substrate 105 and the lid substrate 115 may be 0.5 to 5 mm.
  • the thickness of the diaphragm 135 may be 5 to 300 ⁇ m.
  • a thickness of the barrier layer usually Alu
  • a thickness of the polymer layer 5 microns to 500 microns a thickness of the polymer layer 5 microns to 500 microns
  • a thickness of the protective layer 5 microns to 500 microns an elastic layer on the sealing film 50 microns to 2 mm.
  • the volume of the blister can be 100 to 10000 ⁇ l.
  • Cuboid shapes, cylindrical shapes, cubic shapes and any other suitable shapes and geometries are suitable as forms for the stamp devices 120, 905.
  • Fig. 14 shows a cross section of a microfluidic device 100 with the other barrier film 1100. These may be based on the Fig. 12 described device 100, with the difference that the barrier film 200 is disposed on the inside of the fluid chamber 110.
  • Fig. 15 shows a perspective view of a device 100 having a plurality of fluid chambers 110. This may be one of the basis of Fig. 11 to 14 act described devices 100. According to this example, the chamber substrate 105 has four adjacent fluid chambers 110.
  • FIG. 12 shows a flowchart of a method 1600 for manufacturing a microfluidic device. This can be one of the basis of Fig. 1 to 5 act described devices.
  • a step of providing 1605 a chamber substrate having a fluid chamber for receiving a fluid is provided.
  • a lid substrate is added with a punch opening opposite to a fluid chamber opening of the fluid chamber.
  • a flexible membrane is placed between the chamber substrate and the lid substrate, with the membrane spanning the die opening and the fluid chamber.
  • a channel extending on a side of the membrane facing the chamber substrate is produced which is fluidically connected to the fluid chamber.
  • the step of producing 1620 may be performed at an appropriate time of the method, for example, prior to the step of providing lid substrate 1610 so that in the providing step 1610, the lid substrate having the channel may already be provided.
  • a stamp unit is arranged to be formed is to retract into the fluid chamber through the die opening to deflect the membrane into the fluid chamber to allow the fluid to flow out of the fluid chamber into the channel when the fluid is received in the fluid chamber.
  • FIG. 12 shows a flowchart of a method 1700 for operating a microfluidic device. This can be one of the basis of Fig. 1 to 5 act described devices.
  • a stamper unit is retracted into the fluid chamber through the stamper opening to deflect the membrane into the fluid chamber to allow the fluid to flow out of the fluid chamber into the channel when the fluid is received in the fluid chamber.
  • the force is applied by a stamp unit that is actuated in an optional step 1710.
  • the actuation can be carried out, for example, using a mechanical or electromechanical actuator.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
  • In mikrofluidischen Vorrichtungen werden Flüssigkeiten auf einem Chip bereitgestellt oder transportiert. Solche mikrofluidischen Vorrichtungen können beispielsweise bei sogenannten Lab-on-a-Chip-Systemen (LOCs) Anwendung finden, in denen die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem beispielsweise kreditkartengroßen Kunststoffsubstrat (LOC-Kartusche) untergebracht wird und komplexe biologische, diagnostische, chemische oder physikalische Prozesse miniaturisiert ablaufen können. Viele LoC-Systeme benötigen eine Auswahl an Fluiden wie Flüssigreagenzien, wie z. B. salzhaltige Lösungen, ethanolhaltige Lösungen, wässrige Lösungen, Detergenzien oder Trockenreagenzien, wie Lyophilisate, Salze usw., die für verschiedenste diagnostische Applikationen erforderlich sind. Diese Reagenzien können zum einen manuell auf die LOC-Kartusche pipettiert oder bereits auf der Kartusche vorgelagert werden. Letzteres bringt Vorteile hinsichtlich Automatisierbarkeit, Kontaminationsrisiken, Bedienerfreundlichkeit und Transportfähigkeit von LOC-Systemen mit sich.
  • Die WO 2014/090610 A1 beschreibt ein Konzept, in dem Flüssigkeiten in Schlauchbeuteln, sogenannten Stickpacks, gelagert werden. Die Stickpacks werden in das LOC-System integriert, indem sie druckgetrieben über eine Auslenkung einer flexiblen Membran geöffnet und entleert werden können.
  • Die Dokumente DE 10 2010 001412 A1 und US 2006/275852 offenbaren mikrofluidische Vorrichtungen zur Handhabung von Fluiden.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine mikrofluidische Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen und ein Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen mikrofluidischen Vorrichtung möglich.
  • Ein Vorteil der beschriebenen mikrofluidischen Vorrichtung besteht darin, dass Flüssigkeiten, wie Reagenzien und feuchteempfindliche Trockenreagenzien für LOC-Anwendungen langzeitstabil gelagert und bei Bedarf über ein mechanisches Element, wie beispielsweise einen Stempel, eine Stempeleinheit, oder einen Stößel bereitgestellt werden können.
  • Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
    • einem Kammersubstrat mit einer Fluidkammer zum Aufnehmen eines Fluids;
    • einem Deckelsubstrat mit einer Stempelöffnung, wobei die Stempelöffnung gegenüberliegend zu einer Fluidkammeröffnung der Fluidkammer angeordnet ist;
    • einer flexiblen Membran, die zwischen dem Kammersubstrat und dem Deckelsubstrat angeordnet ist und die Stempelöffnung und die Fluidkammeröffnung überspannt;; und
    • einer Stempeleinheit, die dazu ausgebildet ist, um durch die Stempelöffnung in die Fluidkammer einzufahren, um die Membran in die Fluidkammer auszulenken, um ein Ausströmen des Fluid aus der Fluidkammer zu ermöglichen, wenn das Fluid in der Fluidkammer aufgenommen ist.
  • Bei dem Kammer- und dem Deckelsubstrat kann es sich um ein polymeres Substrat aus Kunststoffen mit hohen Barriereeigenschaften handeln. Die Membran ist dazu ausgebildet, um bei einem Druck auf die Membran ausgelenkt zu werden. Die Membran ist gemäß einer Ausführungsform in hohem Maße flexibel und reißfest ausgeformt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Membran ausgebildet, um sich bei einer Rücknahme des Drucks in ihre ursprüngliche Position zurückzuziehen. Insbesondere bei einer großen Auslenkung der Membran kann es auch zu einer plastischen Verformung kommen, die jedoch nicht unbedingt der Funktion im Wege steht.
  • Eine vorgestellte mechanische Stempeleinheit der mikrofluidischen Vorrichtung ermöglicht eine zuverlässige Reagenzienfreigabe. Da gefahrlos eine hohe Kraft auf die beispielsweise ein Fluid enthaltende Fluidkammer aufgebracht werden kann, kann das Fluid beispielsweise in einem Blister oder hinter einer Barrierefolie mit einem besonders starken Schichtaufbau bevorratet werden, was eine sichere und langzeitstabile Lagerung des Fluids ermöglicht. Die vorgestellte Membran bietet den Vorteil, dass die Stempeleinheit stets von dem Fluid getrennt bleiben kann und somit aufgrund der hygienischen Anwendungsmöglichkeit wiederverwendbar ist. Dies kann einen Kostenvorteil schaffen. Die Fluidkammer kann beispielsweise ein Volumen kleiner als 30ml, 20ml, 10ml, 5ml, 1ml oder kleiner als 0,1ml aufweisen. Zudem bietet eine mechanisch verfahrbare Stempeleinheit den Vorteil, dass die Freigabe der Reagenzien nicht zwingend schwerkraftgetrieben sein muss. Die Stempeleinheit kann das Reagenzvolumen über die Membran in andere Kammern bzw. Kanäle verdrängen, wobei der gesamte Aufbau beliebig ausgerichtet sein kann, beispielsweise unter 0° Neigung, aber auch unter beispielsweise 30°, 45° oder 60° Neigung. Dies bietet Vorteile im Handling und bei der Prozessierung der LOC Kartusche.
  • Das Fluid kann in der Fluidkammer aufgenommen sein und durch eine die Fluidkammer verschließende Barrierefolie in der Fluidkammer gehalten werden. Dabei kann die Barrierefolie dazu ausgeformt sein, um durch die Stempeleinheit geöffnet zu werden, um beispielsweise einen Kanal oder eine Umlagerungskammer fluidisch mit der Fluidkammer zu verbinden. Durch eine solche Barrierefolie kann das Fluid, wie beispielsweise ein Reagenz, sicher in der Fluidkammer vorgelagert werden und erst bei Bedarf durch das Einführen der Stempeleinheit in die Barrierefolie gezielt freigesetzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Fluid in einem Einlegebehälter angeordnet sein, der von der Fluidkammer aufgenommen ist, wobei die Barrierefolie den Einlegebehälter verschließt. Ein derartiger Einleger hat den Vorteil, dass ein direktes Befüllen der Fluidkammer vermieden werden kann und somit eine Fertigung vereinfacht, eine Benutzung vereinfacht sowie eine Fehlbedienung und die Gefahr von Kontaminationen ausgeschlossen werden kann. Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen kann der Einlegebehälter flexibel oder plastisch ausgeformt sein.
  • Der Einleger kann so ausgeformt sein, dass er passgenau in die Fluidkammer aufnehmbar ist, das Material des Einlegers kann dabei eine höhere Barriereeigenschaft bezüglich des Fluids aufweisen als das Kammersubstrat. Somit können unterschiedliche Fluide mit unterschiedlichen Anforderungen an eine langzeitstabile Vorlagerung in eigens für die Anforderungen der Fluide ausgeformten Einlegern sicher in der Vorrichtung gelagert werden. Eine Materialauswahl des Kammersubstrats kann somit unabhängig von für Fluide geeigneten Vorlagerungsmaterialien erfolgen.
  • Das Fluid kann auch in einem Blister angeordnet sein, der von der Fluidkammer aufgenommen ist, wobei der Blister ein Volumen der Fluidkammer im Wesentlichen ausfüllt, wobei der Blister dazu ausgeformt ist, um durch die Stempeleinheit geöffnet zu werden. Ein Blister kann beispielsweise aus einer oder mehreren Siegelfolien, deren Kanten durch dichte Siegelnahten verbunden sein können, ausgeformt sein und eine kostengünstige Alternative für einen Einleger darstellen. Ein Blister aus einem elastischen Material kann beispielsweise einfach in Fluidkammern mit unterschiedlichen Ausformungen aufgenommen, beispielsweise eingeklebt, werden.
  • Von Vorteil ist es, wenn ein Durchmesser der Stempelöffnung gemäß einer Ausführungsform größer ist, als die Hälfte des Durchmessers der Fluidkammeröffnung. Der Durchmesser der Stempelöffnung kann vorteilhafterweise einen Durchmesser aufweisen, der dem Durchmesser der Fluidkammeröffnung entspricht. Somit kann das Volumen der Fluidkammer nahezu vollständig verdrängen kann. Eine Stempelspitze der Stempeleinheit kann dabei vorteilhaft so ausgeformt sein, dass das Fluid in der Fluidkammer in Richtung eines Kanals verdrängt wird.
  • Die Stempeleinheit kann in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen Geometrien an der Stirnfläche annehmen, die eine Rissbildung der Barrierefolie in Richtung der Umlagerungskammer begünstigen ohne die flexible Membran zu beschädigen. Besonders vorteilhaft sind hierbei Stempelgeometrien, die Überhöhungen an der Stirnseite der Stempeleinheit aufweisen, um durch lokale Spannungsspitzen den Beginn der Rissbildung der Barrierefolie exakt in diesem Bereich zu begünstigen. Bei weiterem Eintauchen der Stempeleinheit setzt sich die Rissbildung fort und die Verdrängung der Reagenzien bekommt eine entsprechende Vorzugsrichtung. Dies ermöglicht eine kontrollierte Verdrängung der Reagenzien in die Umlagerungskammer.
  • Eine einfache Methode ist, den Stempel mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit (typischerweise 1 mm/min bis 50 mm/min) verfahren zulassen, bis die Stirnseite der Stempeleinheit auf den Boden der Fluidkammer stößt. Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, das Verfahren der Stempel stufenförmig zu gestalten. Die Stempeleinheit verfährt im ersten Schritt bis zum ersten Anriss der Barrierefolie. Im zweiten Schritt fährt die Stempeleinheit wenige Millimeter zurück, um ein Austreten der Reagenz durch die entstandenen Risse zu ermöglichen. Im dritten Schritt verfährt die Stempeleinheit bis zum Boden der Fluidkammer für eine vollständige Verdrängung der Flüssigkeit in die Umlagerungskammer. Hier sind beliebig weitere Variationen der Vorschubgeschwindigkeit sowie der Abfolge der Verfahrrichtung der Stempeleinheit denkbar, um eine optimale und effiziente Reagenzienfreigabe in die Umlagerungskammer zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung einen Kanal auf, der auf einer dem Kammersubstrat zugewandten Seite der Membran verläuft und fluidisch mit der Fluidkammer verbunden ist. Der Kanal kann in die Fluidkammer münden. An einem der Fluidkammer entgegengesetzten Ende des Kanals kann eine Umlagerungskammer zum sicheren Auffangen des Fluids angeordnet sein.
  • In der Umlagerungskammer kann beispielsweise auch ein weiteres Fluid vorgelagert sein, das zur Vermischung mit dem Fluid nach der Freisetzung des Fluids bestimmt sein kann. Alternativ kann eine solche Umlagerungskammer auch direkt in die Fluidkammer münden.
  • Der Durchmesser der Stempelöffnung kann kleiner sein als die Hälfte des Durchmessers der Fluidkammeröffnung. Dabei kann die Stempelöffnung benachbart zu dem Kanal angeordnet sein. Eine verhältnismäßig kleine Stempelöffnung kann eine entsprechend kleine Stempeleinheit aufnehmen, die wiederum Platz für beispielsweise eine weitere Stempelöffnung und/oder für eine Entlüftungsöffnung aufseiten der Fluidkammeröffnung verfügbar machen kann. Vorteilhafterweise kann der Kanal bei einem bestimmten Neigungswinkel der Vorrichtung so angeordnet sein, dass das Fluid in eine schwerkraftgerichtete Richtung abfließen oder abgesaugt werden kann. Wenn die Stempelöffnung wie vorgestellt benachbart zu dem Kanal angeordnet ist, kann die Entlüftungsöffnung beispielsweise über der Stempelöffnung angeordnet werden, von wo beispielsweise ein Einströmen von Umgebungsluft durch die Entlüftungsöffnung das Abfließen des Fluids begünstigen kann.
  • Der Kanal weist erfindungsgemäß einen Kanalfortsatz und das Deckelsubstrat eine Entlüftungsöffnung auf, die in den Kanalfortsatz mündet, wobei die Stempelöffnung zwischen der Entlüftungsöffnung und dem Kanal angeordnet sein kann, wobei die Membran die Entlüftungsöffnung nicht überspannt.
  • Eine vorgestellte Entlüftungsöffnung über dem Kanal mit Verbindung zum Kanal kann beispielsweise durch eine entstandene Verbindung zur Umgebungsluft ein Abfließen des Fluids durch den Kanal begünstigen.
  • Das Deckelsubstrat kann eine Entlüftungsöffnung aufweisen, die in die Fluidkammer mündet, wobei die Stempelöffnung zwischen der Entlüftungsöffnung und dem Kanal angeordnet sein kann, wobei die Membran die Entlüftungsöffnung überspannen kann. Die Vorrichtung kann zudem eine weitere Stempeleinheit aufweisen, die dazu ausgebildet ist, um durch die Entlüftungsöffnung in die Fluidkammer einzufahren, um die Membran in die Fluidkammer auszulenken, um ein Einströmen eines weiteren Fluids in die Fluidkammer zu ermöglichen.
  • Ein vorgestellter Ansatz ermöglicht das Öffnen einer beispielsweise durch die Barrierefolie verschlossenen Fluidkammer und/oder das Öffnen eines in der Fluidkammer angeordneten Blisters an zwei unterschiedlichen Stellen. Der Ansatz stellt außerdem die Grundvoraussetzung für einen möglicherweise zusätzlichen Luftkanal mit Verbindung zur Entlüftungsöffnung und zur Fluidkammer, der ein Einströmen eines weiteren Fluids in die Fluidkammer ermöglichen kann.
  • Vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Ausführungsform zwischen dem Kammersubstrat und der Membran ein Zwischensubstrat angeordnet ist, das eine die Stempelöffnung fortsetzende weitere Stempelöffnung und eine die Entlüftungsöffnung fortsetzende weitere Entlüftungsöffnung aufweist und dazu ausgeformt ist, um einen quer zur Entlüftungsöffnung verlaufenden und in die weitere Entlüftungsöffnung mündenden Luftkanal zu erzeugen.
  • Der Luftkanal kann sich in eine dem Kanal abgewandte Richtung erstrecken. Ein vorgestellter Luftkanal kann einen entstehenden Unterdruck in der Fluidkammer nach dem Stempelvorgang und während des Abfließens des Fluids durch ein Einströmen von beispielsweise Umgebungsluft durch den Luftkanal in die Fluidkammer ausgleichen und so das Abfließen des Fluids durch den Kanal begünstigen. Zudem verhindert das Zwischensubstrat, dass beim aktiven Ansaugen des freigegebenen Fluids ein Luftpfad zur Entlüftung entsteht. Sonst besteht die Gefahr, dass nur Luft anstatt Flüssigkeit angesaugt wird.
  • Der Kanal kann zwischen der Membran und dem Zwischensubstrat verlaufen und in die Stempelöffnung münden. Dieser Ansatz ermöglicht eine günstige Anordnung des Kanals, wenn ein Zwischensubstrat in der Vorrichtung angeordnet ist.
  • Ein Durchmesser der Fluidkammeröffnung kann der Stempelöffnung entsprechen, wobei die Fluidkammer eine zweite Stempelöffnung aufweisen kann, die einem Durchmesser der weiteren Entlüftungsöffnung entspricht. Das Kammersubstrat kann sich so mit Ausnahme im Bereich der Fluidkammeröffnung und im Bereich der zweiten Fluidkammeröffnung über eine Fluidkammeröffnungsseite an der die Fluidkammeröffnung und die zweite Fluidkammeröffnung angeordnet sind, erstrecken. Das Kammersubstrat kann so stabiler ausgeformt sein. Eine möglicherweise angeordnete Barrierefolie zum Verschließen der Fluidkammer kann gemäß dieser Ausführungsform entlang einer der Fluidkammeröffnungsseite zugewandten Innenseite der Fluidkammer beispielsweise angeklebt sein und/oder zwischen dem Kammersubstrat und dem Zwischensubstrat angeordnet sein. Wenn die Barrierefolie zwischen dem Kammersubstrat und dem Zwischensubstrat angeordnet ist, kann die Barrierefolie die Fluidkammeröffnung und die zweite Fluidkammeröffnung sowie die weitere Entlüftungsöffnung und die weitere Stempelöffnung des Zwischensubstrats überspannen.
  • Ein der Fluidkammeröffnung gegenüberliegender Fluidkammerboden kann durch eine weitere Barrierefolie ausgeformt sein. Durch die zuvor beschriebene erhöhte Stabilität des Kammersubstrats auf der Fluidkammeröffnungsseite kann der gegenüberliegende Fluidkammerboden des Kammersubstrats lediglich durch die weitere Barrierefolie ausgeformt werden. Das Kammersubstrat kann so beispielsweise zuvor vonseiten des Fluidkammerbodens befüllt und anschließend durch die weitere Barrierefolie verschlossen werden. Außerdem kann während des Stempelvorgangs durch die zumindest leicht flexible weitere Barrierefolie ein durch das Einfahren der Stempeleinheiten entstehender Innendruck in der Fluidkammer durch ein leichtes Bewegen der weiteren Barrierefolie in Richtung der Stempelbewegung, ausgeglichen werden. Bei dieser weiteren vorteilhaften Ausführungsform mit zusätzlicher Barrierefolie ist die Entstehung eines Luftpfads beim aktiven Ansaugen des Fluids gänzlich ausgeschlossen, da der Boden der Fluidikkammer vollflächig mit dem Zwischensubstrat verbunden ist.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung umfasst die folgenden Schritte:
    • Bereitstellen eines Kammersubstrats mit einer Fluidkammer zum Aufnehmen eines Fluids,
    • Bereitstellen eines Deckelsubstrats mit einer gegenüberliegend zu einer Fluidkammeröffnung der Fluidkammer angeordneten Stempelöffnung;
    • Anordnen einer flexiblen Membran zwischen dem Kammersubstrat und dem Deckelsubstrat, wobei die Membran die Stempelöffnung und die Fluidkammer überspannt;
    • Optional, Erzeugen eines Kanals auf einer dem Kammersubstrat zugewandten Seite der Membran, wobei der Kanal fluidisch mit der Fluidkammer verbunden ist; und
    • Bereitstellen einer Stempeleinheit, die dazu ausgebildet ist, um durch die Stempelöffnung in die Fluidkammer einzufahren, um die Membran in die Fluidkammer auszulenken, um ein Ausströmen des Fluids aus der Fluidkammer zu ermöglichen, wenn das Fluid in der Fluidkammer aufgenommen ist.
  • Ein Verfahren zum Betreiben einer genannten mikrofluidischen Vorrichtung umfasst den folgenden Schritt:
    Einfahren der Stempeleinheit durch die Stempelöffnung in die Fluidkammer, um die Membran in die Fluidkammer auszulenken, um ein Ausströmen des Fluids aus der Fluidkammer zu ermöglichen, wenn das Fluid in der Fluidkammer aufgenommen ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung und andere nicht erfinderische Beispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • Fig. 2 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • Fig. 3 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • Fig. 4 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung;
    • Fig. 5 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit Einlegebehälter;
    • Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Kammersubstrats mit einer Mehrzahl von Fluidkammern;
    • Fig. 7 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer Entlüftungsöffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • Fig. 8 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer Entlüftungsöffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • Fig. 9 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einem Zwischensubstrat und einer weiteren Stempeleinrichtung;
    • Fig. 10 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einem Zwischensubstrat und einer weiteren Stempeleinrichtung;
    • Fig. 11 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer weiteren Barrierefolie;
    • Fig. 12 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer weiteren Barrierefolie;
    • Fig. 13 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer weiteren Barrierefolie;
    • Fig. 14 eine Querschnittdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit einer weiteren Barrierefolie;
    • Fig. 15 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von Fluidkammern;
    • Fig. 16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung; und
    • Fig. 17 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung.
  • 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 einen schematischen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Kammersubstrat 105 mit einer Fluidkammer 110 und ein benachbart zu dem Kammersubstrat 105 angeordnetes Deckelsubstrat 115. Das Deckelsubstrat 115 ist zwischen dem Kammersubstrat 105 und einer Stempeleinheit 120 angeordnet. Das Deckelsubstrat 115 weist eine Stempelöffnung 125 und die Fluidkammer 110 eine Fluidkammeröffnung 130 auf. Zwischen dem Kammersubstrat 105 und dem Deckelsubstrat 115 ist eine flexible Membran 135 angeordnet, die die Fluidkammeröffnung 130 und die benachbart angeordnete Stempelöffnung 125 überspannt. Auf einer dem Kammersubstrat 105 zugewandten Seite der Membran 135 verläuft optional ein Kanal 140, der fluidisch mit der Fluidkammer 110 verbunden ist.
  • In einer Variante verläuft der Kanal 140 auf einer der Membran 135 zugewandten Seite des Deckelsubstrats 115. Der Kanal ist dann über ein Durchloch in der Membran 135 fluidisch mit der Fluidkammer 110 verbunden. Der Durchmesser der Stempelöffnung 125 ist in dieser Variante vorteilhafterweise kleiner als der Durchmesser der Fluidkammeröffnung 130, so dass der Kanal 140 im Deckelsubstrat 115 bis zu einer der Fluidkammeröffnung 130 gegenüberliegenden Position geführt werden kann.
  • Die Stempeleinheit 120 ist dazu ausgeformt, um durch das Deckelsubstrat 115 in die Fluidkammer 110 einzufahren. Die Stempeleinheit 120 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel an einer dem Deckelsubstrat 115 zugewandten Seite eine abgerundete Stempelspitze auf, die einer Innengeometrie der Fluidkammer 110 entspricht. Wenn die Stempeleinheit 120 in die Fluidkammer einfährt, wird die Membran 135 von der abgerundeten Stempelspitze der Stempeleinheit 120 in die Fluidkammer 110 ausgelenkt. Wenn die Stempeleinheit 120 aus der Fluidkammer zurückfährt, nimmt die Membran 135 gemäß einem Ausführungsbeispiel ihre ursprüngliche Position, die in Fig. 1 dargestellt ist, wieder ein. Alternativ bleibt die Membran 135 nach dem Zurückfahren der Stempeleinheit 120 zumindest teilweise verformt.
  • Ein Fluid kann beispielsweise in einem Blister in der Fluidkammer 110 aufgenommen sein. Das Fluid kann auch direkt in die Fluidkammer eingefüllt sein, wobei die Fluidkammeröffnung 130 dann durch eine Barrierefolie verschlossen sein kann, damit das Fluid nicht in den Kanal 140 strömen kann. Das Fluid kann alternativ in einen Einlegebehälter aufgenommen sein, der in der Fluidkammer 110 aufgenommen ist, wobei der Einlegebehälter durch die Barrierefolie verschlossen sein kann.
  • Beispielhaft ist die mikrofluidischen Vorrichtung 100 in Fig. 1 in einer Stellung mit einer 0° Neigung gezeigt.
  • Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 1 beschriebene mikrofluidische Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Fluidkammer in Fig. 2 die Barrierefolie 200 und das in der Fluidkammer 110 angeordnete Fluid 205 aufweist. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 eine Umlagerungskammer 210 mit einem Ventil 215 auf. Das Fluid 205 ist direkt in der Fluidkammer 110 aufgenommen, wobei die Barrierefolie 200 die Fluidkammeröffnung schließt, wodurch das Fluid 205 sicher in der Fluidkammer 110 gehalten wird. Gemäß diesem Beispiel füllt das Fluid 205 die Fluidkammer 110 nicht vollständig aus, es kann ein weiterer Inhalt wie beispielsweise Gas oder Luft in der Fluidkammer 110 angeordnet sein. Das Fluid 205 kann auch in einem Blister aufgenommen sein, der in der Fluidkammer 110 angeordnet ist.
  • Die Umlagerungskammer 210 ist mit dem Kanal 140 verbunden, wobei der Kanal 140 zwischen der Fluidkammer 110 und der Umlagerungskammer 210 angeordnet ist. Die Umlagerungskammer 210 ist unterhalb der Fluidkammer 205 angeordnet. Die Umlagerungskammer 210 weist an einer der Fluidkammer 110 abgewandten Seite das Ventil 215 auf.
  • Bereits beschriebene Details werden im Folgenden anhand von Fig. 2 genauer ausgeführt:
    Das LOC-System 100 in Form der mikrofluidischen Vorrichtung 100 kann aus polymerbasierten Mehrschichtaufbauten in Form des Kammersubstrats 105 und des Deckelsubstrats 115 bestehen. Das Kammersubstrat 105 und das Deckelsubstrat 115 weisen polymerbasierte Substrate auf, in dem Kavitäten in Form von der Fluidkammer 205 und/oder dem Kanal 140 angeordnet sind. Eine Lagerung von Flüssigkeiten 205, im Folgenden nur noch Fluide 205 genannt, mit kleinen Volumina unter 1 ml ist in der Fluidkammer 110 des Kammersubstrats 105 nur bedingt möglich, da die meisten Kunststoffe über keine ausreichenden Barriereeigenschaften für eine langzeitstabile Lagerung verfügen (PC, PA, PS, PMMA). Zudem ist es wichtig, dass das Fluid 205, wie beispielsweise ein Reagenz, im Ausgangszustand verschlossen ist, z. B. durch normally-closed Ventile 215, und bei Bedarf (on-demand) bereitgestellt werden kann, was zusätzliche Anforderungen für Lagerungskonzepte impliziert. Um das Fluid 205 langstabil zu lagern, kann daher ein separater Behälter wie eine Blisterverpackung oder ein Schlauchbeutel in Form des Blisters in die Fluidkammer 110 aufgenommen sein, wodurch das Kammersubstrat 105 in seiner Materialauswahl nicht eingeschränkt ist. Dies impliziert Anforderungen an den Fertigungsprozess aufgrund des Handlings und Pick-and-Place-Prozessen. Vorteilhafterweise ist das Kammersubstrat 105 aus Kunststoffen mit hohen Barriereeigenschaften, wie zum Beispiel COP, COC, PP, PE oder PET hergestellt, was eine sichere Fluid- oder Reagenzienvorlagerung in dem Kammersubstrat 105 ermöglicht. Ein Konzept, das auf solchen Kunststoffen basiert, kann zum einen direkt in das Materialsystem der Fluidkammer 110 integriert werden oder zum anderen durch einen Fügeprozess durch beispielsweise Kleben, Schweißen, oder Klemmen fluidisch mit der Fluidkammer 110 verbunden werden.
  • Die dargestellte Vorrichtung 100 weist einen polymeren Schichtaufbau bestehend aus zumindest zwei Polymersubstraten, nämlich dem Kammersubstrat 105 und dem Deckelsubstrat 115 auf, welche durch die flexible Membran 135 getrennt sind. In dem Kammersubstrat 105 ist ein vorgelagertes Fluid 205 angeordnet, beispielsweise in dem Blister, in einem versiegelten spritzgegossenen Einlegebehälter oder in einem mit der oder mit mehreren der Barrierefolien 200 verschlossenen Ausbruch in Form der Fluidkammer 110 innerhalb des Kammersubstrats 105. Zur Bereitstellung des vorgelagerten Fluids 205 wird zumindest eine Stempeleinheit 120, beispielsweise ein Stößel eingesetzt, welcher durch zumindest eine Öffnung in Form der Stempelöffnung 125 in dem Deckelsubstrat 115 durch Relativbewegung in das LOC in Form der Fluidkammer 110 eindringen kann.
  • Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 2 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Stempeleinheit 120 in die Stempelöffnung eingeführt und die Barrierefolie 200 durch die Stempeleinheit 120 geöffnet ist. Hierbei ist die flexible Membran 135 durch die Stempeleinheit 120 ausgelenkt, ohne zu reißen. Bei Kontakt mit der Barrierefolie 200 wird durch die Stempeleinheit 120 eine Kraft ausgeübt, welche zum Reißen einer Siegelfolie des beispielsweise in der Fluidkammer 110 angeordneten Blisters und/oder der Barrierefolie 135 führt.
  • Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 3 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Stempeleinheit 120 vollständig in die Fluidkammer 110 eingeführt ist und das Fluid 205 in die Umlagerungskammer 210 verdrängt ist.
  • Das Fluid 205 ist entweder in eine Bereitstellungskammer 210, zuvor als Umlagerungskammer 210 bezeichnet, verdrängt oder nach dem Rückziehen der Stempeleinheit 120 in den angeschlossenen mikrofluidischen Kanal 140 entleert.
  • Es ergibt sich durch den beschriebenen Ansatz der Vorteil einer zuverlässigen Bereitstellung des Fluids 205 durch die mechanisch aktuierte Stempeleinheit 120 oder den Stößel. Zudem kann auf die Einbringung von definierten Sollbruchstellen in beispielsweise der Barrierefolie durch z. B. Laserablation verzichtet werden, da durch die Stempeleinheit 120 gefahrlos sehr große Kräfte auf die Barrierefolie oder die Siegelfolie ausgeübt werden können. Es entfällt ein damit verbundener zusätzlicher Fertigungsschritt. Durch die Verwendung der mechanisch aktuierten Stempeleinheit 120 können beispielsweise Barrierefolien verwendet werden, die einen starken Schichtaufbau aufweisen und/oder sehr dick ausgeformt sind, z. B. durch PP und Metallschichten, insbesondere Aluminium, diese können trotzdem zuverlässig aufgebrochen werden. Dies begünstigt auch die langzeitstabile Lagerung des Fluids 205.
  • Die Stempeleinheit 120 kommt während des gesamten Freisetzvorgangs vorteilhafterweise nicht in Kontakt mit dem vorgelagerten Fluid 205. Die flexible Membran 135 ermöglicht eine vollständige Trennung vom mechanischen Aktuierungsmechanismus in Form der Stempeleinheit 120 und dem Fluid 125 in der Fluidkammer 110. Die Stempeleinheit 120 kann deshalb fest in eine Ansteuerungseinheit verbaut werden und muss nicht zusammen mit dem beispielsweise verwendeten Blister oder Einlegeteils in Form des Einlegebehälters entsorgt werden. Hierdurch bleiben sowohl Kosten für die Vorrichtung 100, als auch Kosten für eine Ansteuerungseinheit gering, da diese keine zusätzliche Mechanik benötigt, um eine an der Vorrichtung 100 untergebrachte Stempeleinheit 120 zu greifen.
  • Gemäß diesem Beispiel basiert das Reagenzienvorlagerungskonzept auf dem Kammersubstrats 105 aus einem polymeren Substrat mit integrierter Fluidkammer 110, welche durch die Barrierefolie versiegelt ist. Das Kammersubstrat 105 kann aus Kunststoffen mit hohen Barriereeigenschaften bestehen, z. B. PP,
    PE, COC, COP, oder zusätzliche Beschichtungen aufweisen wie Al, Al2O3, SiO, die Anforderungen für eine langzeitstabile Lagerung von Fluiden 205 wie Flüssigreagenzien erfüllen. Das Kammersubstrat 105 ist mit der flexiblen Membran 135 und einem weiteren polymeren Substrat, dem Deckelsubstrat 115, verbunden. Als Fügeprozesse für diesen Mehrschichtaufbau sind Laserdurchstrahlschweißen, Ultraschallschweißen, Thermobonden, Kleben, Klemmen oder vergleichbare Prozesse geeignet. Das Deckelsubstrat 135 verfügt über mindestens einen Durchbruch in Form der Stempelöffnung 125. Für die Freigabe des Fluids 205 verfährt die Stempeleinheit 120 durch die Stempelöffnung 125, lenkt die flexible Membran 135 aus, ohne dass diese reißt, und bricht die Barrierefolie auf. Dabei wird das Fluid 205 über den Transferkanal in Form des Kanals 140 in die Umlagerungskammer 210 verdrängt und steht für weitere mikrofluidische Prozesse bereit. Beispielsweise kann das Fluid 205 beim Öffnen des Ventils 215 durch einen Unterdruck in einem dahinter befindlichen mikrofluidischen Netzwerk angesaugt werden. Die flexible Membran 135 ermöglicht eine vollständig fluidische Trennung zwischen der Fluidik im Kammersubstrat 105 mit allen beteiligen Fluiden 205 und der mechanischen Stempeleinheit 120. Die Stempeleinheit 120 ist dabei vorzugsweise so ausgeformt, dass sie ein möglichst großes Volumen aus der Fluidkammer 110 verdrängt, ohne an den Rändern der Fluidkammer 110 so abzudichten, dass das Fluid 205 nicht mehr in die Umlagerungskammer 210 gelangt. Dies ist am besten zu erreichen, wenn die Form der Stempeleinheit 120 dem Inversen der Fluidkammer 110 entspricht, jedoch beispielsweise einige 100 µm Toleranz an den Außenwänden aufweist.
  • Für die Stempeleinheit 120 sind auch beliebige Geometrien, Abmessungen und Formen denkbar, die ein gezieltes Aufreißen der Barrierefolie und/oder der Siegelfolie und ein gerichtetes Entleeren der Fluidkammer 110 begünstigen. Beispielsweise kann die Stempeleinheit 120 eine zur Umlagerungskammer 210 gerichtete Ausnehmung vorhalten, um die Verdrängung des Fluids 205 in die Umlagerungskammer 210 zu begünstigen. Es kann damit ein Übersprechen des Fluids 205 minimiert werden.
  • Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit Einlegebehälter 500. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 2 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass der eine Kavität 505 aufweisende Einlegebehälter 500 von der Fluidkammer 110 aufgenommen ist. Das Fluid 205 ist in der Kavität 505 des Einlegebehälters 500 angeordnet. Die Fluidkammer 110 weist einen rechteckig ausgeformten Querschnitt auf, um den Einlegebehälter 500 aufzunehmen, der ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Der Einlegebehälter 500 kann passgenau oder annähernd passgenau in die Fluidkammer 110 eingefügt sein. Durch den separaten Einlegebehälter kann in einer vorteilhaften und platzsparenden Ausführungsform der Kanal 140 bzw. die Wand zwischen Fluidkammer 110 und Umlagerungskammer 210 vollständig entfallen. Gemäß einem Beispiel sind die Fluidkammer 110 und die Umlagerungskammer 210 zu einer Kammer vereinigt, oder anders ausgedrückt sind die Umlagerungskammer 210 und der auch als Einleger bezeichnete Einlegebehälter 500 nicht getrennt. Alternativ kann die Wand zwischen Fluidkammer 110 und Umlagerungskammer 210 auf eine kleine Einbuchtung reduziert sein, als ein Steg zum Halten des Einlegebehälters 500 in der Fluidkammer 110 ausgeführt sein oder eine den Kanal 140 bildende Durchgangsöffnung aufweisen.
  • In diesem weiteren vorteilhaften Beispiel ist der zusätzliche Einlegebehälter 500 in das Kammersubstrat 105 integriert. Der Einlegebehälter 500 verfügt idealerweise über höhere Barriereeigenschaften, als das umgebende Kammersubstrat 105. Dieser Einlegebehälter 500 enthält das Fluid 205 und ist mit der Barrierefolie 200 versiegelt. Die Freigabe des Fluids 205 erfolgt identisch, wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben. Die Materialauswahl des Kammersubstrats 105 bleibt gemäß diesem Ausführungsbeispiel unabhängig von den Anforderungen der langzeitstabilen Reagenzienvorlagerung.
  • Der Einlegebehälter 500 kann geklebt, geklemmt, geschweißt oder durch andere Fügeverfahren integriert sein. Der Einlegebehälter 500 kann auch einfach in eine geeignet ausgeformte Aufnahmekammer in Form der Fluidkammer 110 in dem Kammersubstrat 105 eingelegt worden sein. Mit geeignet ausgeformt ist hier gemeint, dass die Fluidkammer 110 den Einlegebehälter 500 eng umschließt. Dies hat den Vorteil, dass das Totvolumen des Aufbaus minimiert und ein Verrutschen des Einlegebehälters 500 vermieden wird.
  • Der Einlegebehälter 500 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Kavität 505 zum Aufnehmen des Fluids 205 auf, kann jedoch gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel auch mehrere solcher Kavitäten 505 aufweisen, die z. B. jeweils mit verschiedenen Fluiden 205 befüllt sind. Diese Kavitäten 505 können in Form eines Balkens angeordnet sein oder auch nur an bestimmten Stellen, z. B. an der Oberseite, kammartig miteinander verbunden sein. Dies hat den Vorteil, dass in der Fluidkammer 110 Trennelemente, z. B. Wände, zwischen den verschiedenen Fluiden 205 angeordnet sein können, die ein Vermischen der Fluide 205 sicher verhindern können. Des Weiteren führt die Auslenkung der flexiblen Membran 135 durch die verfahrbare Stempeleinheit dazu, dass der fluidische Pfad an den in Fig. 6 dargestellten Verbindungsaussparungen 605 abgedichtet wird, um ein Vermischen der in separaten Fluidkammern 110 bevorrateten Fluide 205 nach deren Freisetzung sicher verhindern können.
  • Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kammersubstrats 105 mit einer Mehrzahl von Fluidkammern 110. Dabei kann es sich um das anhand von Fig. 5 beschriebene Kammersubstrat 105 handeln, mit dem Unterschied, dass kein Fluid in den Kavitäten 505 des Einlegebehälters 500 aufgenommen ist. Gemäß diesem Beispiel weist das Kammersubstrat 105 vier nebeneinander angeordnete Fluidkammern 110 auf. Die Anzahl der Fluidkammern 110 ist lediglich beispielhaft, sodass die auch mehr oder weniger als vier Fluidkammern 110 vorgesehen sein können. Unterhalb der Fluidkammern 110 sind vier Umlagerungskammern 210 angeordnet. Die Fluidkammern 110 weisen den Einlegebehälter 500 auf, wobei der Einlegebehälter 500 als ein vier Kavitäten 505 umfassender Einlegebehälter 500 ausgeformt ist, wobei eine der Kavitäten 505 jeweils in einer der vier Fluidkammern 110 aufgenommen ist. Gemäß diesem Beispiel weist der Einlegebehälter 500 in einem den Umlagerungskammern 210 abgewandten Bereich zwischen den Kavitäten 505 drei Verbindungsstege 600 auf. Das Kammersubstrat 105 weist in dem Bereich entsprechend zu den Verbindungsstegen 600 drei Verbindungsaussparungen 605 zur Aufnahme der Verbindungsstege 600 auf.
  • Fig.7 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit einer Entlüftungsöffnung 700 gemäß einem erfinderische Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 3 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Stempelöffnung 125 kleiner als in Fig. 3 ausgeformt und im Bereich des Kanals 140 angeordnet ist, und, dass der Kanal 140 einen Kanalfortsatz 705 aufweist, der die Entlüftungsöffnung 700 aufweist.
  • Der Kanalfortsatz 705 erstreckt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel in eine dem Kanal 140 abgewandte Richtung, die Stempelöffnung 125 ist dabei zwischen dem Kanalfortsatz 705 und dem Kanal 140 angeordnet. Der Kanalfortsatz 705 ist zudem zwischen der Fluidkammer 110 und der Membran 135 angeordnet. Der Kanalfortsatz 705 erstreckt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel über eine Höhe 710 der Fluidkammer 110 hinweg, wobei die Entlüftungsöffnung 700 quer zu dem Kanalfortsatz 705 in ein außerhalb der Höhe 710 angeordnetes Ende des Kanalfortsatzes 705 mündet. Die Entlüftungsöffnung 700 verläuft auf einer der Stempelöffnung 100 abgewandten Seite der Fluidkammer 110 gemäß diesem Ausführungsbeispiel parallel zu der Stempelöffnung 125.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Blister so in das Kammersubstrat 105 eingebettet, dass zwei versiegelte Siegelbereiche 715 des Blisters auf einer dafür vorgesehenen Fläche im Kammersubstrat 105 aufliegen und beispielsweise dort verklebt sein können. Das Deckelsubstrat 115 weist die Entlüftungsöffnung 700, unter welcher die Membran 135 geöffnet ist, auf.
  • Die Stempelöffnung 125 ist durch die Membran 135 geschlossen. Die Stempeleinheit 120 kann durch die Stempelöffnung 125 in die Baugruppe in Form der Vorrichtung 100 eindringen und die Barrierefolie 200 sowie die den Blister umschließende Siegelfolie durchstoßen. Das Fluid 205 kann anschließend durch den Kanal 140 entleert werden. Dieses Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Bereitstellungskammer in Form der Umlagerungskammer verzichtet werden kann. Somit erlaubt dieses Ausführungsbeispiel eine besonders platzsparende Möglichkeit zur Vorlagerung des Fluids 205.
  • Fig. 8 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit einer Entlüftungsöffnung 700 gemäß einem erfinderische Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 7 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Stempeleinheit 120 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wieder aus der Vorrichtung 100 herausgeführt ist, wodurch die Membran 135 im Bereich der Stempelöffnung 125 zurückgezogen ist und das Fluid 205 in den Kanal 140 strömt.
  • Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit einem Zwischensubstrat 900 und einer weiteren Stempeleinheit 905. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 7 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass der Kanal 140 keinen Kanalfortsatz aufweist und die Entlüftungsöffnung 700 in einem Bereich der Höhe 710 angeordnet ist. Das Zwischensubstrat 900 ist zwischen dem Kammersubstrat 105 und dem Deckelsubstrat 115 angeordnet. Das Zwischensubstrat 900 weist eine weitere Entlüftungsöffnung 910 und eine weitere Stempelöffnung 915 auf.
  • Die weitere Stempelöffnung 915 setzt die Stempelöffnung 125 fort, und die weitere Entlüftungsöffnung 910 setzt die Entlüftungsöffnung 700 fort. Das Zwischensubstrat 900 ist dazu ausgeformt, um einen in den weiteren Entlüftungskanal 910 mündenden Luftkanal 920 zu bilden. Der Luftkanal 920 ist quer zu dem weiteren Entlüftungskanal 910 auf einer der Fluidkammer 110 zugewandten Seite der Membran 135 angeordnet. Der Luftkanal 920 erstreckt sich in eine der Stempelöffnung 125 abgewandte Richtung. Die weitere Stempeleinheit 905 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch die Entlüftungsöffnung 700 und die weitere Entlüftungsöffnung 910 in die Fluidkammer 110 eingeführt. Die weitere Stempeleinrichtung 905 öffnet gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Barrierefolie 200 und/oder die Siegelfolie des beispielsweise aufgenommenen Blisters in einem Bereich, in dem das Fluid 205 bei der in Fig. 9 gezeigten Stellung nicht angeordnet ist. Gemäß diesem Beispiel sind die zwei Siegelbereiche 715 zwischen dem Kammersubstrat 105 und dem Zwischensubstrat 900 angeordnet. Gemäß diesem Beispiel ist ein zweiter Stößel in Form der weiteren Stempeleinheit 905 eingesetzt, um eine zweite Öffnung in die Barrierefolie 200 und/oder die Siegelfolie eines Blisters zu stoßen. Da Blister herstellungsbedingt nicht vollständig befüllt sind, ist es besonders vorteilhaft, die zweite Öffnung an einer Stelle des Stickpacks, also des Blisters, vorzunehmen, hinter der sich Luft bzw. Gas befindet. Dieses Beispiel hat insbesondere den Vorteil, dass der Blister über den Luftkanal 920 belüftet werden kann und so eine besonders hohe Entleerungseffizienz erreicht wird.
  • In einem alternativen Beispiel ist das Fluid 205 direkt in der Fluidkammer 110 vorgelagert, welche durch die Barrierefolie 200 versiegelt ist. Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass die Barrierefolie 200 in den Siegelbereichen 715 flächig mit dem Kammersubstrat 105 verbunden ist. Zur Fluidfreigabe werden die zwei mechanischen Stempeleinheiten 120, 905 in die vorhergesehenen Durchbrüche in Form der Stempelöffnung 125 und der Entlüftungsöffnung 700 in dem Deckelsubstrat 115 und der weiteren Stempelöffnung 915 und der weiteren Entlüftungsöffnung 910 im Zwischensubstrat 900 verfahren und lenken die flexible Membran 135 aus. Dabei wird die Barrierefolie 200 im Bereich der weiteren Stempelöffnung 915 und der weiteren Entlüftungsöffnung 910 aufgebrochen. Werden die Stempeleinrichtungen 120, 905 wieder zurückgefahren, werden der Entlüftungspfad in Form des Luftkanals 920 und der fluidische Pfad in Form des Kanals 140 freigegeben.
  • Eine beispielsweise polymere Siegelschicht der Barrierefolie 200 hat insbesondere den Vorteil, dass die mechanische Verformung nach dem Zurückfahren der mechanischen Stempeleinrichtungen 120, 905 erhalten bleibt, was die blockadefreie Öffnung des Kanals 140 und des pneumatischen Luftkanals 920 sicherstellt. Besonders vorteilhaft ist es außerdem, die weitere Stempeleinheit 905 so auszuführen, dass diese vor der Stempeleinheit 120 die Barreriefolie 200 durchdringt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein eventuell auftretender Überdruck innerhalb der Fluidkammer 110 entweichen kann, bevor die Stempeleinheit 120 eindringt. Bei unterschiedlicher Ausführung der Stempeleinheiten 120, 905 kann weiterhin eine gleichzeitige Aktuierung erfolgen.
  • Fig. 10 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit einem Zwischensubstrat 900 und einer weiteren Stempeleinheit 905. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 9 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Stempeleinrichtung 120 und die weitere Stempeleinrichtung 905 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wieder aus der Vorrichtung 100 herausgeführt sind, wodurch die Membran 135 im Bereich der Stempelöffnung 125 und im Bereich der Entlüftungsöffnung 700 zurückgezogen ist, wodurch das Fluid 205 in den Kanal 140 strömt und ein weiteres Fluid aus der Umgebung der Vorrichtung 100 durch den Luftkanal 920 in die Fluidkammer 110 strömt. Diese Beispiel hat insbesondere den Vorteil, dass nach Aufreißen der Barrierefolie und Zurückfahren der Stempeleinheiten die Reagenz durch den Kanal 140 aktiv angesaugt werden kann, wobei gleichzeitig das Risiko der Entstehung eines Luftpfads bis hin zur Entlüftung 700 (wie in FIG 7 und FIG 8) auf ein Minimum reduziert wird. Durch die Entstehung eines Luftpfads zur Entlüftung 700 wäre im ungünstigsten Fall ein aktives Ansaugen der freigegeben Reagenz nicht mehr möglich.
  • Fig. 11 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit einer weiteren Barrierefolie 1100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 9 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass der Fluidkammerboden durch die weitere Barrierefolie 1100 ausgeformt ist, und, dass die Fluidkammer 110 eine zweite Stempelöffnung 1105 aufweist. Die Fluidkammeröffnung 130 weist einen der Stempelöffnung 125 entsprechenden Durchmesser auf. Die Fluidkammeröffnung 130 ist auf einer dem Kanal 140 zugewandten Seite der Fluidkammer 110 angeordnet. Die zweite Fluidkammeröffnung 1105 weist einen der Entlüftungsöffnung 700 entsprechenden Durchmesser auf. Die zweite Fluidkammeröffnung 1105 ist fluidisch mit der weiteren Entlüftungsöffnung 910 verbunden. Gemäß diesem Beispiel weist die Fluidkammer 110 einen rechteckigen Querschnitt auf. Das Kammersubstrat 105 erstreckt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel über die die Fluidkammeröffnung 130 und die zweite Stempelöffnung 1105 umfassende Stempelöffnungsseite hinweg. Die Barrierefolie 200 ist zwischen dem Kammersubstrat 105 und dem Zwischensubstrat 900 angeordnet, wobei die Barrierefolie 200 die Fluidkammeröffnung 130 und die zweite Stempelöffnung 1105 überspannt. Die Barrierefolie 200 ist im Bereich der Fluidkammeröffnung 130 und im Bereich der zweiten Fluidkammeröffnung 1105 durch die Stempeleinheit 120 und die weitere Stempeleinheit 905 geöffnet.
  • Im Folgenden werden bereits ausgeführte Details anhand von Fig. 11 genauer beschrieben:
    Gemäß diesem Beispiel ist das Kammersubstrat 105 beidseitig mit den Barrierefolien 200, 1100 versiegelt. Das beidseitig versiegelte Kammersubstrat 105 mit integriertem Fluid 205 ist über einen Fügeschritt, beispielsweise durch Kleben und/oder Schweißen und/oder Klemmen so auf den Mehrschichtaufbau der Vorrichtung 100 angebracht, dass die Stempelöffnung 125 und die Entlüftungsöffnung 700 auf einer Achse mit den Durchbrüchen in Form der Fluidkammeröffnung 130 und der zweiten Fluidkammeröffnung 1105 liegen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass bei Fluidfreigabe die mechanischen Stempeleinheiten 120, 905 die Barrierefolie 200 definiert aufbrechen, wobei sich kein Luftpfad zwischen dem Kanal 140 und dem Luftkanal 920 ausbilden kann, da das Kammersubstrat 105 im übrigen Bereich luftdicht über eine planare Fügefläche 1100 mit dem Zwischensubstrat 900 verbunden ist.
  • Für die Freigabe des Fluids 205 können die mechanischen Stempeleinrichtungen 120, 905 zurückgefahren und das bereitstehende Fluid 205 beispielsweise aktiv im fluidischen Kanal 140 angezogen werden. Es ergibt sich der Vorteil, dass die weitere Barrierefolie 200 beim Eindrücken der Stempeleinrichtungen 120, 905 durch ein leichtes Auswölben den Druckanstieg innerhalb der Fluidkammer 110 begrenzt. Hierdurch wird das Risiko für Leckagen beim Öffnen verringert.
  • Fig. 12 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit der weiteren Barrierefolie 1100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 11 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Stempeleinrichtung 120 und die weitere Stempeleinrichtung 905 wieder aus der Vorrichtung 100 herausgeführt sind, wodurch die Membran 135 im Bereich der Stempelöffnung 125 und im Bereich der Entlüftungsöffnung 700 zurückgezogen ist, wodurch das Fluid 205 in den Kanal 140 strömt und das weitere Fluid aus der Umgebung der Vorrichtung 100 durch den Luftkanal 920 in die Fluidkammer 110 strömt.
  • Fig. 13 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit der weiteren Barrierefolie 1100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 11 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Barrierefolie 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel an einer Innenseite der Fluidkammer 110 derart angeordnet ist, dass sie die Fluidkammeröffnung 130 und die zweite Fluidkammeröffnung 1105 überspannt. Die Barrierefolie 200 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch die Stempeleinheit 120 und die weitere Stempeleinheit 905 geöffnet.
  • Gemäß diesem Beispiel ist die Barrierefolie 200 auf der Innenseite der Fluidkammer 110 versiegelt, sodass sich auch hier kein Luftpfad zwischen dem Kanal 140 und dem Luftkanal 920 ausbilden kann. Das Kammersubstrat 105 ist direkt mit dem Mehrschichtaufbau der Vorrichtung 100, also dem Zwischensubstrat 900 über die Fügefläche 1110 form- oder kraftschlüssig verbunden, z. B. durch Kleben und/oder Schweißen und/oder Klemmen. Die Barrierefolie 200 kann auch im Kammersubstrat 105 im Bereich der Fluidkammeröffnung 130 und der zweiten Fluidkammeröffnung 1105 lokal versenkt sein.
  • Die benötigten Polymersubstrate, also das Ausgangsmaterial, und die benötigten Strukturen in den Polymersubstraten können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen, Tiefziehen und/oder Laserstrukturierung erzeugt sein.
  • Es folgen Materialbeispiele für die einzelnen Bauteile der anhand der vorangegangenen Figuren beschriebenen Vorrichtungen 100.
  • Materialen für das Kammersubstrat 105 und das Deckelsubstrat 115 können Thermoplaste sein, z. B. PC, PA, PS, PP, PE, PMMA, COP, COC.
  • Materialen für den Einlegebehälter 500 können Thermoplaste sein, z. B. PC, PA, PS, PP, PE, PMMA, COP, COC und/oder Glas.
  • Materialen für die Stempeleinrichtung 120 und die weitere Stempeleinrichtung 905 können Thermoplaste, z. B. PC, PA, PS, PP, PE, PMMA, COP, COC, und/oder Metalle, wie Stahl oder Messing sowie Elastomere sein.
  • Beschichtungen von Reservoiren, wie beispielsweise der Fluidkammer 110, können mit Al, Al2O3, SiO2 durchgeführt werden.
  • Materialen für Membran 135 können Elastomer, thermoplastisches Elastomer (TPU, TPS), Thermoplaste oder Heißklebefolien sein.
  • Als Barrierefolie 200 und Siegelfolie können handelsübliche Polymerverbundfolien aus polymeren Siegel- und Schutzschichten eingesetzt werden, z. B. PE, PP, PA, PET und als Barriereschicht, in der Regel aufgedampftes Aluminium, aber auch andere Hochbarriereschichten wie EVOH, BOPP.
  • Es folgen beispielhafte Abmessungen von Elementen der Ausführungsbeispiele:
    Die Dicke des Kammersubstrats 105 und des Deckelsubstrats 115 kann 0,5 bis 5 mm betragen. Die Dicke der Membran 135 kann 5 bis 300 µm betragen. Bei einem Mehrschichtaufbau der Barrierefolien 200 kann eine Dicke der Barriereschicht (i.d.R. Alu) 5 µm bis 500 µm, eine Dicke der Polymerschicht 5 µm bis 500 µm, eine Dicke der Schutzschicht 5 µm bis 500 µm und eine elastische Schicht auf der Siegelfolie 50 µm bis 2 mm betragen.
  • Das Volumen des Blisters kann 100 bis 10000 µl betragen.
  • Als Formen für die Stempeleinrichtungen 120, 905 kommen Quaderformen, Zylinderformen, kubische Formen sowie beliebige andere geeignete Formen und Geometrien infrage.
  • Fig. 14 zeigt einen Querschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 100 mit der weiteren Barrierefolie 1100. Dabei kann es sich um die anhand von Fig. 12 beschriebene Vorrichtung 100 handeln, mit dem Unterschied, dass die Barrierefolie 200 an der Innenseite der Fluidkammer 110 angeordnet ist.
  • Fig. 15 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung 100 mit einer Mehrzahl von Fluidkammern 110. Dabei kann es sich um eine der anhand von Fig. 11 bis 14 beschriebenen Vorrichtungen 100 handeln. Gemäß diesem Beispiel weist das Kammersubstrat 105 vier benachbart zueinander angeordnete Fluidkammern 110 auf.
  • Fig. 16 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1600 zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung. Dabei kann es sich um eine der anhand von Fig. 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen handeln. In einem Schritt des Bereitstellens 1605 wird ein Kammersubstrat mit einer Fluidkammer zum Aufnehmen eines Fluids bereitgestellt. In einem weiteren Schritt des Bereitstellens 1610 wird ein Deckelsubstrat mit einer gegenüberliegend zu einer Fluidkammeröffnung der Fluidkammer angeordneten Stempelöffnung hinzugefügt. In einem Schritt des Anordnens 1615 wird eine flexible Membran zwischen dem Kammersubstrat und dem Deckelsubstrat angeordnet, wobei die Membran die Stempelöffnung und die Fluidkammer überspannt. In einem weiteren Schritt des Erzeugens 1620 wird ein auf einer dem Kammersubstrat zugewandten Seite der Membran verlaufender Kanal erzeugt, der fluidisch mit der Fluidkammer verbunden ist. Der Schritt des Erzeugens 1620 kann zu einem geeigneten Zeitpunkt des Verfahrens, beispielsweise auch vor dem Schritt des Bereitstellens 1610 des Deckelsubstrats durchgeführt werden, sodass im Schritt des Bereitstellens 1610 bereits das den Kanal aufweisende Deckelsubstrat bereitgestellt werden kann. In einem Schritt des Anordnens 1625 wird eine Stempeleinheit angeordnet, die dazu ausgebildet ist, um durch die Stempelöffnung in die Fluidkammer einzufahren, um die Membran in die Fluidkammer auszulenken, um ein Ausströmen des Fluids aus der Fluidkammer in den Kanal zu ermöglichen, wenn das Fluid in der Fluidkammer aufgenommen ist.
  • Fig. 17 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1700 zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung. Dabei kann es sich um eine der anhand von Fig. 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtungen handeln.
  • In einem Schritt des Einfahrens 1705 wird eine Stempeleinheit durch die Stempelöffnung in die Fluidkammer eingefahren, um die Membran in die Fluidkammer auszulenken, um ein Ausströmen des Fluids aus der Fluidkammer in den Kanal zu ermöglichen, wenn das Fluid in der Fluidkammer aufgenommen ist. Gemäß einem Beispiel wird die Kraft durch eine Stempeleinheit ausgeübt, die in einem optionalen Schritt 1710 betätigt wird. Die Betätigung kann beispielsweise unter Verwendung einer mechanischen oder elektromechanischen Betätigungseinrichtung ausgeführt werden.
  • Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine "und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims (12)

  1. Mikrofluidische Vorrichtung (100) mit folgenden Merkmalen:
    einem Kammersubstrat (105) mit einer Fluidkammer (110) zum Aufnehmen eines Fluids (205);
    einem Deckelsubstrat (115) mit einer Stempelöffnung (125), wobei die Stempelöffnung (125) gegenüberliegend zu einer Fluidkammeröffnung (130) der Fluidkammer (110) angeordnet ist;
    einer flexiblen Membran (135), die zwischen dem Kammersubstrat (105) und dem Deckelsubstrat (115) angeordnet ist und die Stempelöffnung (125) und die Fluidkammer (110) überspannt; und
    einer Stempeleinheit (120), die dazu ausgebildet ist, um durch die Stempelöffnung (125) in die Fluidkammer (110) einzufahren, um die Membran (135) in die Fluidkammer (110) auszulenken, um ein Ausströmen des Fluids (205) aus der Fluidkammer (110) zu ermöglichen, wenn das Fluid (205) in der Fluidkammer (110) aufgenommen ist, gekennzeichnet durch einen Kanal (140), der auf einer dem Kammersubstrat (105) zugewandten Seite der Membran (135) verläuft und fluidisch mit der Fluidkammer (110) verbunden ist, wobei der Kanal (140) einen Kanalfortsatz (705) aufweist und das Deckelsubstrat (115) eine Entlüftungsöffnung (700) aufweist, die in den Kanalfortsatz (705) mündet, wobei die Stempelöffnung (125) zwischen der Entlüftungsöffnung (700) und dem Kanal (140) angeordnet ist, und wobei die Membran (135) die Entlüftungsöffnung (700) nicht überspannt.
  2. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (205) in der Fluidkammer (110) aufgenommen ist und durch eine die Fluidkammer (110) verschließende Barrierefolie (200) in der Fluidkammer (110) gehalten wird, wobei die Barrierefolie (200) dazu ausgeformt ist, um durch die Stempeleinheit (120) geöffnet zu werden.
  3. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (205) in einem Einlegebehälter (500) angeordnet ist, der von der Fluidkammer (110) aufgenommen ist, wobei die Barrierefolie (200) den Einlegebehälter (500) verschließt.
  4. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (205) in einem Blister angeordnet ist, der von der Fluidkammer (110) aufgenommen ist, wobei der Blister ein Volumen der Fluidkammer (110) im Wesentlichen ausfüllt, wobei der Blister dazu ausgeformt ist, um durch die Stempeleinheit (120) geöffnet zu werden.
  5. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Stempelöffnung (125) größer ist, als die Hälfte des Durchmessers der Fluidkammeröffnung (130).
  6. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stempelöffnung (125) kleiner ist, als die Hälfte des Durchmessers der Fluidkammeröffnung (130), wobei die Stempelöffnung (125) benachbart zu dem Kanal (140) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelsubstrat (115) eine Entlüftungsöffnung (700) aufweist, die in die Fluidkammer (110) mündet, wobei die Stempelöffnung (125) zwischen der Entlüftungsöffnung (700) und dem Kanal (140) angeordnet ist, wobei die Membran (135) die Entlüftungsöffnung (700) überspannt, und, dass die Vorrichtung (100) eine weitere Stempeleinheit (905) aufweist, die dazu ausgebildet ist, um durch die Entlüftungsöffnung (700) in die Fluidkammer (110) einzufahren, um die Membran (135) in die Fluidkammer (110) auszulenken, um ein Einströmen eines weiteren Fluids in die Fluidkammer (110) zu ermöglichen.
  8. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kammersubstrat (105) und der Membran (135) ein Zwischensubstrat (900) angeordnet ist, das eine die Stempelöffnung (125) fortsetzende weitere Stempelöffnung (915) und eine die Entlüftungsöffnung (700) fortsetzende weitere Entlüftungsöffnung (910) aufweist und dazu ausgeformt ist, um einen quer zur Entlüftungsöffnung (700) verlaufenden und in die weitere Entlüftungsöffnung (910) mündenden Luftkanal (920) zu erzeugen.
  9. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (140) zwischen der Membran (135) und dem Zwischensubstrat (900) verläuft und in die Stempelöffnung (125) mündet.
  10. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser der Fluidkammeröffnung (130) der Stempelöffnung (125) entspricht, wobei die Fluidkammer (110) eine zweite Fluidkammeröffnung (1105) aufweist, die einem Durchmesser der weiteren Entlüftungsöffnung (910) entspricht.
  11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Fluidkammeröffnung (130) gegenüberliegender Fluidkammerboden durch eine weitere Barrierefolie (1100) ausgeformt ist.
  12. Verfahren (1700) zum Betreiben einer mikrofluidischen Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
    Einfahren (1705) der Stempeleinheit (120) der mikrofluidischen Vorrichtung (100) durch die Stempelöffnung (125) in die Fluidkammer (110) der mikrofluidischen Vorrichtung (100), um die Membran (135) in die Fluidkammer (110) auszulenken, um ein Ausströmen des Fluids (205) aus der Fluidkammer (110) zu ermöglichen, wenn das Fluid (205) in der Fluidkammer (110) aufgenommen ist.
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