WO2001072423A1

WO2001072423A1 - Mikrofluidkomponente und verfahren zur oberflächenbehandlung einer solchen

Info

Publication number: WO2001072423A1
Application number: PCT/EP2001/003032
Authority: WO
Inventors: Martin Stelzle
Original assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2001-10-04
Also published as: US20030080087A1; DE10015380A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente (10) angegeben, die zumindest einen Kanal (12) zur Führung eines Fluides aufweist, der in eine Öffnung (14) mündet, durch den das Fluid nach aussen abgegeben werden kann. Die Mikrofluidkomponente (10) wird an ihrer Aussenoberfläche (16) zumindest im Bereich ihrer Spitze (15) dadurch beschichtet, dass diese im Bereich ihrer Aussenoberfläche (16) mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt wird, während gleichzeitig die Mikrofluidkomponente (10) von innen her mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid, etwa mit einem Schutzgas, gespült wird, das über die Öffnung (14) austritt. Auf diese Weise wird eine selektive Beschichtung der Aussenoberfläche (16) erreicht, um diese beispielsweise hydrophob zu machen. Umgekehrt kann die Mikrofluidkomponente an ihrer Innenoberfläche (18) selektiv etwa hydrophil beschichtet werden, während die Aussenoberfläche (16) in einem inerten Gas gespült wird.

Description

Mikrofluidkomponente und Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer solchen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente, die zumindest einen Kanal zur Führung eines Fluides aufweist, der in eine Öffnung mündet, durch den das Fluid nach außen abgegeben werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner eine Mikrofluidkomponente mit zumindest einem Kanal zur Führung eines Fluides, der mit einer zu einer Außenoberfläche hin mündenden Öffnung verbunden ist. In der Biotechnologie werden im Laborbetrieb und in der Forschung Mikrofluidikysteme benötigt, mit denen auch kleinste Fluidmengen gefördert und präzise dosiert abgegeben werden müssen. Hierzu sind beispielsweise piezoelektrische Pumpen bekannt, an deren Ausgang äußerst feine Düsen vorgesehen sind. Ferner sind unter der Bezeichnung "Top-Spot" Mikrodosiersysteme bekannt geworden, bei denen eine Mehrzahl von Steigleitungen mit einem geringen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 30 bis 50 μm oder sogar noch geringer jeweils einzeln über einen Kanal mit einem Reservoir verbunden sind. Die einzelnen Steigleitungen füllen sich hierbei selbst durch Kapillarwirkung. Durch einen Stempel oder einen sonstigen Druckimpuls, der beispielsweise über eine Folie auf die Steigleitungen übertragen wird, wird lediglich das in den Steigleitungen vorhandene Volumen ausgegeben, wodurch kleinste Dosiermengen im Nano- literbereich möglich sind.

Derartige Mikrofluidiksysteme werden wegen ihres Einsatzgebietes hauptsächlich aus durch wäßrige Medien benetzbaren Materialien, wie Glas, Siliciumdioxid usw., hergestellt, oder die Materialien werden derart behandelt, daß die mit Lösungen in Berührung kommenden Oberflächen hydrophil werden.

Während die Benetzbarkeit von innen angeordneten Mikrokanälen bzw. Mikroküvetten des Systems eine entscheidende Voraussetzung für seine Funktionsfähigkeit ist, stellt die hydrophile Oberflächenbeschaffenheit an der Außenoberfläche, insbesondere im Bereich von Dosieröffnungen, ein Problem dar. Dort besteht nämlich die Tendenz, die Oberfläche um die Austrittsstelle zu benetzen und sogar Tropfen zu bilden. Dies behindert jedoch eine saubere Abgabe von Flüssigkeit bzw. führt zur Vermischung verschiedener Lösungen aus benachbarten Dosieröffnungen, da die Benetzbarkeit zur Brückenbildung führen kann.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die inneren Oberflächen, also die Wände der Kanäle und Mikroküvetten, zwar hydrophil sein sollen, jedoch eine Adsorption von Biomolekülen an den Wänden unterbleiben soll.

Im Stand der Technik sind Verfahren zur Modifizierung der Benetzbarkeit von Mikrofluidkomponenten bekannt, wobei Silan- derivate in flüssigen Medien oder durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD) benutzt werden, um die behandelten Oberflächen zu modifizieren.

Mit derartigen Verfahren werden jedoch alle Oberflächen gleichermaßen modifiziert, weshalb sich zwar die gewünschten hydrophilen Eigenschaften innerhalb von Kanälen ergeben, sich jedoch die zuvor erwähnten Nachteile ergeben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Mikrofluidkomponente und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente anzugeben, wodurch die zuvor erwähnten Nachteile vermieden werden und insbesondere eine genauere Dosierung von aus Öffnungen der Mikrofluidkomponente abgegebenen Fluiden ermöglicht wird. Dabei soll möglichst auch bei eng benachbarten Öffnungen, aus denen Flüssigkeiten abgegeben werden, eine sichere Funktion gewährleistet sein und eine Vermischung von Flüssigkeiten benachbarter Öffnungen vermieden werden. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Kanal mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid gespült wird, während die Mikrofluidkomponente an ihrer Außenoberfläche zumindest im Bereich der Öffnung mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Erfindungsgemäß wird nämlich nunmehr eine selektive Behandlung der Mikrofluidkomponente an ihrer Außenoberfläche ermöglicht, während die Mikrofluidkomponente an ihrer Innenseite, d.h. im Bereich ihres zumindest einen Kanals, nicht von dieser Oberflächenbehandlung beeinträchtigt wird.

Auf diese Weise kann die gewünschte selektive Oberflächenbehandlung der Mikrofluidkomponente erreicht werden und eine deutlich verbesserte Funktion der Mikrofluidkomponente gewährleistet werden.

Unter einem nicht oberflächenaktiven Fluid wird in diesem Zusammenhang ein Fluid verstanden, das keine Veränderungen an der Oberfläche erzeugt. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Schutzgas, insbesondere Argon, handeln.

Dagegen wird unter einem oberflächenaktiven Fluid ein Fluid verstanden, das die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Oberfläche verändert. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine oberflächenaktive Reaktionslösung handeln. Diese kann unter einem Schutzgas, beispielsweise Argon, eingeschlossen sein. Auf diese Weise kann das durch den Kanal zugeführte Schutzgas an dessen Öffnung austreten und in der Reaktionslösung in Form von Gasblasen aufsteigen. Somit läßt sich die saubere Trennung zwischen zu behandelnder Außenoberfläche und nicht zu behandelnder Innenoberfläche auf einfache Weise gewährleisten.

Als oberflächenaktives Fluid wird in einer Weiterbildung der Erfindung eine die Außenoberfläche hydrophob modifizierende Reaktionslösung verwendet, wobei es sich um eine Reaktionslösung handeln kann, die ein Silanderivat enthält. Hierdurch läßt sich insbesondere eine siliciumhaltige Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente, wie etwa eine Glasoberfläche, hydrophob modifizieren.

Beispielsweise kann hierzu eine Octadecyltrichlorsilanlösung, vorzugsweise in trockenem Hexan oder Dirnethylformamid (DMF), verwendet werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Lösung von etwa 0,5 bis 5 Vol.-% Octadecyltrichlorsilan in Hexan handeln.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird hierzu die Mikrofluidkomponente mit ihrer Öffnung in ein Reaktionsgefäß eingetaucht, in dem die Reaktionslösung enthalten ist, während der Kanal mit dem Schutzgas gespült wird, wobei die Reaktionslösung während der Behandlung gerührt wird.

Durch ein Rühren während der Behandlung wird sichergestellt, daß sich keine Gasblasen von aufsteigendem Reaktionsgas an der Außenoberfläche festsetzen, was die Oberflächenbehandlung in diesem Bereich beeinträchtigen würde. Vorzugsweise wird die Mikrofluidkomponente nach ihrer Behandlung in der Reaktionslösung gespült, getrocknet und anschließend bei erhöhter Temperatur nachbehandelt, um die Oberflächenmodifikation der Außenoberfläche abzuschließen, was beispielsweise bei etwa 120 °C unter Schutzgas erfolgen kann.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Kanal mit einer oberflächenaktiven Reaktionslösung gespült wird, die durch die Öffnung nach außen abgegeben wird, während die Mikrofluidkomponente an ihrer Außenoberfläche mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid umspült wird.

Auch auf diese Weise läßt sich eine selektive Oberflächenmodifizierung der Mikrofluidkomponente erreichen, indem nämlich die Innenoberfläche im Bereich des zumindest einen Kanals der Mikrofluidkomponente modifiziert wird, während die Außenoberfläche durch diese Behandlung nicht verändert wird.

Auf diese Weise kann erreicht werden, daß das Benetzungs- oder Adhäsionsverhalten der Innenoberfläche der Mikrofluidkomponente in geeigneter Weise beeinflußt wird, während die Außenoberfläche nicht verändert wird.

Beispielsweise kann die Innenoberfläche des zumindest einen Kanals mit einer diese hydrophil modifizierenden Reaktionslösung und/oder mit einer die Adsorption von Biomolekülen vermindernden Reaktionslösung behandelt werden. Auf diese Weise wird einerseits eine gute Flüssigkeitsleitung durch den oder die Kanäle der Mikrofluidkomponente gewährleistet und verhindert, daß Biomoleküle, z.B. Proteinmoleküle, an der Innenoberfläche adsorbiert werden.

Als oberflächenaktives Fluid kann hierbei eine Reaktionslösung verwendet werden, die ein Silanderivat oder ein Siloxanderivat enthält.

Hierbei kann es sich etwa um ein Polyethylenglycolsilan oder um ein 2-[Methoxy(polyethylenoxy)propyl]heptamethyltrisiloxan handeln, das vorzugsweise in trockenem Hexan oder Dimethylformamid gelöst ist. Die Lösung kann beispielsweise eine Konzentration von etwa 0,5 bis 5 Vol.-% in Hexan oder DMF aufweisen, wobei eine Konzentration von einem Prozent zu guten Ergebnissen führt.

Während der selektiven Beschichtung kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Mikrofluidkomponente in einem Schutzgas aufgenommen sein, das unter einem Druck steht, der geringer ist als der Druck, mit dem die Reaktionslösung aus der Öffnung austritt.

Auf diese Weise wird ein gleichmäßiger Flüssigkeitsaustritt aus der Öffnung unterstützt und verhindert, daß nicht gewünschte Oberflächenmodifikationen im Bereich der Öffnung^' auftreten.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird zunächst die Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt, während der Kanal mit nicht oberflächenaktivem Fluid gespült wird, und anschließend, nachdem die Oberflächenmodifikation an der Außenoberfläche abgeschlossen ist, nach Zwischenschaltung eines Spül- und Trockenschrittes die Innenoberfläche des Kanals mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt.

Auf diese Weise können die Oberflächen der Mikrofluidkomponente in besonders vorteilhafter Weise beeinflußt werden, wobei etwa eine hydrophobe Modifizierung der Außenoberfläche und eine hydrophile und gegebenenfalls eine Adsorption von Biomolekülen verhindernde Modifikation der Innenoberfläche des mindestens einen Kanals erreicht werden kann.

Dies bietet den besonderen Vorteil, daß nach abgeschlossener Modifizierung der Außenoberfläche alle reaktiven Gruppen an der Außenoberfläche bereits abgesättigt sind, so daß keine weitere Anlagerung der zur Modifizierung der Innenoberfläche bestimmten Moleküle erfolgen kann und die chemische Beschaffenheit der Außenoberfläche unverändert erhalten bleibt.

Darüber hinaus kann durch Verwendung einer geeigneten Absaugeinrichtung für die Reaktionslösung die Kontamination an der Außenoberfläche vermindert werden.

Gemäß einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente gelöst, die zumindest einen Kanal zur Führung eines Fluides aufweist, der in einer Öffnung mündet, durch die ein Fluid nach außen abgegeben werden kann, wobei die Mikrofluidkomponente zunächst mindestens an ihrer Außenoberfläche im Bereich der Öffnung mit Hilfe eines oberflächenaktiven Fluides beschichtet wird, woraufhin ein ausgewählter Teilbereich der Außenoberfläche mit einer Abdeckung versehen wird, und anschließend eine zuvor aufgebrachte Beschichtung mittels eines Ätzverfahrens von dem nicht abgedeckten Bereich wieder abgetragen wird.

Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst .

Zunächst wird nämlich mit Hilfe des Beschichtungsverfahrens die Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente und ggf. auch deren Innenoberflächen beschichtet, soweit dies nach dem gewählten Verfahren erfolgt. Nach der Abdeckung der Außenoberfläche zumindest im Bereich der Öffnung, was durch ein Maskierverfahren oder durch Aufkleben eines Klebestreifens oder dgl. erfolgen kann, wird im übrigen Bereich der Mikrofluidkomponente, in der keine Beschichtung der Oberfläche durchgeführt werden sollte, eine aufgetragene Beschichtung mittels des Ätzverfahrens wieder entfernt. Im Ergebnis wird so eine selektive Beschichtung der Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente zumindest im Bereich der Öffnung erreicht, etwa um diese hydrophob zu modifizieren. Dagegen werden die übrigen Oberflächen der Mikrofluidkomponente durch das gewählte Verfahren nicht beeinflußt.

Als Ätzverfahren kann ein Ionenätzverfahren, vorzugsweise mittels HF-Elektroden, verwendet werden. Alternativ ist auch ein chemisches Ätzverfahren möglich.

Hinsichtlich der Mikrofluidkomponente wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß die Mikrofluidkomponente gemäß der eingangs genannten Art zumindest an der Außenoberfläche im Bereich ihrer Öffnung und/oder an einer Innenoberfläche ihres Kanals mit einer die Benetzbarkeit oder die molekülspezifische Adsorption oder Bindung modifizierenden Beschichtung selektiv beschichtet ist.

Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Verfahren gemäß der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Mikrofluidkomponente an ihrer Außenoberfläche mit einem Stempel in Kontakt gebracht wird, der an seiner Oberfläche mit einer oberflächenaktiven Reaktionslösung behandelt ist, um die Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente an der Kontaktfläche mit der Oberfläche des Stempels mit der oberflächenaktiven Reaktionslösung zu modifizieren.

Auch auf diese Weise wird eine selektive Behandlung der Mikrofluidkomponente an ihrer Außenoberfläche ermöglicht.

Hierzu wird der Stempel mit der oberflächenaktiven Reaktionslösung benetzt. Wenn keine Feuchtigkeit an der Oberfläche des Stempels mehr sichtbar ist, kann der Stempel z.B. von Hand oder mit Hilfe einer geeigneten Positioniereinrichtung in Kontakt mit der zu modifizierenden Oberfläche der Mikrofluidkomponente gebracht werden. Dadurch kommen die reaktionsfähigen Moleküle an der Oberfläche des Stempels in Kontakt mit der zu modifizierenden Oberfläche und können an diese binden. Nach ausreichend langer Reaktionszeit wird der Stempel entfernt, und es kann eine Nachbehandlung, z.B. eine thermische Nachbehandlung durchgeführt werden.

Als Stempel wird hierbei ein Material verwendet, das chemisch inert gegenüber den Bestandteilen der Reaktionslösung ist, doch vorzugsweise eine gewisse Quellbarkeit aufweist, so daß der Stempel als Reservoir für die Reaktionslösung dienen kann. Ein hierfür geeignetes Material ist Silikon. Darüber hinaus sind auch andere Elastomere denkbar.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Form des Stempels an die Form der Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente angepaßt.

Auf diese Weise können auch nicht ebene Oberflächen der Mikrofluidkomponente selektiv mit Reaktionslösung behandelt werden.

Die Behandlung der Mikrofluidkomponente mit dem Stempel geschieht vorzugsweise unter einem nicht oberflächenaktiven Fluid, vorzugsweise unter Schutzgasatmosphäre.

Hierbei kann zusätzlich der Kanal während der Behandlung mit dem Stempel mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid, vorzugsweise einem Schutzgas, gespült werden.

Auf diese Weise werden unerwünschte Reaktionen an Stellen der Mikrofluidkomponente vermieden, die nicht modifiziert werden sollen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teilbereiches einer Mikrofluidkomponente, die in eine Reaktionslösung eingetaucht ist, während ihrer Beschichtung an einer Außenoberfläche,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Mikrofluidkomponente im Bereich ihrer Öffnung, wobei ein sich zur Öffnung erstreckender Kanal mit einer Reaktionslösung durchspült wird, während die Außenoberfläche in einem Reaktionsgefäß unter Schutzgas aufgenommen ist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ionenätzverfahrens zur Herstellung einer selektiven Beschichtung an einer Mikrofluidkomponente gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs einer Mikrofluidkomponente gemäß Fig. 1 und eines Stempels zur selektiven Oberflächenbehandlung gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Teilbereich einer Mikrofluidkomponente, die insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet ist, im Bereich einer Öffnung 14 dargestellt, die als Dosieröffnung ausgebildet ist. Die Mikrofluidkomponente 10 besteht z.B. aus einem Glas und weist einen Kanal 12 auf, der in der Öffnung 14 in einer Spitze 15 zur Außenseite hin ausmündet. Die Mikrofluidkomponente 10 ist im Bereich ihrer Spitze 15 in eine Reaktionslösung 21 eingetaucht, die sich in einem Reaktionsgefäß 20 befindet, das in nicht näher dargestellter Weise geschlossen ausgeführt sein kann, so daß sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Reaktionslösung 21 etwa eine Schutzgasatmosphäre, z.B. aus Argon, bilden kann. Am Boden des Reaktionsgefäßes 20 ist eine Rühreinrichtung 22 vorgesehen.

Eine solche Anordnung ist zur selektiven Beschichtung der Außenoberfläche 16 der Mikrofluidkomponente 10 geeignet, wozu wie folgt vorgegangen wird:

Durch den Kanal 12 wird Schutzgas, etwa Argon, zugeführt, wie durch den Pfeil 24 angedeutet ist, das aus der Öffnung 14 nach außen austritt und in Form von Blasen durch die Reaktionslösung 21 nach oben perlt.

Als Reaktionslösung 21 kann z.B. eine 1%-ige Lösung von Octadecyltrichlorsilan verwendet werden. In diese Reaktionslösung 21 wird die Mikrofluidkomponente 10 mit ihrer Spitze 15 etwa 15 Minuten bei Raumtemperatur eingetaucht, wobei ständig gerührt wird und die Schutzgasspülung durch den Kanal 12 aufrechterhalten wird.

Da sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der Reaktionslösung 21 gleichfalls eine Schutzgasatmosphäre 23 einstellt, werden die nachteiligen Einflüsse, denen derartige Reaktionslösungen normalerweise unter Luftzutritt ausgesetzt sind, vermieden. Nach etwa 15 Minuten wird der Vorgang unterbrochen und die Mikrofluidkomponente in Hexan gespült, um sämtliche Reste der Reaktionslösung zu entfernen. Anschließend wird die hydrophob wirkende Modifizierung der Außenoberfläche 16 im Bereich der Spitze 15 durch eine Temperaturbehandlung bei etwa 120 °C über eine Zeitdauer von ca. 30 Minuten unter Schutzgas abgeschlossen.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie ohne eine vorherige Behandlung der Außenoberfläche 36 einer Mikrofluidkomponente 30 ein sich hierdurch erstreckender Kanal 32 mit einer Innenoberfläche 38, der in einer Öffnung 34 nach außen hin ausmündet, an seiner Innenseite behandelt werden kann.

Die Mikrofluidkomponente 30 ist in Fig. 2 lediglich rein schematisch dargestellt und weist innerhalb eines Glaskörpers ein Dosiervolumen 33 auf, das in einen Kanal 32 mit kleinerem Durchmesser ausmündet, der schließlich in der Öffnung 34 zur Außenoberfläche 36 hin ausmündet. Die Mikrofluidkomponente 30 befindet sich in einem Reaktionsgefäß 40, das lediglich rein schematisch dargestellt ist und innerhalb dessen eine Schutzgasatmosphäre, z.B. eine Argonatmosphäre, aufrechterhalten wird. In den Kanal 32 der Mikrofluidkomponente 30 wird über das Dosiervolumen 33 eine Reaktionslösung zugeführt, die aus der Öffnung 34 in Form eines Strahls austritt. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann der Öffnung 34 eine trichterartige Aufnahme 42 zugeordnet sein, in der die aus der Öffnung 34 austretende Reaktionslösung 21 aufgefangen wird. Diese trichterartige Aufnahme 42 oder der Trichter kann über eine Leitung 52 an eine Unterdruckpumpe 50 angeschlossen sein, wodurch eine Absaugung der austretenden Flüssigkeit ermöglicht wird und gleichzeitig ein möglichst gleichmäßiger Flüssigkeitsstrahl erzielt wird, so daß die Außenoberfläche 36 im Bereich der Spitze 35 hiervon möglichst wenig kontaminiert wird.

Das Reaktionsgefäß 40 weist noch einen Gaseinlaß 46 auf, über den Schutzgas in Richtung des Pfeiles 48 nachgeliefert werden kann. Durch die in Richtung des Pfeiles 44 zugeführte Reaktionslösung 21 wird die Mikrofluidkomponente 30 lediglich an ihrer Innenoberfläche 38 modifiziert, während die Außenoberfläche 36 nicht verändert wird.

Als Reaktionslösung kann beispielsweise eine 0,5- bis etwa 5%ige, vorzugsweise eine l%ige, Lösung aus 2- [Methoxy( olyethylenoxy) propyl ]heptamethyltrisiloxan in trockenem Hexan oder DMF bei Raumtemperatur verwendet werden. Die Behandlung mit dieser Reaktionslösung wird über eine Zeitdauer von etwa 15 Minuten bei Raumtemperatur durchgeführt. Anschließend wird die Mikrofluidkomponente 30 mit trockenem Hexan mehrfach gespült und anschließend getrocknet. Daran schließt sich eine Behandlung bei erhöhter Temperatur von etwa 120 °C über eine Zeitdauer von etwa 30 Minuten unter Schutzgas an, um die Modifizierung der Innenoberfläche 38 des Kanals 32 bzw. der übrigen Innenflächen der Mikrofluidkomponente 30 abzuschließen.

Hierdurch werden die Innenoberflächen der Mikrofluidkomponente 30 hydrophil beschichtet, wobei die Beschichtung gleichzeitig eine unspezifische Adsorption von Biomolekülen vermindert.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, lediglich eine solche Beschichtung der Innenoberfläche 38 durchzuführen, ohne zuvor, wie anhand von Fig. 1 erläutert, auch eine Beschichtung der Außenoberfläche durchzuführen, wird vorzugsweise dieselbe Mikrofluidkomponente zunächst an der Außenseite beschichtet, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde, und anschließend eine Beschichtung der Innenoberfläche durchgeführt. Da durch die Beschichtung der Außenoberfläche die reaktiven Gruppen bereits abgesättigt sind, wird bei dem nachfolgenden Beschich- tungsschritt der Innenoberfläche eine weitere Modifizierung der Außenoberfläche verhindert. Gegebenenfalls kann dabei auch auf das Schutzgas verzichtet werden, jedoch werden bessere Ergebnisse unter Schutzgas erzielt.

Unter Mikrofluidkomponente ist im Sinne dieser Anmeldung jegliche ein Fluid in mindestens einem Kanal führende Komponente zu verstehen, die über eine Öffnung nach außen ausgebbar ist. Dabei kann es sich um eine Mikropumpe oder auch um eine Mikro- küvette beliebiger Dimensionen handeln. Der betreffende Kanal kann einen beliebigen Durchmesser aufweisen, z.B. in der Größenordnung von etwa 10 bis 200 μm. Auch kleinste Durchmesser in der Größenordnung von etwa 5 μm sind möglich.

Eine weitere Abwandlung zur Herstellung einer selektiven Beschichtung an einer Mikrofluidkomponente wird im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert.

Eine Mikrofluidkomponente 80 ist in Fig. 3 nur rein schematisch dargestellt und weist zumindest eine Öffnung 84 auf, in der ein Kanal 82 an einer Außenoberfläche 86 der Mikrofluidkomponente 80 ausmündet. Aus der Öffnung 84, die als MikroÖffnung ausgebildet ist, können Flüssigkeiten oder anderen Fluide in dosierter Form abgegeben werden. Um die Außenoberfläche 86 im Bereich der Öffnung 84 hydrophob zu modifizieren, wird zunächst die gesamte Mikrofluidkomponente wie zuvor anhand von Fig. 1 beschrieben, in ein Reaktionsgefäß eingetaucht und etwa mit einer Octadecyltrichchlorsilanlösung, vorzugsweise in trockenem Hexan oder Dimethylformamid behandelt, anschließend gespült und getrocknet, bis die hydrophobe Oberflächenmodifikation abgeschlossen ist, wie zuvor anhand von Fig. 1 beschrieben wurde. Bei diesem Behandlungsschritt dringt die Reaktionslösung natürlich auch durch die Öffnung 84 in den Kanal 82 ein, so daß auch der Kanal 82 an seiner Innenoberfläche 88 mit einer hydrophob wirkenden Beschichtung versehen wird.

Um anschließend diese hydrophobe Beschichtung an der Innenoberfläche 88 des Kanals 82 wieder zu entfernen, wird zunächst auf einen ausgewählten Teil der Oberfläche zumindest im Bereich umgebenden Öffnung 84 eine Abdeckung aufgebracht. Dies kann etwa durch ein Maskierverfahren mittels einer Lackbeschichtung erfolgen. Statt dessen kann auch einfach ein geeigneter Abdeckstreifen 90 auf die Oberfläche 86 aufgeklebt werden. Dabei bleibt die übrige Außenoberfläche der Mikrofluidkomponente 80 frei, so daß zumindest der Kanal 82 außer im Bereich seiner Öffnung 84 von seiner Rückseite her frei zugänglich ist.

Nunmehr wird die Mikrofluidkomponente 80 in ein Reaktionsgefäß 60 eingebracht, um einem Gasätzverfahren unterzogen zu werden. Hierzu wird ein Argon/Sauerstoff oder Argon/Luft-Gemisch über einen Einlaßkanal 66 zugeführt, wie durch den Pfeil 72 angedeutet ist. Über einen Auslaßkanal 68 ist eine Vakuumpumpe 70 angeschlossen, über die Reaktionsgas aus dem Inneren des Reaktionsgefäßes 60 abgesaugt wird, wie durch den Pfeil 74 angedeu- tet ist. Die Vakuumpumpe 70 hält den Raum innerhalb des Reaktionsgefäßes 60 auf einem Unterdruck in der Größenordnung von bspw. etwa 0,1 bis 5 mbar.

Gleichzeitig wird über zwei HF-Elektroden 62, 64, zwischen denen die Mikrofluidkomponente 80 auf einem nicht dargestellten Halter befestigt ist, HF-Energie zugeführt, um dadurch Ionen bzw. Gasradikale zu erzeugen, durch die die nicht abgedeckten Oberflächen der Mikrofluidkomponente 80 geätzt werden. Schon nach wenigen Minuten ist die zuvor aufgebrachte hydrophobe Beschichtung durch den Ätzvorgang entfernt. Dabei wird auch die Innenoberfläche 88 des Kanals 82 dem Ätzangriff unterworfen, so daß auch die Innenoberfläche 88 wieder von der hydrophoben Beschichtung befreit wird.

Nach Abschluß des Ätzverfahrens wird die Abdeckung in Form des Klebestreifens 90 wieder entfernt, womit die gewünschte selektive Oberflächenbeschichtung der Mikrofluidkomponente 80 im Bereich der Öffnung 84 abgeschlossen ist.

Es versteht sich, daß das dargestellte Gasätzverfahren lediglich rein beispielhafter Natur ist und bspw. auch durch ein Flüssigätzverfahren ersetzt werden kann.

Gleichermaßen kann der vorherige Verfahrensschritt der allseitigen Aufbringung der Beschichtung auch z.B. durch ein CVD- Verfahren (Abscheidung aus der Gasphase) erreicht werden.

Des weiteren ist es möglich, an den Ätzschritt einen weiteren Schritt zur Beschichtung der zuvor durch Ätzen behandelten Flächen anzuschließen, etwa um die Innenoberfläche 88 des Kanals 82 mit einer speziellen hydrophil wirkenden Beschichtung zu versehen, oder mit einer die molekülspezifische Adsorption oder Bindung modifizierenden Beschichtung zu versehen.

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand von Fig. 4 näher erläutert.

Zur Behandlung der Außenoberfläche 16 der Mikrofluidkomponente 10 gemäß Fig. 1 wird ein Stempel 100 verwendet, der aus Silikon besteht. Der Stempel 100 weist eine der Form der Spitze der Mikrofluidkomponente 10 angepaßte trichterförmige Ausnehmung 102 auf, deren Größe so bemessen ist, daß beim Anpressen des Stempels 100 auf die Spitze 15 nur der vordere Teil der Spitze 15 an einer Kontaktfläche 104 in Kontakt mit der Oberfläche des Stempels 100 gelangt.

Zur Oberflächenbehandlung der Mikrofluidkomponente 10 wird zunächst der Stempel 100 mit einer geeigneten Reaktionslösung, wie etwa bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, also beispielsweise mit einer l%igen Lösung von Oktadecyltrichlorsilan benetzt.

Der Stempel 100 wird anschließend aus der Lösung entfernt und dann, wenn keine Feuchtigkeit mehr an der Oberfläche des Stempels 100 mehr sichtbar ist, mit Hilfe einer geeigneten Positioniereinrichtung in Kontakt mit der Spitze 15 der' zu behandelnden Mikrofluidkomponente 10 gebracht. Dadurch kommen die reaktionsfähigen Moleküle der an der Oberfläche des Stempels 100 anhaftenden Reaktionslösung im Bereich der Kontaktfläche 104 in Kontakt mit der Außenoberfläche 16 der Mikrofluidkomponente 10. Um unerwünschte Wechselwirkungen mit Luft oder Luftfeuchtigkeit auszuschließen, erfolgt dieser Vorgang unter Schutzgasatmosphä- re, z.B. unter Argon.

Nach einer ausreichend langen Reaktionszeit wird der Stempel 100 entfernt und eine Nachbehandlung der Mikrofluidkomponente 10 durchgeführt.

Die Kontaktierung mittels des mit der Reaktionslösung getränkten Stempels kann beispielsweise nach etwa 15 Minuten unterbrochen werden und die Mikrofluidkomponente zunächst in Hexan gespült werden, um sämtliche Reste der Reaktionslösung zu entfernen. Anschließend wird die hydrophob wirkende Modifizierung der Außenoberfläche 16 im Bereich der Kontaktfläche 104 durch eine Temperaturbehandlung bei etwa 120 °C über eine Zeitdauer von ca. 30 Minuten unter Schutzgas abgeschlossen.

Das Ergebnis der Behandlung ist u.a. von der Flüchtigkeit des verwendeten Lösungsmittels und des Reaktants abhängig. Eine zu hohe Flüchtigkeit begünstigt die Verdunstung und Modifizierung auch benachbarter, nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Stempel 100 stehender Bereiche der Oberfläche 16. Das Ergebnis ist ferner von der Dauer der Reaktionsgeschwindigkeit und der Inkubationszeit abhängig, nach der eine Reaktion einsetzt.

Die betreffenden Behandlungsparameter werden in Abhängigkeit von dem zu behandelnden Material, aus dem die Mikrofluidkomponente 10 besteht, in geeigneter Weise angepaßt.

Es versteht sich, daß das vorstehend genannte Verfahren auch in der Weise variiert werden kann, daß wie zuvor erläutert, wäh- rend der Kontaktierung der Oberfläche der Mikrofluidkomponente 10 mit dem Stempel 100 ein nicht reaktives Fluid durch den Kanal 12 der Mikrofluidkomponente geleitet werden kann, der Kanal 12 also beispielsweise mit Argon gespült werden kann, das über die Öffnung an der Spitze 15 austritt. In diesem Fall muß die Geometrie des Stempels 100 in entsprechender Weise angepaßt werden, also hierin ein geeigneter Kanal vorgesehen werden, über den das ausgetretene Fluid abgeleitet werden kann.

Auch läßt sich die Form der Oberfläche und der Vertiefung 102 des Stempels 100 in geeigneter Weise an unterschiedliche Oberflächenformen der zu behandelnden Mikrofluidkomponente anpassen.

Das verwendete Silikonmaterial besitzt ein gewisses Quellvermögen, so daß die Reaktionslösung, die während der Behandlung an der Kontaktfläche 104 auf die Außenoberfläche 16 der Mikrofluidkomponente 10 einwirkt, in dem Stempel 100 in ausreichender Menge gespeichert werden kann.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente (10, 30), die zumindest einen Kanal (12, 32) zur Führung eines Fluides aufweist, der in eine Öffnung (14, 34) mündet, durch den das Fluid nach außen abgegeben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12, 32) mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid gespült wird, während die Mikrofluidkomponente (10, 30) an ihrer Außenoberfläche (16, 36) zumindest im Bereich der Öffnung (14, 34) mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht oberflächenaktives Fluid ein Schutzgas, vorzugsweise Argon, verwendet wird.

Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente (80), die zumindest einen Kanal (82) zur Führung eines Fluides aufweist, der in eine Öffnung (84) mündet, durch den ein Fluid nach außen abgegeben werden kann, wobei die Mikrofluidkomponente (80) zunächst zumindest an ihrer Außenoberfläche (86) im Bereich der Öffnung (84) mit Hilfe eines oberflächenaktiven Fluides beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend ein ausgewählter Teilbereich der Außenoberfläche (86) mit einer Abdeckung (90) versehen wird, und daß anschließend eine zuvor aufge- brachte Beschichtung mittels eines Ätzverfahrens von dem nicht abgedeckten Bereich wieder abgetragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdecken durch ein Maskierverfahren oder durch Aufkleben eines Klebestreifens im Bereich der Öffnung (84) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ätzverfahren ein Ionenätzverfahren, vorzugsweise mittels HF-Elektroden verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine oberflächenaktive Reaktionslösung (21) verwendet wird, die vorzugsweise unter einem Schutzgas, wie etwa Argon, eingeschlossen ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine die Außenoberfläche (16, 36, 86) hydrophob modifizierende Reaktionslösung (21) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine Reaktionslösung (21) verwendet wird, die ein Silanderivat enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktive Reaktionslösung (21) eine Octadecyl- trichlorsilanlösung, vorzugsweise in trockenem Hexan oder Dimethylformamid (DMF), verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofluidkomponente (10, 30, 80) mit ihrer Öffnung (14, 34, 84) in ein Reaktionsgefäß (20, 40) eingetaucht wird, in dem die Reaktionslösung (21) enthalten ist, während der Kanal (12, 32, 82) mit dem Schutzgas gespült wird, und daß die Reaktionslösung (21) während der Behandlung gerührt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofluidkomponente (10, 30, 80) nach ihrer Behandlung in der Reaktionslösung (21) gespült, getrocknet und anschließend bei erhöhter Temperatur nachbehandelt wird, um die Oberflächenmodifikation der Außenoberfläche (16, 36, 86) abzuschließen.

12. Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente (10, 30), die zumindest einen Kanal (12, 32) zur Führung eines Fluides aufweist, der in eine Öffnung (14, 34) mündet, durch den das Fluid nach außen abgegeben werden kann, vorzugsweise nach Anspruch 1, 2 oder 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12, 32) mit einer oberflächenaktiven Reaktionslösung gespült wird, die durch die Öffnung nach außen abgegeben wird, während die Mikrofluidkomponente (10, 30) an ihrer Außenoberfläche (16, 36) mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid umspült wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine die Innenoberfläche (18, 38) des Kanals (12, 32) hydrophil modifizierende Reaktionslösung und/oder eine die Adsorption von Biomolekülen vermindernde Reaktionslösung verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine Reaktionslösung verwendet wird, die ein Silanderivat oder ein Siloxanderivat enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine Reaktionslösung aus einem Polyethylenglycolsilan verwendet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als oberflächenaktives Fluid eine Reaktionslösung aus 2- [Methoxy( polyethylenoxy) propyl ] heptamethyltrisiloxan vorzugsweise in trockenem Hexan oder Dimethylformamid (DMF) verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofluidkomponente (10, 30) in einem Schutzgas aufgenommen wird, das unter einem Druck steht, der geringer ist, als der Druck, mit dem die Reaktionslösung aus der Öffnung austritt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Außenoberfläche (16, 36) mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt wird, während der Kanal (12, 32) mit nicht oberflächenaktivem Fluid gespült wird, und daß anschlie^'ßend nach einem Spül- und Trockenschritt die Innenoberfläche (18, 38) des Kanals (12, 32) mit einem oberflächenaktiven Fluid behandelt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ätzschritt der nicht abgedeckte Bereich mit einer weiteren Reaktionslösung behandelt wird, um die Oberfläche in diesem Bereich zu modifizieren.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrofluidkomponente (10, 30, 80) verwendet wird, die zumindest im Bereich ihrer Öffnung (16, 36, 86) aus einem siliziumhaltigen Material hergestellt ist.

21. Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer Mikrofluidkomponente (10), die zumindest einen Kanal (12) zur Führung eines Fluides aufweist, der in eine Öffnung (14, 34) mündet, durch den das Fluid nach außen abgegeben werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofluidkomponente an ihrer Außenoberfläche mit einem Stempel (100) in Kontakt gebracht wird, der an seiner Oberfläche mit einer oberflächenaktiven Reaktionslösung behandelt ist, um die Außenoberfläche (16) der Mikrofluidkomponente an der Kontaktfläche (104) mit der Oberfläche des Stempels (100) mit der oberflächenaktiven Reaktionslösung zu modifizieren.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stempel (100) verwendet wird, der aus einem Elastomer, insbesondere einen Silikon besteht.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Stempels (100) an die Form der Außenoberfläche (16) der Mikrofluidkomponente (10) angepaßt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung der Mikrofluidkomponente (10) mit dem Stempel (100) unter einem nicht oberflächenaktiven Fluid, vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre, erfolgt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (12) während der Behandlung mit dem Stempel (100) mit einem nicht oberflächenaktiven Fluid, vorzugsweise einem Schutzgas, gespült wird.

26. Mikrofluidkomponente (10, 30, 80) mit zumindest einem Kanal (12, 32, 82) zur Führung eines Fluides, der mit einer zu einer Außenoberfläche (16, 36, 86) hin mündenden Öffnung (14, 34, 84) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofluidkomponente (10, 30, 80) zumindest an ihrer Außenoberfläche (16, 36, 86) im Bereich ihrer Öffnung (14, 34, 84) und/oder an einer Innenoberfläche (18, 38, 88) ihres Kanals (12, 32, 82) mit einer die Benetzbarkeit oder die molekülspezifische Adsorption oder Bindung modifizierenden Beschichtung selektiv beschichtet ist.