WO2012126647A1 - Fluidisches system zur blasenfreien befüllung einer mikrofluidischen filterkammer - Google Patents

Fluidisches system zur blasenfreien befüllung einer mikrofluidischen filterkammer Download PDF

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filter chamber
valve
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Peter Rothacher
Jochen Rupp
Christian Dorrer
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Robert Bosch Gmbh
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    • B01L2400/0655—Valves, specific forms thereof with moving parts pinch valves

Definitions

  • the subject of the present invention is a microfluidic filter chamber with an adjustable venting channel and its use.
  • the invention also relates to a fluidic system for bubble-free filling a
  • microfluidic filter chamber and for filtering liquids a method for bubble-free filling of a microfluidic filter chamber and a method for filtering liquids.
  • Purpose may e.g. the accumulation of bacteria or the purification of DNA fragments. Depending on the application come as a filter fabric mats or
  • Particle fillings made of glass, silicates, oxides, polymers, etc. are used.
  • filters pressed into plastic tubes are commercially available, e.g. QIAquick Purification Kit from Qiagen®, such filters are known from DE10218554A1. These filters are manually filled by pipetting and then centrifuged.
  • LOC Lab-on-Chip
  • ⁇ Micro-Total-Analysis-System
  • the invention relates to a microfluidic filter chamber comprising a filter, a venting channel, an inlet channel and an outlet channel, wherein the filter between the inlet channel and outlet channel is inserted, and wherein the venting channel branches from the inlet channel and wherein the flow through the microfluidic filter chamber is adjustable by means of the venting channel ,
  • the microfluidic filter chamber can be filled bubble-free. There are no air bubbles trapped during filling.
  • the filter is flowed homogeneously. Liquid flows can be regulated precisely. The complete rinsing of the filter is guaranteed. There is no clogging of components or undesirable reactions. The mixing of liquids is facilitated. Foaming is prevented. The fluidic resistance of the system is kept constant. Reagents contained in the filter chamber can be exchanged in a controlled manner.
  • the microfluidic filter chamber comprises a valve for controllable passage through the vent passage. This serves to regulate the passage of liquid or gas.
  • a particular embodiment of the microfluidic filter chamber is characterized in that the venting duct either leads to the atmosphere or leads into a separate reservoir. This serves to dissipate the air.
  • Another particular embodiment of the microfluidic filter chamber is characterized in that the venting channel opens into the outlet channel downstream of the filter. This serves to dissipate the air.
  • the microfluidic filter chamber is characterized in that the inlet channel is widened before and / or after the filter.
  • a particularly preferred embodiment of the microfluidic filter chamber is characterized in that the inlet channel is widened in front of the filter in order to ensure a homogeneous flow against the filter
  • Embodiment of the microfluidic filter chamber is characterized in that the outlet channel is widened after the filter.
  • the invention also relates to a fluidic system having at least one microfluidic filter chamber according to the invention.
  • a fluidic system having at least one microfluidic filter chamber according to the invention.
  • Embodiment relates to a fluidic system comprising a multi-layer structure of at least two layers and a microfluidic filter chamber.
  • the invention also relates to a fluidic system comprising a multilayer construction of at least two layers and a microfluidic filter chamber comprising a filter, a venting channel, an inlet channel and an outlet channel, wherein the filter is inserted into the inlet channel, and wherein before the filter from the inlet channel branches off the venting channel and wherein the flow through the vent passage can be regulated, for example by a valve.
  • one or more layers are structured planes.
  • a particular embodiment of the invention relates to a fluidic system comprising a cover, a first structured plane and a second structured plane, an inlet channel, an extension of the inlet channel, a filter, a valve and an outlet channel.
  • the fluidic system may further include a duct passage.
  • a further particular embodiment of the invention relates to a fluidic system, characterized in that an elastic film is located between the one and the other layer or an elastic film is located between the first structured plane and the second structured plane.
  • the fluidic system for bubble-free filling of a microfluidic filter chamber still comprises at least one further valve.
  • the invention further provides a method for the bubble-free filling of a microfluidic filter chamber comprising a filter and a
  • Venting channel wherein a liquid is pumped through the inlet channel to the filter, while the valve is open in the venting channel, and
  • the filter is filled capillary, and then the channel area in front of the filter, the venting channel and the channel area are filled after the filter, and then the valve is closed.
  • the invention also provides a method for filtering a liquid with a microfluidic filter chamber, wherein first the microfluidic
  • Venting channel is open, then the filter is filled capillary, then
  • the channel region is filled after the filter, and then the valve is closed, and then the liquid to be filtered flows through the inlet channel and then flows through the filter into the outlet channel.
  • the filter may be a fabric filter or a silica filter.
  • fabric mats or particle beds made of glass, silicates, oxides or polymers are used as filters.
  • all filters can be used which are suitable for fluidic systems, in particular for microfluidic systems.
  • the radius of the filter is adjusted to the size of the microfluidic filter chamber. It can be between 1 and 25 mm. Preferably, the radius of the filter is 2 to 5 mm, more preferably 3.5 mm.
  • Fluidic channels are channels through which the liquid in one
  • microfluidic system can flow.
  • the dimensions of the fluidic channels are adapted to the respective requirements.
  • To the fluidic Channels include the inlet channel, the outlet channel, the vent channel and the channel extension.
  • the fluidic channels include the
  • the fluidic channels have one
  • Diameter or a width of 0.05 to 2 mm preferably from 0.2 to 1 mm, particularly preferably 0.3 or 0.5 mm, and a depth of 0.05 to 1.5 mm, preferably from 0.2 to 1 mm, especially preferably 0.3 or 0.5 mm.
  • the venting channel is adjustable, i. the flow of liquid or gas through the vent channel can be regulated.
  • the venting channel can be regulated via a valve.
  • the valve can be opened, partially opened or closed.
  • Valves serve to regulate the fluid flows in a fluidic
  • Filter chamber and in the fluidic systems may act as a valve.
  • valves are rotary valves or external solenoid valves.
  • the invention is not limited to the said valves, but all systems are included with which a regulation of liquid or gas streams in fluidic systems is possible.
  • the microfluidic filter chamber may be part of a fluidic system.
  • the fluidic system may be a microfluidic system.
  • the microfluidic filter chamber is in a layer. In another particular embodiment, the
  • microfluidic filter chamber in a multi-layer structure.
  • it is a multi-layer structure consisting of several different layers.
  • it is a multi-layer structure, which is composed of several identical layers.
  • a multi-layer structure includes, for example, two to twenty or more layers.
  • the microfluidic filter chamber can only be in one layer or extend over several layers.
  • the microfluidic filter chamber extends to two or three or more layers.
  • the layer may be, for example, a polymer.
  • the layer can be, for example, a polymer.
  • a layer may be a film, particularly preferably an elastic film, for example an elastomer or a thermoplastic elastomer, in particular a polyurethane-based thermoplastic elastomer.
  • individual layers are 0.05 to 10 mm thick.
  • individual layers have a thickness of 0.1 mm, 0.5 mm, 1 mm, 1, 5 mm, 2 mm, 2.5 mm, 3 mm, 3.5 mm, 4 mm, 4.5 mm, 5 mm.
  • the fluidic channels are widened at certain locations, i. they have a larger cross section or diameter compared to the inlet channel or outlet channel.
  • the inlet channel can be widened immediately in front of the filter in order to achieve a homogeneous flow.
  • Flow is the inlet channel or outlet channel before or after the filter, for example, extended over a length of 5 mm to 10 mm.
  • transverse flow for example, before or after the filter is a cavity having a height between 0.5 mm and 2 mm, for example, of 1 mm, and in the
  • Diameter between 0.5 mm and 3 mm, for example 2 mm, is smaller than the diameter of the filter.
  • phaseguides i. Structures (e.g., edges) that provide the pinning effects
  • Such structures may be located, for example, in the extension of the inlet channel to control the filling of the channel extension and a uniform filling
  • Filter chambers in a microfluidic system the channel leading to the filter before and after the filter is extended to achieve in these systems a homogeneous flow of the filter.
  • This extension is preferably achieved by a variable cross section of the channels leading to the filter.
  • These channels are open, for example, funnel-shaped towards the filter.
  • the microfluidic filter chamber according to the invention first the channel region in front of the filter is completely filled. The air bubbles can escape through the adjustable vent channel when the valve is open. As a result, a bubble-free filling of the filter and the filter chamber is possible. It is thereby avoided that when filling the filter quickly filled capillary and thus the escape of the air located in front of the filter in the channel extension is prevented. Can not escape the air, stay ahead and
  • the microfluidic filter chamber of the venting channel opens into the channel region after the filter. As a result, this area is also filled bubble-free and an additional fluidic connection is saved.
  • the microfluidic filter chamber can be used in all fluidic systems in which a filter is used, for example in polymer lab-on-chip (LOC) and micro-total-analysis ( ⁇ ) systems for molecular diagnostics.
  • LOC polymer lab-on-chip
  • ⁇ micro-total-analysis
  • FIG. 1a Schematic representation of a microfluidic filter chamber 10th
  • FIG. 1 b Schematic representation of a microfluidic filter chamber 10
  • FIG. 3 Schematic representation of a fluidic system (top view).
  • Fig. 4 Schematic representation of a fluidic system (side view).
  • FIG. 1a shows a schematic view of a device according to the invention
  • Microfluidic filter chamber 10 in a first embodiment Microfluidic filter chamber 10 in a first embodiment
  • vent channel 4 either leads to the atmosphere or leads into a separate reservoir.
  • the inlet channel 1 is extended to the filter 3 leading to lying in front of the filter 3 channel extension 2. At the channel extension or within the channel, the filter 3 connects. The filter 3 is followed by the channel extension 13 after the filter 3.
  • Channel extension 13 is widened in its cross-section relative to the outlet channel 6.
  • the channel extension 2 in front of the filter 3 and the channel extension 13 after the filter 3 are each funnel-shaped.
  • the funnel-shaped formation is such that the larger cross-section of the funnel-shaped
  • Training for filter 3 is arranged.
  • FIG. 1b shows a schematic view of the microfluidic filter chamber 10 in a second embodiment with inlet channel 1, channel extensions 2 and 13, filter 3, venting channel 4, valve 5, outlet channel 6 , wherein the vent channel 4 opens after the filter 3 in the outlet channel 6.
  • the first embodiment are also in the second
  • Outlet channel 6 opens.
  • the vent passage is
  • the venting channel 4 has a valve 5. Through the valve 5, the flow through the
  • Channel extension 13 are regulated after the filter 3.
  • a first liquid e.g. Solution or suspension
  • a first liquid is by the
  • Inlet channel 4 pumped to the filter 3.
  • the valve 5 is open.
  • the filter 3 fills up capillary. In the area of the canal extension 2 is still first air.
  • Venting channel 4 the channel extension 2 is now first filled in front of the filter 3 and a part of the venting channel 4.
  • a first liquid e.g. Solution or suspension
  • a first liquid is by the
  • Inlet channel 1 pumped to the filter 3.
  • the valve 5 is open.
  • the filter 3 fills up capillary. In the area of the canal extension 2 is still first air.
  • Venting channel 4 the channel extension 2 is now first filled in front of the filter 3 and the venting channel 4.
  • the second embodiment i. the embodiment, in the venting channel
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the invention in cross section.
  • the microfluidic filter chamber 10 is part of a microfluidic system.
  • the microfluidic filter chamber 10 is realized in a multi-layer structure comprising three polymer substrates 9, 14, 11 and an elastic film 12 which is located between the first, structured layer 11 and the second, structured layer 14.
  • the three layers are arranged one above the other, wherein the third layer 9 is arranged above the second layer 14, and the second layer 14 is arranged above the first layer 11.
  • FIG. 2 shows an inlet channel 1, with channel extension 2, filter 3,
  • FIG. 3 shows the same embodiment of the invention as Figure 2, but in the
  • the microfluidic filter chamber 10 is part of a
  • FIG. 3 shows an inlet channel 1, with channel extension 2, filter 3,
  • Ventilation channel 4 valve 5, outlet channel 6, channel passage 7, additional valve 8, radius R1 of the channel extension 2, radius R2 of the filter 3 and width w2 of the outlet channel. 6
  • FIG 4 shows the same embodiment of the invention as Figure 2 and 3, but in side view.
  • the microfluidic filter chamber 10 is part of a microfluidic system. It is in a multi-layer construction of three Polymer substrates 9, 14, 1 1 and an elastic film 12, which is located between the first, structured plane 11 and the second, structured plane 14 realized.
  • FIG. 4 shows the inlet channel 1, with channel extension 2, filter 3,
  • Ventilation channel 4 valve 5
  • outlet channel 6 channel passage 7 and additional valve 8.
  • the liquid is directed through a passage 7 in the second, structured plane 14 and reaches the channel extension second
  • the filter 3 is wetted capillary.
  • Implementation and a valve 5 includes, in the first, structured plane 1 1 back and reaches the back of the filter. 3

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikrofluidische Filterkammer mit einem regulierbaren Entlüftungskanal und deren Verwendung. Die Erfindung betrifft auch ein fluidisches System zur blasenfreien Befüllung einer mikrofluidischen Filterkammer und zum Filtern von Flüssigkeiten, ein Verfahren zum blasenfreien Befüllen einer mikrofluidischen Filterkammer und ein Verfahren zum Filtern von Flüssigkeiten.

Description

Beschreibung Titel
Fluidisches System zur blasenfreien Befüllung einer mikrofluidischen
Filterkammer
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikrofluidische Filterkammer mit einem regulierbaren Entlüftungskanal und deren Verwendung. Die Erfindung betrifft auch ein fluidisches System zur blasenfreien Befüllung einer
mikrofluidischen Filterkammer und zum Filtern von Flüssigkeiten, ein Verfahren zum blasenfreien Befüllen einer mikrofluidischen Filterkammer und ein Verfahren zum Filtern von Flüssigkeiten.
Stand der Technik
In der Molekularbiologie und der molekularen Diagnostik werden oftmals
Filtrierungs- oder Festphasen-Extraktionsschritte durchgeführt. Zweck kann z.B. die Akkumulation von Bakterien oder die Aufreinigung von DNA-Fragmenten sein. Je nach Anwendung kommen als Filter Gewebematten oder
Partikelschüttungen aus Glas, Silikaten, Oxiden, Polymeren etc. zum Einsatz. Als Bestandteil von Kits sind in Kunststoffröhrchen (sogenannte Tubes) eingepresste Filter kommerziell erhältlich, z.B. QIAquick Purification Kit der Firma Qiagen ®, solche Filter sind bekannt aus der DE10218554A1. Diese Filter werden manuell durch Pipettieren befüllt und dann zentrifugiert.
Neuerdings wird verstärkt versucht, molekularbiologische Abläufe (sogenannte Assays) in mikrofluidische Systeme zu integrieren. Ein derartiges System wird auch als Lab-on-Chip (LOC) oder Micro-Total-Analysis-System (μΤΑβ) bezeichnet. Zu den Besonderheiten eines LOC-Systems gehören: Die Zeitersparnis bei der Durchführung des Assays. Es werden nur geringere Mengen an Reagenzien und Proben benötigt. Der Arbeitsaufwand für den Bediener wird reduziert. Es gibt weniger Möglichkeiten für den Bediener, Fehler zu machen. Das System kann portabel ausgeführt werden.
Anwendungen für LOC-Systeme finden sich in der molekularen Diagnostik, in der
Umweltanalytik, etc. Eine Möglichkeit, einen Filter in ein mikrofluidisches LOC- System zu integrieren, ist in der US2002/0185431 A1 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist eine mikrofluidische Filterkammer umfassend einen Filter, einen Entlüftungskanal, einen Einlasskanal und einen Auslasskanal, wobei der Filter zwischen Einlasskanal und Auslasskanal eingefügt ist, und wobei der Entlüftungskanal vom Einlasskanal abzweigt und wobei der Durchfluss durch die mikrofluidische Filterkammer mittels des Entlüftungskanals regulierbar ist.
Die erfindungsgemäße mikrofluidische Filterkammer und mikrofluidische
Systeme, die diese Filterkammer enthalten, weisen folgende vorteilhafte
Eigenschaften auf: Die mikrofluidische Filterkammer kann blasenfrei befüllt werden. Es werden beim Befüllen keine Luftblasen eingeschlossen. Ein
Verstopfen des Filters wird somit verhindert. Der Filter wird homogen angeströmt. Flüssigkeitsströme können genau reguliert werden. Das vollständige Ausspülen des Filters ist gewährleistet. Es kommt nicht zur Verstopfung von Komponenten oder zum Ablauf unerwünschter Reaktionen. Das Mischen von Flüssigkeiten wird erleichtert. Die Schaumbildung wird verhindert. Der fluidische Widerstand des Systems wird konstant gehalten. In der Filterkammer enthaltene Reagenzien können kontrolliert ausgetauscht werden.
Erfindungsgemäß umfasst die mikrofluidische Filterkammer ein Ventil zum kontrollierbaren Durchlass durch den Entlüftungskanal. Dies dient dazu, den Durchlass von Flüssigkeit oder Gas zu regulieren. Eine besondere Ausführungsform der mikrofluidischen Filterkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal entweder an die Atmosphäre führt oder in ein separates Reservoir führt. Dies dient dazu, die Luft abzuführen. Eine andere besondere Ausführungsform der mikrofluidische Filterkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal nach dem Filter in den Auslasskanal mündet. Dies dient dazu, die Luft abzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die mikrofluidische Filterkammer dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal vor und/oder nach dem Filter erweitert ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der mikrofluidischen Filterkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal vor dem Filter erweitert ist, um ein homogenes Anströmen des Filters mit
Flüssigkeiten zu gewährleisten. Eine ebenfalls besonders bevorzugte
Ausführungsform der mikrofluidischen Filterkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal nach dem Filter erweitert ist.
Die Erfindung betrifft auch ein fluidisches System mit mindestens einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Filterkammer. In einer besonderen
Ausführungsform betrifft die Erfindung ein fluidisches System umfassend einen Mehrschichtaufbau aus mindestens zwei Schichten und eine mikrofluidische Filterkammer. Die Erfindung betrifft auch ein fluidisches System umfassend einen Mehrschichtaufbau aus mindestens zwei Schichten und eine mikrofluidische Filterkammer umfassend einen Filter, einen Entlüftungskanal, einen Einlasskanal und einen Auslasskanal, wobei der Filter in den Einlasskanal eingefügt ist, und wobei vor dem Filter vom Einlasskanal der Entlüftungskanal abzweigt und wobei der Durchfluss durch den Entlüftungskanal reguliert werden kann, beispielsweise durch ein Ventil. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere Schichten strukturierte Ebenen.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein fluidisches System umfassend einen Deckel, eine erste strukturierte Ebene und eine zweite strukturierte Ebene, einen Einlasskanal, eine Erweiterung des Einlasskanals, einen Filter, ein Ventil und einen Auslasskanal. Gegebenenfalls kann das fluidische System außerdem eine Kanaldurchführung umfassen. Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein fluidisches System, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der einen und der anderen Schicht eine elastische Folie befindet oder zwischen der ersten strukturierten Ebene und der zweiten strukturierten Ebene eine elastische Folie befindet.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst das fluidische System zur blasenfreien Befüllung einer mikrofluidischen Filterkammer noch mindestens ein weiteres Ventil.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur blasenfreien Befüllung einer mikrofluidischen Filterkammer, umfassend einen Filter und einen
Entlüftungskanal, wobei eine Flüssigkeit durch den Einlasskanal zum Filter gepumpt wird, während das Ventil im Entlüftungskanal offen ist, und
wobei dann der Filter kapillar befüllt wird, und wobei dann der Kanalbereich vor dem Filter, der Entlüftungskanal und der Kanalbereich nach dem Filter befüllt werden, und danach das Ventil geschlossen wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Filtern einer Flüssigkeit mit einer mikrofluidischen Filterkammer, wobei zuerst die mikrofluidische
Filterkammer blasenfrei mit einer Flüssigkeit befüllt wird, indem eine Flüssigkeit durch den Einlasskanal zum Filter gepumpt wird, während das Ventil im
Entlüftungskanal offen ist, dann der Filter kapillar befüllt wird, dann
der Kanalbereich vor dem Filter, dann der Entlüftungskanal und
dann der Kanalbereich nach dem Filter befüllt wird, und anschließend das Ventil geschlossen wird, und danach die zu filternde Flüssigkeit durch den Einlasskanal einströmt und dann durch den Filter in den Auslasskanal strömt.
Der Filter kann ein Gewebefilter oder ein Silikafilter sein. Beispielsweise kommen als Filter Gewebematten oder Partikelschüttungen aus Glas, Silikaten, Oxiden oder Polymeren zum Einsatz Grundsätzlich können alle Filter verwendet werden, die sich für fluidische Systeme, insbesondere für mikrofluidische Systeme eignen. Der Radius des Filters wird an die Abmessung der mikrofluidischen Filterkammer angepasst. Er kann zwischen 1 und 25 mm liegen. Vorzugsweise ist der Radius des Filters 2 bis 5 mm, besonders bevorzugt 3,5 mm.
Fluidische Kanäle sind Kanäle, durch die die Flüssigkeit in einem
mikrofluidischen System strömen kann. Die Abmessungen der fluidischen Kanäle werden an die betreffenden Anforderungen angepasst. Zu den fluidischen Kanälen gehören der Einlasskanal, der Auslasskanal, der Entlüftungskanal und die Kanalerweiterung. Zu den fluidischen Kanälen gehört auch die
Kanaldurchführung. Die fluidischen Kanäle haben beispielsweise einen
Durchmesser bzw. eine Breite von 0,05 bis 2 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 1 mm, besonders bevorzugt 0.3 oder 0.5 mm, und eine Tiefe von 0,05 bis 1.5 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 1 mm, besonders bevorzugt 0.3 oder 0.5 mm.
Der Entlüftungskanal ist regulierbar, d.h. der Durchfluss von Flüssigkeit oder Gas durch den Entlüftungskanal kann reguliert werden. Der Entlüftungskanal kann über ein Ventil reguliert werden. Das Ventil kann geöffnet, teilweise geöffnet oder verschlossen sein.
Ventile dienen der Regulation der Flüssigkeitsströme in einer fluidischen
Filterkammer und in den fluidischen Systemen. Beispielsweise kann eine elastische Folie, die sich zwischen zwei Schichten befindet, als Ventil fungieren.
Weitere Beispiele für Ventile sind Drehventile oder externe Magnetventile. Die Erfindung ist aber nicht auf die genannten Ventile beschränkt, vielmehr sind alle Systeme umfasst, mit denen eine Regulation von Flüssigkeits- oder Gasströmen in fluidischen Systemen möglich ist.
Die mikrofluidische Filterkammer kann Bestandteil eines fluidischen Systems sein. Das fluidische System kann ein mikrofluidisches System sein. In einer besonderen Ausführungsform befindet sich die mikrofluidische Filterkammer in einer Schicht. In einer anderen besonderen Ausführungsform ist die
mikrofluidische Filterkammer in einem Mehrschichtaufbau realisiert. In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich um einen Mehrschichtaufbau, der aus mehreren unterschiedlichen Schichten besteht. In einer anderen besonderen Ausführungsform handelt es sich um einen Mehrschichtaufbau, der aus mehreren gleichen Schichten aufgebaut ist. Ein Mehrschichtaufbau umfasst beispielsweise zwei bis zwanzig oder mehr Schichten. Dabei kann sich die mikrofluidische Filterkammer nur in einer Schicht befinden oder sich über mehrere Schichten erstrecken. In einer besonderen Ausführungsform erstreckt sich die mikrofluidische Filterkammer auf zwei oder drei oder mehr Schichten. Die Schicht kann beispielsweise ein Polymer sein. Die Schicht kann
beispielsweise aus Polykarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol oder einem zyklischen Polyolefin bestehen. Die Schicht kann auch aus Glas oder Silizium bestehen. Die Schicht kann strukturiert sein, beispielsweise mittels Spritzguss, Heißprägen, Fräsen, Sandstrahlen oder Ätzen. Einzelne Schichten können deformierbar sein. Beispielsweise kann eine Schicht eine Folie sein, besonders bevorzugt eine elastische Folie, beispielsweise ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere ein Polyurethan-basiertes thermoplastisches Elastomer. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind einzelne Schichten 0,05 bis 10 mm dick. Vorzugsweise haben einzelne Schichten eine Dicke von 0,1 mm, 0,5 mm, 1 mm, 1 ,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, 3 mm, 3,5 mm, 4 mm, 4,5 mm, 5 mm.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die fluidischen Kanäle an bestimmten Stellen erweitert, d.h. sie weisen dort einen im Vergleich zum Einlasskanal beziehungsweise Auslasskanal größeren Querschnitt oder Durchmesser auf. Beispielsweise kann der Einlasskanal unmittelbar vor dem Filter erweitert sein, um eine homogene Anströmung zu erreichen. Auch kann der
Auslasskanal unmittelbar nach dem Filter erweitert sein. Bei lateraler
Anströmung ist der Einlasskanal oder Auslasskanal vor bzw. nach dem Filter beispielsweise über eine Länge von 5 mm bis 10 mm erweitert. Bei transversaler Anströmung befindet sich beispielsweise vor bzw. nach dem Filter eine Kavität, die eine Höhe zwischen 0.5 mm und 2 mm, beispielsweise von 1 mm, hat und im
Durchmesser zwischen 0.5 mm und 3 mm, beispielsweise 2 mm, kleiner ist als der Durchmesser des Filters. In einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung befinden sich in den Erweiterungen der fluidischen Kanäle sogenannte Phaseguides, d.h. Strukturen (z.B. Kanten), die durch Pinning-Effekte die
Befüllung der Kanalerweiterung steuern. Solche Strukturen können sich beispielsweise in der Erweiterung des Einlasskanals befinden, um die Befüllung der Kanalerweiterung zu steuern und eine gleichmäßige Befüllung zu
gewährleisten. Insbesondere bei der Integration der erfindungsgemäßen mikrofluidischen
Filterkammern in ein mikrofluidisches System wird der zum Filter führende Kanal vor und nach dem Filter erweitert, um in diesen Systemen ein homogenes Anströmen des Filters zu erreichen. Diese Erweiterung wird bevorzugt durch einen variablen Querschnitt der zum Filter führenden Kanäle erreicht. Diese Kanäle sind beispielsweise trichterförmig zum Filter hin geöffnet. Bei der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Filterkammer wird zuerst der Kanalbereich vor dem Filter vollständig befüllt. Die Luftblasen können durch den regulierbaren Entlüftungskanal entweichen, wenn das Ventil geöffnet ist. Dadurch ist eine blasenfreie Befüllung des Filters und der Filterkammer möglich. Es wird dadurch vermieden, dass sich bei der Befüllung der Filter schnell kapillar füllt und so das Entweichen der sich vor dem Filter in der Kanalerweiterung befindenden Luft verhindert wird. Kann die Luft nicht entweichen, bleiben vor und
gegebenenfalls auch nach dem Filter Luftblasen eingeschlossen. Diese
Luftblasen stören die homogene Anströmung des Filters und können außerdem zum kompletten oder teilweisen Verstopfen des Filters und/oder zu
Schaumbildung führen, wodurch das vollständige Ausspülen des Filters unmöglich wird. In einer besonderen Ausführungsform der mikrofluidischen Filterkammer mündet der Entlüftungskanal in den Kanalbereich nach dem Filter. Dadurch wird auch dieser Bereich blasenfrei befüllt und ein zusätzlicher fluidischer Anschluss wird eingespart.
Die mikrofluidische Filterkammer ist in allen fluidischen Systemen einsetzbar, in denen ein Filter eingesetzt wird, beispielsweise in polymeren Lab-on-Chip (LOC)- und Micro-Total-Analysis-Systemen (μΤΑ-Systemen) zur molekularen Diagnostik.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1a Schematische Darstellung einer mikrofluidischen Filterkammer 10
Ausführungsform 1. Fig. 1 b Schematische Darstellung einer mikrofluidischen Filterkammer 10
Ausführungsform 2.
Schematische Darstellung eines fluidischen Systems (Querschnitt).
Fig. 3 Schematische Darstellung eines fluidischen Systems (Draufsicht). Fig. 4 Schematische Darstellung eines fluidischen Systems (Seitenansicht).
Figur 1a zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen
mikrofluidischen Filterkammer 10 in einer ersten Ausführungsform mit
Einlasskanal 1 , Kanalerweiterungen 2 und 13, Filter 3, Entlüftungskanal 4, Ventil
5 und Auslasskanal 6, wobei der Entlüftungskanal 4 entweder an die Atmosphäre führt oder in ein separates Reservoir führt. Der Einlasskanal 1 ist zum Filter 3 hin führend zur vor dem Filter 3 liegenden Kanalerweiterung 2 erweitert. An die Kanalerweiterung bzw. innerhalb des Kanals schließt sich der Filter 3 an. An den Filter 3 schließt sich die Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 an. Die
Kanalerweiterung 13 ist in ihrem Querschnitt gegenüber dem Auslasskanal 6 erweitert. Die Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3 und die Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 sind jeweils trichterförmig ausgebildet. Die trichterförmige Ausbildung ist derart, dass der größere Querschnitt der trichterförmigen
Ausbildung zum Filter 3 angeordnet ist. Die Kanalerweiterung 2 vor dem Filter
3weist einen Entlüftungskanal 4 auf. Der Entlüftungskanal 4 weist ein Ventil 5 auf. Das Ventil 5 regelt den Durchfluss von Flüssigkeit oder Gas durch den Entlüftungskanal 4. Figur 1 b zeigt eine schematische Ansicht der mikrofluidischen Filterkammer 10 in einer zweiten Ausführungsform mit Einlasskanal 1 , Kanalerweiterungen 2 und 13, Filter 3, Entlüftungskanal 4, Ventil 5, Auslasskanal 6, wobei der Entlüftungskanal 4 nach dem Filter 3 in den Auslasskanal 6 mündet. Entsprechend der ersten Ausführungsform sind auch bei der zweiten
Ausführungsform der Einlasskanal 1 , die Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3, der Filter 3, die Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 und der Auslasskanal 6 so angeordnet, dass der Einlasskanal trichterförmig in die Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3 führt, und die Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 in den
Auslasskanal 6 mündet. In der zweiten Ausführungsform ist der Entlüftungskanal
4 sowohl mit der Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3 als auch mit der
Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 verbunden. Der Entlüftungskanal 4 weist ein Ventil 5 auf. Durch das Ventil 5 kann der Durchfluss durch den
Entlüftungskanal 4 aus der Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3 und der
Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 geregelt werden. Der Einlasskanal 1 vor dem Filter 3 und/oder der Auslasskanal 6 nach dem Filter
3 können erweitert sein gegenüber dem Querschnitt des übrigen Einlasskanals 1 und Auslasskanals 6.
Die Funktionsweise der mikrofluidischen Filterkammer 10 in der ersten
Ausführungsform ist wie folgt:
1. Eine erste Flüssigkeit, z.B. Lösung oder Suspension, wird durch den
Einlasskanal 4 zum Filter 3 gepumpt. Das Ventil 5 ist geöffnet.
2. Der Filter 3 befüllt sich kapillar. Im Bereich der Kanalerweiterung 2 befindet sich zunächst noch Luft.
3. Da der Flusswiderstand des Filters 3 deutlich größer ist als der des
Entlüftungskanals 4, wird nun zunächst die Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3 und ein Teil des Entlüftungskanals 4 befüllt.
4. Das Ventil 5 wird geschlossen.
5. Das System ist komplett befüllt und der Filtrierungsvorgang beginnt.
Die Funktionsweise der mikrofluidischen Filterkammer 10 in der zweiten
Ausführungsform ist wie folgt:
1. Eine erste Flüssigkeit, z.B. Lösung oder Suspension, wird durch den
Einlasskanal 1 zum Filter 3 gepumpt. Das Ventil 5 ist geöffnet.
2. Der Filter 3 befüllt sich kapillar. Im Bereich der Kanalerweiterung 2 befindet sich zunächst noch Luft.
3. Da der Flusswiderstand des Filters 3 deutlich größer ist als der des
Entlüftungskanals 4, wird nun zunächst die Kanalerweiterung 2 vor dem Filter 3 und der Entlüftungskanal 4 befüllt.
4. Durch den Entlüftungskanal 4 wird die Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 befüllt.
5. Das Ventil 5 wird geschlossen.
6. Das System ist komplett befüllt und der Filtrierungsvorgang beginnt.
Die zweite Ausführungsform, d.h. die Ausführungsform, bei der Entlüftungskanal
4 nach dem Filter 3 in den Auslasskanal 6 mündet, hat somit zudem den Vorteil, dass durch den Entlüftungskanal 4 die Kanalerweiterung 13 nach dem Filter 3 vollständig befüllt wird. Da der Flusswiderstand des Entlüftungskanals 4 deutlich geringer ist als der des Filters 3, erfolgt dieser Befüllungsvorgang blasenfrei und deutlich schneller als durch den Filter. Es ist möglich, die Filterkammer 10 nach Ablauf der Filtrierung mit einer zweiten Flüssigkeit zu befüllen und dabei die erste Flüssigkeit zu ersetzen. Dazu wird im einfachsten Fall die zweite Flüssigkeit über den Filter 3 gepumpt. Bei dieser Verfahrensweise besteht jedoch die Gefahr, dass in den Kanalerweiterungen (2, 13) vor und nach dem Filter 3 Rückstände der ersten Flüssigkeit zurückbleiben, die später ablaufende Reaktionen stören können. Diese Rückstände können entfernt werden, indem der Entlüftungskanal 4 nochmals kurz geöffnet und mit Flüssigkeit 2 gespült wird.
Figur 2 zeigt eine mögliche Ausführung der Erfindung im Querschnitt. Dabei ist die mikrofluidische Filterkammer 10 Bestandteil eines mikrofluidischen Systems. Die mikrofluidische Filterkammer 10 ist dabei in einem Mehrschichtaufbau aus drei Polymersubstraten 9, 14, 1 1 und einer elastischen Folie 12, die sich zwischen der ersten, strukturierten Schicht 11 und der zweiten, strukturierten Schicht 14 befindet, realisiert. Die drei Schichten sind übereinander angeordnet, dabei ist die dritte Schicht 9 über der zweiten Schicht 14 angeordnet, und die zweite Schicht 14 ist über der ersten Schicht 1 1 angeordnet.
Figur 2 zeigt einen Einlasskanal 1 , mit Kanalerweiterung 2, Filter 3,
Kanaldurchführung 7, zusätzlichem Ventil 8, Durchmesser w1 der
Kanaldurchführung 7, Tiefe t1 des fluidischen Einlasskanals 1 , Dicke t2 der dritten Schicht 9, Dicke t3 der zweiten Schicht 14, Dicke t4 der dritten Schicht 11.
Figur 3 zeigt dieselbe Ausführung der Erfindung wie Figur 2, aber in der
Draufsicht. Die mikrofluidische Filterkammer 10 ist Bestandteil eines
mikrofluidischen Systems.
Figur 3 zeigt einen Einlasskanal 1 , mit Kanalerweiterung 2, Filter 3,
Belüftungskanal 4, Ventil 5, Auslasskanal 6, Kanaldurchführung 7, zusätzliches Ventil 8, Radius R1 der Kanalerweiterung 2, Radius R2 des Filters 3 und Breite w2 des Auslasskanals 6.
Figur 4 zeigt dieselbe Ausführung der Erfindung wie Figur 2 und 3, aber in der Seitenansicht. Die mikrofluidische Filterkammer 10 ist Bestandteil eines mikrofluidischen Systems. Sie ist in einem Mehrschichtaufbau aus drei Polymersubstraten 9, 14, 1 1 und einer elastischen Folie 12, die sich zwischen der ersten, strukturierten Ebene 11 und der zweiten, strukturierten Ebene 14 befindet, realisiert.
Figur 4 zeigt den Einlasskanal 1 , mit Kanalerweiterung 2, Filter 3,
Belüftungskanal 4, Ventil 5, Auslasskanal 6, Kanaldurchführung 7 und zusätzlichem Ventil 8.
Die Funktionsweise der in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigten Ausführungsform ist wie folgt:
1. Flüssigkeit strömt durch den Einlasskanal 1 ein. Das Ventil 5 ist geöffnet.
2. Die Flüssigkeit wird durch eine Durchführung 7 in die zweite, strukturierte Ebene 14 gelenkt und erreicht die Kanalerweiterung 2.
3. Der Filter 3 wird kapillar benetzt.
4. Die Flüssigkeit strömt durch den Belüftungskanal 4, der eine weitere
Durchführung und ein Ventil 5 beinhaltet, in die erste, strukturierte Ebene 1 1 zurück und erreicht die Rückseite des Filters 3.
5. Die an der Rückseite des Filters 3 gelegene Kanalerweiterung wird befüllt.
6. Das Ventil 5 wird geschlossen.
7. Die Flüssigkeit strömt durch den Filter 3 in den Auslasskanal 6.
Beispiele für typische Abmessungen des in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigten fluidischen Systems sind:
R1 = 2.5 mm, R2 = 3.5 mm, w1 = 0.5 mm, w2 = 0.3 mm, t1 = 0.3 mm, t2 = 1.5 mm, t3 = 1.5 mm, t4 = 1.5 mm.

Claims

Ansprüche
1. Mikrofluidische Filterkammer (10) zur blasenfreien Befüllung der
Filterkammer umfassend einen Filter (3), einen Entlüftungskanal (4), einen Einlasskanal (1) und einen Auslasskanal (6),
wobei der Filter (3) zwischen Einlasskanal (1) und Auslasskanal (6) eingefügt ist, und
wobei der Entlüftungskanal (4) vom Einlasskanal (1) abzweigt und
wobei der Durchfluss durch die mikrofluidische Filterkammer mittels eines Ventils (5) im Entlüftungskanal (4) regulierbar ist.
2. Mikrofluidische Filterkammer (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (4) entweder an die Atmosphäre führt oder in ein separates Reservoir führt.
3. Mikrofluidische Filterkammer (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskanal (4) in den Auslasskanal (6) mündet.
4. Mikrofluidische Filterkammer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (1) und / oder der Auslasskanal (6) eine variable Querschnittsfläche aufweisen.
5. Fluidisches System mit einer mikrofluidischen Filterkammer (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen
Mehrschichtaufbau aus mindestens zwei Schichten.
6. Fluidisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen zwei Schichten (1 1 , 14) eine elastische Folie (12) befindet, die als Ventil (5) wirkt.
7. Verfahren zur blasenfreien Befüllung einer mikrofluidischen Filterkammer (10), die einen Filter (3) und einen Entlüftungskanal (4) umfasst, wobei eine Flüssigkeit durch den Einlasskanal (1) zum Filter (3) gepumpt wird während ein Ventil (5) im Entlüftungskanal (4) offen ist, und
wobei der Filter (3) kapillar befüllt wird und
der Kanalbereich (2) vor dem Filter (3) und ein Teil des Entlüftungskanals (4) befüllt wird, wobei
dann der Kanalbereich (13) nach dem Filter (3) befüllt wird und
anschließend das Ventil (5) geschlossen wird.
Verfahren zum Filtern einer Flüssigkeit mit einer mikrofluidischen
Filterkammer (10), wobei zuerst die mikrofluidische Filterkammer (10) blasenfrei nach dem Verfahren nach Anspruch 7 befüllt wird, und danach die zu filternde Flüssigkeit durch den Einlasskanal (1) einströmt und dann durch den Filter (3) in den Auslasskanal (6) strömt.
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