[0001] Die Erfindung betrifft einen Abmesskanal zur Verwendung in einem mikrofluidischen
System, eine mikrofluidische Struktur in einem Substrat, insbesondere in einem Lab-on-Chip-System,
mit mehreren Fluidleitungen einschließlich eines Abmesskanals und einem mit den Fluidleitungen
verbundenen Ventil zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen der Fluidleitungen. Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abmessen und/oder Positionieren eines
Volumens einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen System, insbesondere in einem
Lab-on-Chip-System.
[0002] Das Abmessen und Positionieren bzw. Verteilen von Flüssigkeiten in einem Mikrofluidikchip
erfolgt bekanntermaßen mit Hilfe von sogenannten Abmessschleifen in Kombination mit
einem oder mehreren Drehventilen und fluidischen Lichtschranken. Da praktisch nicht
mehr als zwei solcher Abmessschleifen über ein Ventil verbunden werden können, bedarf
es zur Abmessung und Positionierung von mehr als zwei Flüssigkeiten mehrerer getrennter
Ventilanordnungen. Der Platzbedarf steigt in Folge dessen ebenso wie die Anzahl von
Ventilkomponenten und der optischen Komponenten zur Realisierung der Lichtschranken.
Insgesamt erhöht dies die Kosten des Systems. Ferner werden durch die Kombination
von Abmessschleifen und Drehventilen erhöhte Totvolumina und Flüssigkeitsverluste
in Kauf genommen.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehenden Nachteile zu reduzieren
und ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zum Abmessen und/oder Positionieren
eines Volumens einer Flüssigkeit in einem mikrofluidischen System bzw. eine kostengünstige
mikrofluidische Struktur zu diesem Zweck bereitzustellen.
[0004] Die Aufgabe wird gelöst durch einen Abmesskanal mit den Merkmalen des Patentanspruches
1, eine mikrofluidische Struktur mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 und ein
Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 8 oder 9. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0005] Der erfindungsgemäße Abmesskanal zur Verwendung in einem mikrofluidischen System,
insbesondere in einem Lab-On-Chip-System, weist ein erstes Ende, an dem ein erster
flüssigkeitsundurchlässiger und gasdurchlässiger Wandabschnitt angeordnet ist, der
einen Gasanschluss bereitstellt, und ein zweites Ende, an dem der Abmesskanal mit
wenigstens einer Fluidleitung verbindbar ist und an dem ein Abtrennmittel angeordnet
ist, wobei in dem Abmesskanal zwischen dem Wandabschnitt und dem Abtrennmittel ein
definiertes Volumen eingeschlossen ist, auf.
[0006] Der Abmesskanal, der beispielsweise als Nut in einem mikrofluidischen Chip ausgebildet
und mit einer Deckelfolie abgeschlossen sein kann, wird durch eine oder mehrere den
Kanalquerschnitt definierende Wände begrenzt. Unter "Wandabschnitt" im Sinne dieser
Schrift wird ein begrenzter, zusammenhängender Abschnitt einer oder mehrerer dieser
Wände verstanden. Der Kanal wird ferner durch seine beiden Enden begrenzt, die jedoch
keine stirnseitigen Wände voraussetzen, sondern zunächst lediglich Positionen angeben
und die Länge bzw. das Volumen des Abmesskanals definieren. Das erste Ende ist also
die Position des ersten Wandabschnittes entlang des Abmesskanals, das zweite Endes
die des Abtrennmittels.
[0007] Das Abmessen erfolgt in dem Abmesskanal (auch ohne aktive optische Überwachung) alleine
durch Befüllen des Abmesskanals bis zu dem ersten Wandabschnitt mit einer Flüssigkeit
und Abtrennen des in dem Abmesskanal zwischen dem Wandabschnitt und dem Abtrennmittel
eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumens von einem auf der Seite seines zweiten Endes
vor dem Abtrennmittel anstehenden überschüssigen Flüssigkeitsrest.
[0008] Der Abmesskanal ist bevorzugt an einem ersten Ende geschlossen oder verschließbar.
In diesem Fall wird nachfolgend auch von einem Totkanal gesprochen. Diese Gestalt
hat insbesondere in Verbindung damit, dass der erste flüssigkeitsundurchlässige und
gasdurchlässige Wandabschnitt an dem geschlossenen oder verschließbaren Ende des Abmesskanals
angeordnet ist, den Vorteil, dass ein geringer Totraum und eine sehr präzise Positionierung
des abgemessenen Flüssigkeitsplugs gewährleistet wird.
[0009] Das Abtrennmittel ist vorteilhafter Weise als ein zweiter flüssigkeitsundurchlässiger
und gasdurchlässiger Wandabschnitt ausgebildet, der einen Gasanschluss bereitstellt.
Das Abtrennen bzw. Abmessen erfolgt in dem Abmesskanal (ohne aktive optische Überwachung)
alleine durch Anlegen einer Druckdifferenz zwischen einer in den Abmesskanal mündenden
Einfüllöffnung und dem Gasanschluss über dem ersten flüssigkeitsundurchlässigen und
gasdurchlässigen Wandabschnitt. Da eine Drucksteuerung zur Bewegung und Positionierung
der sogenannten Flüssigkeitsplugs ohnehin bei den meisten mikrofluidischen Systemen
notwendig ist, benötigt die Erfindung im Vergleich mit Abmesseinrichtungen nach dem
Stand der Technik also einen geringeren apparativen Aufwand zum Abmessen.
[0010] Das Abtrennmittel ist vorteilhafter Weise alternativ als ein Ventil ausgebildet.
Das Ventil ist wiederum bevorzugt gleichzeitig Abtrennmittel zum Abmessen des Flüssigkeitsvolumens
und Steuerventil zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen des Abmesskanals mit einer
gewünschten Fluidleitung (Zu- oder Ableitung). Auch in dieser Ausgestaltung kommt
der Abmesskanal ohne zusätzliche Fluidsteuerungs- oder Fluidkontrollbauteile aus.
Ventilsteuerungen unterschiedlicher Art sind in der Mikrofluidik grundsätzlich bekannt.
Es wird beispielhaft auf die Schriften
US 2005/0056321 A1 oder
DE 102 28 767 A1 verwiesen.
[0011] Einer oder beide flüssigkeitsundurchlässige und gasdurchlässige Wandabschnitte sind
vorzugsweise in Form einer Membran ausgebildet und/oder weisen eine die Kanalwand
durchsetzende Kapillarstruktur auf, die dem Durchtritt einer Flüssigkeit einen erhöhten
Widerstand entgegensetzt. Entscheidend ist in beiden Fällen, dass die Flüssigkeit
durch den Wandabschnitt - sofern überhaupt - nur unter Aufbringen eines erhöhten Grenzdifferenzdruckes
ΔP
G zwischen dem Innendruck P
i in dem Abmesskanal und dem Außendruck P
a im Gasanschluss, ausgehend von einem zum Befüllen, Entleeren, oder allgemein zum
Fördern der Flüssigkeit verwendeten Normaldifferenzdruck ΔP
N zu überwinden im Stande ist.
[0012] Im Falle einer Membran als flüssigkeitsundurchlässiger und gasdurchlässiger Wandabschnitt
besteht diese bevorzugt aus einem nicht-benetzbaren Material, vorzugsweise einer Polymermembran
und besonders bevorzugt Polytetraflourethylen. Derartige flüssigkeitsundurchlässige
und gasdurchlässige Membranen in einem mikrofluidischen System sind beispielsweise
aus der Schrift
US 2005/0266582 A1 bekannt.
[0013] Der Gasanschluss wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung durch eine
Abluftöffnung jenseits des flüssigkeitsundurchlässigen und gasdurchlässigen Wandabschnittes
zur Umgebung gebildet. Diese Konstruktion ist einfach, da kein Pumpenanschluss auf
der Seite des Gasanschlusses benötigt wird. Der Flüssigkeitstransport im Abmesskanal
wird einlass- bzw. auslassseitig gesteuert, wobei das Befüllen bei dieser Ausgestaltung
am Einlass einen Überdruck und das Entleeren am Auslass einen Unterdruck erfordert.
[0014] Die erfindungsgemäße mikrofluidische Struktur in einem Substrat, insbesondere in
einem Lab-on-Chip-System, weist mehrere Fluidleitungen zum Aufnehmen und/oder Leiten
eines Fluidstromes und ein mit den Fluidleitungen verbundenes Ventil zum wahlweisen
Verbinden und/oder Trennen der Fluidleitungen auf. Eine der Fluidleitungen ist in
Form eines wie vorstehend beschriebenen Abmesskanals ausgebildet, der auf der Seite
seines zweiten Endes über das Ventil mit mindestens einer anderen Fluidleitung verbunden
und auf der Seite seines ersten Endes geschlossen oder verschließbar ist. "Auf der
Seite des ersten bzw. zweiten Endes" schließt ein, dass der Verschluss bzw. das Ventil
das jeweilige Ende des Abmesskanals bilden, also funktional dazugehören und dass sie
beabstandet von den Enden außerhalb des Fluidkanals liegen. Insbesondere ein das erste
Ende bildender Verschluss, der mit dem ersten Wandabschnitt zusammenfällt, erlaubt
ein Befüllen und Entleeren mit minimalem Flüssigkeitsverlust durch Toträume.
[0015] In Verbindung mit einer Ventilanordnung lassen sich das Befüllen, Abmessen und Entleeren
auf einfache Weise realisieren. Insbesondere bildet das Ventil zum wahlweisen Verbinden
und/oder Trennen der Fluidleitungen das Abtrennmittel. Auch können an ein Ventil mehrere
und insbesondere mehr als zwei der erfindungsgemäßen Abmesskanäle anschließen.
[0016] Der Gasanschluss und/oder die wenigstens eine andere Fluidleitung ist vorzugsweise
an eine Pumpvorrichtung anschließbar, die eingerichtet ist, eine Druckdifferenz zwischen
dem Gasanschluss und der wenigstens einen anderen Fluidleitung zum Zu- und/oder Abführen
eines Fluids in den Abmesskanal zu erzeugen. Der Chip mit der erfindungsgemäßen mikrofluidischen
Struktur kann zum Zweck des Anschließens in ein sogenanntes Betreibergerät eingelegt
werden, welches über Schnittstellen eine fluidische Verbindung zum mikrofluidischen
Chip zur Verfügung stellt.
[0017] Vorteilhaft ist es ferner, wenn eine mit einer Fluidleitung in der mikrofluidischen
Struktur kommunizierende Druckmesseinrichtung vorgesehen ist, deren Signal vorteilhaft
zur Steuerung der Pumpvorrichtung gemäß einem der nachfolgend beschriebenen Verfahren
eingesetzt werden kann.
[0018] Vorteilhafter Weise können zwei oder mehr der vorstehend beschriebenen Abmesskanäle
hintereinander angeordnet werden, wobei des zweite Ende eines ersten Abmesskanals
das erste Ende eines zweiten Abmesskanals bildet.
[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abmessen und/oder Positionieren eines Volumens
einer Flüssigkeit in einem solchen mikrofluidischen System sieht gemäß einem Aspekt
der Erfindung die folgenden Schritte vor:
- a) Verbinden des Abmesskanals über das Ventil mit einer Zuleitung,
- b) Befüllen des Abmesskanals bis zu dem ersten Wandabschnitt mit einer Flüssigkeit
aus der Zuleitung, indem eine Druckdifferenz zwischen der Zuleitung und dem Gasanschluss
angelegt wird,
- c) Abtrennen des in dem Abmesskanal zwischen dem Wandabschnitt und dem Abtrennmittel
eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumens von einem auf der Seite seines zweiten Endes
vor dem Abtrennmittel anstehenden überschüssigen Flüssigkeitsrest.
[0020] Die Unterscheidung der Begriffe Zuleitung und Ableitung ist funktional zu verstehen,
gleichwohl kann damit dieselbe körperliche Fluidleitung bezeichnet sein.
[0021] Nach dem Befüllen in Schritt b) ist je nach verfügbarer Flüssigkeitsmenge der gesamte
Abmesskanal oder auch nur ein Teil davon befüllt. Ist der Abmesskanal jedenfalls aber
über das Abtrennmittel hinaus befüllt, wird durch das Abtrennen c) sichergestellt,
dass nur noch genau das zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem Abtrennmittel verbleibende,
definierte Flüssigkeitsvolumen zur weiteren Verwendung zurück bleibt.
[0022] Ist das Abtrennmittel als ein zweiter flüssigkeitsundurchlässiger und gasdurchlässiger
Wandabschnitt ausgebildet, der einen Gasanschluss bereitstellt, umfasst Schritt c)
vorzugsweise:
c') Verbinden des Abmesskanals über das Ventil mit einer ersten Ableitung,
c") Abtransportieren der zwischen dem Ventil und dem zweiten Wandabschnitt befindlichen
überschüssigen Flüssigkeit durch die erste Ableitung, indem eine Druckdifferenz zwischen
dem Gasanschluss des zweiten Wandabschnittes und der ersten Ableitung angelegt wird.
[0023] Ist wie vorstehend vorausgesetzt nach dem Befüllen in Schritt b) der Abmesskanal
über den dem Ventil näherliegenden zweiten Wandabschnitt hinaus befüllt, wird durch
das Abtransportieren in Schritt c") sichergestellt, dass nur noch das genau das zwischen
den Wandabschnitten in dem Abmesskanal verbleibende, definierte Flüssigkeitsvolumen
zur weiteren Verwendung zurück bleibt.
[0024] Ist das Abtrennmittel als Ventil zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen der Fluidleitungen
ausgebildet, umfasst Schritt c) vorzugsweise:
c"') Trennen des Abmesskanals von der Zuleitung durch Schließen des Ventils.
[0025] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sieht das Verfahren in einem mikrofluidischen
System mit einem auf der Seite seines ersten Endes geschlossenen oder verschließbaren
und auf der Seite seines zweiten Endes über ein Ventil mit wenigstens einer Fluidleitung
verbindbaren Abmesskanal, der an seinem ersten Ende einen ersten und an seinem zweiten
Ende einen zweiten flüssigkeitsundurchlässigen und gasdurchlässigen Wandabschnitt
aufweist, welche Wandabschnitte jeweils einen Gasanschluss bereitstellen und zwischen
denen in dem Abmesskanal ein definiertes Volumen eingeschlossen ist, folgenden Schritt
vor:
d) Befüllen des Abmesskanals über eine zwischen den Wandabschnitten in den Abmesskanal
mündenden Einfüllöffnung mit einer Flüssigkeit, indem eine Druckdifferenz zwischen
der Einfüllöffnung einerseits und den beiden Gasanschlüssen andererseits angelegt
wird, und anschließendes Verschließen der Einfüllöffnung.
[0026] Diese Variante stellt den einfacheren Fall einer transversalen, also in Kanalrichtung
verlaufende Befüllung dar. Der Fall ist insofern einfacher, als das Abmessen bereits
in einem Schritt erfolgt ist. Voraussetzung ist, dass die Flüssigkeit durch einen
niedrigeren Druck an den Gasanschlüssen über die Einlassöffnung eingesaugt wird, als
der in dem übrigen System vorherrschende Druck. Das Ventil dient einem Anschließenden
Verbinden des Abmesskanals mit einem Auslasskanal zum Entleeren.
[0027] Bevorzugt werden in einem mikrofluidischen System mit wenigstens zwei hintereinander
angeordnete Abmesskanälen, wobei des zweite Ende eines ersten Abmesskanals das erste
Ende eines zweiten Abmesskanals bildet, nach Schritt c) gemäß dem ersten Aspekt des
erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. nach Schritt d) gemäß dem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen
Verfahrens die Schritte a) bis c) oder der Schritt d) wiederholt. Das erste Befüllen
des Abmesskanals gemäß Schritt b) erfolgt bis zu dem dem Ventil zunächst näher liegenden
zweiten Wandabschnitt der den Ausgangspunkt und ersten Wandabschnitt beim zweiten
Befüllen bildet. Entsprechend erfolgt das erste Abtransportieren der überschüssigen
Flüssigkeit gemäß Schritt d) von dem zunächst zweiten Wandabschnitt an und das zweite
Abtransportieren ab einem dem Ventil nochmals näher liegenden Abtrennmittel. Die Angabe
"zunächst zweiten" oder "zunächst näherliegend" bezieht sich auf den im ersten Befüllen/Abtransportieren
dem Ventil näherliegenden Wandabschnitt/Abtrennmittel und die Angabe "nochmals näherliegend"
bezieht sich auf den im zweiten Befüllen/Abtransportieren dem Ventil näherliegenden
Wandabschnitt/Abtrennmittel. Durch das zweimalige Befüllen eines solchen Abmesskanals
mit wenigstens drei flüssigkeitsundurchlässigen und gasdurchlässigen Wandabschnitten
werden zwei Flüssigkeiten unmittelbar hintereinander in einem einzigen Abmesskanal
abgemessen und können durch Druckbeaufschlagung des gewünschten Gasanschlusses wahlweise
sequentiell oder zusammen aus dem Abmesskanal abgeführt werden. In letzterem Fall
können Sie anschließend beispielsweise einer Mischstrecke zugeführt werden, um eine
Mischung in einem präzisen Verhältnis der Ausgangssubstanzen zu erzeugen.
[0028] Vorteilhaft ist es wenn nach Schritt c) bzw. nach Schritt d) jeweils die folgenden
Schritte ausgeführt werden:
e) Verbinden des Abmesskanals über das Ventil mit einer zweiten Ableitung,
f) Abtransportieren der zwischen dem dem Ventil näher liegenden Wandabschnitt und
dem dem Ventil ferner liegenden Wandabschnitt eingeschlossenen Flüssigkeit durch die
zweite Ableitung, indem eine Druckdifferenz zwischen dem Gasanschluss des dem Ventil
ferner liegenden Wandabschnittes und der zweiten Ableitung angelegt wird.
[0029] Auch hier gilt, dass die Unterscheidung der Begriffe Zuleitung, erste Ableitung und
zweite Ableitung funktional zu verstehen ist und gleichsam damit dieselbe körperliche
Fluidleitung bezeichnet sein kann.
[0030] Bevorzugt erfolgt das Befüllen durch kontinuierliches Pumpen der Flüssigkeit in den
Abmesskanal mittels einer Pumpeinrichtung. Das kontinuierliche Pumpen stellt neben
dem Pumpen mit gleichbleibendem Druck eines von zwei alternativen Förderprinzipien
dar.
[0031] Beim kontinuierlichen Pumpen wird vorzugsweise mittels einer mit der Zuleitung oder
dem Abmesskanal kommunizierenden Druckmesseinrichtung der Druck in dem System überwacht.
[0032] Dies wird dann vorteilhafter Weise dazu genutzt, die Pumpeinrichtung abzustellen,
wenn ein signifikanter Druckanstieg in der Zuleitung oder dem Abmesskanal festgestellt
wird. Ein solcher Druckanstieg wird immer dann festzustellen sein, wenn die Flüssigkeit
beim Einfüllen einen Wandabschnitt erreicht, an dessen Gasanschluss ein geringerer
Außendruck P
a anliegt als der Innendruck P
i im übrigen System im Normalfall (Systemnormaldruck).
[0033] Insbesondere vorteilhaft ist es dann, wenn der Druck, bei dem die Pumpeinrichtung
abgestellt wird, höher als der Systemnormaldruck P
i und geringer als der Grenzdifferenzdruck ΔP
G zwischen einem erhöhten Innendruck P'
i in dem Abmesskanal und dem Außendruck P
a im Gasanschluss ist, bei dem die Flüssigkeit durch den flüssigkeitsundurchlässige
und gasdurchlässige Wandabschnitt durchbricht.
[0034] Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- eine Schnittdarstellung des prinzipiellen Aufbaus des erfin- dungsgemäßen Abmesskanals;
- Figur 2
- eine mikrofluidische Struktur in einem Lab-on-Chip-System mit mehreren erfindungsgemäßen
Abmesskanälen;
- Figur 3
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem ersten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen;
- Figur 4
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem zweiten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen;
- Figur 5
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem dritten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen;
- Figur 6
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem vierten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen;
- Figur 7
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem fünften Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen;
- Figur 8
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem sechsten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen;
- Figur 9
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem siebten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen und
- Figur 10
- die mikrofluidische Struktur gemäß Figur 2 nach einem achten Schritt einer Sequenz
von fluidischen Steuerungen.
[0035] In Figur 1 ist der erfindungsgemäße Abmesskanal 10 in einem Schnitt durch einen mikrofluidischen
Chip 12 gezeigt. Der mikrofluidischen Chip 12 weist typischerweise ein Substrat 14
auf, in das der Abmesskanal 10 und etwaige weitere Fluidleitungen und/oder andere
funktionale Strukturen von seiner Oberseite 16 und/oder von seiner Unterseite 17 (dieser
Fall ist vorliegend nicht dargestellt) eingearbeitet sind. In der Regel werden Substrate
mit die Fluidleitungen im Spritzgussverfahren hergestellt. Alternativ können diese
auch in die Oberfläche des Substrats 14 eingefräst oder im Spritzprägeverfahren eingeprägt
werden. Der Abmesskanal 10 sowie die sonstigen, hier nicht gezeigten Fluidleitungen
werden gegenüber der Umgebung mittels einer Deckelfolie 18 auf der Oberseite 16 (bzw.
Unterseite) verschlossen.
[0036] Im vorliegenden Fall ist die Deckelfolie 18 mit zwei Öffnungen 20 und 22 versehen,
von denen eine Öffnung 20 bündig an einer Endfläche 24 des Abmesskanals 10 in denselben
mündet. Aufgrund der den Abmesskanal 10 einseitig begrenzenden Endfläche 24 ist der
Abmesskanal 10 für die Flüssigkeit ein Totkanal, nicht jedoch für ein Gas, das, wie
nachfolgend beschreiben, durch die Öffnungen 20 und 22 aus dem Kanal 10 ausströmen
kann. Für die Flüssigkeit hat der Abmesskanal also nur eine Zugangsöffnung 25, über
die er mit angeschlossenen Fluidleitungen fluidisch verbindbar oder verbunden ist.
Dennoch kann er aufgrund der mit der Öffnung 20 bündigen Endfläche 24 ohne Toträume
vollständig befüllt werden.
[0037] Oberhalb der Öffnung 20 befindet sich ein flüssigkeitsundurchlässiger und gasdurchlässiger
erster Wandabschnitt und oberhalb der Öffnung 22 ein flüssigkeitsundurchlässiger und
gasdurchlässiger zweiter Wandabschnitt. Der erste Wandabschnitt und der zweite Wandabschnitt
sind jeweils in Form einer Membran 26 bzw. 28 ausgebildet ist. Diese Membranen stellen
aufgrund ihrer Gasdurchlässigkeit einen Gasanschluss 27 bzw. 29 für den Abmesskanal
10 bereit. Zur Ab- bzw. Zuleitung von Gas ist auf der Außenseite der Membranen 26
und 28 jeweils eine Gasleitung 30 bzw. 32 angeflanscht bzw. vom Betreibergerät aufgesetzt.
Die Anordnung der Membranen wie auch die der Gasleitungen ist hier nur schematisch
vereinfacht dargestellt. Tatsächlich werden die Membranen bevorzugt in einen in das
Substrat eingeformten Membransitz eingelassen und beispielsweise mittels eines Andrückrings
gehalten. Der Andrückring ist vorzugsweise mit dem Substrat unverlierbar (ultraschall-)verschweißt
und bildet mit dem Substrat eine bündige Oberfläche, die ein Dichtfläche für den Anschluss
einer Gasleitung bereitstellt.
[0038] Zwischen den Wandabschnitten 26 und 28 schließt der Abmesskanal 10 ein definiertes
Volumen V ein.
[0039] Im Folgenden wird die Funktion des Abmesskanals anhand des Ausführungsbeispiels in
Figur 1 erläutert. Zum Befüllen des Abmesskanals 10 mit einer Flüssigkeit durch dessen
Zugangsöffnung 25 wird zunächst eine Druckdifferenz ΔP
N zwischen dem Zuleitungsdruck Druck P
i im Innern des Abmesskanals 10 und dem Außendruck P
a in der Öffnung 20 des am bezüglich der Zugangsöffnung 25 fernstliegenden ersten Gasanschlusses
27 beaufschlagt. Der relative Überdruck ΔP
N zwischen der Einlassseite und der Gasauslassseite bewegt einen in der Fluidleitung
befindlichen Flüssigkeitsplug 34 bis in die Öffnung 20 vor der Membran 26. Sobald
der Flüssigkeitsplug 34 die der Öffnung 25 fern liegende Membran 26 erreicht, steigt
der Druck im Inneren des Abmesskanals 10, konstante Volumenförderung vorausgesetzt.
Dieser Druckanstieg kann durch eine geeignete Druckmesseinrichtung (nicht dargestellt),
die mit einer mit dem Abmesskanal 10 kommunizierenden Fluidleitung verbunden ist,
detektiert werden. Das entsprechende Signal wird dann einer Pumpensteuerung zugeführt,
die die Pumpe abschaltet, um den erhöhten Innendruck P'
i nicht soweit ansteigen zu lassen, dass die Druckdifferenz zwischen P'
i und P
a den Grenzdifferenzdruck ΔP
G überschreitet, bei dem die Flüssigkeit durch die Membran austreten würde.
[0040] Davon ausgehend, dass der zugeführte Flüssigkeitsplug 34 ein größeres Volumen einnimmt,
als das durch den Abmesskanal 10 bestimmte Volumen V, steht die Flüssigkeitssäule
über die zweite Öffnung 22 hinaus vor dem Abmesskanal 10 an. Das Abmessen erfolgt
nun in einem zweiten Schritt, indem der der Zugangsöffnung 25 näher liegende zweite
Gasanschluss 29 mit einem höheren Außendruck P
a als der Innendruck P
i beaufschlagt wird. Die so entstehende Druckdifferenz bewirkt, dass die vor der Öffnung
22 in Richtung der Zugangsöffnung 25 anstehende Flüssigkeit in umgekehrter Richtung
aus dem Kanal herausgedrückt oder gesogen wird, so dass nur noch das durch die Länge
des Abmesskanals 10 bestimmte Volumen V an Flüssigkeit zwischen den beiden Öffnungen
20 und 22 verbleibt. Der zweite Wandabschnitt bildet also das Abtrennmittel. Dieses
genau abgemessene Flüssigkeitsvolumen kann anschließend durch Beaufschlagung des der
Öffnung 25 ferner liegenden Gasanschlusses 27 mit einem höheren Außendruck P
a als der Innendruck P
i aus dem Abmesskanal 10 zur weiteren Verwendung abgeleitet werden.
[0041] In Figur 2 ist eine beispielhafte mikrofluidische Struktur mit mehreren Fluidleitungen
auf einen Mikrofluidikchip 100 schematisch vereinfacht in der Draufsicht dargestellt.
Die mehreren Fluidleitungen sind: eine Zuleitung 102, ein erster, Abmesskanal 104,
ein Zusammenführungskanal oder zweiter, separater Abmesskanal 106, eine mäanderförmige
Mischstrecke 108, einen dritter Abmesskanal 110, der eigentlich aus zwei unmittelbar
aneinander angrenzenden Abmesskanälen besteht, sowie eine Ableitung 112. Ferner ist
auf den mikrofluidischen Chip 100 ein Drehventil 114 vorgesehen, das die Fluidleitungen
wahlweise miteinander verbindet bzw. voneinander trennt. Beispielsweise mündet die
Zuleitung 102 im Zentrum des Drehventils 114 und kann über einen ersten Ventilkanal
116 wahlweise mit jeder der Fluidleitungen 104, 106, 108, 112 unmittelbar verbunden
werden.
[0042] Der erste Abmesskanal 104 weist an seinem dem Drehventil 114 fernen Ende einen flüssigkeitsundurchlässigen
und gasdurchlässigen ersten Wandabschnitt 118 auf. Der erste Wandabschnitt 118 wird
durch eine Membran gebildet, die in einem Membransitz 120 Platz findet.
[0043] Der Zusammenführungskanal 106 weist zwei hintereinander beabstandet angeordnete flüssigkeitsundurchlässige
und gasdurchlässige erste und zweite Wandabschnitte 122 und 124 auf, von denen der
erste Wandabschnitt 124 an dem Drehventil 114 gegenüberliegenden Ende und somit fernerliegend
und der zweite Wandabschnitt 122 in etwa mittig in dem Zusammenführungskanal 106 und
somit näherliegend zu dem Drehventil 114 angeordnet sind. Zwischen den beiden Wandabschnitten
122 und 124 mündet eine transversale Einfüllöffnung 126 in den Zusammenführungs- bzw.
zweiten Abmesskanal 106.
[0044] Der Mischkanal 108 ist mäanderförmig gefaltet, so dass zwei unmittelbar aufeinander
folgend eingeleitete Fluide aufgrund der langen Strecke und der mehrfachen Richtungsumkehr
am Ausgang 128 des Mäanders vermischt angelangen.
[0045] Unmittelbar an den Ausgang 128 schließt sich der dritte Abmesskanal 110 an, welcher
insgesamt drei flüssigkeitsundurchlässige und gasdurchlässige Wandabschnitte 130,
132 und 134 aufweist. Der Wandabschnitt 130 ist der dem Ventil 114 nächstliegende,
der Wandabschnitt 134 der dem Ventil 114 fernstliegende Wandabschnitt.
[0046] Im Folgenden wird ein beispielhafter Ablauf von Fluidsteuerung durch die mikrofluidische
Struktur aus Figur 2 anhand der Figuren 3 bis 10 erfäutert.
[0047] In einem ersten Schritt gemäß Figur 3 wird der zweite Abmesskanal 106 zwischen dem
fernliegenden ersten Wandabschnitt 124 und dem näherliegenden zweiten Wandabschnitt
122 durch die Einfüllöffnung 126 (beispielsweise mittels einer Spritze oder durch
Aufgabe eines Tropfens auf die Einfüllöffnung) mit einer Flüssigkeit A (als schwarzer
Balken dargestellt) befüllt, indem eine Druckdifferenz zwischen der durch die Einfüllöffnung
126 einströmenden Flüssigkeit einerseits und den beiden Gasanschlüssen über den Wandabschnitten
124 und 122 andererseits angelegt wird. Die Druckdifferenz sorgt dafür, dass das Befüllen
des Zusammenführungskanals 106 stoppt, sobald die Flüssigkeit beide Wandabschnitte
122 und 124 bedeckt. Anschließend kann die Einfüllöffnung 126 beispielsweise mittels
einer Klebefolie oder eines Stopfens verschlossen werden.
[0048] In einem zweiten Schritt gemäß Figur 4 wird durch Einstellung des Drehventils 114
die Zuleitung 102 mit dem ersten Abmesskanal 104 verbunden und der Abmesskanal 104
anschließend durch Anlegen einer Druckdifferenz zwischen der Zuleitung 102 und dem
ersten Wandabschnitt 118 des ersten Abmesskanals mit einer Flüssigkeit B (als schwarzer
Balken dargestellt) befüllt. Beispielsweise kann der Gasanschluss über den ersten
Wandabschnitt 118 auf Umgebungsdruck geschaltet und die Zuleitung 102 mit Überdruck
betrieben werden. Wird der Wandabschnitt 118 von der Flüssigkeit B erreicht, so kann
mit einer nicht dargestellten Druckmesseinrichtung, die beispielsweise in fluidischer
Verbindung mit der Zuleitung 102 steht, ein Druckanstieg registriert werden. Ein entsprechendes
Signal kann dann der Druckquelle bzw. Pumpeinrichtung oder einem Ventil zugeführt
werden und diese automatisch zum Abschalten bzw. Ableiten des Fluidstromes veranlassen.
[0049] In einem dritten Schritt der Sequenz gemäß Figur 5 wird das Drehventil 114 so eingestellt,
dass der erste Abmesskanal 104 mit dem Eingang des zweiten Abmesskanals 106 verbunden
wird. Dabei wird zugleich die Zuleitung 102 von dem ersten Abmesskanal 104 getrennt.
Das Ventil 114 wirkt also gleichzeitig als Abtrennmittel im Sinne der Erfindung. Eine
Druckdifferenz zwischen dem Wandabschnitt 118 des erste Abmesskanals 104 und dem dem
Ventil 114 näherliegenden Wandabschnitt 122 des zweiten Abmesskanals 106 verschiebt
die zuvor in den Abmesskanal 104 befindliche, abgemessen Flüssigkeit B bis zu dem
Wandabschnitt 122 in den zweiten Abmesskanal 106 hinein.
[0050] In einem vierten Schritt gemäß Figur 6 wird das Drehventil 114 um einen Schritt weitergedreht,
so dass es den zweiten Abmesskanal 106 mit dem mäanderförmigen Mischkanal 108 verbindet.
Eine Druckdifferenz zwischen dem dem Drehventil 114 ferner liegenden Wandabschnitt
124 des zweiten Abmesskanals 106 und zumindest dem dem Ventil 114 fernstliegenden
Wandabschnitt 134 des dritten Abmesskanals 110 werden beide Flüssigkeiten A und B
zunächst hintereinander durch den mäanderförmigen Mischkanal 108 gefördert, darin
vermischt und anschließend in dem dritten Abmesskanal 110 bis zu dessen dem Mischkanal
fernliegenden Wandabschnitt 134 vorgeschoben, vergl. Figur 7.
[0051] Die gemischte Flüssigkeit AB wird sodann abgemessen, indem der überschüssige, vor
dem dem Ventil 114 nächstliegenden zweiten Wandabschnitt 130 befindliche Flüssigkeitsüberschuss
durch Anlegen einer Druckdifferenz zwischen dem Gasanschluss über dem zweiten Wandabschnitt
130 und dem Gasanschluss über dem dem Ventil fernliegenden Wandabschnitt 124 des zweiten
Abmesskanals 106 in den zweiten Abmesskanal 106 abgeleitet. Der zweite Abmesskanal
106 dient im gebrauchten Zustand als Abfallkanal oder Waste.
[0052] In einem nächsten Schritt gemäß Figur 9 wird die zwischen dem dem Ventil 114 nächstliegenden
(zweiten) Wandabschnitt 130 und dem nächst ferner liegenden, mittleren (ersten) Wandabschnitt
132 befindliche und genau abgemessene Flüssigkeit AB zur weiteren Verwendung innerhalb
oder außerhalb des Mikrofluidikchip in Richtung der Ableitung 112 transportiert, indem
eine Druckdifferenz zwischen dem Gasanschluss des Wandabschnittes 132 und dem Innendruck
der Ableitung 112 angelegt wird.
[0053] Zuletzt wird auf demselben Weg der zuvor zwischen dem mittleren (und jetzt zweiten)
Wandabschnitt 132 und dem dem Ventil 114 fernstliegenden (jetzt ersten) Wandabschnitt
134 befindliche und genau abgemessene Flüssigkeitsplug auf demselben Weg in die Ableitung
112 transportiert, indem nunmehr eine Druckdifferenz zwischen dem Gasanschluss über
den fernstliegenden Wandabschnitt 134 und den Innendruck in der Ableitung 112 angelegt
wird.
[0054] Die anhand der Figuren 2 bis 10 beschriebene Sequenz sowie die Ausgestaltung der
mikrofluidischen Struktur stellt lediglich eine von zahllosen Anwendungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Abmessprinzips dar. Beispielsweise obliegt es dem Fachmann die
für den Flüssigkeitstransport jeweils notwendige Druckdifferenz wahlweise durch Saugen
oder Drücken zu erzeugen. Es wird aus der Gesamtschau der vorliegenden Schrift offensichtlich,
dass nicht allein auf die detailliert beschriebene Ausgestaltung abzustellen ist,
sondern vielmehr das zugrundeliegende und in den Patentansprüchen näher bezeichneten
Verfahren, der Abmesskanal und die mikrofluidische Struktur für den Schutzumfang maßgeblich
sind.
Bezugszeichenliste
[0055]
- 10
- Abmesskanal
- 12
- mikrofluidischer Chip
- 14
- Substrat
- 16
- Oberseite
- 17
- Unterseite
- 18
- Deckelfolie
- 20
- Öffnungen
- 22
- Öffnungen
- 24
- Endfläche
- 25
- Zugangsöffnung
- 26
- Membran
- 27
- Gasanschluss
- 28
- Membran
- 29
- Gasanschluss
- 30
- Gasleitung
- 32
- Gasleitung
- 34
- Flüssigkeitsplug
- 100
- Mikrofluidikchip
- 102
- Zuleitung
- 104
- erster Abmesskanal
- 106
- zweiter Abmesskanal, Zusammenführungskanal
- 108
- Mischstrecke, Mischkanal
- 110
- dritter Abmesskanal
- 112
- Ableitung
- 114
- Drehventil
- 116
- Ventilkanal
- 118
- Wandabschnitt
- 120
- Membransitz
- 122
- Wandabschnitt
- 124
- Wandabschnitt
- 126
- Einfüllöffnung
- 128
- Ausgang des Mäanders
- 130
- Wandabschnitt
- 132
- Wandabschnitt
- 134
- Wandabschnitt
- Pi
- Innendruck, Systemnormaldruck
- P'i
- erhöhter Innendruck
- Pa
- Außendruck
- ΔPN
- Normaldifferenzdruck
- ΔPG
- Grenzdifferenzdruck
1. Abmesskanal (10, 104, 106, 110) zur Verwendung in einem mikrofluidischen System, insbesondere
in einem Lab-On-Chip-System, mit einem ersten Ende, an dem ein erster flüssigkeitsundurchlässiger
und gasdurchlässiger Wandabschnitt (26, 118, 124, 132, 134) angeordnet ist, der einen
Gasanschluss (27) bereitstellt, und einem zweiten Ende, an dem der Abmesskanal mit
wenigstens einer Fluidleitung verbindbar ist und an dem ein Abtrennmittel angeordnet
ist, wobei in dem Abmesskanal (10, 104, 106, 110) zwischen dem Wandabschnitt (26,
118, 124, 132, 134) und dem Abtrennmittel ein definiertes Volumen eingeschlossen ist.
2. Abmesskanal (10, 104, 106, 110) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abmesskanal (10, 104, 106, 110) an seinem ersten Ende geschlossen oder verschließbar
ist.
3. Abmesskanal (10, 108, 110) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennmittel als ein zweiter flüssigkeitsundurchlässiger und gasdurchlässiger
Wandabschnitt (28, 122, 130, 132) ausgebildet ist, der einen Gasanschluss (29) bereitstellt.
4. Abmesskanal (10, 104, 106, 110) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der flüssigkeitsundurchlässige und gasdurchlässige Wandabschnitt (26, 28, 118, 122,
124, 130, 132, 134) in Form einer Membran ausgebildet ist.
5. Mikrofluidische Struktur in einem Substrat, insbesondere in einem Lab-On-Chip-System,
mit mehreren Fluidleitungen zum Aufnehmen und/oder Leiten eines Fluidstromes und einem
mit den Fluidleitungen verbundenen Ventil (114) zum wahlweisen Verbinden und/oder
Trennen der Fluidleitungen,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Fluidleitung in Form eines Abmesskanals (10, 104, 106, 110) nach
einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, der auf der Seite seines zweiten Endes
über das Ventil (114) mit wenigstens einer anderen Fluidleitung verbunden und auf
der Seite seines ersten Endes geschlossen oder verschließbar ist.
6. Mikrofluidische Struktur nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (114) zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen der Fluidleitungen das
Abtrennmittel bildet.
7. Mikrofluidische Struktur nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
gekennzeichnet durch eine mit einer Fluidleitung in der mikrofluidischen Struktur kommunizierende Druckmesseinrichtung.
8. Verfahren zum Abmessen und/oder Positionieren eines Volumens einer Flüssigkeit in
einem mikrofluidischen System, insbesondere in einem Lab-On-Chip-System, mit einem
auf der Seite seines ersten Endes geschlossenen oder verschließbaren und auf der Seite
seines zweiten Endes über ein Ventil (114) mit wenigstens einer Fluidleitung verbindbaren
Abmesskanal (10, 104, 106, 110), der an seinem ersten Ende einen ersten flüssigkeitsundurchlässigen
und gasdurchlässigen Wandabschnitt (26, 118, 124, 132, 134), der einen Gasanschluss
(27) bereitstellt, und an seinem zweiten Ende ein Abtrennmittel aufweist, wobei zwischen
dem Wandabschnitt (26, 118, 124, 132, 134) und dem Abtrennmittel ein definiertes Volumen
eingeschlossen ist, mit den Schritten:
a) Verbinden des Abmesskanals (10, 104, 106, 110) über das Ventil (114) mit einer
Zuleitung,
b) Befüllen des Abmesskanals (10, 104, 106, 110) bis zu dem ersten Wandabschnitt (26,
118, 124, 132, 134) mit einer Flüssigkeit aus der Zuleitung, indem eine Druckdifferenz
zwischen der Zuleitung und dem Gasanschluss (27) angelegt wird
c) Abtrennen des in dem Abmesskanal zwischen dem Wandabschnitt (26, 118, 124, 132,
134) und dem Abtrennmittel eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumens von einem auf der
Seite seines zweiten Endes vor dem Abtrennmittel anstehenden überschüssigen Flüssigkeitrest.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennmittel als ein zweiter flüssigkeitsundurchlässiger und gasdurchlässiger
Wandabschnitt (28, 122, 130, 132) ausgebildet ist, der einen Gasanschluss (29) bereitstellt,
wobei Schritt c) umfasst:
c') Verbinden des Abmesskanals (10, 106, 110) über das Ventil (114) mit einer ersten
Ableitung,
c") Abtransportieren der zwischen dem Ventil (114) und dem zweiten Wandabschnitt (28,
122, 130, 132) befindlichen überschüssigen Flüssigkeit durch die erste Ableitung,
indem eine Druckdifferenz zwischen dem Gasanschluss (29) des zweiten Wandabschnittes
(28, 122, 130, 132) und der ersten Ableitung angelegt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass Ventil (114) zum wahlweisen Verbinden und/oder Trennen der Fluidleitungen das Abtrennmittel
bildet, wobei Schritt c) umfasst:
c"') Trennen des Abmesskanals (104) von der Zuleitung durch Schließen des Ventils
(114).
11. Verfahren zum Abmessen und/oder Positionieren eines Volumens einer Flüssigkeit in
einem mikrofluidischen System, insbesondere in einem Lab-On-Chip-System, mit einem
auf der Seite seines ersten Endes geschlossenen oder verschließbaren und auf der Seite
seines zweiten Endes über ein Ventil (114) mit wenigstens einer Fluidleitung verbindbaren
Abmesskanal (106), der an seinem ersten Ende einen ersten und an seinem zweiten Ende
einen zweiten flüssigkeitsundurchlässigen und gasdurchlässigen Wandabschnitt (122,
124) aufweist, welche Wandabschnitte jeweils einen Gasanschluss bereitstellen und
zwischen denen in dem Abmesskanal (106) ein definiertes Volumen eingeschlossen ist,
mit dem Sch ritt:
d) Befüllen des Abmesskanals (106) über eine zwischen den Wandabschnitten (122, 124)
in den Abmesskanal (106) mündenden Einfüllöffnung (126) mit einer Flüssigkeit, indem
eine Druckdifferenz zwischen der Einfüllöffnung (126) einerseits und den beiden Gasanschlüssen
andererseits angelegt wird, und anschließendes Verschließen der Einfüllöffnung (126).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis11,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt c) bzw. nach Schritt d) die folgenden Schritte ausgeführt werden:
e) Verbinden des Abmesskanals (10, 106, 110) über das Ventil (114) mit einer zweiten
Ableitung,
f) Abtransportieren der zwischen dem Abtrennmittel und dem ersten Wandabschnitt (26,
118, 124, 132, 134) eingeschlossenen Flüssigkeit durch die zweite Ableitung, indem
eine Druckdifferenz zwischen dem Gasanschluss (27) des ersten Wandabschnitt (26, 118,
124, 132, 134) und der zweiten Ableitung angelegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen durch kontinuierliches Pumpen der Flüssigkeit in den Abmesskanal (10,
104, 106, 110) mittels einer Pumpeinrichtung erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer mit der Zuleitung oder dem Abmesskanal (10, 104, 106, 110) kommunizierenden
Druckmesseinrichtung der Druck in dem System überwacht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung abgestellt wird, wenn ein signifikanter Druckanstieg in der Zuleitung
oder dem Abmesskanal (10, 104, 106, 110) festgestellt wird.