DE102007037788B4

DE102007037788B4 - Vorrichtung zum Ankoppeln von Leitungen an einen mikrofluidischen Chip

Info

Publication number: DE102007037788B4
Application number: DE200710037788
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Pd Franzke; Peter Dr. Jacob; Jonathan Dr. West
Original assignee: LEIBNIZ INST fur ANALYTISCHE; Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2027-08-11
Also published as: DE102007037788A1

Abstract

Vorrichtung zum Ankoppeln von Leitungen an einen mikrofluidischen Chip mit einem hülsenförmigen Kopplungselement, welches mit einer Leitung verbunden ist und mit seinem freien Endbereich am mikrofluidischen Chip befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Kopplungselement (5) aus einem ferromagnetischen Material besteht und wenigstens ein auf der dem Kopplungselement (5) abgewandten Seite des mikrofluidischen Chips (1) anordbares Halteelement (6) aus einem ferromagnetischen Material vorgesehen ist, wobei das Kopplungselement (5) und/oder das Halteelement (6) permanentmagnetische Eigenschaften aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ankoppeln von Leitungen an einen mikrofluidischen Chip mit einem hülsenförmigen Kopplungselement, welches mit einer Leitung verbunden ist und mit seinem freien Endbereich am mikrofluidischen Chip befestigbar ist.
Bei der Miniaturisierung von Geräten zur Bestimmung von Stoffdaten sind die sogenannten ”Chip-to-the-world”-Verbindungen Schnittstellen (Anschlüsse) zwischen dem Analyten (Probenmaterial) in der Makro-Welt und dem mikrofluidischen Analysesystem (μ-TAS). Neben Proben müssen oftmals auch Lösungen von Puffern und Reagenzien zu- und Reaktanten wieder abgeführt werden. Wegen des hohen Fließwiderstandes dieser Flüssigkeiten in den klein dimensionierten Chipstrukturen ist oftmals eine erhebliche Druckstabilität der Anschlüsse erforderlich. Wünschenswert ist generell eine einerseits stabile, andererseits variable und reversible Anordnung der Anschlüsse. Dies gilt prinzipiell auch für die elektrische Versorgung und die Kopplung mit Detektoren.
Die fluidische Kopplung wird in der Regel dadurch erreicht, dass mittels einer Chiphalterung Anschlüsse auf dem mikrofluidischen Chip mit geeigneten Adaptern fixiert werden. Die Druckstabilität wird dabei durch Schrauben oder Federn gewährleistet.
Eine deutlich flexiblere weitgehend etablierte kommerzielle Kopplungsmethode bieten sogenannte Nanoports. Dabei handelt es sich um gattungsgemäße Vorrichtungen in Form von Anschlüssen, die über selbstklebende Ringe auf dem Mikrochip haften und mittels druckstabiler Standardschlauchverbinder eine Flüssigkeitszufuhr ermöglichen. Solche Nanoports sind z. B. in der Druckschrift US 6,974,978 B2 beschrieben. Nachteilig bei diesen Nanoports sind jedoch die relativ hohen Kosten und insbesondere die Tatsache, dass diese aufgrund der Klebeverbindung mit dem Chip nicht oder nur auf äußerst umständliche Weise wieder verwendet werden können.
Des Weiteren sind zahlreiche andere Lösungen bekannt, bei denen die Anschlüsse auf Chips mechanisch fixiert (gesteckt, verschraubt), verklebt oder mit Kunststoff gegossen werden. Beispiele für solche Lösungen sind in DE 10 2005 000 799 A1 , DE 102 13 272 A1 , DE 602 01 580 T2 , der Druckschrift: ”Naga S. Korivi [u. a.]: A Generic Chip-to-World Interconnect System for Microfluide Devices. In: System Theory, 2007, S. 176–180” und in WO 2004065288 A1 beschrieben. Diese bekannten Lösungen sind mehr oder weniger aufwendig und ermöglichen das Ankoppeln von Leitungen in erster Linie auf nicht reversible Weise.
Hochspannungselektroden für elektrokinetische Aufgaben können als Metallfilme (gesputtert) auf dem Chip integriert sein oder als Platindrähte von außen zugeführt werden. In jedem Falle muss dabei gewährleistet sein, dass im System keine Gasblasen gebildet werden bzw. dass diese daraus entweichen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, mit der Leitungen beliebiger Art auf möglichst einfache, variable und wieder verwendbare Weise an einen mikrofluidischen Chip angekoppelt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das hülsenförmige Kopplungselement aus einem ferromagnetischen Material besteht und wenigstens ein auf der dem Kopplungselement abgewandten Seite des mikrofluidischen Chips anordbares Halteelement aus einem ferromagnetischen Material vorgesehen ist, wobei das Kopplungselement und/oder das Halteelement permanentmagnetische Eigenschaften aufweisen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt somit einzig die Kraft permanenter Magnete (selbstverständlich mit geeignet hoher Magnetisierung) zur Kopplung von mikrofluidischen Chips mit peripheren fluidischen, elektrischen und/oder optischen Systemen. Dabei können grundsätzlich an beiden Seiten des Chips Magnete vorgesehen sein, d. h. in diesem Falle besteht sowohl das hülsenförmige Kopplungselement als auch das Halteelement aus einem Permanentmagneten. Alternativ kann auch nur das Halteelement oder das Kopplungselement als Permanentmagnet ausgebildet sein und das andere Element ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. So kann z. B. das Halteelement als Eisenplatte ausgebildet sein oder ein ferromagnetisches Funktionselement (z. B. Halterung) sein.
Für eine optimale Handhabung der magnetischen Verbindungselemente werden zuerst Magnete auf ein Eisenblech geheftet, und zwar derart orientiert, dass der Magnet auf der anderen Seite des Chips angezogen wird. Dieser ist durch die Anbringung der Leitung in seiner Polarität festgelegt. Der untere Magnet ist mittig gekennzeichnet, wodurch die Öffnung im Chip leicht positioniert werden kann. Der obere Magnet wird dann automatisch im Magnetfeld ausgerichtet. Der minimale Abstand der Anschlüsse ist, falls nicht bei der Herstellung schon mehrere Öffnungen pro Magnet vorgesehen sind, durch die Durchmesser der direkt nebeneinander liegenden Magnete bestimmt.
Durch die Ausbildung der Vorrichtung werden gegenüber der Lösungen nach dem Stand der Technik die Kanäle von nicht dauerhaft gebondeten Chips durch den Druck der Magneten besser abgedichtet. Des Weiteren ist eine flexible und variable Anordnung der fluidischen, elektrischen und/oder optischen Kopplungselemente möglich, die Vorrichtung kann wieder verwendet werden und stellt eine preiswerte Alternative zu kommerziellen Kopplungssystemen (z. B. Nanoports) dar. Die Vorrichtung ist unabhängig vom Klebeverhalten der Chipoberfläche, eine Selbstpositionierung der Anschlusselemente auf der Chipoberfläche ist gewährleistet. Allerdings ist abhängig von der Stärke des Magnetfeldes der Anschlusselemente die Einsetzbarkeit der Vorrichtung begrenzt, da das Magnetfeld exponentiell mit der Dicke des Chips abnimmt. Bei einem zu gewährleistenden Druck von beispielsweise 100 kPa liegt die maximale Chipdicke bei etwa 4 bis 5 mm.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kopplungselement und/oder das Halteelement aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) besteht. Derartige aus Neodym, Eisen und Bor, z. B. in der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B bestehende Permanentmagnete sind für andere Anwendungen grundsätzlich bekannt. Sie besitzen herausragende Eigenschaften als Dauermagneten und werden bevorzugt dort eingesetzt, wo starke Magnetfelder bei kleinem Volumen benötigt werden.
Um zuverlässig dichte Anschlüsse zu realisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass das freie Ende des Kopplungselementes mit einer Dichtung, vorzugsweise aus PDMS (Polydimethylsiloxan), versehen ist. So kann beispielsweise auf das magnetische Kopplungselement auf der Anschlussseite ein Tropfen PDMS (im Verhältnis 1:10) aufgebracht werden, welches im Trockenschrank bei ca. 70°C über eine Stunde polymerisiert wird. Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige Dichtung gewährleisten und gleichzeitig ein Kontakt von Elektrolyten mit der Magnetbeschichtung vermeiden.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass mehrere benachbart zueinander angeordnete Kopplungselemente in einen Kopplungsblock integriert sind. Eine solche Lösung ist vorzugsweise dann besonders gut geeignet, wenn Standard-Chips mit vorgegebenen Anschlussöffnungen verwendet werden. Es muss dann lediglich der komplette Kopplungsblock aufgesetzt werden und an jeden Anschluss ist dann automatisch ein Kopplungselement angekoppelt.
Vorzugsweise ist das hülsenförmige Kopplungselement und/oder das Halteelement goldbeschichtet. Durch diese chemisch inerte Beschichtung ist eine Beeinträchtigung der Elemente durch äußere Einflüsse zuverlässig ausgeschlossen, beispielsweise durch Elektrolyte.
Zusätzlich zur Kopplungsfunktion können auch scheibenförmige Magnete eingesetzt werden, welche eine nicht benötigte Öffnung im mikrofluidischen Chip nach außen dicht verschließen. Des Weiteren kann ein hülsenförmiges Kopplungselement ohne mit diesem verbundenen Schlauch auch als Flüssigkeitsreservoir verwendet werden. Außerdem können die Kopplungselemente auch als Schlauchverbinder dienen, wenn zwei schlauchförmige Leitungen jeweils endseitig mit einem hülsenförmigen Kopplungselement ausgerüstet sind. Bei geeigneter Befestigung der Schlauchleitungen am hülsenförmigen Kopplungselement ist es möglich, eine Zu- und Ableitung von Flüssigkeiten unter erhöhtem Druck von bis über 300 kPa zu erreichen. Dazu lassen sich NdFeB-Magnete in eine Form mit Standardschlauchanschlüssen (z. B. Luer- oder Schraubanschlüsse) sintern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Anschließen einer Fluidleitung. Bei dieser Ausführungsform ist die Leitung dann als Fluidleitung ausgebildet. Zur dichten Verbindung der Fluidleitung mit dem Kopplungselement kann das Ende der Fluidleitung durch Bördeln, Stecken, Quetschen und/oder Eingießen (vorzugsweise Kunststoff) mit dem Kopplungselement verbunden sein.
Die Vorrichtung eignet sich auch zum Ankoppeln von elektrischen Leitungen. Die elektrische Leitung ist dann endseitig z. B. mit einer in das Kopplungselement eingesetzten Elektrode oder mit einem Kontaktplättchen verbunden. Das Kontaktplättchen kann beispielsweise ringförmig sein und haftet am hülsenförmigen Kopplungselement und wird dadurch am Chip fixiert. Das Kopplungselement kann gleichzeitig auch noch mit einer Fluidleitung verbunden sein.
Die elektrische Leitung kann z. B. zu einer Hochspannungsquelle oder zu peripheren Messgeräten führen.
Weiterhin kann die Leitung auch eine optische Leitung (z. B. Glasfaser) sein, über welche z. B. Detektoren an dem Chip anschließbar sind.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt jeweils in schematischer Darstellung in
1 bis 4 verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ankoppeln von Fluidleitungen an einen mikrofluidischen Chip,
5 und 6 zwei verschiedene Ausführungen zum Ankoppeln von elektrischen Leitungen und in
7 eine Ausführungsform zum Aneinanderkoppeln von zwei Schlauchleitungen.
In den 1 bis 3 ist mit 1 ein mikrofluidischer Chip bezeichnet, welcher wenigstens eine Eintrittsöffnung 2 für ein z. B. zu analysierendes Fluid 3 aufweist. Dieses Fluid 3 wird über eine Fluidleitung 4, vorzugsweise eine Schlauchleitung, zugeführt.
Zum Ankoppeln einer solchen Fluidleitung 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen, welche bei den Ausführungsformen nach 1 bis 3 ein hülsenförmiges Kopplungselement 5 sowie ein scheibenförmiges Halteelement 6 aufweist. Dabei bestehen sowohl das hülsenförmige Kopplungs element 5 als auch das scheibenförmige Halteelement 6 aus einem Permanentmagneten aus NdFeB. Alternativ kann auch nur das Kopplungselement 5 oder das Halteeleement 6 magnetisch sein, das andere Element besteht dann aus einem ferromagnetischen Material. Zwischen der Oberfläche des Chips 1 und dem Kopplungselement 5 ist vorzugsweise eine Dichtung 9 angeordnet.
Die Fluidleitung 4 ist dicht und fest mit ihrem Ende mit dem hülsenförmigen Kopplungselement 5 verbunden. Beim Ausführungsbeispiel nach 1 ist dazu der freie Endbereich gebördelt ausgebildet, dieser gebördelte Rand ist mit 4a bezeichnet.
Bei der Ausführungsform nach 2 ist eine Quetsch-Steck-Verbindung gewählt. Dazu weist die Schlauchleitung 4 einen konusförmigen Bereich 4b auf, welcher in das hülsenförmige Kopplungselement 5 eingesteckt ist.
Bei der Ausführungsform nach 3 ist das Ende der Fluidleitung 4 in das hülsenförmige Kopplungselement 5 eingegossen, die Vergussmasse ist mit 7 bezeichnet. Sie kann z. B. aus einem geeigneten Kunststoffmaterial bestehen.
Zur lösbaren Befestigung der Vorrichtung am mikrofluidischen Chip 1 wird zunächst das scheibenförmige Halteelement 6 unterhalb der Öffnung 2 auf der dem Kopplungselement 5 abgewandten Seite des Mikrochips 1 angeordnet und kann dort gewünschtenfalls dauerhaft beteiligt werden (z. B. durch Verkleben). Anschließend wird das Kopplungselement 5 mit der Leitung 4 auf den Öffnungsrand aufgesetzt und ist dort aufgrund des Magnetfeldes fest und druckdicht gehalten.
Vorzugsweise ist sowohl das hülsenförmige Kopplungselement 5 als auch das scheibenförmige Halteelement 6 außenseitig mit einer Goldbeschichtung versehen. Des Weiteren ist bevorzugt zwischen der Oberfläche des Chips 1 und dem hülsenförmigen Kopplungselement 5 eine Dichtung vorgesehen, beispielsweise aus PDMS, wenn der Chip 1 aus einem herkömmlichen Material besteht, wie Glas oder Kunststoff.
Bei der Ausführungsform nach 4 ist beispielhaft ein Chip 1 gezeigt, der drei Öffnungen 2 aufweist. Unterhalb jeder Öffnung 2 ist wiederum jeweils ein scheibenförmiges Halteelement 6 angeordnet, welches als Permanentmagnet ausgebildet ist. An der Oberseite des Chips 1 sind drei unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten gezeigt. Rechts ist ein hülsenförmiges Kopplungselement 5 mit einer Fluidleitung 4 angekoppelt, wie dies in den 1 bis 3 dargestellt ist. An die mittlere Öffnung 2 ist demgegenüber nur ein hülsenförmiges Kopplungselement 5 angeschlossen, das nicht mit einer Leitung verbunden ist. Dieses hülsenförmige Kopplungselement 5 ist dann z. B. als Fluidreservoir 8 geeignet.
Die linke Öffnung ist beim Ausführungsbeispiel nach 4 verschlossen, d. h. nicht benutzt. Als Verschluss ist auf einfache Weise ein scheibenförmiges Halteelement 6 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 9 vorgesehen.
In den 5 und 6 sind zwei Beispiele für eine Ankopplung einer elektrischen Leitung an einen nicht dargestellten Chip mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Bei der Ausführungsform nach 5 ist in ein hülsenförmiges Kopplungselement 5 eine Elektrode 10 eingesteckt, welche am rückseitigen Ende mit einer elektrischen Leitung 11 verbunden ist, die zu einem nicht dargestellten Gerät führt. Dieses so ausgerüstete hülsenförmige Kopplungselement 5 wird anschließend in gleicher Weise am Chip angeordnet und befestigt, wie dies in den 1 bis 4 dargestellt ist, d. h. einfach auf die Chip-Oberfläche aufgesetzt und aufgrund des Magnetfeldes über ein gegenüberliegend angeordnetes Halteelement 6 befestigt.
Bei der Ausführungsform nach 6 ist die beispielsweise zu einer Hochspannungsquelle führende elektrische Leitung 11 endseitig mit einem scheibenförmigen Kontaktplättchen 12 verbunden, welches magnetisch an das hülsenförmige Kopplungselement 5 aus einem permanentmagnetischen Material angekoppelt ist und so in der vorbeschriebenen Weise mit dem Chip verbunden werden kann.
7 zeigt, dass die hülsenförmigen Kopplungselemente 5 auch zum Verbinden bzw. Aneinanderkoppeln von zwei Fluidleitungen geeignet sind, dazu werden die beiden hülsenförmigen Elemente 5 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 9 einfach aneinander gesteckt und sind aufgrund des Magnetfeldes miteinander verbunden.

Claims

Vorrichtung zum Ankoppeln von Leitungen an einen mikrofluidischen Chip mit einem hülsenförmigen Kopplungselement, welches mit einer Leitung verbunden ist und mit seinem freien Endbereich am mikrofluidischen Chip befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Kopplungselement (5) aus einem ferromagnetischen Material besteht und wenigstens ein auf der dem Kopplungselement (5) abgewandten Seite des mikrofluidischen Chips (1) anordbares Halteelement (6) aus einem ferromagnetischen Material vorgesehen ist, wobei das Kopplungselement (5) und/oder das Halteelement (6) permanentmagnetische Eigenschaften aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (5) und/oder das Halteelement (6) aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Kopplungselementes (5) mit einer Dichtung (9), vorzugsweise aus Polydimethylsiloxan, versehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere benachbart zueinander angeordnete Kopplungselemente (5) in einen Kopplungsblock integriert sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Kopplungselement (5) und/oder das Halteelement (6) goldbeschichtet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung eine Fluidleitung (4) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Fluidleitung (4) durch Bördeln, Stecken, Quetschen und/oder Eingießen mit dem Kopplungselement (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung eine elektrische Leitung (11) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (11) endseitig mit einer in das Kopplungselement (5) eingesetzten Elektrode (10) oder mit einem Kontaktplättchen (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung eine optische Leitung ist.