DE102009053285A1

DE102009053285A1 - Mikrofluidischer Multiport-Busstecker

Info

Publication number: DE102009053285A1
Application number: DE102009053285A
Authority: DE
Inventors: Thomas Duttenhofer; Bastian Rapp
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-11-14
Also published as: WO2011057711A1; DE102009053285B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikrofluidischen Multiport-Busstecker. Der erfindungsgemäße mikrofluidische Multiport-Busstecker weist als Kernelement des Systems einen Kompressionskörper auf, der wie eine Verkettung einzelner Federn für die Aufbringung einer ausreichend großen Vorspannung sorgt. Diese Vorspannung ermöglicht durch die Komprimierbarkeit eine homogene Kraftverteilung über alle Anschlussstellen und das Problem der statischen Überbestimmung besteht nicht. Der Multiport-Busstecker ist durch die Kombination eines starren Vollkörpers mit dem Kompressionskörper einerseits mechanisch starr, lässt anderseits jedoch eine Deformation an den Anschlussstellen zu. Ein besonderer Vorteil des mikrofluidischen Multiport-Bussteckers liegt darin, dass eine Vielzahl fluidischer Verbindungen parallel geschlossen bzw. geöffnet werden kann. Dadurch kann zeitgleich eine Vielzahl von fluidischen Zuleitungen mit einem mikrofluidischen System verbunden werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrofluidischen Multiport-Busstecker.
Ein essentieller Bestandteil eines jeden mikrofluidischen Systems ist die Verbindung der mikrofluidischen Systemkomponenten mit der fluidischen Peripherie des Systems. In den meisten Fällen werden durch diese fluidischen Anschlüsse Analyten, sowie Träger- und Spüllösungen in die mikrofluidischen Systemkomponenten überführt. Dabei wird die Flüssigkeit meist durch einen Schlauch, welcher vorzugsweise aus einem chemisch inerten Material wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE, gemeinhin bekannt unter dem Markenname Teflon) gefertigt ist, in das System gefördert. Der Schlauch muss dann in geeigneter Weise mit dem mikrofluidischen System verbunden werden. Es ist zu beachten, dass hierbei häufig nicht nur eine sondern eine Vielzahl von Verbindungen notwendig ist. Vor allem für hochintegrierte mikrofluidische Systeme belaufen sich die Anzahl der an die mikrofluidischen Systemkomponenten anzubringenden Anschlüsse auf bis zu einigen Hundert.
Aus der Literatur ist bereits eine Vielzahl von möglichen Varianten für eine Verbindung eines Schlauches mit einer mikrofluidischen Systemkomponente bekannt. Diese Systeme sind heute mitunter bereits weit verbreitet und werden in einer großen Anzahl von Publikationen und Patenten beschrieben.
Eines der am meisten verwendeten Systeme für die Verbindung eines einzelnen Schlauches mit einer mikrofluidischen Systemkomponente ist ein aus der HPLC (high performance liquid chromatography) bekannte System unter Verwendung eines PTFE Schlauches mit einem thermisch erzeugten Flansch und einer Hohlschraube. Der große Vorteil dieses Systems liegt vor allem darin begründet, dass die Flüssigkeiten, die durch diese fluidische Kopplung geführt werden, lediglich mit dem PTFE Schlauch und dem Material des mikrofluidischen Systems in Berührung kommen. Es sind keine weiteren Dichtelemente notwendig. Nachteilig ist, dass jede fluidische Kopplung einzeln geschlossen und gelöst werden musst. Für ein paralleles Anschließen mehrerer Schläuche ist das parallele Einschrauben einer Vielzahl einzelner Hohlschrauben notwendig.
Aus der Literatur bekannt sind ferner eine Reihe von Systemen, die für die Lösung einzelner fluidischer Verbindungen in Frage kommen. Einige davon sind prinzipiell auf eine Multiport-Lösung übertragbar. Diese Lösungen lassen sich allgemein in folgende Gruppen einteilen.
Eine erste Gruppe umfasst Verbindungssysteme, die zusätzliche Elemente für die Verbindung benötigen. Dies können beispielsweise Stutzen, Aufstecknadeln, Quetschringe oder ähnliches sein. Diese Systeme sind vor allem dann besonders ungeeignet, wenn diese zusätzlichen Elemente aus bestimmten Materialien ausgeführt werden müssen, weil sie beispielsweise als Dichtelemente fungieren. Hierbei ist kritisch, dass diese Elemente stets in direktem Medienkontakt stehen. Die US 4900065 A zeigt zum Beispiel ein Verbindungssystem, dass prinzipiell as Busstecker ausführbar ist. Der Nachteil liegt in der konstruktiven Umsetzung, insbesondere in der Verwendung eines zusätzlichen Verbindungselementes, welches darüber hinaus ein großes zusätzliches Totvolumen im Transferverhalten erzeugt. Das Element ist außerdem nur zum Verbinden flexibler Schläuche geeignet. PTFE als am häufigsten gefordertes Material in der Mikrofluidik scheidet hierbei aus, da es bei Raumtemperatur nur unzureichend deformierbar ist.
Eine Weitere Gruppe greift auf die Verwendung radialer Dichtungen zurück. Diese prinzipiell geeignete Form der Dichtung kommt zwar ohne weitere Dichtelemente aus, nachteilig ist jedoch, dass bedingt durch den notwendigen großen Einpressdruck die Verbindungen nur sehr schwer wieder zerstörungsfrei zu lösen sind. Darüber hinaus ist die Verwendung dieser Systeme für Multiport Anwendungen eingeschränkt, da die Systeme ab zwei gleichzeitig zu verbindenden Elementen mechanisch überbestimmt sind. Die erste Dichtung definiert alle Freiheitsgrade, jede weitere Verbindung kann nur dann mechanisch geschlossen werden, wenn eines der Elemente flexibel ausgeführt wird. Dies schränkt die Systeme in ihrer Verwendung für eine Vielzahl von mikrofluidischen Anwendungen aber erneut stark ein. Beispiele für solche Systeme sind in der US 4834423 A , der US 2009129728 A1 , der WO 2008063070 A1 oder der WO 9833001 A1 offenbart.
Sehr weit verbreitet sind Systeme, bei denen mindestens ein Element geklebt werden muss. Derartige Systeme sind beispielsweise in der DE 10249105 B4 oder WO 2008042482 A2 offenbart. Diese Systeme sind durch die enthaltenen Klebstoffe für Anwendungen in der mikrofluidischen Analytik und in der Synthese ungeeignet, da die Klebstoffe nicht mit den Analyten in Kontakt geraten dürfen.
Systeme mit Dichtelementen, weisen die gleichen Nachteile auf, wobei die Dichtmaterialien in direktem Kontakt mit den durch das System zu fördernden Medien stehen und daher immer eine Quelle für die Veränderung der Proben sind. Bei analytischen Anwendungen oder in der Synthese muss daher oft komplett auf Dichtelement verzichtet werden. Auch diese Systeme unterliegen daher enormen Einschränkungen. Beispiele sind in WO 2008042482 A2 , US 6273478 B1 , US 2002093143 A1 , WO 0052376 A1 , WO 0109598 A1 , WO 0240901 A1 oder in WO 9963260 A1 angegeben.
Neben den, aus der eingangs erwähnten HPLC, bekannten Systemen mit Hohlschrauben, sind eine Reihe weiterer Verbindungssysteme bekannt, die die Anpresskraft durch ein Gewinde erzeugen. Derartige Systeme werden beispielsweise in der US 7182371 B1 , US 7311882 B1 oder US 7553455 B1 offenbart. Diese Lösungen eignen sich allerdings nur für Einzelverbindungen, nicht aber für Multiport-Systeme, da jeder Anschluss separat angeschlossen werden muss.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mikrofluidischen Multiport-Busstecker anzugeben, der die genannten Einschränkungen und Nachteile nicht besitzt und der ein reversibles Verbinden einer Vielzahl von fluidischen Zuleitungen mit einer mikrofluidischen Systemkomponente ermöglicht.
Weiterhin soll diese Vielzahl von Verbindungen ohne Dicht- oder Klebmaterialien hergestellt werden, die mit dem Fluid in Kontakt geraten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung, die jeden Anschluss der Vielzahl von Verbindungen zeitgleich verschließt oder öffnet, wobei eine statische Überbestimmung vermieden werden soll.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen mikrofluidischen Multiport-Busstecker mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Unteransprüche beschreiben die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der erfindungsgemäße mikrofluidische Multiport-Busstecker weist als Kernelement des Systems einen Kompressionskörper auf, der wie eine Verkettung einzelner Federn für die Aufbringung einer ausreichend großen Vorspannung sorgt. Diese Vorspannung ermöglicht durch die Komprimierbarkeit eine homogene Kraftverteilung über alle Anschlussstellen und das Problem der statischen Überbestimmung besteht nicht. Der Multiport-Busstecker ist durch die Kombination eines starren Vollkörpers mit dem Kompressionskörper einerseits mechanisch starr, lässt anderseits jedoch eine Deformation an den Anschlussstellen zu.
Ein besonderer Vorteil des mikrofluidischen Multiport-Bussteckers liegt darin, dass eine Vielzahl fluidischer Verbindungen parallel geschlossen bzw. geöffnet werden kann. Dadurch kann zeitgleich eine Vielzahl von fluidischen Zuleitungen mit einem mikrofluidischen System verbunden werden. Der Anwender muss dann lediglich integral die Verbindung zwischen dem gesamten Bussteckers und der mikrofluidischen Systemkomponente herstellen. Durch Verbinden des Bussteckers mit der mikrofluidischen Systemkomponente wird die Vielzahl einzelner fluidischer Verbindungen integral geschlossen und jede einzelne Verbindung hergestellt. Auf gleiche Weise kann durch Abtrennen des Bussteckers von der mikrofluidischen Systemkomponente die Vielzahl der einzelnen fluidischen Verbindungen zeitgleich gelöst werden.
Der Kompressionskörper ist in dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Multiport-Busstecker derart angeordnet, dass ein Kontakt mit dem zu analysierenden Fluid ausgeschlossen ist. Dies ist für einen Einsatz des Systems in der Analytik eine strikte Notwendigkeit, verringert die Anzahl notwendiger Teile und macht das System einfacher und kostengünstiger in der Herstellung.
Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass die beschriebene Ausführung des Kompressionskörpers die Skalierbarkeit des Systems ermöglicht. Eine Vielzahl von Verbindungen gleichzeitig zu schließen impliziert, dass eine einmal geschlossene Verbindung die Schließung einer weiteren Verbindung nicht behindert. Das Kompressionselement erzeugt die für die fluidische Kopplung notwendige Vorspannung über eine große Fläche, unabhängig davon, wie viele fluidische Verbindungen über diese Fläche verteilt sind. Das System skaliert somit die Anzahl zu schließender Verbindungen allein über seine Baugröße und die maximal auf das System aufzubringende Kraft, die benötigt wird, um das Kompressionselement zu komprimieren.
Neben der Verbindung von Busstecker zu mikrofluidischen Systemkomponenten erlaubt das System in vorteilhafter Weise die Verbindung von einzelnen Bussteckern untereinander.
Die vorliegende Erfindung weist insbesondere die im Folgenden aufgeführten Vorteile auf.
Hinsichtlich der verwendbaren Materialien, die üblicherweise in der Mikrofluidik ihre Anwendung finden, unterliegt der erfindungsgemäße Multiport-Busstecker keinen Einschränkungen, was einen weiteren Vorteil darstellt. Die Vorrichtung kann mit den gebräuchlichen Materialsystemen aus Glas, Metall, Polymeren oder Keramiken betrieben werden.
Das System setzt an bekannten und etablierten Verbindungsstandards an. Das System sollte daher eine schnelle Akzeptanz bei den Anwendern erzielen, da keine aufwendigen zusätzlichen Geräte oder Vorrichtungen notwendig sind.
Das System bringt nur die Oberflächen des mikrofluidischen Systems in Kontakt mit den durch das System zu fördernden Flüssigkeiten. Insbesondere sind keine Dichtmaterialien oder ähnliches notwendig, die Proben kontaminieren und das System damit unbrauchbar für eine Vielzahl von Anwendungen machen.
Das System ist nahezu beliebig auf die Anzahl der Verbindungen skalierbar und erfordert keine besondere Fertigungstechnik, der Körper des Bussteckers sowie das Kompressionselement sind einfach zu fertigende Komponenten und daher geeignet für den Massenmarkt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch das Prinzip der Erfindung.
In 2 ist ein mechanisches Ersatzmodell des Kompressionskörpers dargestellt. 3 enthält eine schematische Darstellung einer Ausführform der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, ist ein starrer Volumenkörper 1 mit einem Kompressionselement 2 verbunden. In einer bevorzugten Ausführform, wird das Kompressionselement 2 durch Federelemente 21 gebildet. Dabei wurde die Anschlussstelle 3 so ausgeführt, dass die bisher als starr gehaltenen Anschlussstellen durch flexible Elemente ersetzt werden. Das in der 1 gezeigte Prinzip der Erfindung umfasst fluidische Zuleitungen 4, z. B. als PTFE Schläuche ausgeführt, die mit Flanschen 5 versehen sind. Die Vorspannung auf die Flansche 5 der PTFE Schläuche 4 erfolgt in der gezeigten Ausführform nicht mehr durch einen Festkörper sondern durch ein Federelement 21. Dieses Federelement 21 kann nach Vollkontakt des Flansches 5 mit dem mikrofluidischen System 6 weiter komprimiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die verbleibenden Anschlussstellen 3 soweit zu komprimieren, dass sie einen Formschluss mit der mikrofluidischen Systemkomponente 6 aufbauen. Der notwendige Kraftaufwand zum fluidisch dichten Verschließen der mikrofluidischen Systemkomponente 6 wird auf diese Weise minimiert.
In 2 ist das mechanische Ersatzmodell des Kompressionskörpers 2 dargestellt. Das Federelement 21 mit der Federkonstante c_weich wird dabei gemäß der Konstruktion mit dem Volumenkörper 1 mit dem Element mit der Federkonstante c_starr 11, in Reihe geschaltet. Wird eine solche in Reihe geschaltete Federkette 11,21 mit einer Kraft beaufschlagt, so wird zunächst die weichere Feder 21 komprimiert. Dabei wird die ursprüngliche Höhe der weichen Feder 21 von h_weich,0 auf h_weich,1 reduziert, wogegen die ursprüngliche Höhe des starren Elements 11 h_starr,0 als h_starr,1 nahezu unverändert erhalten bleibt. Auf diese Weise ist ein Ausgleich der ursprünglichen Höhe von mehreren einzelnen Federelementen mit den Höhen h_weich,0 bis h_weich,i möglich. Die zusätzlich eingebrachte Kraft schließt die fluidischen Dichtungen zunächst der Reihe nach, gemäß ihrer ursprünglichen Höhe. Sobald alle Federelemente geschlossen wurden und die einzelnen weichen Federn auf die maximale Kompression verringert wurden, erfolgt die Krafteinleitung nahezu homogen über die gesamte Anzahl der einzelnen Schlusselemente.
In 3 ist der prinzipielle schematische Aufbau einer Ausführform des Kompressionskörpers 2 mit einer angeschlossenen mikrofluidischen Systemkomponente 6 gezeigt. Die 3 zeigt eine mikrofluidische Systemkomponente 6 mit einer mikrofluidischen Kanalstruktur 7, die paarweise zwei Zuleitungen 4 miteinander verbindet. Ein Trägerelement 8 weist geeignete Bohrungen 9 zur Aufnahme von Schrauben 10 auf. Die Schrauben 10 erzeugen die notwendige Kraft, um das Kompressionselement 2 zu komprimieren und folglich die fluidische Dichtung zu verschließen. Dadurch werden die fluidischen Zuleitungen 4 mit den in der Figur nicht gezeigten Flanschen fluidisch dicht mit der mikrofluidischen Systemkomponente 6 verbunden.
Im Hinblick auf die Anwendung in der Mikrofluidik liegt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Multiport-Bussteckers in der begrenzten Anzahl von Komponenten. Deshalb wird in der bevorzugten Ausführform ein kompressibler Volumenkörper eingesetzt. Dieser besteht vorzugsweise aus einem komprimierbaren thermoplastischen Kunststoff, einem geschäumten Verbundwerkstoff oder vergleichbaren kompressiblem Materialien.
Bezugszeichenliste

1: Volumenkörper
2: Kompressionskörper
3: mikrofluidische Anschlussstelle
4: fluidische Zuleitung
5: Flansch
6: mikrofluidische Systemkomponente
7: mikrofluidische Kanalstruktur
8: Trägerelement
9: Bohrung
10: Schraube
11: starres Element
21: Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4900065 A [0006]
US 4834423 A [0007]
US 2009129728 A1 [0007]
WO 2008063070 A1 [0007]
WO 9833001 A1 [0007]
DE 10249105 B4 [0008]
WO 2008042482 A2 [0008, 0009]
US 6273478 B1 [0009]
US 2002093143 A1 [0009]
WO 0052376 A1 [0009]
WO 0109598 A1 [0009]
WO 0240901 A1 [0009]
WO 9963260 A1 [0009]
US 7182371 B1 [0010]
US 7311882 B1 [0010]
US 7553455 B1 [0010]

Claims

Mikrofluidischer Multiport-Busstecker umfassend – ein mikrofluidisches System mit einer Vielzahl von fluidischen Einlassöffnungen – eine Vielzahl von fluidischen Zuleitungen mit flanschförmigen Austrittsenden – eine Trägerkomponente zur parallelen Aufnahme der Austrittsenden korrespondierend zu den fluidischen Einlassöffnungen – Anpressmittel für die Trägerkomponente auf das mikrofluidische System dadurch gekennzeichnet, dass, die Trägerkomponente je Aufnahme mindestens ein auf den Flansch einwirkendes Kompressionselement aufweist.
Mikrofluidischer Multiport-Busstecker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kompressionselemente mindestens zwei hintereinander geschaltete Elemente umfassen, wobei eines der Elemente die Trägerkomponente umfasst und mindestens ein weiteres Element eine höhere elastische Kompressibilität als die Trägerkomponente aufweist.
Mikrofluidischer Multiport-Busstecker nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die Vielzahl der fluidischen Verbindungselemente mit den Kompressionselementen derart ausgestaltet ist, dass kein direkter Kontakt zwischen einem zu analysierendem Fluid und den Kompressionselementen besteht.
Mikrofluidischer Multiport-Busstecker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kompressionselemente aus einem komprimierbaren Kunststoff bestehen.
Mikrofluidischer Multiport-Busstecker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kompressionselemente aus einem geschäumten Verbundwerkstoff bestehen.
Mikrofluidischer Multiport-Busstecker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die Kompressionselemente in Form von Federn ausgeführt sind.