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DE102023200991A1 - Microfluidic device and method for its manufacture - Google Patents

Microfluidic device and method for its manufacture Download PDF

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DE102023200991A1
DE102023200991A1 DE102023200991.9A DE102023200991A DE102023200991A1 DE 102023200991 A1 DE102023200991 A1 DE 102023200991A1 DE 102023200991 A DE102023200991 A DE 102023200991A DE 102023200991 A1 DE102023200991 A1 DE 102023200991A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
adhesive
microarray
array chamber
microfluidic device
space
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023200991.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Anja Lippert
Aaron Doerr
Julian Kassel
Ronny Leonhardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102023200991.9A priority Critical patent/DE102023200991A1/en
Publication of DE102023200991A1 publication Critical patent/DE102023200991A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
    • B81C3/001—Bonding of two components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/05—Microfluidics
    • B81B2201/058—Microfluidics not provided for in B81B2201/051 - B81B2201/054

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung (30), aufweisend mindestens ein Mikroarray (21), das so in einer Arraykammer (20) angeordnet ist, dass sich zwischen dem Mikroarray (21) und Seitenwänden der Arraykammer (20) ein Raum (22) befindet. Der Raum (22) enthält einen Klebstoff (42), dessen dynamische Viskosität bei der Verarbeitung im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas liegt. In einem Verfahren zur Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt ein Bereitstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung (30) mit mindestens einer Arraykammer (20), ein Befestigen (12) eines Mikroarrays (21) in der Arraykammer (20) mittels eines ersten Klebstoffs (41), der zwischen einer Unterseite des Mikroarrays (21) und einem Boden der Arraykammer (20) angeordnet wird, wobei das Mikroarray (21) so angeordnet wird, dass zwischen jeder Seitenwand der Arraykammer (20) und dem Mikroarray (21) ein Raum (22) freibleibt, und ein Befüllen (14) des Raums (22) mit einem zweiten Klebstoff (42), dessen dynamische Viskosität im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas liegt.The invention relates to a microfluidic device (30) having at least one microarray (21) which is arranged in an array chamber (20) such that a space (22) is located between the microarray (21) and side walls of the array chamber (20). The space (22) contains an adhesive (42) whose dynamic viscosity during processing is in the range of 2 Pas to 20 Pas. In a method for producing the microfluidic device, a microfluidic device (30) with at least one array chamber (20) is provided, a microarray (21) is attached (12) in the array chamber (20) by means of a first adhesive (41) which is arranged between an underside of the microarray (21) and a bottom of the array chamber (20), wherein the microarray (21) is arranged such that a space (22) remains free between each side wall of the array chamber (20) and the microarray (21), and the space (22) is filled (14) with a second adhesive (42) whose dynamic viscosity is in the range from 2 Pas to 20 Pas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung.The present invention relates to a microfluidic device. Furthermore, the present invention relates to a method for producing the microfluidic device.

Stand der TechnikState of the art

Mikrofluidische Vorrichtungen für medizinische und mikrobiologische Analysen können beispielsweise als Einwegkartuschen ausgeführt sein. Zur Durchführung einer Amplifikationsreaktion, wie beispielsweise einer isothermalen Amplifikationsreaktion, weisen sie ein Mikroarray aus, das in einer Arraykammer angeordnet ist. Aus fertigungstechnischen Gründen muss zwischen dem Mikroarray und den Wänden der Arraykammer ein Mindestabstand eingehalten werden. Dieser erhöht jedoch das Totvolumen der Arraykammer, welches von der nur begrenzt vorhandenen Reaktionsflüssigkeit aufgefüllt werden muss. Wenn eine Versiegelung eines Inhalts von Kavitäten des Mikroarrays mittels eines Öls erfolgen soll, wird außerdem ein erhöhtes Ölvolumen benötigt, da das Öl teilweise den Raum zwischen dem Mikroarray und den Innenwänden der Arraykammer auffüllt.Microfluidic devices for medical and microbiological analyses can be designed as disposable cartridges, for example. To carry out an amplification reaction, such as an isothermal amplification reaction, they have a microarray arranged in an array chamber. For manufacturing reasons, a minimum distance must be maintained between the microarray and the walls of the array chamber. However, this increases the dead volume of the array chamber, which must be filled by the limited amount of reaction liquid available. If the contents of the microarray cavities are to be sealed using oil, an increased volume of oil is also required, as the oil partially fills the space between the microarray and the inner walls of the array chamber.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die mikrofluidische Vorrichtung weist mindestens ein Mikroarray auf. Unter einem Mikroarray wird insbesondere ein Array verstanden, welches 100 bis 1.000.000 Kavitäten aufweist. Das Volumen der Kavitäten liegt insbesondere im Bereich von 1 pl (Picoliter) bis 1 µl (Mikroliter). Jede Kavität weist insbesondere ein Durchmesser im Bereich von 5 µm bis 200 µm auf. Das Mikroarray kann beispielsweise aus Silizium bestehen. Insbesondere ist es quadratisch.The microfluidic device has at least one microarray. A microarray is understood to be an array that has 100 to 1,000,000 cavities. The volume of the cavities is in particular in the range from 1 pl (picoliter) to 1 µl (microliter). Each cavity has in particular a diameter in the range from 5 µm to 200 µm. The microarray can be made of silicon, for example. In particular, it is square.

Das Mikroarray ist so in einer Arraykammer angeordnet, dass sich zwischen dem Mikroarray und Seitenwänden der Arraykammer ein Raum befindet. Insbesondere ist das Mikroarray in der Arraykammer zentriert, sodass die Abstände zwischen jeder Seitenwand der Arraykammer und dem Array jeweils gleich sind. Der Raum enthält einen ausgehärteten Klebstoff dessen dynamische Viskosität, die insbesondere als Scherviskosität gemessen werden kann, bei der Verarbeitung im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas liegt. Mit anderen Worten weist der Klebstoff eine solche dynamische Viskosität vor Beginn der Aushärtung auf. Bevorzugt liegt die dynamische Viskosität im Bereich von 3 Pas bis 12 Pas. Durch die Anordnung des Klebstoffs in dem Raum wird das Totvolumen der Arraykammer verringert, sodass ein Betrieb der mikrofluidischen Vorrichtung auch mit niedrigen Probenvolumina möglich ist. Dabei gewährleistet die Viskosität des Klebstoffs, dass es zu keiner unerwünschten Wanderung von Klebstoffmasse auf eine Oberseite des Mikroarrays während der Herstellung kommt.. Im ausgehärteten Zustand steigt die Viskosität des Klebstoffs. Dennoch bleibt er insbesondere ausreichend elastisch, um Rissbildung und ein Abschälen und Ablösen des Klebstoffs vom Mikroarray zu verhindern. Wenn die mikrofluidische Vorrichtung bei ihrer Herstellung gebogen wird, bleibt also gewährleitstet, dass das Mikroarray nicht durch den Klebstoff gequetscht wird und dabei bricht.The microarray is arranged in an array chamber such that there is a space between the microarray and side walls of the array chamber. In particular, the microarray is centered in the array chamber so that the distances between each side wall of the array chamber and the array are the same. The space contains a cured adhesive whose dynamic viscosity, which can be measured in particular as shear viscosity, is in the range of 2 Pas to 20 Pas during processing. In other words, the adhesive has such a dynamic viscosity before curing begins. Preferably, the dynamic viscosity is in the range of 3 Pas to 12 Pas. By arranging the adhesive in the space, the dead volume of the array chamber is reduced, so that operation of the microfluidic device is also possible with low sample volumes. The viscosity of the adhesive ensures that there is no unwanted migration of adhesive mass to an upper side of the microarray during production. In the cured state, the viscosity of the adhesive increases. However, it remains sufficiently elastic to prevent cracking and peeling and detachment of the adhesive from the microarray. This ensures that if the microfluidic device is bent during manufacture, the microarray will not be crushed by the adhesive and break.

Der Klebstoff ist vorzugsweise ein Acrylatklebstoff oder ein Epoxidklebstoff. Solche Klebstoffe weisen eine hohe Adhäsion und eine geringe Schrumpfungswirkung auf, so dass das Mikroarray mittels des Klebstoffs genau positioniert werden kann.The adhesive is preferably an acrylic adhesive or an epoxy adhesive. Such adhesives have a high adhesion and a low shrinkage effect, so that the microarray can be precisely positioned by means of the adhesive.

Der Klebstoff ist bevorzugt lichtaushärtend, besonders bevorzugt UV-aushärtend. Weiterhin kann er insbesondere als Zweikomponentenklebstoff ausgeführt sein. Diese Ausführungen des Klebstoffs haben den Vorteil, dass ein lösungsmittelfreier Klebstoff verwendet werden kann. Dadurch wird verhindert, dass im Betrieb der mikrofluidischen Vorrichtung Lösungsmittelrückstände aus dem Klebstoff austreten und eine zu untersuchende Probe auf dem Mikroarray verunreinigen könnten.The adhesive is preferably light-curing, particularly preferably UV-curing. Furthermore, it can be designed as a two-component adhesive. These versions of the adhesive have the advantage that a solvent-free adhesive can be used. This prevents solvent residues from escaping from the adhesive during operation of the microfluidic device and contaminating a sample to be examined on the microarray.

Wenn die mikrofluidische Vorrichtung zur Untersuchung biologischer Proben verwendet werden soll, ist es weiterhin bevorzugt, dass der Klebstoff die Anforderungen der Norm DIN EN ISO 10993 erfüllt.If the microfluidic device is to be used to examine biological samples, it is further preferred that the adhesive meets the requirements of DIN EN ISO 10993.

Ein Volumenanteil des Raums, der mit dem Klebstoff gefüllt ist, liegt vorzugsweise im Bereich von 50 % bis 100 %, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 70 % und 100 % und in besonderen Ausgestaltungen zwischen 90 % und 100 %. Hierdurch wird vor allem einerseits das Totvolumen des Raums erheblich verringert und bei nicht vollständiger Befüllung des Totraums gleichzeitig die Füllhöhe des Raums mit dem Klebstoff so niedrig gehalten, dass ein Übertreten des Klebstoffs auf funktionalisierte Bereiche der Oberseite des Mikroarrays ausgeschlossen wird. Je nach Anwendung kann dieser Trade-off gezielt gewählt werden.The volume fraction of the space that is filled with the adhesive is preferably in the range of 50% to 100%, particularly preferably in the range of between 70% and 100% and in special embodiments between 90% and 100%. This significantly reduces the dead volume of the space and, if the dead space is not completely filled, the filling level of the space with the adhesive is kept so low that the adhesive cannot spill over onto functionalized areas of the top of the microarray. Depending on the application, this trade-off can be specifically selected.

Ein Abstand zwischen jeder Seitenwand der Arraykammer und dem Mikroarray liegt insbesondere jeweils im Bereich von 300 µm bis 700 µm.In particular, a distance between each side wall of the array chamber and the microarray is in the range of 300 µm to 700 µm.

Zwischen einer Unterseite des Mikroarrays und einem Boden der Arraykammer ist in mikrofluidischen Vorrichtungen üblicherweise ein Klebstoff angeordnet, um das Mikroarray an seiner Position zu fixieren. Dieser Klebstoff weist bevorzugt ebenfalls eine dynamische Viskosität im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas, besonders bevorzugt im Bereich von 3 Pas bis 12 Pas auf. Ganz besonders bevorzugt stimmt der Klebstoff an der Unterseite des Mikroarrays mit dem Klebstoff überein. Eine möglichst hohe Übereinstimmung der mechanischen Eigenschaften der beiden Klebstoffe verhindert Grenzflächenunstetigkeiten zwischen den Klebstoffen und das Auftreten lokaler Dehnungen.In microfluidic devices, an adhesive is usually arranged between a bottom of the microarray and a bottom of the array chamber in order to fix the microarray in its position. This adhesive preferably also has a dynamic viscosity in the range of 2 Pas to 20 Pas, particularly preferably in the range of 3 Pas to 12 Pas. Most preferably the adhesive on the underside of the microarray matches the adhesive. A match as high as possible between the mechanical properties of the two adhesives prevents interface discontinuities between the adhesives and the occurrence of local strains.

Die mikrofluidische Vorrichtung ist insbesondere als Einwegkartusche für eine medizinische oder mikrobiologische Analysevorrichtung ausgeführt. Derartige Einwegkartuschen weisen eine Fluidikschicht, eine Pneumatikschicht und eine zwischen der Fluidikschicht und der Pneumatikschicht angeordnete Elastomermembran auf. In der Fluidikschicht sind Kammern und Kanäle gebildet, um eine Probenflüssigkeit und Reagenzien, die mit der Probenflüssigkeit zur Reaktion gebracht werden sollen zu bevorraten und zu transportieren. In der Pneumatikschicht verlaufen Pneumatikkanäle, die an der Elastomermembran enden und die dazu eingerichtet sind, an ein Pneumatikmanifold der Analysevorrichtung angeschlossen zu werden. Wird mittels des Pneumatikmanifolds in den Pneumatikkanälen ein Überdruck erzeugt, so wird die Elastomermembran in die Fluidikschicht hinein ausgelenkt. Wird in den Pneumatikkanälen hingegen ein Unterdruck erzeugt, so wird die Elastomermembran in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt. Auf diese Weise können Fluidströme in der Fluidikschicht manipuliert werden. Die Arraykammer ist zumindest teilweise in der Fluidikschicht angeordnet. In einer Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung ist sie vollständig in der Fluidikschicht angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung erstreckt sie sich teilweise durch eine Öffnung in der Elastomermembran hindurch in die Pneumatikschicht, wobei sie jedoch nicht fluidisch mit Pneumatikkanälen der Pneumatikschicht verbunden ist. In allen Ausführungsformen der mikrofluidischen Vorrichtung ist die Arraykammer jedoch fluidisch mit Kanälen verbunden, welche in der Fluidikschicht verlaufen, um über diese mit einer Probenflüssigkeit befüllt werden zu können.The microfluidic device is designed in particular as a disposable cartridge for a medical or microbiological analysis device. Such disposable cartridges have a fluidic layer, a pneumatic layer and an elastomer membrane arranged between the fluidic layer and the pneumatic layer. Chambers and channels are formed in the fluidic layer in order to store and transport a sample liquid and reagents that are to be reacted with the sample liquid. Pneumatic channels run in the pneumatic layer, which end at the elastomer membrane and are designed to be connected to a pneumatic manifold of the analysis device. If an overpressure is generated in the pneumatic channels by means of the pneumatic manifold, the elastomer membrane is deflected into the fluidic layer. If, on the other hand, a negative pressure is generated in the pneumatic channels, the elastomer membrane is deflected into the pneumatic layer. In this way, fluid flows in the fluidic layer can be manipulated. The array chamber is at least partially arranged in the fluidic layer. In one embodiment of the microfluidic device, it is completely arranged in the fluidic layer. In another embodiment of the microfluidic device, it extends partially through an opening in the elastomer membrane into the pneumatic layer, but is not fluidically connected to pneumatic channels of the pneumatic layer. In all embodiments of the microfluidic device, however, the array chamber is fluidically connected to channels that run in the fluidic layer in order to be able to be filled with a sample liquid via these.

In dem Verfahren zur Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt zunächst ein Bereitstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung mit mindestens einer Arraykammer. Damit die Arraykammer für weitere Verfahrensschritte zugänglich ist, sind vorzugsweise noch nicht alle Schichten der mikrofluidischen Vorrichtung fest miteinander verbunden. Nun erfolgt ein Befestigen eines Mikroarrays in der Arraykammer. Hierzu wird ein erster Klebstoff zwischen einer Unterseite des Mikroarrays und einem Boden der Arraykammer angeordnet. Das Mikroarray wird dabei so angeordnet, dass zwischen jeder Seitenwand der Arraykammer und dem Mikroarray ein Raum freibleibt. Der Raum wird nun mit einem zweiten Klebstoff befüllt, dessen dynamische Viskosität im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas vorzugsweise im Bereich von 3 Pas bis 12 Pas liegt. Das Befüllen mit dem zweiten Klebstoff kann dabei gleichzeitig mit dem Befestigen des Mikroarrays mit dem ersten Klebstoff oder alternativ nach dem Befestigen erfolgen.In the method for producing the microfluidic device, a microfluidic device with at least one array chamber is first provided. In order for the array chamber to be accessible for further method steps, preferably not all layers of the microfluidic device are yet firmly connected to one another. A microarray is then attached to the array chamber. For this purpose, a first adhesive is arranged between an underside of the microarray and a floor of the array chamber. The microarray is arranged in such a way that a space remains free between each side wall of the array chamber and the microarray. The space is then filled with a second adhesive whose dynamic viscosity is in the range of 2 Pas to 20 Pas, preferably in the range of 3 Pas to 12 Pas. The filling with the second adhesive can take place at the same time as the microarray is attached with the first adhesive or alternatively after attachment.

Das Befüllen erfolgt insbesondere mittels Dispensen, Stempeln oder Drucken. Ein bevorzugtes Dispensen erfolgt berührungslos.Filling is carried out primarily by dispensing, stamping or printing. Contactless dispensing is preferred.

Wenn das Mikroarray quadratisch ist, sodass seine Länge und seine Breite identisch sind, kann ein Volumen des zweiten Klebstoffs, das zum Befüllen des Raumes verwendet wird, aus der Breite des Mikroarrays berechnet werden. Vorzugsweise liegt dieses Klebstoffvolumen im Bereich von 0,5 µl bis 1,0 µl.If the microarray is square such that its length and width are identical, a volume of the second adhesive used to fill the space can be calculated from the width of the microarray. Preferably, this adhesive volume is in the range of 0.5 µl to 1.0 µl.

Der erste Klebstoff weist eine Viskosität auf, die bevorzugt im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas besonders bevorzugt im Bereich von 3 Pas bis 12 Pas liegt. Ganz besonders bevorzugt sind der erste Klebstoff und der zweite Klebstoff identisch.The first adhesive has a viscosity which is preferably in the range from 2 Pas to 20 Pas, particularly preferably in the range from 3 Pas to 12 Pas. Most preferably, the first adhesive and the second adhesive are identical.

Wenn die beiden Klebstoffe identisch sind, kann insbesondere ein Klebstoff in die Arraykammer eingebracht werden und das Mikroarray anschließend so in die Arraykammer hineingedrückt werden, dass ein Teil des Klebstoffs als erster Klebstoff zwischen dem Mikroarray und dem Boden der Arraykammer verbleibt und das Mikroarray in der Arraykammer befestigt und ein anderer Teil des Klebstoffs vom Mikroarray verdrängt wird und so als zweiter Klebstoff den Raum befüllt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung.If the two adhesives are identical, in particular an adhesive can be introduced into the array chamber and the microarray can then be pressed into the array chamber in such a way that part of the adhesive remains as the first adhesive between the microarray and the bottom of the array chamber and fixes the microarray in the array chamber and another part of the adhesive is displaced by the microarray and thus fills the space as the second adhesive. This enables a particularly simple manufacture of the microfluidic device.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nacheinander der erste Klebstoff in die Arraykammer eingebracht wird, das Mikroarray in die Arraykammer eingebracht wird und schließlich der Raum mit dem zweiten Klebstoff befüllt wird. Dieses Vorgehen kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn der erste Klebstoff sich vom zweiten Klebstoff unterscheidet. Aber auch dann, wenn beide Klebstoffe identisch sind, kann in dieser Weise vorgegangen werden, um so das Risiko einer Verdrängung von Klebstoff in den Zulaufbereich und/oder in den Ablaufbereich der Arraykammer vorteilhafterweise zu verringern oder ganz auszuschließen.In another embodiment of the method, the first adhesive is introduced into the array chamber, the microarray is introduced into the array chamber and finally the space is filled with the second adhesive. This procedure may be necessary in particular if the first adhesive is different from the second adhesive. However, this procedure can also be used if both adhesives are identical in order to advantageously reduce or completely eliminate the risk of adhesive being displaced into the inlet area and/or the outlet area of the array chamber.

Nach dem Befüllen des Raumes mit dem zweiten Klebstoff kann die Arraykammer verschlossen werden. Wenn die Arraykammer vollständig in der Fluidikschicht angeordnet ist, kann dies dadurch realisiert werden, dass die Fluidikschicht mehrschichtig ausgebildet ist und eine oder mehrere Teilschichten der Fluidikschicht erst nach dem Einfügen des Mikroarrays und des zweiten Klebstoffs in die Arraykammer mit der restlichen Fluidikschicht verbunden werden. Wenn sich die Arraykammer teilweise in die Pneumatikschicht hinein erstreckt, kann auch das Aufbringen der gesamten Fluidikschicht erst nach dem Positionieren des Mikroarrays und des zweiten Klebstoffs in der Arraykammer vorgenommen werden.After filling the space with the second adhesive, the array chamber can be closed. If the array chamber is completely arranged in the fluidic layer, this can be achieved by forming the fluidic layer in multiple layers and only connecting one or more sublayers of the fluidic layer to the rest of the fluidic layer after the microarray and the second adhesive have been inserted into the array chamber. If the array chamber extends partially into the pneumatic layer, the entire fluidic layer can be applied after the microarray and the second adhesive have been positioned in the array chamber.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils einer Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung in einem Herstellungsschritt gemäß der Erfindung.
  • 4 zeigt einen Teil einer Arraykammer in einer Querschnittsdarstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung in einem anderen Verfahrensschritt ihrer Herstellung gemäß der Erfindung.
  • 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 6 zeigt eine Querschnittsdarstellung der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description.
  • 1 shows a flow chart of a method according to an embodiment of the invention.
  • 2 shows a plan view of an array chamber of a microfluidic device according to an embodiment of the invention.
  • 3 shows a cross-sectional view of a part of an array chamber of a microfluidic device in a manufacturing step according to the invention.
  • 4 shows a part of an array chamber in a cross-sectional view of a microfluidic device in another process step of its manufacture according to the invention.
  • 5 shows a cross-sectional view of a portion of a microfluidic device according to an embodiment of the invention.
  • 6 shows a cross-sectional view of the microfluidic device according to an embodiment of the invention.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Der Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. The sequence of a method for producing a microfluidic device according to a first embodiment of the invention is described in 1 shown.

Nach dem Start 10 des Verfahrens wird eine noch nicht vollständig zusammengesetzte mikrofluidische Vorrichtung bereitgestellt 11. Ein Ausschnitt dieser Vorrichtung ist in 2 dargestellt. Sie weist eine Arraykammer 20 auf, die teilweise in einer Pneumatikschicht 31 ausgebildet ist. Die Pneumatikschicht 31 besteht beispielsweise aus Polycarbonat. Auf dieser ist eine Elastomermembran 32 angeordnet, die beispielsweise aus thermoplastischen Polyurethan besteht. Die Elastomermembran 32 weist im Bereich der Arraykammer 20 eine Öffnung auf. Die Arraykammer 20 ist quadratisch und ihre Kantenlänge b20 beträgt beispielsweise 10 mm.After starting 10 the process, a not yet fully assembled microfluidic device is provided 11. A section of this device is shown in 2 It has an array chamber 20 which is partially formed in a pneumatic layer 31. The pneumatic layer 31 consists for example of polycarbonate. An elastomer membrane 32 is arranged on this, which consists for example of thermoplastic polyurethane. The elastomer membrane 32 has an opening in the area of the array chamber 20. The array chamber 20 is square and its edge length b 20 is for example 10 mm.

In einem nächsten Schritt des Verfahrens wird ein Mikroarray 21 in der Arraykammer 20 befestigt 12. Hierzu wird es in der Arraykammer 20 zentriert, wobei an seiner Unterseite ein erster Klebstoff 41 angeordnet wird. Dies ist in den 3 und 4 dargestellt. Das Mikroarray 21 besteht beispielsweise aus Silizium. Es ist quadratisch und weist eine Kantenlänge b21 von 9 mm auf. Die an der Unterseite des Mikroarrays 21 von dem ersten Klebstoff 41 bedeckte Fläche ist ebenfalls quadratisch und weist eine Kantenlänge von beispielsweise von 7,5 mm auf. Da das Mikroarray 21 kleiner ist als die Arraykammer 22 bleibt zwischen dem Mikroarray 21 und den Innenwänden der Arraykammer 20 ein Raum 22 frei. Der Abstand b22 zwischen dem Mikroarray und den Innenwänden der Arraykammer 20 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel jeweils 0,5 mm. Eine Dicke des Mikroarrays 21 beträgt beispielsweise 500 µm und eine Dicke des ersten Klebstoffs 41 beträgt beispielsweise 50 µm, sodass die Höhe h22 des Raums 22 550 µm beträgt.In a next step of the method, a microarray 21 is attached 12 in the array chamber 20. For this purpose, it is centered in the array chamber 20, with a first adhesive 41 being arranged on its underside. This is shown in the 3 and 4 shown. The microarray 21 consists of silicon, for example. It is square and has an edge length b 21 of 9 mm. The area on the underside of the microarray 21 covered by the first adhesive 41 is also square and has an edge length of, for example, 7.5 mm. Since the microarray 21 is smaller than the array chamber 22, a space 22 remains free between the microarray 21 and the inner walls of the array chamber 20. The distance b 22 between the microarray and the inner walls of the array chamber 20 is 0.5 mm in each case in this exemplary embodiment. A thickness of the microarray 21 is, for example, 500 µm and a thickness of the first adhesive 41 is, for example, 50 µm, so that the height h 22 of the space 22 is 550 µm.

Bei dem ersten Klebstoff 21 handelt es sich beispielsweise um ein acryliertes Urethan (MD® 1401-M-UR der Dymax Corporation, USA). Es erfolgt ein Aushärten 13 des ersten Klebstoffs 41, indem dieser beispielsweise durch die transparente Pneumatikschicht 31 mittels Licht der Wellenlänge 385 nm bestrahlt wird.The first adhesive 21 is, for example, an acrylated urethane (MD ® 1401-M-UR from Dymax Corporation, USA). The first adhesive 41 is cured 13 by irradiating it, for example, through the transparent pneumatic layer 31 using light with a wavelength of 385 nm.

Nach dem Aushärten 13 erfolgt ein Befüllen 14 des Raums 22 mit einem zweiten Klebstoff 42. Wie in 5 dargestellt ist, wird dieser über die gesamte Höhe h22 des Raums 22 in diesen eingefüllt, wobei er auch in den nicht vom ersten Klebstoff 41 gefüllten Bereich unterhalb des Mikroarrays 21 eindringt. Bevorzugt füllt der zweite Klebstoff zumindest 50 % des Raums 22 aus, ganz bevorzugt mehr als 70% oder in besonderen Ausgestaltungen mehr als 90 %, wobei auch ein Kontakt zur Elastomermembran 32 erfolgen kann. Eine solche Auffüllung des Raums 22 und damit von effektiven Seitenkanälen um den Mikroarray 21 verhindert vorteilhafterweise ein „Umtunneln“ des Mikroarrays 21 von Fluid bei Betrieb. Der zweite Klebstoff 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit dem ersten Klebstoff 41 identisch und wird in derselben Weise wie dieser durch Bestrahlung ausgehärtet 15.After curing 13, the space 22 is filled 14 with a second adhesive 42. As in 5 As shown, it is filled into the space 22 over the entire height h 22 of the space 22, whereby it also penetrates into the area below the microarray 21 not filled by the first adhesive 41. The second adhesive preferably fills at least 50% of the space 22, very preferably more than 70% or in special embodiments more than 90%, whereby contact with the elastomer membrane 32 can also be made. Such filling of the space 22 and thus of effective side channels around the microarray 21 advantageously prevents fluid from "tunneling around" the microarray 21 during operation. The second adhesive 42 is identical to the first adhesive 41 in this embodiment and is cured in the same way as the first adhesive 41 by irradiation 15.

Schließlich wird eine Fluidikschicht 33, die beispielsweise aus Polycarbonat besteht, auf der Elastomermembran 32 angeordnet, sodass die Arraykammer 22 nach oben hin verschlossen wird. Dadurch wird die mikrofluidische Vorrichtung 30 erhalten, die in 6 dargestellt ist. Sie ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Einwegkartusche für eine Analysevorrichtung ausgeführt.Finally, a fluidic layer 33, which consists for example of polycarbonate, is arranged on the elastomer membrane 32 so that the array chamber 22 is closed at the top. This gives the microfluidic device 30, which in 6 In the present embodiment, it is preferably designed as a disposable cartridge for an analysis device.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird nach dem Bereitstellen 11 der noch nicht vollständig zusammengesetzten mikrofluidischen der Boden der Arraykammer 20 vollständig mit dem Klebstoff bedeckt. Danach wird das Mikroarray 21 so in den Klebstoff gedrückt, dass ein Teil des Klebstoffs als erster Klebstoff 41 zwischen dem Mikroarray 21 und dem Boden der Arraykammer verbleibt und ein anderer Teil des Klebstoffs als zweiter Klebstoff 42 den Raum 22 befüllt, sodass sich schematisch derselbe Zustand wie in 5 dargestellt ergibt. Dann werden der erste Klebstoff 41 und der zweite Klebstoff 42 vorzugsweise gleichzeitig durch die transparente Pneumatikschicht 31 mittels Licht der Wellenlänge 385 nm bestrahlt und auf diese Weise ausgehärtet. Anschließend wird eine Fluidikschicht 33 auf der Elastomermembran 32 angeordnet, sodass die Arraykammer 22, wie im ersten Ausführungsbeispiel, nach oben hin verschlossen wird.In a second embodiment of the method, after providing 11 the not yet fully assembled microfluidic the bottom of the array chamber 20 is completely covered with the adhesive. The microarray 21 is then pressed into the adhesive in such a way that part of the adhesive remains as the first adhesive 41 between the microarray 21 and the bottom of the array chamber and another part of the adhesive fills the space 22 as the second adhesive 42, so that the same state as in 5 shown. Then the first adhesive 41 and the second adhesive 42 are preferably irradiated simultaneously through the transparent pneumatic layer 31 using light with a wavelength of 385 nm and are cured in this way. A fluidic layer 33 is then arranged on the elastomer membrane 32 so that the array chamber 22 is closed at the top, as in the first embodiment.

Claims (12)

Mikrofluidische Vorrichtung (30), aufweisend mindestens ein Mikroarray (21), das so in einer Arraykammer (20) angeordnet ist, dass sich zwischen dem Mikroarray (21) und Seitenwänden der Arraykammer (20) ein Raum (22) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (22) einen Klebstoff (42) enthält, dessen dynamische Viskosität bei der Verarbeitung im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas liegt.Microfluidic device (30) comprising at least one microarray (21) arranged in an array chamber (20) such that a space (22) is located between the microarray (21) and side walls of the array chamber (20), characterized in that the space (22) contains an adhesive (42) whose dynamic viscosity during processing is in the range of 2 Pas to 20 Pas. Mikrofluidische Vorrichtung (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Viskosität des zu verarbeitenden Klebstoffs (42) im Bereich von 3 Pas bis 12 Pas liegt.Microfluidic device (30) according to Claim 1 , characterized in that the dynamic viscosity of the adhesive to be processed (42) is in the range from 3 Pas to 12 Pas. Mikrofluidische Vorrichtung (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (42) ein Acrylatklebstoff oder ein Epoxidklebstoff ist.Microfluidic device (30) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the adhesive (42) is an acrylate adhesive or an epoxy adhesive. Mikrofluidische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (42) lösungsmittelfrei ist.Microfluidic device (30) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the adhesive (42) is solvent-free. Mikrofluidische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenanteil des Raums (22) mit dem Klebstoff (42) gefüllt ist, der im Bereich von 50 % bis 100 % liegt.Microfluidic device (30) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a volume fraction of the space (22) is filled with the adhesive (42), which is in the range of 50% to 100%. Mikrofluidische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (b22) zwischen jeder Seitenwand der Arraykammer (20) und dem Mikroarray (21) jeweils im Bereich von 300 µm bis 700 µm liegt.Microfluidic device (30) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that a distance (b 22 ) between each side wall of the array chamber (20) and the microarray (21) is in the range of 300 µm to 700 µm. Mikrofluidische Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Unterseite des Mikroarrays (21) und einem Boden der Arraykammer (20) ein Klebstoff (41) angeordnet ist, der mit dem Klebstoff (42) übereinstimmt, welcher in dem Raum (22) angeordnet ist.Microfluidic device (30) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that between a bottom of the microarray (21) and a bottom of the array chamber (20) an adhesive (41) is arranged, which corresponds to the adhesive (42) which is arranged in the space (22). Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen (11) einer mikrofluidischen Vorrichtung (30) mit mindestens einer Arraykammer (20), - Befestigen (12) eines Mikroarrays (21) in der Arraykammer (20) mittels eines ersten Klebstoffs (41), der zwischen einer Unterseite des Mikroarrays (21) und einem Boden der Arraykammer (20) angeordnet wird, wobei das Mikroarray (21) so angeordnet wird, dass zwischen jeder Seitenwand der Arraykammer (20) und dem Mikroarray (21) ein Raum (22) freibleibt, und - Befüllen (14) des Raums (22) mit einem zweiten Klebstoff (42), dessen dynamische Viskosität im Bereich von 2 Pas bis 20 Pas liegt.Method for producing a microfluidic device (30) according to one of the Claims 1 until 7 , comprising the following steps: - providing (11) a microfluidic device (30) with at least one array chamber (20), - fastening (12) a microarray (21) in the array chamber (20) by means of a first adhesive (41) which is arranged between a bottom side of the microarray (21) and a floor of the array chamber (20), wherein the microarray (21) is arranged such that a space (22) remains free between each side wall of the array chamber (20) and the microarray (21), and - filling (14) the space (22) with a second adhesive (42) whose dynamic viscosity is in the range from 2 Pas to 20 Pas. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroarray (21) quadratisch ist und der Raum (22) mit einem Volumen des zweiten Klebstoffs (42) befüllt wird, welches im Bereich von 0,5 µl bis 1,0 µl pro Millimeter einer Breite (b21) des Mikroarrays (21) liegt.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the microarray (21) is square and the space (22) is filled with a volume of the second adhesive (42) which is in the range of 0.5 µl to 1.0 µl per millimeter of a width (b 21 ) of the microarray (21). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Klebstoff (41) und der zweite Klebstoff (42) identisch sind, wobei eine mikrofluidische Vorrichtung (30) nach Anspruch 7 hergestellt wird.Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that the first adhesive (41) and the second adhesive (42) are identical, wherein a microfluidic device (30) according to Claim 7 will be produced. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klebstoff in die Arraykammer (20) eingebracht wird und das Mikroarray (21) anschließend so in die Arraykammer (20) hineingedrückt wird, dass ein Teil des Klebstoffs als erster Klebstoff (41) zwischen dem Mikroarray (21) und dem Boden der Arraykammer verbleibt und das Mikroarray in der Arraykammer befestigt (12) und ein anderer Teil des Klebstoffs als zweiter Klebstoff (42) den Raum (22) befüllt.Procedure according to Claim 10 , characterized in that an adhesive is introduced into the array chamber (20) and the microarray (21) is then pressed into the array chamber (20) such that a part of the adhesive remains as a first adhesive (41) between the microarray (21) and the bottom of the array chamber and fixes the microarray in the array chamber (12) and another part of the adhesive fills the space (22) as a second adhesive (42). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander der erste Klebstoff (41) in die Arraykammer (20) eingebracht wird, das Mikroarray (21) in die Arraykammer (20) eingebracht wird und schließlich der Raum (22) mit dem zweiten Klebstoff (42) befüllt wird (14).Procedure according to one of the Claims 8 until 10 , characterized in that the first adhesive (41) is successively introduced into the array chamber (20), the microarray (21) is introduced into the array chamber (20) and finally the space (22) is filled with the second adhesive (42) (14).
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