DE112004002936B4

DE112004002936B4 - Mikrofluidische Anordnung mit einem Ventilschieber für ein mikrofluidisches Kopplungsgerät

Info

Publication number: DE112004002936B4
Application number: DE112004002936T
Authority: DE
Inventors: Manfred Bernd; Thomas Reinhardt
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: DE112004003058B4; DE112004002936T5; WO2006018043A2; WO2006018043A3

Abstract

Anordnung (82) zur Handhabung von Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Gerät, aufweisend:
ein mikrofluidisches Kopplungsgerät (63, 77, 95), das einen Anschluss (49, 67, 69), einen an den Anschluss (49, 67, 69) gekoppelten mikrofluidischen Flusspfad (5, 7), und einen Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) mit einem mikrofluidischen Steuerungselement (3, 13) zum Kontrollieren des Flusses innerhalb des Flusspfades (5, 7), aufweist, und
ein externes Dichtungselement (83), das zum Dichten des Ventilschiebers (1, 35, 53, 65, 79, 97) im Kopplungsgerät (63, 77, 95) ausgebildet ist,
wobei das Dichtungselement (83) einen äußeren Aktuator (85) und einen inneren Aktuator (87) der innerhalb des äußeren Aktuators (85) angeordnet ist, aufweist, wobei der innere Aktuator (87) und der äußere (85) Aktuator separat gegen die äußere Oberfläche (107) des mikrofluidischen Kopplungsgerätes (63, 77, 95) pressbar sind, und wobei der innere Aktuator (87) lösbar ist um den Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) zu...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mikrofluidische Labortechnologie für chemische, physikalische und/oder biologische Analysen, Separationen oder Synthesen von Substanzen auf einem Substrat mit einer mikrofluidischen Struktur. Sie bezieht sich insbesondere auf mikrofluidische Anordnungen mit mikrofluidischen Kopplungsgeräten, die zur Steuerung des Flusses einer Flüssigkeit angepasst sind und insbesondere auf Komponententeile für diese Anordnung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern von mikrofluidischen Prozessen.
Es besteht eine wachsende Nachfrage nach biologischen Fluidprozessierungssystemen, die einen Bedarf an kleinen fluidischen Kopplungsgeräten erzeugt haben. Derartige miniaturisierte mikrofluidische Geräte müssen verschiedene Anforderungen erfüllen, wie zum Beispiel geringes Totvolumen und kurze Flusspfade mit einem Querschnitt so konstant wie möglich. Dies führt grundsätzlich zu einer verbesserten Leistungscharakteristik. Ein Ansatz in diesem Gebiet – verglichen zum Beispiel mit der Verwendung von Ventilen mit gefädelten Anschlüssen – ist die Verwendung von mikrofluidischen Chips, die an sich drehende Ventilelemente gekoppelt sind, zur Flusssteuerung des innerhalb des Chips ausgeführten mikrofluidischen Prozesses. Lösungen werden zum Beispiel in der US 2003/0015682 A1 oder in der EP 1520837 A1 offenbart.
Durch die enorme Anzahl von zu handhabenden Proben und mikrofluidischen Prozessen ergeben sich Bestrebungen in diesem Gebiet die Prozesse in mikrofluidischen Geräten zu integrieren. Diese Ansätze haben zu hoch integrierten mikrofluidischen System und komplexen auszuführenden Prozessen geführt und entsprechend zu verstärkten Ausgaben beim Steuern. Insbesondere ist das Koppeln und Fluss-Steuern eine bedeutende Angelegenheit der letzten Entwicklungen in dem technischen Gebiet der mikrofluidischen Geräte, wie dies zum Beispiel in der EP 1536228 A1 gezeigt wird. Das Erhöhen der Komplexität der ausgeführten Prozesse und die Miniaturisierung von mikrofluidischen Geräten führt im Allgemeinen nachteilhafterweise zu höheren Ausgaben für mikrofluidischen Verbindungen, d. h. um diese auszuführen, zu schalten und/oder Fluss zu steuern.
Aus den Schriften DE 4029746 A1 und DE 10013242 A1 sind jeweils Anordnungen gemäß dem Oberbegriff zu Anspruch 1 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung für ein verbessertes Steuern, insbesondere Fluss-steuern, und/oder Koppeln von mikrofluidischen Geräten zu schaffen. Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Das Dichtungselement wird gegen das mikrofluidische Gerät gelegt, insbesondere gegen das mikrofluidische Gerät gepresst, nahe dem Steuerungsgerät, durch ein Piezo-elektrisches Element oder ein anderes geeignetes Aktuator-Element, zum Beispiel einen Elektromagnet. Der Druck induziert eine Abdichtungskraft an dem mikrofluidischen Gerät. Die Aktuatoren können gegen die Oberfläche des mikrofluidischen Gerätes separat gepresst werden, um unterschiedliche Abdichtkräfte zu induzieren, die in unterschiedlichen Betriebszuständen des auf dem mikrofluidischen Gerät ausgeführten mikrofluidischen Prozesses benötigt werden. Der äußere Aktuator kann passiv gegen das mikrofluidische Gerät gepresst werden und der innere Aktuator aktiv durch das Piezo-elektrische oder Aktuator-Element. Vorteilhafterweise kann der innere Aktuator durch das Piezo-elektrische Element gelöst werden, um den Schaltzustand des Steuerungsgerätes zu ändern und den Ventilschieber zu schieben. Das Dichtungselement kann in Ausführungsformen ein Komponententeil oder ein Laborgerät sein. Der Aufbau kann dazu angepasst sein mit dem Gerät zu interagieren. Der Aufbau kann in das Gerät eingebracht werden. Das Gerät weist vorteilhafterweise ein Gerät zum Handhaben, Bewegen, Positionieren und/oder Verbinden des Aufbaus auf. Der Aufbau und/oder das Gerät weisen/weist bevorzugt Führungen zum Führen des Aufbaus innerhalb des Gerätes auf.
Weitere Ausführungsformen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Der Schieber kann geradlinig bewegt oder relativ zu dem mikrofluidischen Kopplungsgerät gedreht werden. Zur Flusssteuerung kann der Flusspfad an zumindest einer Vertiefung, Schlitz, Aussparung, Fase, Loch und/oder Stufe des Steuerelements gekoppelt werden. Der Flusspfad kann durch Bewegen des Schiebers von der Vertiefung, Schlitz, Aussparung, Fase, Loch und/oder Stufe gekoppelt oder separiert werden. Vorteilhafterweise werden die Vertiefung, Schlitz, Aussparung, Fase, Loch und/oder Stufe zum Erzeugen eines Flussreglers verjüngt oder zugespitzt. Bevorzugt weist die flache Folie des Ventilschiebers zumindest zwei Lagen auf, zum Beispiel eine Mittellage und zwei Decklagen. Die Mittellage kann dazu angepasst sein, die Folie zu stabilisieren.
Ausführungsformen können ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Der Ventilschieber stellt ein Ventil innerhalb des Gerätes dar. Vorteilhafterweise werden keine zusätzlichen externen Ventilkomponententeile zur Flusssteuerung des Flusses innerhalb des Flusspfades benötigt. Das Steuerungsgerät ist zwischen einer oberen Schicht und einer unteren Schicht des Chips integriert. Die Schichten werden durch eine Separationsschicht der selben Dicke wie das Steuergerät separiert. Die Dicken der oberen und unteren Schicht des Chips können variieren. Die Separationsschicht weist einen Ausschnitt zur Aufnahme des Ventilschiebers auf. Vorteilhafterweise wird der Ventilschieber unterstützt, um an den Oberflächen der oberen Schicht und der unteren Schicht geschoben oder gedreht zu werden. Die obere und die untere Schicht zusammen mit dem Ausschnitt aus der Separationsschicht bilden eine flache und rechtwinklige Aussparung zur Aufnahme des Ventilschiebers und um diesen geradlinig schiebbar zu lagern. Der Flusspfad kann an einen zweiten Flusspfad oder an den Anschluss des mikrofluidischen Kopplungsgerätes über das Kontrollelement gekoppelt sein. Vorteilhafterweise kann ein Fluss zwischen den zwei Anschlüssen gesteuert werden. Die Anschlüsse können an beliebige andere mikrofluidische Geräte gekoppelt werden. Die mikrofluidischen Geräte können mit dem Kopplungsgerät gekoppelt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann ferner das mikrofluidisches Gerät aufweisen, das dazu angepasst ist mikrofluidische Prozesse zu prozessieren. Das Gerät weist vorteilhafterweise Kopplungsgerät zum Steuern des mikrofluidischen Prozesses auf. Das erlaubt ein hoch integriertes Gerät, das dazu angepasst ist, komplexe mikrofluidische Prozesse auszuführen.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein Verfahren zum Steuern eines mikrofluidischen Prozesses durchgeführt werden. In einem ersten Schritt wird ein externes Dichtungselement gelöst. Vorteilhafterweise reduziert dieser Schritt die Reibung von beweglichen Teilen des Kopplungselementes. Danach wird das Steuerungselement gestellt; insbesondere der Ventilschieber wird bewegt um den mikrofluidischen Fluss innerhalb des mikrofluidischen Gerätes zu steuern. Schließlich wird das Dichtungselement wieder festgemacht, um die Fluid enthaltenden Komponenten des mikrofluidischen Gerätes abzudichten.
Die Anordnung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.
1 und 2 zeigen in Draufsicht einen Ventilschieber mit unterschiedlichen Steuerelementen.
3A bis C zeigen Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen des Ventilschiebers 1 aus 1, entlang der Linie A-A der 1.
4 zeigt einen weiteren Ventilschieber.
5 zeigt eine teilweise schematische Draufsicht auf ein mikrofluidisches Gerät mit einem mikrofluidischen Ventilschieber.
6 und 7 zeigen schematische Teil-Draufsichten auf ein anderes mikrofluidisches Gerät mit einem anderen mikrofluidischen Ventilschieber in unterschiedlichen Darstellungen.
8 zeigt eine teilweise longitudinale Ansicht des mikrofluidischen Gerätes nach 6 mit einem mikrofluidischen Ventilschieber in einer ersten Anordnung, entlang der Linien B-B in 6.
9 zeigt eine teilweise longitudinale Ansicht des mikrofluidischen Gerätes nach 7 mit dem mikrofluidischen Ventilschieber in einer zweiten Anordnung, entlang der Linien C-C in 7.
10 zeigt ein mikrofluidisches Kopplungsgerät.
11 zeigt eine longitudinale Ansicht eines mikrofluidischen Kopplungsgerätes nach 10, gezeigt entlang der Linien D-D in 10.
12 zeigt eine dreidimensionale Draufsicht eines anderen mikrofluidischen Kopplungsgerätes.
13 zeigt eine dreidimensionale teilweise Draufsicht auf eine mikrofluidische Anordnung mit dem mikrofluidischen Kopplungsgerät aus 12 und einem externen Dichtungselement.
14 zeigt in Draufsicht die Vorderseite des externen Dichtungselements.
15 zeigt eine Draufsicht eines anderen mikrofluidischen Kopplungsgerätes.
16 zeigt eine Schnittansicht eines mehrlagigen Ventilschiebers.
1 zeigt in Draufsicht einen Ventilschieber 1, der ein flaches Material, zum Beispiel eine Folie, aufweist mit einem Steuerungselement 3 zum Fluss-Steuern des Flusses innerhalb zweier Flusspfade 5 und 7 – angedeutet mit gepunkteten Linien. Der Ventilschieber 1 stellt ein Steuerungsgerät zum Fluss-Steuern des Flusses innerhalb der Flusspfade 5 und 7 dar.
Die Flusspfade 5 und 7 können Teil eines mikrofluidischen Gerätes (in dieser Figur nicht gezeigt) sein. Der Ventilschieber 1 ist wie ein Rechteck geformt und kann senkrecht, in Ausführungsformen eckig, bewegt werden in Bezug auf die Flussrichtung der Flusspfade 5 und 7 – wie mit einem doppelten Pfeil 9 dargestellt.
Das Steuerungselement 3 stellt ein Fluid führendes Element dar. Es kann an die Flusspfade 5 und 7 gekoppelt werden. Die Flusspfade 5 und 7 können über das Steuerelement 3 gekoppelt werden. Dementsprechend ist die Länge des Steuerungselements 3 zumindest so lange wie der Abstand zwischen den Flusspfaden 5 und 7 gegenüberliegend zu dem Ventilschieber 1. Die Flusspfade 5 und 7 können optional gekoppelt oder separiert werden durch Bewegen des Ventilschiebers senkrecht zu der Flussrichtung der Flusspfade 5 und 7. Nicht sichtbare Seitenwände 11 benachbart zu dem Steuerungselement 3 des Ventilschiebers 1 können einen oder beide der Flusspfade 5 und 7 schließen. In Ausführungsbeispielen stellen die Seitenwände 11 Dichtungsoberflächen für die Flusspfade 5 und 7 mit einer Leckage von weniger als einem Prozent des Flusses innerhalb der Flusspfade 5 und 7 dar.
2 zeigt einen Ventilschieber 1, aber mit einem sich verjüngendem Steuerungselement 13.
Das sich verjüngende Steuerungselement 13 stellt einen sich verjüngenden Flusspfad mit einem variablen Flusswiderstand dar. Der Flusswiderstand kann durch Schieben des Ventilschiebers 1 von einem Minimumwert zu einem Maximumwert variiert werden. Beim Maximumwert sind die Flusspfade 5 und 7 praktisch abgedichtet. Der minimale Wert kann dadurch erreicht werden, indem ein erster Endpunkt 15 des sich verjüngenden Steuerungselements 13 auf den Flusspfad 5 geschoben wird. Der Maximalwert kann durch Bewegen eines zweiten Endpunktes 17 des sich verjüngenden Steuerungselementes 13 oder eher der Seitenwand 11 des Ventilschiebers 1 nahe des Endpunktes 17 auf dem Flusspfad 7 erreicht werden. Der sich verjüngende Flusspfad des sich verjüngenden Steuerungselementes 13 hat eine maximale Querschnittsfläche bei dem ersten Endpunkt 15 und eine minimale Querschnittsfläche bei dem zweiten Endpunkt 17.
Die 3A–C zeigen Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen des Ventilschiebers aus 1, gezeigt entlang der Linien A-A der 1. Der grundsätzliche Aufbau des gezeigten Steuerungselements 3 kann auf sich verjüngende Elemente wie in 2 gezeigt übertragen werden.
In 3A weist das flache Material des Ventilschiebers 1 oder eher des Steuerungselements 3 eine Fase 19, in 3B eine Stufe 21 und in 3C eine Aussparung 23 auf. In Ausführungsformen kann die Form des Steuerungselements 3, das einen verbindenden Flusspfad zwischen den Flusspfaden 5 und 7 darstellt, auf jede andere geeignete Form variiert werden.
4 zeigt einen anderen Ventilschieber 1 mit vier Steuerungselementen 3, die Vertiefungen 25 oder eher eckige Vertiefungen 27 aufweisen. Die Vertiefungen 25 und 27 können jede an die Flusspfade 5 und 7 gekoppelt oder davon separiert werden, durch Schieben des Ventilschiebers 1 wie oben beschrieben. Zusätzlich kann die eckige Vertiefung 27 einen parallelen Flusspfad 29 ankoppeln oder separieren. In der Anordnung wie in 4 gezeigt, stellt die Vertiefung 27 des Ventilschiebers 1 eine schaltbare Gabelung 31 dar. Der Flusspfad 7 kann mit den Flusspfaden 5 und 29 über die eckige Vertiefung 27 gekoppelt werden. In Ausführungsbeispielen ist die eckige Vertiefung 27 dazu angepasst, um optional nur eine oder beide der Flusspfade 5 und 29 von dem Flusspfad 7 in unterschiedlichen Stellungen des Ventilschiebers 1 zu separieren. Um einen Ventilschieber 1 mit diesen drei Stellungen darzustellen, kann die eckige Vertiefung 27 „U" oder „Z"-förmig sein. Die Flusspfade 5, 7 und 29 können Teil einer fluidischen Leitungslage des nicht gezeigten mikrofluidischen Gerätes sein. Eine der flachen Seiten des Ventilschiebers 1 kann gegen die Lage gelegt werden, die die Flusspfade 5, 27 und 29 aufweist. Zum Schalten – Verbinden oder Separieren – der Flusspfade 5, 7 und 29 in unterschiedlichen, Fluss führenden Lagen des nicht gezeigten mikrofluidischen Gerätes kann das Steuerungselement 3 Schlitze oder Löcher aufweisen, die ähnlich geformt sind wie die Vertiefungen 25 und 27.
5 zeigt eine schematische Teildraufsicht auf ein mikrofluidisches Gerät 33 mit einem mikrofluidischen Ventilschieber 35.
Der Ventilschieber 35 weist ein Steuerungselement 13 mit einem sich verjüngenden Schlitz 37 auf. Der Ventilschieber 35 ist innerhalb des mikrofluidischen Gerätes 33 integriert. Nicht sichtbare Teile werden mit gepunkteten Linien dargestellt. Das mikrofluidische Gerät 33 weist eine obere Lage 39, eine Separationslage 41 (nicht sichtbar) und eine untere Lage 43 (ebenso nicht sichtbar) auf. Der Ventilschieber 35 ist bewegbar – Pfeil 9 – und ist in einem Ausschnitt 45 der Separationslage 41 zwischen der oberen Lage 39 und der Separationslage 41 angeordnet. Die obere Lage 39, der Ausschnitt 45 und der Separationslage 41 und die untere Lage 43 stellen ein Lager für den Ventilschieber 35 dar. Die Dicke der Lagen 39, 41 und 43 des mikrofluidischen Gerätes 33 kann variieren.
Der Schlitz 37 ist an einen Flusspfad 5 gekoppelt, der in der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Gerätes 33 eingefügt ist, und an ein Loch 47 in der oberen Lage 39 des mikrofluidischen Gerätes 33. Das Loch 47 stellt einen Anschluss 49 des mikrofluidischen Gerätes 33 dar, zum Beispiel einen Einlass- oder einen Auslassanschluss. Der Anschluss 49 kann Fluss-gesteuert werden durch den Ventilschieber 35 mit dem Steuerungselement 13. Der Schlitz 37 des Steuerungselements 13 stellt einen Flussregulator mit der selben Funktionalität wie oben beschrieben (siehe 2) dar. Als Unterschied muss der Endpunkt 15 des Steuerungselementes 13 zu dem Loch 47 bewegt werden, um den minimalen Flusswiderstand zu erreichen und entsprechend dem maximalen Fluss durch den Anschluss 49 des mikrofluidischen Gerätes 33. In Ausführungsformen kann der Schlitz 37 durch eine sich verjüngende Vertiefung ersetzt werden. Das Loch 47 kann durch eine Durchgangsbohrung oder durch eine jegliche Durchgangsbohrung mit beliebiger Form erreicht werden.
Die 6 und 7 zeigen schematische Draufsichten auf einen Teil eines anderen mikrofluidischen Gerätes 51 mit einem mikrofluidischen Ventilschiebers 53 in unterschiedlichen Stellungen.
Das Steuerungselement 3 des Ventilschiebers 53 kann durch Löcher 55 erreicht werden, zum Beispiel Durchgangsbohrungen. Im Unterschied zu dem mikrofluidischen Gerät 33 wie in 5 beschrieben, sind die drei Löcher 47 der drei Anschlüsse 49 des mikrofluidischen Gerätes 51 im Wesentlichen in der selben Position wie die Enden der fünf Flusspfade 5 angeordnet, aber in unterschiedlichen Lagen implementiert, der oberen Lage 39 und der unteren Lage 43.
8 zeigt eine longitudinale Ansicht eines Teils des mikrofluidischen Gerätes nach 6 mit dem mikrofluidischen Ventilschiebers 53 in einer ersten Stellung, gezeigt entlang der Linien B-B aus 6.
9 zeigt eine longitudinale Ansicht eines Teils des mikrofluidischen Gerätes nach 7 mit dem mikrofluidischen Ventilschiebers 53 in einer zweiten Stellung, gezeigt entlang der Linien C-C aus 7.
In einer ersten Stellung, wie in den 6 und 8 gezeigt, ist der Anschluss 49 des mikrofluidischen Gerätes 51 mit dem Flusspfad 5 der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Gerätes 51 über das Loch 47 der oberen Lage 39 und über das Loch 55 des Steuerungselements des Ventilschiebers 53 gekoppelt.
In einer zweiten Stellung ist der Anschluß 49 des mikrofluidischen Gerätes 51 geschlossen oder eher separiert von dem Flusspfad 5 durch eine obere Dichtungsoberfläche 57 und einer unteren Dichtungsoberfläche 49 des Ventilschiebers 53.
Die untere und die obere Lage 43 und 39 weisen jede eine innere Oberfläche 61 auf. Die Dichtungsoberflächen 57 und 59 werden gegen die innere Oberfläche 61 der Lagen 39 und 43 des mikrofluidischen Gerätes 51 gelegt, um den Flusspfad 5 abzudichten und den Anschluss 5 zu schließen.
Der Ventilschieber 53 kann rechtwinklig geschoben werden, in Ausführungsformen eckig, in Bezug auf die Flussrichtung des Flusspfades 5 oder eher die Bildebene der 8 und 9, um die Position zu ändern.
Die mikrofluidischen Geräte 33 und 51 können dazu vorgesehen sein mikrofluidische Prozesse auszuführen, wie zum Beispiel Analyse- und Separationsprozesse oder Syntheseprozesse wie zum Beispiel ein PCR-Prozess.
10 zeigt ein mikrofluidisches Koppelgerät 63 mit einem Ventilschieber 65.
11 zeigt eine longitudinale Ansicht des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 63 nach 10, gezeigt entlang der Linien D-D der 10.
Nicht sichtbare Teile werden gepunktet dargestellt.
Das Kopplungsgerät 63 weist drei erste Anschlüsse 67 in der oberen Lage 39 und drei zweite Anschlüsse 69 in der unteren Lage 43 auf, die drei Paare von Anschlüssen 67 und 69 darstellen. Das Paar der Anschlüsse 67 und 69 kann jeweils durch den Ventilschieber 65 ausgewählt und mittels dem Flusspfad 5, der in der Separationslage 41 implementiert ist, gekoppelt werden über eine geradlinige Vertiefung 71 des Steuerungselements 3 des Ventilschiebers 65, über den in der oberen Lage 39 sich implementierten Flusspfad 7 und über ein Loch 72, zum Beispiel eine Bohrung, in der Separationslage 41. Die geradlinige Vertiefung 71 kann mit dem Ventilschieber 65 in drei unterschiedliche Kopplungspositionen bewegt werden. In 10 ist eine Kopplungspositionen dargestellt. Das Paar der Anschlüsse 67 und 69 – gezeigt von unten in 10 – wird an einen kontinuierlichen Flusspfad 73 gekoppelt. Für alle anderen Positionen des Ventilschiebers 65 innerhalb des Kopplungsgerätes 63 werden alle Flusspfade 5 und 7 des Kopplungsgerätes 63 durch longitudinale Seitenwände 75 des Ventilschiebers 65 abgedichtet. Entsprechend werden alle Paare der Anschlüsse 67 und 69 losgelöst.
Das Kopplungsgerät 63 kann an andere mikrofluidische Geräte gekoppelt werden.
12 zeigt eine dreidimensionale Draufsicht auf ein mikrofluidisches Kopplungsgerät 77 mit einem Ventilschieber 79 mit der im Wesentlichen selben Funktionalität wie das mikrofluidische Gerät 51, wie in den 6–7 beschrieben. Entsprechend werden nur die Unterschiede dargestellt.
Der Ventilschieber 79 weist Griffaussparungen 81, zum Beispiel einen automatischen Greifer, auf. Das mikrofluidische Kopplungsgerät 77 weist einen Anschluss 69 auf, der angekoppelt oder separiert werden kann von einem ein Loch 47 aufweisenden Anschluss 49 über einen Flusspfad 5 und über das Steuerungselement 3 des Ventilschiebers 79, der ein Loch 55 aufweist.
13 zeigt eine dreidimensionale teilgeschnittene Draufsicht eines mikrofluidischen Aufbaus 81 mit dem mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 nach 12 und einem externen Dichtungselement 83.
Das externe Dichtungselement 83 weist einen äußeren Aktuator 85 und einen inneren Aktuator 87 innerhalb des äußeren Aktuators 85 auf.
In Ausführungsformen kann der Anschluss 49 in die obere Lage 39 gesetzt werden – wie mit einem gepunkteten Kreis 86 angedeutet. Das externe Dichtungselement 83 kann der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 entgegen blicken oder kann einen konzentrischen Flusspfad innerhalb des an den Anschluss 49 gekoppelten Aktuators 87 aufweisen.
14 zeigt eine Draufsicht der Vorderseite des externen Dichtungselements 83. Die Frontseite zeigt das mikrofluidische Kopplungsgerät 77 mit einer äußeren Dichtungsoberfläche 91 des äußeren Aktuators 85 und einer inneren Dichtungsoberfläche 93 des inneren Aktuators.
15 zeigt in Draufsicht ein anderes mikrofluidisches Kopplungsgerät 95 mit einem Ventilschieber, der als ein Ventilrotor 97 ausgeführt ist. Schieben soll in dieser Anmeldung als jegliche ebene Bewegung verstanden werden, insbesondere geradlinig und/oder rotierend. Nicht sichtbare Teile werden als gepunktet angedeutet. Im Folgenden sollen nur die Unterschiede zu dem Kopplungsgerät der 10 und 11 beschrieben werden.
Der Ventilrotor 97 weist ein Loch 55, das einen in der oben Lage 39 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95 enthaltenen Flusspfad 5 verbindet, und einen Flusspfad 7, der in der unteren Lage 43 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95 enthalten ist, auf. Die Flusspfade 5 und 7 können voneinander entkoppelt werden durch Rotieren des Ventilrotors 97. 15 zeigt eine erste Stellung des Ventilrotors 97 in der die Flusspfade 7 und 9 miteinander verbunden sind und worin das Loch 55 des Ventilrotors 97 dicht an die Flusspfade 7 und 9 positioniert ist, um diese zu verbinden. In einer zweiten Stellung sind die Flusspfade 5 und 7 voneinander entkoppelt durch Dichtungsoberflächen 57 und 59 des Ventilrotors 97. Entsprechend werden die Anschlüsse 67 und 97 in dieser Stellung voneinander getrennt. Der Durchmesser des Ventilrotors 97 ist größer als die laterale Dimension des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95. Die Separationslage 41 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 95 weist einen teilrunden Ausschnitt 99 auf, der zusammen mit den inneren Oberflächen 61 der Lagen 39 und 43 ein Lager für den Ventilrotor 97 darstellen. Der Ventilrotor 97 kann durch Greifen und Betätigen der Aussparungen 81 in jedem Rotationssinne gedreht werden – wie mit einem Doppelpfeil 9 dargestellt.
16 zeigt eine Schnittansicht eines mikrofluidischen Mehrlagenventilschiebers 101 mit einer Mehrlagenfolie, die drei Lagen hat: Eine mittlere Lage 103 und zwei Dichtlagen 105. Die mittlere Lage 103 kann ein Material aufweisen, das dazu angepasst ist, den mikrofluidischen Mehrlagenventilschieber 101 zu versteifen. Die zwei Dichtungslagen 105 können ein Material aufweisen, das dazu angepasst ist zu dichten und Reibung zu verringern. Zum Beispiel kann die mittlere Lage 103 mit einem Oberfläche modifizierenden Material und/oder einem Material mit einem geringen Reibungskoeffizienten bedeckt werden, wie zum Beispiel TEFLON, Gummi oder ähnliches, um die Dichtungslagen 105 darzustellen. Daneben können die Lagen 39 und 43 ein Material aufweisen, das dazu angepasst ist abzudichten und die Reibung zu reduzieren und/oder ein Material das zum Versteifen angepasst ist.
Im Folgenden soll ein Verfahren zum Steuern eines mikrofluidischen Prozesses, der mit einer mikrofluidischen Anordnung mit einem mikrofluidischen Kopplungsgerätes mit einem Ventilschieber ausgeführt wird, mit Bezugnahme auf die obigen Figuren, insbesondere die 13 und 14, beschrieben werden.
In einem ersten Schritt wird zumindest einer der Aktuatoren 85 oder 87 eines externen Dichtungselementes 83 freigesetzt. Vorteilhafterweise reduziert dieser Schritt die Reibung der beweglichen Teile des Kopplungsgerätes 77. Reibung tritt an den inneren Oberflächen 61 der Lagen 39 und 42 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 sowie an den Dichtungsoberflächen 57 und 59 des Ventilschiebers 79 auf.
In Ausführungsformen wird die äußere Dichtungsoberfläche 91 des äußeren Aktuators 85 gegen eine äußere Oberfläche 107 der oberen Lage 39 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 durch eine Feder gepresst. Das gewährleistet leichten Dichtungskontakt zwischen den Oberflächen 61 der Lagen 39, 43 und den Dichtungsoberflächen 57 und 59 des Ventilschiebers 79. Der Ventilschieber 79 kann geteilt werden trotz dieser leichten Abdichtungskräfte.
In Ausführungsformen wird eine innere Dichtungsoberfläche 93 des inneren Aktuators 87 gegen die äußere Oberfläche 107 der oben Lage 39 durch ein Piezo-elektrisches Element oder einem geeigneten Aktuator-Element gedrückt, bevor es wieder freigegeben wird.
Nachfolgend wird der Ventilschieber bewegt um den mikrofluidischen Fluss innerhalb des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 zu steuern.
Schließlich wird zumindest einer der Aktuatoren 85 und/oder 87 des Dichtungselements 83 wieder angezogen um die Fluid enthaltenden Komponenten, den Flusspfad 5, des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 abzudichten.
In Ausführungsformen kann die obere Lage 43 des mikrofluidischen Kopplungsgerätes 77 gegen ein flaches Gegenlager (nicht gezeigt) gedrückt werden, um die Dichtkräfte aufzunehmen.
Die in den verschiedenen Figuren dargestellten Merkmale, insbesondere unterschiedliche Steuerelemente 3 und/oder 13, können in Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In anderen Ausführungsformen sind mikrofluidische Geräte und/oder Aufbauten mit mehr als einem Ventilschieber und/oder mehr als einem mikrofluidischen Kopplungsgerät möglich.
In weiteren Ausführungsbeispielen können das mikrofluidische Gerät gebogen oder verdreht werden. Insbesondere weist das mikrofluidische Gerät ein elastisches Material zum Biegen und/oder Verdrehen auf.
Die mikrofluidischen Geräte können durch einen im Stand der Technik bekannten Laminationsprozess hergestellt werden.
Schließlich können die mehrlagigen mikrofluidischen Geräte mehr als drei Lagen und/oder mehr als ein mikrofluidisches Kopplungsgerät aufweisen.

Claims

Anordnung (82) zur Handhabung von Flüssigkeit in einem mikrofluidischen Gerät, aufweisend: ein mikrofluidisches Kopplungsgerät (63, 77, 95), das einen Anschluss (49, 67, 69), einen an den Anschluss (49, 67, 69) gekoppelten mikrofluidischen Flusspfad (5, 7), und einen Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) mit einem mikrofluidischen Steuerungselement (3, 13) zum Kontrollieren des Flusses innerhalb des Flusspfades (5, 7), aufweist, und ein externes Dichtungselement (83), das zum Dichten des Ventilschiebers (1, 35, 53, 65, 79, 97) im Kopplungsgerät (63, 77, 95) ausgebildet ist, wobei das Dichtungselement (83) einen äußeren Aktuator (85) und einen inneren Aktuator (87) der innerhalb des äußeren Aktuators (85) angeordnet ist, aufweist, wobei der innere Aktuator (87) und der äußere (85) Aktuator separat gegen die äußere Oberfläche (107) des mikrofluidischen Kopplungsgerätes (63, 77, 95) pressbar sind, und wobei der innere Aktuator (87) lösbar ist um den Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) zu schieben.
Anordnung (82) nach Anspruch 1, wobei der Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) eine flache Folie aufweist.
Anordnung (82) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) dazu angepasst ist, geradlinig oder rotierend relativ zu dem mikrofluidischen Kopplungsgerät (63, 67, 95) zu gleiten.
Anordnung (82) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) zumindest eines aufweist aus: eine Vertiefung (25, 27, 71), einen Schlitz, eine Aussparung (23), eine Fase (19), eine Stufe (21), jeweils insbesondere sich verjüngend, ein Durchgangsloch (55), insbesondere eine Bohrung, um mit dem Flusspfad (5, 7) zu koppeln.
Anordnung (82) nach einem der Ansprüche 2–4, wobei die flache Folie eine Mehrlagenfolie ist, insbesondere mit drei Lagen (39, 41, 43; 103, 105), vorzugsweise eine mittlere Lage (103) und zwei Dichtungslagen (105), insbesondere zwei Dichtungslagen (105), die ein Oberflächen-modifizierendes Material und/oder ein Material mit einem geringen Reibungskoeffizienten, vorzugsweise Teflon, aufweisen.
Anordnung (82) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der Ventilschieber (1, 35, 53, 65, 79, 97) zwischen einer oberen Lage und einer unteren Lage des mikrofluidischen Geräts integriert ist.
Anordnung (82) nach einem der Ansprüche 1–6, mit dem mikrofluidischen Gerät, wobei das mikrofluidische Gerät dazu angepasst ist, einen mikrofluidischen Prozess durchzuführen und einen an den Anschluss (49, 67, 69) gekoppelten mikrofluidischen Geräte-Flusspfad aufweist.