DE19821627A1 - Mikrostrukturierte Folien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul aus Polymermaterialien, das beliebige Mikrokanalsysteme enthält und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Moduls. Das erfindungsgemäße Modul mit Mikrokanälen besteht aus einer Polymer-Folie, deren Stärke der gewünschten Kanaltiefe entspricht mit Aussparungen in Form der gewünschten Mikrokanalstruktur. Eine obere und eine untere Abdeckschicht dichten diese mikrostrukturierte Folie auf beiden Seiten ab. Die Abdeckschichten sind auf der Seite, die der strukturierten Folie zugewandt ist, planar und bilden die Oberseite und die Unterseite der Kanäle. Mindestens eine der beiden Abdeckschichten verfügt über mindestens zwei Zugänge zum Mikrokanalsystem in der mikrostrukturierten Folie. Ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls aus Polymermaterialien mit einem Mikrokanalsystem umfaßt das Strukturieren von einer oder mehreren Folien mit den Mikrokanälen und das Verbinden der einen Folie mit den beiden Abdeckschichten, so daß die Mikrokanäle abgedichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul aus Polymermaterialien, das beliebige Mikrokanal­ systeme enthält und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Moduls.

Ein Mikrokanal ist ein Kanal, der in einer oder in zwei Raumrichtungen (Breite und Tiefe) Abmessungen kleiner als 1 mm hat (Mikrometerbereich). Er hat in einer anderen Raumrichtung (Länge) eine Abmessung, die einem Vielfachen der Abmes­ sung in die Raumrichtung mit der kleinsten Abmessung, entspricht. Mehrere mitein­ ander verbundene Mikrokanäle bilden ein Mikrokanalsystem. Ein Modul ist ein Träger, der ein oder mehrere durch Zugänge befüllbare und entleerbare Mikrokanal­ systeme und gegebenenfalls weitere Elemente wie z. B. Membranen enthält.

Module mit Mikrokanalsystemen kommen in einer Vielzahl von technischen Bereichen zum Einsatz. Sie werden als Mischer, Wärmeübertrager, Reaktoren, Mikrosensoren in Prozeßapparaturen und als miniaturisierte Analysensysteme, z. B. in der molekularen Diagnostik eingesetzt. Die Miniaturisierung von Baugruppen ist vorteilhaft, da durch die geringen Abstände in den Mikrokanalsystemen Prozesse sehr schnell ablaufen können. Außerdem fördert das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen einen effizienten Wärmeaustausch und ermöglicht eine gezielte, schnelle Temperatur­ steuerung. Auf Grund ihrer geringen Größe können eine Vielzahl von Modulen mit Mikrokanalsystemen parallel eingesetzt werden und insgesamt zu einem hohen Durch­ satz führen. In Mikrokanälen kann der Stofftransport durch die Kanäle mittels elektrischer Spannungen, die an die Kanäle angelegt werden, gezielt gesteuert werden. Dabei wird eine Überschußladung der Stoffe in den Kanälen und/oder der endoosmotische Effekt, der durch die Wanderung von Oberflächenladungen verur­ sacht wird, ausgenutzt. Bei Anwendungen im diagnostische Bereich ist der sparsame Reagenzien- und Eluentenverbrauch in Mikrokanalsystemen von Vorteil.

Für die Strukturierung von Polymermaterialien mit Mikrokanälen wurden bisher ver­ schiedene Verfahren vorgeschlagen, die alle darauf beruhen, daß in ein Substrat eine Mikrostruktur, die die Unterseite und die Kanalwände bildet, als Tiefenprofil eingear­ beitet wird. Der Kanal wird dann an der offenen Seite durch eine planare Deckschicht, die die Zugänge zum darunter liegenden Mikrokanalsystem enthält, abgeschlossen.

Beim Silikongießverfahren wird die gewünschte Kanalstruktur aus Silikon durch das Ausgießen einer entsprechenden Form hergestellt (C.S. Effenhauser et al., 2nd International Symposium on Minlaturized Total Analysis Systems mTAS '96, Analytical Methods and Instrumentation, Basel 1996). Nachteilig ist dabei die auf­ wendige Herstellung der Gießschablone und die komplizierte Einstellung des Drucks der planaren Deckschicht auf die in das Silikon eingearbeiteten nicht abgeschlossenen Kanäle. Der Druck muß so eingestellt sein, daß die Kanäle im Silikon einerseits abge­ dichtet und andererseits nicht zugedrückt werden.

Bei einem anderen Herstellverfahren mittels Mikrospritzgußtechnik wird eine Urmatrix in einem Silizium-Substrat hergestellt. Von diesem werden Nickel-Formen abgeformt, in denen mit Spritzguß die Acryl-Substrate mit den Mikrokanälen herge­ stellt werden (R.M. McCormick et al., Anal. Chem. 1997, 69, 2626-2630). Der Nach­ teil dieses Verfahrens ist, daß erst zwei Generationen von Matrizen hergestellt werden müssen, bevor die eigentliche Struktur hergestellt werden kann. Das ist sehr auf­ wendig und schränkt die Flexibilität bei der Gestaltung der Strukturen stark ein (Ch. Ziegmann, "Spritzgießen mikrostrukturierter Bauteile", 19. IKV-Kolloquium Aachen 1998).

Weiterhin wurde die Herstellung von Mikrostrukturen durch Laserablation von poly­ merischen oder keramischen Substraten z. B. mit einem Excimer-Laser vorgeschlagen (US-Patent 5,500,071). Für große Stückzahlen ist die Laserablation jedoch wegen des großen Zeitaufwandes nicht geeignet.

Aus der Halbleitertechnik sind zur Herstellung von Mikrostrukturen die Photolito­ graphie und naßchemische Ätzverfahren bekannt. Sie werden aber ausschließlich auf Silizium, Quarz, Glas (S.C. Terry et al., IEEE Trans. Electron. Devices, ED-26, 1979, 1880; A. Manz et al., J. Chromatogr. 593, 1992, 253-258) und andere Halbleiter­ materialien angewendet. Diese Materialien sind auf Grund der großen Adsorption an ihrer Oberfläche zumindestens für biologische Anwendungen schlecht geeignet. Außerdem ist diese Art der Herstellung von Mikrostrukturen für eine Massenpro­ duktion von einmal verwendbaren Modulen zu aufwendig.

Aus metallischen Werkstoffen werden mikrostrukturierte Stapelstrukturen vorzugs­ weise als hocheffiziente Wärmeübertrager hergestellt. Die Strukturen werden dabei entweder spanabhebend oder mit chemischen Ätzverfahren (US-Patent 4,516,632) ausgebildet. Die einzelnen Mikrokanäle werden nicht als individuelle Prozeßeinheiten, sondern als integrale Bestandteile eines makroskopischen Bausteins eingesetzt. Die Mikrokanäle dienen in erster Linie einer Oberflächenvergrößerung (B. Sundén et al. Adv. Eng. Heat Transf., Proc. Balt. Heat Transf. Conf, 1995).

Die Anforderungen an ein Modul mit Mikrokanälen sind vielfältig und variieren je nach Einsatzbereich. Allgemein gilt, daß die Kanäle in den Modulen 10-100 µm tief und 10 µm bis 5 mm breit sein sollen. Sie können beliebig lang sein.

Die Kanäle müssen weiterhin über Zugänge mit Proben-, Reagenzien- und Puffer­ reservoires verbunden sein, um sie befüllen und entleeren zu können.

Die Kanalstrukturen müssen abgedichtet werden können und sie müssen eine effiziente Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr gewährleisten. Eine effiziente Wärmeab­ fuhr ist insbesondere nötig, um die Joulsche Wärme abzuführen, die entsteht wenn elektrische Spannungen an die Mikrokanäle angelegt werden und elektrische Ströme fließen.

Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, Trennmembranen in das Kanalsystem des Moduls einzubringen, um so beispielsweise eine Größenselektion von Molekülen vorzunehmen.

Für manche Anwendungen wie z. B. die Kapillar-Elektrophorese müssen die Kanal­ strukturen elektrisch isoliert sein, so daß ein elektrolytischer Stromtransport in den Kanälen stattfinden kann.

Für viele Anwendungen, speziell im analytisch-diagnostischen Bereich, müssen die Mikrokanäle einer optischen Detektion zugänglich sein.

Für die Anwendung als Prozeßapparatur, als Mikrosensor oder Mikroanalysensystem im medizinisch/biologischen Umfeld ist eine gute Biokompatibilität erwünscht. Bio­ kompatibilität heißt, daß sich beispielsweise wegen entsprechender Oberflächeneigen­ schaften keine Proteine in den Kanälen anlagern.

Im Hinblick auf eine breite Nutzung sollen die mikrostrukturierten Module in hoher Stückzahl mit niedrigen Kosten herstellbar sein und einfach entsorgt werden können.

Das erfindungsgemäße Modul mit Mikrokanälen besteht aus einer Polymer-Folie, deren Stärke der gewünschten Kanaltiefe entspricht mit Aussparungen in Form der gewünschten Mikrokanalstruktur. Eine obere und eine untere Abdeckschicht dichten diese mikrostrukturierte Folie auf beiden Seiten ab. Die Abdeckschichten sind auf der Seite, die der strukturierten Folie zugewandt ist, planar und bilden die Oberseite und die Unterseite der Kanäle. Mindestens eine der beiden Abdeckschichten verfügt über mindestens zwei Zugänge zu mindestens einem Mikrokanal in der mikrostrukturierten Folie.

Neben diesem einfachsten Aufbau mit einer mikrostrukturierten Folie zwischen den beiden Abdeckschichten, können die Module auch mehrere übereinander gestapelte mikrostrukturierte Folien zwischen den beiden Abdeckschichten enthalten. Die Mikro­ kanäle liegen dann in unterschiedlichen Ebenen und haben senkrecht zur Folienebene gesehen Überlappungsbereiche. Diese erlauben den Übergang von einer Ebene in die nächste. Auf diese Weise lassen sich beliebig verknüpfte, dreidimensionale Kanal­ strukturen aufbauen.

Als Polymermaterial für die Folien sind kristalline oder teilkristalline Kunststoffe geeignet. Transparente Kunststoffe wie Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat sind besonders geeignet. Es können auch Folien eingesetzt werden, die in bestimmten optischen oder infraroten Wellenlängenbereichen eine starke Absorption aufweisen. Ein Modul kann Folien aus unterschiedlichen Materialien enthalten.

Jede Folie kann aus unterschiedlichen Schichten aufgebaut sein. Die einzelnen Schichten können verschiedene Funktionen, wie Klebefunktion oder Abdichtungs­ funktionen durch elastische Verformbarkeit, erfüllen. Einzelne Schichten können auch verschiedene Absorptionsspektren aufweisen. In einer Folie kann z. B. ein nicht­ absorbierender Kern von absorbierenden Deckschichten eingerahmt sein.

Die Oberflächeneigenschaft der Kanäle bezüglich Adsorption oder Oberflächen­ potential kann durch eine Beschichtung der die Kanalwände bildenden Abdeck­ schichten oder der Folien gezielt auf eine Anwendung angepaßt werden. Mögliche Beschichtungen sind Polyacrylamid, Polyvinylalkohol, oligomere Alkylamine, nicht­ ionische Detergenzien wie Polyoxyethylenether und polymere Zucker wie Hydroxy­ propylmethylcellulose oder Methylcellulose.

Die Tiefe der Kanäle entspricht der Folienstärke oder deren Vielfaches, wenn mehrere gleich strukturierte Folien übereinander gestapelt werden. Tiefere Kanäle ermöglichen einen höheren Durchsatz. Die mikrostrukturierten Folien haben eine Stärke von 10 bis 1000 µm, vorzugsweise 10 bis 100 µm. Besonders geeignet sind Folienstärken von 25 bis 75 µm.

Die Länge der Kanäle in der mikrostrukturierten Folie beträgt bevorzugt 1 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt sind 5 bis 50 mm. Die Kanalbreite kann maximal der Breite der Folie abzüglich eines Abdichtrandes entsprechen. Sie beträgt vorzugsweise 1 µm bis 5 mm und kann über die Kanallänge konstant sein oder variieren.

Die Kanäle können jede beliebige Orientierung zueinander und zur Folienbegrenzung annehmen. Neben Kanälen mit rechteckiger Grundform können auch Kanäle mit ge­ krümmten Seiten realisiert werden. Durch Stapelung von entsprechend strukturierten Folien können auch senkrechte Kanäle, bei denen die Aussparungen übereinander liegen, oder diagonale Kanäle, bei denen die Aussparungen versetzt übereinander liegen, hergestellt werden.

Die obere und die untere Abdeckschicht dienen zur Abdichtung der Kanalstruktur der dazwischen liegenden Folie. Die Abdeckschichten können durch Folien, deren Stärke bei 50 bis 500 µm liegt, oder durch Platten mit einer Stärke größer als 500 µm ge­ bildet werden. Mindestens eine der Abdeckschichten verfügt über mindestens zwei Zugänge zu mindestens einem Mikrokanal. Entsprechende Öffnungen sind in einer oder beiden Abdeckschichten vorhanden. Die Abdeckschichten können transparent sein.

Proben-, Reagenzien- und/oder Puffergefäße sind auf der Außenseite mindestens einer Abdeckschicht über den Zugängen zu den darunter liegenden Mikrokanälen ange­ bracht. Über die Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße werden die Kanäle befüllt. Über die Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße können auch Druckdifferenzen er­ zeugt oder elektrische Potentiale angelegt werden, um einen Stofftransport in den Kanälen zu bewirken. Die Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße können bei Ver­ wendung von planaren Platten auch in die äußere Oberfläche der Platten als Makro­ struktur eingearbeitet sein.

In das Modul können Membranen eingebaut werden. Für die Trennung von Makro­ molekülen, Teilchen, Bakterien, Zellen oder Viren ist häufig eine Membran geeignet, die nach dem Größenausschlußprinzip arbeitet (Ultrafiltrationsmembran). Die Spann­ weite von Membranen reicht von einem Molekulargewicht von 3000 Dalton für kleine Proteine oder Nukleotide, über Größenausschlußbereiche im unteren nm-Bereich für große Nukleinsäuren und Viren, bis hin zu 0,45 µm für Zellen. Bei den Membranen handelt es sich um mikrostrukturierte Polymere, vorzugsweise um Polyethersulfon (PES), Polyester, vliesgestützten Acrylpolymer, Polytetrafluorethylen (PTFE), Poly­ sulfon, Polypropylen (PP), Glasfaser, Nylon oder Polycarbonat. Zusätzlich können Ionenaustauschmembranen und Adsorptionsphasen eingesetzt werden. Die Wahl der Membran richtet sich nach der Art des gewünschten Moleküls und ist mikrostruktur­ unabhängig.

Die Membranen können zwischen einer Abdeckschicht und einer mikrostrukturierten Folie und/oder zwischen zwei Folien eingesetzt sein. Sie können auch auf der Außen­ seite der Abdeckschichten zwischen Abdeckschicht und Proben-, Reagenzien- oder Puffergefäß angebracht sein.

Die Membranen können als zusätzliche Schicht in das Modul eingebracht sein. Ist die Membran ganzflächig, so tritt ihre Membraneigenschaft nur an den durchströmten Be­ reichen in Funktion. Sie kann aber auch nur an den Überlappungsbereichen der Kanäle über Membraneigenschalten verfügen.

Membranen können auch als Stücke, die nur den durchströmten Kanalbereich an den Überlappungsbereichen der Kanalstrukturen zwischen zwei Folien abdecken oder im Übergangsbereich zwischen den Zugängen der Abdeckschicht und den darunter­ liegenden Kanälen, eingesetzt sein. Eine weitere Möglichkeit ist, daß sich die Membranen direkt in den Zugängen zu den Mikrokanälen in der Abdeckschicht be­ finden.

Die Wärmezufuhr oder -abfuhr am Modul, kann über die Abdeckschichten durch Kontakt-, Luft- oder Flüssigkühlung der Abdeckschichten erfolgen. Ein besonders intensiver Wärmeaustausch kann über eine Folie erreicht werden, die über viele parallele Mikrokanäle verfügt, durch die ein Flüssigkeits- oder Gasstrom zum Wärme­ austausch geleitet werden kann.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls aus Polymermaterialien mit einem Mikro­ kanalsystem umfaßt das Strukturieren von einer oder mehreren Folien mit den Mikro­ kanälen und das Verbinden der einen Folie mit den beiden Abdeckschichten oder das Verbinden von mehreren übereinandergestapelten Folien untereinander und mit den beiden Abdeckschichten, so daß die Mikrokanäle abgedichtet sind.

Vor der Bearbeitung oder vor dem Zusammenfügen des Moduls können die Folien beschichtet werden. Es können auch Membranen in das Modul eingefügt werden.

Die Mikrostrukturierung der Folien kann durch Ätzverfahren, Laserablation oder Stanzen erfolgen.

Vorteilhaft ist jedoch ein erfindungsgemäßes Schneideverfahren.

Die zu strukturierende Folie wird auf einer formstabilen und elastischen Unterlage fixiert.

Zum Schneiden können das Schnittwerkzeug und die Aufnahmeeinheit der zu schneidenden Folie in allen drei Raumrichtungen gegeneinander bewegt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Schneideverfahrens wird die Folie auf einer drehbaren Walze in einem vorgespannten Zustand befestigt.

Elastische Folien werden je nach Herstellungsverfahren und Spannungsstruktur des Materials parallel zur Schnittlinie oder quer zur Schnittlinie vorgespannt, um den Schneidevorgang zu optimieren. Der Grad der Vorspannung richtet sich nach dem Elastizitätsmodul der zu schneidenden Folie.

Das Schnittwerkzeug kann fest oder als drehendes Rundmesser angeordnet sein. Das Rundmesser übt eine schneidende Walzbewegung aus, wobei die Folie unter dem Messer fixiert und nicht verformt wird. Dies ist bei Kunststofffolien mit niedrigem Elastizitätsmodul vorteilhaft. Ein feststehendes Schnittwerkzeug ist vorteilhaft, um exakte Konturen aus einem Material zu schneiden.

Ein Kanal kann vorteilhaft mit zwei parallel angeordneten Messern entlang seiner Kanten geschnitten werden, wobei der Abstand der Messer der Kanalbreite entspricht. Dieses Vorgehen liefert exakte Schnittflächen und sollte insbesondere gewählt werden, wenn die erforderlichen Kanalbreiten unter 500 µm liegen oder wenn nicht im 90°-Winkel zur Folienoberfläche geschnitten wird, so daß der Kanalquerschnitt von der Rechteckform abweicht. Durch den Parallelschnitt wird die zu schneidende Folie stabilisiert und eine Verschiebung der Folie verhindert.

Es können durch eine Vielzahl von parallel stehenden Messer viele parallele Kanäle und auch die parallelen Außenbegrenzungen der Folien gleichzeitig geschnitten werden. Durch die vielfachen Parallelschnitte wird eine schnelle Strukturierung von Folien mit einer Vielzahl von Kanälen erreicht.

Sind die Abdeckschichten feste Platten, so können sie durch Spritzguß oder mit anderen gängigen Herstellverfahren für Strukturen aus Polymermaterialien hergestellt werden. Dabei können Proben- und Puffergefäße in einem Stück mit der Abdeckplatte hergestellt werden.

Die Verbindung der mikrostrukturierten Folien untereinander und mit den Abdeck­ schichten zu einem Modul kann durch Druck, Kleben oder Schweißen erfolgen.

Eine dichte Verbindung durch Druck kann nur mit festen Platten als Abdeckschichten erreicht werden. Der Druck wird von außen auf die beiden Abdeckplatten ausgeübt. Sie werden gegeneinander und auf die dazwischenliegenden Folien gedrückt. Dadurch werden die Kanäle der mikrostrukturierten Folien abgedichtet.

Abdeckplatten zeigen auf den Oberflächen mikroskopische Unebenheiten, die in die dazwischenliegenden Folien geprägt werden und zu Leckströmen führen können. Durch die Verwendung von besonders elastischen Folien wie Folien aus thermo­ plastischem Polyurethan (TPU) oder mit einer klebstoffartigen Ausgleichsmasse be­ schichteten Folien können die Undichtigkeiten verhindert werden. Die elastische Folie und die Ausgleichsmasse passen sich den Unebenheiten der Oberfläche an und ver­ schließen sie.

Die Stärke des Drucks auf die dazwischenliegenden Folien richtet sich nach den elastischen Eigenschaften des verwendeten Folienmaterials. Günstig ist ein Druck der eine Vorspannung der Folie von 5-50%, besonders vorteilhaft von 5-25% der Foliendicke bewirkt. Die Vorspannung wird über die Längenveränderung der Folie gegenüber dem ungespannten Zustand gemessen.

Der Druck auf die Abdeckplatten des Moduls wird durch lösbare oder unlösbare Ver­ bindungen aufrechterhalten. Lösbare Verbindungen sind Schrauben, Clips oder Spannelemente. Unlösbare Verbindungen werden durch Nieten oder durch Ver­ schweißen der beiden Abdeckplatten an ihren äußeren Rändern hergestellt. Beim Ver­ schweißen werden die eine oder mehrere Folien zwischen den Abdeckplatten passiv fixiert.

Die Folien und Abdeckschichten können durch Kleben dicht miteinander verbunden werden. Der Klebstoff kann selbsthärtend, thermischhärtend oder photohärtend sein.

Besonders vorteilhaft sind unlösbare Verbindungen, die durch Verschweißen der Folien und Abdeckschichten direkt an den Rändern der Kanäle entstehen. Das Problem der Undichtigkeiten durch Unebenheiten in den Abdeckplatten tritt nicht auf. Die Abdeckschichten müssen nicht formstabil sein. Sie können auch Folien sein.

Es gibt verschiedene Methoden für die Verschweißung der Folien untereinander und mit der Abdeckschicht.

Beim Heißprägen wird durch einseitige Erhitzung mit direktem Kontakt der ge­ wünschte Bereich aufgeschmolzen.

Beim Heizelementschweißen erfolgt im Gegensatz zum Heißprägen der Wärme­ kontakt beidseitig.

Das Infrarotstrahlungsschweißen kann einseitig oder von beiden Seiten erfolgen. Dazu muß mindestens eine der Folien über eine infrarotabsorbierende Schicht verfügen.

Beim Laserschweißen muß mindestens eine der Folien über eine Schicht verfügen, die das Laserlicht absorbiert. Beim Durchstrahlungsschweißen wird die gesamte ab­ sorbierende Schicht geschmolzen. Beim Stumpfschweißen wird nur die Oberfläche aufgeschmolzen. Das Stumpfschweißen kann einseitig oder beidseitig durchgeführt werden.

Beim Ultraschallschweißen wird die erforderliche Energiedichte zum Verschweißen durch Ultraschallwellen erzeugt. Bei Gesamtdicken des Moduls bis zu 1 mm kann mit handelsüblichen Ultraschallschweißgeräten auf den Einsatz von Energierichtungs­ gebern verzichtet werden, da die Energiemenge pro Materialvolumen auch ohne eine Maßnahme zur Bündelung der Energie ausreicht.

Beim Hochfrequenzschweißen wird ein elektrisches Wechselfeld hoher Frequenz ein­ gestrahlt. Ein Teil der Energie des elektrischen Wechselfeldes wird im Kunststoff in Wärme umgewandelt. Eine Verschweißung des Moduls aus Polymermaterialien er­ folgt, wenn der dielektrische Verlustfaktor tan δ des Polymers größer 0,01 ist, also ein genügend hoher Anteil der Energie des Feldes abgezogen und in Wärme umgesetzt wird.

Als besonders vorteilhaft haben sich das Laser- und Infrarotschweißen herausgestellt. Durch Verwendung einer insgesamt oder in einzelnen Schichten absorbierenden, mikrostrukturierten Folie und von transparenten Abdeckschichten kann die Folie selektiv aufgeschmolzen und mit den Abdeckschichten dauerhaft verbunden werden. Mehrere übereinander gestapelte Folien werden auf diese Weise auch untereinander verbunden. Die Mikrokanalstrukturen sind nicht absorbierend, so daß die Energie großflächig eingestrahlt werden kann und die Kontour der Kanäle nicht exakt nachge­ fahren werden muß. Durch Einsatz von unterschiedlich absorbierenden Folien und sukszessivem Aufschmelzen können auch komplexe Schichtstrukturen und damit Kanalstrukturen aufgebaut werden.

Die Oberflächen der Folien, die zur Ausbildung einer Kanalstruktur beitragen und auch die kanalseitigen Flächen der Abdeckschicht können vor dem Schneiden oder vor dem Zusammenfügung beschichtet werden, um Oberflächeneigenschaften wie Biokompatibilität und Oberflächenpotential zu verändern.

Die Fixierung von Membranen erfolgt zusammen mit der Verbindung der Folien und Abdeckschichten durch Verpressen, Kleben oder Schweißen. Werden einzelne Membranstücke im Bereich eines Zugangs zu einem Kanal zwischen einer Abdeck­ schicht und einer Folie oder zwischen zwei Folien eingebracht, so muß die Membran in die Richtungen, in die der Kanal sich fortsetzt, mit der Abdeckschicht oder mit der Folien die nicht den Kanal trägt, verbunden werden.

Die erfindungsgemäßen Module mit Mikrokanälen zeichnen sich einerseits durch den Aufbau aus einfachen Standardmaterialien (Polymer-Folien) aus. Die verwendeten Polymermaterialien wie Polycarbonat oder Polymethylmethacrylat sind für eine Viel­ zahl von Anwendungen einsetzbar, da sie die Eigenschaften Inertanz, Biokompatibili­ tät, elektrische Isolation und Transparenz auf sich vereinigen.

Andererseits ist das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Module einfach und flexibel. Im Vergleich zu den bekannten Silikongießverfahren und Mikrospritz­ gußverfahren werden keine Urformen hergestellt, die dann jeweils nur eine Aus­ führungsform der Mikrokanalstruktur ergeben. Statt dessen können die Folien durch die bekannten Verfahren Ätzen, Laserablation, Stanzen oder besonders vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Schneideverfahren einfach strukturiert werden. Beim Schneiden werden mit einfachen Schneidewerkzeugen, wie z. B. Rasiermessern be­ liebige Strukturen geschnitten.

Auch die Verbindung der Folien zum Modul, insbesondere durch die vorgeschlagenen Laser- und Infrarotschweißverfahren, ist schnell und einfach durchzuführen.

Somit sind die erfindungsgemäßen Module für die automatisierte Massenfertigung ge­ eignet und können auch wegen der preiswerten Materialien kostengünstig hergestellt werden. Polymermaterialien sind außerdem unproblematisch zu entsorgen. Damit lohnt es sich, sie als einmal verwendbare Module zum einmaligen Gebrauch herzu­ stellen. Einmal verwendbare Module haben insbesondere im medizinischen Bereich den Vorteil, daß es nicht zur Verschleppung von Keimen und Verunreinigungen kommen kann, und ihr Einsatz deshalb exaktere Analysen erlaubt und die Sicherheit von Personal und Patient erhöht.

Der Wärmeaustausch ist wegen der geringen Wandstärken der Folien noch effizienter als mit herkömmlichen Systemen mit Mikrokanälen.

Ein Modul aus Polymermaterialien, das beliebige Mikrokanalsysteme enthält, ist ge­ eignet für viele Arten von Anwendungen für Mikrokanalstrukturen. Beispiele für An­ wendungen sind das chemische Labor, Polymerase Kettenreaktion (PCR), Immun­ diagnostik, Virusanalytik und DNA-Analytik auf dem Chip, Implantate, Dosierein­ richtungen und die Analytik mit miniaturisierten Totalanalysensystemen oder mit mikropräparativen Probenvorbereitungsmodulen für die DNA-Extraktion.

Die Stoffe in den Mikrokanälen können mit optischen Methoden detektiert werden. Dabei können Absorptions- und Fluoreszenzverfahren genutzt werden. Wegen ihrer hohen Empfindlichkeit wird die laserinduzierte Fluoreszenzdetektion häufig einge­ setzt.

Figuren und Beispiele

Es zeigen

Fig. 1 Schichtaufbau eines Moduls mit einer mikrostrukturierten Folie.

Fig. 2 Schichtaufbau eines Moduls mit mehreren mikrostrukturierten Folien.

Fig. 3 Einführung von Trennmembranen in den Schichtaufbau.

Fig. 4 Schichtaufbau eines Moduls mit Gefäßen an einer Abdeckschicht.

Fig. 5 Anordnung zum Schneiden der Folien.

Fig. 6 Modul, das durch Druck verbunden ist.

Fig. 7 Manuelle Schneidapparatur zur Mikrostrukturierung von Polymer­ folien.

Fig. 8 Fotokopie des lasergeschweißten Schichtaufbaus eines Moduls.

Fig. 9 Elektrophoretischer Transport in einer Mikrokanalstruktur.

Fig. 1 zeigt eine Folie 2 mit einer Mikrokanalstruktur 1. Die Stärke der Folie 2 ent­ spricht der Kanaltiefe. Die Folie 2 wird von der unteren Abdeckschicht 3 und der oberen Abdeckschicht 4 eingeschlossen. Die Abdeckschichten bilden die obere und untere Kanalwand. Die Abdeckschicht 4 verfügt über die Zugänge 5 zu der Mikro­ kanalstruktur 1 in der Folie 2.

In Fig. 2 befinden sich zwei unterschiedlich mikrostrukturierte Folien 2a und 2b mit den Mikrostrukturen 1a und 1b zwischen den Abdeckschichten 3 und 4. Beim Stapeln der Folien entsteht ein Überlapp 11 der beiden Mikrokanäle 1a und 1b. Die Zugänge 5b' und 5b zum Mikrokanal 1b in der unteren Folie 2b befinden sich in der Folie 2a und der Abdeckschicht 4. Die Zugänge 5a zum Mikrokanal 1a in der oberen Folie 2a befinden sich in der Abdeckschicht 4.

Verschiedene Möglichkeiten der Einführung der Membranen 6a, 6b und 6c in den Schichtaufbau sind in Fig. 3 dargestellt. Die Membran 6b befindet sich über dem Zu­ gang 5 oberhalb der Abdeckschicht 4. Die Membran 6a befindet sich zwischen der Folie 2 und der Abdeckschicht 4 im Bereich eines Zugangs 5 zu den Mikrokanälen 1 der Folie 2. Die Membran 6c bildet den Durchgang in der Abdeckschicht 4 zu den Mikrokanälen 1 in der Folie 2.

Fig. 4 zeigt ein Modul bestehend aus einer Folie 2 mit Mikrokanälen 1 und den Ab­ deckschichten 3 und 4. Auf der Abdeckschicht 4 über den Zugängen 5 befinden sich Proben-, Reagenzien- und Puffergefäße 7.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Schneiden der Folien. Auf dem Schneidtisch 10 be­ findet sich die zu strukturierende Folie 9 unter dem Schneidmesser 8. Die zu struktu­ rierenden Folie 9 wird durch eine Kraft 81 in eine Vorspannung gebracht.

Fig. 6 zeigt ein Modul, bei dem die strukturierte Folie 13 zwischen zwei formsteifen Abdeckplatten 14 und 15 fixiert ist. Der Druck, durch den die Mikrokanäle in der Folie dicht durch die Abdeckplatten abgeschlossen werden, wird durch die Schraube 12 und/oder die Niete 16 ausgeübt. Zwischen die Abdeckplatten 14 und 15 könnten auch mehrere Folien übereinander gestapelt werden.

Fig. 7a zeigt eine Schneidapparatur zur Mikrostrukturierung von Polymerfolien. Fig. 7b zeigt eine milcrostrukturierte Folie wie sie mit einer Schneidapparatur nach Fig. 7a hergestellt werden kann. Die Schneidapparatur besteht aus einer drehbaren Walze 18 zur Aufnahme der Folie, einem Handrad mit Rastpositionen 19, einem Paar von Schneidmessern 20 für das Schneiden der seitlichen Begrenzung der Mikrostruktur­ folie. Die beiden Schneidmesserpaare 21 werden für das Schneiden der Längskanäle a und b der Mikrostruktur verwendet. Die Stanzmesseraufnahme 22 kann verschiedene Stanzmesser zum Stanzen des Querkanals c, zum Stanzen der Strukturbegrenzungen e und zum Stanzen der Folienbegrenzungen aufnehmen.

Die Führung 23 dient zur Ausführung der mit g bezeichneten Positionsbohrungen.

Fig. 8 ist eine Fotokopie eines Moduls. In eine 100 µm dicke, schwarz pigmentierte Folie 2 aus Polycarbonat wurden mit der manuellen Schneidapparatur aus Fig. 7 Mikrokanäle 1, 3 und 4 geschnitten. Die strukturierte Folie wurde zwischen zwei transpararente Folien aus Polycarbonat von 400 µm Stärke gelegt und großflächig um die Kanalstruktur herum mit den transparenten Folien durch einen Infrarotlaser ver­ schweißt (dunkler Bereich). Das so dauerhaft verbundene Modul verfügt über intakte Kanalstrukturen.

Fig. 9a zeigt wie der elektrophoretische Transport von fluoreszenzmarkierter DNA im lasergeschweißten Schichtmodul aus Fig. 8 erfolgt. In Fig. 9b ist das Fluoreszenz­ signal bei einer Wellenlänge von 520 nm, wie es im dünnen Kanal am Detektor 24 detektiert wird, dargestellt. Unter dem Einfluß der Spannung 25a wird die DNA elektrokinetisch in den breiten Kanal transportiert (Fig. 9a-(a)). Dann wird die Spannung 25b zwischen dem breiten und schmalen Kanal angelegt und die DNA wird mit dem Strom in den Querkanal geleitet (Fig. 9a-(b)). Dort bewegt sie sich unter dem Einfluß der Spannung 25c am schmalen Kanal elektrokinetisch am Detektor 24 vorbei (Fig. 9a-(c)). In Fig. 9b tritt ein Detektorsignal erst in der in Fig. 9a-(c) dargestellten Phase auf.

Beispiel 1

Zur Herstellung einer mikrostrukturierten Folie mit einer manuellen Schneidapparatur aus Fig. 7 wird zunächst ein passendes Stück 100 µm starker Folie mittels Klebeband auf der drehbaren Walze 18 fixiert. Durch Einklappen der beiden Schneidmesserpaare 21 und Drehen des Handrades 19 werden gleichzeitig die Längsschnitte für den Mikrokanal a mit 2 mm Breite mit dem entsprechenden Messerabstand von 2 mm und für den Mikrokanal b mit 100 µm Breite mit dem entsprechenden Messerabstand von 100 µm in die Folie geschnitten. Die Begrenzung der Schnittlänge auf 55 mm erfolgt durch zwei Rastpositionen des Handrades. Durch Einklappen der beiden Schneid­ messer 20 und Drehen des Handrades 19 werden die Längsbegrenzungen der Folie mit einen Abstand von 20 mm geschnitten. Die Schnittbegrenzung nach 91 mm erfolgt ebenfalls durch zwei Rastpositionen des Handrades. Das Stanzen der Querschnitte er­ folgt nach Einsetzen der jeweiligen Stanzmesser in die Stanzmesseraufnahme 22 durch das Einklappen der Stanzmesser auf die Walze 18 und die darauf befindliche Folie.

Auf diese Weise werden der Querkanal c, die obere und untere Begrenzung der Mikrokanäle d und e und die obere und untere Begrenzung der Folie f gestanzt. Für jede Stanzposition existiert eine Rastposition des Handrades. Genauso werden die Justierungsbohrungen g mittels Lochstanzer 23 und zwei Rastpositionen des Hand­ rades erzeugt. Die so hergestellten mikrostrukturierte Folie mit definierten Außen­ maßen enthält einen schmalen Kanal b von 100 µm Breite und 55 mm Länge, einen breiten Kanal a von 2 mm Breite und 55 mm Länge und einen schmalen Querkanal c von 100 µm Breite und 4 mm Länge. Die Außenmaße der Folie betragen 20 mm Breite und 91 mm Länge.

Das Ergebnis des Schneidverfahrens ist in der Fotokopie für eine schwarze Polycarbonat-Folie als Photokopie in Fig. 8 dargestellt.

Beispiel 2

Es wurde ein Modul mit einer elastischen, mikrostrukturierten Folie aus thermo­ plastischem Polyurethan (TPU) von 75 µm Stärke und einer Abdichtung durch An­ preßdruck hergestellt.

Die Mikrokanalstruktur wurde entsprechend dem Beispiel 1 hergestellt. Die elastische Folie wurde zwischen zwei Platten aus Polycarbonat gelegt und mit 19 Schrauben fixiert. Die spanabhebend gefertigten Platten waren jeweils 6 mm stark und die obere Platte enthielt 4 Bohrungen die jeweils an den Kanalenden in der mikrostrukturierten Folie endeten. Oberhalb dieser Bohrungen befanden sich kleine Pufferreservoirs. Durch festes Anziehen der Schrauben wurde die elastische TPU-Folie so zusammen­ gepreßt, daß sie transparent erschien. In die Pufferreservoirs wurde Tris/Borat-Puffer, der 0.1 molar war und einen pH-Wert von 8.5 hatte, eingefüllt und das gesamte Modul im Vakuum entlüftet. In die Pufferreservoirs wurden Elektroden eingeführt. Das gesamte Modul wurde über Kontaktkühlung mit thermostatisierten Metallflächen auf 10°C abgekühlt. Über die Elektroden wurde zunächst entlang des breiten Kanals eine Spannung von 700 V angelegt und ein Strom von 350 µA gemessen. Beim An­ legen einer Spannung von 1 kV wurde entlang des schmalen Kanals ein Strom von 25 µA gemessen. Das Verhältnis der gemessenen Ströme entspricht dem Verhältnis der Kanalquerschnitte von schmalem und breitem Kanal. Das zeigt, daß die elektrische Leitung ausschließlich über die puffergefüllten Kanäle verläuft und das Modul ansonsten elektrisch isolierend ist.

Beispiel 3

Es wurde ein Modul mit einer schwarz pigmentierten Infrarot-absorbierenden mikro­ strukturierten Polycarbonat-Folie von 100 µm Stärke hergestellt. Die Abdichtung des Moduls erfolgte durch Laserschweißen.

Die Mikrokanalstruktur wurde in der Polycarbonat-Folie im wesentlichen ent­ sprechend dem Beispiel 1 hergestellt. Der Unterschied zum Verfahren aus Beispiel 1 bestand lediglich darin, daß der schmale Kanal mit einer Breite von 200 µm geschnit­ ten wurde. Die mikrostrukturierte Folie wurde zwischen zwei weitere transparente Folien von 400 µm Stärke gelegt, wobei eine der Folien über 4 runde Löcher jeweils an Positionen, die den Enden der langen Kanäle in der mikrostrukturierten Folie ent­ sprechen, verfügt. Die Löcher, die dem schmalen Kanal zugeordnet werden können, haben einen Durchmesser von 400 µm, die dem breiten Kanal entsprechenden Löcher einen Durchmesser von 3 mm. Die Folien wurden mit einer Glasplatte auf einem fe­ sten Untergrund zusammengedrückt und mit einem Nd:YAG-Laserstrahl mit einer effektiven Leistung von 8 W großflächig um die Mikrostruktur abgetastet. Der La­ serstrahl hatte am Ort der Folien einen Durchmesser von 2,2 mm und die Abtastge­ schwindigkeit betrug 18 mm/s. Die bestrahlten Bereiche sind in Fig. 8 am intensiveren Schwarz zu erkennen. Obwohl nur von einer Seite bestrahlt wurde, sind die drei Fo­ lien dauerhaft und fest verschmolzen. Durch den Schmelzvorgang verengte sich der schmale Kanal von 200 µm auf 120 µm.

Beispiel 4

Das Modul aus Beispiel 3 wurde mit der Seite, auf der sich die Löcher tragende Folie befindet, mit schnell härtendem Klebstoff gegen eine spanabhebend gefertigte Platte aus Polycarbonat geklebt. Die Platte verfügt über vier Puffergefäße mit Bohrungen von 2 mm Durchmesser, die sich über den Löchern in der Abdeckfolie des Moduls be­ finden. In die Pufferreservoirs wurde Tris/Borat-Puffer, der 0.1 molar war, 0,1% Methylcellulose enthielt und einen pH-Wert von 8.5 hatte eingefüllt und das gesamte Modul im Vakuum entlüftet. In die Pufferreservoirs wurden Elektroden eingeführt. Das gesamte Modul wurde über Kontaktkühlung mit thermostatisierten Metallflächen auf 10°C abgekühlt. Über die Elektroden wurde zunächst entlang des breiten Kanals eine Spannung von 1 kV angelegt und ein Strom von 270 µA gemessen. Entlang des schmalen Kanals wurde ebenfalls eine Spannung von 1 kV angelegt und ein Strom von 25 µA gemessen. Das zeigt, daß die elektrische Leitung ausschließlich über die puffergefüllten Kanäle verläuft und das Modul ansonsten elektrisch isolierend ist.

Das so präparierte Modul wurde mit dem Versuchsaufbau gemäß Fig. 9 getestet. Da­ zu wurde zusätzlich ein laserinduzierter Fluoreszenzdetektor 24 oberhalb der Mikro­ struktur positioniert. Das Laserlicht eines Argon-Ionen-Lasers mit 488 nm Wellen­ länge wurde mit einem Lichtleiter in einem Winkel von 45° auf die Moduloberfläche eingestrahlt. Ein zweiter Lichtleiter wurde so positioniert, daß er unter einem Winkel von 90° zur Moduloberfläche emittiertes Licht, dem Detektor 24 zuleitete. In ein Pufferreservoir des breiten Kanals wurde mit einem Fluoreszenzmarker interkalierte DNA, das 10 mikromolar war, gefüllt. Durch Anlegen einer Spannung von 700 V wurde die DNA entlang des breiten Kanals transportiert (Fig. 9a-(a)). Nach 3 min wurde eine Spannung von 1 kV für 10 Sekunden zwischen breitem und schmalem Kanal angelegt, um die DNA über den Querkanal zu transportieren (Fig. 9a-(b)). Nach Umschalten der Spannung auf 1 kV entlang des schmalen Kanals wurde die DNA über ihre Fluoreszenzwellenlänge bei 520 nm nachgewiesen. Das Nachweis­ signal ist bei (c) in Fig. 9b zu erkennen.

Claims (20)

1. Modul aus Polymermaterialien mit einem Mikrokanalsystem, bestehend aus einer oder mehreren übereinanderliegenden Polymer-Folien mit Aussparungen in Form der Mikrokanalstruktur, wobei die offenen Kanäle auf der Ober- und Unterseite der Folie oder des Folienstapels durch eine obere und eine untere Abdeckschicht abgeschlossen werden und mindestens eine der Abdeck­ schichten mindestens zwei Zugänge zu mindestens einem Mikrokanal enthält.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschichten und/oder Folien transparent sind.

3. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien Strahlung mit Wellenlängen im optischen oder Infrarot-Bereich absorbieren.

4. Modul nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß Folien aus Polycarbonat oder Polymethymethacrylat verwendet werden.

5. Modul nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus unterschiedlichen Schichten aufgebaut sind, von denen mindestens eine Schicht Klebefunktion, Absorptionsfunktion oder elastische Abdichtungs­ funktion hat.

6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien und/oder die die Kanalwände bildenden Abdeckplatten auf der kanalzu­ gewandten Seite beschichtet sind.

7. Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beschichtung Poly­ acrylamid, Polyvinylalkohol, oligomere Alkylamine, nichtionische Detergen­ zien wie Polyoxyethylenether oder polymere Zucker wie Hydroxypropyl­ methylcellulose oder Methylcellulose verwendet werden.

8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien eine Stärke von 10-1000 µm, vorzugsweise 10-100 µm, besonders bevorzugt von 25-75 µm haben.

9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kanallängen 1 mm bis 100 mm, bevorzugt 5-50 mm und die Kanalbreiten vorzugsweise 1 µm bis 5 mm betragen.

10. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der kanalabgewandten Seite von einer oder beiden Abdeckschichten über den Zugängen zu den Mikrokanälen Proben-, Reagenzien- und/oder Pufferge­ fäße befinden.

11. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine oder mehrere Trennmembranen im Zugangsbereich zum Mikrokanal zwischen einer äußeren Abdeckschicht und einer Folie oder zwischen zwei Folien im Überlappungsbereich der Mikrokanäle oder direkt in den Zugängen in der Abdeckschicht befinden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Moduls aus Polymermaterialien nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Folien mikro­ strukturiert werden und die eine mikrostrukturierte Folie mit den Abdeck­ schichten verbunden wird oder mehrere übereinander liegende mikro­ strukturierte Folien untereinander und mit den Abdeckschichten verbunden werden, so daß die Kanäle in der oder den mikrostrukturierten Folien abge­ dichtet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro­ strukturierung der Folien durch Ätzen, Laserablation, Stanzen und/oder Schneiden erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien vorge­ spannt werden und die einzelnen Kanäle in Längsrichtung durch zwei parallel angeordnete Messer geschnitten werden, wobei der Abstand der Messer der Kanalbreite entspricht und die Begrenzung der Kanäle in Querrichtung durch Schneiden oder Stanzen erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien und die Abdeckschichten durch Druck, Kleben oder Verschweißen miteinander ver­ bunden werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckschicht feste Platten verwendet werden, die durch Schrauben, Clips, Spannelemente, Nieten oder Verschweißen verbunden werden und Druck auf die zwischen den Abdeckschichten befindlichen Folien ausüben.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien und die Abdeckschichten durch Heißprägen, Heizelementschweißen, Infrarotstrah­ lungsschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Hochfrequenz­ schweißen miteinander verbunden werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeck­ schichten transparent sind und die eine oder mehrere mikrostrukturierten Folien im optischen oder Infrarot-Bereich absorbieren und die unverbundene Anordnung mit Strahlung in einer Wellenlänge, die der Ab­ sorptionswellenlänge der Folien entspricht, bestrahlt und zu einem Modul ver­ schmolzen wird.

19. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschichten auf der kanalzugewandten Seite und/oder die Folien vor dem Schneiden beschichtet werden.

20. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verbinden der Folien und der Abdeck­ schichten Trennmembranen eingesetzt werden.