DE60112812T2

DE60112812T2 - Poröses mikroventil

Info

Publication number: DE60112812T2
Application number: DE2001612812
Authority: DE
Inventors: Marci Pezzuto; D. Stephen O'CONNOR
Original assignee: Nanostream Inc
Current assignee: Nanostream Inc
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2021-10-13
Also published as: US6499499B2; US20020153046A1; EP1379787A1; ATE302349T1; DE60112812D1; US6418968B1; US20030005969A1; EP1379787B1; US6748978B2; WO2002086332A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Mikrofluidik-Vorrichtungen, welche eingebaute Mittel zum Steuern des Fluidflusses innerhalb solch einer Vorrichtung aufweisen.
Ein Beispiel von solchen Vorrichtungen ist aus WO 01/25138 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem Aspekt der Erfindung weist eine Mikrofluidik-Vorrichtung mehrere Porenbereiche auf, welche den Fluidfluss zwischen Kanälen verhindern, welche in einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht der Vorrichtung ausgebildet sind. Jeder Porenbereich hat einen charakteristischen Widerstand und ist einem ersten Schichtkanal und einem zweiten Schichtkanal zugehörig. Mindestens zwei erste Porenbereiche sind durch unterschiedliche Widerstände charakterisiert. Beim Verwenden, wenn ein Fluid auf diese Bereiche trifft, wird vorzugsweise eine Fluidfront aufgehalten, bis ein Zustand wie beispielsweise ein erhöhter Druck erreicht ist zum Anregen des Fluids, den von den Porenmaterialien bereitgestellten Widerstand zu überwinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens einer, der erste Porenbereich oder der zweite Porenbereich, eine Porenmembran auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen die Mikrofluidik-Vorrichtungen sandwichartig aufeinandergelegte Matrizenschichten auf.
In einer Ausführungsform sind die erste Schicht und die zweite Schicht zueinander benachbart. In einer anderen Ausführungsform ist eine dritte Schicht, welche mindestens einen Porenbereich aufweist, zwischen die erste Schicht und die zweite Schicht eingefügt.
In einer Ausführungsform weist ein Porenbereich eine Porenmembran auf, welche im wesentlichen alles von einer Trennschicht ausbildet. In einer anderen Ausführungsform können Porenbereiche durch Verfestigen von oder durch anderweitiges Aushärten einer fließfähigen Flüssigkeit, einer fließfähigen Lösung, einer fließfähigen Aufschlämmung oder Suspension in einem Mikrofluidik-Kanal ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform können die erste Schicht und die zweite Schicht vereint sein. In einer anderen Ausführungsform sind mindestens eine von der ersten Schicht und von der zweiten Schicht aus einem selbstklebenden Material wie einem Klebeband ausgebildet. Unterschiedliche Typen von Klebebändern sind vorstellbar, wie dass sie unter Verwendung verschiedener, unterschiedlicher Wechselwirkungen ausgehärtet werden. Zahlreiche unterschiedliche Typen von Materialien können verwendet werden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann jeder der vorhergehenden separaten Aspekte oder Merkmale für einen zusätzlichen Nutzen kombiniert werden.
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Ziele der Erfindung werden durch die Durchsicht der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüchen ersichtlich.
Definitionen
Der wie hierin verwendete Begriff "Kanal" ist im weitesten Sinne zu interpretieren. Daher ist er nicht vorgesehen, dass er auf längliche Konfigurationen einzuschränken ist, wo die Quer- oder Längsabmessung in großem Ausmaß den Durchmesser oder die Querschnittsabmessung übertrifft. Eher sind solche Begriffe so gemeint, dass sie Hohlräume oder Tunnel von jeder gewünschten Gestalt oder Konfiguration aufweisen, durch welche Flüssigkeiten geleitet werden können. Solch ein Fluid-Hohlraum kann beispielsweise eine Durchflusszelle aufweisen, wo ein Fluid dauernd passiert wird oder alternativ eine Kammer zum Aufnehmen einer bestimmten diskreten Fluidmenge über eine bestimmte Zeitdauer. Die "Kanäle" können aufgefüllt sein oder können interne Strukturen enthalten, welche Ventile oder gleichwertige Bauteile aufweisen.
Der wie hierin verwendete Begriff "Mikrofluidik" ist, ohne irgendeine Einschränkung dazu, auf Strukturen oder Vorrichtungen bezogen zu verstehen, durch welche ein Fluid(e) hindurch passiert (passieren) oder geführt werden kann (können), wobei eine oder mehrere der Abmessungen kleiner als 500 μm ist/sind.
Der wie hierin verwendete Begriff "Porenbereich" beschreibt einen Abschnitt von einer oder eine Schnittstelle mit einer Mikrostruktur (wie beispielsweise einem Mikrofluidik-Kanal), intern von einer Mikrofluidik-Vorrichtung, welche eine Bewegung einer Fluidfront bei einem gegebenen Druck unter Anwendung eines Porenmaterials beschränkt. Solch eine Beschränkung kann auch Widerstand genannt werden. Eine unglaublich große Vielfalt von Materialen kann zum Erzeugen eines Porenmembranventils verwendet werden, wie es von einem Fachmann in der Filtertechnik zu erkennen ist. Faktoren, welche den von einem besonderen Porenmembranventil verursachten Widerstand beeinflussen können, weisen das Folgende auf, sind aber nicht darauf beschränkt: die Membranabmessungen; die Netzwerkgeometrie zwischen einer Membran und dem zugehörigen Einlass- oder Auslasskanal; die Membranporengröße/das Hohlraumvolumen; die Membranporen-Geometrie (z. B. ob die Poren zufällig verteilt oder in Fluidfluss-Richtung ausgerichtet sind); und das Membranmaterial, einschließlich jede chemische Wechselwirkung zwischen der Membran und einem Arbeitsmedium (beispielsweise, wenn die Membran aus hydrophobem Material zusammensetzt ist und eine wässrigen Lösung in die Vorrichtung fließt).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer ersten Mikrofluidik-Vorrichtung mit drei Mikrofluidik-Ventilen. 1B zeigt eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 1A.
2A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Mikrofluidik-Vorrichtung mit drei Mikrofluidik-Ventilen. 2B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 2A.
3A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer dritten Mikrofluidik-Vorrichtung mit zwei Mikrofluidik-Ventilen. 3B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 3A.
4A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluidik-Vorrichtung, welche eine Probe dosiert und in vier gleiche Portionen unter Anwendung der Porenmembranventile der gegenwärtigen Erfindung teilt. 4B ist eine Draufsicht der zusammengebauten Vorrichtung aus 4A.
5A ist eine Draufsicht auf eine Mikrofluidik-Vorrichtung mit zwei leeren Kammern. 5B ist eine Draufsicht auf eine Mikrofluidik-Vorrichtung mit zwei Kammern, wobei jede eine Porenmembran enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung betrifft die Mikrofluidik-Vorrichtung, welche eingebaute Mittel zum Steuern des Fluidflusses aufweist. In einem Aspekt der Erfindung weisen bestimmte Bereiche von einer Mikrofluidik-Vorrichtung Porenmaterialen auf, welche den Fluidfluss hindern. Beim Verwenden, wenn das Fluid auf diese Bereiche trifft, wird die Bewegung einer Fluidfront verhindert, bis für das Fluid ein ausreichender Druck zum Überwinden des von den Porenmaterialien bereitgestellten Widerstands bereitgestellt wird. Mehrere Porenbereiche, welche als Mikrofluidik-Ventile dienen können, können auf einer einzigen Vorrichtung ausgebildet sein, so dass sie unterschiedliche Sperrvermögen oder Widerstände haben und im Einklang die Gesamtrichtung des Fluidflusses steuern können. Die Widerstandbereiche können innerhalb der Kanäle auf eine Anzahl von Weisen ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Vorrichtungen können auf verschiedene Weisen unter Anwendung einer weiten Vielfalt von Materialien herstellt werden. In bestimmten Ausführungsformen sind diese Mikrofluidik-Vorrichtungen unter Verwendung von im wesentlichen flachen Matrizenschichten ausgebildet zum Definieren von Strukturen wie Kanälen und/oder Kammern durch Beseitigen von Material durch die gesamte Dicke des Materials. Zum Erleichtern einer ausreichenden Materialbeseitigung kann ein computergesteuerter zum Empfangen eines Schneidmessers modifizierter Plotter verwendet werden. Alternativ kann ein computergesteuerter Schneid-Laser verwendet werden. Als andere Alternativen können konventionelle Druck-, Schneid- und/oder Gießtechniken angewendet werden. Die weite Vielfalt von Materialien, welche zum Herstellen von Mikrofluidik-Vorrichtungen verwendet werden kann, welche sandwichartig aufeinandergelegte Matrizenschichten verwenden, weist Polymer-, Metall, Papier- und/oder Komposit-Materialien auf, um ein paar zu nennen. Wenn in einer Mikrofluidik-Vorrichtung zusammengebaut, kann die obere Fläche und die untere Fläche der Matrizenschicht mit einer oder mehreren angrenzenden Matrizen- oder Trägerschichten gepaart werden zum Ausbilden einer im wesentlichen geschlossenen Vorrichtung. Zum Begünstigen der Abdichtung zwischen den unterschiedlichen Schichten können Klebstoffe verwendet werden, vorteilhafterweise in der Form von selbstklebenden Schichten, die zum Ausbilden einer Vorrichtung verwendet werden. Andere Abdichtverfahren können verwendet werden, einschließlich, thermischer, chemischer oder mechanischer Aufbringmittel. Druck und/oder Vakuum könne/kann zum Aufrechterhalten des Abdichtkontakts zwischen den Schichten angewendet werden. Wie oben diskutiert, können andere Herstellungsverfahren, die keine Matrizenschichten verwenden, verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Porenmaterialien in oder zwischen die Kanäle eingesetzt und bilden den Widerstandsbereich aus. Diese Porenmaterialien sind derart ausgebildet, dass ein Druckverlust auf der einen Seite des Materials hin zu der anderen auftritt und den Fluidfluss innerhalb eines gewünschten Druckbereichs verhindert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Widerstandbereich eine Scheibe oder eine Schicht aus Material, welche eine der Matrizenschichten der Vorrichtung bildet. Das Fluid reist durch Kanäle in einer der Schichten einer Vorrichtung und passiert durch Durchgangslöcher, welche durch die Matrizenschicht hindurchführen, welche den Widerstandsbereich zu Kanälen auf einer oberen oder unteren Schicht der Vorrichtung bildet. In anderen Ausführungsformen kann ein Widerstandsbereich ausgebildet sein, indem eine oder mehrere Fluidik-Ingredienzien in einen Kanal eingesetzt oder eingeströmt werden und indem den Ingredienzien erlaubt wird, sich teilweise oder vollständig zu verfestigen. Das Fluidik-Ingrediens (die Fluidik-Ingredienzien), aus welchem der Widerstandsbereich ausgebildet ist (sind), kann (können) eine Flüssigkeit, eine Lösung, eine Aufschlämmung oder eine Suspension aus Polymeren, Keramiken oder anderen Materialien sein, welche anorganische Materialien aufweisen.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung werden Porenmembranen zum Führen und Steuern des Fluidflusses in einer Mikrofluidik-Vorrichtung verwendet. Porenmembranen weisen mehrere Eigenschaften wie beispielsweise die Porengröße, die chemische Wechselwirkung mit einem Arbeitsmedium (z.B. Hydrophobie oder Hydrophobie bezüglich wasserhaltiger Lösungen) und das Hohlraumvolumen auf, welches die Fluid-Eindringdrücke und die Durchflussraten von einer bestimmten Membran bestimmen. Diese Eigenschaften können in einer Mikrofluidik-Vorrichtung zum Manipulieren des Fluids auf eine gewünschte Weise angewendet werden.
Verschiedene hydrophobe Membranen werden mit unterschiedlichen Fluid-Eindringdrücken hergestellt. In einer Ausführungsform können verschiedene Membranen mit unterschiedlichen Fluid-Eindringdrücken in einer Mikrofluidik-Vorrichtung konfiguriert werden zum Erzeugen von Ventilen mit verschiedenen Widerständen.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform kann Material in einen Kanal oder in ein Durchgangsloch zum Bereitstellen des Ventilmechanismus gepackt sein. Verschiedene Filtermaterialien sind für diesen Zweck brauchbar, aufweisend Silikagel, Polymerperlen, Glasperlen und andere Materialien, welche in der Chromatographie verwendet werden. Andere äquivalente Materialien sind in der Filtertechnik allgemein bekannt.
Beim Verwendung bewirkt der Druck oder ein anderes Mittel, dass das Fluid durch einen Kanal hindurch strömt. Wenn die Fluidfront einen Bereich erreicht, wo die Porenmembranventile angeordnet sind, wird der Fluidfluss am Passieren der Porenmembran gehindert, bis der Widerstand, welcher von der Membran bewirkt wird, durch einen angestiegenen Druck innerhalb des Kanals überwunden ist. In bestimmten Ausführungsformen beginnt das Fluid in das Porenmaterial hineinzufließen, aber fließt langsam. Die Fluidflussrate durch das Material hindurch ist im allgemeinen proportional zum Gegendruck.
Wie oben angemerkt, können viele Faktoren das Profil der Fluidflussrate gegen den Gegendruck für den Durchfluss durch ein gegebenes Porenmaterial hindurch beeinflussen. Diese Faktoren weisen auf, sind aber nicht darauf beschränkt, die chemische Beschaffenheit der Membran, die Porengröße der Membran, die Geometrie und Gestalt der Poren in der Membran, die Oberflächengröße der Membran, die Größe der Öffnung, wo das Fluid hindurchströmen wird, und andere Parameter. Die Beschaffenheit des Fluids, welches hindurchströmt, wird auch einen Einfluss haben. Die Fluidfaktoren weisen auf, sind aber nicht darauf beschränkt, die Zusammensetzung des Fluids, die Oberflächenspannung des Fluids, die Viskosität des Fluids, die Temperatur und die Verdichtbarkeit des Fluids.
Vorrichtungen gemäß der Erfindung können auf vielfältige Weise ausgebildet sein. Ein paar Beispiele werden gezeigt.
Bezugnehmend auf 1A ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 10 aus zehn Matrizenschichten 20–29 ausgebildet, aus welchen Kanäle 30–33, Durchgangslöcher 34 und eine Einlassöffnung 35 abgetragen worden sind. Die Matrizenschichten 24–26 sind alle auf derselben Schicht und setzen sich aus drei unterschiedlichen Porenmembranen zusammen. Die Matrize 26 weist ein Polyethylen mit ultrahoher Molmasse (UHMWPE) mit einer 40 μm Porengröße auf, welches hydrophob ist. Die Matrize 25 weist ein UHMWPE mit 2,5–4,5 μm Porengröße auf. Die Matrize 24 weist ein UHMWPE mit 25 μm Porengröße auf. Die Matrizenschicht 20 ist auch ein Porenmaterial und weist PTFE mit 1–2 μm Poregröße auf. Die Matrizenschichten 21, 23, 27 weisen ein einseitiges Klebeband mit einem 2 Millizoll-(50 μm)-Polyesterträger mit 0,8 Millizoll (20 μm) Acrylkleber auf. Die Matrizenschichten 22 und 28 sind doppelseitiges Klebeband, welches einen 0,5 Millizoll (13 μm) dicken Polyesterträger mit 1,8 Millizoll (45 μm) dicken Acrylkleber auf beiden Seiten aufweisen. Die Matrizenschicht 29 ist eine 1/8 Zoll (3 mm) Polycarbonatbasis mit einem Loch mit einem Durchmesser von 0,38 Zoll (9 mm), welches zum Ausbilden einer Einlassöffnung 35 gebohrt ist.
Die zusammengebaute Vorrichtung 10 ist in 1B gezeigt und die drei Ventilbereiche sind mit 36–38 markiert. Beim Verwenden wird koloriertes Wasser bei der Einlassöffnung 35 mit einer Flussrate von 10 μl/min injiziert. Das Fluid füllt den Kanal 33 vollständig aus und wird an jedem der Ventilbereiche 36–38 gestoppt. Dann wird weiter Druck auf den Einlass ausgeübt, bis das Ventil 36 überwunden wird. Das Ventil 36 weist die Kombination des Porenmaterials 26 und der Durchgangslöcher 34 auf. Das Ventil 36 wird als erstes überwunden, da das 40 μm porengroße Material Wasser leichter passieren lässt als es die anderen tun. Wenn das Fluid den Kanal 30 ausfüllt, trifft das Fluid auf das Porenmaterial, welches die Matrizenschicht 20 ausbildet. Das Fluid will sogar weniger durch die Matrizenschicht 20 hindurchpassieren, als durch das nächste Ventil, wobei so das Ventil 37 überwunden wird. Sobald der Kanal 31 aufgefüllt ist, wird das Ventil 38 überwunden.
Eine andere Mikrofluidik-Vorrichtung 39 mit eingebauter Sperrung ist in 2A–2B gezeigt. Diese Vorrichtung 39 ist zu der in 1A–1B gezeigten Vorrichtung 10 ähnlich, außer dass die Porenmaterial-Matrizenschichten eigentlich eine Fläche der Kanäle ausbilden. Bezugnehmend auf 2A ist eine Mikrofluid-Vorrichtung aus neun Matrizenschichten 40–48 ausgebildet, von welchen die Kanäle 49–52, Durchgangslöcher 53 und eine Einlassöffnung 54 abgetragen worden sind. Die Matrizenschichten 43-45 sind alle auf derselben Schicht und sind aus drei unterschiedliche Porenmembrane ausgebildet. Die Schicht 43 ist aus Polyethylen mit ultrahoher Molmasse (UHMWPE) mit einer Porengröße von 40 μm ausgebildet, welches hydrophob ist. Die Schicht 45 ist aus UHMWPE mit einer Porengröße von 2,5–4,5 μm ausgebildet. Die Schicht 44 ist aus UHMWPE mit einer Porengröße von 25 μm ausgebildet. Die Schicht 40 ist auch ein Porenmaterial und aus PTFE mit einer Porengröße von 1–2 μm ausgebildet. Die Matrizenschichten 41 und 46 sind aus einseitigem Klebeband ausgebildet, d.h. 2 Millizoll (50 μm) Polyesterträger mit 0,8 Millizoll (20 μm) Acrylklebstoff. Die Matrizenschichten 42 und 47 sind doppelseitiges Klebeband, welches aus 0,5 Millizoll (13 μm) dickem Polyesterträger mit 1,8 Millizoll (45 μm) dicken Acrylklebstoff auf beiden Seiten ausgebildet sind. Die Matrizenschicht 48 ist eine 1/8 Zoll (3 mm) Polycarbonatbasis mit einer Öffnung mit einem Durchmesser von 0,38 Zoll (9 mm), welche zum Ausbilden einer Einlassöffnung 35 gebohrt ist. Die zusammengebaute Vorrichtung 39 ist in 2B gezeigt. Die Vorrichtung funktioniert identische, wie die Vorrichtung 10, welche in 1 gezeigt ist.
In bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, jede Matrizenschicht aus einem einzigen Material auszubilden. Eine Vorrichtung wie diese kann ausgebildet werden, indem Durchgangslöcher in dem Porenmaterial an sich ausgebildet sind und indem diese ganzen Scheiben aus Porenmaterial sind, welche individuelle Schichten ausbilden.
Die Erfindung kann auch praktiziert werden unter Verwendung von traditionellen Mikrofluidik-Ausbildungs-Techniken wie beispielsweise das Einätzen von Kanälen in Glas oder Silizium oder das Prägen oder das Mikrogießen von Kanalstrukturen in Polymermaterialien. Bezugnehmend auf 3A ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 100 aus vier Teilen 180–183 ausgebildet, zwei Teile, welche aus in Substraten 180, 183 ausgenommen Kanälen gemacht sind, und zwei Teile, die aus Porenmaterialien 181, 182 sind. Das untere Substrat 180 weist einen Kanal 184 auf, welcher durch Techniken wie beispielsweise Ätzen oder Prägen ausgenommen worden ist. Auch ein Durchgangsloch 187 wurde den gesamten Weg durch das Substrat 180 hindurch erzeugt. Das Durchgangsloch 187 kann beispielsweise durch eine zweite Ätzung oder durch Bohren ausgebildet werden. Eine obere Platte 183 ist mit zwei ausgenommenen Kanälen 185, 186 und zwei Durchgangslöcher 188, 189 ausgebildet. Zwei unterschiedliche Porenbereiche 181, 182 sind zwischen die ausgenommenen Abschnitte der Substrate 180, 183 sandwichartig gelegt. In diesem Beispiel sind die Porenbereiche 181, 182 aus identischen Materialien gemacht, haben aber unterschiedliche Porengrößen. Beispielsweise ist der Porenbereich 182 von 5 μm-Porengröße und das Element 181 ist von 25 μm-Porengröße. Die Porenbereiche 181, 182 nehmen vorzugsweise aber nicht notwendigerweise eine gemeinsame Schicht ein. Die Substrate 180, 183 können an die Porenelemente 181–182 auf eine Vielfalt von Weisen gebondet sein. Beispielsweise kann eine Klebstoffschicht auf die obere Schicht von 180 und die untere Schicht von 183 aufgebracht werden und die Vorrichtungen werden sandwichartig aufeinandergelegt. Andere Bondverfahren, welche dem Fachmann bekannt sind, können verwendet werden, aufweisend, aber nicht darauf beschränkt, Ultraschallschweißen, chemisches Behandeln und Wärmebehandeln.
Die zusammengebaute Vorrichtung 100 ist in 3B gezeigt. Beim Verwenden wird ein Fluid bei Öffnung 187 injiziert und passiert durch den Kanal 184 hindurch. Während des Auffüllens des Kanals 184 betritt das Fluid nicht die Kanäle 185 oder 186, bis der Kanal 184 vollständig aufgefüllt ist, aufgrund des übermäßigen Drucks, welcher zum Überwinden des Filterbereichs 181, 182 notwendig ist. Sobald der Kanal 184 vollständig aufgefüllt ist, passiert das Fluid zuerst durch den Filterbereich 181 aufgrund der größeren Porengröße und daher des erforderlichen kleineren Druckverlusts und füllt den Kanal 186 auf. Wenn der Ausgang 189 blockiert ist, wird dann ein Druck aufgebaut und das Fluid wird durch den Filter 182 hindurch passieren und den Kanal 185 auffüllen.
In einer anderen Ausführungsform können die Porenmembranventile in einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Mikrofluidik-Messsystems verwendet werden. Bezugnehmend auf 4A ist eine Explosionsansicht einer Mikrofluidik-Vorrichtung 149 gezeigt, welche aus sieben Matrizenschichten 150–156 ausgebildet ist. In den Schichten sind Kanäle 162–166, Durchgangslöcher 167, eine Einlassöffnung 168 und Auslassöffnungen 169 definiert. Die Matrizenschicht 153 ist aus fünf unterschiedlichen Porenmaterialien ausgebildet. Der Bereich 157 ist ein UHMWPE mit 40 μm Porengröße, der Bereich 158 ist ein UHMWPE mit 30 μm Porengröße, der Bereich 159 ist ein UHMWPE mit 20 μm Porengröße, der Bereich 160 ist ein UHMWPE mit 10 μm Porengröße und der Bereich 161 ist ein UHMWPE mit 1 μm Porengröße. Die Matrizenschichten 152 und 154 sind aus einem einseitigen Klebeband ausgebildet, wobei der Klebstoff der Matrize 153 zugewandt ist, wobei die Matrizenschichten 151 und 155 doppelseitiges Klebeband sind und die Matrizenschichten 150 und 156 Polymerfolien ohne Klebstoff sind. Eine große Anzahl von unterschiedlichen Polymeren kann verwendet werden, wie es einem Fachmann ersichtlich ist. Die zusammengebaute Vorrichtung 149 ist in 4B gezeigt. Beim Verwenden wird ein kleiner Teil des Fluids an der Einlassöffnung 168 injiziert und passiert den Kanal 162 hinab bis es das Ende des Kanals erreicht. Der Teil des Fluids sollte zum Auffüllen des Messabschnitts von Kanal 162 groß genug sein, aber nicht größer als das Gesamtvolumen der Kanäle 162 und 166. Das überschüssige Fluid passiert dann durch den Porenmembranbereich 157 hindurch in den Abfallkanal 166, da der Druckverlust über dem Membranbereich 157 der schwächste der fünf Bereiche 157–161 ist. Luft wird hinter das Fluid zum Antreiben des Flusses injiziert. Sobald das Abfallfluid das Ende des Kanals 166 erreicht, passiert das Fluid im Kanal 162 durch den Membranbereich 158 hindurch, da der Druckverlust über dem Bereich 158 kleiner ist als der Verlust über dem Bereich 161 am Ausgang des Kanals 166. Der Fluidstopfen passiert durch den Membranbereich 158 hindurch und wird dann gleichmäßig in mehrere Kanäle 164 verteilt. Das Volumen jedes Kanals 164 ist exakt die Hälfte des Volumens des Messabschnitts des Kanals 162. Sobald der Kanal 164 gefüllt ist, passieren die beiden Fluidstopfen durch den Bereich 159 hindurch und betreten die Kanäle 163. Jeder Kanal 163 ist exakt ein Viertel des Volumens des Kanals 162. Sobald jeder Kanal 163 gefüllt ist, passiert das Fluid durch den Membranbereich 160 hindurch und geht zu den Ausgangöffnungen 169. Zusammenfassend nimmt die Vorrichtung 149 ein unbestimmtes Fluidvolumen auf, misst eine bekannte Menge und verteilt die Probe in vier gleiche Abschnitte zur weiteren Analyse. Die Porenmembranventile steuern den Fluidik-Weg in der Vorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform können unterschiedliche Porenmembranen zum Steuern der Flussrate (und daher des Gesamtvolumens) eines gegebenen Kanals hinab verwendet werden. Bei einem gegebenen Gegendruck weisen Membrane mit unterschiedlichen Porositäten und Hohlraumvolumen unterschiedliche Durchflussraten auf.
In einer anderen Ausführungsform können die Porenbereiche innerhalb der gleichen Schicht wie ihre zugehörigen Einlass- und Auslasskanäle ausgebildet sein. Bezugnehmend auf 5A weist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 190 zwei leere Kammern 191, 192 auf, welche in einer gemeinsamen Schicht mit Fluidkanälen 193–196 definiert ist. Die Vorrichtung 190 ist vorzugsweise aus mehreren Materialschichten ausgebildet, wobei die Kammer 191, 192 und die Kanäle 193–196 in einer Matrizenschicht ausgebildet sind, welche zwischen anderen Schichten sandwichartig eingelegt ist. 5B zeigt eine Mikrofluidik-Vorrichtung 193 mit Kammern 201, 202 und mit Kanälen 203–206, welche ähnlich zu jenen sind, die in 5A bereitgestellt sind, aber mit dem Zusatz von Porenbereichen 207, 208 in den Kammern 201, 202. Die Porenbereiche 207, 208 können zu den Kammern 201, 202 gemäß verschiedener Verfahren hinzugefügt werden, welche das Folgende aufweisen, aber nicht darauf beschränkt sind: Siebdrucken (wie in der veröffentlichten WIPO Patentanmeldung Nummer PCT/US00/27366 diskutiert), Platzieren oder Packen von Membranelementen an Ort und Stelle oder Einfließen von Ingredienzien in die Kammern 201, 202 hinein und Ermöglichen der Ingredienzien sich teilweise oder vollständig zu verfestigen. Fliess-Ingredienzien, aus welchen der Widerstandbereich ausgebildet ist, können Flüssigkeiten, Aufschlämmungen oder Suspensionen von Materialien aufweisen, welche polymere, anorganische Materialen oder andere Materialen aufweisen, welche in der Filtertechnik bekannt sind. Beispielsweise kann eine Glasperlensuspension in einer Flüssigkeit wie beispielsweise einem Alkohol in die Kammern 201, 202 während der Herstellung eingeführt werden und dann kann die Flüssigkeit teilweise oder vollständig vor dem Abdichten der Vorrichtung 200 evaporiert werden. Nach der Evaporation bleiben die Glasperlen zum Ausbilden einer Porenmembran in den jeweiligen Kammern 201, 202. Falls gewünscht, können Perlen von unterschiedlichen Größen oder aus unterschiedlichen Materialien für die Membranen 207, 208 zum Bereitstellen von wesentlich unterschiedlichen Widerstände verwendet werden. Falls feste Membranen in den Kammern 201, 202 platziert sind und mit denselben verwendet werden, kann dann eine große Vielfalt von Filtermaterialien verwendet werden, wie es einem Fachmann ersichtlich ist. Sehr ähnliche oder im wesentlichen unterschiedliche Filtermaterialien können zum Ausbilden der unterschiedlichen Porenventile verwendet werden, welche in einer bestimmten Vorrichtung wie beispielsweise der Vorrichtung 200, die in 5B gezeigt ist, vorhanden sein können.
Überraschenderweise wurde beobachtet, dass das Verwenden des gleichen Filtermaterials für zwei Porenventile in einer einzelnen Vorrichtung nach wie vor tendenziell dazu führt, dass die Ventile unterschiedliche Widerstände aufweisen. D.h., wenn ein in eine Mikrofluidik-Vorrichtung injiziertes Fluid in simultaner Kommunikation mit mehreren Porenmembranventilen ist – jedes ist entlang dem gleichen Kanal angeordnet, jedes ist aus demselben Material hergestellt und jedes ist in der gleichen Geometrie und gemäß dem gleichen Verfahren hergestellt – scheint es, dass ein Ventil vor dem anderen (den anderen) "durchbrochen" wird oder die Passage des Fluids erlaubt. Jedoch ist es in solch einer Situation unmöglich vorherzusehen, welches Ventil als erstes durchbrochen wird. Wenn es wünschenswert ist, die Vorhersagbarkeit des Fluidflusses innerhalb einer Mikrofluidik-Vorrichtung mit mehreren Membranventilen zu vereinfachen, wird vorzugsweise der Widerstand von jedem Membranventil in Fluidkommunikation mit einem bestimmten Kanal absichtlich unterschiedlich zu dem anderen (den anderen) ausgebildet, wie beispielsweise durch unterschiedliche Membrangeometrien oder Abmessungen, eine unterschiedliche Schnittstellen-Geometrie, eine unterschiedliche Porengröße und/oder unterschiedliche Materialien.
Wie es einem Fachmann ersichtlich ist, weisen zusätzliche Faktoren, welche den Fluss in Mikrofluidik-Vorrichtungen beeinflussen können, welche erfindungsgemäße Porenmembranventile integrieren, auf, sind aber nicht darauf beschränkt: Materialien, welche zum Herstellen der Vorrichtungen verwendet werden; die Geometrie der Kanäle und die Schnittstellen zwischen den Kanälen, einschließlich der Gestalten und der Öffnungsgrößen zwischen und in den Kanälen; die Geometrie des Kanals und der Filterschnittstellen; und den Typ, die Beschaffenheit und die physikalischen Eigenschaften des (der) verwendeten Arbeitsmediums (Arbeitsmedien), einschließlich der Oberflächeneffekte der Fluide, wie bei der Zugabe von Seife; der Temperatur und des Drucks.
Die hierin dargestellten und beschriebenen besonderen Porenmembranen, Vorrichtungskonfigurationen und Konstruktionsverfahren sind nur exemplarisch vorgesehen und sollen den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Der Umfang der Erfindung sollte nur gemäß dem rechtsgültigen Umfang der beigefügten Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims

Mikrofluidik-Vorrichtung, aufweisend: eine erste Schicht (28, 180), welche mindestens einen darin definierten ersten Schichtkanal (33, 184) aufweist, wobei der mindestens eine erste Schichtkanal (33, 184) wenigstens eine Abmessung kleiner als 500 μm hat, eine zweite Schicht (22, 183), welche darin mindestens einen zweiten Schichtkanal (30, 185) aufweist, wobei der mindestens eine zweite Schichtkanal (30, 185) wenigstens eine Abmessung kleiner als 500 μm hat, gekennzeichnet durch einen ersten Porenbereich (24, 181), welcher sowohl einem ersten Schichtkanal (28, 180) als auch einem zweiten Schichtkanal (30, 185) zugehörig ist, und einen zweiten Porenbereich (26, 182), welcher sowohl einem ersten Schichtkanal (33, 184) als auch einem zweiten Schichtkanal (31, 186) zugehörig ist, wobei jeder Porenbereich den Fluidfluss zwischen der ersten Schicht (28, 180) und der zweiten Schicht (22, 183) verhindert, wobei jeder Porenbereich durch einen Widerstand charakterisiert ist und der Widerstand des ersten Porenbereichs unterschiedlich zu dem Widerstand des zweiten Porenbereichs ist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei mindestens einer von dem ersten Porenbereich oder von dem zweiten Porenbereich eine Porenmembran aufweist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht (28) und die zweite Schicht (22) sandwichartig aufeinandergelegte Matrizenschichten sind.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht (28) und die zweite Schicht (22) zueinander benachbart sind.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche ferner eine dritte Schicht (26) aufweist, welche zwischen der ersten Schicht (28) und der zweiten Schicht (22) eingelegt ist, wobei die dritte Schicht mindestens einen Porenbereich aufweist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der wenigstens eine Porenbereich eine Porenmembran ist, welche im wesentlichen die gesamte dritte Schicht ausbildet.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Porenbereich durch Einführen eines Ingrediens in einen Mikrofluidik-Kanal hinein, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche eine Flüssigkeit, eine Lösung, eine Aufschlämmung und eine Suspension aufweist, und dann durch Ermöglichen von wenigstens einer Teilevaporation des Ingrediens ausgebildet ist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche ferner wenigstens eine Abdeckschicht (29) aufweist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht (180) und die zweite Schicht (183) vereinigt sind.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens eine von der ersten Schicht (28) und von der zweiten Schicht (22) ein selbstklebendes Material aufweist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das selbstklebende Material ein Klebeband ist, wobei das Klebeband aus der Gruppe ausgewählt ist, welche druckaushärtende, temperatur-aushärtende, chemisch-aushärtende und licht-aushärtende Klebebänder aufweist.
Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schicht (180) und die zweite Schicht (183) Materialien aufweisen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die Polymere, Papiere, Gewebe, Folien, Silizium, Siliziumnitrid, Glas, Quarz und Kompositwerkstoffe aufweist.