DE19929734A1 - Chemisch-mechanisches Mikroventil und Vorrichtungen, die dasselbe aufweisen - Google Patents
Chemisch-mechanisches Mikroventil und Vorrichtungen, die dasselbe aufweisenInfo
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Abstract
Es werden Mikrofluidvorrichtungen und Verfahren für deren Verwendung geschaffen. Die vorliegenden Vorrichtungen sind durch die Anwensenheit von zumindest einem Mikroventil charakterisiert, das ein phasenreversibles Material, wie z. B. ein reversibles Gel, aufweist, das einen physischen Zustand ansprechend auf eine ausgeübte Anregung ändert, wie z. B. ein thermoreversibles Gel. Unter Verwendung der vorliegenden Vorrichtung wird durch Ausüben einer geeigneten Anregung auf das Mikroventil, z. B. durch Ändern der Temperatur, der Fluidfluß entlang eines Fluidweges der Vorrichtung moduliert. Die vorliegenden Vorrichtungen finden Verwendung bei einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich mikroanalytischen Anwendungen.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikro-Fluid-Vor
richtungen.
Viele wichtige chemische Prozesse werden in Fluid-Umgebungen
ausgeführt, wenn solche Prozesse chemische Synthesen, Fluid
probeanalysen, Fluidkomponententrennungen und dergleichen
aufweisen. In vielen Situationen ist es wünschenswert, mit
kleinen Fluidvolumina, z. B. von einem Femtoliter bis zu Mi
krolitermengen von Fluid, zu arbeiten. Solche Situationen
umfassen eine Probeanalyse, bei der kleine Volumina einer
Anfangsprobe analysiert werden, eine chemische Synthese, bei
der kleine Mengen von Chemikalien wünschenswert und/oder
teuere Reagenzen verwendet werden, und dergleichen. Deshalb
bestand ein großes Interesse bei der Entwicklung von Mikro-
Fluid-Vorrichtungen, bei denen ein Fluid durch einen oder
mehrere Mikro-Kanäle manipuliert wird, die in der Vorrich
tung vorhanden sind.
Eine Vielzahl von unterschiedlichen Mikro-Fluid-Vorrich
tungen sind in den letzten Jahren entwickelt worden. Solche
Vorrichtungen machen das Versprechen, erhebliche Vorteile
über herkömmliche Makroskalierungsfluidmanipulierungsvor
richtungen zu liefern. Solche Vorteile weisen folgende Punk
te auf: Vereinfachung der Handhabung, derart, daß minimal
trainierte Techniker die Vorrichtung betreiben können; Por
tabilität, derart, daß Fluidanalysen vor Ort durchgeführt
werden können, und nicht im Labor durchgeführt werden müs
sen; reduzierte Probegrößenanforderungen; Reduzierung der
Lösungsmittelabfallerzeugung und dergleichen.
Trotz der möglichen Vorteile, die durch solche Vorrichtungen
geliefert werden, bestehen immer noch erhebliche technische
Hindernisse, die überwunden werden müssen, falls solche Vor
richtungen jemals ihr volles Potential realisieren sollen.
Ein solches Hindernis stellt die Steuerung des Fluidflusses
dar, insbesondere zwischen verschiedenen Regionen und Teil
abteilen in der Vorrichtung, d. h. die Steuerung des Fluid
flusses bei dem Mikro/Mikro-Schnittstellenpegel, dar.
Mehrere rein mechanische Lösungsansätze sind vorgeschlagen
worden, um die Mikro/Mikro-Schnittstelle bei solchen Vor
richtungen zu steuern. Rein mechanische Einrichtungen, wie
z. B. Ventile, die vorgeschlagen worden sind, um den Fluid
fluß bei den Mikro-Fluid-Vorrichtungen zu steuern, weisen
folgende Merkmale auf: flexible Membranen, Nadelventile und
dergleichen. Jedoch bestehen erhebliche Nachteile, die jedem
dieser Vorschläge zugeordnet sind, wobei die Nachteile fol
gende Punkte aufweisen: Unfähigkeit, das Ventil zu steuern,
Fehlen eines ausreichend starken Materials, Fehlen der Fä
higkeit, das Ventil ausreichend abzudichten, usw.
Aus diesem Grund besteht weiterhin ein Interesse an dem Auf
zeigen einer Ventileinrichtung zum Steuern des Fluidflusses
innerhalb einer Mikro-Fluid-Vorrichtung.
Mikro-Fluid-Vorrichtungen sind in den U.S.-Patenten
Nr. 5,770,029; 5,755,942, 5,746,901; 5,681,751; 5,658,413;
5,653,939; 5,653,859; 5,645,702; 5,605,662; 5,571,410;
5,543,838; 5,480,614 beschrieben, deren Offenbarungen hierin
durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Reversible Gelzusammensetzungen sind in den U.S.-Patenten
Nr. 5,720,717; 5,672,656; 5,631,337; 5,569,364; 5,670,480;
5,658,981; 5,470,445; 5,432,245; 5,298,260; 5,162,582;
4,439,966 beschrieben, deren Offenbarungen hierin durch
Bezugnahme aufgenommen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
verbessertes Konzept für eine Mikro-Fluid-Vorrichtung zu
schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikro-Fluid-Vorrichtung gemäß
Anspruch 1, ein Verfahren zum Modulieren eines Fluidflusses
entlang eines Fluidweges einer Mikro-Fluid-Vorrichtung gemäß
Anspruch 17 und eine Ausrüstung zum Verwenden eines Fluid
flußprozesses gemäß Anspruch 24 gelöst.
Es werden Mikrofluidvorrichtungen und Verfahren für ihre
Verwendung geschaffen. Die vorliegenden Vorrichtungen sind
dadurch charakterisiert, daß sie zumindest ein Mikroventil
aufweisen, das einen Fluidfluß durch die Vorrichtung modu
liert. Das Mikroventil weist ein phasenreversibles Material,
wie z. B. ein Gel, auf, das in der Lage ist, seinen phy
sischen Zustand ansprechend auf eine ausgeübte Anregung re
versibel zu ändern. Unter Verwendung der vorliegenden Vor
richtungen wird der Fluidfluß durch Ausüben der geeigneten
Anregung auf das Mikroventil gesteuert. Die vorliegenden
Vorrichtungen finden Verwendung bei einer Vielzahl von un
terschiedlichen Anwendungen, insbesondere bei analytischen
Mikrofluidanwendungen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einer Mikrofluidvorrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 eine Darstellung einer Variation der Vorrichtung,
die in Fig. 1 gezeigt ist.
Fig. 3 eine Darstellung eines Mikroventils gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 eine Darstellung eines ferner weiteren Ausführungs
beispiels einer Mikrofluidvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 eine Darstellung einer Variation der Vorrichtung,
die in Fig. 4 gezeigt ist.
Fig. 6 einen Graphen des Flußprofils, der durch ein Mikro
ventil gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht
wird.
Fig. 7 einen Graphen des Flußprofils, der durch ein
zweites Mikroventil gemäß der vorliegenden Erfin
dung erreicht wird.
Es werden Mikrofluidvorrichtungen und Verfahren für ihre
Verwendung geschaffen. Ein Fluidfluß durch die Mikrofluid
vorrichtungen wird durch zumindest ein Mikroventil modu
liert, das ein phasenreversibles Material, wie z. B. ein
Gel, aufweist, das in der Lage ist, seine physischen Zustän
de ansprechend auf eine ausgeübte Anregung reversibel zu än
dern. Die vorliegenden Vorrichtungen finden Verwendung in
einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere bei mikroanaly
tischen Anwendungen von Fluidproben.
Bevor die vorliegende Erfindung näher beschrieben wird, wird
darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die speziel
len Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im folgenden be
schrieben werden, begrenzt ist, da Variationen der speziel
len Ausführungsbeispiele unternommen werden können, die im
mer noch in den Schutzbereich der anhängenden Patentan
sprüche fallen. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die
Terminologie, die verwendet wird, lediglich zum Zweck des
Beschreibens spezieller Ausführungsbeispiele da ist, und
nicht dazu gedacht ist, begrenzend zu wirken. Statt dessen
wird der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die
anhängigen Patentansprüche eingerichtet.
Bei dieser Spezifikation und den anhängigen Patentansprüchen
weisen die Singularformen "ein", "eine" und "der", "die",
"das" einen Mehrfachbezug auf, solange es der Zusammenhang
nicht deutlich anders vorschreibt. Soweit nicht anders defi
niert weisen alle technischen und wissenschaftlichen Aus
drücke, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung auf,
wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Er
findung gehört, üblicherweise verstanden wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine neuartige chemisch
mechanische Einrichtung zum Modulieren eines Fluidflusses
durch eine Mikrofluidvorrichtung, d. h. ein chemisch-mecha
nisches Mikroventil. Die Mikroventile der vorliegenden Er
findung finden Verwendung in einer Vielzahl von unterschied
lichen Mikrofluidvorrichtungen. Der Ausdruck "Mikrofluid"-
Vorrichtung, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf
jede Vorrichtung, bei der Mikrovolumina eines Fluides ent
lang eines Fluidflußweges während einer gegebenen Verwendung
oder einer gegebenen Operation, z. B. einer Probenpräparie
rung, einer Probentrennung, einer chemischen Synthese, usw.,
verarbeitet werden, wobei ein "Mikrovolumen" ein Volumen von
etwa 10 Femtolitern bis zu 500 µl, üblicherweise von etwa
100 Femtolitern bis zu etwa 200 µl bedeutet. Die Mikrofluid
vorrichtungen enthalten zumindest einen Fluidflußweg, durch
den ein Fluid durch die Vorrichtung fließt, wobei eine Mehr
zahl von Fluidwegen in der Vorrichtung vorhanden sein kann,
die sich in einer beliebigen Konfiguration kreuzen oder
nicht kreuzen und positioniert sein können, wie es detail
lierter im folgenden beschrieben wird. Im allgemeinen werden
die Mikrofluidvorrichtungen, bei denen die vorliegenden Ven
tile Verwendung finden, zumindest ein Mikroabteil aufweisen,
der an einem gewissen Punkt in dem Fluidflußweg positioniert
ist, wobei der Ausdruck "Mikroabteil" einen beliebigen Typ
einer Struktur bedeutet, in der Mikrovolumina eines Fluids
enthalten sein können, wobei derselbe Mikrokammern, Mikroka
näle, Mikroröhren und dergleichen umfaßt. Abhängig von der
Natur des Mikroabteils kann das Mikroabteil der gesamte
Fluidflußweg durch die Vorrichtung sein, z. B. wenn der
Fluidflußweg ein Mikrokanal ist, wie es im folgenden be
schrieben wird, oder dasselbe belegt lediglich einen Ab
schnitt des Fluidflußweges der Vorrichtung. Der Ausdruck
Mikrokammer, wie er hierin verwendet wird, bedeutet jede
Struktur oder jedes Abteil mit einem Volumen, der von etwa 1 µl
bis zu 500 µl reicht, und zwar mit Querschnittflächen,
die von etwa 0,05 cm2 bei einer Kammertiefe von 200 µm bis
5 cm2 bei einer Kammertiefe von 1 mm reichen; und zwar üb
licherweise mit einem Volumen von etwa 10 µl bis zu 500 µl
mit einer Querschnittsfläche, die von etwa 0,5 cm2 bei einer
Kammertiefe von 200 µm bis zu etwa 5 cm2 bei einer Kammer
tiefe von 1 mm reicht; und zwar ferner insbesondere mit ei
nem Volumen von etwa 20 µl bis zu 200 µl mit einer Quer
schnittsfläche, die von etwa 1 cm2 bei einer Kammertiefe von
200 µm bis zu etwa 4 cm2 bei einer Kammertiefe von 500 µm
reicht. Die Mikroabteilstruktur kann jegliche geeignete
Konfiguration aufweisen, die quadratisch, rund, rechteckig,
oktogonal, unregelmäßig, usw., aufweist. Mikrokanäle oder
Mikroröhren sind Mikroabteile, die derart dimensioniert
sind, daß ein Fluid in der Lage ist, durch den Mikrokanal
mittels eines Kapillarflusses zu fließen, d. h. der Mikroka
nal Kapillarabmessungen aufweist. Mit Kapillarabmessungen
ist eine Struktur oder ein Behälter gemeint, bei dem jede
Querschnittabmessung von einer Seite zu der anderen, z. B.
der Durchmesser, der breiteste Punkt zwischen zwei Wänden
eines Kanals, usw., etwa 250 µm nicht überschreitet. Im
allgemeinen wird jede Querschnittabmessung des Mikrokanals
von etwa 10 bis 250 µm und üblicherweise von etwa 50 bis
200 µm reichen.
Der Mikrokanal/die Mikrokanäle der Vorrichtung können eine
lineare Konfiguration, eine gekrümmte Konfiguration oder
jede andere Konfiguration, z. B. eine spiralförmige, eine
gewinkelte, usw., aufweisen, abhängig von der beabsichtigten
Verwendung der Vorrichtung. Zusätzlich kann mehr als ein
Mikrokanal in der Vorrichtung vorhanden sein, wobei die Mi
krokanäle folgende Merkmale aufweisen können: (a) dieselben
können sich bei verschiedenen Punkten kreuzen, um kompli
zierte Flußwege oder -muster durch die Vorrichtung zu bil
den, z. B. Y-förmige Kreuzungen, T-förmige Kreuzungen, Kreu
ze; und (b) dieselben können durch eine oder mehrere Mikro
kammern, usw. getrennt sein, abhängig von der beabsichtigen
Verwendung der Vorrichtung.
Bei vielen Ausführungsbeispielen werden der Mikrokanal/die
Mikrokanäle der Vorrichtung sowie alle anderen Komponenten,
wie z. B. die Eintrittstore, usw., in einem im wesentlichen
planar-förmigen Substrat, wie z. B. einem Karten-förmigen
Substrat, Platten-förmigen Substrat, usw., vorhanden sein.
Das Substrat kann aus einer Vielzahl von unterschiedlichen
Materialien hergestellt sein, die Polymersubstrate, wie z. B.
Polyimide, Polykarbonate, Polyester, Polyamide, Poly
ether-Materialien, Polyolefine und Mischungen derselben,
sowie Silikon- oder Silikondioxid-basierte Materialien, wie
z. B. Quarz, Quarzglas, Glas (Borosilikatglase) usw., Kera
miken und Verbundstoffe derselben umfassen.
Eine Vielzahl von unterschiedlichen Mikrofluidvorrichtungen
sind entwickelt worden, bei denen das vorliegende Mikroven
til Verwendung finden kann, wobei solche Vorrichtungen die
jenigen aufweisen, die in 5,770,029, 5,755,942; 5,746,901;
5,681,751; 5,662,787; 5,661,028; 5,658,413; 5,653,939;
5,653,859; 5,645,702; 5,632,876; 5,605,662; 5,599,432;
5,585,069; 5,571,410; 5,543,838; 5,540,826; 5,480,614;
5,458,761 beschrieben sind, deren Offenbarungen hierin durch
Bezugnahme aufgenommen werden. Besonders interessant bei
vielen Ausführungsbeispielen sind die Ì-TAS-Vorrichtungen,
die in den U.S.-Patenten Nr. 5,658,413; 5,571,410 und
5,500,071 beschrieben sind, und deren Offenbarungen hierin
durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Die Mikrofluidvorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind
dadurch charakterisiert, daß dieselben zumindest ein Mikro
ventil aufweisen, das den Fluß von Fluid entlang zumindest
eines Fluidflußweges in der Vorrichtung moduliert. Da das
Mikroventil den Fluidfluß durch einen oder mehrere der
Fluidflußwege in der Vorrichtung moduliert (falls die Vor
richtung mehr als einen Fluidflußweg aufweist), moduliert
das Mikroventil ferner den Fluidfluß durch die Mikroabteile,
die in der Vorrichtung vorhanden sind. Mit "Modulieren" ist
gemeint, daß das Mikroventil in der Lage ist, den Fluidfluß
entlang des Fluidweges zumindest einzudämmen oder zu stei
gern, wobei das Mikroventil eines aus den folgenden sein
kann: (a) ein Proportionalmikroventil, darin, daß dasselbe
den Fluidfluß ansprechend auf eine geeignete Anregung ein
schränken kann, den Fluidfluß aber nicht vollständig un
terbinden kann; oder (b) ein An/Aus-Mikroventil, darin, daß
dasselbe den Fluidfluß ansprechend auf eine geeignete Anre
gung vollständig unterbindet (d. h. schließt).
Das Mikroventil der vorliegenden Vorrichtungen ist dadurch
charakterisiert, daß dasselbe ein phasenreversibles Material
aufweist, das den Fluidfluß entlang eines Fluidweges in der
Vorrichtung moduliert. Mit einem phasenreversiblen Material
ist ein Material gemeint, das seinen physischen Zustand
ansprechend auf eine ausgeübte Anregung ändert, z. B. daß
dasselbe von einem löslichen Zustand in einen festen Zustand
übergeht. Das phasenreversible Material ist ein Material,
das in der Lage ist, von einem ersten Zustand, der im we
sentlichen permeabel für ein Fluid ist, d. h. einen freien
Fluß von Fluid ermöglicht, zu einem zweiten Zustand überzu
gehen, der im wesentlichen nicht-permeabel für ein Fluid
ist, d. h. im wesentlichen den Fluidfluß unterbindet. Jedes
phasenreversible Material kann verwendet werden, solange das
Material die Phase ansprechend auf eine ausgeübte Anregung
auf eine Art und Weise ändert, die ausreichend ist, um seine
Fluidpermeabilität, d. h. die Fähigkeit von Fluid, durch das
Material zu fließen, ausreichend zu modulieren.
Folglich ist das phasenreversible Material ein Material, das
auf eine ausgeübte Anregung mit einer Phasenänderung an
spricht. Das Material kann auf mehrere verschiedenartige
Anregungen ansprechen, wobei die interessierenden Anregungen
folgende Anregungen umfassen: Temperatur, pH-Wert, elek
trischer Strom, Licht, magnetisches Feld, usw. Spezifische
interessierende Materialien sind Polymere.
Bei vielen Ausführungsbeispielen ist das phasenreversible
Material ein reversibles Gel, wobei mit einem reversiblen
Gel eine Gelzusammensetzung gemeint ist, die in der Lage
ist, seinen physischen Zustand ansprechend auf eine speziel
le Anregung, z. B. Temperatur, pH-Wert, ein chemisches Mit
tel, einen elektrischen Strom, Licht, usw., zu ändern, z. B.
von einem löslichen zu einem halb-festen Gelzustand. Solche
Gelzusammensetzungen sind im Stand der Technik als "Smart"-
Gele, "intelligente"-Gele, Hydrogele, usw., bekannt. Die
vorliegenden Mikroventile dieses Ausführungsbeispieles, bei
dem das phasenreversible Material eine Gelzusammensetzung
ist, kann jegliches geeignetes phasenreversible Gel aufwei
sen, solange das Gel dazu in der Lage ist, seinen physischen
Zustand ansprechend auf eine ausgeübte Anregung zu ändern.
Bei vielen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
sind reversible Gele von besonderem Interesse, die ihren
physischen Zustand, z. B. ihre Fluidpermeabilität, durch
einen Übergang von einem ersten Zustand zu einem zweiten
Zustand, wie z. B. einem löslichen zu einem halb-festen
Zustand, ansprechend auf eine Temperaturänderung ändern, d. h.
thermoreversible oder temperaturempfindliche Gele. Die
thermoreversiblen oder temperaturempfindlichen Gele, die bei
den Mikroventilen der vorliegenden Erfindung Verwendung fin
den, sind diejenigen Gele, die in der Lage sind, ihren phy
sischen Zustand über einen schmalen Temperaturbereich hin zu
ändern, wie z. B. Gele, die von einem löslichen Zustand zu
einem halb-festen Zustand übergehen, und zwar z. B. über die
untere kritische Lösungstemperatur (LCST = lower critical
solution temperature). Bei den thermoreversiblen Gelen, die
bei den Mikroventilen der vorliegenden Erfindung Verwendung
als phasenreversibles Material finden, finden sowohl Gele,
die von einer festen zu einer löslichen Form übergehen, als
auch Gele, die von einer löslichen zu einer festen Form
übergehen, während die Temperatur zunimmt, Verwendung, wobei
bei vielen Ausführungsbeispielen diejenigen thermorever
siblen Gele von besonderem Interesse sind, die von einer
löslichen Form zu einer festen Form übergehen, während die
Temperatur zunimmt.
Eine Vielzahl von thermoreversiblen oder temperaturempfind
lichen Gelen sind identifiziert worden und sind für eine
Verwendung bei den Mikroventilen der vorliegenden Erfindung
geeignet. Interessierende thermoreversible Polymergele um
fassen diejenigen, die Polymere, wie z. B. die folgenden,
aufweisen: teilweise verseifte Polyvinylazetate, Polyvinyl
methylether, Methylzellulose, Polyalkylenoxide, Polyvinyl
methyloxazolidinon und Polymacrylamide und dergleichen, wo
bei Polyacrylamid- und Polyalkylenoxid-basierte Polymere von
besonderem Interesse sind.
Spezifische interessierende Polyacrylamide weisen folgende
auf: Poly-N-Ethylacrylamide; Poly-N-n-Propyl(meth)acryla
mide; Poly-N-Isopropyl(meth)acrylamide; Poly-N-Cyclopro
pyl(meth)acrylamide; Poly-N,N-Diethylacrylamid; Poly-N-Me
thyl-N-Ethylacrylamid; Poly-N-Methyl-N-n-Propylacrylamid;
Poly-N-Methyl-N-Isopropylacrylamid; Poly-N-acryloylpiperi
din; Poly-N-Acryloylpyrrolidin; Poly-N-Tetrahydrofur
furyl(meth)acrylamid; Poly-N-Methoxypropyl(meth)acrylamid;
Poly-N-Ethoxypropyl(meth)acrylamid; Poly-N-Isopropoxy
propyl(metho)acrylamid; Poly-N-Ethoxyethyl(meth)acrylamid;
Poly-N-(2,2-Dimethoxyethyl)-N-Methylacrylamid;
Poly-N-1-Methyl-2-methoxyethyl(meth)acrylamid; Poly-N-1-Methoxymethyl
propyl(meth)acrylamid; Poly-N-(1,3-Dioxolan-2-yl)-N-Methyl
acrylamid; und Poly-N-8-Acryloul-1,4-Dioxa-8-Azaspi
ro[4,5]decan, N-(2-Methoxyethyl)-N-Isopropylacrylamid; und
dergleichen. Von besonderem Interesse in dieser Klasse der
thermoreversiblen Polymerzusammensetzungen sind diejenigen,
die aus N-Isopropylacrylamid-Pfropf-Copolymeren hergestellt
sind, wobei interessierende Polymere Propfcopolymere von hy
drophoben Polymeren, wie z. B. Butylmethacrylat, und hydro
philen Polymeren, wie z. B. N,N-Dimethylacrylamid, aufwei
sen. Siehe ferner Takei u. a., Bioconjugate Chem. (1993) 4:
341-346, worin interessierende Polymere offenbart sind.
Ferner von besonderem Interesse sind Gele, die Polyalkylen
oxide aufweisen, insbesondere Blockcopolymere aus zwei oder
mehr unterschiedlichen Polyalkylenoxiden, und weiter insbe
sondere Blockcopolymere aus sowohl hydrophoben als auch hy
drophilen Polyalkylenoxiden. Bei vielen Ausführungsbeispie
len werden Blockcopolymere aus Polyethylenoxiden und Poly
propylenoxiden bevorzugt, insbesondere Triblockcopolymere
derselben. Solche Copolymere sind im Stand der Technik be
kannt und werden und dem Markennamen PLURONIC™ und
POLOXAMER™ verkauft. Spezifische interessierende Poly
alkylentriblockcopolymere umfassen: F-68, F-88; F-98; F-108,
F-127 und dergleichen, die alle von der Firma BASF verfügbar
sind.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung ist das Mikroventil lediglich aus dem phasenreversiblen
Material hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann
das phasenreversible Material an einer oder mehreren ge
trennten Positionen entlang des Fluidflußweges oder entlang
im wesentlichen des gesamten Fluidflußweges positioniert
sein. Wenn das phasenreversible Material im wesentlichen den
gesamten Fluidflußweg belegt, wird dessen Phase während der
Verwendung im allgemeinen an einem oder mehreren getrennten
Positionen entlang des Fluidflußweges, jedoch nicht entlang
des gesamten Fluidflußweges von einem fluidpermeablen zu ei
nem Fluid-nicht-permeablen Zustand umgeschaltet.
Bei einer bevorzugten Struktur dieses ersten Ausführungs
beispieles enthält die Mikrofluidvorrichtung zumindest zwei
sich kreuzende Flußwege, von denen einer im wesentlichen
durch das phasenreversible Material gefüllt ist. In anderen
Worten ausgedrückt, weist die Vorrichtung zumindest einen
Hauptflußweg und zumindest einen kreuzenden zweiten Flußweg
auf, wobei im wesentlichen der gesamte zweite Flußweg durch
das phasenreversible Material belegt ist. Mit "im wesent
lichen der gesamte" ist gemeint, daß zumindest 40% und üb
licherweise zumindest 50% und noch üblicher zumindest 60%
des gesamten Volumens des Fluidflußweges der Vorrichtung
durch das phasenreversible Material belegt ist. Bei bestimm
ten Ausführungsbeispielen, ist soviel wie 70% manchmal auch
80% des Volumens des Fluidflußweges durch das phasenrever
sible Material belegt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen
ist bis zu 100% des Fluidflußweges der Vorrichtung durch das
phasenreversible Material belegt.
Das Mikroventil, das den Fluidfluß entlang des Hauptflußwe
ges moduliert, ist in der Kreuzung des Hauptflußweges und
des zweiten Flußweges positioniert. Die Kreuzung dieser
Flußwege kann minimal sein, wie es der Fall ist, wenn der
Haupt- und der Sekundär-Fluß sich kreuzende gerade Leitungen
sind, z. B. wie bei einer Kreuz-förmigen Kreuzung (siehe z. B.
Fig. 4) oder länglich sein, wie es bei denjenigen Vor
richtungen der Fall ist, bei denen zumindest ein Abschnitt
des Sekundärflußweges deckungsgleich mit dem Hauptflußweg
ist, z. B. wenn die zwei Hälften des zweiten Flußweges nicht
auf unmittelbar gegenüberliegenden Seiten des Hauptflußweges
positioniert sind, sondern mit dem Hauptflußweg in einem
bestimmten Abstand voneinander eine Kreuzung bilden. Siehe
beispielsweise Fig. 5. Bei diesem bevorzugten Ausführungs
beispiel kann das Mikroventil die gesamte Länge der Kreuzung
der zwei Flußwege oder nur ein Abschnitt derselben sein.
Bei diesen Ausführungsbeispielen, bei denen das Mikroventil
im wesentlichen aus dem phasenreversiblen Material besteht,
wird das phasenreversible Material der Region der Vorrich
tung, bei der die Fluidflußmodulierung erwünscht ist, stabil
zugeordnet sein. Eine stabile Zuordnung kann auf eine Viel
zahl von Weisen erzielt werden, einschließlich durch eine
Bindung und dergleichen. Bei vielen Ausführungsbeispielen
kann das phasenreversible Material direkt mit der interes
sierenden Region der Mikrofluidvorrichtung gebunden sein,
wobei die Natur der Bindung kovalent oder nicht kovalent
sein kann. Wenn das phasenreversible Material beispielsweise
ein Polymergel ist, können die Polymerbestandteile des pha
senreversiblen Materials direkt mit der Mikroabteilwand der
Vorrichtung in der Region gebunden sein, bei der die Ventil
fluidsteuerung gewünscht ist, wobei die Natur der Bindung
kovalent oder nicht-kovalent sein kann, normalerweise aber
kovalent sein wird. Die Länge des Mikroabteils, die bei
diesem zweiten Ausführungsbeispiel durch das Mikroventil
belegt ist, d. h. die Länge des Mikroabteiles, der das pha
senreversible Material stabil zugeordnet ist, z. B., mit dem
die Polymerkomponenten des Gels gebunden worden sind, und in
dem der physische Zustand des Gels steuerbar ist, wird ab
hängig von den gewünschten Charakteristika des Mikroventils,
d. h. der Stärke, der Rate der Fluidflußmodulierung, usw.,
variieren, wird aber im allgemeinen zumindest etwa 50 µm,
üblicherweise zumindest etwa 100 µm und noch üblicher zumin
dest etwa 500 µm lang sein, und kann 1 cm oder länger sein,
wird aber im allgemeinen etwa 10 cm und üblicherweise etwa 5
cm nicht überschreiten. In der Region des Mikroabteils, die
durch das Mikroventil belegt ist, wird das phasenreversible
Material im allgemeinen allen Oberflächen des Abteils auf
eine Art und Weise zugeordnet, z. B. mit allen Oberflächen
des Abteils auf eine Art und Weise gebunden sein, die im
wesentlichen keinen Lückenraum liefert, durch den das Fluid
frei fließen kann. Die Polymerbestandteile eines phasenre
versiblen Gels werden beispielsweise mit allen Oberflächen
des Mikroabteiles gebunden sein, z. B. mit der oberen, un
teren, linken und rechten Seite eines Mikrokanals mit einer
quadratischen Querschnittform.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er
findung liegt das phasenreversible Material in Kombination
mit einem oder mehreren zusätzlichen mechanischen Elementen
vor, wie z. B. einer mechanischen Einrichtung mit einem
großen Oberflächenbereich, d. h. das Mikroventil ist aus
einem phasenreversiblen Material und einem mechanischen
Element zusammengesetzt, z. B. ein reversibles Gel in Kom
bination mit einer oder mehreren Komponenten mit einem
großen Oberflächenbereich, z. B. mit Stangen, Stiften, usw.,
wie z. B. den Strukturen, die in dem U.S.-Patent
Nr. 5,427,663 beschrieben sind, deren Offenbarung hierin durch
Bezugnahme aufgenommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist
ferner dadurch charakterisiert, daß der große Oberflächenbe
reich einer oder mehreren Wänden des Flußweges stabil zuge
ordnet ist, wie es detaillierter im folgenden beschrieben
wird. Die wesentlichen Oberflächenbereichstrukturen können
aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein, die
Quarz, Quarzglas, Polymermaterialien, wie z. B. Polyimide,
usw., aufweisen. Die wesentlichen Oberflächenbereichstruk
turen dieses Ausführungsbeispiels (und folglich das phasen
reversible Material, das demselben zugeordnet ist) sind der
Oberfläche des Mikroabteiles stabil zugeordnet, in dem die
selben positioniert sind. Eine stabile Zuordnung der Struk
turen in dem Abteil wird auf mehrere Wege erzielt, wie z. B.
durch eine Bindung der Strukturen mit der Mikroabteilober
fläche. Das Mikroventil der vorliegenden Erfindung kann bei
spielsweise ein phasenreversibles Material (z. B. ein rever
sibles Gel) in Kombination mit einer Mehrzahl von Polymer
stangen aufweisen, die an einer oder mehreren Seiten des
Fluidflußweges, z. B. eines Mikrokanals, kovalent befestigt
sind, wobei eine solche Stangenkonfiguration bei Austin u. a.,
Electrophoresis (1996) 17: 1075-1079, beschrieben ist.
Bei solchen Ausführungsbeispielen wird das phasenreversible
Material, wie z. B. die Polymerbestandteile des reversiblen
Gels, an der Komponente mit einem großen Oberflächenbereich,
z. B. der Stange oder dem Stift, befestigt sein und zwar
entweder nicht-kovalent oder kovalent, aber normalerweise
kovalent.
Bei einem ferner weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegen
den Vorrichtungen weist das Mikroventil ein phasenrever
sibles Material in Kombination mit einer oder mehreren Kom
ponenten mit einem großen Oberflächenbereich auf, wobei die
Struktur aus dem phasenreversiblen Material und dem Verbund
stoff (composite) mit einem großen Oberflächenbereich nicht
an einer oder mehreren der Wände des Fluidflußweges be
festigt ist. Statt dessen wird die ansonsten bewegliche oder
abgelöste Verbundstoffstruktur an einer oder mehreren Posi
tionen entlang des Fluidflußweges mit einer Zurückhalteein
richtung, wie z. B. einer mechanischen Einschränkungsein
richtung, zurückgehalten. Beispiele solcher Einrichtungen
umfassen: physische Eingrenzungen, die durch eine geeignete
Konfiguration der Wände des Flußweges geliefert werden, z. B.
einem Mikroabteil, und zwar in der Region, in der das
phasenreversible Material positioniert ist; stabil posi
tionierte Fritten, Filter oder andere permeable Feststoff
strukturen, die an beiden Seiten des phasenreversiblen Ma
terials in dem Fluidflußweg der Vorrichtung positioniert
sind, und dergleichen. Die Fritten und analoge strukturelle
Zurückhalteeinrichtungen halten das phasenreversible Mate
rial davon ab, die Position in dem Flußweg der Vorrichtung
zu verschieben. Die bewegliche oder abgelöste Komponente mit
einem großen Oberflächenbereich der Verbundstoffstruktur in
diesem Ausführungsbeispiel kann breit variieren. Geeignete
Komponenten mit einem großen Oberflächenbereich dieses Aus
führungsbeispiels umfassen: Verstärkungsrippen oder Parti
kel, Membranen, Maschenstrukturen und dergleichen.
Die Mikroventile, die in den vorliegenden Vorrichtungen
vorhanden sind, werden durch eine Betätigungseinrichtung
betätigt, z. B. einen Schalter, der sich außerhalb der Vor
richtung befindet, wobei die Betätigungseinrichtung eine
Phasenumkehrungseinrichtung betätigt, die sich vollständig
außerhalb der Vorrichtung oder zumindest teilweise im Innern
der Vorrichtung befinden kann. Folglich kann die vorliegende
Vorrichtung ferner eine oder mehrere innere Komponenten ei
ner Einrichtung zum Umkehren der Phase des phasenreversiblen
Materials in dem Mikroventil aufweisen, muß aber nicht.
Die phasenändernde Einrichtung, die den Zustand des Mikro
ventils bei jeder gegebenen Vorrichtung beeinflußt, wird
notwendigerweise von der Natur des phasenreversiblen Mate
rials in dem Mikroventil abhängen und wird eine Einrichtung
sein, die in der Lage ist, die erforderliche Anregung auf
das Material auszuüben, um die gewünschte Phasenänderung zu
erzielen. Folglich kann die Phasenänderungseinrichtung eine
Einrichtung sein, die in der Lage ist, eine thermische Ener
gie, Licht, einen elektrischen Strom, chemische Mittel, Was
serstoffionen, usw., auf das phasenreversible Material aus
zuüben. Wenn das Mikroventil beispielsweise ein thermoemp
findliches Gel aufweist, wird die Phasenänderungseinrichtung
eine Einrichtung zum Ändern der Temperatur des Gels auf eine
Art und Weise sein, die ausreicht, um die Phase des Gels von
einem ersten Zustand zu einem anderen Zustand, z. B. von ei
nem löslichen Zustand zu einem halbfesten oder einem festen
Zustand, zu ändern. In anderen Worten ausgedrückt, wird die
Phasenänderungseinrichtung eine Einrichtung sein, die in der
Lage ist, das Gel über und/oder unter die phasenkritische
Temperatur oder die niedrigere kritische Lösungstemperatur
des Gels zu bringen. Ein Beispiel einer solchen Temperatur
änderungseinrichtung bildet eine Widerstandwärmeeinrichtung.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Temperaturänderungs
einrichtung ist eine Peltier-Vorrichtung.
Wie es im vorhergehenden erwähnt wurde, kann sich die Pha
senänderungseinrichtung vollständig außerhalb der Vorrich
tung befinden, d. h. die Phasenänderungseinrichtung kann
sich vollständig in der Umgebung der Vorrichtung befinden,
oder eine oder mehrere Komponenten aber im allgemeinen nicht
alle der Phasenänderungseinrichtung können sich im Inneren
der Vorrichtung befinden. Wenn die Phasenänderungseinrich
tung beispielsweise ein äußeres Wärmeerzeugungselement ist,
an das die vorliegende Vorrichtung während des Betriebs pla
ziert wird, befindet sich die gesamte Phasenänderungsein
richtung außerhalb zu oder in der Umgebung der Vorrichtung.
Wenn alternativ die Phasenänderungseinrichtung ein Wider
standselement aufweist, das in die Vorrichtung integriert
ist und mit einer äußeren Schaltungsanordnung in Wechselwir
kung steht, um den erforderlichen elektrischen Strom zu dem
inneren Widerstand zu liefern, befindet sich ein Abschnitt
oder eine Komponente der Phasenänderungseinrichtung inner
halb der Vorrichtung.
Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können unter
Verwendung jeder herkömmlichen Methodenlehre hergestellt
werden. Die Herstellung von Mikrofluidvorrichtungen ist bei
Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt und in einer Mehrzahl
von Patent- und Artikelschriften beschrieben, die folgende
umfassen: 5,770,029; 5,755,942; 5,746,901; 5,681,751;
5,662,787; 5,661,028; 5,658,413; 5,653,939; 5,653,859;
5,645,702; 5,632,876; 5,605,662; 5,599,432; 5,585,069;
5,541,410; 5,543,838; 5,500,071; 5,540,826; 5,480,614;
5,458,761, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme auf
genommen werden. Die Herstellung von Mikrofluidvorrichtungen
variiert notwendigerweise abhängig von der Natur der Vor
richtung, die hergestellt werden soll, den Materialien, aus
denen die Vorrichtung präpariert wird, usw., kann aber eine
oder mehrere Mikrobearbeitungsherstellungsprozesse, wie z. B.
eine Laserablation, Photolithographie, Formen, Hohlprägen
und dergleichen, aufweisen.
Die Präparierung eines reversiblen Gels, wie z. B. von ther
moreversiblen Gelen, die bei der vorliegenden Erfindung ver
wendet werden, ist bei Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt
und wird bei mehreren Patent- und Artikelschriften beschrie
ben, die folgende umfassen: 5,720,717; 5,672,656; 5,631,337;
5,569,364; 5,670,480; 5,658,981; 5,470,445; 5,432,245;
5,298,260; 5,162,582; 4,439,966, deren Offenbarungen hierin
durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Abhängig von der Natur des Mikroventils kann das Mikroventil
in der Vorrichtung durch eine Vielzahl von unterschiedlichen
Methodenlehren plaziert sein. Wenn beispielsweise das Mikro
ventil im wesentlichen aus einem reversiblen Gel an einer
Kreuzung eines Sekundärflußweges und eines Hauptflußweges
besteht, kann das Gelmaterial durch den sekundären Flußweg
geführt werden, der den Hauptflußweg an der Position kreuzt,
bei der das Mikroventil gewünscht ist, wobei die Kreuzung
der Flußwege mit dem reversiblen Gelmaterial aufgefüllt wird
und folglich das Mikroventil wird. Wenn das Mikroventil ein
reversibles Gel in Kombination mit einer Komponente mit ei
nem großen Oberflächenbereich, z. B. eine Mehrzahl von Stan
gen oder Stiften, aufweist, können die Polymerbestandteile
des Gels direkt auf den Stangen oder Stiften synthetisiert
werden, oder getrennt in einer Lösung synthetisiert und
daraufhin an die Stangen oder Stifte befestigt werden. Die
Komponente mit einem großen Oberflächenbereich kann in dem
Mikroabteil vor der Plazierung des Gels positioniert werden,
oder das Verbundstoffgel/Strukturelement kann in der dem
Mikroabteil folgenden Herstellung positioniert werden. Das
im vorhergehenden Erwähnte stellt lediglich unterschiedliche
Protokolle dar, die verwendet werden können, um die vorlie
genden Vorrichtungen herzustellen.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das
Mikroventil derart hergestellt, daß dasselbe nicht-reversi
bel ist, d. h. daß sich dasselbe irreversibel öffnet oder
schließt. Solche Ventile werden ein Material aufweisen, wie
z. B. ein Gel, das irreversibel dazu in der Lage ist, seinen
physischen Zustand ansprechend auf eine ausgeübte Anregung
zu ändern.
Die vorliegenden Erfindung werden nun bezugnehmend auf die
Figuren näher beschrieben. Fig. 1 stellt eine Mikrofluidvor
richtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Mikro
fluidvorrichtung 10 weist ein einziges Mikroabteil in der
Form eines Mikrokanals 14 mit einem Fluideintrittstor 12,
einem Fluidaustrittstor 11 und einer Erfassungsregion 16
auf. Die Vorrichtung 10 weist ferner ein Mikroventil 18 mit
einem phasenreversiblen Material, wie z. B. einem phasenre
versiblen Gel, auf. Die Mikroventilregion des Flußkanals der
Vorrichtung befindet sich direkt über dem Widerstand 15 des
Wärmeerzeugungselements 13 (alternativ könnten der Wider
stand und das Wärmeerzeugungselement durch eine Peltier-Vor
richtung oder eine andere Einrichtung zum Erhöhen der Tempe
ratur der lokalen Region des Flußweges ersetzt werden). Das
phasenreversible Material kann allein in einer Region 18
oder in weiteren Bereichen des Mikrokanals positioniert
sein, einschließlich entlang im wesentlichen der gesamten
Länge des Mikrokanals, wird aber lediglich in der Region 18,
die sich direkt oberhalb des Wärmeerzeugungselements 15 be
findet, die physischen Zustände ändern und folglich ledig
lich dort als ein Mikroventil wirken. Wie es im vorherge
henden erwähnt wurde, kann der Typ eines Ventils, das ledig
lich oder hauptsächlich aus einem phasenreversiblen Mate
rial, wie z. B. Gel, besteht, entwickelt sein, um ein reines
An/Aus-Ventil zu sein, bei dem der Fluidfluß durch die Re
gion des Mikroventils mittels des Ventils vollständig unter
bunden werden kann, oder um ein Proportionalventil zu sein,
bei dem der Fluidfluß durch das Ventil wunschgemäß selektiv
eingeschränkt werden kann, ohne den Fluidfluß durch das Ven
til vollständig zu unterbinden, d. h. ein Ventil, das mani
puliert werden kann, um je nach Wunsch einen schnelleren
oder langsameren Fluidfluß zu ermöglichen. In beiden Fällen
moduliert das Mikroventil den Fluidfluß entlang des Fluid
weges. In dem Fall des Proportionalventils wird das phasen
reversible Material, aus dem das Mikroventil hergestellt
ist, ein Material sein, auf das eine Anregungssteigung aus
geübt werden kann, d. h. eine Anregung, die sich bezüglich
des Betrags über eine gegebene Zeitperiode hin ändert (z. B.
zunimmt oder abnimmt). Es kann beispielsweise ein thermore
versibles Material verwendet werden, das auf eine thermische
Steigung auf eine Art und Weise derart anspricht, daß sich
die Eigenschaften des Materials entlang der thermischen
Steigung graduell ändern, z. B. die Poren in der Gelmatrix
bezüglich der Größe entlang der thermischen Steigung gra
duell abnehmen.
Fig. 2 liefert eine Darstellung einer Variation zu der Vor
richtung, die in Fig. 1 gezeigt ist. Fig. 2 weist die Vor
richtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ferner Mikrokammern 17
auf, die entlang des Flußweges positioniert und durch Mikro
ventile 18 getrennt sind. Auf beiden Seiten der Mikrokammern
17 befinden sich Tore 19. Folglich kann der Fluidfluß in und
aus den Mikrokammern durch die Mehrzahl von Mikroventilen in
der Vorrichtung gesteuert werden.
Anstatt ein Mikroventil aufzuweisen, das im wesentlichen aus
einem reversiblen Gel besteht, kann das Ventil ferner eines
oder mehrere zusätzliche mechanische Elemente einem großen
Oberflächenbereich aufweisen, wie es im vorhergehenden be
schrieben wurde. Fig. 3 zeigt ein repräsentatives Ventil
dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung. In Fig. 3 ist
eine vergrößerte Ansicht des Elements 18 von Fig. 1 vorgese
hen. In Fig. 3 weist der Mikrokanal 16 ein Mikroventil 18
auf, das direkt oberhalb des Wärmeerzeugungselements 15 po
sitioniert ist. Das Mikroventil 18 weist eine Mehrzahl oder
ein Array von Stiften 22 auf, die von dem Boden des Mikroka
nals vorstehen. Die Beabstandung zwischen den Pfosten des
Arrays kann zwischen etwa 0.01 µm und 50 µm variieren, aber
bei vielen Ausführungsbeispielen überschreitet der Abstand
zwischen jeglichen zwei gegebenen Pfosten in dem Array nicht
etwa 1,75 µm, überschreitet üblicherweise nicht etwa 1,5 µm
und üblicherweise nicht etwa 1.25 µm, wobei bei vielen
Ausführungsbeispielen dieser Abstand etwa 1.0 µm beträgt.
Direkt an der Stangen- oder Stiftoberfläche sind Polymerbe
standteile 24 der Gelmatrix des Mikroventils befestigt. Die
Polymerbestandteile sind dazu in der Lage, miteinander in
Wechselwirkung zu stehen, derart, daß unter einem ersten
Zustand (bei einer ersten Temperatur) dieselben frei sind,
sich bezüglich zueinander zu bewegen, z. B. löslich zu sein,
derart, daß das Fluid in der Lage ist, frei durch das Array
zu fließen, wobei aber bei einem zweiten Zustand dieselben
einander eng zugeordnet sind, so daß das Fluid weniger frei
und/oder überhaupt nicht durch das Array fließt. Folglich
kann dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, um sowohl ein An/Aus- als auch ein Propor
tional-Mikroventil entlang eines gegebenen Mikrokanals wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel zu erzeugen.
Ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 weist die
Vorrichtung 30 zwei sich kreuzende Mikrokanäle 32 und 34
auf, die Eintrittstore 31 und 32 und Austrittstore 35 und 37
aufweisen. Mikroventile 36, 38, 39 und 40, die entlang der
Mikrokanäle positioniert sind, werden verwendet, um die Pro
beeinführung in die Flußkanäle zu steuern. Fig. 5 liefert
eine Darstellung einer Variation der Vorrichtung, die in
Fig. 4 gezeigt ist.
Die vorliegenden Vorrichtungen können bei einer Vielzahl von
unterschiedlichen Fluidflußprozessen verwendet werden (d. h.
bei Anwendungen, bei denen der Fluidfluß manipuliert wird
(Fluidflußmanipulierungsanwendungen)) einschließlich bei ei
ner Proben-Präparierung, -Trennung und chemischen Synthese
anwendungen. Repräsentative Anwendungen, bei denen die vor
liegenden Vorrichtungen Verwendung finden, sind in
5,770,029; 5,755,942; 5,746,901; 5,681,751; 5,658,413;
5,653,939; 5,653,859; 5,645,702; 5,605,662; 5,571,410;
5,543,838; 5,480,614 beschrieben, deren Offenbarungen hierin
durch Bezugnahme aufgenommen werden. Beim Verwenden der vor
liegenden Vorrichtungen wird der Fluidfluß durch die Mikro
kanäle bzw. den Mikrokanal der Vorrichtung durch selektives
Manipulieren der Mikroventile bzw. des Mikroventils, die
bzw. das in der Vorrichtung vorhanden sind bzw. ist, modu
liert, z. B. durch lokales Anheben der Temperatur des Gels
in dem Mikroventil usw. Typischerweise werden die vorlie
genden Vorrichtungen in Verbindung mit einer oder mehreren
zusätzlichen Vorrichtung verwendet, wie z. B. einer Erfas
sungsvorrichtung, einer Probeeinführungsvorrichtung, usw.,
wobei solche Vorrichtungen und deren Verwendung für Fachleu
te auf diesem Gebiet bekannt sind.
Es werden ferner Ausrüstungen geschaffen, die die vorliegen
den Mikrofluidvorrichtungen aufweisen. Die vorliegenden
Ausrüstungen weisen zumindest eine Mikrofluidvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Die Ausrüstungen kön
nen ferner eine Phasenumkehrungseinrichtung oder Komponenten
derselben aufweisen, z. B. eine Wärmeerzeugungseinrichtung.
Die Ausrüstungen der vorliegenden Erfindung werden ferner
typischerweise Anweisungen zum Verwenden der vorliegenden
Vorrichtung aufweisen, einschließlich der Anweisungen zum
Betreiben des Mikroventils bzw. der Mikroventile, das bzw.
die in der Vorrichtung vorhanden ist bzw. sind, wobei diese
Anweisungen auf mindestens der Verpackung, dem Etikett oder
der Packungsbeilage vorhanden sein können. Zusätzlich können
die Ausrüstungen eine oder mehrere zusätzliche Elemente
aufweisen, die Verwendung bei der speziellen Anwendung fin
den, für die die Vorrichtung hergestellt worden ist, wie z. B.:
Elemente, die bei elektrophoretischen oder chromato
graphischen Anwendungen, verwendet werden, wie z. B. ein
Trennungsmedium, Etiketten für eine Verwendung bei einer
Trennung, Puffermedien und andere Reagenzen zum Ausführen
elektrochromatographischer Protokolle, usw.
Die folgenden Beispiele werden aus Veranschaulichungsgründen
und nicht zum Zwecke einer Begrenzung geliefert.
Ein erstes Beispiel betrifft die Synthese und das Testen ei
nes Mikroventils.
Eine Synthese A1 umfaßt eine Synthese eines temperaturemp
findlichen Polymers.
Isopropylacrylamid (IPAAm, 5,6 g, 50 mmol) in 20 ml von DMF
(Dimethylformamid) wurde mit 75 µl (0,5 mmol) von Butyl
methacrylat (BMA) und 10-20 µl (0,05 mmol) von Ethylen
glykoldimethacrylat kombiniert. Diese Lösung wurde durch
eine Säule von "Inhibitor-Entferner"-Füllkörper (Aldrich
Nr. 31.133-2) geführt, und daraufhin 15 Minuten lang mit einem
Strom aus Heliumgas entgast. Die entgaste Lösung wurde mit
2,2'-Dimethylazobisisobutyrat behandelt und unter Argon bei
80°C 24 Stunden lang erwärmt. Das Lösungsmittel wurde ver
dampft, wobei das temperaturempfindliche Polymer zurück
blieb.
Eine Synthese A2 umfaßt eine Synthese eines Gelmikroventils
auf einem Glassubstrat.
Ein Glassubstrat wurde mit 3-Aminopropylsilan silaniert, um
freie Aminogruppen auf der Oberfläche des Substrats zu er
zeugen. Diese Oberfläche wurde mit einer Lösung von 50 mg
von Sulfo-HSAB (N-Hyroxylsulfosuccinimidyl-4-Azidobenzoat)
aufgelöst in 5 ml von Phosphatpuffer (pH 8.5) bedeckt. Das
Substrat wurde drei Stunden lang einer Dunkelheit ausge
setzt, daraufhin mit Wasser gespült und luftgetrocknet.
Etwa 1 g des temperaturempfindlichen Polymers wurde in 10 ml
Wasser aufgelöst. Diese Lösung wurde über das Azido-akti
vierte Glassubstrat aufgebracht und etwa 30 Minuten lang
einem UV-Licht mit 265 nm aus einem Abstand von 3-6 cm aus
gesetzt. Das Glassubstrat wurde daraufhin mit Wasser abge
spült und luftgetrocknet.
Eine Synthese A3 umfaßt die Synthese eines Gelmikroventils
auf einem Polyimidsubstrat.
Die Synthese einer thermoempfindlichen Gelmatrix, die kova
lent an einem Polyimidsubstrat befestigt ist, geschieht wie
folgt. Die Oberfläche des Polyimidsubstrats wird mit einer
starken Base, z. B. KOH oder NaOH in der Anwesenheit von
HOAc behandelt, um das Imid zu erschließen und freie Kar
boxyfunktionalitäten zu erzeugen. Daraufhin werden aktivier
te Ester auf herkömmliche Art und Weisen erzeugt und können
mit Aminen, wie z. B. H2NCH2CH2NH2 oder H2NCH2CH2OH in Reak
tion gebracht werden. Die Produkte werden daraufhin mit
Methacryloylisocyanat behandelt, um ein Zwischenprodukt zu
erzeugen, das daraufhin in der Anwesenheit von AIBN/DMF mit
IPAAm und und BMA behandelt werden kann, um ein thermoemp
findliches Polymer zu erzeugen, das auf die Polyimidtrage
oberfläche aufgepfropft ist.
Alternativ kann ein Produkt mit einer freien Aminogruppe bei
Dunkelheit mit N-Hydroxysulfosuccinimidyl-4-Azidobenzonat in
Phosphatpuffer (pH 8.5) drei Stunden lang behandelt werden.
Das Substrat wird mit Wasser gespült und luftgetrocknet. Ei
ne wässrige Lösung eines temperaturempfindlichen Polymers
wird über dem Azido-aktivierten Polyimidsubstrat plaziert
und etwa 30 Minuten lang einem UV-Licht mit 265 nm ausge
setzt. Das Substrat wird daraufhin mit Wasser gespült und
luftgetrocknet.
Eine Synthese A4 umfaßt die Synthese eines Mikroventils auf
einem Nylonsubstrat.
Nylonmaschenfilter (Spectrum Nr. 148 130) mit einer Öffnung
von 5 µm wurden mit einer Lösung aus 3.72 g Kalziumchlorid
und 3.72 g Wasser in 20 ml Methanol bei 50°C 20 Minuten lang
behandelt. Der Filter wurde daraufhin bei 45°C 40 Minuten
lang in 20 ml von 3.6 HCl plaziert. Schließlich wurde das
Substrat 20 Stunden lang in Wasser belassen.
Dieses Nylonsubstrat wurde mit einer Lösung auf 50 mg von
Sulfo-HSAB aufgelöst in 5 ml von Phosphatpuffer (pH 8.5)
bedeckt. Das Substrat wurde über Nacht bei Dunkelheit bei
Zimmertemperatur belassen, daraufhin mit Wasser gespült und
luftgetrocknet.
Etwa 1 g des temperaturempfindlichen Polymers wurde in 10 ml
Wasser aufgelöst. Diese Lösung wurde über dem Azido-akti
vierten Nylonsubstrat aufgebracht und etwa 30 Minuten lang
einem UV-Licht mit 265 nm aus einem Abstand von 3-6 cm aus
gesetzt. Das Nylonsubstrat wurde daraufhin mit Wasser ge
spült und luftgetrocknet.
Ein zweites Beispiel betrifft das Flußprofil durch das Mi
kroventil.
Zwei unterschiedliche Polymer-modifizierte Nylonsubstrate
(Ventil Nr. 1 und Ventil Nr. 2) wurden präpariert, wie es
bei der Synthese A4 beschrieben wurde. Das Polymer-modifi
zierte Nylonsubstrat oder -ventil wurde in eine Hochdruck-
Semi-Prep-Filteranordnung (Upchurch Scientific # A330) pla
ziert, die mit 2 Kapillarleitungen (ein- und aus) versehen
ist. Die Anordnung wurde in ein gebohrtes Loch innerhalb
eines Aluminiumblocks eingepaßt. Der Block wurde durch eine
Peltier-Vorrichtung und eine Wärmesenke gesteuert. Die Vor
richtung ermöglichte das Aufwärmen und das Abkühlen des
Blocks und der Filteranordnung innerhalb einer Genauigkeit
von 1°C. Fluide flossen durch das Nylonsubstrat (Ventil)
und die Filteranordnung über eine Gravitationszufuhr. Bei
spiele der Fluidtypen, die getestet wurden, waren: Wasser,
typische biologische Puffer, z. B. 100 mM Phosphat oder Bo
rat, oder wässrige Lösungen, die bis zu 40% mischbare Orga
niken, wie z. B. Methanol oder Acetonitril, enthalten. Der
Fluß (Volumen/sek) wurde als eine Funktion der Temperatur
gemessen. Fig. 6 zeigt die Ergebnisse von Ventil Nr. 1, wäh
rend Fig. 7 die Ergebnisse von Ventil Nr. 2 zeigt, wobei die
Ergebnisse unter Verwendung von ionisiertem Wasser als dem
Fluid erhalten wurden.
Aus den vorhergehenden Ergebnissen und der vorhergehenden
Erörterung wird deutlich, daß die vorliegenden Mikroventile
erhebliche Verbesserungen über früher verwendete Vorrich
tungen zum Steuern eines Fluidflusses durch Mikrofluidvor
richtungen liefern. Die vorliegenden Mikroventile liefern
eine relativ einfache und ohne weiteres herstellbare Ein
richtung zum Steuern des Flusses eines Fluids durch Mikro
fluidvorrichtungen.
Claims (25)
1. Mikrofluidvorrichtung mit einem Fluidflußweg (14, 16)
und zumindest einem Mikroventil (18), das ein phasen
reversibles Material aufweist.
2. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die
Vorrichtung zwei sich kreuzende Flußwege (32, 34) auf
weist, wobei einer der Flußwege (32, 34) im wesent
lichen mit dem phasenreversiblen Material gefüllt ist,
und wobei das Mikroventil an der Kreuzung der sich
kreuzenden Flußwege (32, 34) positioniert ist.
3. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das
Mikroventil (18) das phasenreversible Material, das
einer Komponente mit einem großen Oberflächenbereich
(22) stabil zugeordnet ist, aufweist.
4. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die
Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) zu
mindest einer Wand des Fluidflußweges (14, 16) stabil
zugeordnet ist.
5. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die
Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22)
durch eine Zurückhalteeinrichtung in dem Flußweg (14,
16) gehalten wird.
6. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5, bei der das phasenreversible Material ein phasenre
versibles Polymer ist.
7. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das
phasenreversible Polymer ein N-Isopropylacrylamidco
polymer ist.
8. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das
phasenreversible Polymer ein Polyalkylenoxid ist.
9. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
8, bei der das Mikroventil (18) die Fluidflußrate ent
lang des Flußweges (14) moduliert.
10. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
9, bei der das phasenreversible Material thermoreversi
bel ist.
11. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
10, bei der die Mikrofluidvorrichtung zumindest ein
Mikroabteil (14, 17) aufweist.
12. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der das
Mikroabteil (14, 17) ein Mikrokanal (14) ist.
13. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis
12, bei der die Komponente mit einem großen Ober
flächenbereich (22) ein Array von Pfosten (22) auf
weist, die mit der zumindest einen Oberfläche des
Flußweges (14) gebunden sind.
14. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis
13, bei der die Zurückhalteeinrichtung fluidpermeable
Barrieren aufweist, die in dem Flußweg (14) auf gegen
überliegenden Seiten der Komponente mit einem großen
Oberflächenbereich (22) positioniert sind.
15. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis
13, bei der die Zurückhalteeinrichtung Verengungen in
dem Flußweg (14) aufweist, die auf beiden Seiten der
Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22)
vorhanden sind.
16. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis
13, bei der die Komponente mit einem großen Ober
flächenbereich (22) aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus einer Mehrzahl von Feststoffphasenpartikeln, einer
Membran und einer Maschenstruktur besteht.
17. Verfahren zum Modulieren eines Fluidflusses entlang ei
nes Flußweges (14) einer Mikrofluidvorrichtung, wobei
das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Modulieren des physischen Zustands eines Mikroventils
(18), das in dem Flußweg (14) positioniert ist, wobei
das Mikroventil (18) ein phasenreversibles Material
aufweist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das phasenrever
sible Material ein phasenreversibles Polymer ist.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem das phasenrever
sible Polymer ein thermoreversibles Polymer ist.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem
das Modulieren das Ändern der Temperatur des thermore
versiblen Polymers aufweist.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem
das Modulieren durch Betätigen einer Phasenumkehrungs
einrichtung (15) stattfindet.
22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem sich die Phasenum
kehrungseinrichtung (15) vollständig außerhalb der Vor
richtung befindet.
23. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem sich zumindest ei
ne Komponente der Phasenumkehrungseinrichtung (15) in
nerhalb der Vorrichtung befindet.
24. Eine Ausrüstung für eine Verwendung in einem Fluidfluß
prozeß, wobei die Ausrüstung folgendes Merkmal auf
weist:
eine Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1
bis 16.
25. Ausrüstung gemäß Anspruch 24, wobei die Ausrüstung fer
ner eine Phasenumkehrungseinrichtung (15) aufweist.
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