DE19929734B4 - Mikrofluidvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Mikrofluidvorrichtung mit einem Fluidflußweg (14, 16) für ein Fluid und zumindest einem Mikroventil (18), das eine Mikroabteilwand und ein phasenreversibles Material aufweist, wobei das phasenreversible Material an der Mikroabteilwand gebunden ist, wobei das phasenreversible Material zwischen einem ersten, im Wesentlichen für das Fluid permeablen Zustand und einem zweiten, im Wesentlichen für das Fluid nicht-permeablen Zustand änderbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrofluidvorrichtung.
  • Viele wichtige chemische Prozesse werden in Fluid-Umgebungen ausgeführt, wenn solche Prozesse chemische Synthesen, Fluidprobeanalysen, Fluidkomponententrennungen und dergleichen aufweisen. In vielen Situationen ist es wünschenswert, mit kleinen Fluidvolumina, z. B. von einem Femtoliter bis zu Mikrolitermengen 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 Vorrichtung vorhanden sind.
  • Eine Vielzahl von unterschiedlichen Mikrofluidvorrichtungen sind in den letzten Jahren entwickelt worden. Solche Vorrichtungen machen das Versprechen, erhebliche Vorteile über herkömmliche Makroskalierungsfluidmanipulierungsvorrichtungen zu liefern. Solche Vorteile weisen folgende Punkte auf: Vereinfachung der Handhabung, derart, daß minimal trainierte Techniker die Vorrichtung betreiben können; Portabilität, derart, daß Fluidanalysen vor Ort durchgeführt werden können, und nicht im Labor durchgeführt werden müssen; 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 Vorrichtungen jemals ihr volles Potential realisieren sollen. Ein solches Hindernis stellt die Steuerung des Fluidflusses dar, insbesondere zwischen verschiedenen Regionen und Teilabteilen in der Vorrichtung, d. h. die Steuerung des Fluidflusses bei dem Mikro/Mikro-Schnittstellenpegel, dar.
  • Mehrere rein mechanische Lösungsansätze sind vorgeschlagen worden, um die Mikro/Mikro-Schnittstelle bei solchen Vorrichtungen zu steuern. Rein mechanische Einrichtungen, wie z. B. Ventile, die vorgeschlagen worden sind, um den Fluidfluß bei den Mikrofluidvrrichtungen zu steuern, weisen folgende Merkmale auf: flexible Membranen, Nadelventile und dergleichen. Jedoch bestehen erhebliche Nachteile, die jedem dieser Vorschläge zugeordnet sind, wobei die Nachteile folgende Punkte aufweisen: Unfähigkeit, das Ventil zu steuern, Fehlen eines ausreichend starken Materials, Fehlen der Fähigkeit, das Ventil ausreichend abzudichten, usw.
  • Aus diesem Grund besteht weiterhin ein Interesse an dem Aufzeigen einer Ventileinrichtung zum Steuern des Fluidflusses innerhalb einer Mikrofluidvorrichtung.
  • Mikro-Fluid-Vorrichtungen sind in den U.S.-Patenten Nr. 57 70 029 A; 57 55 942 A; 57 46 901 A; 56 81 751 A; 56 58 413 A; 56 53 939 A; 56 53 859 A; 56 45 702 A; 56 05 662 A; 44 71 410 A; 55 43 838 A; 54 80 614 A beschrieben, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden.
  • Reversible Gelzusammensetzungen sind in den U.S.-Patenten Nr. 57 20 717 A; 56 72 656 A; 56 31 337 A; 55 69 364 A; 56 70 480 A; 56 58 981 A; 54 70 445 A; 54 32 245 A; 52 98 260 A; 51 62 582 A; 44 39 966 beschrieben, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden.
  • Aus dem US-Patent Nr. 56 72 656 A ist bereits eine temperaturabhängige, wasserabsorbierende bzw. wasserabgebende Polymerzusammensetzung bekannt. Diese könne für chemische Ventile eingesetzt werden.
  • Aus der DE 297 00 941 U1 ist bereits ein Sensor-Aktor-System bekannt, welches innerhalb eines Durchlasskanales einen Quellkörper aufweist, dessen Querschnitt veränderlich ist, wodurch eine Querschnittssteuerung vorgenommen wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Mikrofluidvorrichtung mit einem Mikroventil zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Mikrofluidvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 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 moduliert. Das Mikroventil weist ein phasenreversibles Material, wie z. B. ein Gel, auf, das in der Lage ist, seinen physischen Zustand ansprechend auf eine ausgeübte Anregung reversibel zu ändern. Unter Verwendung der vorliegenden Vorrichtungen wird der Fluidfluß durch Ausüben der geeigneten Anregung auf das Mikroventil gesteuert. Die vorliegenden Vorrichtungen finden Verwendung bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen, insbesondere bei analytischen Mikrofluidanwendungen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine Darstellung einer Mikrofluidvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine Darstellung einer Variation der Vorrichtung, die in 1 gezeigt ist,
  • 3 eine Darstellung eines Mikroventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 4 eine Darstellung eines ferner weiteren Ausführungsbeispiels einer Mikrofluidvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 5 eine Darstellung einer Variation der Vorrichtung, die in 4 gezeigt ist,
  • 6 einen Graphen des Flußprofils, der durch ein Mikroventil gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wird und
  • 7 einen Graphen des Flußprofils, der durch ein zweites Mikroventil gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
  • Es werden Mikrofluidvorrichtungen und Verfahren für ihre Verwendung geschaffen. Ein Fluidfluß durch die Mikrofluidvorrichtungen wird durch zumindest ein Mikroventil moduliert, das ein phasenreversibles Material, wie z. B. ein Gel, aufweist, das in der Lage ist, seine physischen Zustände ansprechend auf eine ausgeübte Anregung reversibel zu ändern. Die vorliegenden Vorrichtungen finden Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere bei mikroanalytischen Anwendungen von Fluidproben.
  • Bevor die vorliegende Erfindung näher beschrieben wird, wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im folgenden beschrieben werden, begrenzt ist, da Variationen der speziellen Ausführungsbeispiele unternommen werden können, die immer noch in den Schutzbereich der anhängenden Patentansprüche 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. Stattdessen 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 Ausdrücke, die hierin verwendet werden, dieselbe Bedeutung auf, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, üblicherweise verstanden wird.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine neuartige chemisch-mechanische Einrichtung zum Modulieren eines Fluidflusses durch eine Mikrofluidvorrichtung, d. h. ein chemisch-mechanisches Mikroventil. Die Mikroventile der vorliegenden Erfindung finden Verwendung in einer Vielzahl von unterschiedlichen Mikrofluidvorrichtungen. Der Ausdruck "Mikrofluid"-Vorrichtung, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf jede Vorrichtung, bei der Mikrovolumina eines Fluides entlang eines Fluidflußweges während einer gegebenen Verwendung oder einer gegebenen Operation, z. B. einer Probenpräparierung, 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 Mikrofluidvorrichtungen enthalten zumindest einen Fluidflußweg, durch den ein Fluid durch die Vorrichtung fließt, wobei eine Mehrzahl von Fluidwegen in der Vorrichtung vorhanden sein kann, die sich in einer beliebigen Konfiguration kreuzen oder nicht kreuzen und positioniert sein können, wie es detaillierter im folgenden beschrieben wird. Im allgemeinen werden die Mikrofluidvorrichtungen, bei denen die vorliegenden Ventile 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, Mikrokanäle, 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 beschrieben wird, oder dasselbe belegt lediglich einen Abschnitt 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 üblicherweise 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 Kammertiefe von 1 mm reicht; und zwar ferner insbesondere mit einem Volumen von etwa 20 μl bis zu 200 μl mit einer Querschnittsfläche, 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 Mikrokanal 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 Mikrokanäle folgende Merkmale aufweisen können: (a) dieselben können sich bei verschiedenen Punkten kreuzen, um komplizierte Flußwege oder -muster durch die Vorrichtung zu bilden, z. B. Y-förmige Kreuzungen, T-förmige Kreuzungen, Kreuze; und (b) dieselben können durch eine oder mehrere Mikrokammern, 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, Polyether-Materialien, Polyolefine und Mischungen derselben, sowie Silikon- oder Silikondioxid-basierte Materialien, wie z. B. Quarz, Quarzglas, Glas (Borosilikatglase) usw., Keramiken und Verbundstoffe derselben umfassen.
  • Eine Vielzahl von unterschiedlichen Mikrofluidvorrichtungen sind entwickelt worden, bei denen das vorliegende Mikroventil Verwendund finden kann wobei solche Vorrichtungen diejenigen aufweisen, die in den US-Patenten Nr. 57 70 029 A; 57 55 942 A; 57 46 901 A; 56 81 751 A; 56 62 787 A; 56 61 028 A; 56 58 413 A; 56 53 939 A; 56 53 859 A; 56 45 702 A; 56 32 876 A; 56 05 662 A; 55 99 432 A; 55 85 069 A; 55 71 410 A; 55 43 838 A; 55 40 826 A; 54 80 614 A; 54 58 761 A beschrieben sind, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden. Besonders interessant bei vielen Ausführungsbeispielen sind die I-TAS-Vorrichtungen, die in den U.S.-Patenten Nr. 56 58 413 A; 55 71 410 A und 55 00 071 A beschrieben sind, und deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden.
  • Die Mikrofluidvorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind dadurch charakterisiert, daß dieselben zumindest ein Mikroventil 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 Vorrichtung 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 steigern, wobei das Mikroventil eines aus den folgenden sein kann: (a) ein Proportionalmikroventil, darin, daß dasselbe den Fluidfluß ansprechend auf eine geeignete Anregung einschränken kann, den Fluidfluß aber nicht vollständig unterbinden kann; oder (b) ein An/Aus-Mikroventil, darin, daß dasselbe den Fluidfluß ansprechend auf eine geeignete Anregung 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 wesentlichen permeabel für ein Fluid ist, d. h. einen freien Fluß von Fluid ermöglicht, zu einem zweiten Zustand überzugehen, 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 anspricht. Das Material kann auf mehrere verschiedenartige Anregungen ansprechen, wobei die interessierenden Anregungen folgende Anregungen umfassen: Temperatur, pH-Wert, elektrischer 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 spezielle Anregung, z. B. Temperatur, pH-Wert, ein chemisches Mittel, 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 aufweisen, 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 finden, sind diejenigen Gele, die in der Lage sind, ihren physischen 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 thermoreversiblen Gele von besonderem Interesse sind, die von einer löslichen Form zu einer festen Form übergehen, während die Temperatur zunimmt.
  • Eine Vielzahl von thermoreversiblen oder temperaturempfindlichen Gelen sind identifiziert worden und sind für eine Verwendung bei den Mikroventilen der vorliegenden Erfindung geeignet. Interessierende thermoreversible Polymergele umfassen diejenigen, die Polymere, wie z. B. die folgenden, aufweisen: teilweise verseifte Polyvinylazetate, Polyvinylmethylether, Methylzellulose, Polyalkylenoxide, Polyvinylmethyloxazolidinon und Polymacrylamide und dergleichen, wobei Polyacrylamid- und Polyalkylenoxid-basierte Polymere von besonderem Interesse sind.
  • Spezifische interessierende Polyacrylamide weisen folgende auf: Poly-N-Ethylacrylamide; Poly-N-n-Propyl(meth)acrylamide; Poly-N-Isopropyl(meth)acrylamide; Poly-N-Cyclopropyl(meth)acrylamide; Poly-N,N-Diethylacrylamid; Poly-N-Methyl-N-Ethylacrylamid; Poly-N-Methyl-N-n-Propylacrylamid; Poly-N-Methyl-N-Isopropylacrylamid; Poly-N-acryloylpiperidin; Poly-N-Acryloylpyrrolidin; Poly-N-Tetrahydrofurfuryl(meth)acrylamid; Poly-N-Methoxypropyl(meth)acrylamid; Poly-N-Ethoxypropyl(meth)acrylamid; Poly-N-Isopropoxypropyl(metho)acrylamid; Poly-N-Ethoxyethyl(meth)acrylamid; Poly-N-(2,2-Dimethoxyethyl)-N-Methylacrylamid; Poly-N-l-Methyl-2methoxyethyl(meth)acrylamid; Poly-N-l-Methoxymethylpropyl(meth)acrylamid; Poly-N-(1,3-Dioxolan-2-yl)-N-Methylacrylamid; und Poly-N-8-Acryloul-1,4-Dioxa-8-Azaspiro[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 hydrophoben Polymeren, wie z. B. Butylmethacrylat, und hydrophilen Polymeren, wie z. B. N,N-Dimethylacrylamid, aufweisen. Siehe ferner Takei u. a., Bioconjugate Chem. (1993) 4:341-346, worin interessierende Polymere offenbart sind.
  • Ferner von besonderem Interesse sind Gele, die Polyalkylenoxide aufweisen, insbesondere Blockcopolymere aus zwei oder mehr unterschiedlichen Polyalkylenoxiden, und weiter insbesondere Blockcopolymere aus sowohl hydrophoben als auch hydrophilen Polyalkylenoxiden. Bei vielen Ausführungsbeispielen werden Blockcopolymere aus Polyetkylenoxiden und Polypropylenoxiden bevorzugt, insbesondere Triblockcopolymere derselben. Solche Copolymere sind im Stand der Technik bekannt und werden und dem Markennamen PLURONICTM und POLOXAMERTM verkauft. Spezifische interessierende Polyalkylentriblockcopolymere 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 Erfindung ist das Mikroventil lediglich aus dem phasenreversiblen Material hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das phasenreversible Material an einer oder mehreren getrennten 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 einem Fluid-nicht-permeablen Zustand umgeschaltet.
  • Bei einer bevorzugten Struktur dieses ersten Ausführungsbeispieles 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 wesentlichen der gesamte" ist gemeint, daß zumindest 40% und üblicherweise zumindest 50% und noch üblicher zumindest 60% des gesamten Volumens des Fluidflußweges der Vorrichtung durch das phasenreversible Material belegt ist. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen, ist soviel wie 70% manchmal auch 80% des Volumens des Fluidflußweges durch das phasenreversible 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 Hauptflußweges 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. 4) oder länglich sein, wie es bei denjenigen Vorrichtungen 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 5. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel 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 Vorrichtung, bei der die Fluidflußmodulierung erwünscht ist, stabil zugeordnet sein. Eine stabile Zuordnung kann auf eine Vielzahl von Weisen erzielt werden, einschließlich durch eine Bindung und dergleichen. Bei vielen Ausführungsbeispielen kann das phasenreversible Material direkt mit der interessierenden 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 phasenreversiblen Materials direkt mit der Mikroabteilwand der Vorrichtung in der Region gebunden sein, bei der die Ventilfluidsteuerung 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 phasenreversible 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 abhängig 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 zumindest 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 phasenreversiblen Gels werden beispielsweise mit allen Oberflächen des Mikroabteiles gebunden sein, z. B. mit der oberen, unteren, linken und rechten Seite eines Mikrokanals mit einer quadratischen Querschnittform.
  • Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung 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 Kombination 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. 54 27 663 A beschrieben sind, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist ferner dadurch charakterisiert, daß der große Oberflächenbereich 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 Oberflächenbereichstrukturen dieses Ausführungsbeispiels (und folglich das phasenreversible Material, das demselben zugeordnet ist) sind der Oberfläche des Mikroabteiles stabil zugeordnet, in dem dieselben positioniert sind. Eine stabile Zuordnung der Strukturen in dem Abteil wird auf mehrere Wege erzielt, wie z. B. durch eine Bindung der Strukturen mit der Mikroabteiloberfläche. Das Mikroventil der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein phasenreversibles Material (z. B. ein reversibles Gel) in Kombination mit einer Mehrzahl von Polymerstangen 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 vorliegenden Vorrichtungen weist das Mikroventil ein phasenreversibles Material in Kombination mit einer oder mehreren Komponenten mit einem großen Oberflächenbereich auf, wobei die Struktur aus dem phasenreversiblen Material und dem Verbundstoff (composite) mit einem großen Oberflächenbereich nicht an einer oder mehreren der Wände des Fluidflußweges befestigt ist. Stattdessen wird die ansonsten bewegliche oder abgelöste Verbundstoffstruktur an einer oder mehreren Positionen entlang des Fluidflußweges mit einer Zurückhalteeinrichtung, wie z. B. einer mechanischen Einschränkungseinrichtung, 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 positionierte Fritten, Filter oder andere permeable Feststoffstrukturen, die an beiden Seiten des phasenreversiblen Materials in dem Fluidflußweg der Vorrichtung positioniert sind, und dergleichen. Die Fritten und analoge strukturelle Zurückhalteeinrichtungen halten das phasenreversible Material 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 Ausführungsbeispiels umfassen: Verstärkungsrippen oder Partikel, 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 Vorrichtung 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 einer Einrichtung zum Umkehren der Phase des phasenreversiblen Materials in dem Mikroventil aufweisen, muß aber nicht.
  • Die phasenändernde Einrichtung, die den Zustand des Mikroventils bei jeder gegebenen Vorrichtung beeinflußt, wird notwendigerweise von der Natur des phasenreversiblen Materials 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 Energie, Licht, einen elektrischen Strom, chemische Mittel, Wasserstoffionen, usw., auf das phasenreversible Material auszuüben. 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 einem 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 Temperaturänderungseinrichtung bildet eine Widerstandwärmeeinrichtung. Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Temperaturänderungseinrichtung ist eine Peltier-Vorrichtung.
  • Wie es im vorhergehenden erwähnt wurde, kann sich die Phasenänderungseinrichtung vollständig außerhalb der Vorrichtung 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 Phasenänderungseinrichtung beispielsweise ein äußeres Wärmeerzeugungselement ist, an das die vorliegende Vorrichtung während des Betriebs plaziert wird, befindet sich die gesamte Phasenänderungseinrichtung außerhalb zu oder in der Umgebung der Vorrichtung. Wenn alternativ die Phasenänderungseinrichtung ein Widerstandselement aufweist, das in die Vorrichtung integriert ist und mit einer äußeren Schaltungsanordnung in Wechselwirkung steht, um den erforderlichen elektrischen Strom zu dem inneren Widerstand zu liefern, befindet sich ein Abschnitt oder eine Komponente der Phasenänderungseinrichtung innerhalb 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 folgenden US-Patent-Nr. umfassen: 57 70 029 A; 57 55 942 A; 57 46 901 A; 56 81 751 A; 56 62 787 A; 56 61 028 A; 56 58 413 A; 56 53 939 A; 56 53 859 A; 56 45 702 A; 56 32 876 A; 56 05 662 A; 55 99 432 A; 55 85 069 A; 55 71 410 A; 55 43 838 A; 55 00 071 A; 55 40 826 A; 54 80 614 A; 54 58 761 A, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden. Die Herstellung von Mikrofluidvorrichtungen variiert notwendigerweise abhängig von der Natur der Vorrichtung, 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 thermoreversiblen Gelen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ist bei Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt und wird bei mehreren Patent- und Artikelschriften beschrieben, die folgende US-Patent-Nr. umfassen: 57 20 717 A; 56 72 656 A; 56 31 337 A; 55 69 364 A; 56 70 480 A; 56 58 981 A; 54 70 445 A; 54 32 245 A; 52 98 260 A; 51 62 582 A; 44 39 966 A, 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 Mikroventil 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 einem großen Oberflächenbereich, z. B, eine Mehrzahl von Stangen 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 vorliegenden Vorrichtungen herzustellen.
  • Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Mikroventil derart hergestellt, daß dasselbe nicht-reversibel 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. 1 stellt eine Mikrofluidvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Mikrofluidvorrichtung 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 phasenreversiblen Gel, auf. Die Mikroventilregion des Flußkanals der Vorrichtung befindet sich direkt über dem Widerstand 15 des Wärmeerzeugungselements 13 (alternativ könnten der Widerstand und das Wärmeerzeugungselement durch eine Peltier-Vorrichtung oder eine andere Einrichtung zum Erhöhen der Temperatur 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 befindet, die physischen Zustände ändern und folglich lediglich dort als ein Mikroventil wirken. Wie es im vorhergehenden erwähnt wurde, kann der Typ eines Ventils, das ledig lich oder hauptsächlich aus einem phasenreversiblen Material, wie z. B. Gel, besteht, entwickelt sein, um ein reines An/Aus-Ventil zu sein, bei dem der Fluidfluß durch die Region des Mikroventils mittels des Ventils vollständig unterbunden 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 Ventil vollständig zu unterbinden, d. h. ein Ventil, das manipuliert werden kann, um je nach Wunsch einen schnelleren oder langsameren Fluidfluß zu ermöglichen. In beiden Fällen moduliert das Mikroventil den Fluidfluß entlang des Fluidweges. In dem Fall des Proportionalventils wird das phasenreversible Material, aus dem das Mikroventil hergestellt ist, ein Material sein, auf das eine Anregungssteigung ausgeübt 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 thermoreversibles 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 graduell abnehmen.
  • 2 liefert eine Darstellung einer Variation zu der Vorrichtung, die in 1 gezeigt ist. 2 weist die Vorrichtung, die in 1 gezeigt ist, ferner Mikrokammern 17 auf, die entlang des Flußweges positioniert und durch Mikroventile 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 beschrieben wurde. 3 zeigt ein repräsentatives Ventil dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung. In 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Elements 18 von 1 vorgesehen. In 3 weist der Mikrokanal 16 ein Mikroventil 18 auf, das direkt oberhalb des Wärmeerzeugungselements 15 positioniert ist. Das Mikroventil 18 weist eine Mehrzahl oder ein Array von Stiften 22 auf, die von dem Boden des Mikrokanals 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 üblichererweise nicht etwa 1.25 μm, wobei bei vielen Ausführungsbeispielen dieser Abstand etwa 1.0 μm beträgt. Direkt an der Stangen- oder Stiftoberfläche sind Polymerbestandteile 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 Proportional-Mikroventil entlang eines gegebenen Mikrokanals wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zu erzeugen.
  • Ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt. In 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 Probeeinführung in die Flußkanäle zu steuern. 5 liefert eine Darstellung einer Variation der Vorrichtung, die in 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 einer Proben-Präparierung, -Trennung und chemischen Syntheseanwendungen. Repräsentative Anwendungen, bei denen die vor liegenden Vorrichtungen Verwendung finden, sind in den US-Patent-Nr. 57 70 029 A; 57 55 942 A; 57 46 901 A; 56 81 751 A; 56 58 413 A; 56 53 939 A, 56 53 859 A; 56 45 702 A; 56 05 662 A; 55 71 410 A; 55 43 838 A; 54 80 614 A beschrieben, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden. Beim Verwenden der vorliegenden Vorrichtungen wird der Fluidfluß durch die Mikrokanäle bzw. den Mikrokanal der Vorrichtung durch selektives Manipulieren der Mikroventile bzw. des Mikroventils, die bzw. das in der Vorrichtung vorhanden sind bzw. ist, moduliert, z. B. durch lokales Anheben der Temperatur des Gels in dem Mikroventil usw. Typischerweise werden die vorliegenden Vorrichtungen in Verbindung mit einer oder mehreren zusätzlichen Vorrichtung verwendet, wie z. B. einer Erfassungsvorrichtung, einer Probeeinführungsvorrichtung, usw., wobei solche Vorrichtungen und deren Verwendung für Fachleute auf diesem Gebiet bekannt sind.
  • Es werden ferner Ausrüstungen geschaffen, die die vorliegenden Mikrofluidvorrichtungen aufweisen. Die vorliegenden Ausrüstungen weisen zumindest eine Mikrofluidvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf. Die Ausrüstungen können 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 chromatographischen 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 eines Mikroventils.
  • Eine Synthese A1 umfaßt eine Synthese eines temperaturempfindlichen Polymers.
  • Isopropylacrylamid (IPAAm, 5,6 g, 50 mmol) in 20 ml von DMF (Dimethylformamid) wurde mit 75 μl (0,5 mmol) von Butylmethacrylat (BMA) und 10-20 μl (0,05 mmol) von Ethylenglykoldimethacrylat 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 verdampft, wobei das temperaturempfindliche Polymer zurückblieb.
  • 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 erzeugen. 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 ausgesetzt, daraufhin mit Wasser gespült und luftgetrocknet.
  • Etwa 1 g des temperaturempfindlichen Polymers wurde in 10 ml Wasser aufgelöst. Diese Lösung wurde über das Azido-aktivierte Glassubstrat aufgebracht und etwa 30 Minuten lang einem UV-Licht mit 265 nm aus einem Abstand von 3–6 cm ausgesetzt. Das Glassubstrat wurde daraufhin mit Wasser abgespült und luftgetrocknet.
  • Eine Snthese A3 umfaßt die Synthese eines Gelmikroventils auf einem Polyimidsubstrat.
  • Die Synthese einer thermoempfindlichen Gelmatrix, die kovalent 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 Karboxyfunktionalitäten zu erzeugen. Daraufhin werden aktivierte Ester auf herkömmliche Art und Weisen erzeugt und können mit Aminen, wie z. B. H2NCH2CH2NH2 oder H2NCH2CH2OH in Reaktion 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 thermoempfindliches Polymer zu erzeugen, das auf die Polyimidtrageoberfläche 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. Eine wässrige Lösung eines temperaturempfindlichen Polymers wird über dem Azido-aktivierten Polyimidsubstrat plaziert und etwa 30 Minuten lang einem UV-Licht mit 265 nm ausgesetzt. Das Substrat wird daraufhin mit Wasser gespült und luftgetrocknet.
  • Eine Synthese A4 umfaßt die Synthese eines Mikroventils auf einem Nylonsubstrat.
  • Nylonmaschenfilter (Spectrum Nr. 148130) 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-aktivierten Nylonsubstrat aufgebracht und etwa 30 Minuten lang einem UV-Licht mit 265 nm aus einem Abstand von 3-6 cm ausgesetzt. Das Nylonsubstrat wurde daraufhin mit Wasser gespült und luftgetrocknet.
  • Ein zweites Beispiel betrifft das Flußprofil durch das Mikroventil.
  • Zwei unterschiedliche Polymer-modifizierte Nylonsubstrate (Ventil Nr. 1 und Ventil Nr. 2) wurden präpariert, wie es bei der Synthese A4 beschrieben wurde. Das Polymer-modifizierte Nylonsubstrat oder -ventil wurde in eine Hochdruck-Semi-Prep-Filteranordnung (Upchurch Scientific # A330) plaziert, 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 Vorrichtung 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. Beispiele der Fluidtypen, die getestet wurden, waren: Wasser, typische biologische Puffer, z. B. 100 mM Phosphat oder Borat, oder wässrige Lösungen, die bis zu 40% mischbare Organiken, wie z. B. Methanol oder Acetonitril, enthalten. Der Fluß (Volumen/sek) wurde als eine Funktion der Temperatur gemessen. 6 zeigt die Ergebnisse von Ventil Nr. 1, während 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 Vorrichtungen zum Steuern eines Fluidflusses durch Mikrofluidvorrichtungen liefern. Die vorliegenden Mikroventile liefern eine relativ einfache und ohne weiteres herstellbare Einrichtung zum Steuern des Flusses eines Fluids durch Mikrofluidvorrichtungen.

Claims (15)

  1. Mikrofluidvorrichtung mit einem Fluidflußweg (14, 16) für ein Fluid und zumindest einem Mikroventil (18), das eine Mikroabteilwand und ein phasenreversibles Material aufweist, wobei das phasenreversible Material an der Mikroabteilwand gebunden ist, wobei das phasenreversible Material zwischen einem ersten, im Wesentlichen für das Fluid permeablen Zustand und einem zweiten, im Wesentlichen für das Fluid nicht-permeablen Zustand änderbar ist.
  2. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Vorrichtung zwei sich kreuzende Flußwege (32, 34) aufweist, wobei einer der Flußwege (32, 34) im Wesentlichen 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 eine Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) zumindest einer Wand des Fluidflußweges (14, 16) stabil zugeordnet ist.
  4. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) durch eine Zurückhalteeinrichtung in dem Fluidflußweg (14, 16) gehalten wird.
  5. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das phasenreversible Material ein phasenreversibles Polymer ist.
  6. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das phasenreversible Polymer ein N-Isopropylacrylamidcopolymer ist.
  7. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das phasenreversible Polymer ein Polyalkylenoxid ist.
  8. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Mikroventil (18) die Fluidflußrate entlang des Fluidflußweges (14) moduliert.
  9. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das phasenreversible Material thermoreversibel ist.
  10. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Mikrofluidvorrichtung zumindest ein Mikroabteil (14, 17) aufweist.
  11. Mikrofluidvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der das Mikroabteil (14, 17) ein Mikrokanal ist.
  12. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 11, bei der die Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) ein Array von Pfosten (22) aufweist, die mit der zumindest einen Oberfläche des Fluidflußweges (14) gebunden sind.
  13. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12, bei der die Zürückhalteeinrichtung fluidpermeable Barrieren aufweist, die in dem Fluidflußweg (14) auf gegenüberliegenden Seiten der Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) positioniert sind.
  14. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12, Fluidflußweg der die Zurückhalteeinrichtung Verengungen in dem Fluidflußweg (14) aufweist, die auf beiden Seiten der Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) vorhanden sind.
  15. Mikrofluidvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12, bei der die Komponente mit einem großen Oberflächenbereich (22) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Mehrzahl von Feststoffphasenpartikeln, einer Membran und einer Maschenstruktur besteht.
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