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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrofluidvorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
diesem Grund besteht weiterhin ein Interesse an dem Aufzeigen einer
Ventileinrichtung zum Steuern des Fluidflusses innerhalb einer Mikrofluidvorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Mikrofluidvorrichtung mit einem Mikroventil zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Mikrofluidvorrichtung mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch 1
gelöst.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegende Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
Darstellung einer Mikrofluidvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Darstellung einer Variation der Vorrichtung, die in 1 gezeigt
ist,
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3 eine
Darstellung eines Mikroventils gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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4 eine
Darstellung eines ferner weiteren Ausführungsbeispiels einer Mikrofluidvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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5 eine
Darstellung einer Variation der Vorrichtung, die in 4 gezeigt
ist,
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6 einen
Graphen des Flußprofils,
der durch ein Mikroventil gemäß der vorliegenden
Erfindung erreicht wird und
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7 einen
Graphen des Flußprofils,
der durch ein zweites Mikroventil gemäß der vorliegenden Erfindung
erreicht wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
folgenden Beispiele werden aus Veranschaulichungsgründen und
nicht zum Zwecke einer Begrenzung geliefert.
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Ein
erstes Beispiel betrifft die Synthese und das Testen eines Mikroventils.
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Eine
Synthese A1 umfaßt
eine Synthese eines temperaturempfindlichen Polymers.
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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.
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Eine
Synthese A2 umfaßt
eine Synthese eines Gelmikroventils auf einem Glassubstrat.
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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.
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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.
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Eine
Snthese A3 umfaßt
die Synthese eines Gelmikroventils auf einem Polyimidsubstrat.
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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.
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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.
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Eine
Synthese A4 umfaßt
die Synthese eines Mikroventils auf einem Nylonsubstrat.
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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.
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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.
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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.
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Ein
zweites Beispiel betrifft das Flußprofil durch das Mikroventil.
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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.