DE60300980T2 - Lochmikromischer - Google Patents

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Description

  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität von zwei gemeinsam vergebenen US-Patentanmeldungen mit der Seriennummer 10/046,071, herausgegeben am 11. Januar 2002, und mit der Seriennummer 10/138,959, herausgegeben am 03. Mai 2002.
  • Die Erfindung betrifft eine Mikrofluid-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff vom Anspruch 1, besonders zur Manipulation und insbesondere zum Mischen von Fluiden in Mikrofluid-Systemen.
  • Es gab ein wachsendes Interesse in der Anwendung von Mikrofluid-Systemen in einer Vielzahl von technischen Gebieten, einschließlich solcher verschiedenen Gebiete, wie biochemische Analyse, medizinische Diagnostiken, chemische Synthesen und der Umweltüberwachung. Beispielsweise stellt die Verwendung von Mikrofluid-Systemen zum Erwerben chemischer und biologischer Informationen bestimmte Vorteile bereit. Insbesondere Mikrofluid-Systeme erlauben, dass komplizierte biochemische Reaktionen und Prozesse unter Anwendung von sehr kleinen Fluidvolumen durchführbar sind. Zusätzlich zum Minimieren des Probevolumens vergrößern Mikrofluid-Systeme die Reaktionszeit der Reaktionen und reduzieren den Reagenzverbrauch. Außerdem kann, wenn in Mikrofluidvolumen zugeführt, eine große Anzahl von komplizierten biochemischen Reaktionen und/oder Prozessen in kleinen Bereichen durchgeführt werden, wie beispielsweise in einer einzigen integrierten Vorrichtung. Beispiele von wünschenswerten Anwendungen für Mikrofluid-Technologien weisen die analytische Chemie, die chemische und biologische Synthese, die DNS-Amplifikation, und das Überprüfen chemischer und biologischer Wirkstoffe nach ihrer Wirksamkeit unter anderen auf. Traditionelle Verfahren zum Konstruieren von Mikrofluid-Vorrichtungen haben oberflächenmikrobearbeitende Techniken verwendet, welche von der siliziumerzeugenden Industrie entliehen wurden. Gemäß diesen Techniken wurden Mikrofluid-Vorrichtungen auf ebene Art und Weise konstruiert, welche typischerweise mit einem Glas oder einem anderen Abdeckmaterial zum Verschließen der Fluidkanäle bedeckt sind. Repräsentative Vorrichtungen sind beispielsweise in einer frühen Arbeit von Manz, et al. (Trends in Anal. Chem. (1990) 10(5): 144–149; Advances in Chromatography (1993)33: 1–66) beschrieben. Diese Veröffentlichungen beschreiben Mikrofluid-Vorrichtungen, welche unter Verwendung von Photolitographie konstruiert sind zum Gestalten von Kanälen auf Silizium- oder Glassubstraten, gefolgt von einer Anwendung von Oberflächenätztechniken zum Beseitigen von Material von einem Substrat zum Ausbilden von Kanälen. Danach ist eine Abdeckplatte typisch für den Oberteil eines geätzten Substrats zum Verschließen der Kanäle und zum Enthalten eines fließenden Fluids.
  • Kürzlichst wurde eine Anzahl von Verfahren entwickelt, welche erlauben, Mikrofluid-Vorrichtungen aus Kunststoff, Silizium oder anderen Polymermaterialien zu konstruieren. Herstellungsverfahren weisen das Mikrogießen von Kunststoffen oder Silizium unter Anwendung von oberflächenätzenden Silizium als das Gießmaterial (siehe z.B. Duffy et al., Anal. Chem. (1998)70: 4974–4984; McCormick et al., Anal. Chem. (1997)69: 2626–2630); Spritzgießen; und Mikrogießen unter Anwendung einer LIGA Technik auf (siehe z.B. Schomburg et al., Journal of Micromechanical Microengineering (1994)4: 186–591), wie im nuklearen Forschungszentrum Karlsruhe in Deutschland entwickelt und von MicroParts (Dortmund, Deutschland) kommerziell angewendet. LIGA und Wärmepräge-Techniken wurden auch von Jenoptik (Jena, Deutschland) demonstriert. Prägeverfahren mit Polymethylmetaacrylat (PMMA) wurden auch beschrieben (siehe z.B. Martynova et al., Anal. Chem. (1997)69: 4783–4789). Diese verschiedenen Techniken werden typischerweise verwendet zum Gestalten von ebenen (d.h. zweidimensionalen oder 2-D-) Strukturen, welche eine Art von Abdeckung benötigen zum Verschließen von Mikrofluid-Kanälen. Zusätzlich gewähren diese Techniken an sich nicht ein Rapid-Prototyping und eine Herstellungsflexibilität. Außerdem sind die Ausrüstungskosten für solche Techniken sehr oft ziemlich hoch und können unerschwingliche Kosten aufweisen.
  • Ein früheres Verfahren zum Konstruieren von Mikrofluid-Vorrichtungen verwendet einen KrF-Laser zum Durchführen von Festkörperlaser-Ablation in Fluorkohlenstoffen, welcher mit Ruß vermischt ist zum Bewirken, dass das Fluorkohlenstoff für den KRF Laser absorptiv ist (siehe z.B. McNeely et al., "Hydrophobic Microfluidics", SPIE Microfluidic Devices and Systems IV, Vol. 3877 (1999)). Von diesem Verfahren wird berichtet, dass es die Zeit zum Prototyping reduziert; jedoch die Zugabe von Ruß macht das Material optisch unrein und präsentiert potentiell chemische Kompatibilitätsprobleme. Zusätzlich ist die Referenz nur auf ebene Strukturen gerichtet.
  • Wenn mit Fluiden in konventionellen makroskopischen Volumen gearbeitet wird, ist das Erzielen von effektiven Gemischen zwischen einem oder mehreren Fluidströmen eine relativ einfache Aufgabe. Unterschiedliche konventionelle Strategien können angewendet werden zum Verursachen von turbulenten Bereichen, welche bewirken, dass Fluidströme schnell gemischt werden. Beispielsweise können aktive Rühr- oder Mischelemente z.B. mechanisch oder magnetisch angetrieben) angewendet werden. Alternativ können, ohne die Verwendung von sich bewegenden Elementen, in Strömungskanälen zum Begünstigen des Mischens spezielle Geometrien angewendet werden. Ein übliches Beispiel für die Verwendung von speziellen Geometrien weist den Zusatz von Dampfsperren auf zum Ablenken von Fluidströmen und um dadurch eine Turbulenz zu begünstigen.
  • Die Anwendung von konventionellen Mischstrategien in Mikrofluid-Volumen ist gewöhnlich unwirksam, undurchführbar oder beides. Zunächst sind Mikrofluid-Systeme durch extrem hohe Flächen zu Volumenverhältnissen und korrespondierenderweise niedrige Reynoldszahlen (weniger als 2000) für die erreichbarsten Fließgeschwindigkeiten charakterisiert. Bei solchen niedrigen Reynoldszahlen ist innerhalb der meisten Mikrofluid-Systeme die Fließgeschwindigkeit voll und ganz innerhalb des laminaren Zustands und das Mischen zwischen den Fluidströmen wird primär durch das Diffusionsphänomen angeregt – typischerweise ein relativ langsamer Prozess. In dem laminaren Zustand ist die Anwendung von konventionellen geometrischen Modifikationen wie beispielsweise Dampfsperren zum Begünstigen des Mischens gewöhnlich unwirksam. Außerdem wäre die Aufgabe, bewegbare Rührelemente und/oder ihre Antriebsmittel in Mikrofluid-Vorrichtungen zu integrieren, unter Anwendung konventioneller Verfahren untragbar schwierig aufgrund volumetrischer und/oder Kosten-Zwänge, zusätzlich zu Zweifeln an deren Komplexibilität und Zuverlässigkeit. Angesichts dieser Einschränkungen wäre es wünschenswert, einen Mikrofluidmischer bereitzustellen, welcher schnell Fluidströme ohne sich bewegende Teile in einem minimalen Raum und zu sehr geringen Konstruktionskosten mischen kann. Ein idealer Fluidmischer wäre ferner durch ein minimales Totvolumen charakterisiert zum Erleichtern des Mischens von extrem kleinen Fluidvolumen.
  • Passive Mikrofluid-Mischvorrichtungen wurden im Wesentlichen als jene ebene Mikrofluid-Systemen konstruiert, wo den Fluiden erlaubt wird, sich durch Diffusion (z.B. Bokenkamp et al., Analytical Chemistry (1998) 70(2): 232–236) zu mischen. In diesen Systemen tritt die Fluidmischung an den Grenzflächen der Fluide auf, welche gewöhnlich relativ klein zu den Gesamtvolumen der Fluide ist. Daher findet ein Vermischen in solchen Vorrichtungen sehr langsam statt.
  • Die WIPO-Veröffentlichung Nr. WO 01/25138 lehrt eine Mikrofluid-Vorrichtung (beispielsweise beschrieben hierin im Zusammenhang mit 4A4B), wie in dem vorkennzeichneten Abschnitt von Anspruch 1 erwähnt. Die Vorrichtung lehrt jedoch einen Mischkanal, welcher in einer einzelnen Schicht angeordnet ist.
  • Ein anderer, passiver Mikrofluidmischer ist von Erbacher und Manz in der WIPO Veröffentlichung Nr. WO 97/00125 vorgeschlagen, welche am 3. Januar 1997 herausgegeben wurde. Hier weist eine Durchflusszelle zum Mischen von mindestens zwei fließfähigen Substanzen mehrere fluid-verteilende Wannen auf (eine für jede Substanz) welche zu einem fächerartig zusammenlaufenden ebenen Strömungsbett führen, wobei alle zwischen Fluideinlässen und einem Auslass angeordnet sind. Eine Einschränkung der offenbarten Mischvorrichtung ist, dass ihre Komponenten (zum Beispiel die Zuführkanäle, die Verteilungswannen und das Strömungsbett) mittels konventionellen Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Techniken hergestellt sind, wie beispielsweise jene, welche zum Strukturieren von Halbleitermaterialien und Lithographie- Galvanik LIGA Verfahren verwendet werden, wobei ihre begleitenden Nachteile oben erwähnt sind. Eine andere Einschränkung von den offenbarten Mischvorrichtungen ist, dass ihre Komponenten ein relativ großes Volumen verbrauchen, wobei daher die Möglichkeit, viele solche Mischer auf einer einzigen Vorrichtung anzuordnen und das Bereitstellen eines großen potentiellen Todvolumens begrenzt ist.
  • Ein sogenannter "Mikrolaminarmischer" ist in U.S. Patent 6,264,900 von Schubert et al. bereitgestellt. Hier weist eine verbesserte Düse eine mikro-hergestellte Führung auf, welche mehrere einzelne Fluidschichten zu einem äußeren Sammeltank oder einer äußeren Sammelkammer führt. Verschiedene reaktive Fluidströme werden räumlich getrennt gehalten, bis sie aus der Führung hervortreten, insbesondere zum Verhindern, dass die Anfangskomponenten innerhalb der Vorrichtung miteinander in Kontakt kommen. Eine Einschränkung des offenbarten Düsentypsystems ist, das sein "Führungs"-Element mit konventionellen Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Techniken hergestellt ist. Eine andere Einschränkung von diesem Düsentyp-System ist, dass es hoch unpraktikabel sein würde, wenn nicht sogar unmöglich, dessen Elemente in einer einzigen Mikrofluid-Vorrichtung zu integrieren zur weiteren Manipulation des sich ergebenden Fluids, welches dem Mischschritt folgt.
  • U.S. Patent 5,595,712 von Harbster et al. ("Harbster") offenbart eine vollständig laminierte Vorrichtung zum Mischen und Reagieren von Chemikalien. Eine Mehrzahl von Schichten – typischerweise Silizium (oder Glas oder Cheramik) Wafern – sind oberflächenmikrobehandelt zum Ausbilden horizontaler Kanäle oder Gräben in der oberen und/oder unteren Fläche der Schichten, welche zum Ausbilden eines Mischbereichs zusammenwirken, wobei jede davon eine Mehrzahl von überschneidenden Kanälen aufweist. Die Kanäle überschneiden sich mit anderen Kanälen auf eine geschnittene Weise bei einem vorbestimmten Angriffswinkel. Insbesondere weist jeder Wendeabschnitt Kanalwände auf, welche "von der Vertikalen mit einem 37°-Winkel abgeschrägt" sind. Dies wird durch ätzende kristallinen Materialien entlang abgeschrägten facettierten Ebenen implementiert, etwas, was nur mit kristallinen Materialien wie beispielsweise Silizium erzielt werden kann.
  • Knight et al. beschreibt Mischer, welche Kanäle aufweisen, welche in einen Siliziumchip geätzt sind, welcher eine Düse aufweist. Knight et al. "Hydrodynamic Focusing on a Silicon chip: Mixing Nanoliters in Microseconds", "Physical Review Letters, 80: 17, 27 April 1998, 3863–3866 ("Knight"). Die Düse wirkt zum Fokussieren der Strömung, zum Verbessern und zum Beschleunigen des Mischens von zwei Fluidströmen in dem Kanal. Sowohl Harbster als auch Knight benötigen die Verwendung von oberflächenmikrobehandelten oder geätzten Techniken, wobei deren begleitende Nachteile oben erwähnt sind.
  • Alternative Mischverfahren sind entwickelt worden, welche auf eine elektrokinetische Strömung basieren. Vorrichtungen, welche solche Verfahren anwenden, sind kompliziert, benötigen elektrische Kontakte innerhalb des Systems. Zusätzlich arbeiten jene Systeme nur mit geladenen Fluiden oder Fluiden, welche Elektrolyte enthalten. Schließlich benötigen diese Systeme Spannungen, die ausreichend hoch sind, um die Elektrolyse von Wasser zu bewirken, wobei daher Probleme verursacht werden, wobei Blasenbildung und das Sammeln von Proben, ohne dieselben zu zerstören, ein Problem ist.
  • Angesichts der Einschränkungen von konventionellen Mikrofluid-Mischern besteht ein Bedarf für widerstandsfähige Mischer, welche zum schnellen und vollständigen Mischen einer weiten Vielfalt von Fluiden innerhalb eines minimalen Volumens in einer Mikrofluid-Umgebung im Stande sind. Derartige Mischdesigns würden vorzugsweise zugänglich für schnelle, geringe Herstellungskosten, sowohl bei geringen und hohen Volumen, wären zum Prototyping und zum Herstellen im großen Maßstab geeignet und würden ferner das Bearbeiten von Fluiden stromabwärts von jedem/von jeden Mischbereich/Mischbereichen erlauben.
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, die Mikrofluid-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu verbessern zum Begünstigen eines schnellen und komplexen Mischens innerhalb eines Minimalvolumens in einer Mikrofluid-Vorrichtung. Dies wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 erzielt. Vorteilhafte andere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 beansprucht.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen diskutiert:
  • 1A ist ein oberes Ansichtsbild einer Mikrofluid-Vorrichtung mit trassierten Kanalgrenzlinien gemäß einem ersten Stand-der-Technik Design, welches Grenzschichtkontakt zwischen zwei Seite-an-Seite Fluiden in einem geraden Kanal begünstigt, wobei nur ein minimales Vermischen zwischen den beiden Fluiden auftritt, bevor die Gesamtmenge in zwei separate Ströme getrennt wird. 1B ist ein oberes Ansichtsbild von einer Mikrofluid-Vorrichtung mit trassierten Kanalgrenzlinien gemäß einem zweiten Stand-der-Technik Design, welches Grenzflächenkontakt zwischen zwei Seite-an- Seite Fluiden in einen Kanal mit mehreren Wendungen begünstigt, wobei ein unvollständiges Mischen zwischen den beiden Fluiden auftritt, bevor die Gesamtmenge in zwei separate Ströme getrennt wird.
  • 2A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung, welche aus fünf Schichten konstruiert ist und zum Mischen von zwei Fluiden imstande ist, wobei die Vorrichtung zwei durchgängige Kontraktions/Expansions-Schichtbereiche aufweist, welche in Reihe mit geraden Einlass- und Auslasskanälen angeordnet sind. 2B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 2A. 2C ist ein oberes Ansichtsbild der Mikrofluid-Mischvorrichtung aus 2A2B mit trassierten Kanalgrenzlinien, welche das Mischmuster zum Mischen zwischen zwei Fluiden mit einer Gesamtflussrate von ungefähr 20 Mikroliter pro Minute zeigt. 2D stellte die gleiche Ansicht wie 2C bereit, wobei aber das Mischmuster zum Mischen zwischen zwei Fluiden bei einer Gesamtflussrate von ungefähr 400 Mikrolitern pro Minute gezeigt ist.
  • 3A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung, welche aus fünf Schichten konstruiert ist und imstande ist, zwei Fluiden zu mischen, wobei die Vorrichtung zehn durchgängige Kontraktions/Expansions-Schichtbereiche aufweist, welche in Reihe mit geraden Einlass- und Auslasskanälen angeordnet sind. 3B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung von 3A. 3C3E sind ein Draufsichtansichtsbild der Mikrofluid-Mischvorrichtung aus 2A2B mit trassiertem Kanalgrenzlinien, welche das Mischmuster zum Vermischen von zwei Fluiden bei drei unterschiedlich Gesamt- Fließgeschwindigkeiten zeigen: 20, 200 beziehungsweise 400 Mikroliter pro Minute.
  • 4A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung, welche aus elf Schichten konstruiert ist und imstande ist, zwei Fluide zu mischen, wobei die Vorrichtung vier aufeinander gestapelte Durchgangs-Schichtkontraktions/Expansionsschicht-Bereiche mit zwei Strömungswendugen aufweist, wobei die gestapelten Bereiche in Reihe mit geraden Einlass- und Auslasskanälen angeordnet sind. 4B ist eine Draufsicht der zusammengebaut Vorrichtung aus 4A.
  • 5A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung, welche aus fünf Schichten konstruiert ist und imstande ist, zwei Fluide zu mischen, wobei die Vorrichtung achtzehn Durchgangs-Schichtkontraktions/Expansions-Bereiche und sechszehn 90-Grad-Biegungen aufweist. 5B ist eine Draufsicht der zusammengebauten Vorrichtung aus 5A. 5C5E sind obere Ansichtsbilder der Mikrofluid-Mischvorrichtung aus 5A5B mit trassierten Kanalgrenzlinien, welche das Mischmuster zum Vermischen von Fluiden in drei unterschiedlichen Gesamtfließgescwindigkeiten zeigen: 20, 200 beziehungsweise 400 Mikroliter pro Minute.
  • Definitionen
  • Der Begriff "Kanal", wie hierin verwendet, ist im weitesten Sinn zu interpretieren. Daher ist der Begriff "Kanal" nicht vorgesehen, auf die längliche Konfiguration eingeschränkt zu werden, wo die Quer- oder Längsabmessung stark den Durchmesser oder die Querschnittsabmessung überschreitet. Der Begriff ist eher gemeint, eine Leitung von jeder gewünschten Gestalt oder Konfiguration zu umfassen, durch welche Liquide geführt werden können. Ein Kanal kann mit einem oder mehreren Materialien gefüllt sein.
  • Der Begriff "Hauptabmessung" wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Größte von der Länge, Breite oder Höhe von einer bestimmten Gestalt oder Struktur. Beispielsweise ist die Hauptabmessung von einem Kreis der Radius und die Hauptabmessung von einem Rechteck (mit einer Länge größer als dessen Breite oder Höhe) dessen Länge. Wenn bei einer Öffnung angewendet, ist die Hauptabmessung einer Kreisöffnung der Radius und die Hauptabmessung von einer typischen Rechtecköffnung deren Länge.
  • Der Begriff "Mikrofluid", wie hierin verwendet, ist ohne Einschränkungen hierzu mit Bezug auf Strukturen oder Vorrichtungen zu verstehen, durch welche Fluid/Fluide im Stande sind, hindurchgeführt oder gleitet zu werden, wobei eine oder mehrere der Abmessungen kleiner als fünfhundert (500) μm ist.
  • Der Begriff "passiv" oder "passives Mischen", wie hierin verwendet, bezieht sich auf das Mischen zwischen zwei Fluidströmen ohne die Verwendung von sich bewegenden Elementen.
  • Der Begriff "Matrize", wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Materialschicht oder Scheibe, welche vorzugsweise im Wesentlichen eben ist, durch welche einer oder mehrere unterschiedlich gestaltete und orientierte Kanäle herausgeschnitten worden sind oder auf andere Weise über die gesamte Dicke der Schicht entfernt worden sind, was daher eine wesentliche Fluidbewegung innerhalb der Schicht erlaubt (im Gegensatz zu einfachen Durchgangslöchern zum Überführen von Fluid durch eine Schicht hindurch zu einer anderen Schicht). Die Außenlinien des Schnittes oder der auf andere Weise beseitigten Abschnitten bilden die seitlichen Grenzen von Mikrostrukturen, welche vervollständigt sind, wenn eine Matrize zwischen anderen Schichten sandwichartig eingelegt ist, wie beispielsweise Substrate und/oder andere Matrizen. Matrizenschichten können flexibel sein, was daher ermöglicht, dass eine oder mehrere Schichten manipulierbar sind, so dass sie nicht in einer Ebene liegen.
  • Herstellung von Mikrofluid-Strukturen
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können Mikrofluid-Vorrichtungen unter Verwendung von Matrizenschichten oder Scheiben konstruiert werden zum Definieren von Kanälen zum Transportieren von Fluiden. Eine Matrizenschicht ist vorzugsweise im Wesentlichen eben und weist eine oder mehrere Mikrostrukturen auf, wie beispielsweise Kanäle, welche durch die gesamte Dicke der Schicht hindurch geschnitten sind. Beispielsweise kann ein computergesteuerter Plotter, welcher zum Manipulieren eines Schneidmessers modifiziert ist, verwendet werden. Solch ein Messer kann entweder zum Schneiden von Abschnitten, welche aus der Matrizenschicht abgetrennt und beseitigt werden, oder zum Modellieren von Schlitzen verwendet werden, welche Bereiche in der Matrizenschicht separieren ohne dass irgendein Material beseitigt wird. Alternativ kann ein computergesteuerter Laserschneider verwendet werden zum Schneiden von Mustern durch die gesamte Dicke einer Materialschicht hindurch. Wobei das Laserschneiden zum Erzielen präzise dimensionierter Mikrostrukturen verwendet werden kann, beseitigt die Verwendung eines Lasers zum Schneiden einer Matrizenschicht von Natur aus etwas Material. Andere Beispiele von Verfahren, welche zum Ausbilden von Matrizenschichten angewendet werden können, weisen konventionelle Präge- oder Stanz-Technologien auf. Jedes der oben erwähnten Verfahren zum Schneiden durch eine Matrizenschicht oder Scheibe erlaubt, widerstandfähige Vorrichtungen schnell und unaufwendig herzustellen im Vergleich zu konventionellen Flächenmikrobearbeitungs- oder Materialbeseitigungs-Techniken, welche von anderen zum Produzieren von Fluidik-Mikrostrukturen angewendet werden.
  • Nachdem ein Abschnitt einer Matrizenschicht ausgeschnitten oder beseitigt worden ist, bilden die Außenlinien des Schnitts oder der auf andere Weise entfernte Abschnitte die seitlichen Grenzen von Mikrostrukturen aus, welche vervollständigt sind, nachdem eine Matrize zwischen anderen Vorrichtungsschichten, wie beispielsweise Substraten und/oder anderen Matrizen, sandwichartig angeordnet ist. Nach dem die Vorrichtungsschichten zusammen gestapelt oder sandwichartigt angeordnet sind, werden die oberen und unteren Grenzen von einem Mikrofluidkanal innerhalb einer Matrizenschicht von dem Unterteil beziehungsweise dem Oberteil von angrenzenden Matrizen- oder Substratschichten gebildet. Die Dicke oder Höhe von Mikrostrukturen wie beispielsweise Kanälen kann durch Wechseln der Dicke einer Matrizenschicht oder Verwenden mehrerer im Wesentlichen identischer Matrizenschichten variiert werden, die aufeinandergestapelt sind. Wenn in einer Mikrofluid-Vorrichtung zusammengebaut, sind die obere und untere Fläche der Matrizenschichten vorgesehen, sich mit einer oder mehreren benachbarten Matrizen oder Substratschichten zu paaren zum Ausbilden einer im Wesentlichen abgedichteten Vorrichtung, welche typischerweise eine oder mehrere Fluid-Einlassöffnungen und eine oder mehrere Fluid-Auslassöffnungen aufweist. Eine Matrizenschicht und umgebende Matrizen- oder Substratschichten können unter Verwendung jeder geeigneten Technik verklebt werden.
  • Die weite Vielfalt von Materialien, welche zum Herstellen von Mikrofluid-Vorrichtung verwendet werden kann, welche sandwichartig aufeinandergelegte Matrizenschichten verwenden, weist polymere, metallische und/oder Komposit-Materialien auf, um nur einige zu nennen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen werden jedoch Polymermaterialien aufgrund ihrer chemischen Trägheit und jeweiligen Herstellung verwendet.
  • Wenn in einer Mikrofluid-Vorrichtung zusammengebaut, können die obere Fläche und die untere Fläche von Matritzenschichten mit einer oder mehreren angrenzenden Matrizen oder Substratschichten zum Ausbilden einer im Wesentlichen abgedichteten Vorrichtung gepaart werden. In einer Ausführungsform können eine oder mehrere Schichten einer Vorrichtung aus einseitigen oder doppelseitigen Klebeband hergestellt sein, obwohl andere Verfahren zum Kleben von Matrizenschichten verwendet werden können. Ein Abschnitt des Klebebands (mit der gewünschten Gestalt und den gewünschten Abmessungen) kann zugeschnitten werden und beseitigt werden zum Ausbilden von Mikrostrukturen wie beispielsweise Kanälen. Eine Klebebandmatrize kann dann auf ein tragendes Substrat mit einer geeigneten Abdeckschicht zwischen Klebebandschichten oder zwischen Schichten aus anderen Materialien platziert werden. In einer Ausführungsform können Matrizenschichten aufeinander gestapelt werden. In dieser Ausführungsform kann die Dicke oder Höhe der Kanäle innerhalb einer besonderen Matrizenschicht variiert werden indem die Dicke der Matrizenschicht (zum Beispiel der Klebebandträger und das Klebematerial daran) variiert wird oder indem mehrere im Wesentlichen identische Matrizenschichten verwendet werden, welche aufeinandergestapelt sind. Verschiedene Arten von Klebebändern können mit solch einer Ausführungsform verwendet werden. Geeignete Klebebandträgermaterialien weisen auf, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyester, Polycarbonat, Polytetrafluorethylen, Polypropylen und Polyimide auf. Derartige Klebebänder können verschiedene Aushärtverfahren aufweisen, welche Aushärten durch Druck, Temperatur oder chemische oder optische Wechselwirkung aufweisen. Die Dicke dieser Trägermaterialien und des Klebstoffs kann variiert werden. Als eine Alternative zur Verwendung eines Klebebands kann eine Klebeschicht direkt auf eine nicht klebende Matrize oder umgebende Schicht aufgebracht werden. Beispiele von Klebstoffen, welche verwendet werden können, entweder in selbstständiger Form oder einbezogen in einem selbstklebend Klebeband, einschließlich auf Gummi basierende Klebstoffe, auf Acryl basierende Klebstoffe, auf Kautschuk basierende Klebstoffe und verschiedenen anderen Typen.
  • Bemerkenswerterweise erlauben auf Matrizen basierende Fabrikationsverfahren eine sehr schnelle Herstellung von widerstandsfähigen Mirkofluidik-Vorrichtungen sowohl für das Prototyping als auch für die Großserienproduktion. Das Rapid Prototyping ist unschätzbar zum Ausprobieren und Optimieren von neuen Vorrichtung-Designs, da die Designs schnell implementiert, getestet und (falls notwendig) modifiziert und weiter getestet werden können zum Erzielen des gewünschten Ergebnisses. Die Möglichkeit, Vorrichtungen mit Matrizenherstellungsverfahren schneller mit Prototyping herzustellen, erlaubt auch, viele unterschiedliche Varianten von einem bestimmten Design zu testen und gleichzeitig auszuwerteten.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform können Mikrofluid-Vorrichtungen aus Materialien wie beispielsweise Glas, Silizium, Siliziumnitrit, Quarz oder ähnlichen Materialien hergestellt werden. Unterschiedliche konventionelle Oberflächen-Bearbeitungs- oder Oberflächen-Mikrobearbeitungstechniken, wie beispielsweise solche, welche in der Halbleiterindustrie bekannt sind, können zum Ausgestalten von Kanälen, Durchgangslöchern und/oder Kammern in diesen Materialien verwendet werden. Beispielsweise können Techniken verwendet werden, welche Nass- oder Trockenätzen und Laser-Ablation aufweisen. Unter Anwendung solcher Techniken können Kanäle in einer oder mehreren Flächen eines ersten Substrats gemacht werden. Ein zweiter Satz von Kanälen kann in ein zweites Substrat geätzt oder in demselben erzeugt werden.
  • Auch andere Ausführungsformen können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden unter Anwendung gut bekannter Techniken, wie beispielsweise das Prägen, das Stanzen, das Gießen und die Soft Lithographie. Zusätzlich in noch einer anderen Ausführungsform sind die Schichten nicht diskret, sondern eine Schicht beschreibt eine im Wesentlichen ebenen Abschnitt durch solch eine Vorrichtung hindurch. Solch eine Mikrofluid-Vorrichtung kann unter Verwendung von Fotopolymerisationstechniken beispielsweise jenen konstruiert werden, die in Cumpston et al. (1990) Nature 398: 51–54 beschrieben sind.
  • Zusätzlich zu der Verwendung von Klebstoffen oder von einseitig oder doppelseitigen Klebeband, wie oben diskutiert, können andere Techniken zum Anbringen einer oder mehrerer der unterschiedlichen Schichten von Mikrofluid-Vorrichtungen verwendet werden, wie es einem Fachmann im Materialanfügen ersichtlich ist. Beispielsweise weisen, Anbringungstechniken, thermisches, chemisches oder lichtaktiviertes Kleben auf; wobei mechanisches Anfügen (einschließlich des Verwendens von Klammern oder Schrauben zum Anlegen von Druck an den Schichten); oder andere äquivalente Kupplungsverfahren verwendet werden können.
  • Mikrofluid-Mischer
  • Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung sind auf passive Mikrofluid-Mischvorrichtungen gerichtet, welche zum schnellen Mischen von zwei oder mehreren Fluidströmen auf eine kontrollierte Art und Weise im Stande sind ohne dass Rührstangen oder anderen sich bewegende Teile verwendet werden. Typischerweise ist das Mischen im Wesentlichen innerhalb der neuen Mikrofluid-Vorrichtungen vervollständigt. In einer Ausführungsform weisen diese Vorrichtungen Mikrofluid-Kanäle oder Kanalabschnitte auf, welche in unterschiedlichen Schichten einer dreidimensionalen Struktur ausgebildet sind. Das Mischen kann unter Verwendung verschiedener Manipulationen der Fluidflussbahnen und/oder Kontakte zwischen den Fluidströmen durchgeführt werden. Beispielsweise können in verschiedenen Ausführungsform-Strukturen, wie zum Beispiel Kanalüberlappungen, konvergierende/divergierende Bereichen und Wendungen in einer Mischvorrichtung designed sein zum Begünstigen eines schnellen und kontrollierten Mischens zwischen zwei oder mehren Fluidströmen. Bestimmte Parameter können geändert werden, um eine kontrollierbare Wirkung auf die Misch-Menge oder -Rate zu haben, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, die Größe und Geometrie der Mikrostrukturen, die Oberflächenchemie der Materialien, der verwendeten Fluide und die Fließgeschwindigkeit der Fluide. Mehrere Strukturen zum Durchführen des Mischens können in derselben Vorrichtung verwendet werden, um ein schnelleres oder vollständigeres Mischen sicherzustellen oder um eine komplizierte Mischeinrichtung bereitzustellen, wie beispielsweise das Mischen unterschiedlicher Fluidströme in verschiedenen Abschnitten.
  • Mikrofluid-Kanäle haben mindestens eine Abmessung, welche kleiner als ungefähr 500 μm ist. Kanäle, welche mit den bestimmten Ausführungsformen zweckmäßig sind, weisen vorzugsweise ein Seitenverhältnis auf, welches den Flächen zu-Flächen-Kontakt zwischen Fluidströmen maximiert. Ein Kanal kann eine Tiefe von ungefähr 1 bis ungefähr 500 μm, vorzugsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 100 μm und eine Breite von ungefähr 10 bis ungefähr 10000 μm aufweisen, so dass das Seitenverhältnis (Breite/Höhe) des Kanalquerschnitts mindestens ungefähr 2, vorzugsweise mindestens ungefähr 10 beim Überlappungsbereich ist, wo sich die Kanäle treffen. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann ein Kanal in eine Schicht geformt, in eine Schicht geätzt oder aus einer Schicht herausgeschnitten sein. Wo ein Kanal aus der gesamten Dicke einer Schicht herausgeschnitten ist, wird sie als Matrizenschicht bezeichnet.
  • Unterschiedliche Ausführungsformen erzeugen ausreichenden Grenzschichtkontakt pro Querschnittsbereich zwischen den unterschiedlichen Fluidströmen zum Bewirken einer schnellen Vermischung. Auf diese Weise wird ein diffuses Vermischen zwischen zwei oder mehreren Fluidströmen erzielt, welche sich in den überlappenden Bereichen treffen, und sie können zu einem größeren Grad vermischt werden, als es in einer Mikrofluid-Vorrichtung üblich ist. Die Gestalt und der Bertrag der Überlappung an diesen Stellen kann gesteuert werden, um den Misch-Betrag zu ändern.
  • In unterschiedlichen Ausführungsformen kann eine Mikrofluid-Vorrichtung einen oder mehrere Mischbereiche aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen sind alle Mischbereiche im Wesentlichen identisch im Typ, in der Größe und/oder in der Geometrie. In anderen Ausführungsformen können Mischbereiche von unterschiedlichen Typen, Größen oder Geometrien in einer einzelnen Vorrichtung bereitgestellt werden zum Produzieren eines bevorzugten Vermischens. In bestimmten Ausführungsformen können die Mischer in einer Vorrichtung gebündelt sein zum Durchführen verschiedener Funktionen. Beispielsweise können die Mischer in einer Vorrichtung gebündelt sein zum Durchführen kombinatorischer Synthesen von unterschiedlichen Materialtypen.
  • Wichtigerweise kann die Natur dieser Mikrofluid-Mischer für bestimmte Anwendungen angepasst werden. Einige der Parameter, welche das Design von diesen Systemen beeinflussen, weisen den verwendeten Fluidtyp, die Fließgeschwindigkeit und die Materialzusammensetzung der Vorrichtungen auf. Die Mikrofluid-Mischer, welche hierin beschrieben sind, können in einer Mikrofluid-Vorrichtung konstruiert sein, indem die Geometrie und Chemie der Bereiche, wo ein Fluidstrom einen anderen kontaktiert, gesteuert werden.
  • Ältere zweidimensionale Mikrofluid-Mischvorrichtungen weisen typischerweise Fluidik-Kanäle auf einer einzelnen im Wesentlichen ebenen Schicht einer Mikrofluid-Mischvorrichtung auf. Gewöhnlich ist das Seiten- (Breite zu Höhen) Verhältnis von diesen Kanälen 10:1 oder größer, wobei die Kanalweite gewöhnlich zwischen 10 und 500 mal größer als ihre Höhe ist. Diese Einschränkung ergibt sich teilweise aus Einschränkungen in den Siliziumtechniken, welche typischerweise zum Produzieren solcher Vorrichtungen verwendet werden. Um Proben zu vermischen, werden zwei koplanare Einlasskanäle in einen gemeinsamen Auslasskanal zusammengebracht. Die Fluide treffen sich an der Überschneidung und laufen entlang des Auslasskanals fort, typischerweise auf eine Seite-an-Seite Weise. In Mikrofluid-Systemen ist der Fluidfluss praktisch immer laminar (es tritt keine turbulente Strömung auf); daher tritt jedes Vermischen in diesem Auslasskanal durch diffusionales Mischen an der Schnittstelle zwischen den zugeführten Liquidströmen auf. Dieses Vermischen ist extrem langsam, da die Schnittstelle zwischen den beiden sich kreuzenden Fluiden entlang der kleineren Abmessung der senkrechten Querschnitte der Fluidströme ist und diese Abmessung im Vergleich zu dem Gesamtvolumen der Fluide sehr klein ist. Da in traditionellen zweidimensionalen Mikrofluidsystemen alle Fluidik-Kanäle in derselben im Wesentlichen ebenen Schicht der Vorrichtung enthalten sind, ist dieses Problem schwer zu überwinden. Mikrofluid-Vorrichtungen, welche im Stand der Technik zweidimensionalen "Mischung"-Strukturen nahe kommen, wurden konstruiert. Typische Ergebnisse von Versuchen, zwei Liquide (zum Beispiel gefärbtes Wasser) in solchen Vorrichtungen zu mischen, sind in ziemlich dramatischer Weise in 1A1B gezeigt, welche den relativen Mangel von diffuser Vermischung zwischen zwei kontaktierenden, Seite an Seite angeordneten Strömen zeigen.
  • Mikrofluid-Vorrichtungen gemäß den Ausführungsformen sind dreidimensional, weisen Mikrofluid-Kanäle auf, welche auf oder in unterschiedlichen Schichten einer Fluidik-Vorrichtung angeordnet sind. In bestimmten Ausführungsformen fließen mehrere Fluidströme Seite-an-Seite in einem ersten Mikrofluid-Kanal, bis sie einen Kontraktions-/Expansions-Bereich erreichen, welcher zu einem zweiten Mikrofluid-Kanal führt, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal in unterschiedlichen Vorrichtungsschichten definiert sind. Mehrere Kontraktions-Expansions-Bereiche können in Reihe bereitgestellt werden zum Durchführen einer schnelleren oder vollständigeren Vermischung zwischen den Fluiden.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann das Wechseln der chemischen Natur von den Vorrichtungsschichten oder von speziellen Bereichen die Mischeigenschaften ändern. Dies kann durch Ausbilden einer Matrizenschicht aus einem anderen Material oder durch Ändern der Oberflächenchemie einer Matrizenschicht erzielt werden. Die Oberflächenchemie einer Matrizenschicht kann auf vielen Wegen geändert werden, wie es von einem Fachmann erkannt werden würde. Beispiele von Verfahren zum Ändern der Oberflächenchemie weisen die chemische Derivatisierung sowie Oberflächenmodifikationstechniken wie beispielsweise das Plasmareinigen oder das chemische Ätzen auf. Diese oben beschriebenen Verfahren zum Ändern der chemischen Natur von Vorrichtungsschichten oder bestimmten Bereichen innerhalb einer Mikrofluid-Vorrichtung können unabhängig oder im Verbindung miteinander verwendet werden.
  • In einer Mischerausführung, welche eine Zwischenabstandhalterschicht hat, definiert die Abstandshalterschicht eine Öffnung, welche im Wesentlichen kleiner in der Hauptabmessung als die benachbarten Kanäle ist. Solch eine Öffnung kann in verschiedenen passenden Gestalten konfiguriert sein, wie beispielsweise rund, rechteckig oder dreieckig, um nur einige zu nennen. Zusätzlich ist solch eine Öffnung entlang der Breite von jedem der benachbarten Kanäle vorzugsweise im Wesentlichen mittig angeordnet. In einer Ausführungsform treffen sich zwei Mikrofluid-Kanäle, welche unterschiedliche Fluide führen, in einem Verbindungsbereich in einer Schicht, was typischerweise einen kombinierten Strom von zwei getrennten Fluidströmen ergibt, welche Seite-an-Seite fließen. Der kombinierte Strom setzt sich dann durch einen "Stromabwärts"-Kanal zu einem Kanalüberlappungsbereich mit einer kleinen Öffnung fort, welche eine Fluid-Kommunikation zwischen dem Stromaufwärts-Kanal und einem Stromabwärts-Kanal erlaubt. Der Fluss setzt sich durch die kleine Öffnung und in dem Stromabwärts-Kanal hinein fort. Die Kombination von der kleinen Öffnung und von dem Stromabwärts-Kanal dient als ein Kontraktions-/Expansions-Bereich, da der Fluidflussbereich durch die Öffnung hindurch kontrahiert und dann expandiert wird, wenn das Fluid sich in den Stromabwärts-Kanal hinein bewegt. Mehrere kanalüberlappende Kontraktions-/Expansions-Bereiche können in einer einzigen Vorrichtung vorgesehen sein. Wenn in Reihe angeordnet, können mehrere Kontraktions-/Expansions-Bereiche ein schnelleres oder vollständigeres Vermischen von mehreren Fluiden begünstigen.
  • Einige Beispiele von Mischvorrichtungen, welche mehrere Kanalüberlappung-Kontraktion-/-Expansions-Bereiche haben, sind in 2A2B und 2A2B bereitgestellt. In anderen Ausführungsformen können die Fluidströme so manipuliert werden, dass sie einen wesentlichen Wechsel in der Richtung von einem Kontraktion-/Expansions Bereich zu einem anderen durchmachen. Beispiele von solchen Vorrichtungen sind in 4A4B und 5A5B bereitgestellt.
  • Die folgenden Beispiele beschreiben bestimmte Aspekte von mehreren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
  • Beispiel 1
  • In einer Ausführungsform weist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung eine Abstandshalterschicht auf, welche eine Öffnung definiert, welche im Wesentlichen kleiner im Durchmesser als die angrenzenden Stromaufwärts- und Stromabwärts-Kanäle ist, so dass die Öffnung und der Stromabwärts-Kanal als ein Kontraktion-/Expansions-Bereich zum Begünstigen des Mischens dienen. Ein Beispiel vom einem Mikrofluid-Mischer, welcher solch ein Design verkörpert, ist in 2A2B dargestellt. Eine Mischvorrichtung 250 ist aus fünf Vorrichtungsschichten 251255 konstruiert, welche Matrizenschichten 252, 254 aufweisen. Beginnend vom unteren Ende definiert die erste Schicht 251 zwei Fluid-Einlassöffnungen 256, 257 und zwei -Auslassöffnungen 258, 259, wobei jede Öffnung ungefähr achtzig (80) Millizoll (2 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 252 definiert zwei Einlasskanal-Abschnitte 260, 261, welche sich an einer Verbindungsstelle 262 treffen, welche einen Stromaufwärts-Kanal-Abschnitt 263 versorgt, welcher einen Auslass 263A hat. Die zweite Schicht 252 definiert einen anderen Kanal 264, der einen Trennbereich 265 zum Aufteilen eines gemischten Fluidstroms in zwei Unterströme hat. Die dritte Schicht 253 definiert zwei kleine Öffnungen 266, 267, wobei jede Öffnung 266, 267 kleiner in der Größe als die benachbarten Kanäle 263, 268, 264 ist. In dieser Ausführungsform ist jede Öffnung 266, 267 ungefähr sechs (6) Millizoll (150 μm) im Durchmesser. Vorzugweise sind diese Öffnungen 266, 267 entlang der Breite von jedem der Kanäle 263, 264, 268 im Wesentlichen mittig angeordnet. Die vierte Schicht 254 definiert einen Kanal 268, welcher sowohl den Kanalabschnitt 263 und als auch den Kanal 264 leicht überlappt, welche in der zweiten Schicht 252 definiert sind. Der Kanal 268 ist im Wesentlichen stromabwärts des Kanalabschnitts 263 und der ersten Öffnung 266 und ist gleichzeitig im Wesentlichen stromaufwärts zu der zweiten Öffnung 267 und dem Kanal 264. Die fünfte Schicht 255 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt werden, was daher zum Versiegeln des Kanals 268 von oben und zum Tragen der Vorrichtung 250 dient, falls notwendig. Die Kanäle 260, 261, 263, 264, 265, 268 weisen jeweils eine nominelle Weite von ungefähr vierzig (40) Millizoll (1 mm) auf. Wie vorher beschrieben, können die Matrizenschichten 252, 254 vorteilhafterweise aus doppelseitigen selbstklebenden Klebeband hergestellt werden, wobei die nicht-Matrizenschichten 251, 253, 255 aus einem nicht-klebenden Material hergestellt sein können.
  • Bei der Betätigung wird ein erster Fluidstrom in die erste Einlassöffnung 256 und ein zweiter Fluidstrom in die zweite Einlassöffnung 257 injiziert. Die Fluidströme reisen durch Kanalabschnitte 260 bzw. 261 bis sie sich an der Verbindungsstelle 262 treffen. Von der Verbindungsstelle 262 fließen die Bestandteile des kombinierten Stroms Seite-an-Seite durch den Kanalabschnitt 263 bis sie einen Kanalauslass 263A unmittelbar stromaufwärts der ersten Öffnung 266 erreichen. Der kombinierte Strom fließt aufwärts durch die kleine Öffnung 266 und in den Kanal 268 hinein, welche zusammen als ein Kontraktions-/Expansions-Bereich dienen, was das Vermischen begünstigt. Der kombinierte Strom setzt sich durch den Kanal 268 fort und fließt herunter zu der zweiten Öffnung 267 und in den Kanal 264 hinein. Die Kombination der zweiten Öffnung 267 und des Kanals 264 dient als ein anderer Kontraktions-Expansions-Bereich, was ein weiteres Vermischen begünstigt. In der dargestellten Ausführungsform führen der erste Stromaufwärts-Kanalabschnitt 263, der Stromaufwärts-/Stromabwärts-Kanalabschnitt 268 und der Stromaufwärts-Kanalabschnitt 264 alle die Fluide im Wesentlichen in derselben Richtung ohne irgendeine signifikante Richtungsänderung. Aus dem zweiten Kanal 264 wird das Fluid zu einem Trenn-Bereich 265 geführt, wo es in zwei Ströme getrennt wird zum Verlassen der Mischvorrichtung 250 durch die Auslassöffnung 258, 259 hindurch.
  • Es ist beobachtet worden, dass die Mikrofluid-Mischvorrichtung 250 ein schnelleres oder vollständigeres Vermischen innerhalb eines gegebenen Abstands der Kontraktions-/Expansions-Bereiche bei höheren Fließgeschwindigkeiten begünstigt. Beispielsweise zeigt 2C ein Bild eines kombinierten Fluids bei einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr zwanzig (20) μl/min, welche durch die Vorrichtung 250 (von links nach rechts fließend) fließt. Bemerkenswerterweise findet das Vermischen nicht vollständig stromabwärts der Kontraktions-/Expansions-Bereiche statt, da eine relativ klare Abgrenzung zwischen den ersten (blauen)und zweiten (gelben) Fluidströmen sichtbar bleibt. Im Gegensatz dazu zeigt 2D ein Bild der gleichen Vorrichtung, welche einem kombinierten Fluid mit einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr vierhundert (400) μl/min ausgesetzt ist. In diesem Fall scheint das vermischen zwischen den Fluidströmen viel vollständiger zu sein.
  • Beispiel 2
  • Im vorherigen Beispiel weist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung zwei Kontraktions-/Expansions-Bereiche auf. Ähnliche Mischvorrichtungen können mit zahlreichen in Reihe angeordneten Kontraktions-/Expansions-Bereichen konstruiert werden zum Begünstigen eines schnelleren und vollständigeren Vermischens. Beispielsweise ist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung 300, welche zehn (10) Kontraktion-/Expansions-Bereiche hat, in 3A3B dargestellt. Die Vorrichtung 300 ist mit fünf Vorrichtungsschichten 301305 konstruiert, welche die Matrizenschichten 302, 304 aufweisen. Beginnend vom unteren Ende definiert die erste Schicht 301 zwei Fluid-Einlassöffnungen 308, 309 und zwei Auslassöffnungen 310, 311, wobei jede Öffnung ungefähr achtzig (80) Millizoll (2 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 302 definiert zwei Einlass-Kanalabschnitte 312, 313, welche sich an einer Verbindungsstelle 314 treffen, welche zu einem Kanalauslass 314A führt. Die zweite Schicht 312 definiert vier Kanalabschnitte 315 und einen anderen Kanal 316, welcher einen Trennbereich zum Unterteilen eines gemischten Fluidstroms in zwei Unterströme hat. Die dritte Schicht 303 definiert zehn (10) kleine Öffnungen 318, wobei jede Öffnung 318 ungefähr sechs (6) Millizoll (150 μm) im Durchmesser ist. Wie vorher sind diese Öffnungen 318 entlang der Breite von jedem der Kanäle 315, 316, 320 im Wesentlichen mittig angeordnet. Die vierte Schicht 304 definiert fünf Kanalabschnitte 320, wobei jeder von diesen einen Kanaleinlass 320A und zwei Kanäle oder Kanalabschnitte leicht überlappt, welche in der zweiten Schicht 302 definiert sind. Jeder der Kanalabschnitte 315, 320 ist stromabwärts von einer Öffnung 318 und stromaufwärts von einer anderen, wobei die Kanalabschnitte 315, 320 und die Stromaufwärts- und Stromabwärts Kanäle 314, 315 alle dazu dienen, Fluid im Wesentlichen in derselben Richtung zu leiten. Die fünfte Schicht 305 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt werden, was daher dient, die Kanalabschnitte 320 von oben zu umschließen und die Vorrichtung 300 zu tragen, falls notwendig. Jede der oben beschriebenen Kanäle weist eine nominelle Breite von ungefähr vierzig (40) Millizoll (1 mm) auf. Wie im Zusammenhang mit den vorherigen zwei Beispielen beschrieben, können die Matrizenschichten 302, 304 vorteilhafterweise aus doppelseitigen selbstklebenden Klebebändern hergestellt werden, wobei die sandwichartig angeordneten Schichten 301, 303, 305 vorteilhafterweise aus nichtklebenden Materialien hergestellt sein können.
  • Die Mischvorrichtung 300 wird auf eine im Wesentlichen identische Weise wie die Vorrichtung 250 betätigt, welche vorher beschrieben wurde, außer das die Vorrichtung 300 eher zehn (10) Kontraktions-/Expansions-Bereiche als zwei hat. Es wurde beobachtet, dass die Verwendung von zehn Kontraktions/Expansions-Bereichen ein schnelleres oder vollständigeres Vermischen begünstigt als die Verwendung von zwei. Wie vorher wurde ein besseres Vermischen bei höheren Fließgeschwindigkeiten beobachtet, wie in 3C3E gezeigt. 3C zeigt ein Bild eines kombinierten Fluids mit einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr zwanzig (20) μl/min, welches durch die Mischvorrichtung 300 hindurch (von links nach rechts fließend) fließt. Hier verbleibt eine relativ klare Abgrenzung zwischen dem ersten (blauen) und dem zweiten (gelben) Fluidstrom sogar nach der Passage durch die zehn Kontraktion-/Expansions-Bereicheegionen sichtbar, was eine weniger als optimale Vermischung anzeigt. 3D zeigt ein Bild derselben Vorrichtung 300, welche ein kombiniertes Fluid mit einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr zweihundert (200) μl/min aufweist. Das Mischen scheint in diesem Fall bemerkbar besser zu sein. 3E zeigt jedoch dieselbe Mischvorrichtung 300 mit besseren Mischergebnissen, welche mit einem kombinierten Fluid mit einer Fließgeschwindigkeit von ungefähr vierhundert (400) μl/min erzielt wird. Es scheint daher, dass eine höhere Fließgeschwindigkeit und die Anwesenheit von mehr Kontraktions-/Expansions-Bereichen Faktoren sind, die zum Verbessern des Mischens verwendet werden können.
  • Beispiel 3
  • In anderen Ausführungsformen können Fluide wesentliche Richtungsänderungen zusätzlich zum Fließen durch die Kontraktions-/Expansions-Bereiche hindurch durchmachen. Beispielsweise ist eine Mikrofluid-Mischvorrichtung 340, welche vier Kontraktions-/Expansions-Bereiche und zwei Fließwendebereiche hat, in 4A4B dargestellt. Die Vorrichtung 340 ist mit elf Vorrichtungsschichten 341351 konstruiert, welche Matrizenschichten 342, 344, 346, 348, 350 aufweisen. Beginnend vom unteren Ende definiert die erste Schicht 341 zwei Fluid-Einlassöffnungen 355, 356, wobei jede Öffnung ungefähr einhundertzwanzig Millizoll (3 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 342 definiert zwei Einlass-Kanalabschnitte 357, 358, welche sich an einem Verbindungskanal 360 treffen, welcher einen Kanalauslass 360A hat. Die dritte, fünfte, siebte und neunte Schicht 343, 345, 347, 349 definiert jeweils eine kleine Öffnung 362, 364, 366, 368. Jede der Öffnungen 362, 364, 366, 368 sind ungefähr zehn Millizoll (250 μm) im Durchmesser und sind entlang der Breite ihrer umgebenen Kanäle vorzugsweise im Wesentlichen mittig angeordnet. Die vierte, sechste und achte Schicht 344, 346, 348 definieren jeweils einen Kanal 363, 365, 367, wobei jeder Kanal einen Kanaleinlass wie beispielsweise den Kanaleinlass 363A hat. Die zehnte Schicht 350 definiert einen Auslasskanal 370, welcher zu der Fluid-Auslassöffnung 372 führt, welche in der elften Schicht 351 definiert ist. Jede der oben beschriebenen Kanäle weist eine nominelle Weite von ungefähr hundertzwanzig (120) Millizoll (3 mm) auf. Wie vorher beschrieben, können die Matrizenschichten 342, 344, 346, 348, 350 vorteilhafterweise aus doppelseitig selbstklebenden Klebebändern hergestellt sein, wobei die sandwichartig angeordneten Nicht-Matrizenschichten 341, 343, 345, 347, 349, 351 vorteilhafterweise aus nicht klebenden Materialien hergestellt sein können.
  • Bei der Betätigung wird ein erster Fluidstrom in die erste Einlassöffnung 355 hinein injiziert und ein zweiter Fluidstrom wird in die zweite Einlassöffnung 356 hinein injiziert. Die Fluidströme reisen durch die jeweiligen Kanalabschnitte 357, 358 hindurch bis sie auf einen Verbindungskanal 360 treffen und hin zu dem Kanalauslass 360A fließen. Aus dem Kanalauslass 360A fließen die Bestandteile des kombinierten Stroms durch die erste Öffnung 362 in den Einlass 363A des ersten Kurzkanals 363, wobei die Kombination als ein erster Kontraktions-/Expansions-Bereich dient. Aus dem ersten kurzen Kanalabschnitt 363 fließt die Fluidkombination durch die zweite Öffnung 364 in den zweiten Kurzkanal 365 hinein. Bemerkenswerterweise kehrt der zweite Kurzkanalabschnitt 365 die Richtung der Fluidkombination um ungefähr 180 Grad hin zu der dritten Öffnung 366 um. Aus der dritten Öffnung 366 betritt das Fluid den dritten Kurzkanal 367, wo das Fluid die Richtung wieder hin zu der vierten Öffnung 368 ändert. Unter Betrachtung von oben nach unten, würde es scheinen, dass das Fluid in einer Rückwärts- und Vorwärtsrichtung zwischen dem zweiten Kurzkanal 365 und dem dritten Kurzkanal 367 bewegt wird. Aus der vierten Öffnung 368 fließt das Fluid in den Auslasskanal 370 hinein und verlässt schließlich die Vorrichtung 340 durch die Auslassöffnung 372. Diese sich ergebende Mischvorrichtung 340 wendet viele (11) Schichten an, aber begünstigt das Mischen zwischen zwei Mikrofluid-Strömen mit einer kleinen Grundfläche, wie in der Draufsicht in 4B gezeigt.
  • Beispiel 4
  • Andere Mikrofluid-Mischvorrichtungs-Ausführungsformen weisen mehrere Kontraktions-/Expansions-Bereiche auf und viele Fluid-Richtungswechsel können konstruiert werden. Beispielsweise ist eine Mikrofluid-Vorrichtung 380 mit achtzehn Kontraktions-/Expansions-Bereichen und sechzehn annähernd neunzig Grad Richtungsänderungsbereichen in 5A5B dargestellt. Die Vorrichtung 380 ist mit fünf Vorrichtungsschichten 381385 konstruiert, einschließlich der Schichten 382, 384. Beginnend vom unteren Ende definiert die erste Schicht 381 zwei Fluid-Einlassöffnungen 386, 387 und zwei Auslassöffnungen 388, 389, wobei jede Öffnung ungefähr achtzig Millizoll (2 mm) im Durchmesser ist. Die zweite Schicht 382 definiert zwei Einlasskanal-Abschnitte 392, 393, welche sich an einem Verbindungskanal 395 treffen, welcher zu einem Kanalauslass 395A führt. Die zweite Schicht 382 definiert acht parallele Kurzkanäle 397 und einen anderen Kanal 398, welcher einen Trennbereich zum Unterteilen eines gemischten Fluidstroms in zwei Unterströme aufweist. Die dritte Schicht 383 definiert achtzehn kleine Öffnungen 399, wobei jede Öffnung 399 ungefähr sechs Millizoll (150 μm) im Durchschnitt ist. Diese Öffnungen 399 sind im Wesentlichen entlang der Breite von jedem der umgebenden Kanäle 397, 400 mittig angeordnet. Die vierte Schicht 384 definiert zehn Kurzkanäle 400, wobei jeder von diesen einen Kanaleinlass 400A aufweist und zwei Kanäle leicht überlappt, welche in der zweiten Schicht 382 definiert sind. Jeder der Kanäle 397, 400 ist vom stromabwärts von einer Öffnung 399 und stromaufwärts von einer anderen Öffnung 399. Die fünfte Schicht 385 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt sein, welche daher zum Umschließen der Kanalabschnitte 400 von oben und zum Tragen der Vorrichtung 380 dient, falls notwendig. Die fünfte Schicht 305 kann aus einem bloßen Substrat oder Film hergestellt sein, welcher daher zum Umschließen der Kanalabschnitte 320 von oben und zum Tragen der Vorrichtung 300 dient, falls notwendig. Jeder der oben beschriebenen Kanäle weist eine nominelle Breite von ungefähr vierzig Millizoll (1 Millimeter) auf. Wie in Verbindung mit den vorherigen zwei Beispielen beschrieben, können die Matrizenschichten 382, 384 vorteilhafterweise aus doppelseitigen selbstklebenden Klebebändern hergestellt sein, wobei die sandwichartig angeordneten Schichten 381, 383, 385 vorteilhafterweise aus nicht klebenden Materialien hergestellt sein können.
  • Die Mischvorrichtung 380 wird ähnlich wie die Mischer betätigt, welche in den vorhergehenden Beispielen beschrieben sind. Ein erster Fluidstrom wird in die erste Einlassöffnung 386 injiziert und ein zweiter Fluidstrom wird in die zweite Einlassöffnung 387 injiziert. Die Fluidströme reisen durch Kanalabschnitte 393 bzw. 393, bis sie einen Verbindungskanal 395 treffen. Aus den Kanalauslass 395A fließt der kombinierte Strom durch die achtzehn Expansions-Kontraktionsbereiche und wechselt sechzehnmal mal die Richtung, jedes Mal um ungefähr neunzig Grad, bevor er in zwei Unterströme bei Kanal 398 getrennt wird und die Vorrichtung 380 durch die Auslassöffnungen 388, 389 hindurch verlässt. Eine erhöhte Fließgeschwindigkeit durch die Vorrichtung 380 scheint ein besseres Mischen zu begünstigen, wie in 5C5E gezeigt. 5C5E zeigen das Mischen zwischen zwei Fluiden bei einer kombinierten Fließgeschwindigkeit von zwanzig, zweihundert bzw. vierhundert Mikroliter pro Minute. Wie aus dem Vergleichen der drei Figuren ersichtlich ist, wird ein schnelleres und vollständigeres Vermischen innerhalb einer gegebenen Vorrichtungslänge bei höheren Fluid-Fließgeschwindigkeiten erzielt.

Claims (13)

  1. Passive Mikrofluid-Mischvorrichtung (250, 300, 340, 380) aufweisend: eine erste Vorrichtungsschicht (252, 302, 342, 382), die einen ersten Kanal (263, 314, 360, 395) definiert, der mit einem ersten Stromaufwärtseinlass (256, 308, 355, 386) und einem zweiten Stromaufwärtseinlass (257, 309, 356, 387) fluidverbunden ist, wobei der erste Kanal (263, 314, 360, 395) einen Auslass (263A, 314A, 360A, 395A) aufweist und eine Höhe und eine Breite aufweist, und eine zweite Vorrichtungsschicht (254, 304, 344, 384), die einen zweiten Kanal (268, 320, 363, 400) definiert, der einen Einlass (268A, 320A, 363A, 400A) aufweist, wobei der zweite Kanal (268, 320, 363, 400) eine Höhe und eine Breite aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung (250, 300, 340, 380) weiter eine Mischschicht (253, 303, 343, 345, 347, 349, 383) aufweist, die zwischen der ersten Vorrichtungsschicht (252, 203, 342, 382) und der zweiten Vorrichtungsschicht (254, 304, 344, 384) angeordnet ist, wobei die Mischschicht (253, 303, 343, 345, 347, 349, 383) mindestens eine Öffnung (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) definiert, die zwischen dem ersten Kanal (263, 314, 360, 395) und dem zweiten Kanal angeordnet ist, wobei die mindestens eine Öffnung (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399), der Erste-Kanal-Auslass (263A, 314A, 360A; 395A) und der Zweite-Kanal-Einlass (268A, 320A, 363A, 400A) einen Kontraktions-/Expansions-Bereich (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) definieren, wobei die mindestens eine Öffnung (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) eine Hauptabmessung aufweist, die wesentlich kleiner als die Höhe sowie als die Breite des ersten Kanals (263, 314, 360, 395) und wesentlich kleiner als die Höhe sowie als die Breite des zweiten Kanals (268, 320, 363, 400) ist.
  2. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Kanal (263, 314, 360, 395) und der zweite Kanal (268, 320, 363, 400) im Wesentlichen parallel sind.
  3. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Öffnungen (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) bereitgestellt ist, wobei die Vorrichtung (250, 300, 340, 380) eine Mehrzahl von Kontraktions-/Expansions-Bereichen (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) aufweist, wobei jeder der Kontraktions-/Expansions-Bereiche (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) eine der Öffnungen (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) aufweist.
  4. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) gemäß Anspruch 3, weiter eine Mehrzahl von Mischkanalsegmenten (363, 365, 367, 397, 400) aufweisend, die mit der Mehrzahl der Kontraktions-/Expansions-Bereiche (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) fluidverbunden ist, wobei: ein erstes Mischkanalsegment (363, 365, 367, 397, 400) von der Mehrzahl der Mischkanalsegmente (363, 365, 367, 397, 400) in einer ersten Richtung angeordnet ist, ein zweites Mischkanalsegment (363, 365, 367, 397, 400) von der Mehrzahl der Mischkanalsegmenten (363, 365, 367, 397, 400) in einer zweiten Richtung angeordnet ist, und die erste Richtung wesentlich unterschiedlich von der zweiten Richtung ist.
  5. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) gemäß Anspruch 4, wobei die zweite Richtung mindestens um neunzig Grad von der ersten Richtung wegweist.
  6. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Dimension des ersten Kanals (263, 314, 360, 395) sowie des zweiten Kanals (268, 320, 363, 400) zwischen einem Mikrometer und fünfhundert Mikrometern liegt.
  7. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorgehenden Ansprüchen, wobei ein Verhältnis der Breite zu der Höhe des ersten Kanals (263, 314, 360, 395) zwischen zwei und zehn liegt und ein Verhältnis der Breite zu der Höhe des zweiten Kanals (268, 320, 363, 400) zwischen zwei und zehn liegt.
  8. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei mindestens eine Dimension des ersten Kanals (263, 314, 360, 395) sowie des zweiten Kanals (268, 320, 363, 400) zwischen zehn Mikrometern und einhundert Mikrometern ist.
  9. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Hauptabmessung der mindestens einen Öffnung (266, 267, 318, 362, 364, 366, 368, 399) zwischen einhundertfünfzig Mikrometern und zweihundertfünfzig Mikrometern liegt.
  10. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine von der ersten Vorrichtungsschicht (252, 302, 342, 382) und der zweiten Vorrichtungsschicht (254, 304, 344, 384) eine Matrixschicht aufweist, und wobei jeder von dem ersten Kanal (263, 314, 360, 395) und dem zweiten Kanal (268, 320, 363, 400) durch die gesamte Dicke einer Matrixschicht definiert ist.
  11. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter eine erste Abdeckschicht (251, 301, 341, 381) und eine zweite Abdeckschicht (255, 305, 351, 385) aufweisend.
  12. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine von der ersten Vorrichtungsschicht (252, 302, 342, 382), der zweiten Vorrichtungsschicht (254, 304, 344, 384) und der Mischschicht (253, 303, 343, 345, 347, 349, 383) aus einem polymeren Material hergestellt ist.
  13. Vorrichtung (250, 300, 340, 380) nach einem der vorhergehende Ansprüche, wobei mindestens eine von der ersten Vorrichtungsschicht (252, 302, 342, 382), der zweiten Vorrichtungsschicht (254, 304, 344, 384) und der Mischschicht (253, 303, 343, 345, 347, 349, 383) aus selbstklebendem Band hergestellt ist.
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