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WO2004071660A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontaktieren einer mikrofluidikstruktur - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kontaktieren einer mikrofluidikstruktur Download PDF

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WO2004071660A1
WO2004071660A1 PCT/EP2004/001284 EP2004001284W WO2004071660A1 WO 2004071660 A1 WO2004071660 A1 WO 2004071660A1 EP 2004001284 W EP2004001284 W EP 2004001284W WO 2004071660 A1 WO2004071660 A1 WO 2004071660A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
microfluidic structure
access opening
fluid
hollow needle
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/001284
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Knott
Alfred Stett
Peter Sygall
Peter Von Stiphout
Original Assignee
Cytocentrics Ccs Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cytocentrics Ccs Gmbh filed Critical Cytocentrics Ccs Gmbh
Priority to EP04710344A priority Critical patent/EP1599287A1/de
Publication of WO2004071660A1 publication Critical patent/WO2004071660A1/de
Priority to US11/203,668 priority patent/US20060032746A1/en

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    • G01N35/1079—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices with means for piercing stoppers or septums

Definitions

  • the present invention relates to a method for contacting a microfluidic structure which has at least one microchannel and an associated access opening for introducing a first fluid.
  • the invention further relates to a device for contacting such a microfluidic structure, with a receptacle for the microfluidic structure and with a contact unit with at least one fluid channel which can be connected to the access opening of the microfluidic structure.
  • the invention also relates to a corresponding microfluidic structure itself, which is optimized for the application of the method or for use in the device.
  • a method and a device of the type mentioned are known, for example, from DE 199 28 410 C2.
  • Microfludic in the sense of the present invention is a technical field that deals with the development and application of devices and methods in which extremely small amounts of a fluid (liquid or gas) are handled. Typically the amount of fluid is in the range of nanoliters (10 -9 liters) or even picoliters (10 ⁇ 12 liters). Because of these extremely small amounts of fluid, miniaturization of known applications can be achieved. In addition, microfluidics also offer the opportunity to open up new fields of application.
  • a preferred application in the context of the present invention is the pharmaceutical, chemical and / or biochemical analysis and also synthesis of substances, in particular under the keyword “lab-on-a-chip”.
  • microfluidic structure analyzes what, among other things, enables short analysis times and reliable results even with the smallest amounts of the sample, but the invention is in principle not limited to this currently preferred field of application and can also be used in other cases in which microfluidic structures have to be contacted.
  • microfluidic structures in the sense of the present invention are concerned a carrier (“chip”), which has a number of microchannels for receiving and directing fluids in the amounts mentioned above.
  • the microchannels have dimensions corresponding to the amounts of fluid in the range from a few 10 to 100 micrometers.
  • Such structures are nowadays produced using methods similar to those known from the field of microelectronics. As a rule, the fine microchannels are produced with the aid of etching processes.
  • a first, quite simple approach consists in providing the microfluidic structure with enlarged, cup-shaped or funnel-shaped access openings into which a liquid can be dropped using a pipette. From the relatively large access opening, the liquid then penetrates into the microchannel (s) due to capillary forces.
  • This approach is disclosed, for example, in US 2002/0185377 AI.
  • the same document also proposes an arrangement in which a plurality of pins are arranged on a movable support. With the help of the pins, drops of a liquid are formed and then the pins are immersed in cup-shaped access openings on the microfluidic structure. The existing capillary forces are equally used to fill the microchannels.
  • a frequently practiced and proposed approach for contacting microfluidic structures is to attach capillary tubes to the access openings, to which an external periphery can then be connected. Examples of this type of contact can be found in US 5,890,745, US 6,209,928 B1, US 6,273,478 B1, WO 01/53794 AI and in the publications "Micromachine Rubber O-Ring Micro-Fluidic Couplers" by Yao et al., Proceedings IEEE Thirteenth Annual Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pages 624-627 and "Novel Interconnection Technologies for Integrated Microfluidic Systems” by Gray et al., Sensors and Actuators 77 (1999) pages 57-65.
  • a device for operating a laboratory microfluidic structure is known from DE 199 28 410 C2 mentioned at the beginning.
  • the microfluidic structure is contacted via connecting lines which are brought from the outside to the access openings of the structure.
  • the coupling of the connecting lines to the microfluidic structure is not described in detail, however.
  • US Pat. No. 5,756,905 describes an automatic injector for a gas chromatograph which has a needle which is immersed in a vessel through a rubber seal.
  • No. 5,639,423 describes a reaction chamber for chemical processes, in particular for carrying out the polymerase chain reaction (PCR), in which a window made of silicone rubber is provided. This window can be pierced by a thin needle through which a reagent can be introduced into the reaction chamber.
  • PCR polymerase chain reaction
  • No. 6,358,479 B1 describes a reaction block with various chambers in which chemical reactions can be carried out.
  • a multilayer structure comprising a membrane, a septum and an upper plate is arranged on the reaction block. Passages are provided in the top plate to press the membrane onto the reaction chambers via gas pressure and thus seal them.
  • a probe can be inserted through the septum into the reaction chamber, the septum closing again when the probe is withdrawn.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, which includes the following steps:
  • the object is achieved by a device of the type mentioned at the outset, in which the contact unit has at least one hollow needle connected to the fluid channel, which is designed to pierce a layer of elastic material which is provided on the microfluidic structure and which Access opening closes.
  • a liquid is dropped into exposed access openings of the microfluidic structure over a "free path".
  • the fluid is supplied via capillary tubes attached to the microfluidic structure.
  • the present invention takes a new, third way when pipetting in or dropping in, the fluid is introduced into the microfluidic structure with the aid of the at least one hollow needle via a closed channel system, that is to say without a “free path”. introduced.
  • a closed channel system that is to say without a “free path”.
  • the closed supply system allows not only liquids, but also gases to be specifically introduced into the microfluidic structure. Contamination of the fluid when it is introduced into the microfluidic structure is also avoided.
  • the use of a hollow needle immersed in the access opening of the microfluidic structure also enables very variable contacting.
  • the use of an immersed hollow needle enables multiple contacts and loosening in a simple manner.
  • the present invention further relates to a microfluidic structure with at least one microchannel and at least one access opening to the microchannel, a layer of elastic material being provided which closes the access opening.
  • a microfluidic structure is particularly suitable for use in the method according to the invention and in the device according to the invention; it can be provided as a consumable.
  • the microfluidic structure is delivered with closed access openings and can be inserted into the new device and then filled as desired.
  • the hollow needle is guided in a link piece when the layer is pierced.
  • the hollow needle when the layer is pierced, the hollow needle then moves relative to a link piece, which ensures exact guidance of the hollow needle. This improves the positioning accuracy of the hollow needle relative to the microfluidic structure.
  • the hollow needle can be stabilized in this way, which significantly reduces the risk of damage to the hollow needle and / or the elastic layer. The contacting is therefore even more reliable.
  • the link piece is pressed onto the layer of elastic material when the layer is pierced, and preferably over a large area.
  • the hollow needle is filled with the first fluid up to an outlet opening before the layer is pierced.
  • This configuration makes it possible to fill the microfluidic structure without bubbles, which is particularly advantageous for the pharmaceutical and / or chemical analysis of substance samples, since it ensures determined analysis environments. The penetration of impurities into the microfluidic structure is prevented even more reliably by this configuration.
  • the microchannel is completely filled with a second fluid before the first fluid is introduced.
  • the second fluid is preferably introduced into the microchannel with a second hollow needle that pierces the elastic layer.
  • the contact unit of the device according to the invention preferably has a plurality of hollow needles for piercing the layer, the plurality of hollow needles preferably being controllable separately from one another.
  • microfluidic structure With this configuration, a particularly variable filling of the microfluidic structure can be achieved, which allows diverse and also new analysis and synthesis options.
  • the use of several hollow needles also has the advantage that any fluid can be introduced into the microfluidic structure in a substance-free manner.
  • the hollow needle (or the plurality of hollow needles) is introduced into the access opening with an adjustable immersion depth when the fluid is introduced.
  • the preferred device accordingly has a positioning unit which enables a variable immersion depth of the hollow needle (or hollow needles) into the microchannel.
  • This configuration provides a particularly variable possibility for contacting the microfluidic structure.
  • the fluid can then be introduced into the structure's microchannels at different heights.
  • defined mixing areas can be generated in this way.
  • a laminar partial flow of the first fluid can be embedded in a laminar envelope flow of the second fluid, which offers new analysis and synthesis options.
  • Another advantage of the variable immersion depth is that the microchannels can be filled either "from above” or "from below", for example to avoid the formation of gas bubbles within a liquid.
  • the elastic layer is preferably also designed such that the pore that arises when the hollow needle is pierced closes again automatically after the hollow needle is withdrawn.
  • This configuration offers a completely closed system when contacting the microfluidic structure.
  • the elastic layer can also have (micro) pores from the outset, so that the access opening is covered by the elastic layer, but is not completely closed off.
  • the present embodiment has the advantage that above all gaseous fluids can be processed with the microfluidic structure without any problems. In addition, contamination of the fluid or fluids introduced is prevented even better.
  • the layer closing the access opening is preferably provided on its side facing the microfluidic structure with at least one recess which lies above the at least one access opening.
  • the sealing layer serves on the one hand to protect the microfluidic structure. Because the layer can now be made relatively thick, it can be microstructured, which can improve the sealing properties. For example, it is possible to provide them with protruding sealing beads etc. Furthermore, microfluidic channels can be provided in the sealing layer in order to enable continuous perfusion on the microfluidic structure.
  • the layer fulfills two functions, which in themselves show opposite requirements.
  • the layer should be thin and soft, so that when puncturing there is no punching effect through which the material of the layer is conveyed onto the microfluidic structure.
  • the thin and soft design can also ensure that the layer closes again several times.
  • the sealing layer should be thick in order to be able to accommodate additional functions, such as further microchannels.
  • the layer is made relatively thick, but above the access openings to be closed there are recesses in the layer, at the bottom of which the layer is made very thin and soft, so that it can be easily removed from the outside with a needle can be pierced. Now it is no longer necessary to make this layer relatively hard and to provide it with a low degree of flexibility, because the sealing layer can bulge inwards into the recess without the risk of touching the microfluidic structure.
  • the layer is provided with a predetermined breaking point in the area of the access opening.
  • a predetermined breaking point is a recess in the elastic layer, that is to say a weakening of the material.
  • the elastic layer contains a material spot made of a particularly soft material as the predetermined breaking point, while the rest of the layer consists of a less elastic, ie harder material.
  • a micropore in the elastic can also be used as a “predetermined breaking point” Layer be present, the diameter of which is equal to or possibly less than the outer diameter of the hollow needle.
  • the measure has the advantage that the penetration of the elastic layer with a microfine hollow needle is facilitated, the risk of damage to the layer and / or the hollow needle being reduced. This configuration also enables better reproducibility when contacting.
  • the device according to the invention has an automatic system for arranging the layer of elastic material on the microfluidic structure.
  • the automatic system can include, for example, a web of elastic material wound on a roll, a section of the material web being attached to the microfluidic structure before the actual contacting.
  • the elastic layer is designed as a type of envelope in which a microfluidic structure is inserted before contacting.
  • the elastic layer can also be kept in the form of prepared “pads” in a supply, from which the automatic system removes a pad and deposits it on the microfluidic structure.
  • the layer of elastic material has protruding beads on a side facing the microfluidic structure, which form sealing lips around the access opening.
  • This configuration is particularly advantageous if the elastic layer is not firmly connected to the microfluidic structure, for example is therefore glued on, but rather is laid loosely on the microfluidic structure. Particularly in combination with a flat backdrop piece that presses the layer against the structure when it comes into contact, a particularly good seal can be achieved with the projecting beads.
  • the microfluidic structure for arranging the layer is at least partially surrounded by an envelope made of the elastic material.
  • an envelope shape has the advantage that the elastic layer cannot slip off the microfluidic structure even without gluing or other fixations.
  • the at least one hollow needle has a penetration tip.
  • the hollow needle it is also possible for the hollow needle to have a blunt end.
  • the formation of a penetration tip facilitates the penetration of the elastic layer and thus enables a safer and more reliable contact.
  • a hollow needle without a penetration tip is advantageous if the elastic layer already has micropores which can also be penetrated without a penetration tip, since in this case damage to the elastic layer is avoided.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of the device according to the invention
  • Figs. 2 to 7 are schematic representations of microfluidic structures which are provided with an elastic layer according to one aspect of the present invention
  • Figs. 8 and 9 a preferred exemplary embodiment for contacting a microfluidic structure in a simplified representation
  • Figs. 10 and 11 show a further exemplary embodiment for contacting a microfluidic structure
  • Figs. 12 to 14 further exemplary embodiments for contacting a microfluidic structure.
  • the device 10 serves to contact a microfluidic structure 12, on which a layer 14 made of elastic material is arranged according to one aspect of the present invention.
  • the microfluidic structure 12 is produced in a manner known per se and has a number of microchannels (not shown here) into which a fluid (also not shown here) can be filled in order, for example, to carry out a pharmaceutical analysis.
  • the geometric dimensions and properties of the microfluidic structure 12 correspond to those of generic microfluidic structures.
  • the layer 14 made of elastic material is preferably made of silicone or polyimide, but depending on the application, it can also be made of rubber. Possibilities for fastening the elastic layer 14 on the microfluidic structure 12 are described in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments.
  • the microfluidic structure 12 is clamped here in a receptacle 16, as is known from DE 199 28 410 C2.
  • a contact unit 18 is arranged, which is relative to the receptacle 16 in the direction of the Arrow 20 can move. The contact unit 18 can thus be lowered onto the microfluidic structure 12 in order to contact the microfluidic structure 12.
  • the contact unit 18 has three hollow needles 22, 24, 26, each of which is connected to its own drive 28. Each of the hollow needles 22, 24, 26 can be moved relative to the contact unit 18 and in the direction of an arrow 30 via the drive 28.
  • the hollow needles 22, 24, 26 are here guided in a link piece 32 which has a corresponding guide channel 34 for each individual hollow needle 22, 24, 26.
  • the hollow needles each have an outer diameter in the range of 200 ⁇ m.
  • the inside diameter is around 100 ⁇ m.
  • the distances between the hollow needles are between 500 and 2000 ⁇ m.
  • the diameters of the individual hollow needles 22, 24, 26 can also be different from one another.
  • Hollow needles for introducing a fluid are preferably thinner and hollow needles for removing a fluid are thicker (larger diameter).
  • Reference number 36 denotes a positioning unit which is connected to the drives 28 for the hollow needles 22, 24, 26 via electrical control lines. With the help of the positioning unit 36, each individual hollow needle 22, 24, 26 can be lowered separately from the others in the direction of the arrow 30. When the contact unit 18 is lowered onto the microfluidic structure 12, the hollow needles 22, 24, 26 are thus immersed individually in corresponding access openings or directly into microchannels of the microfluidic structure 12. As detailed below explained, the hollow needles 22, 24, 26 pierce the elastic layer 14.
  • the reference numerals 38, 40, 42 denote three reservoirs, each of which contains a fluid (a liquid or a gas) which is to be introduced into the microfluidic structure 12.
  • the reservoirs 38, 40, 42 are each connected to a hollow needle 22, 24, 26 via a fluid channel 44, 46, 48.
  • the illustration shown with three hollow needles 22, 24, 26, three reservoirs 38, 40, 42 and three fluid channels 44, 46, 48 is selected as an example.
  • a plurality of hollow needles 22, 24, 26 can also be connected to a common reservoir via a common fluid channel.
  • the reservoirs 38, 40, 42 can also be used to remove fluids from the microfluidic structure 12 by providing a corresponding pump for sucking in the fluid (not shown here).
  • any other number can also be used.
  • seven hollow needles 22, 24, 26 are provided, which are controlled individually or in groups for contacting a microfluidic structure 12.
  • the positioning unit 36 is a control circuit that is preferably processor-based.
  • the positioning unit 36 is provided with suitable position sensors (not shown here), for example optoelectronic displacement sensors, position information of the hollow needles 22, 24, 26 and calculates the control information for actuating the drives 28 therefrom.
  • suitable position sensors not shown here
  • optoelectronic displacement sensors for example optoelectronic displacement sensors
  • position information of the hollow needles 22, 24, 26 position information of the hollow needles 22, 24, 26 and calculates the control information for actuating the drives 28 therefrom.
  • Corresponding control and regulating circuits are known per se in the prior art.
  • the reference number 50 here designates an automatic system with which the layer 14 made of elastic material can be applied to the microfluidic structure 12.
  • the automatic system 50 includes a roller 52 on which a supply of the elastic material is wound.
  • this is a roll 52 with a polyamide film.
  • Reference number 54 denotes a gripper unit which can be moved on a guide rail 56 in the direction of arrow 58. The gripper unit 54 can pull a piece of the elastic material from the roller 52 and place it over the microfluidic structure 12. The layer 14 is then separated from the roll 52.
  • the automatic system includes, for example, a supply of pre-assembled layers 14 which are deposited on the microfluidic structure 12 with the aid of the gripper unit 54.
  • the microfluidic structure 12 is provided with the layer 14 already during manufacture, so that the automatic mechanism 50 shown here can be dispensed with within the device 10.
  • the microfluidic structure 12 is provided with the layer 14 by hand before the microfluidic structure 12 is inserted into the receptacle 16 of the device 10.
  • FIG. 2 shows a simplified cross-sectional view of the microfluidic structure 12 on which the layer 14 is arranged. For the sake of good order, it should be pointed out that the representation is not to scale and, for the sake of simplicity, does not show a plurality of microchannels.
  • the microfluidic structure 12 consists of a substrate 62 made of glass or silicon.
  • a microchannel 64 runs in the substrate 62 and is formed, for example, by an etching process on the upper side of the substrate 62.
  • the microchannel 64 is covered on its open top with the elastic layer 14, which in some exemplary embodiments of the invention is attached to the substrate 62, for example by gluing. In other exemplary embodiments of the invention, the layer 14 is only placed on the substrate 62 and thus covers the microchannel 64 “loosely”.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of a microfluidic structure is shown in FIG. 3.
  • the elastic layer here designated by reference number 66, however has a plurality of depressions 68 which facilitate the immersion of the hollow needles in the microchannel 64. Because of the reduced material thickness, the depressions 68 form predetermined breaking points at which a hollow needle can pierce the layer 66 more easily.
  • a microfluidic structure is designated by the reference number 70.
  • the microfluidic structure 70 in turn has one or more microchannels 64.
  • the microchannel runs 64 here, however, within the substrate 62, that is to say it is closed at the top by the substrate 62.
  • Access openings 72 are provided for contacting the microchannel (s) 64.
  • the elastic layer here designated by the reference number 74, has micropores 76, which make it particularly easy to immerse a hollow needle. The dimensions of the micropores 76 are selected such that the micropore 76 is closed by immersing the hollow needle.
  • the inside diameter of the micropore 76 preferably corresponds to the outside diameter of the hollow needle used, which is illustrated below with the aid of further exemplary embodiments.
  • the micropores 76 are slit-shaped openings which only open when they are pierced by a hollow needle and close again after the needle has been removed.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment in which the microfluidic structure 70 is largely encased with a layer 78. This exemplary embodiment is preferred if the elastic layer 78 is to be arranged on the microfluidic structure 70 by hand.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment in which a layer 80 completely surrounds the microfluidic structure 70.
  • the layer 80 is again provided with depressions 68 in order to illustrate the various possible combinations of the elements shown here.
  • FIG. 7 A further exemplary embodiment is shown in FIG. 7, in which the microfluidic structure 70 is completely encased with a layer 82.
  • the layer 82 contains material sites 84 which consist of a softer material than the rest of the layer 82.
  • the layer 82 subsequently consists of a first material which largely covers the microfluidic structure 70, and material sites 84 made of a second material, that is softer than the first material.
  • the material points 94 form predetermined breaking points which facilitate the piercing of the layer 82 with a hollow needle.
  • Figs. 8 and 9 show in simplified form how two hollow needles 88, 90 dip into the microchannel 64 for contacting the microfluidic structure 12.
  • the hollow needles 88, 90 each have a penetration tip 92 in order to facilitate the penetration of the layer 14, which is homogeneous here.
  • the hollow needles 88, 90 are guided here in guide channels 34 of a link piece 32, which enables precise and stable contacting and also reduces the risk of damage.
  • the layer 14 is pressed evenly against the microfluidic structure 70 during contact by the flatly configured link piece 32, which brings about a good seal.
  • the guide channels 34 are here lined on their inner sides with a sliding material, for example with a Teflon coating.
  • FIGS. 8 and 9 shows a particularly preferred application in which a first fluid 94 is introduced as a partial stream into a laminar envelope stream of a second fluid 96.
  • the hollow needles 88, 90 are immersed here at different depths in the microchannel 64.
  • the hollow needles 88, 90 are filled with the corresponding fluids before they are immersed in the microfluidic structure 12 up to their outlet opening, in this case the penetration tip 92 .
  • the second fluid 96 is first introduced into the microchannel 64 in such a way that it completely fills it.
  • Mechanisms known per se are then used to place the second fluid 96 within the microchannel 64 in a laminar flow, into which the first fluid 94 is then introduced at a defined height.
  • the laminar flow can be generated, for example, via a corresponding pressure distribution within the microchannel 64. If the fluids 94, 96 contain ions, electric fields can also be used to control the flow.
  • FIG. 10 another embodiment is shown.
  • the structure 12 is covered here with the elastic layer 74, which has micropores 76 above the access openings 72.
  • the outer diameter of the hollow needles 22, 24, 26 is selected such that it corresponds to the clear inner diameter of the micropores 76. With immersed hollow needles 22, 24, 26, the microchannels are thus sealed. Due to the existing micropores 76, the hollow needles 22, 24, 26 can have a blunt end here.
  • Figs. 12 and 13 show further exemplary embodiments for contacting the microfluidic structure 12.
  • the structure 12 is covered here with a layer 104, which is relatively thick in comparison to the layers shown so far.
  • recesses 106 are formed on the side of the layer 104 facing the microfluidic structure 12 (shown here with different shapes), each of which comes to rest above the access openings 72. Due to the recesses 106, the layer 104 in turn has predetermined breaking points in the area of the access openings 72.
  • the layer 104 is also shown here by way of example with a material point 84 which is softer than the remaining material of the layer 104.
  • layer 104 shows different variants in one representation.
  • Another feature of the layer 104 are beads 108, which are arranged on the (lower) side facing the microfluidic structure 12. When the layer 104 is pressed on with the aid of the link piece 32, the beads 108 form sealing rings around the access openings 72.
  • FIG. 14 shows a microfluidic structure 12 in a configuration comparable to FIGS. 12 and 13, on which a layer 104 is arranged, on which in turn a link piece 32 is arranged, in which guide channels 34 are provided for hollow needles not shown in FIG. 14 ,
  • a recess 106 is provided in the layer 104, which can now be made comparatively thick. Only in the area in which the layer 104 is pierced through the guide channels 34 by means of a hollow needle is the layer 104 very thin and soft.
  • the microchannel 64 is provided here in the microfluidic structure 12 and opened upward via an access opening 72.
  • a contact channel 112 with which cells arranged on the opening of the contact channel 112 can be contacted, as is known per se in microfluidic structures.
  • a cell arranged on the contact channel 112 can be perforated by a depression exerted in the microchannel 64, so that contact can be made by liquid flowing in the microchannel 64.
  • other types of contacting a cell positioned in this way are also possible.
  • a further microchannel 110 is provided in the layer 104, which forms a reaction chamber on the microfluidic structure 12, so to speak, which can be filled with cells, substances, etc., for example, through the left-hand guide channel 34, with the middle guide channel 34 Material can be sucked out of the microchannel 110.
  • the right channel 34 can be used to contact and / or fill the micro channel 64 in the microfluidic structure 12.
  • the height of the recesses 106 is dimensioned such that when a hollow needle is inserted through the guide channels 34, the material of the layer 104 can bulge downward before the hollow needle pierces, without that there is a risk that the material of the layer 104 is punched out or touches the microfluidic structure 12, or that the hollow needle hits the microfluidic structure 12 because of a suddenly decreasing back pressure.
  • the hollow needles for the penetration of the layers are made of metal in simple exemplary embodiments.
  • the surface of the hollow needles is then preferably covered with a non-conductive layer, for example anodized aluminum or Teflon.
  • a non-conductive layer for example anodized aluminum or Teflon.
  • the hollow needles are made from non-conductive material, for example ceramic, hard plastic or glass.
  • the dead volume in the access lines can be kept very small, which above all makes it possible to process the smallest amounts of a substance sample.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur (12). Die Vorrichtung beinhaltet eine Aufnahme (16) für die Mikrofluidikstruktur (12) sowie eine Kontakteinheit (18). Gemäss einem Aspekt der Erfindung besitzt die Kontakteinheit (18) zumindest eine Hohlnadel (22, 24, 26), die zum Durchstossen einer Schicht (14) aus elastischem Material ausgebildet ist, welches auf der Mikrofluidikstruktur (12) vorgesehen ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur, die zumindest einen Mikrokanal und eine damit verbundene Zugangsöffnung zum Einbringen eines ersten Fluidums aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Kontaktieren einer solchen Mikrofluidikstruktur, mit einer Aufnahme für die Mikrofluidikstruktur und mit einer Kontakteinheit mit zumindest einem Fluidkanal, der mit der Zugangsöffnung der Mikrofluidikstruktur verbindbar ist.
Die Erfindung betrifft schließlich auch eine entsprechende Mikrofluidikstruktur selbst, die zur Anwendung des Verfahrens bzw. zur Verwendung in der Vorrichtung optimiert ist.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art sind beispielsweise aus der DE 199 28 410 C2 bekannt.
Mikrofludik im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein technisches Gebiet, das sich mit der Entwicklung und Anwendung von Geräten und Verfahren beschäftigt, bei denen extrem kleine Mengen eines Fluidums (Flüssigkeit oder Gas) gehandhabt werden. Typischerweise liegt die Menge des Fluidums im Bereich von Nanolitern (10-9 Liter) oder sogar Pikolitern (10~12 Liter). Aufgrund dieser extrem geringen Fluidmengen lässt sich einerseits eine Miniaturisierung an sich bekannter Anwendungen erreichen. Darüber hinaus bietet die Mikrofluidik aber auch die Möglichkeit, neue Anwendungsfeider zu erschließen. Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugte Anwendung ist die pharmazeutische, chemische und/oder biochemische Analyse und auch Synthese von Stoffen, insbesondere unter dem Schlagwort „Lab-on-a-chip" . Dabei werden geringste Mengen eines zu untersuchenden Stoffes mit Hilfe einer Mikrofluidikstruktur analysiert, was unter anderem kurze Änalysezeiten sowie verlässliche Ergebnisse selbst bei geringsten Mengen der Stoffprobe ermöglicht. Die Erfindung ist auf dieses derzeit bevorzugte Anwendungsgebiet jedoch grundsätzlich nicht beschränkt und kann auch in anderen Fällen zum Einsatz kommen, in denen ikrofluidische Strukturen kontaktiert werden müssen.
Im Hinblick auf die bevorzugte Anwendung handelt es sich bei Mikrofluidikstrukturen im Sinne der vorliegenden Erfindung um einen Träger („Chip"), der eine Anzahl von Mikrokanälen zur Aufnahme und gezielten Leitung von Fluiden in den oben genannten Mengen aufweist. Die Mikrokanäle besitzen den Fluidmengen entsprechende Abmessungen im Bereich von einigen 10 bis 100 Mikrometern. Solche Strukturen werden heutzutage mit Verfahren hergestellt, wie sie ähnlich aus dem Bereich der Mikroelektronik bekannt sind. In der Regel werden die feinen Mikrokanäle mit Hilfe von Ätzprozessen hergestellt.
Angesichts der geringen Abmessungen ist es nachvollziehbar, dass die Kontaktierung der Mikrofluidikstrukturen und insbesondere das Einbringen des oder der Fluide in die Mikrokanäle eine technische Herausforderung darstellt. Zur Lösung sind im Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt.
Ein erster, recht einfacher Ansatz besteht darin, die Mikrofluidikstruktur mit vergrößerten, napf- oder trichterförmigen Zugangsöffnungen zu versehen, in die eine Flüssigkeit mit Hilfe einer Pipette eingetropft werden kann. Von der relativ großen Zugangsöffnung aus dringt die Flüssigkeit dann aufgrund von Kapillarkräften in den oder die Mikrokanäle ein. Offenbart ist dieser Ansatz beispielsweise in der US 2002/0185377 AI. Um mit diesem einfachen Ansatz verbundene Probleme zu beseitigen, schlägt dieselbe Druckschrift ferner eine Anordnung vor, bei der eine Vielzahl von Stiften an einem beweglichen Träger angeordnet ist. Mit Hilfe der Stifte werden Tropfen einer Flüssigkeit gebildet und anschließend werden die Stifte in napfförmige Zugangsöffnungen auf der Mikrofluidikstruktur eingetaucht. Für das Befüllen der Mikrokanäle werden dabei gleichermaßen die vorhandenen Kapillarkräfte ausgenutzt. Ein häufig praktizierter und vorgeschlagener Ansatz zur Kontaktierung von Mikrofluidikstrukturen besteht darin, an den Zugangsöffnungen Kapillarröhrchen zu befestigen, an die dann eine externe Peripherie angeschlossen werden kann. Beispiele für diese Art der Kontaktierung finden sich in US 5,890,745, US 6,209,928 Bl, US 6,273,478 Bl, WO 01/53794 AI sowie in den Veröffentlichungen „Micromachine Rubber O-Ring Micro-Fluidic Couplers" von Yao et al., Proceedings IEEE Thirteenth Annual Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Seiten 624-627 und „Novel Interconnection Technologies for Integrated Mic- rofluidic Systems" von Gray et al., Sensors and Actuators 77(1999) Seiten 57-65.
Problematisch ist es hierbei allerdings, eine stabile und dichte Befestigung der Kapillarröhrchen an der Mikrofluidikstruktur zu erreichen. In den genannten Druckschriften wird unter anderem vorgeschlagen, die Kapillarröhrchen in eine auf der Mikrofluidikstruktur angeordnete Spannhülse einzuschrauben oder über Pressfassungen zu befestigen. Zum Abdichten werden O-Ringe oder innerhalb der Spannhülse angeordnete Elastomere vorgeschlagen. Die Herstellung und Handhabung dieser Kontaktierungen, insbesondere das Anbringen der Dichtungen, sind jedoch aufwändig.
Aus US 6,443,179 Bl ist eine Anordnung mit einer Mikrofluidikstruktur bekannt, die in einem Dual-Inline-Gehäuse angeordnet ist, wie es vergleichbar aus der Mikroelektronik bekannt ist. Das Dual-Inline-Gehäuse ermöglicht eine sogenannte Umfor- matierung, indem es „makroskopische" Fluidanschlüsse bereitstellt, die über gehäuseinterne Kanäle mit den mikroskopischen Zugangsöffnungen der eigentlichen Mikrofluidikstruktur verbun- den sind. Diese Art der Kontaktierung erscheint gut geeignet für Anwendungen, bei denen beispielsweise ein mikrofluidischer Airbag-Sensor mit einer elektronischen Auswerteschaltung kombiniert werden soll. Für pharmazeutische und/oder chemische Reihenuntersuchungen ist diese Art der Kontaktierung jedoch zumindest aus heutiger Sicht zu aufwändig und teuer.
Aus US 2002/0127149 AI ist eine Anordnung bekannt, um eine Mikrofluidikstruktur für chemische oder biochemische Reihenuntersuchungen zu kontaktieren. Die Mikrofluidikstruktur wird in diesem Fall in einen „makroskopischen" Halter eingesetzt, der trichterförmige Zugangsöffnungen aufweist, in die eine zu untersuchende Flüssigkeit einpipetiert werden kann. Um die zu untersuchende Flüssigkeit von dem Halter in die Mikrokanäle der Mikrofluidikstruktur zu befördern, ist ferner vorgeschlagen, die Zugangsöffnungen des Halters nach dem Einbringen der Flüssigkeit mit einem Dichtstopfen zu verschließen und anschließend durch den Dichtstopfen hindurch mit einer Spritze einen Überdruck aufzubauen. Die Hohlnadel der Spritze soll die zu untersuchende Flüssigkeit jedoch ausdrücklich nicht berühren.
Aus der eingangs genannten DE 199 28 410 C2 ist ein Gerät zum Betrieb einer Labor-Mikrofluidikstruktur bekannt. Die Mikrofluidikstruktur wird über Verbindungsleitungen kontaktiert, die von außen an die Zugangsöffnungen der Struktur herangeführt werden. Die Ankopplung der Verbindungsleitungen an die Mikrofluidikstruktur ist im Detail allerdings nicht näher beschrieben.
Aus einem gänzlich anderen Gebiet, nämlich der medizinischen Praxis, ist es schließlich bekannt, die Kanüle einer Spritze durch die Gummidichtung eines Gefäßes zu stoßen, um zum Befül- len der Spritze Flüssigkeit aus dem Gefäß zu entnehmen.
Die US 5,756,905 beschreibt beispielsweise einen automatischen Injector für einen Gaschromatographen, der eine Nadel aufweist, die durch eine Gummidichtung in ein Gefäß eintaucht.
Die US 5,639,423 beschreibt eine Reaktionskammer für chemische Prozesse, insbesondere zur Durchführung der Polymerase Kettenreaktion (PCR), bei der ein Fenster aus Siliconkautschuk vorgesehen ist. Dieses Fenster kann von einer dünnen Nadel durchstochen werden, durch die ein Reagens in die Reaktionskammer eingebracht werden kann.
Die US 6,358,479 Bl beschreibt einen Reaktionsblock mit verschiedenen Kammern, in denen chemische Reaktionen durchgeführt werden können. Auf dem Reaktionsblock ist ein mehrschichtiger Aufbau aus einer Membran, einem Septum sowie einer Oberplatte angeordnet. In der Oberplatte sind Durchlässe vorgesehen, um die Membran über Gasdruck auf die Reaktionskammern zu drücken und diese so abzudichten. Durch das Septum kann eine Sonde in die Reaktionskammer eingeführt werden, wobei sich das Septum wieder verschließt, wenn die Sonde zurückgezogen wird.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit anzugeben, um eine Mikrofluidikstruktur schnell, zuverlässig und variabel flui- disσh zu kontaktieren. Diese Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches die folgenden Schritte beinhaltet:
Anordnen einer Schicht aus elastischem Material oberhalb von der Zugangsöffnung, um diese zu verschließen,
Durchstoßen der Schicht mittels zumindest einer Hohlnadel, und
Einbringen des ersten Fluidums in den Mikrokanal durch die zumindest eine Hohlnadel.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Kontakteinheit zumindest eine mit dem Fluidkanal verbundene Hohlnadel aufweist, die zum Durchstoßen einer Schicht aus elastischem Material ausgebildet ist, welche auf der Mikrofluidikstruktur vorgesehen ist und die Zugangsöffnung verschließt.
Alle bislang bekannten Ansätze zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur lassen sich auf einen von zwei Ansätzen zurückführen. Bei dem einen Ansatz wird eine Flüssigkeit über eine „freie Wegstrecke" hinweg in freiliegende Zugangsöffnungen der Mikrofluidikstruktur eingetropft. Bei dem anderen Ansatz wird das Fluidum über an der Mikrofluidikstruktur befestigte Kapillarröhrchen zugeführt. Die vorliegende Erfindung schlägt demgegenüber einen neuen, dritten Weg ein. Anders als beim Einpipe- tieren oder Eintropfen wird das Fluidum mit Hilfe der zumindest einen Hohlnadel über ein geschlossenes Kanalsystem, das heißt ohne „freie Wegstrecke", in die Mikrofluidikstruktur einge- bracht. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Kontaktierung, da das Fluidum bis zur endgültigen Freisetzung innerhalb der Struktur kontrolliert wird. Darüber hinaus erlaubt es das geschlossene Zuführungssystem, nicht nur Flüssigkeiten, sondern auch Gase gezielt in die Mikrofluidikstruktur einzubringen. Außerdem werden Kontaminationen des Fluidums beim Einbringen in die Mikrofluidikstruktur vermieden.
Die Verwendung einer in die Zugangsöffnung der Mikrofluidikstruktur eintauchenden Hohlnadel ermöglicht zudem eine sehr variable Kontaktierung. Insbesondere ist es mit Hilfe von mehreren Hohlnadeln leicht möglich, verschiedene Fluide jeweils stoffrein und gezielt in eine Mikrofluidikstruktur einzubringen. Zudem ermöglicht die Verwendung einer eintauchenden Hohlnadel auf einfache Weise ein mehrfaches Kontaktieren und Lösen. Diese Vorteile sind mit den bislang bekannten Kapillarröhrchen nicht erreichbar.
Schließlich entfällt wegen der die Zugangsöffnung verschließenden Schicht die aufwändige Handhabung mikrokleiner Dichtringe bei der Herstellung der Kontaktierung sowie das aufwändige Befestigen mikrokleiner Kapillarröhrchen an der Mikrofluidikstruktur durch Einschrauben, Einpressen und/oder Einkleben.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung ferner eine Mikrofluidikstruktur mit zumindest einem Mikrokanal und zumindest einer Zugangsöffnung zu dem Mikrokanal, wobei eine Schicht aus elastischem Material vorgesehen ist, die die Zugangsöffnung verschließt. Eine derartige Mikrofluidikstruktur ist insbesondere für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet, sie kann dabei als Verbrauchsmaterial bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, die Mikrofluidikstruktur wird mit verschlossenen Zugangsöffnungen angeliefert und kann in die neue Vorrichtung eingesetzt und dann beliebig befüllt werden.
Die genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Hohlnadel beim Durchstoßen der Schicht in einem Kulissenstück geführt.
Anders ausgedrückt bewegt sich die Hohlnadel hiernach beim Durchstoßen der Schicht relativ zu einem Kulissenstück, das eine exakte Führung der Hohlnadel gewährleistet. Die Positioniergenauigkeit der Hohlnadel relativ zu der Mikrofluidikstruktur wird dadurch verbessert. Außerdem kann die Hohlnadel auf diese Weise stabilisiert werden, was das Risiko einer Beschädigung der Hohlnadel und/oder der elastischen Schicht deutlich verringert. Die Kontaktierung ist daher noch zuverlässiger.
In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme wird das Kulissenstück beim Durchstoßen der Schicht auf die Schicht aus elastischem Material gedrückt, und zwar bevorzugt flächig.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die elastische Schicht beim Durchstoßen mit der Hohlnadel stabilisiert wird, was einerseits eine verbesserte Abdichtung der Mikrofluidikstruktur zur Folge hat und andererseits einer Beschädigung von Hohlnadel und/oder elastischer Schicht entgegenwirkt. Diese Ausgestaltung ermöglicht somit eine noch zuverlässigere Kontaktierung und zudem eine verbesserte Abdichtung beim Kontaktieren.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Hohlnadel vor dem Durchstoßen der Schicht bis zu einer Äustrittsöffnung mit dem ersten Fluidum gefüllt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Mikrofluidikstruktur blasenfrei zu befüllen, was vor allem für die pharmazeutische und/oder chemische Analyse von Stoffproben von Vorteil ist, da hierdurch determinierte Analyseumgebungen gewährleistet sind. Auch das Eindringen von Verunreinigungen in die Mikrofluidikstruktur wird durch diese Ausgestaltung noch zuverlässiger verhindert .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Mikrokanal vor dem Einbringen des ersten Fluidums vollständig mit einem zweiten Fluidum gefüllt. Bevorzugt wird das zweite Fluidum dabei mit einer zweiten Hohlnadel, die die elastische Schicht durchstößt, in den Mikrokanal eingebracht. Dementsprechend besitzt die Kontakteinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt mehrere Hohlnadeln zum Durchstoßen der Schicht, wobei die mehreren Hohlnadeln vorzugsweise getrennt voneinander steuerbar sind.
Mit dieser Ausgestaltung lässt sich eine besonders variable Befüllung der Mikrofluidikstruktur erreichen, was vielfältige und auch neue Analyse- und Synthesemöglichkeiten erlaubt. Die Verwendung mehrerer Hohlnadeln besitzt zudem den Vorteil, dass jedes Fluidum stoffrein in die Mikrofluidikstruktur eingebracht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Hohlnadel (oder werden die mehreren Hohlnadeln) beim Einbringen des Fluidums mit einer einstellbaren Eintauchtiefe in die Zugangsöffnung eingeführt. Die bevorzugte Vorrichtung besitzt dementsprechend eine Positioniereinheit, die eine variable Eintauchtiefe der Hohlnadel (oder der Hohlnadeln) in den Mikrokanal ermöglicht.
Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders variable Möglichkeit zum Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur bereitgestellt. Das Fluidum kann dann nämlich in unterschiedlichen Höhen in Mikrokanäle der Struktur eingebracht werden. In Kombination mit der zuvor genannten Ausgestaltung, bei der mehrere Fluide in den Mikrokanal eingebracht werden, lassen sich so definierte Mischbereiche erzeugen. Des Weiteren kann ein laminarer Teilstrom des ersten Fluidums in einen laminaren Hüllstrom des zweiten Fluidums eingebettet werden, was neue Analyse- und auch Synthesemöglichkeiten bietet. Ein weiterer Vorteil der variablen Eintauchtiefe ist, dass die Mikrokanäle wahlweise „von oben" oder „von unten" befüllt werden können, beispielsweise um die Bildung von Gasblasen innerhalb einer Flüssigkeit zu vermeiden.
Bevorzugt ist die elastische Schicht ferner so ausgebildet, dass sich die Pore, die beim Durchstoßen mit der Hohlnadel entsteht, nach dem Zurückziehen der Hohlnadel von selbst wieder schließt. Diese Ausgestaltung bietet ein vollständig abgeschlossenes System beim Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur. Alternativ hierzu kann die elastische Schicht jedoch auch von vorneherein (Mikro-)Poren besitzen, so dass die Zugangsöffnung von der elastischen Schicht zwar bedeckt ist, jedoch nicht vollständig abgeschlossen ist. Die vorliegende Ausgestaltung besitzt demgegenüber den Vorteil, dass vor allem gasförmige Fluide problemlos mit der Mikrofluidikstruktur verarbeitet werden können. Zudem ist eine Kontamination des oder der eingebrachten Fluide noch besser verhindert.
Die die Zugangsöffnung verschließende Schicht ist vorzugsweise an ihrer der Mikrofluidikstruktur zugewandten Seite zumindest mit einer Ausnehmung versehen, die oberhalb der zumindest einen Zugangsöffnung liegt.
Weil in der Schicht jetzt eine Ausnehmung vorgesehen ist, kann sie als dicke Versiegelungsschicht mit Zusatzfunktionen ausgebildet sein. Die Versiegelungsschicht dient zum einen dem Schutz der Mikrofluidikstruktur. Weil die Schicht jetzt relativ dick ausgebildet sein kann, kann sie dabei mikrostrukturiert werden, wodurch die Abdichtungseigenschaften verbessert werden können. Beispielsweise ist es möglich, sie mit vorstehenden Dichtwülsten etc. zu versehen. Ferner können in der Versiegelungsschicht mikrofluidisσhe Kanäle vorgesehen sein, um auf der Mikrofluidikstruktur eine kontinuierliche Perfussion zu ermöglichen.
Die Schicht erfüllt dabei zwei Funktionen, die für sich genommen entgegengesetzte Anforderungen zeigen. Einerseits soll die Schicht dünn und weich ausgebildet sein, damit beim Durchstoßen kein Stanzeffekt geschieht, durch den Material der Schicht auf die Mikrofluidikstruktur befördert wird. Durch die dünne und weiche Ausgestaltung kann ferner dafür gesorgt werden, dass die Schicht sich mehrfach wieder verschließt.
Andererseits soll die Versiegelungsschicht dick ausgebildet sein, um Zusatzfunktionen, wie beispielsweise weitere Mikrokanäle, aufnehmen zu können.
Diese entgegengesetzten Eigenschaften lassen sich dadurch realisieren, dass die Schicht relativ dick ausgebildet ist, aber oberhalb der zu verschließenden Zugangsöffnungen Ausnehmungen in der Schicht vorgesehen sind, an deren Boden die Schicht sehr dünn und weich ausgebildet ist, so dass sie von außen problemlos mit einer Nadel durchstoßen werden kann. Jetzt ist es auch nicht mehr erforderlich, diese Schicht relativ hart auszubilden und mit einer geringen Nachgiebigkeit zu versehen, denn die Versiegelungsschicht kann sich nach innen in die Äusnehmung ausbeulen, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie die Mikrofluidikstruktur berührt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Schicht im Bereich der Zugangsöffnung mit einer Sollbruchstelle versehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine solche Sollbruchstelle eine Ausnehmung in der elastischen Schicht, das heißt eine Materialschwächung. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet die elastische Schicht als Sollbruchstelle einen Materialfleck aus einem besonders weichen Material, während der Rest der Schicht aus einem weniger elastischen, das heißt härteren Material besteht. Des Weiteren kann als „Sollbruchstelle" auch eine Mikropore in der elastischen Schicht vorhanden sein, deren Durchmesser gleich oder ggf. auch kleiner als der Außendurchmesser der Hohlnadel ist.
Die Maßnahme besitzt den Vorteil, dass das Durchstoßen der elastischen Schicht mit einer mikrofeinen Hohlnadel erleichtert wird, wobei das Risiko einer Beschädigung der Schicht und/oder der Hohlnadel reduziert ist. Zudem lässt sich durch diese Ausgestaltung eine bessere Reproduzierbarkeit beim Kontaktieren erreichen.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Automatik zum Anordnen der Schicht aus elastischem Material auf der Mikrofluidikstruktur.
Die Automatik kann beispielsweise eine auf einer Rolle aufgewickelte Bahn des elastischen Material beinhalten, wobei ein Abschnitt der Materialbahn vor der eigentlichen Kontaktierung auf der Mikrofluidikstruktur angebracht wird. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die elastische Schicht als eine Art Hüllmantel ausgebildet, in den eine Mikrofluidikstruktur vor der Kontaktierung eingelegt wird. Des Weiteren kann die elastische Schicht auch in Form von vorbereiteten „Pads" in einem Vorrat bereitgehalten werden, von dem aus die Automatik jeweils ein Pad entnimmt und auf der Mikrofluidikstruktur ablegt.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und automatisierte Kontaktierung einer Vielzahl von Mikrofluidikstrukturen nach dem hier zugrunde liegenden Prinzip. In einer weiteren Ausgestaltung weist die Schicht aus elastischem Material an einer der Mikrofluidikstruktur zugewandten Seite vorspringende Wülste auf, die um die Zugangsöffnung herum Dichtlippen ausbilden.
Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die elastische Schicht nicht fest mit der Mikrofluidikstruktur verbunden ist, beispielsweise also aufgeklebt wird, sondern eher locker auf die Mikrofluidikstruktur gelegt wird. Insbesondere in Kombination mit einem flächigen Kulissenstück, das die Schicht beim Kontaktieren gegen die Struktur presst, kann mit den vorspringenden Wülsten eine besonders gute Abdichtung erreicht werden .
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Mikrofluidikstruktur zum Anordnen der Schicht mit einer Hüllform aus dem elastischen Material zumindest teilweise umgeben.
Diese bereits weiter oben angedeutete Ausgestaltung ermöglicht ein besonders einfaches Anbringen der elastischen Schicht, und zwar sowohl bei einer automatisierten als auch bei einer manuellen Handhabung. Zudem besitzt eine Hüllform den Vorteil, dass die elastische Schicht auch ohne Verkleben oder andere Fixierungen nicht von der Mikrofluidikstruktur abrutschen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die zumindest eine Hohlnadel eine Penetrationsspitze auf.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Hohlnadel ein stumpfes Ende besitzt. Die Ausbildung einer Penetrationsspitze erleichtert jedoch das Durchstoßen der elastischen Schicht und ermöglicht somit eine sicherere und zuverlässigere Kontaktierung. Eine Hohlnadel ohne Penetrationsspitze ist demgegenüber vorteilhaft, wenn die elastische Schicht bereits Mikroporen aufweist, die auch ohne Penetrationsspitze durchstoßen werden können, da in diesem Fall eine Beschädigung der elastischen Schicht vermieden wird.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Äusfüh- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figs . 2 bis 7 schematische Darstellungen von Mikrofluidikstrukturen, die gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung mit einer elastischen Schicht versehen sind,
Figs . 8 und 9 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur in einer vereinfachten Darstellung, Figs. 10 und 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur, und
Figs. 12 bis 14 weitere Ausführungsbeispiele zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Die Vorrichtung 10 dient zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur 12, auf der gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Schicht 14 aus elastischem Material angeordnet ist. Die Mikrofluidikstruktur 12 ist in an sich bekannter Weise hergestellt und besitzt eine Anzahl von Mikrokanälen (hier nicht dargestellt), in die ein Fluidum (hier ebenfalls nicht dargestellt) eingefüllt werden kann, um beispielsweise eine pharmazeutische Analyse durchzuführen. Die geometrischen Abmessungen und Eigenschaften der Mikrofluidikstruktur 12 entsprechen denen von gattungsgemäßen Mikrofluidikstrukturen.
Die Schicht 14 aus elastischem Material ist vorzugsweise aus Silikon oder Polyimid hergestellt, sie kann jedoch je nach Anwendungsfall auch aus Gummi sein. Möglichkeiten zum Befestigen der elastischen Schicht 14 auf der Mikrofluidikstruktur 12 sind nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
Die Mikrofluidikstruktur 12 ist hier in einer Aufnahme 16 eingespannt, wie sie vergleichbar aus der DE 199 28 410 C2 bekannt ist. Oberhalb der Aufnahme 16 ist eine Kontakteinheit 18 angeordnet, die sich relativ zu der Aufnahme 16 in Richtung des Pfeils 20 bewegen kann. Die Kontakteinheit 18 kann damit auf die Mikrofluidikstruktur 12 abgesenkt werden, um die Mikrofluidikstruktur 12 zu kontaktieren.
Die Kontakteinheit 18 besitzt im hier dargestellten Ausführungsbeispiel drei Hohlnadeln 22, 24, 26, die jeweils mit einem eigenen Antrieb 28 verbunden sind. Über den Antrieb 28 kann jede der Hohlnadeln 22, 24, 26 relativ zu der Kontakteinheit 18 und in Richtung eines Pfeils 30 bewegt werden. Dabei sind die Hohlnadeln 22, 24, 26 hier in einem Kulissenstück 32 geführt, welches für jede einzelne Hohlnadel 22, 24, 26 einen entsprechenden Führungskanal 34 besitzt.
Die Hohlnadeln besitzen jeweils einen Außendurchmesser im Bereich von 200μm. Die Innendurchmesser liegen bei etwa 100 μm. Die Abstände der Hohlnadeln zueinander liegen zwischen 500 und 2000 μm. Die Durchmesser der einzelnen Hohlnadeln 22, 24, 26 können auch verschieden voneinander sein. Bevorzugt sind Hohlnadeln zum Einführen eines Fluidums dünner und Hohlnadeln zum Entnehmen eines Fluidums dicker (größerer Duchmesser) .
Mit der Bezugsziffer 36 ist eine Positioniereinheit bezeichnet, die über elektrische Steuerleitungen mit den Antrieben 28 für die Hohlnadeln 22, 24, 26 verbunden ist. Mit Hilfe der Positioniereinheit 36 kann jede einzelne Hohlnadel 22, 24, 26 getrennt von den anderen in Richtung des Pfeils 30 abgesenkt werden. Wenn die Kontakteinheit 18 auf die Mikrofluidikstruktur 12 abgesenkt ist, tauchen die Hohlnadeln 22, 24, 26 damit individuell in entsprechende Zugangsöffnungen bzw. direkt in Mikrokanäle der Mikrofluidikstruktur 12 ein. Wie nachfolgend näher erläutert, durchstoßen die Hohlnadeln 22, 24, 26 dabei die elastische Schicht 14.
Mit den Bezugsziffern 38, 40, 42 sind drei Reservoirs bezeichnet, in denen jeweils ein Fluidum (eine Flüssigkeit oder ein Gas) enthalten ist, welches in die Mikrofluidikstruktur 12 eingebracht werden soll. Die Reservoirs 38, 40, 42 sind über jeweils einen Fluidkanal 44, 46, 48 mit jeweils einer Hohlnadel 22, 24, 26 verbunden.
Es versteht sich, dass die gezeigte Darstellung mit drei Hohlnadeln 22, 24, 26, drei Reservoirs 38, 40, 42 und drei Fluidka- nälen 44, 46, 48 beispielhaft gewählt ist. Je nach Anwendungsfall können auch mehrere Hohlnadeln 22, 24, 26 mit einem gemeinsamen Reservoir über einen gemeinsamen Fluidkanal verbunden sein. Des Weiteren können die Reservoirs 38, 40, 42 auch zur Entnahme von Fluiden aus der Mikrofluidikstruktur 12 dienen, indem eine entsprechende Pumpe zum Ansaugen des Fluidums vorgesehen wird (hier nicht dargestellt) . Darüber hinaus kann abweichend von der hier gewählten Darstellung mit drei Hohlnadeln 22, 24, 26 und der entsprechenden Anzahl an Fluidkanälen 44, 46, 48 und Reservoirs 38, 40, 42 auch eine beliebige andere Anzahl verwendet sein. In einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sieben Hohlnadeln 22, 24, 26 vorgesehen, die einzeln oder in Gruppen zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur 12 angesteuert werden.
Bei der Positioniereinheit 36 handelt es sich um eine Steuerschaltung, die bevorzugt prozessorbasiert ist. Die Positioniereinheit 36 erhält über geeignete Positionssensoren (hier nicht dargestellt) , beispielsweise optoelektronische Wegaufnehmer, eine Positionsinformation der Hohlnadeln 22, 24, 26 und berechnet daraus die Steuerinformationen zum Ansteuern der Antriebe 28. Entsprechende Steuer- und Regelkreise sind im Stand der Technik für sich genommen bekannt.
Mit der Bezugsziffer 50 ist hier eine Automatik bezeichnet, mit der die Schicht 14 aus elastischem Material auf die Mikrofluidikstruktur 12 aufgebracht werden kann. Dabei beinhaltet die Automatik 50 hier eine Rolle 52, auf der ein Vorrat des elastischen Materials aufgewickelt ist. Beispielsweise handelt es sich hier um eine Rolle 52 mit einer Polyamidfolie. Mit der Bezugsziffer 54 ist eine Greifereinheit bezeichnet, die an einer Führungsschiene 56 in Richtung des Pfeils 58 bewegbar ist. Die Greifereinheit 54 kann ein Stück des elastischen Materials von der Rolle 52 abziehen und über der Mikrofluidikstruktur 12 ablegen. Anschließend wird die Schicht 14 von der Rolle 52 abgetrennt.
In weiteren, hier nicht dargestellten Varianten beinhaltet die Automatik beispielsweise einen Vorrat an bereits vorkonfektionierten Schichten 14, die mit Hilfe der Greifereinheit 54 auf der Mikrofluidikstruktur 12 abgelegt werden. Alternativ hierzu ist es in anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen vorgesehen, die Mikrofluidikstruktur 12 bereits bei der Herstellung mit der Schicht 14 zu versehen, so dass die hier gezeigte Automatik 50 innerhalb der Vorrichtung 10 entfallen kann. In noch weiteren Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, die Mikrofluidikstruktur 12 von Hand mit der Schicht 14 zu versehen, bevor die Mikrofluidikstruktur 12 in die Aufnahme 16 der Vorrichtung 10 eingelegt wird. Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht der Mikrofluidikstruktur 12, auf der die Schicht 14 angeordnet ist. Der guten Ordnung halber sei darauf hingewiesen, dass die Darstellung nicht maßstabsgerecht ist und der Einfachheit halber auch keine Mehrzahl von Mikrokanälen zeigt.
Die Mikrofluidikstruktur 12 besteht aus einem Substrat 62 aus Glas oder Silizium. In dem Substrat 62 verläuft ein Mikrokanal 64, der beispielsweise durch einen Ätzprozess an der Oberseite des Substrats 62 ausgebildet ist. Der Mikrokanal 64 ist an seiner offenen Oberseite mit der elastischen Schicht 14 bedeckt, die in einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung an dem Substrat 62 befestigt ist, beispielsweise durch Kleben. In anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Schicht 14 auf das Substrat 62 nur aufgelegt und bedeckt den Mikrokanal 64 damit „locker".
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikrofluidikstruktur gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei dieselben Elemente wie zuvor. Im Unterschied zu dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Fig. 2 besitzt die elastische Schicht, hier mit Bezugsziffer 66 bezeichnet, allerdings mehrere Vertiefungen 68, die ein Eintauchen der Hohlnadeln in den Mikrokanal 64 erleichtern. Die Vertiefungen 68 bilden aufgrund der reduzierten Materialstärke nämlich Sollbruchstellen, an denen eine Hohlnadel die Schicht 66 leichter durchstoßen kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist eine Mikrofluidikstruktur mit der Bezugsziffer 70 bezeichnet. Die Mikrofluidikstruktur 70 besitzt wiederum einen oder mehrere Mikrokanäle 64. Im Unterschied zu den Figs. 2 und 3 verläuft der Mikrokanal 64 hier allerdings innerhalb des Substrats 62, das heißt er ist durch das Substrat 62 nach oben hin geschlossen. Zum Kontaktieren des oder der Mikrokanäle 64 sind Zugangsöffnungen 72 vorhanden. Die elastische Schicht, hier mit der Bezugsziffer 74 bezeichnet, besitzt im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen Mikroporen 76, die ein besonders leichtes Eintauchen einer Hohlnadel ermöglichen. Die Abmessungen der Mikroporen 76 sind so gewählt, dass die Mikropore 76 durch das Eintauchen der Hohlnadel verschlossen wird. Mit anderen Worten entspricht der lichte Innendurchmesser der Mikropore 76 vorzugsweise dem Außendurchmesser der verwendeten Hohlnadel, was nachfolgend anhand weiterer Ausführungsbeispiele dargestellt ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Mikroporen 76 schlitzförmige Öffnungen, die sich nur beim Durchstoßen mit einer Hohlnadel öffnen und nach Entnahme der Nadel wieder verschließen.
In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Mikrofluidikstruktur 70 mit einer Schicht 78 weitgehend eingehüllt ist. Dieses Ausführungsbeispiel ist bevorzugt, wenn die elastische Schicht 78 von Hand auf der Mikrofluidikstruktur 70 angeordnet werden soll.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine Schicht 80 die Mikrofluidikstruktur 70 vollständig umgibt. Zusätzlich ist die Schicht 80 hier wiederum mit Vertiefungen 68 versehen, um die vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten der hier dargestellten Elemente zu verdeutlichen. In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Mikrofluidikstruktur 70 vollständig mit einer Schicht 82 umhüllt ist. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet die Schicht 82 Materialstellen 84, die aus einem weicheren Material bestehen als der Rest der Schicht 82. Anders ausgedrückt besteht die Schicht 82 hiernach aus einem ersten Material, welches die Mikrofluidikstruktur 70 weitgehend bedeckt, sowie Materialstellen 84 aus einem zweiten Material, das weicher ist als das erste Material. Die Materialstellen 94 bilden Sollbruchstellen aus, die ein Durchstoßen der Schicht 82 mit einer Hohlnadel erleichtern.
In den Figs. 8 und 9 ist vereinfacht dargestellt, wie zwei Hohlnadeln 88, 90 zum Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur 12 in den Mikrokanal 64 eintauchen. Die Hohlnadeln 88, 90 besitzen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine Penetrationsspitze 92, um das Durchstoßen der hier homogenen Schicht 14 zu erleichtern.
Wie bei der Erläuterung der Vorrichtung 10 in Fig. 1 bereits angesprochen, werden die Hohlnadeln 88, 90 hier in Führungskanälen 34 eines Kulissenstücks 32 geführt, was eine präzise und stabile Kontaktierung ermöglicht und zudem das Risiko von Beschädigungen reduziert. Darüber hinaus wird die Schicht 14 durch das flächig ausgebildete Kulissenstück 32 beim Kontaktieren gleichmäßig gegen die Mikrofluidikstruktur 70 gedrückt, was eine gute Abdichtung bewirkt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Führungskanäle 34 hier an ihren Innenseiten mit einem Gleitmaterial ausgekleidet, beispielsweise mit einer Teflon-Beschichtung. Das hier in den Figs. 8 und 9 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen besonders bevorzugten Anwendungsfall, bei dem ein erstes Fluidum 94 als Teilstrom in einen laminaren Hüllstrom eines zweiten Fluidums 96 eingebracht wird. Um die relative Höhe des ersten Fluidums 94 innerhalb des umgebenden zweiten Fluidums 96 zu bestimmen, werden die Hohlnadeln 88, 90 hier unterschiedlich tief in den Mikrokanal 64 eingetaucht.
Um in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besonders kontrollierte Verhältnisse bezüglich der beiden Fluide 94, 96 zu erhalten, sind die Hohlnadeln 88, 90 vor dem Eintauchen in die Mikrofluidikstruktur 12 bis zu ihrer Austrittsöffnung, in diesem Fall also der Penetrationsspitze 92, mit den entsprechenden Fluiden gefüllt. Des Weiteren wird das zweite Fluidum 96 hier zuerst in den Mikrokanal 64 eingebracht, und zwar so, dass es diesen vollständig ausfüllt. Über an sich bekannte Mechanismen wird das zweite Fluidum 96 dann innerhalb des Mik- rokanals 64 in einen laminaren Strom versetzt, in den dann das erste Fluidum 94 in definierter Höhe eingebracht wird. Der laminare Strom kann beispielsweise über eine entsprechende Druckverteilung innerhalb des Mikrokanals 64 erzeugt werden. Wenn die Fluide 94, 96 Ionen enthalten, können zudem auch elektrische Felder zur Steuerung der Strömung verwendet werden.
In den Figs. 10 und 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Struktur 12 ist hier mit der elastischen Schicht 74 bedeckt, die Mikroporen 76 oberhalb der Zugangsöffnungen 72 aufweist. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, ist der Außendurchmesser der Hohlnadeln 22, 24, 26 so gewählt, dass er dem lichten Innendurchmesser der Mikroporen 76 entspricht. Bei eingetauchten Hohlnadeln 22, 24, 26 entsteht somit ein dichter Abschluss der Mikrokanäle. Aufgrund der vorhandenen Mikroporen 76 können die Hohlnadeln 22, 24, 26 hier ein stumpfes Ende aufweisen.
In Fig. 11 ist nochmals die variable Eintauchtiefe der einzeln ansteuerbaren Hohlnadeln 22, 24, 26 mit Hilfe von Pfeilen 98, 100, 102 dargestellt.
Die Figs. 12 und 13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele zum Kontaktieren der Mikrofluidikstruktur 12. Die Struktur 12 ist hier mit einer Schicht 104 abgedeckt, die im Vergleich zu den bislang gezeigten Schichten relativ dick ist. Um die Penetration der Hohlnadeln 22, 24, 26 zu erleichtern, sind auf der der Mikrofluidikstruktur 12 zugewandten Seite der Schicht 104 Ausnehmungen 106 ausgebildet (hier mit unterschiedlicher Formgebung dargestellt), die jeweils oberhalb der Zugangsöffnungen 72 zu Liegen kommen. Aufgrund der Ausnehmungen 106 besitzt die Schicht 104 wiederum Sollbruchstellen im Bereich der Zugangsöffnungen 72. Zur Verdeutlichung der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten der hier vorgestellten Ausführungsbeispiele ist die Schicht 104 hier ferner noch beispielhaft mit einer Materialstelle 84 gezeigt, die gegenüber dem Restmaterial der Schicht 104 weicher ist. Es versteht sich, dass die hier gezeigte Ausbildung der Schicht 104 verschiedene Varianten in einer Darstellung zeigt. Ein weiteres Merkmal der Schicht 104 sind hier Wülste 108, die auf der der Mikrofluidikstruktur 12 zugewandten (unteren) Seite angeordnet sind. Beim Aufpressen der Schicht 104 mit Hilfe des Kulissenstücks 32 bilden die Wülste 108 Dichtringe um die Zugangsöffnungen 72 aus.
Fig. 14 zeigt in einer vergleichbaren Ausgestaltung wie die Fig. 12 und 13 eine Mikrofluidikstruktur 12, auf der eine Schicht 104 angeordnet ist, auf der wiederum ein Kulissenstück 32 angeordnet ist, in dem Führungskanäle 34 für in Fig. 14 nicht gezeigte Hohlnadeln vorgesehen sind.
Für jeden Führungskanal 34 ist eine Ausnehmung 106 in der Schicht 104 vorgesehen, die jetzt vergleichsweise dick ausgebildet sein kann. Lediglich in dem Bereich, in dem die Schicht 104 durch die Führungskanäle 34 hindurch mittels einer Hohlnadel durchstochen wird, ist die Schicht 104 sehr dünn und weich ausgebildet.
Der Mikrokanal 64 ist hier in der Mikrofluidikstruktur 12 vorgesehen und über eine Zugangsöffnung 72 nach oben geöffnet. Darüber hinaus gibt es einen Kontaktkanal 112, mit dem auf der Öffnung des Kontaktkanals 112 angeordnete Zellen kontaktiert werden können, wie dies bei Mikrofluidikstrukturen an sich bekannt ist. Nach der Art der Patch-Clamp-Technik kann eine auf dem Kontaktkanal 112 angeordnete Zelle durch einen in dem Mikrokanal 64 ausgeübten Unterdr ck perforiert werden, so dass eine Kontaktierung durch in dem Mikrokanal 64 fließende Flüssigkeit möglich ist. Aber auch andere Arten der Kontaktierung einer derart positionierten Zelle sind möglich. Zwischen den beiden linken Ausnehmungen 106 ist in der Schicht 104 ein weiterer Mikrokanal 110 vorgesehen, der auf der Mikrofluidikstruktur 12 sozusagen eine Reaktionskammer bildet, die beispielsweise durch den linken Führungskanal 34 mit Zellen, Substanzen etc. befüllt werden kann, wobei durch den mittleren Führungskanal 34 Material aus dem Mikrokanal 110 abgesaugt werden kann.
Über den rechten Führungskanal 34 kann eine Kontaktierung und/ oder Befüllung des Mikrokanals 64 in der Mikrofluidikstruktur 12 erfolgen.
Die Höhe der Ausnehmungen 106, also der Abstand ihres Bodens 114 zu der Mikrofluidikstruktur 12, ist dabei so bemessen, dass beim Einstechen einer Hohlnadel durch die Führungskanäle 34 hindurch sich das Material der Schicht 104 elastisch nach unten ausbeulen kann, bevor die Hohlnadel hindurchsticht, ohne dass die Gefahr besteht, dass das Material der Schicht 104 ausgestanzt wird oder die Mikrofluidikstruktur 12 berührt, oder dass die Hohlnadel wegen eines plötzlich nachlassenden Gegendruckes auf die Mikrofluidikstruktur 12 aufstößt.
Die Hohlnadeln für die Penetration der Schichten sind in einfachen Ausführungsbeispielen aus Metall hergestellt. Bevorzugt ist die Oberfläche der Hohlnadeln dann jedoch mit einer nicht leitenden Schicht überzogen, beispielsweise eloxiertem Aluminium oder Teflon. Eine derartige Ausbildung hat zusätzlich den Vorteil, dass sich beim Kontakt mit den Fluiden keine Metallionen von den Hohlnadeln lösen können. In alternativen Ausführungsbeispielen sind die Hohlnadeln aus nicht leitendem Material hergestellt, beispielsweise Keramik, Hart-Kunststoff oder Glas.
Durch die hier gezeigte Art der Kontaktierung kann das Totvolumen in den Zugangsleitungen sehr klein gehalten werden, was es vor allem ermöglicht, geringste Mengen einer Stoffprobe zu verarbeiten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur (12; 70), die zumindest einen Mikrokanal (64) und eine damit verbundene Zugangsöffnung (72) zum Einbringen eines ersten Fluidums (94) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Anordnen einer Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) aus elastischem Material oberhalb von der Zugangsöffnung (72), um diese zu verschließen,
Durchstoßen der Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) mittels zumindest einer Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90), und
Einbringen des ersten Fluidums (94) in den Mikrokanal (64) durch die zumindest eine Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) beim Durchstoßen der Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) in einem Kulissenstück (32) geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kulissenstück (32) beim Durchstoßen der Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) auf die Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) aus elastischem Material gedrückt wird, und zwar bevorzugt flächig.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) vor dem Durchstoßen der Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) bis zu einer Austrittsöffnung (92) mit dem ersten Fluidum (94) gefüllt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal ( 64 ) vor dem Einbringen des ersten Fluidums (94) vollständig mit einem zweiten Fluidum (96) gefüllt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) beim Einbringen des Fluidums (94) mit einer einstellbaren Eintauchtiefe (98, 100, 102) in die Zugangsöffnung (72) eingeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (104) an ihrer der Mikrofluidikstruktur (12) zugewandten Seite zumindest eine Ausnehmung (106) aufweist, die oberhalb der zumindest einen Zugangsöffnung (72) liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (66; 74; 80; 82) im Bereich der Zugangsöffnung (72) mit einer Sollbruchstelle (68; 76; 84) versehen wird.
9. Verfahren nach Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (104) aus elastischem Material an einer der Mikrofluidikstruktur (12) zu- gewandten Seite vorspringende Wülste (108) aufweist, die um die Zugangsöffnung (72) herum Dichtlippen ausbilden.
10. Verfahren nach Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikstruktur (70) zum Anordnen der Schicht (80, 82) mit einer Hüllform aus dem elastischen Material zumindest teilweise umgeben wird.
11. Vorrichtung zum Kontaktieren einer Mikrofluidikstruktur (12; 70), die zumindest einen Mikrokanal (64) und eine damit verbundene Zugangsöffnung (72) zum Einbringen eines ersten Fluidums (94) aufweist, mit einer Aufnahme (16) für die Mikrofluidikstruktur (12; 70) und mit einer Kontakteinheit (18) mit zumindest einem Fluidkanal (44, 46, 48), der mit der Zugangsöffnung (72) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (18) zumindest eine mit dem Fluidkanal (44, 46, 48) verbundene Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) aufweist, die zum Durchstoßen einer Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) aus elastischem Material ausgebildet ist, welches auf der Mikrofluidikstruktur (12; 72) vorgesehen ist und die Zugangsöffnung (72) verschließt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (18) ein Kulissenstück (32) beinhaltet, in dem die zumindest eine Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) beweglich geführt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kulissenstück (32) so ausgebildet ist, dass es beim Durchstoßen der Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) auf die Mikrofluidikstruktur (12; 70) drückt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakteinheit (18) mehrere Hohlnadeln (22, 24, 26; 88, 90) zum Durchstoßen einer Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) aufweist, wobei die mehreren Hohlnadeln (22, 24, 26; 88, 90) getrennt voneinander steuerbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine Positioniereinheit (36), die eine variable Eintauchtiefe (98, 100, 102) der Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) in den Mikrokanal (64) ermöglicht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch eine Automatik (50) zum Anordnen der Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82; 104) aus elastischem Material auf einer Mikrofluidikstruktur (12; 70).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Hohlnadel (22, 24, 26; 88, 90) eine Penetrationsspitze (92) aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (104) an ihrer der Mikrofluidikstruktur (12) zugewandten Seite zumindest eine Ausnehmung (106) aufweist, die oberhalb der zumindest einen Zugangsöffnung (72) liegt.
19. Mikrofluidikstruktur, insbesondere zur pharmazeutischen, chemischen oder biochemischen Analyse von fluidischen Stoffen (94, 96), mit zumindest einem Mikrokanal (64) und zumindest einer Zugangsöffnung (72) zu dem Mikrokanal (64), gekennzeichnet durch eine Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82) aus elastischem Material, die die Zugangsöffnung (72) verschließt.
20. Mikrofluidikstruktur nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82) im Bereich der Zugangsöffnung (72) mit einer Sollbruchstelle (68; 76; 84) versehen ist.
21. Mikrofluidikstruktur nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14; 66; 74; 78; 80; 82) aus elastischem Material fest mit der Mikrofluidikstruktur (12; 70) verbunden ist.
22. Mikrofluidikstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (104) an ihrer der Mikrofluidikstruktur (12) zugewandten Seite zumindest eine Ausnehmung (106) aufweist, die oberhalb der zumindest einen Zugangsöffnung (72) liegt.
23. Mikrofluidikstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (66; 74; 80; 82) im Bereich der Zugangsöffnung (72) mit einer Sollbruσh- stelle (68; 76; 84) versehen wird.
24. Mikrofluidikstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (104) aus elasti- schem Material an einer der Mikrofluidikstruktur (12) zugewandten Seite vorspringende Wülste (108) aufweist, die um die Zugangsöffnung (72) herum Dichtlippen ausbilden.
25. Mikrofluidikstruktur nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht 104 auf ihrer der Mikrofluidikstruktur 12 zugewandten Seite zumindest einen Mikrokanal 110 aufweist.
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