DE10156747A1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Ausführen von Mikrofluidschaltungen mit elektrisch adressierbaren Gaserzeugern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Ausführen von Mikrofluidschaltungen mit elektrisch adressierbaren GaserzeugernInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrofluidsystem (30) zum Leiten von Versuchsmaterialien (38) zu einem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36). Das Mikrofluidsystem (30) umfaßt ein Substrat (31) mit wenigstens einem eingebetteten Gaserzeuger (42 und 44), der als Reaktion auf das Ergebnis einer anfänglichen Verarbeitung aktiviert wird, wodurch ein Gas mit einem Druck erzeugt wird, um die Versuchsmaterialien (38) zu dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) zu leiten. Der Gaserzeuger (42 und 44) umfaßt Widerstände, die elektrisch aktiviert werden. Wenn ein Strom durch die Widerstände fließt, wird Wärmeenergie abgegeben, um ein ausgewähltes Material von einem festen oder einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand zu zersetzen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der Gaserzeuger (42 und 44) als Reaktion auf eine äußere Steuerung (54 und 56) aktiviert.
Description
Die Erfindung betrifft mikrobearbeitete Vorrichtungen, insbesondere Mikroströmungs- bzw.
Mikrofluidvorrichtungen für die chemische und die biologische Analyse sowie die chemische
Synthese.
Die Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidtechnologie kann genutzt werden, um Systeme zu
schaffen, die die chemische und die biologische Analyse sowie die chemische Synthese im
Vergleich zu bekannten Laborausrüstungen und -techniken in einem viel kleineren Maßstab
ausführen. Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidsysteme haben den Vorteil, daß eine kleinere
Probe des Analyts oder des Reagens für die Analyse oder die Synthese benötigt werden und
eine kleinere Menge Abfallmaterialien abgegeben wird. Weil das Testen oder das Kombinie
ren innerhalb des Mikrofluidsystems in sich abgeschlossen bzw. unabhängig ist, können die
Analyse oder die Synthese an nahezu jedem Ort innerhalb oder außerhalb des Labors ausge
führt werden.
Die Mikrofluidsysteme können für die analytische Chemie und die Feinchemie, biologische
Wissenschaften, klinisches Testen, kombinatorische Synthesen, Umwelttesten oder forensi
sches Testen oder dergleichen genutzt werden. Mikrofluidsysteme für die Analyse, chemi
sches und biologisches Verarbeiten und eine Probenpreparation können einige Kombinationen
der folgenden Elemente umfassen: Fluidgebrauchskomponenten zum Vor- und Nachbehan
deln, Mikrofluid-System-Schnittstellenkomponenten, elektrische und elektronische Kompo
nenten, Umweltsteuerkomponenten und Datenanalysekomponenten. Eine populäre Nutzung
von Mikrofluidsystemen findet bei der Analyse von DNA-Molekülen zum Testen von Infek
tionskrankheiten oder genetischer Krankheiten oder zum Screening von genetischen Defekten
statt. Eine andere populäre Nutzung findet im Bereich der forensischen Wissenschaften statt,
wo sofortige Ergebnisse von Blutproben erhalten werden können.
Zusätzlich zu der Verkleinerung der Mikrofluidkomponenten auf die Größe eines "Chips"
(das heißt eines Halbleiterchips) erlauben jüngere Fortschritte das gleichzeitige Ausführen
mehrerer Aufgaben in einer Einzelkomponente. Die Fähigkeit zum gleichzeitigen Ausführen
von Mehrfachaufgaben hat die Nützlichkeit von Mikrofluidvorrichtungen sehr vergrößert.
Darüber hinaus wurde die Zeit vermindert, die zum Erhalt der gewünschten Ergebnisse benö
tigt wird.
Das allgemeine Prinzip einer Mikroströmungs- bzw. Mikrofluidvorrichtung besteht darin, daß
alle Elemente der Vorrichtung auf eine mikroskopische Skala verkleinert sind. Diese Ele
mente können Flüssigkeitsvorräte, Kanäle, Testbereiche, Mischkammern usw. umfassen. Je
des Element wird im allgemeinen im Mikro- oder Submikrobereich hergestellt. Beispielswei
se weisen typische Kanäle oder Bereiche wenigstens eine Querschnittsabmessung im Bereich
von etwa 0,1 µm bis etwa 500 µm auf.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Mikrofluidsystem 10, das auf einem Substrat 12 hergestellt
ist. Das Mikrofluidsubstrat ist aus einem Material, beispielsweise Polymer, Glas, Silizium
oder Keramik. Polymere sind die bevorzugten Substratmaterialien, wobei Polyimid am mei
sten bevorzugt wird. Polymermaterialien, die insbesondere geeignet sind, umfassen Materiali
en aus den folgenden Klassen: Polyimid, PMMA, Polycarbonat, Polystyren, Polyester, Po
lyamid, Polyether, Polyolefin und Mischungen dieser Materialien.
Das beispielhafte Mikrofluidsystem 10 ist eine ebene Vorrichtung, die einen inneren Bereich
14 mit Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 16 und 18 und einen inneren Trennungs- bzw. Sepa
rationskanal 20 mit Eingangs-/Ausgangsanschlüssen 22 und 24 umfaßt. Der innere Bereich 14
und der Trennungskanal 20 sind mittels gestrichelter Linien dargestellt, weil sie innerhalb des
Substrat 12 des Mikrofluidsystems 10 gebildet sind. Die gestrichelten Linien sind an der
Kreuzung des Kanals des Bereichs 14 mit dem Kanal des Trennungskanals 20 unterbrochen,
weil die zwei Kanäle sich kreuzen. Andere Konfigurationen sind möglich und können bei
spielsweise innere Mehrfachbereiche, zusätzliche Eingangs- und Ausgangsanschlüsse und ein
Netzwerk von Kanälen umfassen, das innerhalb eines Substrats eines Mikrofluidsystems an
geordnet ist. Der Begriff "innerer Bereich" wird hier genutzt, um einen im allgemeinen einge
schlossenen Bereich des Mikrofluidsystems zu beschreiben, in dem insbesondere Proben-
Präperationsprozesse ausgeführt werden. Solche Prozesse umfassen beispielsweise das Mi
schen, das Markieren, das Testen, das Filtern, das Extrahieren, das Fällen, das Aufschließen,
das Synthetisieren und dergleichen. Eine Bewegung des Materials innerhalb der Vorrichtung
wird im allgemeinen mit Hilfe des Manipulierens einer äußeren Kraft erreicht.
In einem typischen Mikrofluidsystem werden eine Anzahl von Tests ausgeführt, wobei das
Material in Abhängigkeit von den individuellen Testanforderungen entweder in serieller oder
paralleler Art und Weise verarbeitet werden kann. Beim Ausführen der Tests ist es möglich,
daß das Ergebnis eines früheren Tests genutzt wird, um zu bestimmen, welcher folgende Test
auf das Material innerhalb desselben Mikrofluidsystems ausgeführt wird. Wenn beispielswei
se das Ergebnis in einem Testgebiet bzw. einem Testbereich Nr. 1 positiv ist, wird das Materi
al in den Testbereich bzw. des Testgebiet Nr. 2 gebracht, wo auf der Basis der Ergebnisse aus
dem Testbereich Nr. 1 eine Folgeanalyse ausgeführt wird. Wenn das Ergebnis des Testbe
reichs Nr. 1 negativ ist, wird das Material hingegen zu einem Testgebiet bzw. -bereich Nr. 3
gebracht. Es wird deshalb ein Verfahren zum Lenken bzw. Steuern des Materials durch ein
Netzwerk von Fluidkanälen als Reaktion auf das anfängliche Testergebnis gebraucht.
Eine bekannte Technik, welche versucht, das Material zu dem entsprechenden Testbereich als
eine Funktion des vorherigen Testergebnisses zu lenken, umfaßt das Vorsehen eines äußeren
Anschlusses an jedem Entscheidungspunkt, so daß eine äußere Kraft genutzt werden würde,
um das Material in eine von zwei oder mehreren Richtungen zu lenken. Selbst im Fall einer
Kaskade von Tests mit nur einer geringen Anzahl von Entscheidungen ist die Anzahl der be
nötigten, äußeren Anschlüsse jedoch groß. Eine große Anzahl von äußeren Fluidanschlüssen
ist jedoch nachteilig, weil jeder Fluidanschluß unabhängig von anderen Anschlüssen zu dem
Entscheidungspunkt geleitet werden muß.
Eine andere bekannte Technik zum Leiten des Materials umfaßt die Nutzung von Ventilen,
die sich durch die Mikrofluidvorrichtung ausfahren und einfahren. Leider verlangt diese
Technik das Bewegen mechanischer Teile, die fehlerempfindlich sind.
Deshalb besteht Bedarf an einem Mikrofluidsystem und einem Verfahren zum Lenken eines
Materials zu seinen zugehörigen Testbereichen, ohne daß äußere Anschlüsse oder bewegte
Teile genutzt werden.
Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidsystem zum Leiten bzw. Lenken eines Analyts, eines
Reagens oder dergleichen Material zu einem folgenden, interessierenden Bereich, welcher ein
Testbereich, ein Meß- bzw. Nachweisbereich, ein Steuerbereich, ein Reaktionsbereich oder
dergleichen sein kann. Das Mikrofluidsystem ist auf einem und innerhalb eines Substrat(s)
ausgebildet, das ein Netzwerk von Kanälen und Gasgeneratoren bzw. Gaserzeuger umfaßt,
die entlang des Netzwerks von Kanälen strategisch angeordnet sind. Wenn die Gasgenerato
ren aktiviert sind, expandieren die von den Gasgeneratoren umfaßten Gasmoleküle und drük
ken das Material entlang ausgewählter Kanäle des Netzwerks von Kanälen. Mit Hilfe des
strategischen Aktivierens eines speziellen Gasgenerators kann das Material entlang eines ge
wünschten Kanals zu seinem zugehörigen, interessierenden Ort bzw. Zielort gelenkt werden.
Das Mikrofluidsystem kann mittels Herstellungstechniken für eine integrierte Schaltung aus
gebildet werden, beispielsweise mittels fotolithografischer Verfahren, chemischen Naß- oder
Trockenätzens oder Laser-Ablation. Alternativ können traditionelle Bearbeitungstechniken
genutzt werden. Das Mikrofluidsystem kann auch mit Hilfe indirekter Mittel hergestellt wer
den, beispielsweise mit Hilfe des Spritzgießens, des Heißprägens, des Gießens oder anderer
Verfahren, die ein Gieß- oder Musterwerkzeug nutzen, um die Merkmale des Systems zu bil
den. Das Mikrofluidsubstrat ist aus einem Material, beispielsweise Polymer, Glas, Silizium,
Metall oder Keramik. Ein Polymer, wie Polyimid oder Polymethyl-Methakrylat (PMMA),
wird bevorzugt.
Obwohl das Mikrofluidsystem so beschrieben wird, daß es ein Substrat umfaßt, ist dieses
nicht kritisch für die Erfindung. Das Mikrofluidsystem kann auch auf einem oder innerhalb
eines Körper(s), eines Gehäuses oder einer Stützstruktur oder dergleichen hergestellt werden,
ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Gaserzeuger, der zum Leiten des Gases
für das Manipulieren des Materials in den Kanälen genutzt wird, mikroskopische Widerstän
de, die elektrisch aktiviert werden. Wenn ein Strom durch einen Widerstand fließt, wird elek
trische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Jeder Widerstand ist benachbart zu einer
Gasbildungskammer angeordnet. Weil die Kammer eine niedrigere Temperatur als die Wider
stände aufweist, findet eine Übertragung von Wärme von den Widerständen auf die Kammer
statt. Es existiert eine relativ große Klasse von Verbindungen, die aus einem flüssigen Zu
stand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand zerfallen, wenn Wärme ange
wendet wird. Beispielsweise zerfällt Natriumazid (NaN3) beim Anwenden von Wärme, um
reines Stickstoffgas (N2) zu erzeugen. In ähnlicher Weise erzeugen die meisten Alkali-
Bicarbonate (beispielsweise Natrium-Bicarbonat) Kohlendioxid-Gas (CO2) bei thermischer
Zersetzung. Jede dieser Verbindungen kann in den Gasbildungskammern genutzt werden. Das
Nennen dieser Komponenten soll den Bereich der Erfindung jedoch nicht begrenzen. Die
Nennungen sollen lediglich als Beispiele für Verbindungen dienen, die üblicher Weise für
chemische Reaktionen genutzt werden, um gasförmige Produkte zu erzeugen.
Aufgrund eines thermischen Zerfalls der gaserzeugenden Verbindungen steigt der Druck in
nerhalb eines speziellen Gaserzeugers in Folge der Volumenausdehnung der Gasmoleküle.
Weil die Volumen in dem Mikrofluidsystem klein sind, ist die Gasmenge, die zum Leiten des
Materials entlang eines ausgewählten Kanals benötigt wird, dementsprechend klein. Demge
mäß muß sich nur eine Minuskel-Menge der gaserzeugenden Verbindung zersetzen, um aus
reichend Gas (gemessen in Nanoliter) zum Lenken des Materials zu dem nächsten Testbereich
zu erzeugen. Die typische Menge der gaserzeugenden Verbindung ist im allgemeinen in der
Größenordnung von Picomol. Während die tatsächliche Menge der gaserzeugenden Verbin
dungen, die zum Erzeugen eines Nanoliters notwendig ist, eine Funktion der tatsächlichen
Reaktion ist, erzeugen im Fall von Natrium-Bicarbonat etwa fünf Nanogramm einen Nanoli
ter Gas.
Das Mikrofluidsystem weist das Substrat mit inneren Merkmalen auf, die Gasbildungskam
mern, Mikrofluidkanäle, Mikrofluidkabinen bzw. -zwischenräume und von den Gaskammern
verschiedene Mikrofluidfließsteuerelemente umfassen. Deshalb kann das Mikrofluidsystem
bekannte Eigenschaften bzw. Merkmale aufweisen, wie Kapillarkanäle, Trennungs- bzw. Se
perationskanäle und Meß- bzw. Erfassungskanäle. Das Mikrofluidsystem ist so konstruiert,
daß das Material in Abhängigkeit von dem gewünschten Testen entweder parallel oder seriell
verarbeitet werden kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestimmt das Ergebnis eines
Anfangstests (beispielsweise Test Nr. 1), welcher der alternativen, folgenden Tests (bei
spielsweise Test Nr. 2 oder Test Nr. 3) ausgeführt wird. Demgemäß wird der zugehörige Er
zeuger bzw. Generator, welcher entlang des Netzwerks von Kanälen strategisch angeordnet
ist, aktiviert, um das Material als Reaktion auf das Ergebnis des Anfangstests zu seinem ge
wünschten Ort zu leiten. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Aktivierung eines
Gaserzeugers als Reaktion auf eine äußere Steuerung ausgeführt, beispielsweise ein Compu
terprogramm oder ein menschlicher Bediener.
Wenn beispielsweise das Ergebnis der Tests Nr. 1 positiv ist, wird das Material mittels eines
ersten Gaserzeugers zu einem Testbereich Nr. 2 geleitet, wo auf der Basis des Ergebnisses des
Tests Nr. 1 eine folgende Analyse ausgeführt wird. Wenn das Ergebnis des Tests Nr. 1 nega
tiv ist, wird das Material hingegen mit Hilfe eines anderen Gaserzeugers zu einem Testbereich
Nr. 3 geleitet.
Wie bereits ausgeführt wurde, besteht ein Vorteil der Erfindung darin, daß nur eine Minuskel-
Menge einer gaserzeugenden Verbindung benötigt wird, um eine ausreichende Zersetzung
bzw. einen ausreichenden Zerfall zum Erzeugen von genügend Gas zu liefern, um das Materi
al zu dem nächsten Testbereich der Vorrichtung zu leiten. Weil darüber hinaus die Menge der
gaserzeugenden Verbindung klein ist, kann die zum Zersetzen der Verbindung notwendige
Energie leicht auf den Punkt der Zersetzung bzw. des Zerfalls lokalisiert werden. Es ist des
halb unwahrscheinlich, daß die von den Widerständen erzeugte Wärme eine Beschädigung
des Materials verursacht.
Optional kann jede Gasbildungskammer eine Anordnung von diskreten Volumen der gaser
zeugenden Verbindung umfassen. Eine entsprechende Anzahl von Mikroheizern kann vorge
sehen sein, so daß die Mikroheizer einer speziellen Kammer einzeln oder gemeinsam aktiviert
werden können, um eine genaue Gasmenge zu erzeugen. Beispielsweise können acht binär
gewichtete Mengen eines gaserzeugenden Materials von einem einzelnen Gaserzeuger umfaßt
sein. Mit Hilfe einer zweckmäßigen Aktivierung der acht in Verbindung stehenden Mikrohei
zer kann eine von 256 verschiedenen Gasmengen erzeugt werden. Diese Ausführungsform
kann in Situationen genutzt werden, in denen die benötigten Pumpenkräfte sorgfältig gesteu
ert werden müssen. Alternativ kann die genaue Gasmenge mit Hilfe einer analogen Steuerung
erzeugt werden. Dieses bedeutet, daß eher die spezifische Menge der Wärme, welche auf die
gaserzeugenden Verbindungen angewendet wird, gesteuert wird, als daß die Menge der gaser
zeugenden Verbindungen gesteuert wird, die ausgewählt bzw. selektiv erwärmt werden, um
die genaue Gasmenge zu erzeugen. Eine genaue Gasmenge wird in relativer Proportion zu der
Menge der zugeführten Wärme erzeugt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf
eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Beispiels für ein bekanntes Mi
krofluidsystem mit einem inneren Bereich, einem inneren Trennungskanal und
Eingangs- und Ausgangsanschlüssen;
Fig. 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Mikrofluidsystems, bei dem Gaser
zeuger benutzt werden, um ein Material in Abhängigkeit vom Ergebnis eines
Anfangstest zu verschiedenen Bereichen zu lenken;
Fig. 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Mikrofluidsystems, bei dem Gaser
zeuger genutzt werden, um als Reaktion auf äußere Steuerungen ein Ver
suchsmaterial zu verschiedenen Bereichen zu leiten;
Fig. 4 einen Gaserzeuger gemäß dem System nach Fig. 2, wobei mikroskopische
Widerstände genutzt werden, um ein Gas mit Hilfe eines thermischen Zerfalls
aus einem flüssigen Zustand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen
Zustand zu bilden;
Fig. 5 einen Gaserzeuger gemäß dem System nach Fig. 2 mit mehreren Kammern
zum Bilden einer exakten Gasmenge; und
Fig. 6 ein Verfahrensflußdiagramm zum Nutzen des Systems nach Fig. 2, um das
Material zu seinem zugehörigen Bereiche zu leiten.
Fig. 2 ist eine Darstellung einer bevorzugten Architektur eines Mikrofluidsystems 30, bei
dem Gaserzeuger benutzt werden, um ein Material erfindungsgemäß in verschiedene Bereiche
zu leiten. Das System 30 ist auf einem Substrat 31 ausgebildet, welches von dem in Verbin
dung mit Fig. 1 beschriebenen Typ ist. Das System umfaßt drei Bereiche, die zum Verar
beiten bzw. Bearbeiten genutzt werden, wobei mehr Bereiche vorgesehen sein können. Die
Verfahren umfassen beispielsweise das Mischen, das Synthetisieren, das Markieren, das Te
sten, das Filtern, das Extrahieren, das Fällen und das Aufschließen.
Obwohl das Mikrofluidsystem 30 so beschrieben ist, daß es ein Substrat 31 aufweist, ist die
ses nicht kritisch für die Erfindung. Das Mikrofluidsystem 30 kann auch auf einem oder in
nerhalb eines Körper(s), eines Gehäuses und einer Stützstruktur oder dergleichen ausgebildet
sein, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfassen die drei Bereiche, die zum Verarbeiten bzw.
Bearbeiten genutzt werden, einen Bereich 32 zum Ausführen eines Tests Nr. 1, einen Bereich
34 zum Ausführen eines Tests Nr. 2 und einen Bereich 36 zum Ausführen eines Tests Nr. 3.
Ein Material 38 wird entlang eines Kanals 40 in dem Mikrofluidsystem 30 in den Bereich 32
zum Ausführen des anfänglichen Tests Nr. 1 eingeführt. Der Bereich 32 umfaßt einen Detek
tor 33 zum Bestimmen des Ergebnisses des Tests Nr. 1. Der Detektor kann ein optisch getrie
benes Bauelement, ein chemisch getriebenes Bauelement oder irgendeine bekannte Einrich
tung von einem anderen Typ sein. Basierend auf dem Ausgang des Tests Nr. 1 wird das Mate
rial entweder mit Hilfe eines Gaserzeugers 44 in den Bereich 34 oder mit Hilfe eines Gaser
zeugers 42 in den Bereich 36 geleitet. Die Bereiche 34 und 36 enthalten Detektoren 35 bzw.
37 zum Bestimmen der Ergebnisse des Tests Nr. 2 und des Tests Nr. 3.
Wenn das Ergebnis des Tests Nr. 1 in dem Bereich 32 beispielsweise als positiv bestimmt
wird, wird das Material mit Hilfe des Gaserzeugers 44 entlang von Kanälen 48 und 46 in den
Bereich 34 gelenkt, um den Test Nr. 2 auszuführen. Nach dem Ausführen des Tests Nr. 2
kann das Material 38 entlang eines Kanals 50 zu anderen Testbereichen (nicht dargestellt)
gelangen, um zusätzlichen Tests, wie sie im Bereich 34 existieren, ausgesetzt zu werden.
Wenn das Ergebnis des Test Nr. 1 in den Bereich 32 jedoch als negativ bestimmt wird, wird
das Material hingegen mit Hilfe des Gaserzeugers 42 entlang der Kanäle 46 und 48 zu dem
Bereich 36 geleitet, um den Test Nr. 3 auszuführen. Nach dem Ausführen des Tests Nr. 3
kann das Material 38 entlang eines Kanals 52 weiteren Tests, wie sie im Bereich 36 existie
ren, ausgesetzt werden. Obwohl die Anordnung von zwei Gaserzeugern und drei Bereichen
beschrieben ist, sind anderen Anordnungen möglich, beispielsweise serielle Gaserzeuger und
Testbereiche, die mittels eines Netzwerks von Kanälen verbunden sind. Die exakte Konfigu
ration des Mikrofluidsystems ist für die Erfindung nicht kritisch.
In Fig. 3, in welcher für wiederholte Elemente nach Fig. 2 die selben Bezugszeichen ge
nutzt werden, nutzt ein Mikrofluidsystem 30 Gaserzeuger 42 oder 44, um das Material 38 zu
den zugehörigen Bereichen 34 oder 36 zu leiten. Die Gaserzeuger 42 und 44 nach Fig. 3
werden eher mit Hilfe ihrer jeweiligen, von außen betriebenen Steuerung 54 oder 56 gesteu
ert, als daß das Gas zum Leiten des Materials 38 als eine automatische Antwort auf das Er
gebnis des Tests Nr. 1 in dem Bereich 32 erzeugt wird. Dieses bedeutet, daß Gaserzeuger 42
und 44 mit Hilfe jeweiliger äußerer Steuerungen 54 und 56 gesteuert werden, welche mit Hil
fe eines Computerprogramms oder von einem menschlichen Bediener betrieben werden kön
nen. Die Implementierung der Steuerungen ist nicht kritisch. Bei einer Ausführungsform ist
jede Steuerung ein Einzelschalter, der von außen aktiviert wird. Bei einer alternativen Aus
führungsform umfaßt jeder Gaserzeuger 42 und 44 eine Anordnung von diskreten Proben
einer gaserzeugenden Verbindung (was weiter unten genauer erklärt wird) und ist jede Steue
rung eine entsprechende Anordnung von Schaltern. Eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwi
schen den Proben und den Schaltern ermöglicht es, daß das Volumen eines erzeugten Gases
allein mit Hilfe des ausgewählten Aktivierens der Schalter einer Anordnung bestimmt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Steuerungen leitende Spuren auf der Oberfläche
des Substrats 31. Andere Ausführungsformen können auch in Erwägung gezogen werden.
Fig. 4 zeigt einen Gaserzeuger 60, der ähnlich zu den Gaserzeugern 42 und 44 ist, mikro
skopische Widerstände 62, die elektrisch aktiviert werden, und einen Detektor 64 umfaßt.
Wenn ein Strom durch die Widerstände 62 fließt, wird die elektrische Energie in Wärme um
gewandelt. Auf einem mikroskopischen Niveau vergrößern Zusammenstöße zwischen den
Elektronen und dem Gitter der Widerstände 62 die Amplitude der thermischen Schwingungen
des Gitters. Auf einem makroskopischen Niveau entsprechen die thermischen Schwingungen
einem Temperaturanstieg in dem Gaserzeuger 60. Die Widerstände sind in einem Contain
ment-Bereich enthalten, der in dem Substrat gebildet ist, welches das unter Bezugnahme auf
Fig. 2 beschriebene Mikrofluidsystem 30 stützt. Alternativ können die Widerstände auf der
Oberfläche des Substrats ausgebildet sein oder getrennt in das Substrat eingebettet sein, wenn
die Widerstände in einer Wärmeübertragungsverbindung mit dem Containment-Bereich ste
hen. Es ist auch möglich, einen einzelnen Widerstand zu nutzen.
Wenn die von dem Containment-Bereich definierte Umgebung des Gaserzeugers 60 eine
niedrigere Temperatur als der Widerstand 62 aufweist, findet eine Wärmeübertragung von
den Widerständen 62 in die Umgebung statt. Die Umwandlung elektrischer Energie in Wär
meenergie in einem Widerstand ist durch das Joul'sche Gesetz gegeben:
P = i2R = V2/R,
wobei P der Energieverlust in Form von Wärme jedes Widerstands 62, i der Strom durch den
Widerstand, R der Widerstandswert des Widerstands und V die Spannung sind. Die Wärme
wird zu dem Containment-Bereich geleitet, um die Temperatur von dessen Inhalten zu erhö
hen. Die Inhalte sind ein oder mehrere Proben einer gaserzeugenden Verbindung.
Wie in der Chemie bekannt ist, existiert eine Klasse von Verbindungen, die aus einem flüssi
gen Zustand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand übergehen bzw. zerfal
len, wenn Wärme angewendet wird. Beispielsweise zerfällt Natriumazid (NaN3) bei der An
wendung von Wärme, so daß reines Stickstoffgas (N2) erzeugt wird. In ähnlicher Weise er
zeugen Alkali-Bicarbonate (beispielsweise Natrium-Bicarbonat) Kohlendioxid (CO2) wenn
sie thermisch zerfallen.
Durch den Übergang bzw. das Zerfallen der gaserzeugenden Verbindung aus dem flüssigen
oder dem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand, steigt der Druck innerhalb des Con
tainment-Bereichs des Gaserzeugers 60 mit der Volumenausdehnung der Gasmoleküle. Folg
lich treibt der Gasdruck das Material entlang eines ausgewählten Kanals oder einer Folge von
Kanälen in einen interessierenden Bereich. Weil die Volumina der Bereiche und der Kanäle
des Mikrofluidsystems 30 klein sind, ist die Menge von Gasmolekülen, die zum Leiten des
Materials entlang der ausgewählten Kanäle benötigt werden, dementsprechend klein. Deshalb
wird nur eine Minuskel-Menge der gaserzeugenden Menge zum Zerfallen benötigt, um zum
Leiten des Materials zum nächsten interessierenden Bereich ausreichend Gasmoleküle zu er
zeugen. Im Fall des Natrium-Bicarbonats erzeugen fünf Nanogramm des Materials ein Nano
liter Gasmoleküle.
Wie bereits erwähnt wurde, können mehr als eine Probe der gaserzeugenden Verbindung vor
gesehen sein, wobei für jede Probe ein zugehöriger Widerstand vorgesehen ist. Der Anstieg
des Drucks innerhalb eines Gaserzeugers kann dann mit Hilfe eines Heizens einer ausge
wählten Anzahl von Proben exakt gesteuert werden. Fig. 5 zeigt den Gaserzeuger 60 nach
Fig. 4 mit einer Anzahl von Kammern, wobei jede Kammer 66 einem zugehörigen Wider
stand 62 entspricht und eine gaserzeugende Verbindung umfaßt, so daß die Kammern des
Gaserzeugers 60 einzeln oder gemeinsam zum Erzeugen einer genauen Gasmenge aktiviert
werden können. Des weiteren kann das Mikrofluidsystem ohne das Auffüllen der Zuführung
der gaserzeugenden Verbindung erneut genutzt werden, wenn innerhalb des selben Testbe
reichs, beispielsweise dem Bereich 32 in Fig. 4, verschiedene Proben unterschiedlichen
Tests folgend erwärmt werden.
Ein alternatives Verfahren zum Erzeugen von Gas ist die Elektrolyse. Das Anwenden eines
elektrischen Stroms durch eine elektrolysierbare Flüssigkeit zersetzt die Flüssigkeit in ihre
Bestandteile. Beispielsweise werden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wenn ein elektri
scher Strom auf Wasser angewendet wird. Sauerstoff und Wasserstoff können zum Leiten des
Materials zum nächsten interessierenden Bereich genutzt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 wird der Betrieb des Mikrofluidsystems 30 nach Fig. 2 be
schrieben. Ein Prozeßablaufdiagramm zum Leiten des Materials 38 entlang des Netzwerks
von Kanälen in seine zugehörigen Testbereiche ist sequentiell gezeigt. In einem Schritt 70
wird das Material in dem ersten Testbereich 32 empfangen. Nachfolgend wird eine erste
Analyse des Materials in einem Schritt 72 ausgeführt. Auf der Basis von erhaltenen Ergebnis
sen in einem Schritt 74 wird das Material zu einer zweiten Analyse in einem Schritt 76 gelei
tet. Das Leiten wird mit Hilfe einer Aktivierung des Gaserzeugers 44 oder des Gaserzeugers
42 in Abhängigkeit davon erreicht, ob das Material in den Bereich 36 oder den Bereich 34
getrieben werden soll.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit drei Testbereichen und zwei Gaserzeugern be
schrieben wurde, können innerhalb eines Substrats komplexere Netzwerke ausgebildet wer
den. Darüber hinaus können die Testbereiche Kanäle sein, beispielsweise Kapillarkanäle, in
denen ein Verarbeiten und/oder ein Messen bzw. Erfassen stattfindet. Das Leiten des Materi
als kann an dem Ausfluß des Kanals stattfinden. Darüber hinaus ist das Herstellen des Mi
krofluidsystems auf oder innerhalb eines Substrats für die Erfindung nicht kritisch. Das Mi
krofluidsystem kann auch auf oder innerhalb eines Körpers, eines Gehäuses und einer Stütz
struktur oder dergleichen hergestellt werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen
wird.
Claims (10)
1. Mikrofluidsystem (30) zum Leiten von Materialien (38) zu einem nächsten Verarbei
tungsbereich mit:
einem ersten Kanal (40) mit einem ersten Verarbeitungsbereich (32) zum Auf nehmen einer ersten Verarbeitung der Materialien (38);
einem zweiten Kanal (46 und 48), der mit dem ersten Kanal (40) in einer Fluid verbindung steht, wobei der zweite Kanal (46 und 48) mehrere Verarbeitungsbereiche, einschließlich des nächsten Verarbeitungsbereichs (34 und 6) umfaßt; und
einem Gaserzeuger (42 und 44) mit einem Gasbildungsbereich, so daß eine Aus bildung von Gas in dem Gasbildungsbereich die Materialien (38) von dem ersten Kanal (40) zum dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) leitet, wobei der nächste Verar beitungsbereich (34 und 36) zum Aufnehmen einer nächsten Verarbeitung der Materialien (38) konfiguriert ist.
einem ersten Kanal (40) mit einem ersten Verarbeitungsbereich (32) zum Auf nehmen einer ersten Verarbeitung der Materialien (38);
einem zweiten Kanal (46 und 48), der mit dem ersten Kanal (40) in einer Fluid verbindung steht, wobei der zweite Kanal (46 und 48) mehrere Verarbeitungsbereiche, einschließlich des nächsten Verarbeitungsbereichs (34 und 6) umfaßt; und
einem Gaserzeuger (42 und 44) mit einem Gasbildungsbereich, so daß eine Aus bildung von Gas in dem Gasbildungsbereich die Materialien (38) von dem ersten Kanal (40) zum dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) leitet, wobei der nächste Verar beitungsbereich (34 und 36) zum Aufnehmen einer nächsten Verarbeitung der Materialien (38) konfiguriert ist.
2. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verar
beitungsbereich (32) ein Testbereich zum Ausführen einer Analyse der Materialien (38)
ist.
3. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaser
zeuger (42 und 44) eine Heizelement umfaßt, welches mit dem Gasbildungsbereich ther
misch verbunden ist, um die Temperatur innerhalb des Gasbildungesbereichs selektiv zu
erhöhen, wobei der Gasbildungsbereich wenigstens eine Probe eines Materials umfaßt,
das als Reaktion auf eine Anwendung von Wärme in einen gasförmigen Zustand zerfällt.
4. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement
ein Widerstand (62) ist, der konfiguriert ist, um Wärme als Reaktion auf einen Eingang
von elektrischer Energie abzugeben.
5. Mikrofluidsystem (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß wenigstens ein Detektor (33, 35 und 37) vorgesehen ist, welcher mit dem ersten
Verarbeitungsbereich (32) und dem nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) zum Er
fassen von Verarbeitungen verbunden ist, die die erste und die nächste Verarbeitung um
fassen.
6. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaser
zeuger (42 und 44) zum Leiten des Gases aktiviert wird, um die Materialien (38) als Re
aktion auf ein spezifisches Ergebnis der ersten Verarbeitung der Materialien (38) zu dem
nächsten Verarbeitungsbereich (34 und 36) zu leiten.
7. Mikrofluidsystem (30) nach Anspruch 1, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ga
serzeuger (42 und 44) zum Leiten des Gases aktiviert wird, um die Materialien (38) als
Reaktion auf eine äußere Steuerung (54 und 56) zu dem nächsten Verarbeitungsbereich zu
leiten.
8. Mikrofluidsystem (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch mehrere
Gaserzeuger, wobei die mehreren Gaserzeuger einen zweiten Gaserzeuger (42 und 44) mit
einem zweiten Gasbildungsbereich umfassen, so daß ein Bilden eines Gases in dem zwei
ten Gasbildungsbereich die Materialien (38) zu einem dritten Verarbeitungsbereich (34
und 36) leitet, wobei der dritte Verarbeitungsbereich (34 und 36) konfiguriert ist, um eine
Verarbeitung des Materials (38) auszuführen.
9. Mikrofluidsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein
Substrat (31), welches den ersten Kanal (40), den zweiten Kanal (46 und 48) und den Ga
serzeuger (42 und 44) umfaßt.
10. Mikrofluidsystem (30) nach einem der Ansprüche 1, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gaserzeuger (42 und 44) eine Bildung des Gases mittels einer Elektrolyse aus ei
nem flüssigen Zustand oder einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand liefern.
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