DE60013255T2

DE60013255T2 - Mikrofluidisches Anschlussstück

Info

Publication number: DE60013255T2
Application number: DE60013255T
Authority: DE
Inventors: L. Richard VICTOR; H. Jeffrey STOKES
Original assignee: PerSeptive Biosystems Inc
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: WO2000052376A1; JP2002538397A; EP1155254A1; DE60013255D1; US6319476B1; EP1155254B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Fluidkonnektoren. Genauer gesagt, betrifft sie Fluidkonnektoren, die zur Verbindung von Fluidleitungen mit mikrofluidischen Vorrichtungen verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Vorrichtungen zur Durchführung chemischer Analysen sind in den letzten Jahren miniaturisiert worden. So erfolgte z.B. die Konstruktion mikrofluidischer Vorrichtungen unter Verwendung von mikroelektronischer Fertigung und Mikromaschinen-Techniken auf ebenen Trägermaterialen wie etwa Glas oder Silikon, die eine Reihe miteinander verbundener Kanäle oder Leitungen beinhalten, um eine Vielzahl chemischer Analysen wie etwa Kapillarelektrophorese (CE) und Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) durchzuführen. Andere Anwendungen für mikrofluidische Vorrichtungen umfassen die Diagnostik unter Einbeziehung von Biomolekülen und andere analytische Techniken wie etwa Mikrototalanalyse-Systeme (μ TAS). Derartige Vorrichtungen, in der Technik oft als „Mikrochips" bezeichnet, können auch aus Plastik hergestellt sein, wobei die Kanäle durch Ätzen, maschinelle Bearbeitung oder Spritzguss in die jeweiligen Trägermaterialien eingebracht werden können. Es können mehrere Trägermaterialien in geeigneter Weise angeordnet und in Lagen geschichtet werden, um einen Mikrochip der gewünschten Funktion und Geometrie zu konstruieren. In allen Fällen liegen die Kanäle, die zur Durchführung der Analysen verwendet werden, typischerweise im Größenbereich von Kapillaren.
Um die technischen Fortschritte, die durch die Verwendung mikrofluidischer Vorrichtungen geboten werden, voll auszunutzen, und um den Grad der Sensitivität analytischer Techniken aufrecht zu erhalten, wenn kleine Volumina, z.B. Mikroliter oder weniger, verarbeitet werden, sind Konnektoren, die Fluide, d.h. Flüssigkeiten und Gase, in die Vorrichtung einleiten und/oder diese aus der Vorrichtung abziehen, ebenso wie der Verbindung dienende mikrofluidische Vorrichtungen, ein zentraler Bestandteil bei Anwendung und Arbeitsgebrauch der mikrofluidischen Vorrichtung.
Die Patentanmeldung WO 98/33001 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Konnektors für die Anwendung in einem miniaturisierten System, wobei diese Fertigung auf einem zweistufigen Ätzverfahren basiert.
Eine gängige, früher verwendete Technik beinhaltet die Anbindung einer Rohrleitungslänge an eine Öffnung an der mikrofluidischen Vorrichtung mittels Epoxy-Kleber oder anderer geeigneter Klebstoffe. Eine Anfügung durch Ankleben ist ungeeignet für viele chemische Analyse-Anwendungen, da die verwendeten Lösungsmittel den Klebstoff angreifen, was zu einer Verstopfung des Kanals, einer Ablösung des Röhrchens und/oder zu einer Kontamination der Probe und/oder der Reagenzien, die sich in der Vorrichtung befinden oder in diese eingeleitet werden, führen kann. Darüber hinaus resultiert eine Anbindung durch Kleben in einer dauerhaften Befestigung des Röhrchens an die mikrofluidische Vorrichtung, was es schwierig macht, nötigenfalls Komponenten, d.h. entweder die mikrofluidische Vorrichtung oder das Röhrchen, auszutauschen. Somit werden Zusammenbau, Reparatur und Erhalt solcher Vorrichtungen arbeits- und zeitintensiv, eine besonders, ungünstige Eigenschaft, wenn die mikrofluidische Vorrichtung für „High-Throughput-Screens" von Proben, wie etwa bei der Auffindung von Arzneimitteln, verwendet wird.
Um Probleme im Zusammenhang mit Klebebefestigung zu vermeiden, sind in der Vergangenheit andere Techniken vorgeschlagen worden, so etwa die Presspassung des Röhrchens in eine Öffnung an der mikrofluidischen Vorrichtung. Jedoch ist eine solche Verbindung typischer Weise ungeeignet für Hochdruck-Anwendungen wie etwa HPLC. Darüber hinaus erzeugt das Einpressen des Röhrchens in eine Öffnung eine hohe Stressbelastung bei der mikrofluidischen Vorrichtung, die zu Brüchen an den Kanälen und/oder an der Vorrichtung führen kann.
Andere Verfahren beinhalten die Einführung von Flüssigkeiten in eine geöffnete Aufnahmeöffnung an der mikrofluidischen Vorrichtung durch Anwendung eines äußeren Zufuhrsystems wie etwa einer Pipette. Jedoch ist auch diese Technik aufgrund der Möglichkeit undichter Stellen und des Auslaufens, die zu Kontamination führen kann, nicht vorteilhaft. Hinzu kommt, dass die Flüssigkeit eher in diskreten Einheiten als kontinuierlich zugeführt wird. Darüber hinaus erlaubt die Verwendung offener Pipettiertechniken nicht die Anwendung erhöhten Druckes für die Flüssigkeitszufuhr, wie etwa die Zufuhr über eine Pumpe, wodurch die Anwendungsmöglichkeit der mikrofluidischen Vorrichtung weiter eingeschränkt wird.
Die Patentanmeldung WO 98/37397 betrifft eine piezo-keramische, durch einen Auslöser angetriebene Mischvorrichtung, bei der eine piezo-keramische Scheibe zwischen zwei O-Ring-Dichtungen eingebettet ist, die sich wiederum zwischen zwei Gestellplatten befinden, um einen luftdichten Abschluss zwischen der piezo- keramischen Scheibe und einem Ende eines Kapillarröhrchens auszubilden, das in eine der Gestellplatten eingesetzt ist.
Es besteht daher der Bedarf für einen verbesserten mikrofluidischen Konnektor, der für alle Typen mikrofluidischer Vorrichtungen geeignet ist und eine wirksame Abdichtung bei hohem Druck und mit geringem Fluid-Totvolumen bereitstellt. Der Konnektor sollte außerdem die oben beschriebenen Nachteile und Begrenzungen einschließlich Problemen chemischer Kompatibilität, resultierend aus der Verwendung von Techniken der Klebebefestigung, überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fluidkonnektor, der eine mikrofluidische Vorrichtung, z.B. eine chemische Analysevorrichtung, mit einer Fluidleitung verbindet, die dazu verwendet wird, der mikrofluidischen Vorrichtung Flüssigkeiten und Gase zuzuführen und/oder diese aus der Vorrichtung zu entnehmen. Ein Fluidkonnektor der Erfindung stellt eine fluiddichte Abdichtung mit geringem Fluid-Totvolumen bereit, die dazu in der Lage ist, Hochdruckanwendungen, z.B. von etwa 21.000 kPa, 3000 Pfund pro Inch² (psi) oder mehr zu widerstehen.
Ein Fluidkonnektor der Erfindung beinhaltet ein Gehäuse, ein Spannelement, eine erste Belastungsfläche und ein Dichtungselement. Das Gehäuse besitzt eine sich durch das Gehäuse erstreckende Bohrung zur Aufnahme der Fluidleitung und Positionierung eines Endes einer Fluidleitung zur Verbindung mit einer Öffnung einer mikrofluidischen Vorrichtung. Das Gehäuse weist typischer Weise eine obere Platte und eine untere Platte auf. Die obere Platte weist oft eine Bohrung auf, die sich vollständig durch die obere Platte er streckt, wobei die untere Platte die an die Bohrung angrenzende mikrofluidische Vorrichtung trägt.
Das Spannelement ist abseits von dem Ende der Fluidleitung angeordnet, das mit der mikrofluidischen Vorrichtung in Verbindung steht. Bei Gebrauch übt das Spannelement direkt oder indirekt eine axiale Kraft auf die erste Belastungsfläche, z.B. eine Hülse oder einen Vorsprung an der Fluidleitung, aus, wobei die erste Belastungsfläche funktionell mit der Fluidleitung zwischen dem Spannelement und dem Ende der Fluidleitung gekoppelt ist. Das Spannelement kann eine Spannschraube oder ein anderes, ähnliches Mittel sein. Das Spannelement kann auch eine Oberfläche an der oberen Platte des Gehäuses sein, so dass, wenn die obere Platte und die untere Platte verbunden werden, eine axiale Kraft auf die erste Belastungsfläche ausgeübt wird und dadurch die Fluidleitung in Richtung einer Öffnung an der mikrofluidischen Vorrichtung gedrückt wird.
Das Dichtungselement ist zwischen dem Ende der Fluidleitung und dem Oberflächenbereich um die Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung eingesetzt. Wenigstens der Teil des Dichtungselements, der an die Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung angrenzt, ist aus einem verformbaren Material hergestellt, wodurch ein verformbarer Bereich des Dichtungselements definiert wird. In dieser Hinsicht steht der verformbare Bereich des Dichtungselements auch in Kontakt mit dem Ende der Fluidleitung, das mit der mikrofluidischen Vorrichtung verbunden wird. Eine erste Bohrung des Dichtungselements erstreckt sich durch das Dichtungselement, was eine Fluid-Verbindung zwischen der Fluidleitung und der Öffnung an der mikrofluidischen Vorrichtung erlaubt.
In seiner einfachsten Form ist das Dichtungselement ein Dichtungsring oder eine flache elastische Dichtungsscheibe. Jedoch sind zusätzliche Strukturen und/oder Ausgestaltungen durch diese Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung erfasst oder sind begabten Fachleuten bekannt. So kann das Dichtungselement z.B. eine zweite Bohrung aufweisen. Die zweite Bohrung des Dichtungselements ist typischerweise so dimensioniert und geformt, dass sie zum Außendurchmesser der Fluidleitung passt, wodurch eine zweite Belastungsfläche ausgebildet und es der Leitung damit ermöglicht wird, in einer festen Position gegenüber der Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung gehalten zu werden. Das Dichtungselement besteht oft aus einem verformbaren Material wie etwa einem Elastomer oder Polymer. Bei der Verwendung dieses Typs von Dichtungselement drückt die auf die erste Belastungsfläche angewandte axiale Kraft das Ende der Fluidleitung gegen die zweite Belastungsfläche, während gleichzeitig der verformbare Bereich des Dichtungselements gegen den Oberflächenbereich gedrückt wird, der die Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung umgibt, um so eine fluiddichte Oberflächenabdichtung zu erzeugen.
Andere Strukturen, die in einem Fluidkonnektor der Erfindung vorliegen können, beinhalten ein elastisches Bauteil wie etwa eine Feder und/oder einen Ausrichtungsmechanismus. Das elastische Bauteil kann verwendet werden, um die fluiddichte Oberflächenabdichtung zu erleichtern und aufrecht zu erhalten, insbesondere, wenn der Fluidkonnektor einer Bandbreite von Temperaturen ausgesetzt ist. Der Ausrichtungsmechanismus erleichtert in praktischer Weise die Verbindung zwischen der Fluidleitung und der mikrofluidischen Vorrichtung, ohne dafür eine präzise manuelle Positionierung der Komponenten nötig zu machen. Der Ausrichtungsmechanismus erlaubt auch den Einsatz des Fluidkonnektors der Erfindung in automatisierten Techniken.
Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile, die für die Durchführung chemischer Analysen, die mikrofluidische Vorrichtungen verwenden, besonders wichtig sind. Beispielsweise stellt der Fluidkonnektor der Erfindung eine Abdichtung bereit, die sich im wesentlichen entlang der gesamten Stirnseite der Fluidleitung erstreckt, wodurch das Fluid-Totvolumen zwischen dem Ende der Fluidleitung und der Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung minimiert wird. Mit anderen Worten wird der Bereich des nicht weitergeleiteten Fluidvolumens extrem klein, was ein sauberes Durchspülen von Reagenzien und Probe während einer analytischen Anwendung sicherstellt, sodass die Auswirkungen von Verunreinigungen im Wesentlichen eliminiert werden. Zusätzlich stellt der Fluidkonnektor der Erfindung eine kostengünstige, hohen Druck tolerierende Abdichtung bereit, die leicht entnommen und wieder verwendet werden kann. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine sich selbst ausrichtende Verbindung bereit, die problemlos und mit hoher Passdichte an individuelle Mikrochip-Aufbauten angepasst werden kann.
Diese, ebenso wie andere Aspekte, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung in Zusammenschau mit den Zeichnungen erkennbar werden.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Fluidkonnektors der vorliegenden Erfindung, der mit einer mikrofluidischen Vorrichtung verbunden ist.
2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Dichtungselements ähnlich dem, das in der in 1 gezeigten Ausführungsform verwendet wird.
3 ist eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines Dichtungselements der Erfindung.
4 ist eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine obere Platte als Spannelement verwendet wird, um zwei Fluidkonnektoren mit einer Einlassröhre und einer Auslassröhre einer mikrofluidischen Vorrichtung zu verbinden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fluidkonnektor, der eine Fluidleitung mit einer mikrofluidischen Vorrichtung verbindet, wobei ein Dichtungselement verwendet wird, das eine fluiddichte Abdichtung bereit stellt, die dazu in der Lage ist, hohen Drücken zu widerstehen. Es versteht sich, dass sich die Diskussion und die hier vorliegenden Beispiele auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen. Jedoch gelten dieselben Prinzipien und Konzepte, die in dieser Schrift offenbart sind, in gleicher Weise für die Konstruktion und Verwendung anderer Fluidkonnektoren, die nicht explizit offenbart sind, jedoch innerhalb des Kenntnisbereichs eines begabten Fachmanns und im Geist und Schutzbereich dieser Erfindung liegen.
1 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel eines bevorzugten Fluidkonnektors 10, konstruiert in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welcher ein Gehäuse 11 aufweist, das aus der oberen Platte 12 und der unteren Platte 13 aufgebaut ist. Die obere Platte 12 und die untere Platte 13 werden durch den Gewindebolzen 15 zusammengehalten. Vorzugsweise bestehen die Platten aus einem geeigneten Polymermaterial wie etwa Acryl. Jedoch können die Platten auch aus Metall oder einem anderen, geeigneten Material hergestellt werden. Ein Bereich der unteren Platte 13 ist maschinell bear beitet, um die gekerbte Aussparung 16 zu bilden, in der die mikrofluidische Vorrichtung 17 positioniert und gehalten wird.
Die Gewindebohrung 18, die mit dem Gewindeschaft der Spannschraube 19 ineinander greift, erstreckt sich durch die obere Platte 12, um sich an der gekerbten Aussparung 16 zu öffnen. Die fluidtragende Röhre 20, d.h. eine Fluidleitung, ist durch eine axiale Bohrung in der Spannschraube 19 und die im Durchmesser größere Bohrung eines Dichtungselements, d.h. der Dichtungsmanschette 21 eingesetzt (siehe auch 2 für eine vergrößerte Darstellung des Dichtungselements 21). Die Fluidleitung kann aus einem beliebigen geeigneten Material, z.B. Polyetheretherketon (PEEK), hergestellt sein. Die Röhren-Stirnseite 20A der Röhre 20, d.h. die untere Fläche, die senkrecht zu der longitudinalen Fließachse der Röhre 20 ist, befindet sich innerhalb der Dichtungsmanschette 21 und ist dort gegen die Seitenkante 21A, d.h. eine zweite Belastungsfläche, gelagert. Die Dichtungsmanschette 21 kann aus Polyethylen mit ultrahochmolekularem Gewicht (UMWPE) oder einem anderen geeigneten verformbaren Material bestehen. Auch wenn nicht die gesamte Dichtungsmanschette aus verformbarem Material bestehen muss, so muss der Bereich, der die Fluidleitung und die Oberfläche der mikrofluidischen Vorrichtung um deren Öffnung herum kontaktiert, aus einem verformbarem Material bestehen, um eine saubere Abdichtung zu erzielen. Bezugnehmend auf 1, sind die Röhre 20 und die Dichtungsmanschette 21 über der Öffnung 27 an der mikrofluidischen Vorrichtung 17 zentriert.
Die Metallhülse 22 ist durch Tiefziehen an der Röhre 20 angebracht, wobei sich ihr spitz zulaufendes Ende 22A nahe der Röhren-Stirnseite 20A der Röhre 20 befindet und ihre Grundfläche 22B nahe der unteren Oberfläche der Spannschraube 19. Die Druckfeder 23 in Form einer Belleville-Unterlegscheibe ist zwischen Hülse 22 und Spannschraube 19 angeordnet und wird dort durch die Grundfläche 22B der Hülse 22 und die untere Fläche der Spannschraube 19 eingezwängt. Die durch Feder 23 erzeugte Kraft wird axial gegen die Grundfläche 22B der Hülse 22 ausgeübt, was die Röhren-Stirnseite 20A der Röhre 20 gegen die Seitenkante 21A der Dichtungsmanschette 21 drückt. Aufgrund der verformbaren Natur der Dichtungsmanschette 21 wird eine fluiddichte Oberflächenabdichtung zwischen der Röhren-Stirnseite 20A und der Seitenkante 21A ausgebildet, während die Basis 26 der Dichtungsmanschette 21 gleichzeitig eine fluiddichte Oberflächenabdichtung mit dem Oberflächenbereich ausbildet, der die Öffnung 27 an der mikrofluidischen Vorrichtung 17 umgibt. Die Wirkung dieser Anordnung besteht darin, eine fluiddichte Oberflächenabdichtung zwischen der Röhre 20 und der Öffnung 27 an der mikrofluidischen Vorrichtung 17 herzustellen.
Obwohl mikrofluidische Vorrichtungen, die zusammen mit der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, eine Vielzahl von Formen aufweisen können, so sind sie doch im allgemeinen durch den Besitz einer oder mehrerer Öffnungen für die Zuführung oder Entnahme von Fluiden in bzw. aus der Vorrichtung gekennzeichnet. Die Vorrichtung beinhaltet oft einen oder mehrere Kanäle in Fluidverbindung mit den Öffnungen, wobei diese Kanäle der Durchführung chemischer Analysen, dem Mischen von Fluiden oder der Abtrennung von Bestandteilen aus einem Gemisch dienen können. Die Kanäle liegen typischerweise im Größenbereich von Kapillaren mit einer Breite von etwa 5 bis 500 Mikrometern (μm) und einer Tiefe von etwa 0,1 bis 1000 μm. Die Kapillarkanäle können in der Oberfläche eines geeigneten Trägermaterials geformt oder in diese geätzt werden; sie können dann umschlossen werden, indem ein weiteres Trägermaterial über der geätzten oder geprägten Seite des ersten Trägermaterials befestigt wird, um eine mikrofluidische Vorrichtung herzustellen. Die Breite und Tiefe der durch Mikroproduktion erzeugten Kanäle kann ange passt werden, um bestimmte Anwendungen zu erleichtern, z.B. das Mischen von Lösung, die Vermehrung von Zwischenkanälen, thermische Isolation und dergleichen. Bei einer Ausführungsform wird die mikrofluidische Vorrichtung aus „Fused Silica", wie etwa Quarzglas, hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen kann die mikrofluidische Vorrichtung aus Silizium oder Plastik hergestellt werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stellt die Herstellung einer verlässlichen, fluiddichten Oberflächenabdichtung zwischen der fluidtragenden Röhre und der zugehörigen Öffnung einer mikrofluidischen Vorrichtung sicher, dass der Bereich des Fluid-Totvolumens, d.h. der Bereich, der während des Durchspülens frei von Flüssigkeit bleibt, minimiert wird.
2 zeigt die Einzelheiten eines bevorzugten Dichtungselements der vorliegenden Erfindung. Die Dichtungsmanschette 21 beinhaltet eine zweite Bohrung 30 mit einem Durchmesser, der zum Außendurchmesser der Röhre 20 passt. Wie dargestellt, kontaktiert die Röhren-Stirnseite 20A der Röhre 20 die Seitenkante 21A in der Dichtungsmanschette 21 praktisch entlang des gesamten radialen Umfangs der Stirnseite 20A. Die Seitenkante 21A endet an der ersten Bohrung 32, die einen kleineren Durchmesser als die zweite Bohrung 30 aufweist. Wieder auf 1 bezugnehmend, erstreckt sich die erste Bohrung 32 durch den Rest der Dichtungsmanschette 21, um mit der Öffnung 27 der mikrofluidischen Vorrichtung 17 in Verbindung zu treten.
Wie in 2 zu sehen, weist die Abdichtungsregion, die von der Dichtungsmanschette 21 zwischen der Röhren-Stirnseite 20A und der Seitenkante 21A bereitgestellt wird, ein Fluid-Totvolumen von nahezu null auf. Obwohl eine bevorzugte Anordnung von im Hinblick auf Kompatibilität dimensionierten Bauteilen dargestellt ist, versteht es sich, dass die Röhren-Stirnseite 20A und die Seitenkante 21A sich nicht exakt überschneiden müssen, um eine hinreichende Abdichtung mit minimalem Fluid-Totvolumen herzustellen. Da das Fluid-Totvolumen, das mit der Oberflächenabdichtung der vorliegenden Erfindung verbunden ist, signifikant kleiner ist als das bei Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, wird die Möglichkeit einer wechselseitigen Kontamination zwischen verschiedenen Proben bei der Analyse im wesentlichen aufgehoben. Ebenso wird das Wachstum von Bakterien oder anderen, ähnlichen Kontaminationen, gehemmt. Somit können mikrofluidische Vorrichtungen, die die Fluidkonnektoren der vorliegenden Erfindung nutzen, wiederholt verwendet werden und sind nicht anfällig gegenüber aus Kontamination resultierenden Fehlern.
Wiederum bezugnehmend auf 1, wird die mikrofluidische Vorrichtung 17 bei Gebrauch in die Aussparung 16 eingesetzt und darin gehalten. Eine exakte Ausrichtung der Röhre 20 und der mikrofluidischen Vorrichtung 17 zueinander kann durch Verwendung eines Ausrichtungsmechanismus erreicht werden. Beispielsweise sind die Ausrichtungsbohrungen 34 und 36 für die Haltestifte 34A und 36A vorgesehen, die in entsprechende Öffnungen in Vorrichtung 17 eingreifen und es dadurch ermöglichen, die Röhre 20 auf die Öffnung 27 auszurichten. Die Röhre 20, die mit der mikrofluidischen Vorrichtung 17 verbunden werden soll, befindet sich in der Dichtungsmanschette 21 und wird über die axiale Bohrung der Spannschraube 19 eingesetzt. Das Drehen der Spannschraube 19 erzeugt eine Kraft, die ausreichend ist, ein elastisches Bauteil, d.h. die Feder 23, zu komprimieren. Die mechanische Ausgestaltung der Schraube 19 und der Feder 23 stellt eine auf die Oberfläche der Basis 22B von Hülse 22 einwirkende Kraft bereit, die hinreichend ist, um, wie oben im Detail beschrieben, eine Oberflächenabdichtung zu erzeugen, die hohem Druck widerstehen kann. Es wurde ein Fluidkonnektor der Erfindung mit mikrofluidischen Vorrichtungen verbunden und erfolgreich bei Drücken im Bereich von etwa 5 psi bis etwa 3.000 psi betrieben.
3 zeigt ein Beispiel eines alternativen Dichtungselements 40 der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel beinhaltet das leere Aufnahmeelement 41, das aus PEEK besteht, eine sich nach innen erstreckende Schulter 42. Der Dichtungsring 44 ruht innerhalb des Aufnahmeelements 41 an Schulter 42 gelagert. Die Buchse 43 ist so dimensioniert, dass sie eng an dem äußeren Durchmesser der Röhre 20 anliegt, um das Festklemmen des Dichtungsringes 44 innerhalb des Aufnahmeelements 41 zu unterstützen. Wenn eine axiale Kraft über die Kombination aus Spannschraube 19 und Feder 23 angewandt wird, um die Verbindung abzudichten, so ist der Abdichtungsring 44 hinreichend elastisch, um, wie in der Zeichnung dargestellt, verformt zu werden, und den Flächenbereich um Öffnung 27 abzudichten.
Der Dichtungsring kann aus Fluorpolymeren wie etwa Ethylentetrafluorethylenharzen (ETFE), Perfluoralkoxyfluorethylenharzen (PFA), Polytetrafluorethylenharz (PTFE) und fluorierten Ethylenpropylenharzen (FEP) bestehen. Alternativ kann der Dichtungsring aus einem Elastomer oder einem anderen geeigneten, verformbaren Material bestehen. Ähnlich zu dem in 2 dargestellten Dichtungselement sorgt die von Dichtungselement 40 erzeugte Abdichtung für ein geringes Fluid-Totvolumen und ist dazu befähigt, hohen Drücken zu widerstehen.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, um wenigstens zwei Konnektoren mit einer mikrofluidischen Vorrichtung zu verbinden. Da wo es passend ist, sind einander entsprechende Elemente durch dieselben Referenznummern wie in 1 gekenn zeichnet. Bei dieser Ausführungsform, wird die axiale Kraft zur Ausbildung einer Abdichtung durch das Zusammenfügen der oberen Platte 60 mit der unteren Platte 62 erzeugt. Die mikrofluidische Vorrichtung 17 ruht auf der unteren Platte 62. Wenn die obere Platte 60 durch die Gewindeschrauben 63 und 64 mit der unteren Platte 62 verbunden wird, so wirkt die Schulter 65 auf ein elastisches Element, d.h. Druckfeder 23, um die axiale Kraft bereitzustellen, die notwendig ist, um eine fluiddichte Oberflächenabdichtung in dem Oberflächenbereich, der Öffnung 27 umgibt, zu erzeugen. Bei einem passend dimensionierten Fluidkonnektor kann ein elastisches Bauteil verzichtbar sein, um eine hinreichende axiale Kraft bereitzustellen, um eine Abdichtung gemäß der Erfindung herzustellen. Das bedeutet, dass Schulter 65 die Hülse 22, d.h. die erste Belastungsfläche, direkt kontaktieren kann, um die benötigte axiale Kraft zu erzeugen. Jedoch hilft ein zwischen dem Spannelement und der ersten Belastungsfläche positioniertes elastisches Bauteil dabei, eine dauerhafte fluiddichte Abdichtung aufrecht zu erhalten, insbesondere, wenn der Fluidkonnektor einer Bandbreite von Temperaturen ausgesetzt ist.
Wieder auf 4 bezugnehmend, ist die fluidtragende Leitung 66 ein Fluideinlass für den mikrofluidischen Kanal 67 und die fluidtragende Leitung 68 ist ein Fluidauslass. Der mikrofluidische Kanal 67 kann ein elektrophoretischer Trennkanal oder eine Flüssigchromatographie-Säule sein. Zusätzlich können andere geeignete Elemente, z.B. Elektroden, Pumpen und dergleichen, vorhanden sein, um die gewünschte Anwendung zu realisieren, z.B. eine elektrophoretische Migration und/oder Auftrennung oder eine chromatographische Auftrennung. Obgleich zwei Fluidkonnektoren dargestellt sind, ist es selbstverständlich, dass eine beliebige Zahl von Fluidkonnektoren verwendet werden kann.
Andere Modifikationen sind möglich, ohne sich vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Beispielsweise kann die erste Belastungsfläche, auf die die axiale Kraft wirkt, anstelle eines separaten Elements, wie etwa der Hülse 22, ein sich lateral ausdehnender Fortsatz sein, der an der Röhre ausgebildet ist. Weiterhin können bei geringfügigen Modifikationen bezüglich der Konstruktion und Spannung bzw. Verbindung der Platten 12 und 13, die Fachleuten bekannt sind, andere elastische Elemente verwendet werden, so etwa eine Konsole oder eine Blattfeder.
Daher sind zusätzliche Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bei Berücksichtigung der vorstehenden Offenbarung ersichtlich. Dem entsprechend wird der Schutzbereich der Erfindung nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche begrenzt.

Claims

Fluidkonnektor (10) zur Verbindung einer Fluidleitung (20) mit einer Öffnung einer mikrofluidischen Vorrichtung (17), der umfasst: ein Gehäuse (11), das eine sich durch das Gehäuse erstreckende Bohrung (18) zur Aufnahme der Fluidleitung (20) und Positionierung eines ersten Endes (20A) der Fluidleitung (20) aufweist, um eine Fluidverbindung zwischen der Fluidleitung (20) und der mikrofluidischen Vorrichtung (17) zu ermöglichen; ein abseits von dem ersten Ende (20A) der Fluidleitung (24) angeordnetes Spannelement (19), um auf die Fluidleitung (20) eine axiale Kraft auszuüben; eine mit der Fluidleitung (24) funktionell in Verbindung stehende erste Belastungsfläche (22B) zwischen dem Spannelement (19) und dem ersten Ende (20A) der Fluidleitung (24) zur Aufnahme der axialen Kraft von dem Spannelement (19) und Übertragung der axialen Kraft auf das erste Ende (20A) der Fluidleitung; und ein Dichtungselement (21), das sich zwischen dem ersten Ende (20A) der Fluidleitung (20) und dem Bereich um die Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung (17) befindet, wobei das Dichtungselement (21) eine erste Bohrung (32) aufweist und einen verformbaren Bereich umfasst, wobei das Dichtungselement (21) geeignet ist, die axiale Kraft von dem ersten Ende (20A) der Fluidleitung (20) aufzunehmen, wenn sie mit dem verformbaren Bereich des Dichtungselements (21) in Kontakt ist, und die axiale Kraft auf den Oberflächenbereich um die Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung (17) zu übertragen, wodurch der verformbare Bereich des Dichtungselements (21) mit diesem Oberflächenbereich in Kontakt kommt und eine fluiddichte Abdichtung bewirkt, wobei zwischen dem ersten Ende (20A) der Fluidleitung (20) und der Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung (17) ein möglichst geringes Totvolumen gebildet wird.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei die mikrofluidische Vorrichtung (17) ein mikrofluidischer Chip ist, der Fused Silica enthält.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei die mikrofluidische Vorrichtung (17) ein mikrofluidischer Chip ist, der Silicium enthält.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei die mikrofluidische Vorrichtung (17) ein mikrofluidischer Chip ist, der Kunststoff enthält.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei das Dichtungselement (21) auch eine zweite Bohrung (30) aufweist, die mit der ersten Bohrung in Fluidverbindung steht, wobei die zweite Bohrung (30) zur Aufnahme der Fluidleitung (20) einen größeren Durchmesser als die erste Bohrung (32) aufweist, wodurch eine zweite Belastungsfläche (21A) gebildet wird, wobei der verformbare Bereich des Dichtungselements (21) die zweite Belastungsfläche (21A) aufweist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 5, wobei das Dichtungselement (21) aus Polyethylen mit ultrahoher Molmasse besteht.
Fluidkonnektor nach Anspruch 5, wobei das Dichtungselement aus einem Elastomer hergestellt ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 5, wobei das Dichtungselement aus einem Fluorpolymer hergestellt ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 8, wobei das Fluorpolymer unter Ethylentetrafluorethylenharzen, Perfluoralkoxyfluorethylenharzen, Polytetrafluorethylenharzen und fluorierten Ethylenpropylenharzen ausgewählt ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei das Spannelement eine Spannschraube (19) umfasst, die die Fluidleitung (20) umgibt, und die Bohrung (18) des Gehäuses (11) mit einem Gewinde zur Aufnahme der Spannschraube (19) versehen ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei die erste Belastungsfläche eine Oberfläche einer Hülse (22) ist, die mit der Fluidleitung in Eingriff steht.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei die erste Belastungsfläche ein Vorsprung ist, der an einer Außenfläche der Fluidleitung ausgebildet ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, der außerdem ein elastisches Bauteil aufweist, das sich zwischen dem Spannelement (19) und der ersten Belastungsfläche (22B) befindet.
Fluidkonnektor nach Anspruch 13, wobei das elastische Element eine Feder (23) ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 14, wobei die Feder eine Druckfeder ist.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (11) eine obere Platte (60) und eine untere Platte (62) umfasst, wobei die obere Platte (60) die Bohrung zur Aufnahme der Fluidleitung (66) aufweist, und wobei zur Befestigung der Fluidleitung abseits von dem ersten Ende der Fluidleitung die obere und untere Platte (60, 62) so ausgelegt sind, dass die axiale Kraft auf das erste Ende der Fluidleitung (68) übertragen wird, wenn sie verbunden werden, wodurch das erste Ende der Fluidleitung (68) mit dem verformbaren Bereich des Dichtungselements (21) in Kontakt kommt.
Fluidkonnektor nach Anspruch 16, der außerdem ein elastisches Bauteil (23) aufweist, das sich zwischen der ersten Belastungsfläche (22B) und der oberen Platte (60) befindet.
Fluidkonnektor nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (11) eine obere Platte (12) und eine untere Platte (13) umfasst, wobei die obere Platte (12) des Gehäuses (11) die Bohrung (18) zur Aufnahme der Fluidleitung (20) aufweist und die untere Platte (13) des Gehäuses (11) die mikrofluidische Vorrichtung (17) trägt.
Fluidkonnektor nach Anspruch 18, der außerdem einen Ausrichtmechanismus umfasst, um die erste Bohrung des Dichtungselements mit der Öffnung der mikrofluidischen Vorrichtung (17) in eine Linie zu bringen.
Fluidkonnektor nach Anspruch 19, wobei der Ausrichtmechanismus eine Bohrung (34) in der oberen Platte und einen Stift (34A) auf der mikrofluidischen Vorrichtung umfasst, die miteinander in Eingriff kommen sollen.