EP3268130B1 - Fluidikstruktur - Google Patents

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EP3268130B1
EP3268130B1 EP16722046.6A EP16722046A EP3268130B1 EP 3268130 B1 EP3268130 B1 EP 3268130B1 EP 16722046 A EP16722046 A EP 16722046A EP 3268130 B1 EP3268130 B1 EP 3268130B1
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EP
European Patent Office
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flow direction
fluid
fluid line
channel
section
Prior art date
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Application number
EP16722046.6A
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English (en)
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EP3268130A1 (de
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Daniel Latta
Tobias SCHUNCK
Michael Bassler
Peter Spang
Markus Holzki
Achim BREITRUCK
Ralf Himmelreich
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3268130B1 publication Critical patent/EP3268130B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502746—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means for controlling flow resistance, e.g. flow controllers, baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
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    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0673—Handling of plugs of fluid surrounded by immiscible fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0406—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces capillary forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084—Passive control of flow resistance
    • B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions

Definitions

  • the generic fluidic structures in particular microfluidic structures, are used to handle sometimes very small amounts of liquid in the range from a few ml to the ⁇ l range.
  • the fluid lines in such structures have lateral dimensions in the range of a few mm and below. Liquids are handled in such a fluidic structure in the flow system, i.e. conveyed through the fluid lines by generating a pressure difference (overpressure and / or underpressure).
  • a pressure difference overpressure and / or underpressure
  • control or operator devices are used for this, which are connected to the microfluidic chip or in which the microfluidic chip is inserted.
  • the US 2011/0100476 A1 discloses a microfluidic structure with a valve formed from a fusible structure within a fluid channel.
  • the meltable structure is used to permanently close the fluid channel in the event of an external energy supply.
  • a valve of a microfluidic system which comprises a fluid channel with an obstacle.
  • the obstacle is formed from an intelligent polymer, which experiences a change in volume when supplied with external energy and thus changes the flow of fluid through the channel.
  • the US 2013/0167958 A1 deals with microfluidic structures in fluidic logic circuits.
  • the microfluidic structures include, among other things, branch circuits for controlling gas or liquid bubbles in a carrier medium.
  • the font US 2012/0103103427 A1 deals with a microfluidic structure with a fluid channel which successively forms further and narrower sections in the direction of flow. Two fluids flowing through the fluid channel in parallel are optionally focused, mixed or guided in separate paths in the structure.
  • the font US 2007/0286774 A1 deals with a microfluidic device with a fluid channel which is formed in a substrate and covered with a film. At least 2 sections are formed in the channel, into which a liquid flows due to a capillary effect. The two sections are spaced apart so that the capillary flow between them is interrupted. Such a structure is intended to better control the capillary flow within the channel overall.
  • fluid line structures which have at least two fluid feed lines and an outlet which meet in the area of a T-junction. It is difficult here to ensure that liquid columns of limited volumes, also called “liquid plugs", arrive at the T-junction from the two feed lines at the same time for the purpose of unification.
  • gas buffers can be enclosed between the liquid columns, which always separate the liquid columns from one another within the fluid lines.
  • a separation of the liquid columns by air inclusions for example, a complete mixing of Liquids are prevented or the functionality of sensory devices is impaired.
  • the basic aim is to restrict the control or regulation to a necessary minimum.
  • elaborate precautions on the microfluidic chips, such as moving valve parts, are to be avoided because it is precisely here that the lowest possible manufacturing costs are ensured.
  • the microfluidic structure described therein comprises a fluid line which widens at a point lateral to the direction of flow to form a fluid chamber.
  • the expansion and surface of the fluid chamber are such that a first volume of liquid passed through the fluid chamber is distributed over the entire cross section of the fluid chamber.
  • another feed line opens into a holding position in the fluid chamber, which is designed in such a way that a second liquid volume transported there remains in the area of the holding position until it is absorbed by the first liquid volume passed through and both liquid volumes are conveyed out of the fluid chamber together.
  • this structure provides an alternative, passive fluid control which makes complex valve switching and / or other active fluid control unnecessary.
  • a very similar fluidic structure is from the article " Droplet-based microfluidic sensing system for rapid fish freshness determination ", by D. Itoh et al., Sensors and Actuators B 171-172 (2012), pages 619-626 known.
  • the microfluidic structure described there comprises only one supply line and one discharge line for handling two or more separately supplied liquid columns (plugs). These are also fed to a laterally widened fluid chamber, separated from one another by the supply line and by gas bubbles, the volume of which is in any case greater than the volume of the first incoming column of liquid.
  • the fluid chamber is designed in such a way that the liquid only wets one of the opposite side walls. This releases a bypass through which the gas can escape from the gas buffer between the liquid columns.
  • the second liquid column catches up with the first liquid still adhering to the side wall and is conveyed out of the fluid chamber together with it.
  • this requires as a further condition that the total volume of the two liquids is sufficient to wet both walls of the expanded union chamber.
  • a microfluidic device for measuring a certain amount of liquid which has a microfluidic channel with at least one cross-section-narrowing obstacle and at least one side channel with an inlet and an outlet, the side channel being connected to the microfluidic channel in such a way that its outlet meets the obstacle , and wherein the cavity of the inlet and outlet of the side channel is less than the cavity of the side channel at a location between the inlet and the outlet.
  • a microfluidic switch with a first channel and a second channel is known, the first channel and the second channel opening into a common end region and the first channel having a taper at the transition to the end region, at which a fluid flowing in through the channel is stopped.
  • the second channel fills with the fluid until this channel is completely filled with fluid up to the common end area and the fluid is then conveyed further through the first channel and the second channel with a time delay.
  • the object of the present invention is accordingly to create a simple fluidic structure which is suitable for reliably combining liquids which are supplied at a distance from one another by a buffer medium and which wet the walls of the fluid line either more or less than the buffer medium.
  • the object is achieved by a fluidic structure with the features of claim 1, a microfluidic chip with the features of claim 10 and a system with the features of claim 13.
  • the fluid line of the fluidic structure mentioned at the outset has a holding section which is extended in the flow direction and free of further inlet and outlet lines, in which the fluid line has a narrow area with a volume V e and, based on the flow direction, laterally adjacent a wide area with a volume V w , the narrow area in at least one first direction perpendicular to the flow direction (first lateral direction) having a smaller wall distance h e than the minimum wall distance h w of the wide area.
  • the fluid line has an outlet section upstream of the one inlet section in the flow direction and downstream of the holding section in the flow direction, the inlet section and the outlet section being stepless in the first direction merge into the narrow area of the holding section or into the wide area of the holding section.
  • the object is also achieved by a microfluidic chip of the type mentioned at the outset, in which the fluid line is designed in the form of a channel in the substrate and closed by the cover, the channel in the holding section being divided into the narrow and the wide area.
  • the wide area particularly preferably has a greater channel depth than the narrow area. This configuration is particularly simple and can therefore be produced inexpensively.
  • the first lateral direction is preferably perpendicular to a channel base opposite the cover, ie the wall distance h e of the narrow area is determined by the channel depth.
  • the holding section is therefore generally divided longitudinally into two fluidically connected areas lying next to each other transversely to the flow direction (laterally), one of which is narrower in at least one spatial direction perpendicular to the flow direction, namely the first lateral direction, than the other in any spatial direction.
  • This configuration ensures that a first liquid which wets the walls of the fluid line less or more strongly than the buffer medium surrounding this liquid and the holding section is securely held there in both cases due to capillary forces.
  • lateral is also used herein for the information “transverse to the direction of flow” or “perpendicular to the direction of flow”.
  • the term “in the direction of flow” is also circumscribed as “longitudinally" or "in the longitudinal direction”.
  • the holding section has only one feed line and one discharge line in the form of the fluid line itself. Two or more columns of liquid are fed to the holding section, separated by one or more buffer media, through the same feed line and successively Association in the holding section is removed together from the holding section by the same derivative.
  • a second condition is accordingly, very similar to the fluid chamber in the above-mentioned article, that the holding area is sufficient to completely accommodate the expected volume V FI1 of the first liquid arriving there.
  • the volume V FI1 of the first liquid is smaller than the volume of the holding area.
  • the "holding area” is either only the narrow or the wide area of the holding section, depending on where the liquid is located depending on its wetting behavior.
  • the volume of the holding area can accordingly be the volume V e of the narrow area of the holding section when the first liquid wets the walls of the fluid line more strongly than the surrounding buffer medium. Then the following must apply: V FI1 ⁇ V e .
  • the volume of the holding area can, however, also be the volume V w of the wide area of the holding section if the first liquid wets the walls of the fluid line less than the surrounding buffer medium. Accordingly, the following must apply: V FI1 ⁇ V w . Only under these conditions does the first liquid release the beginning and the end of the laterally adjoining area of the holding section, so that a bypass line is released through this for a buffer medium enclosed between the first liquid and a subsequent second liquid.
  • a third condition is again very similar to the known solution that the expected total volume of the two or more combined liquids V Fl1 + V Fl2 is sufficient to close one end of the holding section with liquid.
  • the total volume of the combined liquids V Fl1 + V Fl2 is greater than the volume of the holding area.
  • V e the volume of the narrow area of the holding section
  • V w the volume of the wide area of the holding section
  • V Fl1 + V Fl2 the volume “V Fl2 ” here represents the volume of a second liquid or several second liquids. In this way, a total of two, three or more liquids separated by buffer media can be combined in the holding area and then the entire combined liquid volume can be automatically conveyed out of the holding area of the fluid line under continued delivery pressure.
  • a fluidic structure with a fluid line which defines a flow direction and a cross-section that is delimited on all sides by walls perpendicular to the flow direction and has a holding section which is extended in the flow direction and free of further supply and discharge lines, in which the fluid line has a narrow area a volume V e and, based on the flow direction, laterally adjoining a wide area with a volume V w , the narrow area in at least one first direction perpendicular to the flow direction having a smaller wall distance h e than the minimum wall distance h w of the wide area , optionally, depending on the wetting behavior, in a step a) a first liquid with the volume V FI1 is transported through the fluid line into the holding section and there due to capillary forces in the narrow area, and then in a step b) at least one previously through a Buffer medium from the first Liquid-separated second liquid with the volume V FI
  • the liquids are more strongly wetting liquids means that the liquid surface forms a contact angle to the surface of the channel of ⁇ 90 °, preferably ⁇ 75 ° and particularly preferably ⁇ 45 °. Conversely, the liquids are called less wetting liquids if the liquid surface forms a contact angle to the surface of the channel of> 90 °, preferably> 105 ° and particularly preferably> 135 °.
  • a “liquid surface” the interface of the first and second liquids to the adjacent buffer medium is referred to. In the case of an interface with a gaseous buffer medium, one would simply speak of wetting or non-wetting first and second liquids.
  • a medium that is insoluble in the first and in the second liquid is generally referred to as a buffer medium. This can be a gas, such as air, or a liquid, such as an oil-based liquid if the first and the second liquids are water-based, or conversely a water-based liquid if the first and the second liquids are oil-based.
  • Application examples include reaction mixtures for molecular-biological reactions in which, in aqueous liquid volumes, nucleic acids are supplied as the first liquid and enzymes as the second liquid to the fluidic structure according to the invention and are combined therein according to the method in order to enable a reaction.
  • Mineral oils, silicone oils, fluorinated oils, or organic polymers e.g. "Novec 7500” (hydrofluoroether (C7F150C2H5)
  • Novec 7500 hydrofluoroether (C7F150C2H5)
  • a lateral transition between the narrow area and the wide area is preferably designed in the form of a shoulder extended in the direction of flow.
  • One or more of such shoulders can rise from one or more walls delimiting the fluid line.
  • the narrow area is preferably formed in each case between a plateau of the shoulder and an opposing wall section, the first lateral direction being perpendicular to the plateau.
  • the shoulder can have sharp or rounded or beveled edges.
  • the channel base in the inlet section and in the outlet section merges continuously into the channel base of the narrow area or into the channel base of the wide area.
  • the channel bottom of the narrow area preferably forms the above-mentioned plateau.
  • Stepless comprises, on the one hand, a transition from the inlet section to the narrow or wide area of the holding section and from there to the outlet section without any change in cross section in the first lateral direction.
  • this is achieved, for example, in that the inlet section and the outlet section each have a wall distance h in and h out in the first direction perpendicular to the flow direction, which is equal to the minimum wall distance h e of the narrow area.
  • the dimension of the fluid line does not change in the first lateral direction when it flows through the narrow area in the holding section.
  • the wide area of the holding section forms an expansion of the cross section of the fluid line in the first lateral direction.
  • stepless also includes a continuous transition between the sections. “Continuous” denotes a continuous, non-abrupt change in cross-section.
  • the inlet section accordingly has a wall spacing h in > h e in the first lateral direction, the fluid line having a first transition section in the flow direction after the inlet section and in front of the holding section, in which the lateral wall spacing in the flow direction is from h in on h e steadily tapered.
  • the outlet section has a wall distance h out > h e in the first lateral direction
  • the fluid line in the flow direction has a second transition section behind the holding section and in front of the outlet section, in which the lateral wall distance widens steadily in the direction of flow from h e to h out.
  • the channel cross-section of the fluid line tapers in the first lateral direction on the inlet side towards the holding section to the wall distance of the narrow area and widens again in a corresponding manner on the outlet side.
  • the narrow area thus forms a narrowing of the line cross-section.
  • an advantageous embodiment of the invention provides that the fluid line in the holding section in a second direction perpendicular to the flow direction (second lateral direction) opposite the inlet section and the outlet section is expanded laterally.
  • a second advantage of the expansion is that larger volumes of liquid can be handled without the space requirement of the structure on the microfluidic chip increasing too much. In contrast, a correspondingly lengthened channel would require more space even if it meanders.
  • the fluid line can be widened on the side of the narrow area, on the side of the wide area or on both sides in the second lateral direction.
  • the wide area is arranged offset in the second direction perpendicular to the flow direction relative to the inlet section and / or relative to the outlet section.
  • This refinement has the advantage that the flow of the fluids is deflected less strongly or not at all when passing the narrow area in the holding section, so that the risk of turbulence is reduced.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the fluid line has at least one stop structure in the direction of flow in front of and / or behind the holding section.
  • the at least one stop structure is preferably designed in the form of a shoulder interrupting the course of at least one of the walls of the fluid line.
  • Paragraphs in this sense form, for example, one or more hollow shapes in the at least one wall of the fluid line or one or more projections along the at least one wall of the fluid line, or both.
  • the hollow shape can be formed, for example, by a laterally extending channel or an indentation.
  • a multiplicity of projections can form a comb-like structure, for example.
  • Figure 1a a plan view of a first example not belonging to the invention is shown.
  • Figure 1b shows a longitudinal section and Figure 1c a cross-section at each of the in Figure 1a marked positions.
  • a substrate 10 of a schematically greatly simplified microfluidic chip in which only one fluid line 12 is formed in the form of a channel.
  • a fluid not shown, flows through the fluid line 12, operated by pressure, in the direction indicated by the arrow 13, also referred to as the flow or longitudinal direction.
  • the fluid line or the channel have a cross section that is delimited on all sides by walls transversely to the direction of flow. This is limited in a first direction perpendicular to the flow direction by a channel base 14 and the one cover (not shown) at the position 16 opposite the channel base.
  • microfluidic chips usually have several fluid lines and functional elements such as reaction chambers, mixer structures, valves or the like. Furthermore, the channel is closed on its open top by means of a film laminated to the substrate, precisely that cover. In the Figures 1a to 1c The cover is not shown for the sake of simplicity.
  • the channel 14 is functionally divided in the flow direction into an inlet section 18, downstream a holding section 20 and further downstream an outlet section 22.
  • the holding section 20 is in turn subdivided laterally, that is to say transversely to the direction of flow, into a narrow area 24 and a wide area 26 adjacent to it laterally.
  • the fluid line has a wall distance h e in a first lateral direction between the channel base 14 and the cover (position 16), which in this case is determined by the channel depth.
  • the minimum wall spacing of the wide area 26 is identified by h w and extends in a different lateral direction in the example shown.
  • the distance h e is smaller than the minimum wall distance h w of the wide area.
  • the channel depth in the wide area which is greater than or equal to the minimum wall distance h w , must also be greater than the channel depth in the narrow area.
  • the inlet section in the first lateral direction has a wall distance h in and the outlet section 22 has a wall distance h out and that both h in and h out are just as large as the wall distance h e in the narrow area of the holding section 20.
  • the inlet section 18 and the outlet section 22 thus merge steplessly into the narrow region 24 in the first lateral direction.
  • the channel base 14 continues in the inlet and outlet sections and in the narrow area 24 of the holding section 20.
  • the wide area 26 forms a depression starting from the channel base 14.
  • the total depth of the wide area 26 is even greater than its width, which in this example defines the minimum wall distance h w.
  • the recess is between the narrow area 24 and the wide area 26, a lateral transition in the form of a shoulder 28 extended in the direction of flow is formed.
  • the shoulder 28 in turn has a sharp edge 29 in this exemplary embodiment.
  • a sharp edge offers greater process reliability, since a greater amount of energy has to be expended here in order to let the liquid flow over the edge.
  • the contact angle hysteresis which ensures that the contact lines formed by the interface and the wall stick to edges and kinks.
  • there is no arbitrarily sharp edge for manufacturing reasons anyway and it is also not functionally necessary. In this sense, the term edge deliberately also includes rounded or beveled edges.
  • a fluid line 32 in the form of a channel is formed in a substrate 30 of a microfluidic chip, which is closed in a first lateral direction by the channel base 34, 34 'and on its upper side 36 by a cover or film (not shown).
  • the fluid line 32 has, one after the other in the flow direction, an inlet section 38, a first transition section 39, a holding section 40, a second transition section 41 and, downstream, an outlet section 42.
  • the holding section 40 is in turn subdivided laterally into a narrow area 44 and a wide area 46 adjoining it laterally.
  • the wide section 46 starting from the level of the channel bottom 34 in the narrow section 44, forms a depression so that the lateral transition between the narrow area 44 and the wide area 46 is in the form of a shoulder 48 with a sharp edge 49 that is extended in the direction of flow is trained.
  • the wall distance h out of the outlet section 42 is greater than the wall distance h e of the narrow area and here, too, the second transition section 41 with the ramp-like channel bottom 35 'serves to compensate for the level difference or the wall distance in the flow direction in the second transition section 41 of h e to widen steadily to h out.
  • the inlet section 38 and the outlet section 42 merge into the narrow region 44 of the holding section 40 without a step in the direction of flow.
  • the narrow region 44 proceeding from the cross section of the inlet section 38, thus forms a significant cross-sectional constriction which, with constant volume delivery, leads to an increase in the flow velocity.
  • this embodiment comprises a microfluidic chip with a substrate 60 in which the fluid line 62 is incorporated in the form of a channel.
  • the fluid flowing in the flow direction 13 first again flows through an inlet section 68, then a first transition section 69, then the holding section 70, then the second transition section 71 and, downstream, finally the outlet section 72.
  • the holding section 70 is again laterally in a narrow area 74 one Wall distance h e divided in a first lateral direction and an adjacent wide area 76 with a minimum wall distance h w in the longitudinal direction.
  • h e ⁇ h w applies.
  • the wall distance h in in the inlet section 68 and the wall distance h out in the outlet section 72 are greater than the wall distance h e in the narrow area 74 of the holding section 70. Accordingly, the first and second transition sections 69 and 71 each have a ramp-like channel base 65, 65 'which form a step-free transition.
  • the lateral widening is configured symmetrically to the central axis of the fluid line 64, while the wide area 76, as in the two previous examples, is located in the second lateral direction at an edge of the fluid line 62.
  • the fluid line 62 is widened in the second lateral direction both on the side of the narrow area and on the side of the wide area.
  • the lateral widening primarily benefits the narrow area 74 in that it is wider in the second direction than the inlet and outlet sections.
  • the cross-sectional loss due to the tapering in the first lateral direction from h in to h e can thus be partially compensated and the flow velocity in the narrow region 74 can be reduced with a constant volume flow.
  • the wide region 76 is arranged offset in the second lateral direction with respect to the inlet section 68 and with respect to the outlet section 72. He is so broadly chosen that he is trained in the expansion Bulge takes place.
  • the lateral transition or shoulder 78 extending in the flow direction 13 between the narrow area 74 and the wide area 76 is therefore in alignment with a side wall 79 of the fluid line 62 in the inlet section 68 and in the outlet section 72. This causes the flow of the fluid When passing through the narrow area 74 in the holding section 70, there is less deflection overall. The risk of turbulence is therefore significantly reduced by the design of the extension.
  • the fluid line 82 is embodied in the form of a channel in the substrate 80 of a microfluidic chip.
  • the fluid line 82 has, one after the other in the flow direction 13, an inlet section 88, a first transition section 89, a holding section 90, a second transition section 91 and, downstream, an outlet section 92.
  • the holding section 90 is in turn divided laterally into a narrow area 94 and laterally adjoining it into a wide area 96.
  • the wide area 96 starting from the level of the channel bottom 84 in the narrow area 94, forms a depression, so that the lateral transition between the narrow area 94 and the wide area 96 is in the form of a step 98 with a sharp edge extending in the direction of flow 13 99 is formed.
  • the relevant wall distance h e of the narrow area 94 is determined by the channel depth.
  • the direction of the minimum wall distance h w in the wide area 96 coincides with the first lateral direction.
  • the minimum wall distance h w in the wide area 96 is also determined by the channel depth there. According to the invention, the following also applies here: h e ⁇ h w .
  • the lateral expansion of the fluid line in the transition sections and the holding section serves, as before, to at least partially compensate for a lateral tapering of the line cross-section in the narrow area, and so on to lower the flow velocity here.
  • the wide area 96 is also positioned again in such a way that the shoulder 98 forming the lateral transition to the narrow area 94 is in alignment with the side wall 100 of the inlet and outlet sections.
  • the walls 101, 102 in the first transition section 89, holding section 90 and second transition section 91 have rounded or “continuously differentiable” contours. This favors the flow and all the more prevents turbulence from forming at the section transitions.
  • such continuous contours minimize the holding forces on the contact line between the interface between liquid and gas and the surface of the channel (solid), as above with reference to the sharp edge 29 in FIG Figure 1 already addressed.
  • the wall contact leaves without increased expenditure of energy in order to release the bypass. Therefore "round” or "soft” or “continuously differentiable” contours are advantageous here.
  • the further area is also a little more complex in this embodiment than before. It has approximately the shape of a walking stick with a “handle” at the outlet-side end of the holding section, which faces away from the narrow area 94. As a result, this end of the wide area 96 forms a dead end 104. This has proven to be very advantageous if liquid should inadvertently run into the wide area. A gas cushion enclosed at the dead end 104 then prevents the liquid from being able to completely wet the wide area. There is thus always a boundary surface which ensures the starting point for a liquid separation and thus a complete emptying of the wide area.
  • stop structures 105, 106 there are two stop structures 105, 106 in the opposite walls 101 and 102 of the fluid line 82 in front of the holding section 90.
  • the stop structures 105, 106 are designed as a hollow shape, more precisely as dead channels, in the two walls 101, 102 and interrupt the The course of the same is such that a fluid flowing into the narrow region 94 of the holding section 90 does not flow back into the inlet section 98 due to capillary forces.
  • FIGS. 5a to 5c show a sequence of a in the fluidic structure according to FIG Figure 1 inflowing liquid. All three snapshots show the same section of the microfluidic chip 110, shown schematically in greatly simplified form, with the substrate 120, in which the fluid line 122 is incorporated in the form of a channel. A cover 125 in the form of a film is shown here, which closes the channel, which is open laterally on one side.
  • the fluid line 122 is shown cut in the area of the holding section, in which it has a narrow area 134 with a smaller channel depth and laterally adjoining a wide area 136 with a greater channel depth.
  • a first fluid 140 flowing in in the direction 13 has a front front or interface 142, which at the point in time according to FIG Figure 5a is still in the inlet section.
  • the first fluid 140 has advanced further so that its rear interface 144 can already be seen in the inlet section.
  • the first fluid 140 forms a so-called fluid column.
  • the front interface has already reached the holding section of the fluid line and, due to capillary forces, enters the flat area 134, while it does not wet the wide area 136.
  • a buffer medium 146 which spatially separates the first fluid 140 from a subsequent second fluid 150, which in Figure 5c appears in the inlet section.
  • the rear boundary surface 144 of the first fluid column 140 at some point also arrives at the beginning of the wide area 136 of the holding section.
  • the rear boundary surface 144 of the first liquid column 140 tears away from the wall of the fluid channel 122, on which the wide area 136 is located.
  • the wide area 136 then releases a bypass line through which the medium from the buffer 146, a gas or liquid insoluble in the first and second fluid, can escape, as symbolized by the arrow 152.
  • the first fluid column 140 meanwhile remains in the holding area because it no longer feels any delivery pressure.
  • the following column of liquid 150 can be transported further in the direction of the first column of liquid 140 until both columns of liquid are combined. Then both will be promoted together.
  • This can either be set up in such a way that the combined column of liquid runs completely around an air cushion in the bypass line or that it first empties the bypass line and only then leaves the holding area completely. The process depends on the details of the shape of the transition sections.
  • FIG. 5 is to say about the system with a fluidic structure or with a microfluidic chip in which the narrow region 134 has a volume V e , with a first liquid 140 with a defined volume V Fl1 , with a second liquid 150 with a defined volume V Fl2 , and with a buffer medium 146, which is arranged at the entrance of the holding area between the first and the second liquid and can be transported together with the first and the second liquid through the fluid line 122, wherein the first and the second liquid 140, 150 wet the walls of the fluidic structure more than the buffer medium 146 and where the conditions apply: V Fl1 ⁇ V e and V Fl1 + V Fl2 > V e .
  • the buffer medium 146 can be gas, for example or oil if the fluids 140 and 150 are water-based and the wall of the fluid line is hydrophilic.
  • FIG 6 an alternative embodiment of a fluidic structure is shown, which in terms of the shape of the fluid line 158 that of the Figures 1 and 5 corresponds to.
  • the only difference is a stop structure 160 which has a plurality of projections 162 along a wall or, more precisely, the channel base 163 of the fluid line.
  • the projections 162 taken together form a comb-like structure at the end of the narrow area 164. This generally hinders the flow of a wetting liquid and thus in particular prevents it from inadvertently flowing back from the narrow area of the holding section into the outlet section of the fluid line.
  • FIG. 9 shows a simplified microfluidic chip 170 with an alternative configuration of the fluid line 172, more precisely of the shoulder 178 which is extended in the flow direction and which forms the lateral transition between the narrow region 174 and the wide region 176.
  • the wall distance h e of the narrow area 174 as well as the minimum wall distance h w of the wide area 176 are determined by the respective channel depth.
  • the shoulder 178 does not have a sharp, but a rounded edge 180.
  • the shoulder 178 also merges into the channel bottom 182 of the wide area 176 in the form of a rounding 184.
  • the transition therefore has a curved cross-section without a jump or kink, with the effect that the wall distance increases from the narrow area 174 in the lateral direction to the wide area 176 in a continuously differentiable form.
  • Figure 8 shows a simplified microfluidic chip 190 with yet another alternative configuration of the fluid line 192, more precisely that forming the lateral transition between the narrow area 194 and the wide area 196, heel extended in the direction of flow.
  • the wall distance h e of the narrow area 194 as well as the minimum wall distance h w of the wide area 196 are again determined by the respective channel depth and the shoulder has a rounded edge and a rounding in the transition from the channel bottom 202 of the wide area 196 to the shoulder 198 .
  • the wide area 196 starting from the channel bottom 203 in the narrow area 196, does not form a depression.
  • the holding section is shaped here in such a way that the narrow region 194, starting from the channel base 202, forms an elevation or a plateau.
  • This shape is compatible with the exemplary embodiments according to FIGS Figures 2 to 4 related.
  • the channel bottom 202 continues from the inlet section 208 via the first transition section 209, the wide area 196 of the holding section 210, the second transition section 211 to the outlet section 212 without a transition at the same level.
  • the transition sections 209, 211 do not extend over the entire width of the channel.
  • Figure 9a is analogous to Fig. 1a a plan view of a further example not belonging to the invention.
  • Figure 9b shows a longitudinal section and accordingly Figure 9c a cross-section at the in Figure 9a marked positions.
  • a substrate 310 of a schematically greatly simplified microfluidic chip is shown, in which only one fluid line 312 is formed in the form of a channel.
  • a fluid (not shown) flows through the fluid line 312, operated by pressure, in the direction indicated by the arrow 13.
  • the fluid line or the channel have a cross section that is delimited on all sides by walls transverse to the direction of flow. This is limited in a first direction perpendicular to the flow direction by a channel base 314 and a cover (not shown) at the position 316 opposite the channel base.
  • the channel 312 is again functionally divided into an inlet section 318, downstream a holding section 320 and further downstream an outlet section 322.
  • the holding section 320 is divided laterally, that is to say transversely to the flow direction 13, into a narrow region 324 and a wide region 326 adjoining it laterally.
  • the fluid line has a wall distance h e in a first lateral direction between the channel base 314 and the cover (position 316), which in this case is determined by the channel depth.
  • the minimum wall distance of the wide area 326 is marked with h w and extends in a different lateral direction in the example shown.
  • the distance h e is smaller than the minimum wall distance h w of the wide area.
  • This condition is solely decisive for ensuring that a better wetting liquid flowing into the holding section is held in the narrow area 324 due to capillary forces or a less wetting liquid flowing into the holding section is held in the wide area 326.
  • wall distances in the same or different directions are compared with one another. It is also irrelevant whether the narrow area in the second lateral direction is wider or narrower than that of the minimum wall distance h w of the wide area.
  • the channel depth in the wide area 326 is greater than its width, which in this example defines the minimum wall distance h w.
  • the inlet section 318 and the outlet section 322 have wall distances h in and h out perpendicular to the channel base 314 in the first lateral direction, which correspond to the channel depth in the wide area 324 of the holding section 420.
  • the inlet section 318 and the outlet section 322 thus merge steplessly into the wide area 324 in the first lateral direction.
  • the channel base 314 continues in the inlet and outlet section and in the wide area 324 of the holding section 320.
  • the narrow region 326 starting from the channel base 314, forms a lateral transition in the form of a shoulder 328 which is extended in the flow direction 13.
  • the shoulder 328 again has a sharp edge 329.
  • FIGS. 10a to 10c are analogous to the Figures 9a to 9c a plan view, a longitudinal and a cross section of a further example not belonging to the invention.
  • the substrate of a schematically greatly simplified microfluidic chip is denoted by 410, in which only one fluid line 412 is formed in the form of a channel.
  • a fluid (not shown) flows through the fluid line 412, operated by pressure, in the direction indicated by the arrow 13.
  • the fluid line or the channel have a cross section that is delimited on all sides by walls transverse to the direction of flow. This is limited in a first direction perpendicular to the direction of flow by a channel base 414 and a cover (not shown) at the position 416 opposite the channel base 414.
  • the channel 412 is again functionally divided into an inlet section 418, downstream a holding section 420 and further downstream an outlet section 422.
  • the holding section 420 is divided laterally, that is to say transversely to the flow direction 13, into a narrow area 424 and a wide area 426 adjoining it laterally.
  • the fluid line 412 in the example according to FIG Figure 10 in the holding section 420 analogous to the example in FIG Figure 3 widened laterally in a second direction perpendicular to the flow direction 13 in relation to the inlet section 418 and in relation to the outlet section 422.
  • the wide area 426 is located in the second lateral direction at an edge of the fluid line 412 and is thus arranged offset in the second lateral direction with respect to the inlet section 418 and with respect to the outlet section 422.
  • the lateral widening again benefits the narrow area 424, which is wider in the second direction than the inlet and outlet sections.
  • the cross-sectional loss due to the tapering in the first lateral direction from h in to h e can thus be partially compensated and the flow velocity in the narrow region 424 can be reduced with a constant volume flow.
  • a wall distance h e which is determined by the channel depth.
  • the minimum wall distance of the wide area 426 is marked with h w and extends in a different, second lateral direction.
  • the distance h e is smaller than the minimum wall distance h w of the wide area.
  • This condition is only decisive for ensuring that a better wetting liquid flowing into the holding section due to capillary forces in the narrow area 424 or a less wetting liquid flowing into the holding section is held in the wide area 426.
  • wall distances in the same or different directions are compared with one another. It is also irrelevant whether the narrow area in the second lateral direction is wider or narrower than that of the minimum wall distance h w of the wide area.
  • the channel depth in the wide area 426 is greater than its width, which in this example defines the minimum wall distance h w.
  • the inlet section 318 and the outlet section 422 have wall distances h in and h out perpendicular to the channel bottom 414 in the first lateral direction, which correspond to the channel depth in the wide area 424 of the holding section 420.
  • the inlet section 418 and the outlet section 422 thus merge steplessly into the wide area 424 in the first lateral direction.
  • the channel base 414 continues in the inlet and outlet section and in the wide area 424 of the holding section 420.
  • the narrow region 426 again, starting from the channel base 414, forms a lateral transition in the form of a shoulder 428 that is extended in the direction of flow 13.
  • the shoulder 428 again has a sharp edge 429 in this exemplary embodiment.
  • FIGS. 11a to 11c show analogous to the Figures 5a to 5c a sequence of one in the fluidic structure, this time the fluidic structure according to Figure 9 , inflowing liquid. All three snapshots show the same section of the microfluidic chip 510, shown schematically in a greatly simplified manner, with the substrate 520, into which the fluid line 522 is incorporated in the form of a channel is. Here again a cover 525 is shown in the form of a film which closes the channel, which is open on one side laterally.
  • the fluid line 522 is shown in section in the area of the holding section, in which it has a narrow area 534 with a smaller channel depth and, laterally adjacent, a wide area 536 with a greater channel depth.
  • a first fluid 540 flowing in in the direction 13 has a front front or interface 542, which at the point in time according to FIG Figure 11a is still in the inlet section.
  • the first fluid 540 has advanced further so that its rear boundary surface 544 can already be seen in the inlet section.
  • the first fluid 540 forms a so-called fluid column.
  • the front interface 542 has already reached the holding section of the fluid line and, due to capillary forces, enters the wide area 536 while avoiding the narrow area 534. In this case, the capillary forces act opposite to those in, due to the reversed wetting behavior Figure 5 .
  • a buffer medium 546 which spatially separates the first fluid 540 from a subsequent second fluid 550, which in Figure 11c appears in the inlet section.
  • the rear boundary surface 544 of the first fluid column 540 also arrives at the beginning of the wide area 536 of the holding section.
  • the rear boundary surface 544 of the first column of liquid 540 tears away from the wall of the fluid channel 522, at which the narrow region 534 is located.
  • the narrow area 534 then releases a bypass line through which the medium can escape from the buffer 546, as symbolized by the arrow 552.
  • the first fluid column 540 meanwhile remains in the holding area because it no longer feels any conveying pressure.
  • the following liquid column 550 can continue in the direction of first liquid column 540 are transported until both liquid columns are combined. Then both will be promoted together. This can either be set up in such a way that the combined column of liquid runs completely around an air cushion in the bypass line or that it first empties the bypass line and only then leaves the holding area completely. The process depends on the details of the shape of the transition sections.
  • the example in Figure 11 that is, the system with a fluidic structure or with a microfluidic chip in which the wide area 536 has a volume V w , with a first liquid 540 with a defined volume V Fl1 , with a second liquid 550 with a defined volume V Fl2 , and with a buffer medium 546, which is arranged at the entrance of the holding area between the first and the second liquid and can be transported together with the first and the second liquid through the fluid line 522, the first and the second liquid 540, 550 wetting the walls of the fluidic structure less than the buffer medium 546 and where the conditions apply: V Fl1 ⁇ V w and V Fl1 + V Fl2 > V w .
  • the buffer medium 546 can be gas or oil, for example, if the fluids 540 and 550 are water-based and the wall of the fluid line is hydrophobic.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Fluidikstruktur, insbesondere eine Mikrofluidikstruktur, zum Steuern eines oder mehrerer Fluide, welche eine Strömungsrichtung und einen allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung definiert. Ferner betrifft die Erfindung einen mikrofluidischen Chip mit einem Substrat, einer Abdeckung für das Substrat und einer solchen Fluidikstruktur in dem Substrat. Die Erfindung betrifft schließlich ein System bestehend aus der Fluidikstruktur oder dem mikrofluidischen Chip zusammen mit einem ersten und einem zweiten Fluid, welche in der Fluidikstruktur oder dem mikrofluidischen Chip vereinigt werden.
  • Die gattungsgemäßen Fluidikstrukturen, insbesondere Mikrofluidikstrukturen, dienen der Handhabung von teilweise sehr kleinen Flüssigkeitsmengen im Bereich weniger ml bis in den µl-Bereich. Die Fluidleitungen in solchen Strukturen weisen laterale Abmessungen im Berreich weniger mm und darunter auf. Flüssigkeiten werden in einer solchen Fluidikstruktur im Durchflusssystem gehandhabt, d.h. durch Erzeugen einer Druckdifferenz (Über- und/oder Unterdruck) durch die Fluidleitungen gefördert. Hierfür kommen neben dem mikrofluidischen Chip technisch anspruchsvolle Steuer- oder Betreibergeräte zum Einsatz, die an den Mikrofluidikchip angeschlossen werden bzw. in die der Mikrofluidikchip eingelegt wird.
  • Die Anwendungen solcher Fluidstrukturen sind vielfältig. Aus der US 5,972,710 A ist beispielsweise eine Fluidstruktur mit einem Diffusionskanal mit V-förmigem Profil bekannt, in dem ein Analyt und eine Nachweisflüssigkeit zu einem parallelen laminaren Strom vereinigt werden, um mittels Diffusionsprozessen Partikel in dem Analyten nachzuweisen.
  • Die US 2011/0100476 A1 offenbart eine mikrofluidische Struktur mit einem Ventil, das aus einer aufschmelzbaren Struktur innerhalb eines Fluidkanals gebildet wird. Die aufschmelzbare Struktur dient dazu, bei externer Energiezufuhr den Fluidkanal dauerhaft zu verschließen.
  • In der DE 600 07 128 T2 wird ein Ventil eines mikrofluidischen Systems vorgestellt, das einen Fluidkanal mit einem Hindernis umfasst. Das Hindernis wird aus einem intelligenten Polymer gebildet, das bei externer Energiezufuhr eine Volumenveränderung erfährt und dadurch den Fluidstrom durch den Kanal verändert.
  • Die US 2013/0167958 A1 befasst sich mit mikrofluidischen Strukturen in fluidischen Logikschaltungen. Die mikrofluidischen Strukturen umfassen unter anderem Abzweigschaltungen zur Steuerung von Gas- oder Flüssigkeitsbläschen in einem Trägermedium.
  • In der Schrift US 2004/0195539 A1 wird ein mikrofluidisches Ventil einer Fluidleitung beschrieben, welche in einem Substrat in Form eines Kanals ausgebildet ist und an der Stelle des Ventils eine Kanalverengung aufweist. Der Kanal ist mit einer selbstklebenden Abdeckfolie verschlossen. Das Ventil ist im Anfangszustand geöffnet und kann durch Andrücken der selbstklebenden Folie im Bereich der Verengung dauerhaft verschlossen werden. Weiterhin ist beschrieben, wie dieses Ventil anschließend durch die Umformung des Substratmaterials im Bereich der Kanalverengung mittels eines von außen einprägenden Stempels wieder geöffnet werden kann.
  • Die Schrift US 2012/0103103427 A1 befasst sich mit einer mikrofluidischen Struktur mit einem Fluidkanal, der in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend weitere und engere Abschnitte ausbildet. Zwei den Fluidkanal parallel durchströmende Fluide werden in der Struktur wahlweise fokusiert, gemischt oder in getrennte Bahnen gelenkt.
  • Die Schrift US 2007/0286774 A1 befasst sich mit einer Mikrofluidikeinrichtung mit einem Fluidkanal, der in einem Substrat ausgebildet und mit einer Folie abgedeckt ist. In dem Kanal sind wenigstens 2 Abschnitte ausgebildet, in die eine Flüssigkeit aufgrund eines Kapillareffektes einfließt. Die beiden Abschnitte sind voneinander beabstandet, sodass der kapillare Fluss dazwischen unterbrochen ist. Durch eine derartige Struktur soll der kapillare Fluss innerhalb des Kanals insgesamt besser kontrolliert werden.
  • Eine besondere Problematik bei der Handhabung von Fluiden ergibt sich beim Zusammenführen von Flüssigkeiten. Hierfür sind Fluidleitungsstrukturen bekannt, die wenigstens zwei fluidische Zuleitungen und einen Abgang aufweisen, die im Bereich einer T-Kreuzung aufeinander treffen. Schwierig ist hierbei zu gewährleisten, dass sich Flüssigsäulen begrenzter Volumina, auch "Flüssigkeitsplugs" genannt, aus den beiden Zuleitungen zwecks Vereinigung auch zeitgleich an der T-Kreuzung ankommen. Dies macht eine umfangreiche Fluidkontrolle beispielsweise mittels aufwendiger Ventilschaltungen und genauer Positionsüberwachung der Flüssigkeitssäulen erforderlich, durch die der Förderdruck gesteuert und so die Position der Flüssigkeitssäulen geregelt wird. Die Positionsüberwachung erfolgt beispielsweise mittels einer Lichtschranke, die exakt vermisst, wo sich der Beginn und das Ende beider Flüssigkeitssäulen befinden. Ohne eine solche Regelung können Gaspuffer zwischen den Flüssigkeitssäulen eingeschlossen werden, die die Flüssigkeitssäulen innerhalb der Fluidleitungen stets voneinander trennen. Im Falle einer Trennung der Flüssigkeitssäulen durch Lufteinschlüsse wird z.B. eine vollständige Vermischung von Flüssigkeiten verhindert, oder es werden sensorische Einrichtungen in ihrer Funktionalität gestört.
  • Grundsätzliches Bestreben ist es, die Steuerung oder Regelung aber auf ein notwendiges Minimum zu beschränken. Insbesondere sind aufwändige Vorkehrungen an den Mikrofluidikchips, wie bewegliche Ventilteile, zu vermeiden, weil gerade hier auf geringstmögliche Herstellungskosten geachtet wird.
  • Einen anderen Weg zur Vereinigung zweier Flüssigkeiten beschreibt deshalb die DE 10 2009 048 378 B3 . Die darin beschriebene mikrofluidische Struktur umfasst eine Fluidleitung, die sich an einer Stelle lateral zur Strömungsrichtung zu einer Fluidkammer aufweitet. Die Aufweitung und Oberfläche der Fluidkammer sind so beschaffen, dass sich ein durch die Fluidkammer geleitetes erstes Flüssigkeitsvolumen über den gesamten Querschnitt der Fluidkammer verteilt. Desweiteren mündet eine weitere Zuleitung in eine Halteposition in der Fluidkammer, die dergestalt ausgebildet ist, dass ein dorthin transportiertes zweites Flüssigkeitsvolumen im Bereich der Halteposition verharrt, bis es von dem durchgeleiteten ersten Flüssigkeitsvolumen aufgenommen wird und beide Flüssigkeitsvolumina vereint aus der Fluidkammer herausgefördert werden. Diese Struktur stellt unter bestimmten fluidischen Voraussetzungen (Benetzungseigenschaften) eine alternative, passive Fluidsteuerung bereit, die aufwendige Ventilschaltungen und/oder sonstige aktive Fluidkontrolle verzichtbar macht.
  • Eine ganz ähnliche Fluidikstruktur ist aus dem Aufsatz "Droplet-based microfluidic sensing system for rapid fish freshness determination", von D. Itoh et al., Sensors and Actuators B 171-172 (2012), Seiten 619-626 bekannt. Die dort beschriebene mikrofluidische Struktur umfasst nur eine Zuleitung und eine Ableitung für die Handhabung zweier oder mehrerer getrennt zugeführter Flüssigkeitssäulen (plugs). Diese werden durch die Zuleitung und durch Gasblasen voneinander getrennt ebenfalls einer lateral aufgeweiteten Fluidkammer zugeführt, deren Volumen jedenfalls größer ist als das Volumen der ersten ankommenden Flüssigkeitssäule. Die Fluidkammer ist so ausgebildet, dass die Flüssigkeit nur eine der gegenüberliegenden Seitenwandungen benetzt. Dadurch wird ein Bypass freigegeben, durch den das Gas aus dem Gaspuffer zwischen den Flüssigkeitssäulen entweichen kann. Unter fortgesetztem Förderdruck holt so die zweite Flüssigkeitssäule die weiterhin an der Seitenwandung anhaftende erste Flüssigkeit ein und wird mit dieser vereint aus der Fluidkammer herausgefördert. Dies erfordert allerdings als weitere Bedingung, dass das Gesamtvolumen beider Flüssigkeiten ausreicht, um beide Wandungen der aufgeweiteten Vereinigungskammer zu benetzen.
  • Während die beiden zuletzt genannten Fluidikstrukturen keine aufwendige Ventilschaltung und Fluidkontrolle benötigen und somit konzeptionell einfacher sind, haben sie den Nachteil, dass sie nicht in allen Fällen, insbesondere nicht für benetzende Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung, einen prozesssicheren Ablauf gewährleisten, denn diese Flüssigkeiten würden aufgrund von Kapillarkräften dazu neigen, sich in die engere Fluidleitung vor- oder zurückzuziehen.
  • Aus der WO 2013/160408 A2 ist eine mikrofluidische Vorrichtung zum Abmessen einer bestimmten Flüssigkeitsmenge bekannt, welche einen mikrofluidischen Kanal mit wenigstens einem querschnittsverengenden Hindernis und wenigstens einem Seitenkanal mit einem Einlass und einem Auslass aufweist, wobei der Seitenkanal mit dem mikrofluidischen Kanal dergestalt verbunden ist, dass dessen Auslass mit dem Hindernis zusammentrifft, und wobei der Hohlraum des Einlasses und des Auslasses des Seitenkanals geringer ist als der Hohlraum des Seitenkanals an einer Stelle zwischen dem Einlass und dem Auslass.
  • Aus der EP 1 441 131 A1 ist ein mikrofluidischer Schalter mit einem ersten Kanal und einem zweiten Kanal bekannt, wobei der erste Kanal und der zweite Kanal in einem gemeinsamen Endbereich münden und der erste Kanal am Übergang zum Endbereich eine Verjüngung aufweist, an der ein durch den Kanal einströmendes Fluid angehalten wird. Während des Anhaltens füllt sich der zweite Kanal mit dem Fluid bis dieser Kanal bis hin zum gemeinsamen Endbereich vollständig mit Fluid gefüllt ist und das Fluid anschließend durch den ersten Kanal und den zweiten Kanal zeitverzögert weitergefördert wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, eine einfache Fluidikstruktur zu schaffen, die dazu geeignet ist, auch Flüssigkeiten, die durch ein Puffermedium voneinander beabstandet zugeführt werden und die die Wände der Fluidleitung wahlweise stärker oder schwächer benetzen als das Puffermedium, prozesssicher zu vereinigen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Fluidikstruktur mit den Merkmalen des Anspruches 1, einen mikrofluidischen Chip mit den Merkmalen des Anspruches 10 und ein System mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist die Fluidleitung der eingangs genannten Fluidikstruktur einen in Strömungsrichtung ausgedehnten, von weiteren Zu- und Ableitungen freien Halteabschnitt auf, in dem die Fluidleitung einen engen Bereich mit einem Volumen Ve und, bezogen auf die Strömungsrichtung, lateral angrenzend einen weiten Bereich mit einem Volumen Vw aufweist, wobei der enge Bereich in wenigstens einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (erste laterale Richtung) einen geringeren Wandabstand he aufweist als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches. Die Fluidleitung weist in Strömungsrichtung vor dem einen Einlassabschnitt und in Strömungsrichtung hinter dem Halteabschnitt einen Auslassabschnitt auf, wobei der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt in der ersten Richtung stufenlos in den engen Bereich des Halteabschnittes oder in den weiten Bereich des Halteabschnittes übergehen.
  • Dementsprechend wird die Aufgabe auch durch einen mikrofluidischen Chip der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Fluidleitung in Form eines Kanals in dem Substrat ausgebildet und von der Abdeckung verschlossen ist, wobei der Kanal in dem Halteabschnitt in den engen und den weiten Bereich unterteilt ist. Besonders bevorzugt weist hierbei der weite Bereich eine größere Kanaltiefe als der enge Bereich auf. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach und somit kostengünstig herstellbar. Weiterhin bevorzugt steht die erste laterale Richtung senkrecht auf einem der Abdeckung gegenüberliegenden Kanalgrund, d.h. der Wandabstand he des engen Bereiches wird durch die Kanaltiefe bestimmt.
  • Der Halteabschnitt ist generell also in zwei quer zur Strömungsrichtung (lateral) nebeneinander liegende und fluidisch verbundene Bereiche längs unterteilt, von denen der eine in wenigstens einer Raumrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung, nämlich der ersten lateralen Richtung, enger ist als der andere in jeglicher Raumrichtung. Diese Konfiguration stellt sicher, dass eine erste Flüssigkeit, welche die Wände der Fluidleitung schwächer oder auch stärker benetzt als das diese Flüssigkeit umgebende Puffermedium und den Halteabschnitt erreicht, dort in beiden Fällen aufgrund von Kapillarkräften sicher festgehalten wird. Für die Angaben "quer zur Strömungsrichtung" oder "senkrecht zur Strömungsrichtung" wird hierin auch der Begriff "lateral" verwendet. Die Angabe "in Strömungsrichtung" wird auch mit "längs" oder "in Längsrichtung" umschrieben.
  • Der Halteabschnitt besitzt als Abschnitt der Fluidleitung nur eine Zuleitung und eine Ableitung in Form der Fluidleitung selbst. Zwei oder mehrere Flüssigkeitssäulen werden dem Halteabschnitt, durch ein oder mehrere Puffermedien getrennt, durch dieselbe Zuleitung aufeinander folgend zugeführt und nach Vereinigung im Halteabschnitt durch dieselbe Ableitung gemeinsam aus dem Halteabschnitt entfernt.
  • Eine zweite Bedingung ist dementsprechend, ganz ähnlich wie bei der Fluidkammer in dem oben genannten Aufsatz, dass der Haltebereich ausreicht, um das erwartete Volumen VFI1 der dort ankommenden ersten Flüssigkeit vollständig aufzunehmen. Mit anderen Worten ist es erforderlich, dass das Volumen VFI1 der ersten Flüssigkeit kleiner ist, als das Volumen des Haltebereiches. Als "Haltebereich" wird wahlweise nur der enge oder der weite Bereich des Halteabschnittes bezeichnet, je nachdem, wo sich die Flüssigkeit in Abhängigkeit von ihrem Benetzungsverhalten aufhält. Das Volumen des Haltebereiches kann demnach das Volumen Ve des engen Bereiches des Halteabschnittes sein, wenn die erste Flüssigkeit die Wände der Fluidleitung stärker benetzt als das umgebende Puffermedium. Dann muss also gelten: VFI1 < Ve. Das Volumen des Haltebereiches kann aber auch das Volumen Vw des weiten Bereiches des Halteabschnittes sein, wenn die erste Flüssigkeit die Wände der Fluidleitung schwächer benetzt als das umgebende Puffermedium. Demnach muss gelten: VFI1 < Vw. Nur unter diesen Bedingungen gibt die erste Flüssigkeit den Anfang und das Ende des lateral angrenzenden Bereiches des Halteabschnittes frei, sodass durch diesen hindurch eine Bypassleitung für ein zwischen der ersten Flüssigkeit und einer folgenden zweiten Flüssigkeit eingeschlossenes Puffermedium freigegeben wird.
  • Eine dritte Bedingung ist wiederum ganz ähnlich wie bei der bekannten Lösung, dass das erwartete Gesamtvolumen der zwei oder mehreren vereinigten Flüssigkeiten VFl1 + VFl2 ausreicht, um ein Ende des Halteabschnittes mit Flüssigkeit zu verschließen. Mit anderen Worten ist es erforderlich, dass das Gesamtvolumen der vereinigten Flüssigkeiten VFl1 + VFl2 größer ist, als das Volumen des Haltebereiches. Im Fall der stärker benetzenden Flüssigkeiten ist dies also das Volumen Ve des engen Bereiches des Halteabschnittes: VFl1 + VFl2 > Ve. Im Fall der schwächer benetzenden Flüssigkeiten ist es das Volumen Vw des weiten Bereiches des Halteabschnittes: VFl1 + VFl2 > Vw. Das Volumen "VFl2" steht hierin jeweils stellvertretend für das Volumen einer zweiten Flüssigkeit oder mehrerer zweiter Flüssigkeiten. Es können auf diese Weise insgesamt zwei, drei oder weitere durch Puffermedien getrennte Flüssigkeiten in dem Haltebereich vereinigt und anschließend das gesamte zusammengeführte Flüssigkeitsvolumen unter fortgesetztem Förderdruck aus dem Haltebereich der Fluidleitung automatisch herausgefördert werden.
  • Diese Bedingungen spiegeln sich in einem Verfahren zum Vereinigen zweier Flüssigkeitsvolumina wieder. Dieses sieht vor, dass in einer Fluidikstruktur mit einer Fluidleitung, welche eine Strömungsrichtung und einen allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung definiert und einen in Strömungsrichtung ausgedehnten, von weiteren Zu- und Ableitungen freien Halteabschnitt aufweist, in dem die Fluidleitung einen engen Bereich mit einem Volumen Ve und, bezogen auf die Strömungsrichtung, lateral angrenzend einen weiten Bereich mit einem Volumen Vw aufweist, wobei der enge Bereich in wenigstens einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung einen geringeren Wandabstand he aufweist als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches, wahlweise, je nach Benetzungsverhalten, in einem Schritt a) eine erste Flüssigkeit mit dem Volumen VFI1 durch die Fluidleitung in den Halteabschnitt und dort aufgrund von Kapillarkräften in den engen Bereich transportiert wird, und anschließend in einem Schritt b) wenigstens eine zuvor durch ein Puffermedium von der ersten Flüssigkeit getrennte zweite Flüssigkeit mit dem Volumen VFI2 durch dieselbe Fluidleitung in den Halteabschnitt transportiert wird, während das Puffermedium durch den weiten Bereich an der ersten Flüssigkeit vorbei aus dem Halteabschnitt herausgefördert wird, bis die wenigstens eine zweite Flüssigkeit die erste Flüssigkeit erreicht und beide/alle Flüssigkeiten vereint aus dem Halteabschnitt herausgefördert werden, wobei die Bedingungen gelten: VFl1 < Ve und VFl1 + VFl2 > Ve; oder in einem Schritt c) eine erste Flüssigkeit mit dem Volumen VFl1 durch die Fluidleitung in den Halteabschnitt und dort aufgrund von Kapillarkräften in den weiten Bereich transportiert wird, und anschließend in einem Schritt d) wenigstens eine zuvor durch ein Puffermedium von der ersten Flüssigkeit getrennte zweite Flüssigkeit mit dem Volumen VFl2 durch dieselbe Fluidleitung in den Halteabschnitt transportiert wird, während das Puffermedium durch den engen Bereich an der ersten Flüssigkeit vorbei aus dem Halteabschnitt herausgefördert wird, bis die wenigstens eine zweite Flüssigkeit die erste Flüssigkeit erreicht und beide/alle Flüssigkeiten vereint aus dem Halteabschnitt herausgefördert werden, wobei die Bedingungen gelten: VFI1 < Vw und VFl1 + VFl2 >Vw.
  • Analog spiegeln sich diese Bedingungen auch in dem erfindungsgemäßen System wieder, welches eine Fluidikstruktur oder einen mikrofluidischen Chip der vorstehend beschriebenen Art, eine erste Flüssigkeit mit einem definierten Volumen VFl1, und eine zweite Flüssigkeit mit einem definierten Volumen VFl2 und ein Puffermedium, welches eingangs des Haltebereichs zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeit angeordnet und zusammen mit der ersten und der zweiten Flüssigkeit durch die Fluidleitung transportierbar ist, umfasst, wobei wahlweise die erste und die zweite Flüssigkeit die Wände der Fluidikstruktur stärker benetzen als das Puffermedium und wobei die Bedingungen gelten: VFI1 < Ve und VFl1 + VFl2 > Ve, oder wobei die erste und die zweite Flüssigkeit die Wände der Fluidikstruktur schwächer benetzen als das Puffermedium und wobei die Bedingungen gelten: VFl1 < Vw und VFl1 + VFl2 >Vw.
  • "Die Flüssigkeiten sind stärker benetzende Flüssigkeiten" heißt, die Flüssigkeitsoberfläche bildet einen Kontaktwinkel zur Oberfläche des Kanals von <90°, bevorzugt <75° und besonders bevorzugt <45° aus. Umgekehrt heißen die Flüssigkeiten schwächer benetzende Flüssigkeiten, wenn die Flüssigkeitsoberfläche einen Kontaktwinkel zur Oberfläche des Kanals von >90°, bevorzugt >105° und besonders bevorzugt >135° ausbilden. Als "Flüssigkeitsoberfläche" wird die Grenzfläche der ersten und zweiten Flüssigkeiten zu dem angrenzenden Puffermedium bezeichnet. Im Fall einer Grenzfläche zu einem gasförmigen Puffermedium würde man vereinfachend von benetzenden oder nicht benetztenden ersten und zweiten Flüssigkeiten sprechen. Als Puffermedium wird allgemein ein in der ersten und in der zweiten Flüssigkeit unlösliches Medium bezeichnet. Dies kann eben eine Gas, wie beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit, wie beispielsweise eine ölbasierte Flüssigkeit sein, wenn die ersten und die zweiten Flüssigkeiten auf Wasserbasis vorliegen, oder umgekehrt eine wasserbasierte Flüssigkeit, wenn die ersten und die zweiten Flüssigkeiten auf Ölbasis beruhen.
  • Als Anwendungsbeispiele seien Reaktionsgemische für molekular-biologische Reaktionen genannt, bei denen in wässrigen Flüssigkeitsvolumina Nukleinsäuren als erste Flüssigkeit und Enzyme als zweite Flüssigkeit der erfindungsgemäßen Fluidikstruktur zugeführt und darin verfahrensgemäß vereint werden um eine Reaktion zu ermöglichen. Als mögliches Puffermedium kommen Mineralöle, Silikonöle, fluorierte Öle, oder organische Polymere (z.B. "Novec 7500" (Hydrofluorether (C7F150C2H5)) in Betracht.
  • Bevorzugt ist ein lateraler Übergang zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich in Form eines in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes ausgebildet.
  • Ein oder mehrere solcher Absätze können sich von einer oder mehreren, die Fluidleitung begrenzenden Wänden erheben. Der enge Bereich bildet sich bevorzugt jeweils zwischen einem Plateau des Absatzes und einem gegenüberliegenden Wandabschnitt aus, wobei die erste laterale Richtung senkrecht auf dem Plateau steht. Der Absatz kann scharfe oder abgerundete oder angefaste Kanten aufweisen.
  • Bei dem mikrofluidischen Chip geht beispielweise der Kanalgrund im Einlassabschnitt und im Auslassabschnitt stufenlos in den Kanalgrund des engen Bereiches oder in den Kanalgrund des weiten Bereiches über. Der Kanalgrund des engen Bereiches bildet dabei bevorzugt das oben erwähnte Plateau.
  • "Stufenlos" umfasst einerseits einen Übergang vom Einlassabschnitt zum engen bzw. weiten Bereich des Halteabschnittes und von dort zum Auslassabschnitt ohne Querschnittsveränderung in der ersten lateralen Richtung. Dies wird in einer Ausführungsform beispielsweise dadurch erreicht, dass der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung jeweils einen Wandabstand hin bzw. hout aufweisen, der gleich dem minimalen Wandabstand he des engen Bereiches ist.
  • In diesem Fall ändert sich die Abmessung der Fluidleitung in der ersten lateralen Richtung beim Durchströmen des engen Bereiches im Halteabschnitt nicht. Der weite Bereich des Halteabschnittes bildet bei dieser Ausgestaltung indes eine Aufweitung des Querschnittes der Fluidleitung in der ersten lateralen Richtung.
  • "Stufenlos" umfasst andererseits auch einen stetigen Übergang zwischen den Abschnitten. Mit "stetig" wird dabei eine kontinuierliche, nicht sprunghafte Querschnittsveränderung bezeichnet. In einer alternativen Ausführungsform weist der Einlassabschnitt demgemäß in der ersten lateralen Richtung einen Wandabstand hin > he auf, wobei die Fluidleitung in Strömungsrichtung nach dem Einlassabschnitt und vor dem Halteabschnitt einen ersten Übergangsabschnitt aufweist, in dem sich der laterale Wandabstand in Strömungsrichtung von hin auf he stetig verjüngt.
  • In analoger Weise weist der Auslassabschnitt in der ersten lateralen Richtung einen Wandabstand hout > he auf, wobei die Fluidleitung in Strömungsrichtung hinter dem Halteabschnitt und vor dem Auslassabschnitt einen zweiten Übergangsabschnitt aufweist, in dem sich der laterale Wandabstand in Strömungsrichtung von he auf hout stetig aufweitet.
  • Bei dieser Ausgestaltung verjüngt sich der Kanalquerschnitt der Fluidleitung in der ersten lateralen Richtung einlassseitig hin zum Halteabschnitt auf den Wandabstand des engen Bereiches und weitet sich austrittsseitig in entsprechender Weise wieder auf. Der enge Bereich bildet also eine Einengung des Leitungsquerschnittes.
  • Um zu verhindern, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeiten aufgrund von Einengungen des Leitungsquerschnittes zu stark ansteigt, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Fluidleitung in dem Halteabschnitt in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (zweite laterale Richtung) gegenüber dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt lateral erweitert ist. Ein zweiter Vorteil der Aufweitung ist, dass größere Flüssigkeitsvolumina gehandhabt werden können, ohne dass der Platzbedarf der Struktur auf dem mikrofluidischen Chip zu stark zunimmt. Im Gegensatz dazu würde ein entsprechend verlängerter Kanal selbst bei Mäanderung mehr Platz benötigen.
  • Insbesondere kann die Fluidleitung auf der Seite des engen Bereiches, auf der Seite des weiten Bereiches oder auf beiden Seiten in der zweiten lateralen Richtung erweitert sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der weite Bereich in der zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung gegenüber dem Einlassabschnitt und/oder gegenüber dem Auslassabschnitt versetzt angeordnet ist.
  • Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Strömung der Fluide beim Passieren des engen Bereiches in dem Halteabschnitt weniger stark oder gar nicht abgelenkt wird, sodass die Gefahr von Verwirbelungen verringert ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung in Strömungsrichtung vor und/oder hinter dem Halteabschnitt wenigstens eine Stoppstruktur aufweist.
  • Die wenigstens eine Stoppstruktur ist vorzugsweise in Form eines den Verlauf wenigstens einer der Wände der Fluidleitung unterbrechenden Absatzes ausgebildet.
  • Absätze in diesem Sinne bilden beispielsweise eine oder mehrere Hohlformen in der wenigstens einen Wand der Fluidleitung oder ein oder mehrere Vorsprünge entlang der wenigstens einen Wand der Fluidleitung oder beides. Die Hohlform kann beispielsweise durch einen seitlich abgehenden Kanal oder eine Einbuchtung gebildet werden. Eine Vielzahl von Vorsprüngen kann beispielsweise eine kammartige Struktur bilden. Entscheidend ist in allen Fällen, dass die Stoppstruktur nicht allein unter Ausnutzung von Kapillarkräften überwunden werden kann. Die Stoppstruktur verhindert so, dass die erste Flüssigkeit beim Einströmen in den Halteabschnitt über dessen Ende hinausschießt oder durch die Kapillarkräfte zurück in den Einlassabschnitt gezogen wird. Sie unterstützt auf diese Weise die Haltefunktion des engen Bereiches und macht den Strömungsvorgang beim Zusammenführen zweier Flüssigkeiten noch prozesssicherer.
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1a-c
    ein nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel in drei Ansichten;
    Figur 2a-c
    eine Ausführungsform der Erfindung in drei Ansichten;
    Figur 3a-c
    eine Ausführungsform der Erfindung in drei Ansichten;
    Figur 4a-e
    eine Ausführungsform der Erfindung in fünf Ansichten;
    Figur 5a-c
    drei Momentaufnahmen in den Halteabschnitt der Fluidikstruktur gemäß Figur 1 einströmender Flüssigkeit;
    Figur 6
    ein nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel mit alternativer Ausgestaltung der Stoppstrukturen vor dem Halteabschnitt;
    Figur 7
    eine Ausführungsform der Erfindung mit alternativer Ausgestaltung des Absatzes zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich des Halteabschnittes;
    Figur 8
    eine Ausführungsform der Erfindung mit alternativer Ausgestaltung des Absatzes zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich des Halteabschnittes;
    Figur 9a-c
    ein nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel in drei Ansichten;
    Figur 10a-c
    ein nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel in drei Ansichten und
    Figur 11a-c
    drei Momentaufnahmen in den Halteabschnitt der Fluidikstruktur gemäß Figur 9 einströmender Flüssigkeit.
  • In Figur 1a ist eine Aufsicht auf ein erstes nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel dargestellt. Figur 1b zeigt einen Längsschnitt und Figur 1c einen Querschnitt jeweils an den in Figur 1a gekennzeichneten Positionen. Dargestellt ist ein Substrat 10 eines schematisch stark vereinfachten mikrofluidischen Chips, in dem nur eine Fluidleitung 12 in Form eines Kanals ausgebildet ist. Ein nicht dargestelltes Fluid durchströmt die Fluidleitung 12 druckbetrieben in der von dem Pfeil 13 angezeigten Richtung, auch Strömungs- oder Längsrichtung bezeichnet. Die Fluidleitung bzw. der Kanal weisen einen quer zur Strömungsrichtung allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt auf. Dieser ist in einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung durch einen Kanalgrund 14 und die eine nicht dargestellte Abdeckung an der dem Kanalgrund gegenüberliegenden Position 16 begrenzt.
  • Mikrofluidische Chips weisen in der Praxis meist mehrere Fluidleitungen sowie funktionale Elemente, wie Reaktionskammern, Mischerstrukturen, Ventile oder dergleichen auf. Desweiteren ist der Kanal auf seiner offenen Oberseite mittels einer auf das Substrat laminierten Folie, eben jener Abdeckung, verschlossen. In den Figuren 1a bis 1c wurde zwecks Vereinfachung auf die Darstellung der Abdeckung verzichtet.
  • Der Kanal 14 ist in Strömungsrichtung funktional in einen Einlassabschnitt 18, stromabwärts einen Halteabschnitt 20 und weiter stromabwärts einen Auslassabschnitt 22 unterteilt.
  • Der Halteabschnitt 20 wiederum ist lateral, also quer zur Strömungsrichtung, in einen engen Bereich 24 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 26 unterteilt.
  • Die Fluidleitung weist in dem engen Bereich 24 in einer ersten lateralen Richtung zwischen dem Kanalgrund 14 und der Abdeckung (Position 16) einen Wandabstand he auf, der in diesem Fall durch die Kanaltiefe bestimmt ist. Der minimale Wandabstand des weiten Bereiches 26 ist mit hw gekennzeichnet und erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel in einer anderen lateralen Richtung. Wie in der Querschnittsdarstellung der Figur 1c zu erkennen ist, ist der Abstand he kleiner als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches. Diese Bedingung ist allein dafür entscheidend, dass eine in den Halteabschnitt 20 einströmende (besser als ein umgebendes Puffermedium) benetzende Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in dem engen Bereich 24 oder eine in den Halteabschnitt 20 einströmende weniger als ein umgebendes Puffermedium oder nichtbenetzende Flüssigkeit in dem weiten Bereich 26 gehalten wird. Es ist grundsätzlich nicht entscheidend, ob Wandabstände in gleicher oder unterschiedlicher Richtung miteinander verglichen werden. Auch nicht erheblich, ob der enge Bereich in der zweiten lateralen Richtung weiter oder enger ist als der der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches.
  • In dem hier vorliegenden Fall, in dem he mit der Kanaltiefe zusammenfällt, gilt, dass auch die Kanaltiefe in dem weiten Bereich, die größer oder gleich dem minimalen Wandabstand hw ist, auch größer als die Kanaltiefe in dem engen Bereich sein muss.
  • In der Querschnittsdarstellung der Figur 1b ist ferner zu erkennen, dass der Einlassabschnitt in der ersten lateralen Richtung einen Wandabstand hin und der Auslassabschnitt 22 einen Wandabstand hout aufweisen und dass sowohl hin als auch hout genauso groß sind wie der Wandabstand he im engen Bereich des Halteabschnittes 20. Der Einlassabschnitt 18 und der Auslassabschnitt 22 gehen somit in der ersten lateralen Richtung stufenlos in den engen Bereich 24 über. Anders gesagt setzt sich der Kanalgrund 14 im Einlass- und Auslassabschnitt und im engen Bereich 24 des Halteabschnittes 20 eben fort.
  • Der weite Bereich 26 hingegen bildet vom Kanalgrund 14 ausgehend eine Vertiefung. Die Gesamttiefe des weiten Bereiches 26 ist sogar noch größer als dessen Breite, welche ja in diesem Beispiel den minimalen Wandabstand hw definiert. Durch die Vertiefung ist zwischen dem engen Bereich 24 und dem weiten Bereich 26 ein lateraler Übergang in Form eines in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes 28 ausgebildet. Der Absatz 28 wiederum weist in diesem Ausführungsbeispiel eine scharfe Kante 29 auf. Eine scharfe Kante bietet prinzipiell eine größere Prozesssicherheit, da hier eine größere Energie aufgewendet werden muss, um die Flüssigkeit über die Kante fließen zu lassen. Hierfür verantwortlich ist die Kontaktwinkelhysterese, die dafür sorgt, dass die von der Grenzfläche und der Wand gebildeten Kontaktlinien an Kanten und Knicks hängen bleiben. Andererseits gibt es eine beliebig scharfe Kante aus fertigungstechnischen Gründen ohnehin nicht und sie ist auch funktional nicht notwendig. In diesem Sinne schließt der Begriff Kante bewusst auch gerundete oder gefaste Kanten ein.
  • In den Figuren 2a bis 2c ist eine schematisch stark vereinfachte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidikstruktur gezeigt. Abermals ist in einem Substrat 30 eines mikrofluidischen Chips eine Fluidleitung 32 in Form eines Kanals ausgebildet, der in einer ersten lateralen Richtung von dem Kanalgrund 34, 34' und auf seiner Oberseite 36 von einer nicht dargestellten Abdeckung oder Folie verschlossen ist.
  • Im Unterschied zu dem Beispiel gemäß Figur 1 weist die Fluidleitung 32 in Strömungsrichtung nacheinander einen Einlassabschnitt 38 einen ersten Übergangsabschnitt 39, einen Halteabschnitt 40, einen zweiten Übergangsabschnitt 41 und stromabwärts einen Auslassabschnitt 42 auf. Der Halteabschnitt 40 ist wiederum lateral in einen engen Bereich 44 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 46 unterteilt. Auch hier bildet der weite Abschnitt 46, von dem Niveau des Kanalgrundes 34 im engen Abschnitt 44 ausgehend, eine Vertiefung, so dass der laterale Übergang zwischen dem engen Bereich 44 und dem weiten Bereich 46 in Form eines in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes 48 mit scharfer Kante 49 ausgebildet ist.
  • In dem Längsschnitt der Figur 2b ist zu erkennen, dass der Wandabstand hin zwischen dem Kanalgrund 34' und der Oberseite 36 in dem Einlassabschnitt größer ist als der Wandabstand he im engen Bereich 44 des Halteabschnittes 40. Dies ist auf einen Niveauunterschied des Kanalgrundes zurückzuführen, der im Übergangsabschnitt 39 durch einen rampenartigen Kanalgrund 35 überbrückt wird. Mit anderen Worten verjüngt sich dadurch der Wandabstand in Strömungsrichtung 13 von hin auf he stetig.
  • In analoger Weise ist der Wandabstand hout des Auslassabschnittes 42 größer als der Wandabstand he des engen Bereiches und auch hier dient der zweite Übergangabschnitt 41 mit dem rampenartigen Kanalgrund 35' dazu den Niveauunterschied auszugleichen bzw. den Wandabstand in Strömungsrichtung in dem zweiten Übergangsabschnitt 41 von he auf hout stetig aufzuweiten. So gehen auch in diesem Beispiel der Einlassabschnitt 38 und der Auslassabschnitt 42 in Strömungsrichtung absatzlos in den engen Bereich 44 des Halteabschnitts 40 über.
  • Aus Sicht des strömenden Fluids bildet der enge Bereich 44 ausgehend von dem Querschnitt des Einlassabschnitts 38 somit eine signifikante Querschnittsverengung, die bei konstanter Volumenförderung zu einem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit führt.
  • Um dies zu vermeiden, kann die Fluidikstruktur, wie in den Figuren 3a bis 3c gezeigt, modifiziert werden. Wie zuvor umfasst diese Ausführungsform einen Mikrofluidikchip mit einem Substrat 60, in welches die Fluidleitung 62 in Form eines Kanals eingearbeitet ist. Das in der Strömungsrichtung 13 strömende Fluid durchströmt zunächst wiederum einen Einlassabschnitt 68, im Anschluss einen ersten Übergangsabschnitt 69, dann den Halteabschnitt 70, daraufhin den zweiten Übergangsabschnitt 71 und stromabwärts zuletzt den Auslassabschnitt 72. Der Halteabschnitt 70 ist wieder lateral in einen engen Bereich 74 mit einem Wandabstand he in einer ersten lateralen Richtung und einen daran angrenzenden weiten Bereich 76 mit einem minimalen Wandabstand hw in Längsrichtung unterteilt. Auch hier gilt he < hw. Ferner ist wie im Ausführungsbeispiel der Figur 2 auch hier der Wandabstand hin im Einlassabschnitt 68 wie auch der Wandabstand hout im Auslassabschnitt 72 größer als der Wandabstand he im engen Bereich 74 des Halteabschnittes 70. Entsprechend sind die ersten und zweiten Übergangsabschnitte 69 und 71 jeweils mit einem rampenartigen Kanalgrund 65, 65' versehen, die einen absatzlosen Übergang bilden.
  • Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die Fluidleitung 62 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 im Halteabschnitt 70 in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung 13 gegenüber dem Einlassabschnitt 68 und gegenüber dem Auslassabschnitt 72 lateral erweitert. Die laterale Erweiterung ist symmetrisch zur Mittelachse der Fluidleitung 64 ausgestaltet, während sich der weite Bereich 76 wie in den beiden vorherigen Beispielen in der zweiten lateralen Richtung an einem Rand der Fluidleitung 62 befindet. Die Fluidleitung 62 ist also mit anderen Worten sowohl auf der Seite des engen Bereiches als auch auf der Seite des weiten Bereiches in der zweiten lateralen Richtung erweitert.
  • Die laterale Erweiterung kommt in erster Linie dem engen Bereich 74 zu gute, indem dieser in der zweiten Richtung breiter ausfällt als die Einlass- und Auslassabschnitte. Der Querschnittsverlust aufgrund der Verjüngung in der ersten lateralen Richtung von hin auf he kann so teilweise kompensiert und die Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Bereich 74 bei konstantem Volumenstrom abgesenkt werden.
  • Zugleich ist der weite Bereich 76 in der zweiten lateralen Richtung gegenüber dem Einlassabschnitt 68 und gegenüber dem Auslassabschnitt 72 versetzt angeordnet. Er ist so breit gewählt, dass er in der durch die Erweiterung ausgebildeten Ausbuchtung Platz findet. Der in Strömungsrichtung 13 ausgedehnte laterale Übergang oder Absatz 78 zwischen dem engen Bereich 74 und dem weiten Bereich 76, liegt deshalb in einer Flucht mit einer seitlichen Wandung 79 der Fluidleitung 62 im Einlassabschnitt 68 und im Auslassabschnitt 72. Dies bewirkt, dass die Strömung des Fluids beim Passieren des engen Bereiches 74 im Halteabschnitt 70 insgesamt weniger abgelenkt wird. Die Gefahr von Verwirbelungen ist deshalb durch die Ausgestaltung der Erweiterung wesentlich vermindert.
  • In Figur 4 ist eine nochmals verfeinerte Ausgestaltung der Fluidikstruktur dargestellt. In dem Substrat 80 eines mikrofluidischen Chips ist wie zuvor die Fluidleitung 82 in Form eines Kanals ausgebildet. Die Fluidleitung 82 weist in Strömungsrichtung 13 nacheinander einen Einlassabschnitt 88, einen ersten Übergangsabschnitt 89, einen Halteabschnitt 90, einen zweiten Übergangsabschnitt 91 und stromabwärts einen Auslassabschnitt 92 auf. Der Halteabschnitt 90 ist wiederum lateral in einen engen Bereich 94 und seitlich daran angrenzend in einen weiten Bereich 96 unterteilt. Auch hier bildet der weite Bereich 96, von dem Niveau des Kanalgrundes 84 im engen Bereich 94 ausgehend, eine Vertiefung, so dass der laterale Übergang zwischen dem engen Bereich 94 und dem weiten Bereich 96 in Form eines in Strömungsrichtung 13 ausgedehnten Absatzes 98 mit scharfer Kante 99 ausgebildet ist. Wie zuvor ist zwar der relevante Wandabstand he des engen Bereiches 94 durch die Kanaltiefe bestimmt. Anders als zuvor fällt aber die Richtung des minimalen Wandabstandes hw in dem weiten Bereich 96 mit der ersten lateralen Richtung zusammen. Anders gesagt ist auch der minimale Wandabstand hw in dem weiten Bereich 96 durch die dortige Kanaltiefe bestimmt. Es gilt erfindungsgemäß auch hier: he < hw.
  • Die laterale Ausweitung der Fluidleitung in den Übergangsabschnitten und dem Halteabschnitt dient wie zuvor dazu, eine laterale Verjüngung des Leitungsquerschnittes in dem engen Bereich zumindest teilweise zu kompensieren und so die Strömungsgeschwindigkeit hier abzusenken. Auch ist der weite Bereich 96 bei dieser Ausführungsform wieder so positioniert, dass der den lateralen Übergang zum engen Bereich 94 bildende Absatz 98 in einer Flucht mit der Seitenwand 100 der Einlass- und Auslassabschnitte liegt.
  • Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Figur 3 weisen die Wandungen 101, 102 im ersten Übergangsabschnitt 89, Halteabschnitt 90 und zweiten Übergangsabschnitt 91 gerundete oder "stetig differenzierbare" Konturen auf. Dies begünstigt die Strömung und verhindert umso mehr die Ausbildung von Verwirbelungen an den Abschnittsübergängen. Zudem minimieren solche kontinuierlichen Konturen die Haltekräfte auf die Kontaktlinie zwischen der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas und der Oberfläche des Kanals (Festkörper), wie oben unter Bezugnahme auf die scharfe Kante 29 in Figur 1 schon angesprochen. An dem hier angesprochenen Übergang ist, im Gegensatz zu der oben besprochenen Kante 29, gewünscht, dass der Wandkontakt ohne erhöhten Energieaufwand abreist, um den Bypass freizugeben. Deshalb sind hier "runde" oder "weiche" oder "stetig differenzierbare" Konturen vorteilhaft.
  • Auch der weitere Bereich ist bei dieser Ausführungsform ein wenig komplexer als zuvor. Er hat in etwa die Form eines Gehstockes mit einem "Griff" am auslassseitigen Ende des Halteabschnittes, der von dem engen Bereich 94 weg weist. Hierdurch bildet dieses Ende des weiten Bereiches 96 ein totes Ende 104. Diese hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn versehentlich einmal Flüssigkeit in den weiten Bereich hineinlaufen sollte. Dann verhindert ein am toten Ende 104 eingeschlossenes Gaspolster nämlich, dass die Flüssigkeit den weiten Bereich vollständig benetzen kann. Es bleibt hier somit immer eine Grenzfläche bestehen, welche den Ausgangspunkt für einen Flüssigkeitsabriss und somit ein vollständiges Entleeren des weiten Bereiches sicherstellt. Schließlich befinden sich bei dieser Ausführungsform zwei Stoppstrukturen 105, 106 in den gegenüberliegenden Wandungen 101 und 102 der Fluidleitung 82 vor dem Halteabschnitt 90. Die Stoppstrukturen 105, 106 sind als Hohlform, genauer als Totkanäle, in den beiden Wandungen 101, 102 ausgebildet und unterbrechen den Verlauf derselben dergestalt, dass ein in dem engen Bereich 94 des Halteabschnitts 90 einströmendes Fluid nicht aufgrund von Kapillarkräften wieder zurück in den Einlassabschnitt 98 strömt.
  • Die Figuren 5a bis 5c zeigen eine Sequenz einer in die Fluidikstruktur gemäß Figur 1 einströmenden Flüssigkeit. Alle drei Momentaufnahmen zeigen denselben Ausschnitt des schematisch stark vereinfacht dargestellten mikrofluidischen Chips 110 mit dem Substrat 120, in das die Fluidleitung 122 in Form eines Kanals eingearbeitet ist. Hier nun ist eine Abdeckung 125 in Form einer Folie gezeigt, welche den lateral einseitig offenen Kanal verschließt.
  • Die Fluidleitung 122 ist im Bereich des Halteabschnitts geschnitten dargestellt, in dem sie einen engen Bereich 134 mit geringerer Kanaltiefe und lateral angrenzend einen weiten Bereich 136 mit größerer Kanaltiefe aufweist. Ein in der Richtung 13 einströmendes erstes Fluid 140 weist eine vordere Front oder Grenzfläche 142 auf, die sich zum Zeitpunkt gemäß Figur 5a noch in dem Einlassabschnitt befindet.
  • In Figur 5b ist das erste Fluid 140 weiter vorangeschritten, sodass bereits dessen rückwärtige Grenzfläche 144 im Einlassabschnitt zu sehen ist. Das erste Fluid 140 bildet eine sogenannte Fluidsäule. Die vordere Grenzfläche hat bereits den Halteabschnitt der Fluidleitung erreicht und tritt aufgrund von Kapillarkräften in den flachen Bereich 134 ein, während sie den weiten Bereich 136 nicht benetzt.
  • Hinter der Flüssigkeitssäule befindet sich ein Puffermedium 146, das das erste Fluid 140 von einem nachfolgenden zweiten Fluid 150 räumlich trennt, welches in Figur 5c im Einlassabschnitt erscheint. Durch das weitere Voranschreiten beider Fluidsäulen gelangt irgendwann auch die rückwärtige Grenzfläche 144 der ersten Flüssigkeitssäule 140 an dem Anfang des weiten Bereiches 136 des Halteabschnittes an. An dieser Stelle reißt die rückwärtige Grenzfläche 144 der ersten Flüssigkeitssäule 140 von der Wandung des Fluidkanals 122 ab, an welcher sich der weite Bereich 136 befindet. Der weite Bereich 136 gibt daraufhin eine Bypassleitung frei, durch welche das Medium aus dem Puffer 146, ein(e) im ersten und im zweiten Fluid unlösliches Gas oder Flüssigkeit, entweichen kann, wie der Pfeil 152 symbolisiert. Die erste Fluidsäule 140 verharrt derweil in dem Haltebereich, weil sie keinen Förderdruck mehr verspürt. Hierdurch kann die nachfolgende Flüssigkeitssäule 150 weiter in Richtung der ersten Flüssigkeitssäule 140 transportiert werden, bis beide Flüssigkeitssäulen vereint sind. Sodann werden beide gemeinsam weitergefördert. Dies lässt sich entweder so einrichten, dass die vereinigte Flüssigkeitssäule vollständig um ein Luftpolster in der Bypassleitung herum läuft oder dass sie zuerst die Bypassleitung entleert und erst anschließend den Haltebereich vollständig verlässt. Der Ablauf hängt insoweit von Details der Ausformung der Übergangsabschnitte ab.
  • Es handelt sich in Figur 5 also um das System mit einer Fluidikstruktur oder mit einem mikrofluidischen Chip, bei dem der enge Bereich 134 ein Volumen Ve aufweist, mit einer ersten Flüssigkeit 140 mit einem definierten Volumen VFl1, mit einer zweiten Flüssigkeit 150 mit einem definierten Volumen VFl2, und mit einem Puffermedium 146, welches eingangs des Haltebereichs zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeit angeordnet und zusammen mit der ersten und der zweiten Flüssigkeit durch die Fluidleitung 122 transportierbar ist, wobei die erste und die zweite Flüssigkeit 140, 150 die Wände der Fluidikstruktur stärker benetzen als das Puffermedium 146 und wobei die Bedingungen gelten: VFl1 < Ve und VFl1 + VFl2 > Ve. Das Puffermedium 146 kann beispielsweise Gas oder Öl sein, wenn die Fluide 140 und 150 wasserbasiert und die Wand der Fluidleitung hydrophil sind.
  • In Figur 6 ist eine alternative Ausgestaltung einer Fluidikstruktur gezeigt, welche hinsichtlich der Form der Fluidleitung 158 jener der Figuren 1 und 5 entspricht. Einziger Unterschied ist eine Stoppstruktur 160, welche eine Mehrzahl von Vorsprüngen 162 entlang einer Wand bzw. genauer dem Kanalgrund 163 der Fluidleitung aufweist. Die Vorsprünge 162 bilden zusammengenommen eine kammartige Struktur am Ende des engen Bereiches 164. Diese behindert allgemein den Durchfluss einer benetzenden Flüssigkeit und verhindern somit insbesondere, dass diese versehentlich aus dem engen Bereich des Halteabschnittes in den Auslassabschnitt der Fluidleitung zurückströmt.
  • Figur 7 zeigt, einen vereinfachten mikrofluidischen Chip 170 mit einer alternativen Ausgestaltung der Fluidleitung 172, genauer des den lateralen Übergang zwischen dem engen Bereich 174 und dem weiten Bereich 176 bildenden, in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes 178. Wie in dem Beispiel gemäß Figur 4 sind der Wandabstand he des engen Bereiches 174 wie auch der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches 176 durch die jeweilige Kanaltiefe bestimmt. Der Absatz 178 aber weist, im Gegensatz zu allen vorstehend gezeigten Ausführungsformen keine scharfe, sondern eine gerundete Kante 180 auf. Außerdem geht der Absatz 178 auch in den Kanalgrund 182 des weiten Bereiches 176 in Form einer Rundung 184 über. Der Übergang hat deshalb einen kurvenförmigen Querschnitt ohne Sprung oder Knick mit dem Effekt, dass der Wandabstand vom engen Bereich 174 in lateraler Richtung hin zum weiten Bereich 176 in stetig differenzierbarer Form zunimmt.
  • Figur 8 zeigt einen vereinfachten mikrofluidischen Chip 190 mit einer abermals alternativen Ausgestaltung der Fluidleitung 192, genauer des den lateralen Übergang zwischen dem engen Bereich 194 und dem weiten Bereich 196 bildenden, in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes. Wie in dem Beispiel gemäß Figur 7 sind der Wandabstand he des engen Bereiches 194 wie auch der minimale Wandabstandes hw des weiten Bereiches 196 wieder durch die jeweilige Kanaltiefe bestimmt und der Absatz weist eine gerundete Kante sowie im Übergang vom Kanalgrund 202 des weiten Bereiches 196 in den Absatz 198 eine Rundung auf. Im Unterschied zu dem vorherigen Beispiel oder dem Beispiel gemäß Figur 1 bildet der weite Bereich 196, ausgehend vom Kanalgrund 203 im engen Bereich 196, keine Vertiefung aus. Umgekehrt ist der Halteabschnitt hier so ausgeformt, dass der enge Bereich 194, ausgehend vom Kanalgrund 202, eine Erhöhung oder ein Plateau bildet. Diese Form ist mit den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 2 bis 4 verwandt. Im Unterschied dazu setzt sich jedoch der Kanalgrund 202 vom Einlassabschnitt 208 über den ersten Übergangsabschitt 209, den weiten Bereich 196 des Halteabschnittes 210, den zweiten Übergangsabschnitt 211 hin zum Auslassabschnitt 212 übergangslos auf gleichem Niveau fort. Anders gesagt erstrecken sich die Übergangsabschnitte 209, 211 nicht über die gesamte Kanalbreite.
  • In Figur 9a ist analog zu Fig. 1a eine Aufsicht auf ein weiteres nicht zur Erfindung gehörendes Beispiel dargestellt. Figur 9b zeigt entsprechend einen Längsschnitt und Figur 9c einen Querschnitt jeweils an den in Figur 9a gekennzeichneten Positionen. Dargestellt ist ein Substrat 310 eines schematisch stark vereinfachten mikrofluidischen Chips, in dem nur eine Fluidleitung 312 in Form eines Kanals ausgebildet ist. Ein nicht dargestelltes Fluid durchströmt die Fluidleitung 312 druckbetrieben in der von dem Pfeil 13 angezeigten Richtung. Die Fluidleitung bzw. der Kanal weisen einen quer zur Strömungsrichtung allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt auf. Dieser ist in einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung durch einen Kanalgrund 314 und eine nicht dargestellte Abdeckung an der dem Kanalgrund gegenüberliegenden Position 316 begrenzt.
  • Der Kanal 312 ist in Strömungsrichtung wieder funktional in einen Einlassabschnitt 318, stromabwärts einen Halteabschnitt 320 und weiter stromabwärts einen Auslassabschnitt 322 unterteilt.
  • Der Halteabschnitt 320 ist lateral, also quer zur Strömungsrichtung 13, in einen engen Bereich 324 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 326 unterteilt.
  • Die Fluidleitung weist in dem engen Bereich 324 in einer ersten lateralen Richtung zwischen dem Kanalgrund 314 und der Abdeckung (Position 316) einen Wandabstand he auf, der in diesem Fall durch die Kanaltiefe bestimmt ist. Der minimale Wandabstand des weiten Bereiches 326 ist mit hw gekennzeichnet und erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel in einer anderen lateralen Richtung.
  • Wie in der Querschnittsdarstellung der Figur 9c zu erkennen ist, ist der Abstand he kleiner als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches. Diese Bedingung ist allein dafür entscheidend, dass eine in den Halteabschnitt einströmende besser benetzende Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in dem engen Bereich 324 oder eine in den Halteabschnitt einströmende weniger benetzende Flüssigkeit in dem weiten Bereich 326 gehalten wird. Es ist auch hier nicht entscheidend, ob Wandabstände in gleicher oder unterschiedlicher Richtung miteinander verglichen werden. Auch nicht erheblich ist, ob der enge Bereich in der zweiten lateralen Richtung weiter oder enger ist als der der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches.
  • In dem hier vorliegenden Fall, in dem he mit der Kanaltiefe zusammenfällt, gilt insbesondere auch, dass die Kanaltiefe in dem weiten Bereich 326 größer als dessen Breite ist, welche in diesem Beispiel den minimalen Wandabstand hw definiert.
  • In den Figuren 9a bis 9c ist ferner zu erkennen, dass der Einlassabschnitt 318 und der Auslassabschnitt 322 senkrecht zum Kanalgrund 314 in der ersten lateralen Richtung Wandabstände hin bzw. hout aufweisen, die der Kanaltiefe im weiten Bereich 324 des Halteabschnittes 420 entsprechen. Der Einlassabschnitt 318 und der Auslassabschnitt 322 gehen somit in der ersten lateralen Richtung stufenlos in den weiten Bereich 324 über. Anders gesagt setzt sich der Kanalgrund 314 im Einlass- und Auslassabschnitt und im weiten Bereich 324 des Halteabschnittes 320 eben fort.
  • Der enge Bereich 326 hingegen bildet vom Kanalgrund 314 ausgehend einen lateralen Übergang in Form eines in Strömungsrichtung 13 ausgedehnten Absatzes 328. Der Absatz 328 weist in diesem Ausführungsbeispiel wieder eine scharfe Kante 329 auf.
  • In den Figuren 10a bis 10c sind analog zu den Figuren 9a bis 9c eine Aufsicht, ein Längs- und ein Querschnitt eines weiteren nicht zur Erfindung gehörenden Beispiels dargestellt. Das Substrat eines schematisch stark vereinfachten mikrofluidischen Chips ist mit 410 bezeichnet, in dem nur eine Fluidleitung 412 in Form eines Kanals ausgebildet ist. Ein nicht dargestelltes Fluid durchströmt die Fluidleitung 412 druckbetrieben in der von dem Pfeil 13 angezeigten Richtung. Die Fluidleitung bzw. der Kanal weisen einen quer zur Strömungsrichtung allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt auf. Dieser ist in einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung durch einen Kanalgrund 414 und eine nicht dargestellte Abdeckung an der dem Kanalgrund 414 gegenüberliegenden Position 416 begrenzt.
  • Der Kanal 412 ist in Strömungsrichtung abermals funktional in einen Einlassabschnitt 418, stromabwärts einen Halteabschnitt 420 und weiter stromabwärts einen Auslassabschnitt 422 unterteilt.
  • Der Halteabschnitt 420 ist lateral, also quer zur Strömungsrichtung 13, in einen engen Bereich 424 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 426 unterteilt.
  • Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 ist die Fluidleitung 412 in dem Beispiel gemäß Figur 10 im Halteabschnitt 420 analag zu dem Beispiel in Figur 3 in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung 13 gegenüber dem Einlassabschnitt 418 und gegenüber dem Auslassabschnitt 422 lateral erweitert. Der weite Bereich 426 befindet sich in der zweiten lateralen Richtung an einem Rand der Fluidleitung 412 und ist somit in der zweiten lateralen Richtung gegenüber dem Einlassabschnitt 418 und gegenüber dem Auslassabschnitt 422 versetzt angeordnet.
  • Die laterale Erweiterung kommt wieder dem engen Bereich 424 zu gute, der in der zweiten Richtung breiter ausfällt als die Einlass- und Auslassabschnitte. Der Querschnittsverlust aufgrund der Verjüngung in der ersten lateralen Richtung von hin auf he kann so teilweise kompensiert und die Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Bereich 424 bei konstantem Volumenstrom abgesenkt werden.
  • Ansonsten weist die Fluidleitung wie auch das Beispiel in Figur 9 in dem engen Bereich 424 in einer ersten lateralen Richtung zwischen dem Kanalgrund 414 und der Abdeckung (Position 416) einen Wandabstand he auf, der durch die Kanaltiefe bestimmt ist. Der minimale Wandabstand des weiten Bereiches 426 ist mit hw gekennzeichnet und erstreckt sich in einer anderen, zweiten lateralen Richtung.
  • Wie in der Querschnittsdarstellung der Figur 10c zu erkennen ist, ist der Abstand he kleiner als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches. Diese Bedingung ist allein dafür entscheidend, dass eine in den Halteabschnitt einströmende besser benetzende Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in dem engen Bereich 424 oder eine in den Halteabschnitt einströmende weniger benetzende Flüssigkeit in dem weiten Bereich 426 gehalten wird. Es ist auch hier nicht entscheidend, ob Wandabstände in gleicher oder unterschiedlicher Richtung miteinander verglichen werden. Auch nicht erheblich ist, ob der enge Bereich in der zweiten lateralen Richtung weiter oder enger ist als der der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches.
  • In dem hier vorliegenden Fall, in dem he mit der Kanaltiefe zusammenfällt, gilt wieder, dass die Kanaltiefe in dem weiten Bereich 426 größer als dessen Breite ist, welche in diesem Beispiel den minimalen Wandabstand hw definiert.
  • In den Figuren 10a bis 10c ist ferner zu erkennen, dass der Einlassabschnitt 318 und der Auslassabschnitt 422 senkrecht zum Kanalgrund 414 in der ersten lateralen Richtung Wandabstände hin bzw. hout aufweisen, die der Kanaltiefe im weiten Bereich 424 des Halteabschnittes 420 entsprechen. Der Einlassabschnitt 418 und der Auslassabschnitt 422 gehen somit in der ersten lateralen Richtung stufenlos in den weiten Bereich 424 über. Anders gesagt setzt sich der Kanalgrund 414 im Einlass- und Auslassabschnitt und im weiten Bereich 424 des Halteabschnittes 420 eben fort.
  • Der enge Bereich 426 bildet wieder vom Kanalgrund 414 ausgehend einen lateralen Übergang in Form eines in Strömungsrichtung 13 ausgedehnten Absatzes 428. Der Absatz 428 weist auch in diesem Ausführungsbeispiel wieder eine scharfe Kante 429 auf.
  • Die Figuren 11a bis 11c zeigen analog zu den Figuren 5a bis 5c eine Sequenz einer in die Fluidikstruktur, diesmal die Fluidikstruktur gemäß Figur 9, einströmenden Flüssigkeit. Alle drei Momentaufnahmen zeigen denselben Ausschnitt des schematisch stark vereinfacht dargestellten mikrofluidischen Chips 510 mit dem Substrat 520, in das die Fluidleitung 522 in Form eines Kanals eingearbeitet ist. Hier ist wieder eine Abdeckung 525 in Form einer Folie gezeigt, welche den lateral einseitig offenen Kanal verschließt.
  • Die Fluidleitung 522 ist im Bereich des Halteabschnitts geschnitten dargestellt, in dem sie einen engen Bereich 534 mit geringerer Kanaltiefe und lateral angrenzend einen weiten Bereich 536 mit größerer Kanaltiefe aufweist. Ein in der Richtung 13 einströmendes erstes Fluid 540 weist eine vordere Front oder Grenzfläche 542 auf, die sich zum Zeitpunkt gemäß Figur 11a noch in dem Einlassabschnitt befindet.
  • In Figur 11b ist das erste Fluid 540 weiter vorangeschritten, sodass bereits dessen rückwärtige Grenzfläche 544 im Einlassabschnitt zu sehen ist. Das erste Fluid 540 bildet eine sogenannte Fluidsäule. Die vordere Grenzfläche 542 hat bereits den Halteabschnitt der Fluidleitung erreicht und tritt aufgrund von Kapillarkräften in den weiten Bereich 536 ein, während sie den engen Bereich 534 meidet. Die Kapillarkräfte wirken in diesem Fall aufgrund umgekehrten Benetzungsverhaltens entgegengesetzt zu denen in Figur 5.
  • Hinter der Flüssigkeitssäule befindet sich ein Puffermedium 546, das das erste Fluid 540 von einem nachfolgenden zweiten Fluid 550 räumlich trennt, welches in Figur 11c im Einlassabschnitt erscheint. Durch das weitere Voranschreiten beider Fluidsäulen gelangt irgendwann auch die rückwärtige Grenzfläche 544 der ersten Flüssigkeitssäule 540 an dem Anfang des weiten Bereiches 536 des Halteabschnittes an. An dieser Stelle reißt die rückwärtige Grenzfläche 544 der ersten Flüssigkeitssäule 540 von der Wandung des Fluidkanals 522 ab, an welcher sich der enge Bereich 534 befindet. Der enge Bereich 534 gibt daraufhin eine Bypassleitung frei, durch welche das Medium aus dem Puffer 546 entweichen kann, wie der Pfeil 552 symbolisiert. Die erste Fluidsäule 540 verharrt derweil in dem Haltebereich, weil sie keinen Förderdruck mehr verspürt. Hierdurch kann die nachfolgende Flüssigkeitssäule 550 weiter in Richtung der ersten Flüssigkeitssäule 540 transportiert werden, bis beide Flüssigkeitssäulen vereint sind. Sodann werden beide gemeinsam weitergefördert. Dies lässt sich entweder so einrichten, dass die vereinigte Flüssigkeitssäule vollständig um ein Luftpolster in der Bypassleitung herum läuft oder dass sie zuerst die Bypassleitung entleert und erst anschließend den Haltebereich vollständig verlässt. Der Ablauf hängt insoweit von Details der Ausformung der Übergangsabschnitte ab.
  • Es handelt sich bei dem Besipiel in Figur 11 also um das System mit einer Fluidikstruktur oder mit einem mikrofluidischen Chip, bei dem der weite Bereich 536 ein Volumen Vw aufweist, mit einer ersten Flüssigkeit 540 mit einem definierten Volumen VFl1, mit einer zweiten Flüssigkeit 550 mit einem definierten Volumen VFl2, und mit einem Puffermedium 546, welches eingangs des Haltebereichs zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeit angeordnet und zusammen mit der ersten und der zweiten Flüssigkeit durch die Fluidleitung 522 transportierbar ist, wobei die erste und die zweite Flüssigkeit 540, 550 die Wände der Fluidikstruktur schwächer benetzen als das Puffermedium 546 und wobei die Bedingungen gelten: VFl1 < Vw und VFl1 + VFl2 > Vw. Das Puffermedium 546 kann beispielsweise Gas oder Öl sein, wenn die Fluide 540 und 550 wasserbasiert und die Wand der Fluidleitung hydrophob sind.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Substrat
    12
    Fluidleitung/Kanal
    13
    Strömungsrichtung
    14
    Kanalgrund
    16
    Oberseite des Kanals
    18
    Einlassabschnitt
    20
    Halteabschnitt
    22
    Auslassabschnitt
    24
    enger Bereich
    26
    weiter Bereich
    28
    Absatz
    29
    Kante
    30
    Substrat
    32
    Fluidleitung
    34
    Kanalgrund
    34'
    Kanalgrund
    35
    rampenartiger Kanalgrund
    35'
    rampenartiger Kanalgrund
    36
    Oberseite des Kanals
    38
    Einlassabschnitt
    39
    erster Übergangsabschnitt
    40
    Halteabschnitt
    41
    zweiter Übergangsabschnitt
    42
    Auslassabschnitt
    44
    enger Bereich
    46
    weiter Bereich
    48
    Absatz
    49
    Kante
    60
    Substrat
    62
    Fluidleitung/Kanal
    65
    rampenartiger Kanalgrund
    65'
    rampenartiger Kanalgrund
    68
    Einlassabschnitt
    69
    Übergangsabschnitt
    70
    Halteabschnitt
    71
    zweiter Übergangsabschnitt
    72
    Auslassabschnitt
    74
    enger Bereich
    76
    weiter Bereich
    78
    Absatz
    79
    seitliche Wandung der Fluidleitung
    80
    Substrat
    82
    Fluidleitung/Kanal
    84
    Kanalgrund
    88
    Einlassabschnitt
    89
    Übergangsabschnitt
    90
    Halteabschnitt
    91
    zweiter Übergangsabschnitt
    92
    Auslassabschnitt
    94
    enger Bereich
    96
    weiter Bereich
    98
    Absatz
    99
    Kante
    100
    seitliche Wandung des Einlass- und Auslassabschnittes
    101
    Wandungen in den Übergangsabschnitten und im Halteabschnitt
    102
    Wandungen in den Übergangsabschnitten und im Halteabschnitt
    104
    totes Ende des weiten Bereiches
    105
    Stoppstruktur/Hohlform/Totkanal
    106
    Stoppstruktur/Hohlform/Totkanal
    110
    mikrofluidischer Chip
    120
    Substrat
    122
    Fluidleitung
    125
    Abdeckung/Folie
    134
    enger Bereich
    136
    weiter Bereich
    140
    erstes Fluid/Fluidsäule
    142
    vordere Grenzfläche der ersten Fluidsäule
    144
    hintere Grenzfläche der ersten Fluidsäule
    146
    Puffermedium
    150
    zweites Fluid/Fluidsäule
    152
    Strömungspfeil
    158
    Fluidkanal
    160
    Stoppstruktur
    162
    Vorsprung
    163
    Kanalgrund
    164
    enger Bereich
    170
    mikrofluidischer Chip
    172
    Fluidleitung/Kanal
    174
    enger Bereich
    176
    weiter Bereich
    178
    Absatz
    180
    Kante
    182
    Kanalgrund des weiten Bereiches
    184
    Rundung
    190
    mikrofluidischer Chip
    192
    Fluidleitung/Kanal
    194
    enger Bereich
    196
    weiter Bereich
    202
    Kanalgrund (im weiten Bereich)
    203
    Kanalgrund im engen Bereich
    208
    Einlassabschnitt
    209
    erster Übergangsabschitt
    210
    Halteabschnitt
    211
    zweiter Übergangsabschnitt
    212
    Auslassabschnitt
    310
    Substrat
    312
    Fluidleitung/Kanal
    314
    Kanalgrund
    316
    Oberseite des Kanals
    318
    Einlassabschnitt
    320
    Halteabschnitt
    322
    Auslassabschnitt
    324
    enger Bereich
    326
    weiter Bereich
    328
    Absatz
    329
    Kante
    410
    Substrat
    412
    Fluidleitung/Kanal
    414
    Kanalgrund
    416
    Oberseite des Kanals
    418
    Einlassabschnitt
    420
    Halteabschnitt
    422
    Auslassabschnitt
    424
    enger Bereich
    426
    weiter Bereich
    428
    Absatz
    429
    Kante
    510
    mikrofluidischer Chip
    520
    Substrat
    522
    Fluidleitung
    525
    Abdeckung/Folie
    534
    enger Bereich
    536
    weiter Bereich
    540
    erstes Fluid/Fluidsäule
    542
    vordere Grenzfläche der ersten Fluidsäule
    544
    hintere Grenzfläche der ersten Fluidsäule
    546
    Puffermedium
    550
    zweites Fluid/Fluidsäule
    552
    Strömungspfeil

Claims (13)

  1. Fluidikstruktur, eingerichtet zum Steuern eines oder mehrerer Fluide mit einer Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122, 172, 192, 312, 412, 522), welche eine Strömungsrichtung (13) und einen allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung (13) definiert,
    wobei die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122, 172, 192, 312, 412, 522) einen in Strömungsrichtung (13) ausgedehnten, von weiteren Zu- und Ableitungen freien Halteabschnitt (20, 40, 70, 90, 210, 320, 420) aufweist, in dem die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122, 172, 192, 312, 412, 522) einen engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 174, 194, 324, 424, 534) mit einem Volumen Ve und, bezogen auf die Strömungsrichtung, lateral angrenzend einen weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 176, 196, 326, 426, 536) mit einem Volumen Vw aufweist, wobei der enge Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 174, 194, 324, 424, 534) in wenigstens einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen geringeren Wandabstand he aufweist als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches (26, 46, 76, 96, 136, 176, 196, 326, 426, 536), dadurch gekennzeichnet,
    dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122, 172, 192, 312, 412, 522) in Strömungsrichtung (13) vor dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90, 210, 320, 420) einen Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88, 208, 318, 418) und in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90, 210, 320, 420) einen Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92, 212, 322, 422) aufweist, wobei der Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88, 208, 318, 418) und der Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92, 212, 322, 422) in der ersten Richtung stufenlos in den engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 174, 194) des Halteabschnittes (20, 40, 70, 90, 210) oder in den weiten Bereich (176, 196, 326, 426, 536) des Halteabschnittes (210, 320, 420) übergehen.
  2. Fluidikstruktur nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein lateraler Übergang zwischen dem engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 174, 194, 324, 424, 534) und dem weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 176, 196, 326, 426, 536) in Form eines in Strömungsrichtung (13) ausgedehnten Absatzes (28, 48, 78, 98, 178, 328, 428) ausgebildet ist.
  3. Fluidikstruktur nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der enge Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 174, 194, 324, 424, 534) zwischen einem Plateau des Absatzes (28, 48, 78, 98, 178, 328, 428) und einem gegenüberliegenden Wandabschnitt ausgebildet ist, wobei die erste Richtung senkrecht auf dem Plateau steht.
  4. Fluidikstruktur nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassabschnitt (18, ) und/oder der Auslassabschnitt (22, ) in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen Wandabstand hin bzw. hout aufweisen, der gleich dem Wandabstand he des engen Bereiches (24) ist.
  5. Fluidikstruktur nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassabschnitt (38, 68, 88, 208) in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen Wandabstand hin > he aufweist und dass die Fluidleitung (32, 62, 82, 192) in Strömungsrichtung (13) nach dem Einlassabschnitt (38, 68, 88, 208) und vor dem Halteabschnitt (40, 70, 90, 210) einen ersten Übergangsabschnitt (39, 69, 89, 209) aufweist, in dem sich der Wandabstand in Strömungsrichtung (13) von hin auf he stetig verjüngt.
  6. Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassabschnitt (42, 72, 92, 212) in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen Wandabstand hout > he aufweist und dass die Fluidleitung (32, 62, 82, 192) in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (40, 70, 90, 210) und vor dem Auslassabschnitt (42, 72, 92, 212) einen zweiten Übergangsabschnitt (41, 71, 91, 211) aufweist, in dem sich der Wandabstand in Strömungsrichtung (13) von he auf hout stetig aufweitet.
  7. Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (62, 82, 412) in Strömungsrichtung (13) vor dem Halteabschnitt (70, 90, 420) einen Einlassabschnitt (68, 88, 418) und in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (70, 90, 420) einen Auslassabschnitt (72, 92, 422) aufweist, wobei die Fluidleitung (62, 82, 412) in dem Halteabschnitt (70, 90, 420) in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) gegenüber dem Einlassabschnitt (68, 88, 418) und dem Auslassabschnitt (72, 92, 422) lateral erweitert ist.
  8. Fluidikstruktur nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass der weite Bereich (76, 96, 426) in der zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) gegenüber dem Einlassabschnitt (68, 88, 418) und/oder gegenüber dem Auslassabschnitt (72, 92, 422) versetzt angeordnet ist.
  9. Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (82, 158) in Strömungsrichtung (13) vor und/oder hinter dem Halteabschnitt (90) wenigstens eine Stoppstruktur (105, 106, 160), vorzugsweise ausgebildet in Form eines den Verlauf wenigstens einer der Wände der Fluidleitung (82, 158) unterbrechenden Absatzes, aufweist.
  10. Mikrofluidischer Chip (110, 170, 190, 510) mit einem Substrat (10, 30, 60, 80, 120, 310, 410, 520), einer Abdeckung (125, 525) für das Substrat (10, 30, 60, 80, 120, 310, 410, 520) und einer Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in dem Substrat (10, 30, 60, 80, 120, 310, 410, 520),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122, 172, 192, 312, 412, 522) in Form eines Kanals in dem Substrat Substrat (10, 30, 60, 80, 120, 310, 410, 520) ausgebildet und von der Abdeckung (125, 525) verschlossen ist, wobei der Kanal in dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90, 210, 320, 420) in den engen (24, 44, 74, 94, 134, 164, 174, 194, 324, 424, 534) und den weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 176, 196, 326, 426, 536) unterteilt ist, vorzugsweise mit einer größeren Kanaltiefe im weiten Bereich als im engen Bereich.
  11. Mikrofluidischer Chip (110, 170, 190, 510) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die erste Richtung senkrecht auf einem der Abdeckung (125, 525) gegenüberliegenden Kanalgrund (14, 34, 34', 84, 163, 202, 203, 314, 414) steht.
  12. Mikrofluidischer Chip (110, 170, 190, 510) nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalgrund (14, 34', 84, 163, 202, 314, 414) in einem Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88, 208, 318, 418) in Strömungsrichtung (13) vor dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90, 210, 320, 420) und in einem Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92, 212, 322, 422) in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90, 210, 320, 420) stufenlos in den Kanalgrund des engen Bereiches (24, 44, 74, 94, 134, 164, 174, 194), der vorzugsweise ein Plateau im Sinne des Anspruches 5 bildet, oder in den Kanalgrund des weiten Bereiches (176, 196, 326, 426, 536) übergeht.
  13. System mit einer Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder mit einem mikrofluidischen Chip (110, 510) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der enge Bereich (134, 534) ein Volumen Ve und der weite Bereich (136, 536) ein Volumen Vw aufweisen,
    mit einer ersten Flüssigkeit (140, 540) mit einem definierten Volumen VFl1, mit einer zweiten Flüssigkeit (150, 550) mit einem definierten Volumen VFl2,
    und mit einem Puffermedium (146, 546), welches eingangs des Halteabschnitts zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeit angeordnet und zusammen mit der ersten und der zweiten Flüssigkeit durch die Fluidleitung (122, 522) transportierbar ist,
    wobei wahlweise
    - die erste und die zweite Flüssigkeit die Wände der Fluidikstruktur stärker benetzen als das Puffermedium und wobei die Bedingungen gelten: VFl1 < Ve und VFl1 + VFl2 > Ve,
    oder
    - die erste und die zweite Flüssigkeit die Wände der Fluidikstruktur schwächer benetzen als das Puffermedium und wobei die Bedingungen gelten: VFl1 < Vw und VFl1 + VFl2 > Vw.
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