DE60207708T2 - Mikrofluidik-Systeme zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen - Google Patents

Mikrofluidik-Systeme zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die gegenwärtige Erfindung betrifft Mikrofluidik-Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und das Anwenden von derartigen Mikrofluidik-Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2, insbesondere zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen in Mikrofluidik-Vorrichtungen, was beispielsweise beim Durchführen einer chemischer und biologischer Synthese nützlich sein kann.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es gab für das Erwerben von chemischer und biologischer Information ein wachsendes Interesse in der Herstellung und dem Anwenden von Mikrofluidik-Systemen. Insbesondere können, wenn in Mikrofluidik-Volumen durchgeführt, komplizierte biochemische Reaktionen unter Anwendung sehr kleiner Flüssigkeits-Volumen vorgenommen werden. Unter anderen Vorteilen steigern Mikrofluidik-Systeme die Antwortzeit von Reaktionen, minimieren das Probenvolumen und vermindern den Reagenzverbrauch. Wenn flüchtige oder gefährliche Materialien verwendet oder erzeugt werden, steigert das Durchführen von Reaktionen in Mikrofluidik-Volumen auch die Sicherheit und reduziert die Entsorgungsmengen.
  • Traditionellerweise wurden Mikrofluidik-Vorrichtungen auf eine ebene Weise unter Anwendung von Techniken konstruiert, welche von der silizium-herstellenden Industrie ausgeliehen sind. Repräsentative Systeme sind beispielsweise in einigen frühen Werken von Manz et al. (Trends in Anal. Chem. (1990) 10(5): 144–149; Advances in Chromatography (1993) 33: 1–66) beschrieben. In diesen Veröffentlichungen werden die Mikrofluidik-Vorrichtungen durch Anwendung von Fotolithographie zum Definieren von Kanälen auf Silizium- oder Glassubstraten und durch Anwenden von Ätztechniken konstruiert zum Beseitigen von Material aus dem Substrat zum Ausbilden der Kanäle. Eine Abdeckplatte wird zum Bereitstellen eines Verschlusses auf den Oberteil der Vorrichtung geklebt. Miniaturpumpen und Ventile können auch so konstruiert sein, dass sie (zum Beispiel innerhalb) derartiger Vorrichtungen einstückig ausgebildet sind. Alternativ sind separate oder Offline-Pumpsysteme vorstellbar.
  • Vor kurzem wurde eine Anzahl von Verfahren entwickelt, welche ermöglichen, Mikrofluidik-Vorrichtungen aus Kunststoff, Silizium oder anderen Polymermaterialien zu konstruieren. In einem derartigen Verfahren wird zuerst eine negative Gießform konstruiert und Kunststoff oder Silizium wird dann in die Gießform hinein oder über dieselbe gegossen. Die Gießform kann unter Anwendung eines Silizium-Wafers (siehe zum Beispiel Duffy et al., Analytical Chemistry (1998) 70: 4974–4984; McCormick et al., Analytical Chemistry (1997) 69: 2626–2630) oder durch Ausbilden eines traditionellen Spritzgießhohlraums für Kunststoffvorrichtungen konstruiert werden. In einigen Gießform-Einrichtungen sind Techniken zum Konstruieren extrem kleiner Gießformen entwickelt worden. Die unter Anwendung einer LIGA-Technik konstruierten Bauteile sind im Karlsruher Forschungszentrum in Deutschland (siehe zum Beispiel Schomburg et al., Journal of Micromechanical Microengineering (1994) 4: 186–191) entwickelt worden und von MicroParts (Dortmund, Deutschland) kommerzialisiert worden. Jenoptik (Jena, Deutschland) verwendet auch die LIGA- und eine Heißprägetechnik. Einprägeverfahren in PMMA sind auch demonstriert worden (siehe Martynova et al., Analytical Chemistry (1997) 69: 4783–4789). Jedoch führen diese Techniken an sich nicht zu einem Rapid-Prototyping und einer hohen Herstellungs-Flexibilität. Zusätzlich lehren die vorhergehenden Referenzen nur das Vorbereiten von ebenen Mikrofluidik-Strukturen. Außerdem sind die Ausrüstungskosten für beide Techniken ziemlich hoch und können ein unerschwinglicher Aufwand sein.
  • Wenn mit Fluiden in konventionellen Makrofluidik-Volumen gearbeitet wird, sind Aufgaben wie beispielsweise das Dosieren diskreter Fluidvolumen und das Kombinieren dieser Volumen relativ einfach. In Mikrofluidik-Volumen sind jedoch derartige Anwendungen erheblich schwieriger. Die meisten, wenn nicht alle, Mikrofluidik-Systeme benötigen eine Schnittstelle zu der konventionellen Makrofluidik-Welt. Unter Anwendung konventioneller Techniken ist das kleinste Fluidvolumen, welches erzeugt werden kann, ein Tropfen, welcher typischerweise ein Volumen im Bereich zwischen 1–100 Mikrolitern aufweist. An dem unteren Ende dieses volumetrischen Bereichs ist es extrem schwer, beständig Tropfen zu erzeugen, welche angemessen niedrige volumetrische Standardabweichung aufweisen. Anwendungen, in welchen eine Fluidik-Messgenauigkeit wichtig ist, weisen eine kombinatorisch chemische und mikrofluidik Synthese auf. In beiden Anwendungen wäre es wünschenswert, zuverlässig diskrete Fluid-Volumen wiederholbar zu kombinieren. Beispielsweise wäre es wünschenswert, stöchiometrische Mikrofluidik-Volumen von Reagenzien und Lösungen bereitzustellen, wenn die Synthese durchgeführt wird, und es wäre wünschenswert, genaue Mengen von Proben und von Verdünnungsmitteln bereitzustellen, wenn eine serienmäßige Verdünnung durchgeführt wird.
  • Ein bekanntes Verfahren zum Kombinieren von Fluiden ist, Fluid-Tropfen aus Pipetten-Enden in eine Mikrotiter-Platte hinein zu verteilen. Jedoch ist die Anwendung von solch einem Verfahren aus mehreren Gründen beschränkt. Als erstes ist, da eine konventionelle Mikrotiter-Platte zur Atmosphäre hin offen ist, das Fluid-Verdunsten, wobei eine Verteilung folgt, ein inhärentes Problem und solch eine Verteilung muss in einer ultrareinen Umgebung stattfinden, um eine unerwünschte Kontamination zu vermeiden. Ferner werden grenzflächenaktive Stoffe oftmals im Zusammenhang mit Pipetten-Enden verwendet, um die Genauigkeit des Verteilens von kleinen Volumen zu erhöhen. Diese grenzflächenaktiven Stoffe können die Reinheit der zu dosierenden Fluide nachteilig beeinträchtigen und es kann sehr herausfordernd sein, die grenzflächenaktiven Stoffe zu beseitigen und die Fluide von Interesse für eine andere Anwendung zu reinigen. Zusätzlich kann es, nachdem die Fluide von Interesse in einer Lochplatte kombiniert werden, falls ein weiteres Verarbeiten gewünscht wird, lästig sein, die Fluide zu extrahieren und woanders hin zu transferieren.
  • Andere Mikrofluidik-Vorrichtungen sind bekannt.
  • U.S. Patent 5,932,799 von Moles ("der Moles-Verweis") lehrt beispielsweise eine Mikrofluidik-Vorrichtung, wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 erwähnt, aber offenbart ein Analysemodul, welches ein Membranventil aufweist, welches wahlweise blockiert wird oder welches einem Fluid erlaubt, zwischen einem gemeinsamen Einlasskanal (der Fluide aus mehreren Zuführkanälen aufnimmt) und einem Ausgangskanal zu kommunizieren, welcher zu einem Sensorkanal zum Detektieren der Eigenschaften des Fluids führt, bevor es aus dem Analysemodul ausgestoßen wird. Moles versäumt, irgendeine Struktur zu lehren, welche unabhängige Zuführkanäle aufweist, welche ermöglicht, dass diskrete Volumen von unterschiedlichen Fluiden in einer Mikrofluidik-Kammer kombinierbar sind.
  • Demgemäß gibt es einen Bedarf für verbesserte Systeme und Verfahren zum Kombinieren diskreter, mikro-verkleinerter Fluidvolumen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, die Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu verbessern und das Anwenden der Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2 zu verbessern, um mindestens zwei unterschiedliche Fluide aus unabhängigen Zuführkanälen aufzunehmen und diskrete Volumen von denselben in einer Mikrofluidik-Kammer zu kombinieren. Dies wird mittels der Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 erzielt. Vorteilhafte, andere Ausführungsformen sind in den unabhängigen Ansprüchen 3–27 beansprucht.
  • In einem ersten, separaten Aspekt der Erfindung weist eine Mehrschicht-Mikrofluidik-Vorrichtung zum Kombinieren diskreter Volumen von mindestens zwei Fluiden eine Mikrofluidik-Kammer, einen ersten Mikrofluidik-Kanal, welcher zum Zuführen eines ersten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer eingerichtet ist, einen zweiten Mikrofluidik-Kanal, welcher zum Zuführen eines zweiten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer eingerichtet ist, und eine Membran auf, welche eine Fläche der Mikrofluidik-Kammer verklebt. Die Membran ist eingerichtet, die Passage des ersten Fluids aus der ersten Mikrofluidik-Kammer in die zweite Mikrofluidik-Kammer hinein zu verhindern und die Passage des zweiten Fluids aus dem zweiten Mikrofluidik-Kanal in die zweite Mikrofluidik-Kammer hinein zu verhindern.
  • In einigen Ausführungsformen ist der erste Mikrofluidik-Kanal ein erster Mikrofluidik-Abzweigungskanal und ist der zweite Mikrofluidik-Kanal ein zweiter Mikrofluidik-Abzweigungskanal. Der Mikrofluidik-Stammkanal, welcher einen ersten Einlass und einen ersten Auslass aufweist, steht in Fluid-Kommunikation mit dem ersten Mikrofluidik-Abzweigungskanal. Der zweite Mikrofluidik-Stammkanal, welcher einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass hat, steht in Fluid-Kommunikation mit dem zweiten Mikrofluidik-Abzweigungskanal.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Kammer aufgeteilt oder unterteilt sein. In einigen Ausführungsformen blockiert die Membran wahlweise die Passage des Fluid's aus einem Mikrofluidik-Kanal in die Mikrofluidik-Kammer hinein. In bestimmten Ausführungsformen ist die Membran deformierbar. In anderen Ausführungsformen ist die Membran porös.
  • Einige Ausführungsformen weisen einen Bruchbereich auf, welcher die Mikrofluidik-Kammer wahlweise in mehrere Unterkammern teilt. Der Bruchbereich kann gekerbt, geschlitzt oder eine brechbare Versiegelung aufweisen. Eine brechbare Versiegelung kann durch mechanische, chemische oder elektromagnetische Verfahren geschwächt werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen sind die Schichten der Vorrichtungen aus Matritzen-Schichten, Polymer-Materialien, im Wesentlich optisch-durchgängigen Materialien und/oder Klebebändern konstruiert.
  • In einem anderen separaten Aspekt der Erfindung kann jeder der vorhergehenden Aspekte für zusätzliche Vorteile kombiniert werden. Diese und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden dem geschulten Fachmann nach der Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen ersichtlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1A ist eine Draufsicht auf eine Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden in Unterkammern, welche in verschiedenen Schichten angeordnet sind, zu dosieren und dann den Inhalt der Unterkammern zu kombinieren, um eine Fluidik-Kombination zu erzielen. 1B ist eine vergrößerte Draufsicht auf den Zentralabschnitt der Vorrichtung von 1A. 1C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 1A entlang der Schnittlinie "A"-"A", welche in 1B gezeigt ist.
  • 2A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer fünfschichtigen Fluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von bis zu vier Fluiden zu kombinieren, um bis zu vier Fluidik-Kombinationen zu erzielen. 2B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 2A.
  • 3A ist eine Draufsicht auf eine dreischichtige Fluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden in Unterkammern zu dosieren, welche in derselben Schicht angeordnet sind, und dann die Inhalte der Unterkammern zu kombinieren, um eine Fluidik-Kombination zu erzielen. 3B ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 3A, welche die Schnittlinie "B"-"B" darstellt. 3C ist eine Schnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 3A–3B entlang der Schnittlinie "B"-"B". 3D ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 3A–3B, wobei ein Laserglüh-Schritt folgt, um die Zentralkammer in zwei Unterkammern zu teilen. 3E ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 3D, welche die Schnittlinie "C"-"C" darstellt. 3F ist eine Querschnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 3E entlang der Schnittlinie "C"-"C".
  • 4A ist eine Draufsicht auf eine fünfschichtige Fluidik-Vorrichtung, welche zum Dosieren diskreter Mengen von zwei Fluiden in Unterkammern, welche in derselben Schicht angeordnet sind, und zum Kombinieren der Inhalte der Unterkammern imstande ist, um eine Fluid-Kombination zu erzielen. 4B ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 4A, welche die Schnittlinie "D"-"D" darstellt. 4C ist eine Schnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 4A–4B entlang der Schnittlinie "D"-"D", wobei die Vorrichtung eine nicht unterteilte Kammer hat. 4D stellt die gleiche Ansicht wie 4C bereit, außer dass die Vorrichtungskammer unterteilt ist, in dem ein Abschnitt der unteren deformierbaren Schicht abgelenkt ist, um eine Klebefläche in einer zentralen Vorrichtungsschicht zu kontaktieren.
  • 5A ist eine Draufsicht auf eine achtschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren, wobei die Vorrichtung eine deformierbare Membran aufweist, welche den Zutritt der Fluide in eine Zentralkammer steuert. 5B ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung von 5A, welche die Schnittlinie "E"-"E" darstellt. 5C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 5A–5B entlang der Schnittlinie "E"-"E", wobei die deformierbare Membran in einer Ausstreck-Position ist, um den Zutritt von zwei Fluiden in eine Zentralkammer zu verhindern. 5D stellt die gleiche Ansicht wie 5C bereit, außer dass die deformierbare Membran in einer Einzieh-Position ist, um den beiden Fluiden das Betreten der Zentralkammer zu ermöglichen.
  • 6A ist eine Querschnittsansicht von mindestens einem Abschnitt einer sechsschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren, wobei die Vorrichtung eine deformierbare Membran aufweist, welche in einer Ausstreck-Position dargestellt ist, um den Zutritt der Fluide in eine Zentralkammer zu verhindern. 6B stellt dieselbe Ansicht wie 6A dar, außer dass die deformierbare Membran in einer Einzieh-Position ist, um den beiden Fluiden das Betreten der Zentralkammer zu ermöglichen.
  • 7A ist eine Querschnittsansicht von mindestens einem Abschnitt einer achtschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren, wobei die Vorrichtung eine flexible Membran aufweist, welche in mehreren Bereichen zur Deformierung imstande ist. 7B–7G stellen Schnittansichten der Vorrichtung aus 7A in verschiedenen Betätigungs-Zuständen bereit zum Kombinieren diskreter Mengen von zwei Fluiden.
  • 8A ist eine Draufsicht auf eine achtschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung, welche einstückig ausgebildete, poröse Membranen aufweist, wobei die Vorrichtung imstande ist, diskrete Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren. 8B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von 8A entlang der Schnittlinie "F"-"F".
  • 9A ist eine Draufsicht auf eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, dosierte Mengen von zwei Fluiden zu kombinieren, um vier diskrete Kombinationen zu erzielen. 9B ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Vorrichtung aus 9A, welche die Schnittlinie "G"-"G" darstellt. 9C ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung aus 9A entlang der Schnittlinie "G"-"G".
  • 10A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer dreizehnschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, welche imstande ist, diskrete Mengen von drei unterschiedlichen Proben und drei unterschiedlichen Reagenzien zu kombinieren, um neun diskrete Kombinationen zu erzielen. 10B ist eine Draufsicht der zusammengebauten Vorrichtung aus 10A. 10C ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen Abschnitt der Vorrichtung aus 10A–10B.
  • 11A ist eine perspektivische Explosionsansicht einer fünfschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, welche acht Fluid-Eingänge entlang einer Achse und sechzehn Fluid-Eingänge entlang einer anderen Achse aufweist, wobei es die Vorrichtung erlaubt, dass diskreten Mengen von Fluiden in vielen Kombinationen kombinierbar sind. 11B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung aus 11A.
  • 12 ist eine Seitenansicht einer deformierbaren Membran, welche einen ferromagnetischen oder paramagnetischen Materialbereich hat.
  • 13A ist eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts einer Mikrofluidik-Vorrichtung, welche in der Nähe eines magnetischen Stellglieds positioniert ist, wobei die Vorrichtung eine mehrschichtige, deformierbare Membran mit einem einstückig ausgebildeten ferromagnetischen oder paramagnetischen Bereich hat und die Membran in der Einziehposition ist. 13B stellt die gleiche Ansicht wie 13A bereit, außer dass die mehrschichtige, deformierbare Membran in einer Ausstreck-Position ist, um den Fluid-Fluss durch einen Abschnitt der Vorrichtung zu blockieren.
  • 14 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Schritte zum Durchführen eines ersten Verfahrens zum Kombinieren diskreter Volumen von einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid in einer Mikrofluidik-Vorrichtung skizziert.
  • 15 ist ein Flussdiagramm, welche die Schritte zum Durchführen eines zweiten Verfahrens zum Kombinieren diskreter Volumen von einem ersten Fluid und von einem zweiten Fluid in einer Mikrofluidik-Vorrichtung skizziert.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Definition
  • Der Begriff "Kanal" oder "Kammer", wie hierin verwendet ist im weitesten Sinne, zu interpretieren. Daher sind solche Begriffe nicht vorgesehen, dass sie auf längliche Konfigurationen beschränkt werden, wo die Quer- oder Längsabmessung den Durchmesser oder die Querschnittsabmessung beträchtlich übersteigt. Eher sind solche Begriffe so gemeint, dass sie Hohlräume oder Tunnel von jeder gewünschten Gestalt oder Konfiguration umfassen, durch welche Liquide geführt werden können. Solch ein Fluid-Hohlraum kann beispielsweise eine Durchflusszelle aufweisen, wo ein Fluid fortwährend hindurch passiert oder alternativ eine Kammer zum Beibehalten einer bestimmten diskreten Fluid-Menge für eine bestimmte Zeitmenge. "Kanäle" oder "Kammern" können befüllt sein oder können Innen-Strukturen enthalten, welche beispielsweise Ventile, Filter und ähnliche oder äquivalente Bauteile und Materialien aufweisen.
  • Der wie hierin verwendete Begriff "flexibel" bedeutet, fähig eine Belastung zu widerstehen, insbesondere durch gebogen werden, gefaltet werden oder gedehnt werden, ohne zu brechen oder unter einer permanenten Verletzung zu leiden. "Flexibel", wie hierin verwendet, kann oder kann nicht die weiteren Eigenschaften federnd oder elastisch aufweisen.
  • Der wie hierin verwendete Begriff "Mikrofluidik" bezieht sich auf Strukturen oder Vorrichtungen, welche geeignet sind, dass ein oder mehrere Fluide hindurchpassierbar oder hindurchführbar sind, und welche mindestens eine Abmessung kleiner als ungefähr 500 Mikrometer haben.
  • Der wie hierin verwendete Begriff "im Wesentlichen versiegelt" bezieht sich auf eine Mikrostruktur, welche eine ausreichend niedrige nicht vorgesehene Leckagerate und/oder ein Volumen bei einem gegebenen Durchfluss, bei einer gegebenen Fluid-Eigenart und bei gegebenen Druckbedingungen hat. Eine im Wesentlichen versiegelte Vorrichtung kann eine oder mehrere Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen aufweisen.
  • Der wie hierin verwendete Begriff "selbstklebendes Band" bezieht sich auf eine Materialschicht oder einen Film, welcher eine einstückig ausgebildete Klebstoffbeschichtung auf einer oder auf beiden Seiten aufweist.
  • Der wie hierin verwendete Begriff "Matrize" bezieht sich auf eine Materialschicht oder Lage, welche vorzugsweise im Wesentlichen eben ist, aus welcher eine oder mehrere verschieden gestaltete und orientierte Abschnitte herausgeschnitten oder auf andere Art und Weise aus der gesamten Dicke der Schicht beseitigt worden sind, und welche eine wesentliche Fluid-Bewegung innerhalb der Schicht (z. B. in der Form von Kanälen oder Kammern, im Gegensatz zu einfachen Durchgangslöchern, zum Übertragen von Fluid durch eine Schicht zu einer anderen Schicht) ermöglicht. Die Außenlinien des Schnitts oder der auf andere Art und Weise beseitigten Abschnitte bilden die Seitengrenzen von Mikrostrukturen, welche ausgebildet werden, wenn eine Matrix zwischen anderen Schichten wie beispielsweise Substraten oder anderen Matrizen sandwichartig eingelegt ist.
  • Der wie hierin verwendete Begriff "Synthese" bezieht sich auf eine molekulare Umordnung, Anlagerung oder Subtraktion von Molekülarten, was im Allgemeinen entweder eine chemische oder biologische Umbildung umfasst. Biologische Umbildungen weisen bioanalytische Verfahren für das Detektieren und für das Quantifizieren von Molekülarten von Interesse auf, welche hierin auch als Bio-Untersuchungen oder Untersuchungen bezeichnet werden.
  • Mikrofluidik-Vorrichtungen im Allgemeinen
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Mikrofluidik-Vorrichtungen gemäß der Erfindung unter Anwendung von Matrizen-Schichten oder Lagen zum Definieren von Kanälen und/oder Kammern konstruiert. Wie vorherig angemerkt ist eine Matrizen-Schicht vorzugsweise im Wesentlichen eben und weist einen Kanal oder eine Kammer auf, welche durch die gesamte Dicke der Schicht geschnitten ist, um eine wesentliche Fluid-Bewegung innerhalb der Matrizen-Schicht zu ermöglichen. Verschiedene Mittel können zum Definieren derartiger Kanäle oder Kammern in Matrizen-Schichten verwendet werden. Beispielsweise kann ein computergesteuerter Plotter, welcher zum Aufnehmen einer Schneidklinge modifiziert ist, verwendet werden, verschiedene Muster aus einer Materialschicht heraus zu schneiden. Solch eine Klinge kann entweder zum Herausschneiden von Abschnitten, welche von der Matrizen-Schicht abgelöst und beseitigt werden, oder zum Ausbilden von Schlitzen verwendet werden, welche Bereiche in der Matrizen-Schicht separieren, ohne dass irgendein Material beseitigt wird. Alternativ kann zum Ausschneiden von Abschnitten aus einer Materialschicht heraus ein computergesteuerter Laserschneider verwendet werden. Während das Laserschneiden zum Erzielen von präzise dimensionierten Mikrostrukturen verwendet werden kann, hat das Verwenden eines Lasers zum Schneiden einer Matrizen-Schicht inhärent das Beseitigen von etwas Material zur Folge. Weitere Beispiele von Verfahren, welche zum Ausbilden von Matrizen-Schichten angewendet werden können, weisen konventionelle Stempel- oder Ausstanztechniken auf, welche Drehschneider und eine andere mit hohem Durchsatz versehene selbstausrichtende Einrichtung (manchmal als Konverter bezeichnet) aufweisen. Die oben erwähnten Verfahren zum Durchschneiden einer Matrizen-Schicht oder -Lage, ermöglichen, dass, im Vergleich zu konventionellen Oberflächen-Mikrobearbeitungs- oder Materialablagerungs-Techniken, welche zum Produzieren von Mikrofluidik-Vorrichtungen konventionell angewendet werden, robuste Vorrichtungen schnell und unaufwendig herstellbar sind.
  • Nachdem ein Abschnitt einer Matrizen-Schicht beschnitten oder beseitigt worden ist, bilden die Außenlinien des Schnitts oder die der auf andere Art und Weise beseitigten Abschnitte die Seitengrenzen von Mikrostrukturen, welche nach dem sandwichartigen Zusammenlegen einer Matrize zwischen Substraten und/oder anderen Matrizen fertiggestellt sind. Die Dicke oder Höhe der Mikrostrukturen, wie beispielsweise von Kanälen oder von Kammern, kann durch Ändern der Dicke der Matrizen-Schicht oder durch Verwenden mehrerer im Wesentlichen identischer Matrizen-Schichten variiert werden, welche aufeinander gestapelt sind. Wenn sie zu einer Mikrofluidik-Vorrichtung zusammengebaut sind, sind die Oberflächen und die Bodenflächen von Matrizen-Schichten zum Paaren mit einer oder mit mehreren benachbarten Schichten (wie beispielsweise Matrizen-Schichten oder Substrat-Schichten) zum Ausbilden einer im Wesentlichen geschlossenen Vorrichtung vorgesehen, welche typischerweise mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung aufweist.
  • Eine weite Vielfalt von Materialien kann zum Herstellen von Mikrofluidik-Vorrichtungen verwendet werden, welche sandwichartig eingelegte Matrizen-Schichten aufweisen, einschließlich Polymer-, Metall- und/oder Verbund-Materialien, um ein paar zu nennen. In bestimmten Ausführungsformen sind besonders bevorzugte Materialien jene, welche im Wesentlichen optisch durchgängig sind zum Ermöglichen von beobachtenden und oder von elektromagnetischen Analysen der Fluid-Inhalten in einer Mikrofluidik-Vorrichtung. In verschiedenen, bevorzugten Ausführungsformen werden poröse Materialien verwendet, welche Filtermaterialien aufweisen. Die Substrate und Matrizen können im Wesentlichen steif oder flexibel sein. Die Auswahl von besonderen Materialien für eine gewünschte Anwendung hängt von zahlreichen Faktoren ab, mit inbegriffen: die Typen von, die Konzentrationen von und die Verweildauer der Substanzen (z. B. Lösungen, Reagenzien und Produkte), welche in Bereichen einer Vorrichtung vorhanden sind; der Temperatur, dem Druck, dem pH-Wert, der Anwesenheit oder die Abwesenheit von Gasen und den optischen Eigenschaften.
  • Verschiedene Mittel können zum aneinander Abdichten oder zum miteinander Verkleben der Schichten einer Vorrichtung verwendet werden vorzugsweise zum Konstruieren einer im Wesentlichen versiegelten Struktur. Beispielsweise können Klebstoffe verwendet werden. In einer Ausführungsform kann eine oder können mehrere Schichten von einer Vorrichtung aus einem einseitigen oder doppelseitigen Klebeband hergestellt sein, obwohl andere Verfahren zum Verkleben von Matrizen-Schichten verwendet werden können. Ein Abschnitt des Bandes (in der gewünschten Form und mit den gewünschten Abmessungen) kann zum Ausbilden von Kanälen, Kammern und/oder Öffnungen ausgeschnitten und beseitigt werden. Eine Bandmatrix kann dann auf ein Trägersubstrat mit einer geeigneten Deckschicht zwischen Klebebandschichten oder zwischen Schichten aus anderen Materialien angeordnet werden. In einer Ausführungsform können die Matrizen-Schichten aufeinander gestapelt sein. In dieser Ausführungsform kann die Dicke oder die Höhe der Kanäle in einer bestimmten Matrizen-Schicht durch Variieren der Dicke der Matrizen-Schicht (z. B. der Klebebandträger und das Klebstoffmaterial daran) oder durch Verwenden von im Wesentlichen identischen Matrizen-Schichten variiert werden, welche aufeinander gestapelt sind. Verschiedene Typen von Bändern können mit einer derartigen Ausführungsform verwendet werden. Geeignete Bandträgermaterialien weisen auf, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyester, Polycarbonate, Polytetrafluorethylene, Polypropylene und Polymide. Solche Klebebänder können verschiede Aushärtverfahren haben, aufweisend das Aushärten mittels Druck, mittels Temperatur oder mittels einer chemischen oder optischen Wechselwirkung. Die Dicke von diesen Trägermaterialien und Klebstoffen kann variiert werden.
  • Besonders matrizenbasierende Herstellungsverfahren ermöglichen eine sehr schnelle Herstellung von Vorrichtungen sowohl zum Prototyping als auch zur Serienproduktion. Das Rapidprototyping ist von unschätzbarem Werte zum Ausprobieren und zum Optimieren von neuen Vorrichtungsdesigns, da die Designs schnell realisiert, getestet und (falls notwendig) modifiziert und weiter getestet werden können, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Die Möglichkeit, Vorrichtungen mit Matrizenherstellungsverfahren schnell zu prototypen, ermöglicht auch viele unterschiedliche Varianten von einem bestimmten Design, welches zu testen und gleichzeitig zu bewerten ist.
  • Andere Ausführungsformen können aus verschiedenen Materialien unter Anwendung gut bekannter Techniken hergestellt werden, wie beispielsweise mittels Prägens, Stanzens, Spritzgießens und der Weichlithographie.
  • Zusätzlich zur Verwendung von Klebstoffen und den klebstofflosen oben diskutierten Klebeverfahren können andere Techniken verwendet werden, um eine oder mehrere der verschiedenen Schichten der Mikrofluidik-Vorrichtungen anzubringen, welche mit der Erfindung verwendbar sind, wie es von einem durchschnittlichen Fachmann im Anbringen von Materialien erkannt werden würde. Beispielsweise können Anbringungstechniken, welche thermische, chemische oder lichtaktivierte Klebeschritte aufweisen, mechanisches Anbringen (wie beispielsweise das Verwenden von Klammern oder Schrauben, um Druck auf die Schichten auszuüben) und/oder andere äquivalente Kupplungsverfahren verwendet werden.
  • Bevorzugte Ausführungsformen
  • Verschiedene Mikrofluidik-Vorrichtungen zum Kombinieren diskreter Volumen aus mindestens einem ersten Fluid und aus mindestens einem zweiten Fluid werden hierin bereitgestellt. Bemerkenswerterweise sind die, wie hierin verwendeten Volumen gedacht, dass sie Fluid-Stopfen und nicht fließende Ströme von unbestimmten Volumen zugeordnet werden. In den meisten Fällen sind das erste Fluid und das zweite Fluid vorzugsweise beide Flüssigkeiten.
  • In bestimmte Ausführungsformen hierin werden deformierbare Membranen angewendet. Ein System kann so konstruiert sein, dass die Deformation des Materials entweder eine Teilblockade oder eine im Wesentlichen vollständigen Blockade von einem Fluidstromweg in Erwiderung auf eine Änderung eines relativen Drucks ergibt. Ein elastisches Material kann dort verwendet werden, wo eine reversible Steuerung des Fluid-Flusses gewünscht wird. Das Herabsetzen des Drucks in dem entsprechend höheren Druckkanal-Abschnitt erlaubt, dass die deformierbare Membran ihren Neutralzustand einnimmt, was einen uneingeschränkten Fluid-Fluss erlaubt. In einigen Fällen ist es wünschenswert, dass die Änderung in dem Mikrofluidik-Kanal im Wesentlichen permanent oder im Wesentlichen irreversibel ist. Derartige Anwendungen weisen Startventile auf, um stromabwärts liegende Bauteile vor Schaden zu schützen, welcher durch eine hohe Strömung oder einen hohen Druck verursacht wird. Auf eine Erhöhung des Drucks in einem der Kanalabschnitte wird ein unelastisches Material mit geringem Druck hin zu dem Kanalabschnitt deformiert. Das Material bleibt für eine andauernde Periode im Wesentlichen in der Deformationsposition.
  • Eine deformierbare Membran kann auch aus Materialien mit Oberflächeneigenschaften gemacht sein, welche ihr Verhalten ändern. Beispielsweise kann eine Membran klebrig sein oder eine Klebstoffbeschichtung aufweisen. Solche Eigenschaften oder Beschichtungen können auf einer oder auf beiden Seiten der deformierbaren Membran angebracht sein. Abhängig von der Festigkeit des Klebstoffs oder des Grads der Klebrigkeit kann diese deformierbare Membran als variabler Schalter betätigt werden. Bei niedrigen Relativdrücken kann die Membran elastisch wirken. Bei hohen Drücken oder bei Systemen, welche für die deformierbare Membran zum physisch in Kontakt-Treten mit der gegenüberliegenden Wand des angrenzenden Kanalabschnitts designt sind, kann die Deformation in einem permanenten Verschluss des angrenzenden Kanalabschnitts enden. In einer anderen Ausführungsform kann die verwendete Membran nicht klebend sein, aber die Fläche, gegen welche sie abdichtet, kann mit einer klebrigen oder einer mit Kleber versehenen Fläche konstruiert sein. Der Grad der Beständigkeit des Verschlusses steht in Beziehung mit der Elastizität der Membran und der Festigkeit des verwendeten Klebstoffmaterials. Beispiele des unelastischen Systems weisen Situationen auf, sind aber nicht auf dieselben beschränkt, wo das Material halb-hämmerbar ist, beispielsweise eine Metallfolie und Situationen, wo eine oder beide Flächen permanente oder semipermanente Klebstoffe aufweisen.
  • In einer Ausführungsform weist eine Mikrofluidik-Vorrichtung zwei benachbarte Mikrofluidik-Kammern auf, welche von einer Vorrichtungs-Zwischenschicht wie beispielsweise einer Membran getrennt sind. Die Zwischenschicht definiert einen Bruchbereich, welcher unter bestimmten Bedingungen einen Zwischenkammer-Fluidstrom verhindert, aber unter anderen bestimmten Bedingungen einen solchen Fluss erlaubt. Beispielsweise kann der Druckbereich einen perforierten Bereich, einen eingekerbten Bereich, einen Schlitz, eine Öffnung, welche in einer anderen Konfiguration bereitgestellt ist, oder andere Typen von einer brechbaren Versiegelung aufweisen. Der Bruchbereich kann durch eine konventionelle mechanische, chemische und/oder elektromagnetische Behandlung zum Ausbilden einer brechbaren Versiegelung geschwächt werden. Wegwerf-Abdeckungen können den Zwischenschichten während der Konstruktion hinzugefügt werde, um sicher zu stellen, dass jede abschwächende Behandlung auf gewünschte Bereiche beschränkt ist.
  • Wenn die zu der Kammer hinzuzugebenden Fluide wässrig sind, kann dann eine eine Öffnung aufweisende Zwischenschicht aus einem hydrophoben Material ausgebildet werden oder mit demselben ummantelt werden, um eine unbeabsichtigte Fluidpassage zwischen den angrenzenden Kammern zu verhindern, so dass ermöglicht wird, dass die Kammern ohne Zwischenkammer-Fluidwanderung befüllt werden. Ein Druckgradient kann dann angelegt werden, um das Fluid durch die Öffnung in der hydrophoben Schicht hindurch zu zwingen, um die beiden Stopfen zu kombinieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ganze eigentlich ein Schlitz, aus welchem kein Material aus der teilenden Zwischenschicht beseitigt ist. In einer bevorzugteren Ausführungsform wird der Schlitz eher unter Anwendung einer Klinge oder eines Stempels als unter Anwendung eines Lasers ausgebildet, so dass das Beseitigen von Material aus der Zwischenschicht minimiert wird.
  • Bezugnehmend auf 1A–1C kann eine einfache Mikrofluidik-Vorrichtung 140 zum Kombinieren von diskreten Volumen aus zwei unterschiedlichen Fluiden aus fünf Vorrichtungsschichten konstruiert werden. Entlang des Oberteils der Vorrichtung 140 definiert die erste Schicht 141 vier Fluid-Öffnungen 142A, 142B, 143A, 143B, wobei ein Paar von Öffnungen jeweils einem der beiden Mikrofluidik-Kanäle 144, 147 zugehörig ist. Ein erster Mikrofluidik-Kanal 144, welcher in der zweiten Schicht 145 definiert ist, führt ein Fluid zu einer ersten Mikrofluidik-Unterkammer 146A und der zweite Mikrofluidik-Kanal 147, welcher in der vierten Schicht 148 definiert ist, durchschneidet den ersten Kanal 144 und führt ein Fluid zu einer zweiten Mikrofluidik-Unterkammer 146B. Die erste und die zweite Kammer 146, 149 werden von der dritten Schicht 150 getrennt, in welcher ein Bruchbereich 151 (hier als Schlitz ausgebildet) entlang der Grenze zwischen den beiden Unterkammern 146A, 146B definiert ist. Nach dem Bruch des Bruchsbereiches 151 kann eine Fluid-Kommunikation zwischen den beiden Unterkammern 146A, 146B aufgebaut werden, um eine durchgängige Kammer 146 auszubilden. Eine fünfte Schicht 152 definiert die untere Grenze der zweiten Kammer 149. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die fünfte Schicht 141, 152 aus einem Polymerfilm gemacht, ist die zweite Schicht 145 aus einem doppelseitigen Klebeband gemacht, ist die dritte Schicht 150 aus einem einseitigen Klebeband gemacht, wobei der Klebstoff nach unten gewandt ist, und ist die vierte Schicht 148 aus einem einseitigen oder doppelseitigen Klebeband gemacht.
  • Bei der Betätigung wird ein diskretes Volumen oder "Stopfen" aus einem Fluid in der ersten Unterkammer 146A ausgebildet, wenn die erste Kammer 144 befüllt wird, und ein zweiter Fluid-Stopfen wird in der zweite Unterkammer 146B ausgebildet, wenn die zweite Kammer 147 befüllt wird. Der Schlitz 151 in der dritten Schicht 150 wird von dem Klebstoff auf der Bodenseite der dritten Schicht 150 geschlossen gehalten. Sobald die Stopfen ausgebildet sind, sind die Öffnungen 142, 143 zu jedem Kanal 144, 147 versiegelt (beispielsweise mittels Heißsiegeln, mittels Abdecken mit einem selbstklebenden Film oder mittels einem Äquivalent). Die Volumen der Fluid-Stopfen werden von den Unterkammern 146A, 146B und jedem Fluid definiert, welches in den Kanälen 144, 147 zwischen den Unterkammern 146A, 146B und den Kanal-Versiegelungen verbleibt. Das kombinierte Volumen der Kammer 146, welche aus beiden Unterkammern 146A, 146B besteht, ist vorzugsweise weniger als ungefähr 2 μl und vorzugsweise weniger als ungefähr 1 μl. Dem Fluidfüll- und Kanalabdicht-Schritt folgt, dass der Schlitz 151 in der dritten Schicht 150 gebrochen wird, wobei der Bruchbereich 151 zwischen den Kammern 146A, 146B so gebrochen wird, dass den Stopfen ermöglicht wird, in der durchgängigen Kammer 146 ineinander zu diffundieren. Der Bruch kann vorteilhafterweise durch Biegen der Vorrichtung 140 entlang der Richtung des Schlitzes 151 durchgeführt werden. Alternativ kann durch das Ausbilden eines Druckunterschiedes zwischen den Unterkammern 146A, 146B der Bruchbereich 151 gebrochen werden.
  • Ein Vorteil des Designs gemäß den 1A–1C ist, dass es zum Aufweisen einer großen Anzahl von Mikrofluidik-Kammern ohne Hinzufügen weiterer Schichten oder Komplexität ausgeweitet werden kann. Beispielsweise zeigen 2A–2B eine Mikrofluidik-Vorrichtung 160 zum Kombinieren von diskreten Fluid-Volumen, so dass bis zu vier unterschiedliche Kombinationen erzielbar sind, wobei vier Kammern jeweils in zwei Schichten definiert sind und in einem 2 × 2 Bereich angeordnet sind. Die Vorrichtung 160 weist das gleiche fünfschichtige Basisdesign wie die Vorrichtung 140 auf, welche in 1A–1C gezeigt ist. Jedoch weist die Vorrichtung 160 vier Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B in Kommunikation mit vier Einlassöffnungen 163A und vier Auslassöffnungen 163B, welche in der ersten Schicht 155 definiert sind, vier Unterkammern 120A in der zweiten Schicht 156, vier Unterkammern 120B–126B in der vierten Schicht 158 und mehrere Bruchbereiche 165A, 165B auf, welche in der dritten Schicht 157 definiert sind. Jedem der vier Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B können unterschiedliche Fluide zugegeben werden. Die Unterkammern 120A–126A, 120B–126B können dann aus den Kanälen 161A, 161B, 162A, 162B versiegelt werden. Beispielsweise kann eine Wärmesonde (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B beispielsweise durch lokales Schmelzen der äußersten Vorrichtungsschicht 155, 159 entlang den Kanälen 161A, 161B, 162A, 162B abzudichten. Danach können die Bruchbereiche 165A, 165B so gebrochen werden, dass den Fluiden in den in der zweiten Schicht 156 definierten Unterkammern 120A–126A ermöglicht wird, sich mit Fluiden in den in der vierten Schicht 158 definierten Unterkammern 120B–126B zu vereinigen.
  • D. h., dass nach dem Bruch des Bruchbereichs 165A–165B eine Fluid-Kommunikation zwischen den Unterkammern 120A, 120B zum Ausbilden einer ersten durchgängigen Kammer 120 etabliert wird; eine Fluid-Kommunikation zwischen den Unterkammern 122A, 122B zum Ausbilden einer zweiten durchgängigen Kammer 122 etabliert wird; eine Fluid-Kommunikation zwischen den Unterkammern 124A, 124B zum Ausbilden einer dritten durchgängigen Kammer 124 etabliert wird; und eine Fluid-Kommunikation zwischen den Unterkammern 126A, 126B zum Ausbilden einer vierten durchgängigen Kammer 126 etabliert wird. Wenn unterschiedliche Fluide für jeden der vier Kanäle 161A, 161B, 162A, 162B vorgesehen sind, dann werden, nach dem die Bruchbereiche 165A, 165B gebrochen sind, unterschiedliche Fluid-Kombinationen in jedem der vier Kammern 120, 122, 124, 126 enthalten sein. Mikrofluidik-Vorrichtungen, welche viel mehr und/oder dichter gepackte Mischkammern zum Kombinieren vieler Fluide haben, können gemäß dem gleichen Basisidesign vorbereitet werden.
  • In einer anderen Ausführungsform weist eine Mikrofluidik-Vorrichtung zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen eine Mikrofluidik-Kammer auf, welche in eine erste diskrete Unterkammer und eine zweite diskrete Unterkammer undurchlässig unterteilt werden kann. Bezugnehmend auf 3A–3F ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 170 in drei Schichten ausgebildet. Die erste Schicht 171 weist vier Öffnungen 174A, 174B, 175A, 175B auf, von denen zwei Öffnungen 174A, 714B in Fluid-Kombinationen mit einem ersten Mikrofluidik-Kanal 176 sind und von denen zwei Öffnungen 175A, 175B in Fluid-Kommunikation mit einem zweiten Mikrofluidik-Kanal 177 sind. Die zweite Schicht 172 definiert sowohl die Kanäle 176, 177 als auch eine Kammer 178, welche imstande ist, die Kanäle 176, 177 zu verbinden. Vorzugsweise sind die erste und dritte Schicht 171, 173 aus einem thermoplastischen Polymerfilm ausgebildet oder mit einem thermoplastischen Polymer ummantelt und die zweite Schicht 172 ist ein doppelseitiges Klebeband. Zum Unterteilen der Kammer 178 kann die erste Schicht 171 entlang einer Linie lokal erwärmt werden, wobei die Kammer 178 halbiert wird, was bewirkt, dass das thermoplastische Material lokal schmilzt, ohne dass durch die erste Schicht 171 geschnitten wird. Ein Laser (nicht gezeigt) wird vorzugsweise für diesen Zweck (unter Anwendung einer Technik, welche Laser-Schweißen genannt wird, bei welcher das Material lokal geschmolzen aber nicht abgetragen wird) verwendet, obwohl andere konventionelle Lokalwärme-Techniken, wie beispielsweise Ultraschall-Glühen, Elektro-Widerstand-Glühen (unter Anwendung von Elektroden (nicht gezeigt), welche an oder in der ersten Schicht 171 angelegt werden) und/oder Kontaktglühen zum Erzielen desselben Ergebnisses verwendet werden können. Durch Anwenden jeder dieser Techniken kann die erste Schicht 171 an der dritten Schicht 173 entlang der Bahn 179 des Lokal-Glühens oder "Schmelzen" lose angeklebt werden. Die 3A–3B zeigen die Draufsichten und 3C zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie "B"-"B" (welche in 3B dargestellt ist) von einer Kammer 178 vor dem Laser-Schweißen. 3D–3F zeigen diese Ansichten nachdem die Kammer 178 unterteilt ist.
  • Die Haftung zwischen den Abschnitten der ersten und dritten Schicht 171, 173 aufgrund des Lokal-Glühschrittes ist vorzugsweise nicht permanent (d. h. lose). Dem Lokal-Glühen zum Unterteilen der Kammer 178 folgt das Befüllen der zwei sich ergebenden Unterkammern 178A, 178B mit unterschiedlichen Fluiden. Zum Ermöglichen des Kombinierens der Fluide gibt es mehrere unterschiedliche Wege zum Aufbrechen der die Kammer 178 unterteilenden Versiegelung. In einer Ausführungsform sind die Fluidik-Öffnungen 174A, 174B, 175A, 175B beispielsweise durch Lokal-Glühen mittels einer Glühsonde (nicht gezeigt) versiegelt und die Versiegelung zwischen den Unterkammern 178A, 178B wird durch Anlegen einer Außenkraft oder eines Drucks an der Kammer 178 gebrochen. In einer anderen Ausführungsform sind alle bis auf eine von den Fluidik-Öffnungen 174A, 174B, 175A, 175B versiegelt. Die unversiegelte Öffnung wird dann zum Zuführen von Druck aus einer Außenquelle (nicht gezeigt) verwendet. In noch einer anderen Ausführungsform sind alle Fluidik-Öffnungen 174, 175 versiegelt und ein Außensog oder ein Vakuum wird auf der unterteilenden Versiegelung angelegt, um die Versiegelung zu brechen und um die Barriere zwischen den Unterkammern 178A, 178B zu eliminieren.
  • In einer ähnlichen Ausführungsform kann eine Kammer in mehrere Unterkammern mit einer Klebstoffbindung unterteilt werden. Bezugnehmend auf 4A–4D ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 180 zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen in fünf Schichten 181–185 ausgebildet. Die erste Schicht 181 ist vorzugsweise ein starres Substrat und definiert zwei Fluidik-Einlassöffnungen 186A, 187A und zwei Fluidik-Auslassöffnungen 186B, 187B. Ein Satz von Öffnungen 186A, 186B steht in Fluid-Kommunikation mit einem ersten Kanal 188 und der Kammer 191, welche in der vierten Schicht definiert sind, und der andere Satz von Öffnungen 187A, 187B steht in Fluid-Kommunikation mit einem zweiten Kanal 189 und der Kammer 191, welche in der vierten Schicht definiert sind. Die zweite Schicht 182 ist vorzugsweise ein doppelseitiges Klebeband. Die dritte Schicht 183 ist vorzugsweise ein nicht-klebender Film, welcher einen Ausschnittsbereich 190 definiert, welcher mindestens einen Teil der Kammer 191 begrenzt. Die vierte Schicht 184 ist vorzugsweise ein doppelseitiger Klebstoff, welcher einen Abschnitt der Kammer 191 unter dem Ausschnitt 190 definiert, welcher in der dritten Schicht 183 definiert ist. Die fünfte Schicht 185 ist vorzugsweise eine deformierbare Membran wie beispielsweise ein flexibler Polymerfilm. Zum Unterteilen der Kammer 191 in zwei Unterkammern 191A, 191B wird die fünfte Schicht 185 zum Ergreifen eines bloßgelegten Klebstoffbereichs entlang des Ausschnitts 190 aufwärts deformiert, wobei der Zentralkanal 191 von oben begrenzt wird. Sobald im Eingriff stehend, haftet ein Abschnitt der fünften Schicht 185 lokal an der Klebstoff-Unterfläche der zweiten Schicht 182, wodurch die Kammer 191 in zwei Unterkammern 191A, 191B getrennt wird. 4C zeigt eine Querschnittsansicht der Kammer 191 (entlang der Schnittlinie "D"-"D", welche in 4B gezeigt ist) vor der Unterteilung und 4D zeigt dieselbe Ansicht, aber nachdem die Kammer 191 in zwei Unterkammern unterteilt ist. Die sich ergebende Klebeverbindung zwischen den Abschnitten der zweiten und fünften Schicht 182, 185 ist schwach, aber hält die Fluidik-Separation zwischen den beiden Unterkammern 191A, 191B bei niedrigen Fluid-Drücken aufrecht. Der Ausbildung der Unterkammern 191A, 191B folgend, kann dann ein Fluid unabhängig in beide Unterkammern eingefüllt werden. Wie es der Fall bei den wärmeversiegelten Vorrichtungen war, können mehrere Verfahren zum Brechen der Versiegelung verwendet werden. In einer Ausführungsform sind die Fluidik-Öffnungen 186A, 186B, 187A, 187B versiegelt und die Versiegelungs-Unterteilung der Unterkammern 191A, 191B wird durch Anlegen eines Drucks an eine der Unterkammern 191A, 191B gebrochen. In einer anderen Ausführungsform sind alle bis auf eine der Fluidik-Öffnungen 186A, 186B, 187A, 187B versiegelt. Die offene Öffnung wird dann zum Zuführen von Druck aus einer Außenquelle (nicht gezeigt) verwendet. In noch einer anderen Ausführungsform sind alle Einlass- und Auslassöffnungen 186A, 186B, 187A, 187B versiegelt und ein Außensog oder Vakuum wird angrenzend zu der deformierbaren Membranschicht 185 angelegt zum Loslösen oder Brechen der Unterteilungs-Versiegelung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zusätzlicher Kanal in einer sechsten Schicht (nicht gezeigt) definiert und von einer siebten Schicht (nicht gezeigt) umschlossen und unter der fünften Schicht 185 entlang dem Klebstoffversiegelungsbereich angeordnet. Druck kann an dem sechsten Kanal zum Deformieren der dritten Schicht angelegt werden, um die Kammer aufzuteilen und Vakuum kann dann zum Loskuppeln oder Brechen der Versiegelung angelegt werden.
  • In einer anderen Ausführungsform, welche ähnlich zu den eben oben Beschriebenen konfiguriert ist, wird eine Klemme (nicht gezeigt) zum Unterteilen einer Kammer verwendet, in dem sie entlang einer Mittellinie durch Zusammendrücken so geschlossen wird, dass es ermöglicht wird, dass mehrere Unterkammern befüllbar sind, und dann die Klemme so freigegeben wird, dass den beiden Stopfen das Vermischen ermöglicht wird.
  • 14 stellt die Schritte eines bevorzugten Verfahrens zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen dar, bei welchem Mikrofluidik-Vorrichtungen anwendbar sind, wie jene, die in den 3A–3F oder 4A–4D dargestellt sind. Ein erster Schritt 600 weist das Bereitstellen einer Mikrofluidik-Vorrichtung (zum Beispiel Vorrichtungen 170, 180, welche vorher beschrieben sind) auf, welche eine Mikrofluidik-Kammer hat, welche von einer ersten Vorrichtungsschicht und von einer deformierbaren Membran begrenzt ist. Ein zweiter Schritt 602 weist das Unterteilen der Kammer in diskrete Unterkammern auf, in dem ein Abschnitt der deformierbaren Membran mit der ersten Fläche in Eingriff kommt. Die nächsten Schritte 604, 606 können aufeinanderfolgend oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden; sie weisen das Auffüllen der ersten diskreten Unterkammer mit einem ersten Fluid und das Auffüllen der zweiten diskreten Unterkammer mit einem zweiten Fluid auf. Ein nachfolgender Schritt 608 weist das Loskuppeln der deformierbaren Membran von der ersten Vorrichtungsschicht auf.
  • In einer anderen Ausführungsform kann eine Mikrofluidik-Vorrichtung zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen mit einer "kollabierbaren" Kammer hergestellt sein, welche von einer deformierbaren Membran begrenzt ist, wobei das Volumen der Kammer durch Deformieren der Membran unter Anwendung von pneumatischen, magnetischen oder äquvalenten Mittel deformiert werden kann. Vorzugsweise ist die Kammer anfangs kollabiert, um das Eintreten eines Fluids in die Kammer zu verhindern, und dann wird das Kammervolumen expandiert zum Öffnen der Kammer und zum gleichzeitigen Hineinsaugen von Fluidstopfen in die Kammer. Beispielsweise, mit Bezugnahme auf 5A–5D, ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 230 zum Kombinieren diskreter Fluid-Volumens mit acht Schichten hergestellt. Die 5A–5B zeigen Draufsichten der Vorrichtung 230 und die 5C–5D stellen Querschnittsansichten entlang der Schnittlinie "E"-"E" (dargestellt in 5B) eines Abschnitts der Vorrichtung 230 im Betrieb bereit.
  • Vorzugsweise ist die erste Schicht 232 ein starres Substrat, die zweite, sind vierte und sechste Schicht 233, 235, 237 aus doppelseitigem Klebeband konstruiert, ist die dritte Schicht 234 ein deformierbarer Membranfilm wie beispielsweise Latex, ist die fünfte Schicht 236 aus einem nicht klebenden Film konstruiert, ist die siebte Schicht 238 aus einem einseitigen Klebeband konstruiert, wobei der Klebstoff nach unten zeigt, und ist die achte Schicht 239 aus einer hydrophoben Porenmembran konstruiert. Die zweite Schicht 233 definiert eine Betätigungskammer 240, die von einer Außenquelle (nicht gezeigt), die an der Vorrichtung 230 an einer Betätigungsöffnung 241 angeschlossen ist, vom Druck befreit und/oder unter Druck gesetzt werden kann, um den uneingeschränkten Abschnitt 243 der deformierbaren Membran zu deformieren, welche die dritte Schicht 234 ausbildet. Unter dem uneingeschränkten Abschnitt 242 der dritten Schichtmembran ist eine Fluidkammer 244, welche in der vierten Schicht 237 definiert ist. In der fünften Schicht 236 an der Untergrenze der Mischkammer 244 sind Fluidik-Einlassöffnungen 245, 246 zum Zuführen von Fluid-Stopfen zu der Fluidkammer 244 definiert, wobei die Stopfen zu der Vorrichtung 230 durch Außenöffnungen 247, 248 zugeführt werden, welche in Kommunikation mit Fluidikkanälen 251 in der sechsten Schicht 237 stehen. Eine abwärts gerichtete Deformation des uneingeschränkten Abschnitts 242 bedeckt die Fluidik-Einlassöffnungen 245, 246, um den Fluidzutritt zu der Kammer 244 zu verhindern.
  • Im Betrieb wird anfangs an der Betätigungskammer 240 Druck angelegt, um den uneingeschränkten Abschnitt 242 so zu deformieren, dass die Fluidik-Einlassöffnungen 242, 246 bedeckt sind und der Fluidzutritt zu der Kammer 244 verhindert wird. Ein erstes Fluid und ein zweites Fluid werden der Vorrichtung 230 über die Einlassöffnungen 247A, 248A in die Fluidkanäle 251A, 251B entlang beiden Seiten der Vorrichtung 230 zugeführt, wobei die Probekammer 244 geschlossen ist. Jeder Einlasskanal 251A, 251B weist einen zugehörigen Anschluss 252A, 252B und einen Verzweigungskanal 249, 250 auf. Ein erstes Fluid, welches der einen Öffnung 247A zugeführt wird, füllt den ersten Kanal 251 und den ersten Abzweigungskanal 249. Ein zweites Fluid, welches der anderen Öffnung 247B zugeführt ist, füllt den zweiten Kanal 251B und den zweiten Abzweigungskanal 250. Entlüftungsbereiche 253, 254, welche eine Fluid-Kommunikation zwischen den Abzweigungskanälen 249, 250 und der porösen achten Schicht 239 bereitstellen, ermöglichen das Vorrücken von Fluiden, um jegliche Luft aus den Abzweigungskanälen 249, 250 zu verdrängen. Sobald befüllt, kann das Fluid in den Abzweignungskanalabschnitten 249, 250 in diskrete Volumen-Stopfen durch Entleeren der Kanäle 251A, 251B isoliert werden, wie beispielsweise durch Anwenden unter Druck gesetzter Luft oder unter Druck gesetzten Stickstoffs. Sobald die Stopfen in den Abzweigungskanälen ausgebildet sind, wird ein Vakuum an der Betätigungskammer 240 angelegt, um den uneingeschränkten Abschnitt 242 der deformierbaren Membran 234 zum Aufwärtsbiegen zu veranlassen, wodurch die Probekammer 244 geöffnet wird. Bezugnehmend auf die 5D erzeugt das Aufwärtsbiegen des uneingeschränkten Abschnitts 242 ein Vakuum in der Probekammer 244, welches die Stopfen des ersten Fluids und des zweiten Fluids in die Probekammer 244 hineinsaugt, so dass den Stopfen das Kombiniert werden erlaubt wird. Sobald sie in der Kammer 244 sind, werden die Stopfen sich stufenweise aufgrund von Diffusion vermischen. Das Mischen kann durch die Zugabe von Energie beschleunigt werden, wie beispielsweise durch Schütteln der Vorrichtung 230, durch Anlegen von einem Schall-(zum Beispiel Ultraschall)Horn (nicht gezeigt), welches an die Probekammer 244 angrenzt, durch ein Magnet-Partikel (nicht gezeigt), welches in der Kammer 244 vorgesehen ist und das Partikel mit einem Außenmagnetfeld oder durch andere Mischmittel bewegt wird.
  • In einer anderen Ausführungsform, welche eine deformierbare Membran anwendet, sind zwei Fluid-Stopfen hinter einer deformierten Membran ausgebildet und das Druckanlegen hinter den Proben öffnet die Mischkammer und erlaubt, dass die Proben kombinierbar sind. Bezugnehmend auf die 6A–6B, welche Querschnittansichten eines Abschnitts 260 einer Mikrofluidik-Vorrichtung zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen sind, ist die Vorrichtung 260 aus sechs Schichten 261–266 ausgebildet. Vorzugsweise ist die erste Schicht 261 ein starres Substrat, sind die zweite und die vierte Schicht 262, 264 doppelseitige Klebebänder, ist die dritte Schicht 263 eine deformierbare Membran, wie beispielsweise ein 4 millizoll (100 μm) dickes Latex, ist die fünfte Schicht 265 ein einseitiges Klebeband, wobei der Klebstoff nach unten zeigt, und ist die sechste Schicht 266 eine hydrophobe Porenmembran. Die zweite Schicht 262 definiert eine Betätigungskammer 267 und die vierte Schicht 264 definiert eine Probekammer 271, wobei die beiden Kammern 264, 267 von einem uneingeschränkten Abschnitt 268 der deformierbaren Membran 263 getrennt sind. Die Fluidik-Kanalabschnitte 269, 270, welche in der vierten Schicht 264 definiert sind, transportieren ein Fluid zu den Grenzen der Probekammer 271. Entlüftungslöcher 272, 273 sind in der fünften Schicht 266 definiert, um Luft, welche in den Kanalabschnitten 269, 270 mitgerissen wird, mittels der Fluide zu verdrängen wie sie in die Probekammer 271 gefüllt werden.
  • Im Betrieb wird die Betätigungskammer 267 anfänglich von einer Außenkammer (nicht gezeigt) zum Deformieren des uneingeschränkten Abschnitts 268 der deformierbaren Membran 263 abwärts zum Schließen (oder Kollabieren) der Probekammer 271, wie in 6A gezeigt, unter Druck gesetzt. Der erste Kanalabschnitt 269 wird dann mit einem ersten Fluid gefüllt und der zweite Kanalabschnitt 270 wird mit einem zweiten Fluid gefüllt. Den beiden Fluiden wird ermöglicht, hin zu den kollabierten uneingeschränkten Abschnitt 286 der Membran 263 aufgrund der Entlüftungslöcher 272, 273 zu strömen, welche jede Luft vor dem vorrückenden Fluiden entlüften. Sobald Liquidstopfen in den Kanalabschnitt 269, 270 ausgebildet sind, wird der Druck in der Betätigungskammer 267 freigegeben oder zumindest reduziert. Jedoch wird Vakuum vorzugsweise nicht an das ziehende Vakuum angelegt, sodass die Probekammer 271 kollabiert bleibt. Die Kanalabschnitte 269, 270 werden dann unter Druck gesetzt, wie beispielsweise durch Anlegen eines unter Druck gesetzten Gases in einem oder mehreren Stromaufwärtsbereichen (nicht gezeigt). Der erste Fluid-Stopfen und der zweite Fluid-Stopfen betreten dann die Mischkammer 271 und verstellen dann die deformierbare Membran 268 nach oben, wie in 6B gezeigt. Sobald jeder Stopfen in der Probekammer 271 vorhanden ist, entkommt das unter Druck gesetzte Gas, welches hinter jedem Stopfen angelegt ist, durch die Entlüftungslöcher 272, 273 und der erste Fluidstopfen und der zweite Fluidstopfen bleiben zum Kombiniert werden in der Kammer 271.
  • 15 stellt die Schritte eines bevorzugten Verfahrens zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen dar, welches Mikrofluidik-Vorrichtungen anwenden kann, wie beispielsweise jene, welche in den 5A–5B (oder andere darin offenbarten Ausführungsformen) dargestellt sind. Ein erster Schritt 650 weist das Bereitstellen einer Mikrofluidikvorrichtung auf, welche eine Kammer hat, welche entlang einer Fläche von einer deformierbaren Membran begrenzt ist, welche mehrere Mikrofluidik-Känale zum Zuführen unterschiedlicher Fluide hin zu der Kammer aufweist. Die nächsten Schritte 652, 654 können aufeinanderfolgend oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden; sie weisen das Manipulieren der deformierbaren Membran auf, um eine Fluid-Kommunikation zwischen einem ersten Mikrofluidik-Kanal und der Kammer nicht zu erlauben, und das Manipulieren der deformierbaren Membran auf, um die Fluid-Kommunikationn zwischen einem zweiten Mikrofluidik-Kanal und der Kammer nicht zu erlauben. Die folgenden Schritte 656, 658 können wieder aufeinanderfolgend oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden; sie weisen das Füllen des ersten Mikrofluidik-Kanals mit einem ersten Fluid und das Füllen des zweiten Mikrofluidik-Kanals mit einem zweiten Fluid auf. Ein weiterer Schritt 660 weist das Manipulieren der deformierbaren Membran auf, um dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid das Betreten der Mikrofluidik-Kammer zu erlauben.
  • In einer anderen Ausführungsform werden mehrere kollabierbare Kammern innerhalb einer Mikrofluidik-Vorrichtung verwendet, um die Anwesenheit von Luft in einer Probenkammer zu minimieren, welche zum Aufnehmen von Fluiden, welche zu kombinieren sind, vorgesehen ist. Bezugnehmend auf 7A–7G ist ein Beispiel von einer derartigen Mikrofluidik-Vorrichtung 280 aus acht Schichten 281–289 konstruiert. Vorzugsweise ist die erste Schicht 281 ein starres Substrat; sind die zweite, vierte und sechste Schicht 282, 284, 286 aus doppelseitigen Klebeband konstruiert; ist die dritte Schicht 283 aus einer deformierbaren Membran wie beispielsweise Latex ausgebildet; ist die fünfte Schicht 285 aus einem nichtklebenden Film konstruiert; ist die siebente Schicht 287 aus einem einseitigem Klebeband konstruiert, wobei es die Klebestoffseite unten hat; und ist die achte Schicht 288 Schicht ein poröser Film. Vorzugsweise ist die achte Schicht 288 auch hydrophob. Die zweite Schicht 282 definiert zwei mittlere Betätigungskammern 289, 290, welche über einer Probekammer 291 (welche in der vierten Schicht 284 definiert ist) angeordnet sind, und definiert auch zwei seitliche Betätigungskammern 292, 293, welche über Fluidik-Öffnungen 294, 295 angeordnet sind, welche in der fünften Schicht 285 definiert sind. Die Fluidik-Öffnungen 294, 295 sind imstande Fluide aus den Kanalabschnitten 296, 297 mir der Probekammer 291 in Kommunikation zu bringen, wenn die seitlichen Betätigungskammern 292, 293 nicht unter Druck gesetzt sind, da die deformierbare Membran 283 die seitlichen Kammern 292, 293 begrenzt, so dass die Öffnungen 294, 295 bedeckt sind. Die 7A zeigt eine Querschnittansicht der Mikrofluidik-Vorrichtung 280 bevor mit irgendeiner Aktion begonnen wird.
  • Bezugnehmend auf 7B werden zum Vorbereiten der Betätigung der Mikrofluidik-Vorrichtung 280 die zentralen Betätigungskammern 289, 290 über der Probekammer 291 zuerst unter Druck gesetzt, vorzugsweise auf ungefähr 10 psi, um die dritte Schicht-Membran 243 lokal zum Kollabieren der Probekammer 291 zu deformieren. Während ein geringerer Druck verwendet werden kann, wurde von einem Druck von ungefähr 10 psi herausgefunden, dass er eine wirksamen Versiegelung bereitstellt. Die seitlichen Betätigungskammern 292, 293, welche über den Einlassöffnungen 294, 295 positioniert sind, werden dann unter Druck gesetzt, vorzugsweise auf ungefähr 10 psi, um die Öffnungen 294, 295 zum Verhindern des Fluidflußes dort hindurch zu versiegeln. Die kombinierte Wirkung der seitlichen Betätigungskammern 292, 293, der deformierbaren dritten Schichtmembran 283 und der Öffnungen 294, 295, welche in der fünften Schicht 285 definiert sind, wirken als Membran-Ventile. Der Grund, dass die zentralen Betätigungskammern 289, 290 vor den seitlichen Betätigungskammern 292, 293 unter Druck gesetzt werden, ist, dass das Einschließen von Luft 291 in der Probekammer minimiert wird.
  • Der Unterdrucksetzung von allen vier Betätigungskammern 289, 290, 292, 293 folgt das Einführen eines ersten Fluids in den ersten Kanalabschnitt 296 und eines zweiten Fluids in den zweiten Kanalabschnitt 297, um zwei diskrete Fluidstopfen auszubilden. Wenn die Fluid-Stopfen in die Kanalabschnitte 296, 297 eingeführt sind, wird jegliche Luft, welche in den Abschnitten 296, 297 ist, durch die Entlüftungslöcher 298, 299 und die poröse achte Schicht 288 entlassen. Die diskreten Fluid-Stopfen werden dann in die Probekammer 291 eine nach der anderen eingeführt. Zum Einführen des ersten Fluid-Stopfens wird ein Gas (z. B. Stickstoff oder Luft) auf ungefähr 14 zoll-H2O hinter dem ersten Stopfen unter Druck gesetzt, dann werden die erste seitliche Betätigungskammer 292 und die erste zentrale Betätigungskammer 290 unter Druck gesetzt, wobei dem ersten Stopfen ermöglicht wird, dass er in die eine Hälfte der Probekammer 291, wie in 7D gezeigt, fließt. Dem Einführen des ersten Stopfens folgt das Wiederunterdrucksetzen der ersten seitlichen Betätigungskammer 293, um den ersten Stopfen in der Probekammer 291 zu Versiegeln, wie in 7E gezeigt, wodurch ein Entkommen oder ein Verdunsten verhindert wird. Die vorangegangenen beiden Schritte werden dann für den zweiten Stopfen wiederholt: der Stopfen wird von hinten unter Druck gesetzt, die Betätigungskammern 292, 289 werden geöffnet (wie in 7F gezeigt), der Stopfen betritt die Probekammer 291 und die zweite Betätigungskammer 292 wird wieder unter Druck gesetzt, um die Probekammer 291 zu versiegeln. Der Endzustand der Vorrichtung 280, wobei die beiden Stopfen in der Probekammer 291 vorhanden und versiegelt sind, folgt das Unterdrucksetzen der seitlichen Betätigungskammern 292, 293, wie in 7G gezeigt.
  • In einer anderen Ausführungsform ist eine liquidpermeable poröse Membran zwischen einer Probekammer und einer Betätigungskammer angeordnet. Bezugnehmend auf 8A–8B ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung 300 mit acht Schichten 301–308 konstruiert. 8A ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung 300 und 8B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Vorrichtung 300 entlang der Schnittlinie "F"-"F", welche in 8A gezeigt ist. Die erste Schicht 301 ist ein Substrat, welches Fluidik-Öffnungen 310A, 310B, 311A, 311B zur Kommunikation von Fluiden mit der Vorrichtung 300 und eine Betätigungsöffnung 312 definiert, welche mit einer Außenvakuumsquelle (nicht gezeigt) verbunden ist. Vorzugsweise sind die zweite, vierte und sechste Schicht 302, 304, 306 aus einem doppelseitig selbstklebenden Band konstruiert; sind die dritte und die fünfte Schicht 303, 305 hydrophob (oder, falls die Probenfluide nicht wässrig sind, dann gegenüber dem bestimmten zu verwendenden Fluid ähnlich widerstandsfähig) poröse Membranen; ist die siebente Schicht mit einseitigem Klebeband konstruiert, wobei der Klebstoff nach unten zeigt; und ist die achte Schicht 308 aus einem nicht klebenden Film konstruiert. Die zweite Schicht 302 definiert eine Betätigungskammer 313, die vierte Schicht 304 definiert eine Probekammer 314 und die sechste Schicht 306 definiert Fluidik-Einlassöffnungen 315, 316, welche eine Fluid-Kommunikation zwischen den Kanälen 319A, 319B und der Probekammer 314 erlauben. Eine Funktion der dritten Schicht 303 ist, Liquid am Eindringen in die Betätigungskammer 313 zu behindern. Vorzugsweise weist die fünfte Schicht 303 eine größere Liquid-Permeabilität als die dritte Schicht 303 auf, so dass ein Fluid durch die fünfte Schicht 303 bei einem niedrigeren Schwellenwert-Druck hindurch passieren kann, als es durch die fünfte Schicht 305 hindurchpassieren kann. Beispiele von geeigneten porösen Materialien weisen Materialien, welche im Allgemeinen von Porex Technologies (Fairburn, GA) verfügbar sind und GORE-TEX®-type Materialien aufweisen.
  • Bei der Betätigung der Vorrichtung 300 sind ein erstes Fluid und ein zweites Fluid zu der Vorrichtung 300 mit geringem Druck durch die Außenöffnungen 310, 311 zugeführt und kommunizieren mit den Einlassöffnungen 317A, 317B. Vorzugsweise sind das erste Fluid und das zweite Fluid Flüssigkeiten. Eine Verbindungsstelle 318A, 318B in jedem Einlasskanal 317 erlaubt, dass jedes Fluid, einen Abzweigungskanalabschnitt 319A, 319B befüllt. Danach wird jedes restliche erste Fluid in dem ersten Einlasskanal 317A und jedes restliche zweite Fluid des zweiten Einlasskanals 315 durch Ausspülen dieser Fluide mit einem unter Druck gesetzten Gas abgeführt, welches die Fluide aus den Einlassöffnungen 310A, 311A hin zu den Auslassöffnungen 310B, 311B drückt, um diskrete Fluid-Stopfen in den Abzweigungskanälen 319A, 319B (nämlich einen ersten Fluid-Stopfen in dem ersten Abzeigungskanal 319A und einem zweiten Fluid-Stopfen in dem zweiten Abzweigungskanal 319B) auszubilden. Die fünfte Schicht 305 funktioniert, die Stopfen am Eindringen in die Probekammer 314 zu stoppen, wenn die Stopfen dosiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die fünfte Schicht 305 eine größere Liquidpermeabilität als die dritte Schicht 303 auf, so dass bei einem gegebenen Schwellwertdruck ein Liquid in die Probekammer 314 hineingesaugt werden kann, aber am Eindringen in die Betätigungskammer 310 gehindert wird. Ein Vakuum wird dann an der Betätigungskammer 313 angelegt, um die Fluid-Stopfen durch die poröse fünfte Schicht 305 in die Probekammer 314 zu saugen, wo die Stopfen kombiniert werden. Alternativ kann die Betätigungskammer 314 an der Atmosphäre entlüftet werden und der erste und der zweite Fluid-Stopfen können unter Druck gesetzt werden, so dass sie durch die poröse fünfte Schicht 305 hindurch in die Probekammer 314 gedrückt werden.
  • Eine andere Ausführungsform zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen wendet ein poröses Material an, vorzugsweise ein hydrophob poröses Material, zum Entlüften einer Probekammer. Bezugnehmend auf 9A–9C ist eine Mikrofluidik-Vorrichtung zum Kombinieren von jeweils vier Fluidpaaren mit acht Schichten 321–328 konstruiert. Die Vorrichtung 320 erlaubt, dass vier Stopfen von jedem Fluid (in vier separaten Probekammern) auf simultane Weise dosierbar und dann kombinierbar sind. 9A ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung 320, 9B ist eine vergrößerte Draufsicht eines Abschnitts der Vorrichtung 320, welche die Schnittlinie "G"-"G" darstellt, und 9C ist eine Seitenschnittansicht eines Abschnitts der Vorrichtung 320 entlang der Schnittlinie "G"-"G". Vorzugsweise ist die erste Schicht 321 ein Substrat; sind die zweite, vierte und sechste Schicht 322, 324, 326 doppelseitige selbstklebende Bänder; ist die dritte Schicht 323 eine deformierbare Membran, wie beispielsweise ein 4 millizoll (100 μl) dicker Latexfilm; ist die fünfte Schicht 325 ein nicht klebender Film; ist die siebente Schicht 327 ein einseitiges Klebeband, wobei der Klebstoff nach unten zeigt; und ist die achte Schicht 328 eine poröse Membran. Vorzugsweise ist die erste Schicht 321 ein starrer Festkörper, um ein gesteuertes Unterdrucksetzen der Betätigungskammern 329, 330 in der zweiten Schicht 322 zu vereinfachen. Die zweite Schicht 322 definiert zwei Betätigungskammern 329, 330 für jede Probekammer, welche über den Fluidik-Öffnungen 332, 333 in der fünften Schicht 325 so angeordnet sind, dass das Unterdrucksetzen der Betätigungskammern 329, 330 die deformierbare dritte Schicht 323 lokal deformiert, um die Öffnungen 332, 333 zu blockieren, welche daher als Membranventil funktionieren. Vier Probekammern 334 sind in der vierten bis einschließlich der siebten Schicht 324–327 definiert, wobei die untere Grenze von jeder Kammer 334 die poröse achte Schicht 328 ist. Nach dem Zuführen von zwei Stopfen zu einer Probekammer 334 wird jede Luft, welche in der Kammer 334 präsent ist durch die poröse Schicht 328 entlassen, welche die Stopfen am Entkommen hindert.
  • Die Fluidik-Öffnungen 332, 333 sind zu den Wänden der Probekammer 343 in der fünften Schicht 325 seitlich versetzt, so dass ermöglicht wird, dass die Öffnungen 332, 333 vollständig bedeckt werden, wenn die Betätigungskammern 329, 330 unter Druck gesetzt werden.
  • Im Betrieb ist ein Fluid-Stöpsel in jedem Kanalsegment 335, 336 an gegenüberliegenden Seiten von jeder Probekammer 334 bereitgestellt. Die Stopfen kommunizieren mit den Kanalabschnitten 335, 336 aus den Einlassöffnungen 337A, 337B, 338A, 338B in der ersten Schicht 321 und den Fluidikkanälen 339, 340. Entlang jeder Seite der Vorrichtung teilen Verbindungsstellen 341 die Fluidikströme in vier Abschnitte 335, 336, worin die Stopfen ausgebildet werden. Das Fluid in den Kanälen 339 kann mit einem unter Druck gesetzten Gas ausgespült werden, so dass es von den Einlässen 335A, 338A hin zu den Aulässen 337B, 338B fliesst, so dass die diskreten Stopfen in den acht Abzweigungskanälen 335, 336 definiert werden. Das Gesamtvolumen von jedem Stopfen sollte etwas kleiner als die Hälfte des Volumens von jeder Probekammer 334 sein, so dass die zwei Stopfen in eine Probekammer 334 mit wenig Raum zum Entweichen von Luft passen. Ein Druck wird von hinten an die Stopfen angelegt, wenn die Stopfen zu der Probekammer 334 gefördert werden; vorzugsweise ist der angelegte Druck kleiner als der Druck, der an den Betätigungskammern 329, 330 angelegt wird, um die Membranventile am Lecken zu hindern. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Betätigungskammern 329, 330 annähernd auf 2–4 psi zum Schließen der Ventile unter Druck gesetzt und der Druck, welcher an jeden Fluidstopfen angelegt ist, ist kleiner als 1 psi. Jedoch ist der Grad des Druckes, welcher anzulegen ist, abhängig von der Porosität und dem Material der porösen achten Schicht 328. Es gibt einen 'Wassereinbruchdruck', bei welchem Wasser die poröse Membran 328 durchdringen wird. Der an den Fluid-Stopfen angelegte Druck übersteigt vorteilhafter Weise nicht den Wassereinbruchdruck der porösen. achten Schicht 328. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Druck von 0,3 psi, welcher an den Fluid-Stopfen angelegt ist, ausreichend zum Bewegen des Fluids und übersteigt nicht den Wassereinbruchsdruck der meisten hydrophoben porösen Membranen.
  • Die 10A–10C zeigen ein Beispiel einer kombinatorischen Mikrofluidik-Vorrichtung 600 gemäß einer Ausführungsform, welche erlaubt, dass drei unterschiedliche Proben und drei unterschiedliche Reagenzien, alle von ungewissen Volumen, in neun separaten Probekammern dosierbar und kombinierbar sind. Bezugnehmend auf 10A wurde die Vorrichtung 350 aus 13 Schichten einschließlich aus einem Substrat und aufgeschichteten Matrizen, konstruiert. Die erste Schicht 351 war ein starres, 2-1/4 × 2-1/4 quadratisches Substrat, welches zwei Paar Öffnungen 365, 366 für ein Steuer-Fluid aufweist, wie beispielsweise "Hochdruck"-(ungefähr 10 psi)Luft. Die zweite Schicht 352, welche aus einem 5,5 millizoll (138 μm) doppelseitigen Klebeband konstruiert ist, welches einen PET-Träger und Acrylklebestoff auf beiden Seiten hat, wurde für Steuerventile innerhalb jeder Probekammer 375 verwendet. Wie in Verbindung mit 10A–10C verwendet, bezieht sich der Begriff "Ventil" auf eine unter Druck setzbare Kammer, eine Reaktionskammer und eine deformierbare Membran, welche die Kammern trennt. Zwei separate Netzwerke 367, 368 aus Kanälen und Kammern, wobei jedes über Durchgangslöcher 367A, 368A an gegenüberliegenden Ecken der Vorrichtung 350 gespeist wird, wurden in der zweiten Schicht 352 definiert, so dass ermöglicht wird, dass eine Unterkammer-375A, 375B-Seite von jeder Probekammer 375 gleichzeitig von dem Hochdrucksteuerfluid steuerbar ist. Die dritte Schicht 353 wurde aus einem 2 millizoll (50 μm) dicken biaxial orientierten Polyethylenfilm hergestellt und definierte neun Paar Membranventile-Durchgangsöffnungen 370, wobei eine Öffnung von jedem Paar in Fluid-Kommunikation mit einem Netzwerk in der zweiten Schicht 352 steht. Die zweite Schicht 352 und die dritte Schicht 353 weisen ferner Durchgangslöcher 369, 371 auf, so dass das Übertragen von Fluid aus den Öffnungen 366 in der ersten Schicht 351 zu der dritten Schicht 354 ermöglicht wird. Die vierte Schicht 354 wurde aus demselben doppelseitigen Klebeband ausgebildet, wie in der zweiten Schicht 352 verwendet und wurde für Steuermembranventilbereiche 377 verwendet, welche den Probekammern 375 benachbart sind. Ähnlich zu der zweiten Schicht 352 wurden zwei separate Netzwerke 373, 374 aus Kanälen und Kammern, welche über die Durchgangsöffnungen 371 gespeist wurden, in der vierten Schicht 354 definiert, so dass ermöglicht wird, dass ein Membranventilbereich 377, welcher mit jeder Unterkammer 375A, 375B korrespondiert, gleichzeitig steuerbar ist. Die vierte Schicht 354 definiert ferner Durchgangslöcher 372, welche in Fluid-Kommunikation mit Durchgangslöchern 370 stehen, welche in der dritten Schicht 353 definiert sind, wobei die Durchgangslöcher 371, 372 als Betätigungskammern funktionieren, um den Zufluss von Fluiden in die Probekammern 375, welche in der sechsten Schicht 356 definiert sind, zu steuern. Die fünfte Schicht 355 war eine deformierbare (flexible) Membran, welche aus einem vier millizoll (100 μm) dicken Latexfilm hergestellt ist, welche als das Ventilmaterial in den Probekammern 375 und den Membranventilbereichen 377 verwendet wurde. Die sechste Schicht 356 wurde aus demselben doppelseitigen Klebeband konstruiert, welches in der zweiten und vierten Schicht 352, 354 verwendet wurde. In der sechsten Schicht 356 waren neun Probekammern 375 definiert (wobei jede Unterkammern 375A, 375B aufweist), wobei jede Kammer 375 zwei zugehörige Membranventil-Hohlräume 377 und Kanäle 376 hat, um jeden Membranventil-Hohlraum mit seiner zugehörigen Probe-Unterkammer 375A, 375B zu verbinden. Die siebte Schicht 357 wurde aus demselben Polypropylen-Filmmaterial hergestellt, welches in der dritten Schicht 353 verwendet wurde und definierte neun Paare von Durchgangslöchern 378, welche mit den Membranventilhohlräumen 377 in der sechsten Schicht 356 verbunden sind. Die achte Schicht 358 wurde aus einem doppelseitigen Klebeband, dasselbe wie die zweite, dritte und sechste Schicht 352, 354, 356 hergestellt und definierte drei Netzwerke 379 von Abzweigungskanälen (wobei in jedem drei Splitter 380 eingebaut sind), um drei Fluidströme (z. B. Reagenzien) in drei Stopfen pro Kanal aufzuteilen. Die neunte Schicht 359 wurde aus demselben Polypropylenfilm hergestellt, wie der, der in der dritten und siebten Schicht 353, 357 verwendet wurde und wies Entlüftungsdurchgangslöcher 384 (so dass der Luft ermöglicht wird, abwärts zu entkommen, wenn die Stopfen eingeladen werden), zentrale Fluid-Durchgangslöcher 383, so dass eine Fluidik-Verbindung mit der Probekammer 375 bereitgestellt wird, und Umfangsdurchgangslöcher 382 auf. Die zehnte Schicht 360 wurde aus einem doppelseitigen Klebeband (das gleiche, wie es in den vorhergehenden gleichnummerierten Schichten verwendet wurde) hergestellt und definierte drei Netzwerke 386 aus Abzweigungskanälen, wobei in jedem drei Splitter 388 eingliederte waren und auf die gleiche Weise wie die Netzwerke in der achten Schicht 358 zum Unterteilen der drei Fluide (z. B. drei Proben) in eine Gesamtsumme von neun Stopfen funktionierten. Die zehnte Schicht 360 definierte ferner Durchgangslöcher zur Fluid-Kommunikation mit der neunten Schicht 359 und weiter mit der achten Schicht 358. Die elfte Schicht 361 wurde aus einem einseitigen Klebeband hergestellt, welches aus einem 1 millizoll (25 μm) Polyesterträger mit 0,8 millizoll (20 μm) Acrylklebstoff bestand, wobei die Klebstoffseite unten ist. Die elfte Schicht 361 funktionierte so, dass eine gleichmäßige Bodenfläche für Kanäle in der zehnten Schicht 360 bereitgestellt ist, so dass Entlüftungs-Durchgangslöcher 390 und Umfang-Fluid-Durchgangslöcher 389, 391, beispielsweise für Proben und Reagenzien, bereitgestellt sind. Die zwölfte Schicht 362 wurde aus einem hydrophoben, porösen Polyethylenfilm mit einer Porengröße von 2,5–4,5 μm hergestellt und funktioniert so, dass der Luft erlaubt wird, aus den Stopfenkanälen zu entkommen, aber dass das Fluid in der Vorrichtung 350 gehalten wird. Da der poröse Film der zwölften Schicht 362 undurchsichtig war, wurden neun zentrale Fenster 393 in den Film geschnitten, um das Überwachen oder Analysieren der Probekammern 375 von unten zu erleichtern.
  • Ferner wurden Umfang-Fluid-Durchgangslöcher in der zwölften Schicht 392, 394 definiert, beispielsweise für Proben und Reagenzien. Schließlich wurde die dreizehnte Schicht 363 aus einem einseitigen Klebeband (dasselbe Material wie Schicht 11) hergestellt und funktionierte so, dass das poröse Material der zwölften Schicht 362 abgedeckt ist, außer wo die zentralen Durchgangslöcher 396 und die Umfangslöcher 395 (welche zusammen die Öffnungen 397A, 397B, 398A, 398B aufweisen) definiert waren. Die zusammengebaute Vorrichtung 350 ist in 10B gezeigt, wobei ein Abschnitt der Vorrichtung in 10C vergrößert dargestellt ist, um zusätzliche Details zu zeigen.
  • Um die Mikrofluidik-Vorrichtung 350 für die Betätigung vorzubereiten, wurde die Vorrichtung 350 an eine Hochdruck-Luftquelle und Isolationsventile (nicht gezeigt) von oben an die Öffnungen 365, 366 angeschlossen und an sechs Fluid-Quellen (welche Liquid- und Niederdruck-Luft zuführten) von unten an den Öffnungen 395 angeschlossen. Die Hochdruck-Luftquellen wurden mit einem Druck von ungefähr 10 PSI versehen, um die Probekammer-375-Ventile und um die zugehörigen Membran-Ventile 377 zu schließen. Die Probekammer-Ventile waren aus einer "kollabierenden Kammer" designed, wie hierin diskutiert. Bei der Betätigung, wobei die Ventile 375, 377 geschlossen sind, wurden sechs Liquid-Ströme in die Vorrichtung mit Spritzen (nicht gezeigt) unter Anwendung der Öffnungen 395 injiziert, um das abzweigende Kanal-Netzwerk 379, 386 vollständig zu füllen, welche in der achten und zehnten Schicht 358, 360 angeordnet sind. Danach wurde die Luft (hinter jedem Liquid in den Spritzen) in die Öffnungen 395 gedrückt, um überschüssiges Liquid in die Kanäle 379, 386 aus der Vorrichtung abzuführen, was dosierte Liquid-Stopfen zurückließ, welche nur die Kanal-Abzweigungen füllten. Daher wurden für jeden Fluid-Strom drei Stopfen von einem bekannten Volumen von Strömen von unbekannten Volumen dosiert, um insgesamt achtzehn Stopfen auszubilden. Zwei Stopfen wurden benachbart zu jeder Probekammer 375 ausgebildet, wobei jede Unterkammer 375A, 375B zugehörige Probekammer-Ventile (welche von den Netzwerken 367, 368 betätigt wurden) und ein zugehöriges Membran-Ventil 377 (welches von dem Netzwerk 373, 374 betätigt wurde) aufweisen. Nach dem Ausbilden der achtzehn Stopfen wurden sie in die Probekammern in Neunergruppen bewegt. Das folgende Verfahren wird gleichzeitig an jeder Neunergruppe verwendet, da die Steuerungen jeder Probekammer parallel verbunden waren. Zuerst wurden zwei Hochdruck-Luftquellen freigegeben, was die lokale Abwärts-Ablenkung der verformbaren Membran in ausgewählten Stellen reduziert, um ein Probekammer-Ventil und das korrespondierende Membran-Ventil 377 zu öffnen. Wobei diese Ventile offen sind, wurde ein Stopfen in eine erste Unterkammer 375A durch Druck-Anlegen an den Fluid-Einlass von ungefähr 15 Zoll Wasser gedrückt. Sobald der Stopfen in der ersten Unterkammer 375 war, wurde das korrespondierende Membran-Ventil geschlossen. Dieser Prozess wurde dann an der angrenzenden Probe-Unterkammer 375B wiederholt: Wenn das andere Probekammer-Ventil und das korrespondierende Membran-Ventil offen waren, wurde der Stopfen in die Kammer 375B hineingedrückt und das Membran-Ventil wurde geschlossen. An dieser Stelle waren beide Stopfen in der Probekammer 375 vorhanden und sie konnten frei miteinander diffundieren. Daher werden insgesamt neun Mikrofluidik-Mischungen in einer kompakten 2-¼ × 2-¼-Vorrichtung 350 schnell ausgebildet. Die Vorrichtung 350 ist beispielsweise zum Durchführen von gebündelten homogenen Untersuchungen oder kombinatorischen Synthesen zweckmäßig.
  • In der in 10A–10C gezeigten Ausführungsform wurden Membran-Ventile getrennt von den zugehörigen Probekammer-Ventilen so bereitgestellt, dass die Überwachung oder Analyse des Inhalts der Probekammern vereinfacht ist. Da weder die Latex-Membran, welche die fünfte Schicht 355 aufweist, noch das poröse Entlüftungsmaterial der zwölften Schicht 362 optisch rein waren, erlaubte das Separieren der Membran-Ventile von den Probekammern und das Bereitstellen von Fenstern durch die zwölfte Schicht 362 hindurch eine optisch reine Bahn zu den Probekammern, welche von unten aufrecht zu erhalten ist. Vorzugsweise werden im Wesentlichen optisch durchgängige Materialien für die Vorrichtungs-Schichten oder -Abschnitte der Vorrichtungsschichten verwendet, um eine visuelle Inspektion und/oder Schnittstelle mit standardoptischen Detektions-Vorrichtungen, wie beispielsweise UV-VIS-Detektoren zu ermöglichen. Zusätzlich kann es in bestimmten Anwendungen wünschenswert sein, ein Verdunsten der sich ergebenden Gemische zu verhindern. Das Isolieren der Membran-Ventile (welche ein Verdunsten erlauben) von den Probekammern erlaubt, dass die Kanäle, welche mit den Membran-Ventilen und Probe-Kammern verbunden sind, versiegelbar sind (wie beispielsweise durch lokales Glüh-Versiegeln), so dass der Inhalt in den Probekammern eingekapselt wird, wodurch dessen Verdunstung verhindert wird.
  • In anderen Ausführungsformen können Mikrofluidik-Vorrichtungen konstruiert werden, welche eine hohe Bauteil-Dichte aufweisen. Beispielsweise können kombinatorische Mischer gemäß der Erfindung in verschiedenen Formaten und Dichten konstruiert werden, welche Formate, aber nicht auf dieselben beschränkt sind, aufweisen, wie beispielsweise: 8, 16, 24 oder 64 Probe-(Misch-)Kammern in einer quadratischen Vorrichtung, welche eine Seitenlänge von 2-¼ Zoll (mit Mischerdichten, welche von 1,6 bis 12,6 Kammern/Zoll2 oder 0,24 bis 1,93 Kammern/cm2 reichen) hat, 256 Probekammern in einer quadratischen Vorrichtung, welche eine Seitenlänge von 2-7/8 Zoll (welche eine Mischerdichte von 31 Kammern/Zoll2 oder 4,7 Kammern/cm2 hat) hat; 96, 384 oder 1536 Probekammern in einem Bereich von 8 cm × 12 cm (welcher Mischer-Dichten hat, welcher von 1 bis 16 Kammern/cm2 oder 6,5 bis 105 Kammern/Zoll2 reichen). Bezugnehmend auf 11A–11B wurde ein Bereich mit 256 Mischkammern in einer einzigen Fünfschichtigen-Quadrat-Vorrichtung 400 konstruiert, welche auf jeder Seite 2-7/8 Zoll misst. 11A stellt eine Explosionsansicht der fünf Schichten bereit und 11B ist eine Draufsicht auf die zusammengebaute Vorrichtung 400. Obwohl eine ähnliche Vorrichtung zum Aufnehmen von 16 Fluid-Einlässen entlang jeder Achse konstruiert werden könnte, ist die in 11A–11B gezeigte besondere Vorrichtung zum Empfangen von 16 separaten Fluid-Einlässen 406 entlang der einen Achse und acht separaten Fluid-Einlässen 407 entlang der anderen Achse konfiguriert. Diese Konfiguration ergibt zwei Mischkammern für jede Fluid-Kombination, um eine absichtliche Redundanz an der Vorrichtung bereitzustellen. Eine derartige Redundanz kann wünschenswert sein, um Synthese-Ergebnisse zu bestätigen und/oder systematische Fehler zu reduzieren. Die erste Schicht 401 dient als eine Abdeckung; die zweite Schicht 402 definiert sechzehn Umfangsöffnungen 414, jeweils entlang zwei Seiten der Schicht und sechzehn Linear-Kanäle 415, wobei jeder sechzehn Unterkammern 410A hat; die dritte Schicht 403 definiert sechzehn Umfangs-Durchgangslöcher 412, jeweils entlang beider Seiten der Schicht 403 und 256 Schlitze 413, um einen Fluidik-Austausch zwischen den Kammern 410A und 410B (welche, wenn miteinander kombiniert, die Kammern 410 ausbilden) auf der zweiten und vierten Schicht 402, 404 zu ermöglichen; die vierte Schicht 404 weist 16 Kanäle 409 auf, wobei jeder sechzehn Unterkammern 410B hat, mit acht Umfangsöffnungen 411, jeweils entlang beider Seiten der Schicht 404 zum Unterteilen jedes korrespondierenden Einlass-Stroms in Hälften; und die fünfte Schicht 405 definiert sechzehn Fluidik-Einlass-Öffnungen 406 entlang zwei Seiten und acht Fluidik-Einlass-Öffnungen 407 entlang den verbleibenden Seiten. Bei der Betätigung werden Fluide zu den 256 Kammern auf der zweiten und vierten Schicht 402, 404 geführt und am Vermischen von der dritten Zwischenschicht 403 gehindert. Ein Druckunterschied kann dann angelegt werden, um das Fluid durch die Schlitze 413 in die dritte Schicht 403 zu drücken, um die Diffusion zwischen den Stopfen zu bewirken. Zwei Iterationen, jeweils von 128 unterschiedlichen Fluid-Kombinationen oder -Gemischen werden ausgebildet. Alternativ kann die Vorrichtung 400 deformiert werden, um das Mischen der Fluide zu bewirken. Andere Verfahren zum Brechen der Schlitze können verwendet werden.
  • In einer anderen Ausführungsform können deformierbare Membrane magnetisch betätigt werden. Jede der vorhergehenden Ausführungsformen, welche deformierbare Membranen anwendet, könnte eher zur magnetischen Betätigung als zur pneumatischen Betätigung modifiziert werden. Beispielsweise und ohne Einschränkung sind in den 13A–13B ein alternativer Betätigungsmechanismus für deformierbare Membranen bereitgestellt, welcher mit der pneumatischen in 9A–9C offenbarten Betätigung verglichen wird.
  • Allgemein benötigt eine magnetische Betätigung einen Feld-Generator und ein magnetisches (d. h. paramagnetisch oder ferromagnetisches) Element. Das magnetische Element wird in Erwiderung auf ein Anlegen eines magnetischen Feldes bewegt, wobei die Bewegungsrichtung des magnetischen Elements von der Richtung des angelegten Magnetfeldes abhängt. Die Öffnungs- oder Schließkraft eines magnetisch betätigten Ventils kann eingestellt werden, indem die Größe des angelegten Magnetfeldes variiert wird oder ein Magnetelement mit geeigneten Antwort-Eigenschaften (Beispiel: Magnetisierung) ausgewählt wird. Beispielsweise können, falls eine starke Magnetisierung wünschenswert ist, dann magnetische Elemente verwendet werden, welche aus seltenen Erdmagnet-Materialien hergestellt sind.
  • Vorzugsweise ist mindestens ein magnetisches Element mit einer deformierbaren Membran einstückig ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist eine deformierbare Membran eine oder mehrere diskrete magnetische Elemente auf. Ein diskretes magnetisches Element kann an einer deformierbaren Membran unter Anwendung verschiedener Mittel, einschließlich Klebstoffen und einer mechanischen Sicherung, angebracht sein. Beispielsweise zeigt 12 ein magnetisches Element 421, welches an eine deformierbare Membran 420 unter Anwendung eines Klebstoffs angebracht ist. In einer bevorzugteren Ausführungsform, welche in 13A–13B gezeigt ist, ist ein diskretes magnetisches Element 458 zwischen mehreren deformierbaren Membran-Schichten 451A, 451B, 451C zum Ausbilden einer Komposit-Membran 451 sandwichartig eingelegt. Der Kontakt zwischen den Schichten 451A–451B und dem magnetischen Element 458 kann mit einem Klebstoff aufrecht erhalten werden, wie beispielsweise, wenn eine oder mehrere der Schichten der 451A–451B an einem selbstklebenden Bandmaterial ausgebildet sind. Ferner kann vorzugsweise die zentrale Membranschicht 451B eine Matrizen-Schicht sein, welche eine Öffnung definiert, in welche das Magnetelement 451 eingesetzt ist. Mehrere Membranschichten 451A–451B können unter Anwendung konventioneller Klebverfahren aufeinander geschichtet werden, wie beispielsweise Kleben oder thermisches Kleben. Kleblose Filme aus deformierbaren Materialien, wie beispielsweise Latex, Polypropylen, Polyethylen, und Polytetrafluorethylen sind bereits in Dicken von 0,5 millizoll (13 μm) oder weniger erhältlich. Wenn sie als selbstklebendes Klebeband vorgesehen sind, sind derartige Materialien bereits mit einer Gesamt-(Kleber + Klebstoff)Dicke zwischen ungefähr 1,5 und 2,0 millizoll (38 bis 50 μm) verfügbar. Eine Ausführungsform, wie beispielsweise in den 13A–13B gezeigt, kann daher mit einer kombinierten Membran-Dicke von ungefähr 2,0 bis 2,5 millizoll (50 bis 63 μm) versehen sein. In einer Ausführungsform, wie beispielsweise in den 13A–13B gezeigt, kann die Zentral-Membranschicht 451B eine Matrixschicht sein, welche von einem Kontaktklebstoff ausgebildet ist, um einer aufeinander geschichteten Membran 451 in ungefähr derselben Gesamtdicke wie vorher (ungefähr 2,0 bis 2,5 millizoll, (oder 50 bis 63 μm) auszubilden.
  • Ein diskretes Magnetelement, welches mit einer Membranschicht einstückig auszubilden ist, kann in jeder größeren Gestalt bereitgestellt werden, welche ausreichend ist, die gewünschten Flusssteuer-Eigenschaften zu begünstigen. Wenn die Flusssteuer-Vorrichtung einen Ventilsitz von einer bestimmten Geometrie anwendet, wird dann die gewünschte Gestalt und Größe des magnetischen Elements vorzugsweise so ausgewählt, dass es mit der Ventilsitz-Geometrie eine Schnittstelle bildet. Besondere Gestalten von magnetischen Elementen, welche verwendbar sind, weisen zylindrische, sphärische oder ringförmige Gestalten auf. Ein Ventilsitz kann eine Öffnung aufweisen, welche wahlweise abdichtbar ist, um den Fluid-Fluss zu steuern. Vorzugsweise kann die Membran durch eine magnetische Kraft deformiert werden, um die Öffnung abzudichten, wodurch der Fluid-Fluss verhindert wird. Alternativ kann ein ringförmiges Magnetelement benachbart zu einer Öffnung angeordnet sein, welche in einer Membran definiert ist, so dass dem Fluid unter bestimmten Umständen ermöglicht wird, sowohl durch die Membran-Öffnung als auch das ringförmige Magnetelement hindurch zu fließen. Dieser Fluidstrom-Weg kann wahlweise blockiert oder wieder aufgebaut werden durch Anlegen eines Magnetfelds, welches die Membran gegen eine Ventil-Sitzfläche deformiert.
  • Als eine Alternative zur Verwendung einer oder mehrerer diskreter Magnetelemente kann eine deformierbare Membran, welche eine diffuse Magnetschicht aufweist, vorgesehen werden. Falls eine diffuse Magnetschicht verwendet wird, ist sie dann vorzugsweise an eine deformierbare Membran gekoppelt, welche aufgrund wünschenswerter Materialeigenschaften, wie beispielsweise chemische Kompatibilität oder Abdicht-Eigenschaften ausgewählt wird.
  • Ein Magnetfeld-Generator für die Verwendung mit einer magnetisch deformierbaren Membran weist vorzugsweise eine stromführende Drahtwicklung auf, vorzugsweise ein isolierter Draht. Der Strom kann wahlweise an die Wicklung angelegt werden, wie beispielsweise unter Anwendung einer Außen-Stromquelle, um ein magnetisches Feld zu erzeugen. Die Stärke des Magnetfelds kann eingestellt werden, in dem die Größe des Stroms und die Anzahl der Windungen des Drahtes variiert wird. Die Richtung des sich ergebenden Magnetfelds ist parallel zu der Zentralachse der Wicklung. In einer bevorzugteren Ausführungsform ist ein feldkonzentrierendes Element, wie beispielsweise ein ferromagnetischer Kern entlang der Zentralachse der Wicklung bereitgestellt. Ein magnetischer Feldgenerator 470, der ein feldkonzentrierendes Element 471 und eine Wicklung aus isoliertem Draht 472 aufweist, ist in 13A–13B gezeigt. Das feldkonzentrierende Element 471 ist vorzugsweise im Wesentlichen von zylindrischer Gestalt und wenn ein hoch fokussiertes Feld gewünscht wird, sollte dann der Zylinder einen kleinen Durchmesser aufweisen. Der stromführende Draht 472 kann direkt um das feldkonzentrierende Element 471 gewickelt sein.
  • Wie ferner in 13A–13B gezeigt ist, wird ein magnetisch betätigtes Membran-Ventil durch wahlweises Stromanlegen an der Wicklung 474 betätigt. Zum Deformieren der Membran 471 (welche aus laminierten Schichten 451A–451C und dem magnetischen Element 458 ausgebildet ist) in der einen Richtung wird an der Wicklung 472 Strom in der einen Richtung angelegt. Um die Reise der Membran 451 umzukehren, wird Strom in entgegengesetzter Richtung angelegt. Die 13A zeigt die Membran 451 in einer Entspann-Position, wobei der Feld-Generator 470 im Wesentlichen zentral über dem Magnetelement 458 ist, welches wiederum im Wesentlichen zentral über einer Öffnung 471 ist, welche eine Fluid-Kommunikation zwischen einem ersten Kanal 456 und einer Probekammer 459 innerhalb einer Mikrofluidik-Vorrichtung 450 erlaubt. Die Vorrichtung 450 ist aus einer Drei-Schicht-Komposit-Membran 451 und fünf anderen Vorrichtungsschichten 452, 453A, 453B, 454, 455 ausgebildet. Die Bodenschicht 455 ist vorzugsweise ein poröses Material und ein Entlüftungsloch 460 ist in der fünften Schicht 454 ausgebildet, um der Luft innerhalb des Kanals 454 zu ermöglichen, vor einer vorrückenden Liquid-Front zu entkommen. 13B zeigt die Membran 451 in einer Deformations-Position und beim Kontaktieren der Sitzschicht 452, welche die Öffnung 457 definiert, um den Fluidstrom zwischen dem ersten Kanal-Segment 456 und der Probekammer 459 zu verhindern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können mehrere magnetisch betätigte Fluss-Steuerventile in einer einzigen Mikrofluidik-Vorrichtung einstückig ausgebildet sein. Eine Mikrofluidik-Vorrichtung kann mindestens eine deformierbare Membran und mehrere diskrete Magnetelemente aufweisen. Vorzugsweise kann eine derartige Vorrichtung zum Manipulieren des Fluids zwischen mehreren Fluidik-Einlassöffnungen und mehreren Probekammern verwendet werden. Ein Magnetfeld-Generatorbereich, welcher mehrere Wicklungen und feldkonzentrierende Elemente aufweist, kann in relativ enger Nähe zu der Mikrofluidik-Flusssteuervorrichtung positioniert sein, um das Fluid in der Vorrichtung zu manipulieren. Jedoch berührt der Feld-Generatorbereich vorzugsweise nicht die Mikrofluidik-Vorrichtung. Vorzugsweise ist ein Wicklungs- und Feld-Fokussierelement bereitgestellt und mit jedem Magnetelement gepaart. Ein Vorteil, dass Feld-Fokussier-Elemente in einer derartigen Vorrichtung verwendet werden, ist, dass eine ungewollte Interferenz zwischen ungepaarten Wicklungen und Magnetelementen minimiert wird. Hochdichte Bereiche des Feld-Generators können daher verwendet werden, um eine präzise Steuerung über das Fluid bereitzustellen, welches in einen kleinen Bereich strömt. Die komplexe Betätigung eines Fluidik-Systems kann daher bereitgestellt werden, ohne dass irgendwelche Außen-Bauteile benötigt werden, um die Vorrichtung physikalisch zu berühren.
  • Mikrofluidik-Vorrichtungen gemäß der Erfindung können im Umformen kombinatorischer Synthesen von Peptiden, Proteinen und DNS- und RNS-Oligomeren verwendet werden, wie es gegenwärtig in Makrofliuidik-Volumen durchgeführt wird. Beispielsweise kann das Folgende durchgeführt werden: Kombinatorische Synthese und/oder Screening von Plasmiden, Aptimer, Proteinen und Peptiden; Auswerten der Enzymaktivität und Derivaterstellen von Proteinen und Kohlenhydraten. Ein breites Spektrum von biochemischen und elektro-physikalischen Untersuchungen kann auch durchgeführt werden, welche aufweisen: (1) Genom-Analysen (Sequenzierung, Hybridisierung), PCR und/oder andere Detektions- und Verstärkungsschemas für DNS- und RNS-Oligomere; (2) Gen-Expression; (3) enzymatische Aktivitäts-Untersuchungen; (4) Rezeptor-Bindungsuntersuchungen und (5) ELISA-Untersuchungen. Die vorhergehenden Untersuchungen können in einer Vielzahl von Formaten durchgeführt werden, wie beispielsweise homogen, tröpfchen-basiert und flächengebunde Formate, einschließlich mikrotiter-basierende Untersuchungen, welche jede von einer Anzahl von Detektionsschemas anwenden, welche den Fachleuten bekannt sind.
  • Es ist verständlich, dass die Darstellungen und Beschreibungen von Ansichten der individuellen Mikrofluidik-Werkzeuge, Vorrichtungen und Verfahren, welche hierin bereitgestellt sind, zur Offenbarung von Bauteilen vorgesehen sind, welche in einer Arbeitsvorrichtung kombinierbar sind. Verschiedene Anordnungen und Kombinationen von individuellen Werkzeugen, Vorrichtungen und Verfahren, welche hierin betrachtet sind, sind abhängig von Anforderungen der einzelnen Anwendungen. Die einzelnen Mikrofluidik-Werkzeuge, Vorrichtungen und Verfahren, welche hierin dargestellt und beschreiben sind, sind nur exemplarisch und nicht vorgesehen den Umfang der Erfindung einzuschränken.

Claims (27)

  1. Mehrschicht-Mikrofluidik-Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450), aufweisend: • eine Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459); • einen ersten Mikrofluidik-Kanal (144, 161A–D, 176, 188, 249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409, 456), welcher zum Zuführen eines ersten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) angepasst ist; und • eine Membran (150, 157, 171, 185, 242, 268, 283, 305, 323, 355, 403, 420, 451), welche eine Fläche der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) begrenzt, wobei die Membran (150, 157, 171, 185, 242, 268, 283, 305, 323, 355, 403, 420, 451) angepasst ist zum Verhindern der Passage des ersten Fluids aus dem ersten Mikrofluidik-Zuführkanal (144, 161A–D, 176, 188, 249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409, 456) in die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) hinein; dadurch gekennzeichnet, dass • die Vorrichtung ferner aufweist einen zweiten Mikrofluidik-Zuführkanal (147, 162A–D, 177, 189, 250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415), wobei der zweite Mikrofluidik-Zuführkanal (147, 162A–D, 177, 189, 250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415) angepasst ist zum Zuführen eines zweiten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459); • die Membran (150, 157, 171, 185, 242, 268, 283, 305, 323, 355, 403, 420, 451) ferner angepasst ist, die Passage des zweiten Fluids aus dem zweiten Mikrofluidik-Zuführkanal (147, 162A–D, 177, 189, 250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415) in die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) hinein zu verhindern; • die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) in eine Mehrzahl von Unterkammern (146A, 146B, 120A, 120B, 122A, 122B, 124A, 124B, 126A, 126B, 178A, 178B, 191A, 191B, 410A, 410B) mittels der Membran (150, 157, 171, 185, 242, 268, 283, 305, 323, 355, 403, 420, 451) aufgeteilt ist; und • die Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) erlaubt, dass ein diskretes Volumen des ersten Fluids mit einem diskreten Volumen des zweiten Fluids in der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) kombinierbar ist.
  2. Anwendung einer Mikrofluidik-Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450), aufweisend: • eine Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459); • einen ersten Mikrofluidik-Zuführkanal (144, 161A–D, 176, 188, 249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409, 456), welcher zum Zuführen eines ersten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) angepasst ist; • einen zweiten Mikrofluidik-Zuführkanal (147, 162A–D, 177, 189, 250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415), welcher angepasst ist zum Zuführen eines zweiten Fluids zu der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459); und • eine Membran (150, 157, 171, 185, 242, 268, 283, 305, 323, 355, 403, 420, 451), welche eine Fläche der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) begrenzt, wobei die Membran angepasst ist zum Verhindern des Einströmens des ersten Fluids aus dem ersten Mikrofluidik-Zuführkanal (144, 161A–D, 176, 188, 249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409, 456) in die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) hinein und zum Verhindern des Einströmens des zweiten Fluids aus dem zweiten Mikrofluidik-Zuführkanal (147, 162A–D, 177, 189, 250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415) in die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) hinein; gekennzeichnet durch: • Anwenden der Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) zum Kombinieren eines diskreten Volumens des ersten Fluids mit einem diskreten Volumen des zweiten Fluids in der Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459).
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder der Anwendung gemäß Anspruch 2, wobei der erste Mikrofluidik-Zuführkanal ein erster Mikrofluidik-Abzweigungskanal (249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409) und der zweite Mikrofluidik-Zuführkanal ein zweiter Mikrofluidik-Abzweigungskanal (250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415) ist, wobei die Vorrichtung (230, 260, 280, 300, 320, 350, 400) ferner aufweist: • einen ersten Mikrofluidik-Stammkanal (251A, 317A, 339, 379) in Fluid-Kommunikation mit dem ersten Mikrofluidik-Abzweigungskanal (249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409), wobei der erste Mikrofluidik-Stammkanal (251A, 317A, 339, 379) einen ersten Fluid-Einlass (247A, 310A, 337A, 397A) und einen ersten Fluid-Auslass (247B, 310B, 337B, 397B) aufweist; und • einen zweiten Mikrofluidik-Stammkanal (251B, 317B, 340, 386) in Fluid-Kommunikation mit dem zweiten Mikrofluidik-Abzweigungskanal (250, 270, 297, 319B, 336, 385A, 415), wobei der zweite Mikrofluidik-Stammkanal (251B, 317B, 340, 386) einen zweiten Fluid-Einlass (248A, 311A, 338A, 398A) und einen zweiten Fluid-Auslass (248B, 311B, 338B, 398B) aufweist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3 oder der Anwendung gemäß Anspruch 2, wobei die Membran (150, 157, 171, 185, 242, 268, 283, 305, 323, 355, 403, 420) die Passage des ersten Fluids aus dem ersten Mikrofluidik-Zuführkanal (144, 161A–D, 176, 188, 249, 269, 296, 319A, 335, 379A, 409) in die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) hinein wahlweise blockiert und die Passage des zweiten Fluids aus dem zweiten Mikrofluidik-Zuführkanal (147, 162A–D, 177, 189, 250, 270, 297, 319B, 336, 386A, 415) in die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) hinein wahlweise blockiert.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 3 oder 4 oder der Anwendung gemäß Anspruch 2, wobei die Membran (171, 185, 242, 268, 283, 323, 355, 420, 451) eine deformierbare Membran (171, 185, 242, 268, 283, 323, 355, 420, 451) ist.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder der Anwendung gemäß Anspruch 5, ferner aufweisend mindestens eine Betätigungskammer (240, 267, 289, 290, 292, 293, 313, 329, 330, 371, 372) in Fluid-Kommunikation mit der deformierbaren Membran (171, 185, 242, 268, 283, 323, 355, 420, 451), wobei die Betätigungskammer (240, 267, 289, 290, 292, 293, 313, 329, 330, 371, 372) angepasst ist zum Erlauben einer Manipulation der deformierbaren Membran (171, 185, 242, 268, 283, 323, 355, 420, 451).
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6 oder der Anwendung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die deformierbare Membran (171, 185, 242, 268, 283, 323, 355, 420, 451) angepasst ist zum Einteilen der Mikrofluidik-Kammer (178, 191, 240, 271, 291, 334, 375, 459) in eine Mehrzahl von Unterkammern (178A, 178B, 191A, 191B, 375A, 375B 410A, 410B).
  8. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 5–7 oder der Anwendung gemäß Ansprüchen 5–7, wobei die deformierbare Membran (171, 185, 242, 268, 283, 323, 355, 420, 451) ferromagnetisches oder paramagnetisches Material (421, 458) aufweist.
  9. Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–6, wobei die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) in eine Mehrzahl von Unterkammern (146A, 146B, 120A, 120B, 122A, 122B, 124A, 124B, 126A, 126B, 178A, 178B, 191A, 191B 410A, 410B) wahlweise aufgeteilt werden kann.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder der Anwendung gemäß Anspruch 9, wobei die Mehrzahl von Unterkammern (146A, 146B, 120A, 120B, 122A, 122B, 124A, 124B, 126A, 126B) eine erste Unterkammer (146A, 120A, 122A, 124A, 126A), welche in einer ersten Vorrichtungsschicht definiert ist, und eine zweite Unterkammer aufweist, welche in einer zweiten Vorrichtungsschicht (146B, 120B, 122B, 124B, 126B) definiert ist.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 10 oder der Anwendung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Vorrichtung ferner aufweist einen Bruchbereich (151, 165A, 165B, 179, 190), welcher die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191) in eine erste Unterkammer (146A, 120A, 122A, 124A, 126A, 178A, 191A) und in eine zweite Unterkammer (146B, 120B, 122B, 124B, 126B, 178B, 191B) wahlweise unterteilt.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder der Anwendung gemäß Anspruch 11, wobei der Bruchbereich (151, 165A, 165B) eine Zwischenschicht (150, 157) aufweist, welche zwischen der ersten Unterkammer (146A, 120A, 122A, 124A, 126A) und der zweiten Unterkammer (146B, 120B, 122B, 124B, 126B) angeordnet ist.
  13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder der Anwendung gemäß Anspruch 12, wobei die Zwischenschicht (150, 157) einen eingekerbten Bereich aufweist.
  14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder der Anwendung gemäß Anspruch 12, wobei die Zwischenschicht (150, 157) eine Dicke aufweist und der Bruchbereich (151, 165A, 165B) einen Schlitz aufweist, welcher durch die gesamte Dicke der Zwischenschicht (150, 157) hindurch definiert ist.
  15. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder der Anwendung gemäß Anspruch 12, wobei der Bruchbereich (151, 165A, 165B, 179, 190) eine brechbare Dichtung aufweist.
  16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder der Anwendung gemäß Anspruch 15, wobei die brechbare Dichtung einen Bereich aufweist, welcher durch ein Verfahren geschwächt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aufweist: mechanische Behandlung, chemische Behandlung und elektromagnetische Behandlung.
  17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 4 oder der Anwendung gemäß Anspruch 2, wobei die Membran (305) eine poröse Membran (305) ist.
  18. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3–16 oder der Anwendung gemäß Ansprüchen 2–16, wobei die Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) ferner eine poröse Membran (239, 288, 328, 363) in Fluid-Kommunikation mit der Atmosphäre aufweist.
  19. Vorrichtung gemäß Anspruch 17 oder 18 oder der Anwendung gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei mindestens ein Abschnitt der porösen Membran (305) wahlweise in Fluid-Kommunikation mit einer Vakuum-Quelle ist.
  20. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–19 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–19, wobei die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) entlang mindestens einer Fläche von einem im Wesentlichen optisch übertragenden Material begrenzt ist.
  21. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–20 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–20, wobei die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) ein Volumen von weniger als ungefähr 2 Mikroliter hat.
  22. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–20 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–20, wobei die Mikrofluidik-Kammer (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 334, 375, 410, 459) ein Volumen von weniger als 1 Mikroliter hat.
  23. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–22 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–22, ferner aufweisend einen Mehrzahl von Mikrofluidik-Kammern (146, 120, 122, 124, 126, 178, 191, 240, 271, 291, 314, 375, 410, 459), welche in einem zweidimensionalen Feld angeordnet ist.
  24. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–23 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–23, wobei mindestens eine Schicht (141, 145, 148, 150, 152, 155–159, 171–173, 181–185, 232–239, 261–266, 281–288, 301–308, 321–328, 351–363, 401–405, 420, 451A–451C, 452–455) der Mehrschicht-Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) eine Matrizen-Schicht (145, 148, 156, 158, 172, 184, 237, 264, 286, 307, 326, 352, 354, 356, 358, 360, 402, 404, 452, 453B) ist.
  25. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–24 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–24, wobei mindestens eine Schicht (141, 145, 148, 150, 155–159, 171–173, 181–185, 232–239, 261–266, 281–288, 301–308, 321–328, 351–363, 401–405, 420, 451A–451C, 452–455) der Mehrschicht-Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) aus selbstklebendem Klebeband hergestellt ist.
  26. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–25 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–25, wobei mindestens eine Schicht (141, 145, 148, 150, 152, 155–159, 171–173, 181–185, 232–239, 261–266, 281–288, 301–308, 321–328, 351–363, 401–405, 420, 451A–451C, 452–455) der Mehrschicht-Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) aus polymer Material hergestellt ist.
  27. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1, 3–8 oder 10–26 oder der Anwendung gemäß einem der Ansprüche 2–26, wobei die verschiedenen Schichten (141, 145, 148, 150, 152, 155–159, 171–173, 181–185, 232–239, 261–266, 281–288, 301–308, 321–328, 351–363, 401–405, 420, 451A–451C, 452–455) der Vorrichtung (140, 160, 170, 180, 230, 260, 280, 300, 320, 350, 400, 450) aneinander festgemacht sind zum Ausbilden einer im Wesentlichen abgedichteten Struktur.
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