Stand der Technik

Aufgabe ist es in planaren fluidischen Systemen, beispielsweise sogenannten Lab-on-a-Chip- oder mikrofluidischen Systemen Flüssigkeiten gezielt in verschiedene Kavitäten, Kanäle oder sonstige fluidführende Einheiten wie Schläuche zu leiten bzw. einen Flüssigkeitsstrom zu unterbinden und Kompartimente voneinander zu trennen.

Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, wurden Drehventile auf sogenannte Lab-on-a-Chip- Systeme integriert. Dabei werden unterschiedliche Ansätze verfolgt. Einerseits gibt es Drehkörper mit fluidischen Strukturen, die über ein auf den Chip aufgeschraubtes Gehäuse mit Federn herunter gedrückt werden, um eine Dichtigkeit des Drehkörpers auf dem Fluidikchip zu erreichen (Gärtner et al: SmartHEALTH: a microfluidic multisensor platform for POC Cancer diagnostics, Proc. SPIE 7313, 73130B, Orlando, (2009)). Andererseits liegen Arbeiten vor, bei denen der Drehkörper auf dem Chip eingesetzt wird und durch das Betriebsgerät für das Lab-on-a-Chip-System das Ventil erst bei Einlegen in das Gerät herunter gedrückt und damit fluidisch abgedichtet wird (DE 10 2009 027 352 AI).

Diese Konzepte für Drehventile entlehnen das Prinzip der Schaltung von Flüssigkeiten den Ventilen der Firma Rheodyne für chromatographische Anwendungen (US Patent 4068528, Einreichungsdsatum: 13.4.1976), die Schlitzplatten zum Schalten und Abmessen von Flüssigkeiten nutzen. Dies sind Routinekomponenten für zahlreiche chromatographische Anwendungen.

Zielstellung für Ventile auf fluidischen Systemen wie mikrofluidischen Systemen ist es, einerseits direkt im fertig produzierten Chip eine Dichtigkeit des Ventils garantieren zu können, um auch eine VorbefüUung eines Systems vor einem Einlegen in ein Betriebsgerät gewährleisten zu können. Andererseits handelt es sich bei den meisten fluidischen Systemen, speziell bei mikrofluidischen Systemen für die Diagnostik, um Einwegkomponenten in einem preissensitiven Bereich, so dass die Herstellungskosten gering sein müssen.

Die Ventile der Firma Rheodyne und Nachfolgeprodukte sind von ihrem Aufbau her nicht auf planare fluidische Systeme integrierbar. Die hier verwendeten Schlitzplatten werden in Gehäuse eingesetzt, die über hohen Druck eine Pressdichtung erreichen. Hinzu kommt, dass es sich hierbei um hochpreisige Systeme handelt, die vom Aufbau nicht kostengünstig herstellbar sind.

Die Option, den Drehkörper erst bei Einlegen des mikrofluidischen Systems, d.h. des Verbrauchsartikels, in ein Betriebsgerät durch die Beaufschlagung mit einem Anpressdruck zu dichten, ist für eine flexible Anwendung, wie z.B. die Befüllung mit Flüssigkeiten außerhalb eines Betriebssystem nicht einsetzbar. Hinzu kommt, dass einerseits bei der im Patent DE 10 2009 027 352 AI beschriebenen Erfindung die Drehkörper in einer Art Hülse stecken und gegenläufige Anforderungen damit abgedeckt werden müssen: Einerseits soll der Drehkörper straff in dieser Hülse sitzen, andererseits soll sich der Drehkörper leicht und ohne Verkanten drehen lassen. Dies sind weitere Punkte die gegen eine breite Einsetzbarkeit dieser Erfindung sprechen und deren Unzulänglichkeit beschreiben.

Funktionell gesehen bieten Drehventile bestehend aus einem Drehkörper, Schrauben, Gehäuse und Federn eine Option, um eine Dichtigkeit von Ventil und fiuidischem System direkt nach Herstellung des fiuidischen Systems zu gewährleisten. Allerdings scheitert dieses Konzept an den Herstellungskosten. Einerseits ist die Anzahl der zu realisierenden Teile zu hoch was bereits ein Kostenfaktor ist und andererseits diese hohe Teilezahl, das die Montage sehr aufwendig ist.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Drehventil bestehend aus einem Drehkörper, einem Niederhaltern und einer Bodenstruktur, um in vorzugsweise planaren fluidischen Systemen Flüssigkeiten oder auch Gase gezielt schalten und abmessen zu können bzw. einen Flüssigkeitsstrom zu unterbinden. Die Bodenstruktur stellt zumeist gleichzeitig das fluidische System dar, in dem die Flüssigkeiten geschaltet werden sollen.

Ein exemplarischer Aufbau ist ein fluidisches System, z.B. ein Lab-on-a-Chip-System, auf das der Drehkörper aufgesetzt wird und mit dem Niederhalter auf das fluidische System gedrückt wird, wie dies in Abbildung 1 skizziert ist. Dabei ist die Bodenplatte (1) in dieser Ausführungsvariante gleichzeitig das fluidische System. In diese Bodenplatte sind Kanalstrukturen eingebracht, die fluidisch über Einmündungen in die Kontaktfläche der Bodenplatte für den Drehkörper mit der Unterseite des Drehkörpers (3) verbunden sind, wobei die Unterseite des Drehkörpers selbst fluidische Strukturen (20) enthält, die zur gezielten Verbindung der unterschiedlichen Einmündungen aus der Bodenplatte genutzt werden können. Die als Sitz des Drehkörpers dienende Kontaktfläche (32) für den Drehkörper auf der Bodenplatte enthält die fluidischen Kontakte der Bodenplatte. Die ist deutlich im Querschnitt einer Ausführungsvariante des Niederhalters in Abbildung 17 zu sehen.

Der Drehkörper kann die mit ihm über Einmündungen im Kontaktbereich in fluidischem Kontakt stehenden Kanäle und Kavitäten der Bodenplatte durch in den Drehkörper eingebrachte fluidische Strukturen miteinander verbinden, bzw. voneinander trennen. Der Niederhalter (2) wird fest mit dem fluidischen System verbunden und zwar derart, dass durch diesen Niederhalter eine Vorspannung auf den Drehkörper aufgebracht wird, um eine dauerhafte Dichtigkeit des Ventils zu gewährleisten. In dem dargestellten Beispiel verbinden die Strukturen (20) im unteren Teil des Drehkörpers die fluidischen Strukturen der Bodenplatte miteinander, um so gezielt unterschiedliche Kanalenden miteinander kontaktieren zu können und gezielt Flüssigkeit zu- oder abführen zu können.

Abbildung 2 zeigt beispielhaft, wie ein Gegenstück nachfolgend als Drehventilaktuator (5) bezeichnet, der ein einfaches handbetriebenes Werkzeug oder die Komponente Betriebsgerätes sein kann, durch die Öffnung (5) des Niederhalters, der in diesem Fall als Kappe ausgestaltet ist, eingreift und eine Bewegung des Drehkörpers (3) ermöglicht. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt Abbildung 3 . Hier sind zwei Platten (7) miteinander verbunden und der Drehkörper ist hier als dünne Ventilscheibe (8) ausgeführt und zwischen den Platten eingebettet, die auch für die notwendige Vorspannung sorgen. Die beiden Platten bilden ein fluidisches System und können auch fluidisch in Kontakt stehen. Diese Abbildung zeigt exemplarisch wie Kanalstrukturen des fluidischen Systems über Einmündungen (28) die in diesem Fall über als Durchgangslöcher ausgeformte fluidische Strukturen (29) des Drehkörpers mit Einmündungen (30) der zweiten Platte in Kontakt stehen, die ihrerseits wiederum in in fluidische Strukturen wie Kanäle (4) münden.

Abbildung 4 gibt eine weitere Ausführungsform der Erfindung an, in der mehr als zwei Platten (7) ein fluidisches System bilden und die als Ventilscheiben ausgestalteten Drehkörper auf unterschiedlichen Ebenen eingebettet sein können.

Abbildung 5 stellt die Variante dar, dass Drehkörper (3) und Niederhalter (2) auf eine Bodenplatte aufgebracht sind, die über Schläuche (9), Kapillaren oder Ähnliches mit anderen Komponenten verbunden sein können. Diese Beispielvariante zeigt Fluidanschlüsse der Bodenplatte (31) die zur Verbindung mit Schläuchen genutzt werden.

Die Elemente der Erfindung sind der Drehkörper, der Niederhalter sowie die zumeist als planares fluidisches System ausgestaltete Bodenplatte, wobei jeweils verschiedene Ausgestaltungen der Einzelmodule möglich sind.

Der Drehkörper kann als flache Scheibe, siehe Abbildung 6, oder höherer Aufbau, siehe Abbildung 7, mit integrierten Kanälen oder anderen fluidischen Funktionen (11) ausgestaltet sein. Dabei besteht der Drehkörper vorzugsweise aus Polymeren, besonders vorteilhaft sind gut dichtende Materialien mit geringem Slip-Effekt, um eine einfache Drehbewegung ohne eine Verformung der im Drehkörper liegenden Strukturen zu ermöglichen. Der Drehkörper kann entweder vollständig aus einem geeigneten Material sein, eine dünne Beschichtung aufweisen oder aus einer harten und einer weicheren dichtenden Komponente beschaffen sein. Abbildung 8 gibt die Variante an, dass der Drehkörper aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, wobei das erste Material (12) das Oberteil des Drehkörpers bildet, in das auch beispielsweise ein Drehventilaktuator eingefügt werden kann, und das zweite Material (13) als Unterteil des Drehkörpers den Kontakt zur Bodenplatte bildet. Unabhängig von der Ausgestaltung des Drehkörpers, sind auf der im folgenden Oberseite genannten Seite Strukturen (10) integriert, um eine Gegenstruktur zu einem Werkzeug (Drehventilaktuator, (5)) zu bilden, wohingegen die Unterseite Fluidstrukturen (11) enthält, die der Schaltung von Flüssigkeiten oder Gasen dienen.

Über die Fläche hinausstehende Dome und eine entsprechende Vertiefung auf der Gegenseite erlauben, dass eine gezielte Drehung des Drehkörpers erfolgen kann und über einen Anschlagpunkt die genaue Position ermittelt werden kann. Dabei können verschiedene Ausführungsvarianten realisiert werden. Abbildung 9 zeigt die Variante mit einem Dom auf der Oberseite des Drehkörpers (14) in Teil A der Abbildung und einer Führungsstruktur mit Arretierung (15) im Niederhalter in Teil B der Abbildung die eine Montage von Drehkörper und Niederhalter zeigt. In Abbildung 10 liegt die Führungsstruktur im Niederhalter, Teil A der Abbildung, und der Dom im Niederhalter (17), Teil B der Abbildung. Abbildung 11 zeigt die Variante des Dom (14) in der Unterseite des Drehkörpers, Abbildungsteil A, und der Führungsstruktur in der Bodenplatte, Teil B der Abbildung. Führungsstruktur in der Unterseite des Drehkörpers und Dom in der Bodenplatte, wie in Abbildung 12 gezeigt, sind eine weitere Variante.

Abbildung 13 zeigt Beispiele von Fluidstrukturen (20) zum Verbinden von Kanälen oder Abmessen von Volumina, die in die Unterseite des Drehkörpers eingebracht sein können.

Abbildung 14 gibt Optionen für eine Gegenstruktur (21) für den Drehventilaktuator, um diesen in den Drehkörper ein- oder aufzustecken und damit eine Drehbewegung zu ermöglichen.

Abbildung 15 zeigt einen Griff (22) am Drehkörper, um den Drehkörper auch manuell positionsgenau bewegen zu können.

Abbildung 16 zeigt eine Variante des Drehkörpers bei der durch Löcher oder Schlitze im Drehkörper sowohl Strukturen in einer Platte auf der Oberseite wie in einer Platte auf der Unterseite miteinander verbunden werden können und so verschiedene Lagen eines fluidischen Systems gezielt miteinander verbunden werden können. Dabei kann der Drehkörper aus einem als auch aus einer Kombination verschiedener Materialien bestehen und auch ganz oder teilweise beschichtet sein.

Beispielsweise können Polymermaterialien als vollständiger Drehkörper genutzt werden. Besonders geeignet sind hier Polymere wie Viton, Teflon, Polypropylen oder Polyethylen oder ähnlichen Eigenschaften. Weitere Polymere oder auch die zuvor genannten können genutzt werden, um die mit dem fluidischen System dichtende Seite mit einer Schicht zu versehen. Eine andere Option sind Kombinationen mehrerer Materialien, beispielsweise eine härtere Komponente auf die die dichtende Schicht aufgebracht ist. Die Option mehr als ein Material zu nutzen, um den Drehkörper sowohl stabil als auch dichtend zu realisierend, lässt sich bei der Nutzung von Polymeren als Material besonders günstig im Spritzgussverfahren herstellen. Im Mehrkomponentenspritzgussverfahren können mehrere Komponenten direkt miteinander verbunden werden, so dass kein Montageaufwand für den Drehkörper entsteht.

Generell ist die Beschichtung der mit dem fluidischen System dichtende Seite des Drehkörpers aber auch die der Gegenseite zum Drehkörper auf dem fluidischen Systeme eine Option, um die Ventileigenschaften zu verbessern. Die Beschichtung kann dabei auf beide Seiten als auch nur auf einer der Seiten angebracht werden. In Frage kommende Beschichtungen können einerseits die Dichtwirkung der Komponenten verbessern, deren Dreheigenschaften, aber auch hydrophobere oder hydrophilere Eigenschaften nutzen, um das Fluidverhalten von Flüssigkeiten im System zu ändern.

Der Niederhalter kann als eine Art Kappe ausgestaltet sein, die über den Drehkörper gestülpt und dann fest mit dem fluidischen System verbunden wird. Alternativ kann der Niederhalter auch eine Art Platte sein, die vollflächig mit dem fluidischen System verbunden wird. Beide Arten von Niederhaltern können mit zusätzlichen Federn ausgestattet werden oder der Niederhalter selbst kann eine integrierte Federwirkung, z.B. durch eine spezielle Ausgestaltung des Formteils im Spritzgussverfahren aufweisen.

So gibt Abbildung 17 eine mögliche Variante von Niederhalter und Bodenplatte an, in der sowohl der in diesem Fall als Kappe ausgeformte Niederhalter als auch die Bodenplatte ein Gewinde (23) aufweisen und dieser Schraubverschluss eine feste Verbindung von Kappe und Bodenplatte und einen ausreichenden Anpressdruck für den Drehkörper gewährleistet. In dieser Struktur sind auch deutlich die Einmündungen (28) aus der Bodenplatte in die Gegenstruktur für die Unterseite des Drehkörpers zu sehen, wie sie den meisten der erfindungsgemäßen Systeme zugrunde liegt. Diese Einmündungen stehen zumeist wie auch hier dargestellt mit weiteren fluidischen Strukturen (4) der Bodenplatte in Kontakt.

Abbildung 18 gibt die Option von Verstemmstrukturen (24) an, die auch für Verklebungen oder Verschweißungen genutzt werden können.

Eine weitere Option zur Fixierung des Niederhalters auf der Bodenplatte ist die Nutzen von Domen (25) zum Einklemmen, die auch aus einem flexibleren Material ausgeformt sein können, wie Abbildung 19 zeigt.

Die Vorspannung die durch Kappe oder eine zweite Platte, wie in Abbildung 2 gezeigt, erzeugt wird, kann durch Einbringung einer direkt integrierten Feder (26) in Kappe, siehe Abbildung 20 oder obere Platte verstärkt werden. Alternativ kann wie in Abbildung 21 gezeigt, zusätzlich eine Feder (27) eingelegt werden, um die Vorspannung und damit die Dichtwirkung zu verstärken.

Dabei kann das System folgendermaßen aufgebaut sein:

1. Eine Bodenplatte mit fiuidischen Strukturen auf die der Drehkörper und der Niederhalter aufgesetzt sind, wobei der Drehkörper dichtend auf der Gegenstruktur in der Bodenplatte aufsitzt. Eine beispielhafte Ausgestaltung gibt Abbildung 1 an.

2. Ein System wie unter 1 beschrieben, wobei der Niederhalter über ein Gewinde fest mit der Bodenplatte verbunden ist. Dies ist beispielhaft in Abbildung 17 dargestellt.

3. Ein System wie unter 1 beschrieben, wobei der Niederhalter fest mit der Platte verpresst, verschweißt, verklebt oder über weitere Methoden fest verbunden ist, wobei Abbildung 18 eine Ausführungsvariante angibt.

4. Ein System wie unter 1 - 3 beschrieben, wobei die Platte selbst wiederum mit anderen fiuidischen Systemen verbunden ist wie in Abbildung 5 schematisch dargestellt.

5. Ein System wie unter 1 - 4 beschrieben, wobei der Drehkörper Kavitäten definierter Volumina enthält, die zum Abmessen von Flüssigkeiten geeignet sind.

6. Ein System wie unter 1 - 6 beschrieben, wobei der Drehkörper aus einem Material besteht. 7. Ein System wie unter 1 - 6 beschrieben, wobei der Drehkörper aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht wie in Abbildung 8 skizziert.

8. Ein System wie unter 1 - 6 beschrieben, wobei der Drehkörper aus einem härteren Material und aus einem weicheren Material besteht, das der Bodenplatte mit den fluidischen Strukturen zugewandt ist und dort abdichtet.

9. Ein System wie unter 1 - 8 beschrieben, wobei die Dichtfläche des Drehkörpers, die der Bodenplatte zugewandt ist, zusätzlich beschichtet ist, um das Fluidverhalten bei einer Füllung mit Flüssigkeiten z.B. durch geänderte hydrophobe / hydrophile oder lipophile Eigenschaften zu beeinflussen.

10. Ein System wie unter 1 - 8 beschrieben, wobei die Dichtfläche der Bodenplatte mit dem fluidischen System, die Drehkörper zugewandt ist, zusätzlich beschichtet ist, um das Fluidverhalten bei einer Füllung mit Flüssigkeiten z.B. durch geänderte hydrophobe / hydrophile oder lipophile Eigenschaften zu beeinflussen.

11. Ein System wie unter 1 - 8 beschrieben, wobei sowohl die Dichtfläche des Drehkörpers, die der Bodenplatte zugewandt ist, als auch die Dichtfläche der

Bodenplatte, zusätzlich beschichtet sind, um das Fluidverhalten bei einer Füllung mit Flüssigkeiten z.B. durch geänderte hydrophobe / hydrophile oder lipophile Eigenschaften zu beeinflussen.

12. Ein System wie unter 1 - 11 beschrieben, wobei weitere Komponenten in die fluidischen Strukturen oder das Material des Drehkörpers oder des fluidischen

Systems eingebracht sind, die während des Gebrauchs herausgelöst werden. Dies können Reagenzien sein, die die Oberfläche modifizieren oder eingetrocknete Pufferkomponenten, Antikörper, Enzyme, Katalysatoren oder Reaktionsmischungen.

13. Ein System wie unter 1 - 12 beschrieben, in dem der Drehkörper eine Struktur aufweist, die zum Aufsetzen eines Gegenstückes zum manuellen oder automatischen Bedienen, d.h. Drehen, des Drehkörpers geeignet ist, wie in Abbildung 14 skizziert.

14. Ein System wie unter 1 - 13 beschrieben, in dem der Drehkörper Markierungen enthält, die entweder durch die Form der Struktur zum Aufsetzen eines Gegenstücks oder durch weitere Markierungen auf dem Drehkörper eine visuelle Erkennung der Position des Drehkörpers auf einer Platte mit einem fluidischen System oder auf dem Niederhalter erlaubt, wobei eine Variante dieser Strukturen in Abbildung 14 A als Einkerbung auf dem Drehkörper skizziert ist.

15. Ein System wie unter 1 - 14 beschrieben wobei der Niederhalter eine

Käppchenform aufweist. 16. Ein System wie unter 1 - 15 beschrieben wobei der Drehkörper einen Fortsatz auf der dem fluidischen System abgewandten Seite besitzt, um den Drehkörper manuell drehen zu können, was in Abbildung 9 gezeigt ist.

17. Ein System wie unter 1 - 16 beschrieben, wobei der Drehkörper eine Struktur auf der der Bodenplatte abgewandten Seite enthält, die eine Gegenstruktur in der Kappe hat, die eine Drehbewegung einschränkt, so dass durch einen Anschlag eine bestimmt Stellung des Drehventils erreicht wird, beispielhaft in Abbildung 10 dargestellt.

18. Ein System wie unter 1 - 15 beschrieben, wobei der Drehkörper auf der der Bodenplatte zugewandten Seite eine Struktur enthält, die eine Gegenstruktur in der Bodenplatte hat, die eine Drehbewegung einschränkt, so dass durch einen Anschlag eine bestimmt Stellung des Drehventils erreicht wird. Eine Option skizziert Abbildung 11.

19. Ein System wie unter 1 - 18 beschrieben, wobei der Niederhalter als planare Struktur gestaltet ist wie in Abbildung 3 dargestellt.

20. Ein System wie unter 1 - 19 beschreiben, wobei der Niederhalter eine planare Struktur ist, die wiederum fluidische Strukturen enthält wie in Ein System wie unter 1 - 20 beschrieben, wobei mehrere planare Strukturen zusammengesetzt sind und sich in diesen planaren Systemen auf verschiedenen oder gleichen Ebenen mehrere Drehkörper befinden und die planaren Systeme selbst als Niederhalter dienen wie beispielhaft in Abbildung 4 dargestellt.

21. Systeme wie unter 1 - 21 beschrieben wobei der Niederhalter mit einer zusätzlichen Feder ausgestaltet ist wie dies in Abbildung 21 dargestellt ist.

22. Systeme wie unter 1 - 22 beschrieben, wobei der Niederhalter direkt integriert Federkomponenten enthält wie dies in Abbildung 20 gezeigt wird.

23. Systeme wie unter 1 - 23 beschrieben, wobei der Drehkörper direkt integriert Federelemente enthält.

24. Systeme wie unter 1 - 24 beschrieben, die aus Kunststoff bestehen.

25. Systeme wie unter 1 - 24 beschrieben, die aus Metall bestehen.

26. Systeme wie unter 1 - 24 beschrieben, die aus Glas bestehen.

27. Systeme wie unter 1 - 24 beschrieben, die aus Keramik bestehen.

28. Systeme wie unter 1 - 24 beschrieben, die aus einer Kombination unterschiedlicher Materialien wie Kunststoff, Metall, Glas und Keramik bestehen.

Generell gilt für die vorliegende Erfindung, dass alle für die Nutzung von Flüssigkeiten beschriebenen Vorgänge gleichbedeutend mit Gasen gelten und auch eine Kombination flüssiger und gasförmiger Substanzen mit diesem System möglich ist, beispielsweise die gezielte Zuführung von Gasen in Flüssigkeiten. Gleichermaßen gilt, dass die Systeme nicht notwendigerweise in der hier beschriebenen Lage genutzt werden müssen, sondern die System beispielsweise um 90° oder 180° gedreht werden können und somit in allen möglichen Positionen eingesetzt werden können.