Titel

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung, die ein Filterelement aufweist.

Stand der Technik

Mikrofluidische Vorrichtungen weisen üblicherweise eine Fluidikschicht und eine Pneumatikschicht auf, zwischen denen eine Elastomer-Membran angeordnet ist. Kanäle zum Transport von Fluiden verlaufen in der Fluidikschicht innerhalb der Schichtebene. Für eine filterbasierte Probenaufreinigung werden allerdings oftmals Filter benötigt, deren Filterquerschnitt deutlich größer als die sonstigen Kanalquerschnitte ist. In diesem Fall muss eine Aufweitung der Strömung erfolgen, was in mikrofluidischen Vorrichtungen aufgrund des begrenzten Bauraums ein Problem darstellt.

Die DE 10 2011 005 932 Al beschreibt ein mikrofluidisches System mit einer Filterkammer. In diesem wird der Filter parallel zur Elastomer-Membran angeordnet. Er muss dann allerdings vertikal durchströmt werden, was eine Umlenkung des Fluids notwendig macht. Aufgrund der begrenzten Dicke der Kartusche erfolgt die Aufweitung des Strömungsquerschnitts hierzu innerhalb der Filterkammer, was einen strömungsmechanisch ungünstig hohen Öffnungswinkel bedingt.

Offenbarung der Erfindung

Die mikrofluidische Vorrichtung, bei der es sich insbesondere um eine Kartusche handelt, weist eine Fluidikschicht auf. Insbesondere weist sie weiterhin eine unterhalb der Fluidikschicht angeordnete Pneumatikschicht auf. Zwischen der Fluidikschicht und der Pneumatikschicht kann eine Elastomer-Membran angeordnet sein. Bei der im Folgenden beschriebenen Anordnung der Bauteile der mikrofluidischen Vorrichtung werden Anordnungen in Richtung der Fluidikschicht als „oben“ und Anordnungen in Richtung der Pneumatikschicht als „unten“ bezeichnet.

Die mikrofluidische Vorrichtung weist ein Filterelement auf. Dieses verfügt über eine Filterfläche. In bevorzugter Ausgestaltung kann die Filterfläche in einer Ebene der Fluidikschicht angeordnet sein und verläuft somit parallel zur Grenzfläche zwischen der Fluidikschicht und der Pneumatikschicht, in der die Elastomer-Membran angeordnet sein kann. Eine Filterkammer ist an und insbesondere unterhalb des Filterelements angeordnet. Ein Zulaufkanal geht von einem Zulaufbereich aus und mündet in der Filterkammer. Diese mikrofluidische Vorrichtung ist für eine filterbasierte Probenaufreinigung geeignet. Dabei ist vorgesehen, dass eine aufzureinigende Probe aus dem Zulaufbereich kommend, durch den Zulaufkanal strömt und durch diesen in die Filterkammer geleitet wird. Der Zulaufbereich ist vorzugsweise bezüglich des Filters, insbesondere bezüglich der Filterfläche des Filters, in einem Winkel angeordnet, so dass aus dem Zulaufbereich kommendes Fluid, insbesondere die Probe, vor dem Durchtritt durch den Filter, und insbesondere durch die Filterfläche, eine Richtungsänderung erfahren muss, gemäß besonderer Ausgestaltung eine Richtungsänderung zwischen 45° und 135°, bevorzugt zwischen 45° und 100°, beispielsweise 90° im Falle einer Richtungsänderung im rechten Winkel. In letzterem Fall können der Zulaufbereich und der Zulaufkanal insbesondere in einer Ebene verlaufen, die vorzugsweise parallel zur Grenzfläche zwischen der Fluidikschicht und der Pneumatikschicht verläuft, während sich die Filterkammer vertikal dazu erstreckt. Die aufzureinigende Probe wird also gemäß besonderer Ausgestaltung an der Unterseite der Filterkammer in diese eingeleitet, steigt in der Filterkammer nach oben und tritt dann in das Filterelement ein.

Ein Querschnitt des Zulaufkanals nimmt zwischen dem Zulaufbereich und der Filterkammer in Richtung der Filterkammer zu. Diese ermöglicht es, die Filterkammer mit einer geringeren Aufweitung des Strömungsquerschnitts zu realisieren, als diese mikrofluidischen Vorrichtung zur filterbasierten Probenaufreinigung gemäß dem Stand der Technik möglich ist. Die Filterkammer weist damit ein größeres Volumen auf als in bekannten mikrofluidischen Vorrichtungen, wodurch sie als Beruhigungskammer wirken kann und die Strömung durch das Filterelement vergleichmäßigen kann. Eine dadurch bewirkte gleichmäßigere Anströmung des Filterelements ermöglicht eine höhere Filtereffizienz. Außerdem verbessert sich das Langzeitverhalten des Filterelements durch die in Folge der besseren Flächenausnutzung geringer ausfallende Verstopfung des Filterelements während der Betriebsdauer. Insbesondere ist die Erweiterung des Querschnitts zumindest teilweise in einem Bereich realisiert, durch welchen das aus dem Zulaufbereich kommende Fluid, insbesondere die Probe, vor der Richtungsänderung tritt. Somit erfolgt vorteilhafterweise eine laterale Aufweitung des durch diesen Bereich tretendes Fluids, bevor das Fluid umgelenkt wird und anschließend in die Filterkammer mündet.

Um einen strömungseffizienten Übergang einer Probe vom Zulaufkanal in die Filterkammer zu gewährleisten ist es bevorzugt, dass der Querschnitt des Zulaufkanals an seiner Mündung in die Zulaufkammer einem Querschnitt der Zulaufkammer an ihrer von dem Filterelement abgewandten Seite, insbesondere ihrer Unterseite, entspricht.

Grundsätzlich kann dieser Aufbau der mikrofluidischen Vorrichtung unabhängig von der Größe des verwendeten Filterelements verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist dieser Aufbau der mikrofluidischen Vorrichtung dann, wenn die Filterfläche des Filterelements mindestens 0,13 mm ² beträgt (oder einen Durchmesser, der dem 1,5-fachen der Zulaufkanalbreite entspricht, aufweist). Insbesondere bei Filterelementen mit derart großer Filterfläche, ist eine große Aufweitung des Strömungsquerschnitts vom Zulaufbereich zum Filterelement erforderlich, sodass die Vorteile eines zunehmenden Querschnitts des Zulaufkanals besonders ausgeprägt sind.

Der Zulaufkanal weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel im Bereich von 1° bis 80° auf. Eine Länge des Zulaufbereichs ergibt sich aus dem Öffnungswinkel. Zu geringe Öffnungswinkel führen zu einer erheblichen Verlängerung des Zulaufbereichs, welche angesichts des begrenzten Bauraums in einer mikrofluidischen Vorrichtung nicht tolerierbar ist. Zu hohe Öffnungswinkel wirken hingegen eine strömungsmechanisch ungünstige schnelle Aufweitung des Strömungsquerschnitts im Zulaufkanal.

Je größer der Querschnitt des Zulaufkanals an seiner Mündung in die Filterkammer ist, desto weniger muss der Querschnitt der Filterkammer von ihrer dem Zulaufkanal zugewandten Seite zu ihrer dem Filterelement zugewandten Seite, insbesondere von ihrer Unterseite zu ihrer Oberseite, hin aufgeweitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Querschnitt des Zulaufkanals an seiner Mündung in die Filterkammer bereits so groß, dass die Zulaufkammer zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig, ausgeführt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass keine Querschnittsaufweitung der Filterkammer erforderlich ist, was zum einem strömungsmechanisch vorteilhaft ist und zum anderen die Fertigung der Filterkammer vereinfacht.

Wenn die Filterkammer kreiszylinderförmig ausgeführt ist, dann liegt ihr Durchmesser insbesondere im Bereich von 0,4 mm bis 5 mm.

Die Filterkammer weist vorzugsweise eine Höhe im Bereich von 0,3 mm bis 3 mm auf. Diese Höhe entspricht insbesondere mindestens einer Höhe des Zulaufkanals. Eine zu geringe Höhe der Filterkammer bewirkt, wenn diese nicht zylinderförmig ist, eine strömungsmechanisch ungünstig große Querschnittsänderung in der Filterkammer. Außerdem kann eine sehr niedrige Filterkammer nur eingeschränkt als Beruhigungskammer fungieren. Eine zu hohe Filterkammer würde es hingegen erforderlich machen, die gesamte Fluidikschicht dicker auszuführen, um ausreichend Bauraum für die Filterkammer zu schaffen.

Das Filterelement ist vorzugsweise so ausgeführt, dass es ein Filtermaterial aufweist, das oberhalb einer Fritte angeordnet ist. Das Filtermaterial bewirkt die eigentliche Filterfunktion des Filterelements. Die Fritte stützt das Filtermaterial und verhindert so, dass es sich in die Filterkammer hinein deformiert.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die mikrofluidische Vorrichtung einen Ablaufkanal aufweist, der in das Filtermaterial mündet. Durch diesen Ablaufkanal kann ein Filtrat von dem Filtermaterial wegtransportiert werden. Eine besonders bauraumsparende Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung sieht dabei vor, dass der Ablaufkanal horizontal in das Filtermaterial mündet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.

Figur 2a zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Filterbereichs einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.

Figur 2b zeigt eine Längsschnittdarstellung des Filterbereichs gemäß Figur 2a.

Figur 3a zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Filterbereichs einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3b zeigt eine Längsschnittdarstellung des Filterbereichs gemäß Figur 3a.

Figur 4a zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Filterbereichs gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 4b zeigt eine Längsschnittdarstellung des Filterbereichs gemäß Figur 4a.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die mikrofluidische Vorrichtung 10 ist als Kartusche für ein Analysengerät ausgeführt. Sie weist eine Fluidikschicht 11, eine Elastomer-Membran 12 und eine Pneumatikschicht 13 auf. Die Fluidikschicht 11 und die Pneumatikschicht 13 weisen jeweils mikrofluidische Kanäle in einer Trägerplatte auf, die beispielsweise aus Polycarbonat besteht. Die Elastomer-Membran 12, die zwischen der Fluidikschicht 11 und der Pneumatikschicht 13 angeordnet ist, besteht beispielsweise thermoplastischem Polyurethan. Durch Anlegen von Überdruck oder Unterdrück in mikrofluidischen Kanälen der Pneumatikschicht 13, welche an die Elastomer-Membran 12 angrenzen, kann diese ausgelenkt werden. Auf diese Weise können Fluidströme in mikrofluidischen Kanälen der Fluidikschicht 11, welche an die Elastomer- Membran 12 angrenzen, gelenkt werden.

Die mikrofluidische Vorrichtung 10 ist zur filterbasierten Probenaufreinigung einer biologischen Probe vorgesehen. Hierzu weist sie einen Filterbereich 20 auf, der in den Figuren 2a und 2b detailliert dargestellt ist:

Ein Zulaufbereich 21 und ein Zulaufkanal 22 sind als mikrofluidische Kanäle in der Fluidikschicht 11 ausgeführt, die an den Elastomer-Membranen 12 angrenzen. Der Zulaufkanal 22 mündet in die Unterseite einer Filterkammer 23. Die Filterkammer 23 erstreckt sich vertikal durch die Fluidikschicht 11. Sie weist eine konische Form auf, sodass ihr Querschnitt von unten nach oben zunimmt. An ihrer Oberseite ist der Querschnitt der Filterkammer 23 etwas kleiner als der Querschnitt eines Filterelements 30, welches auf der Filterkammer 23 aufliegt. Dadurch ruht das Filterelement 30 auf Auflageflächen 24. Eine Höhe h der Filterkammer 23 beträgt beispielsweise 0.8 mm. Das Filterelement 30 besteht aus einer Fritte 31, die auf den Auflageflächen 24 aufliegt und einem Filtermaterial 32, das auf der Fritte 31 aufliegt. Ein Ablaufkanal 25 mündet horizontal in das Filtermaterial 32.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung, weist einen Filterbereich 20 auf, der in den Figuren 3a und 3b dargestellt ist. Dieser Filterbereich 20 unterscheidet sich vom Filterbereich 20 der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik darin, dass sich der Zulaufkanal 22 vom Zulaufbereich 21 bis zu seiner Mündung in die Filterkammer 23 mit einem Öffnungswinkel a von 45° verbreitert. Dadurch ist der Querschnitt des Zulaufkanals 22 an seiner Mündung in die Filterkammer 23 größer als in der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik. Infolgedessen weist die Filterkammer 23, welche dieselbe Höhe h wie die Filterkammer 23 des Standes der Technik aufweist, über ihre Höhe eine geringere Querschnittsänderung auf als im Stand der Technik. Wie in den Figuren 3a und 3b dargestellt, erfolgt die Erweiterung des Querschnitts in einem Bereich vor der Mündung in die Filterkammer 23 und damit vor der Umlenkung und somit Richtungsänderung (von 90° in diesem Beispiel) eines aus dem Zulaufbereich 21 kommenden Fluids in die Filterkammer 23.

Eine mikrofluidische Vorrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, weist einen Filterbereich 20 auf, der in den Figuren 4a und 4b dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Zulaufkanal 22 (Breite 600 pm) einen Öffnungswinkel a von 60° auf. Hierdurch wird erreicht, dass der Zulaufkanal 22 an seiner Einmündung in die Filterkammer 23 eine Breite von 2 mm aufweist. Diese Breite stimmt mit dem Durchmesser d der Filterkammer 23 überein, welche in diesem Ausführungsbeispiel kreiszylinderförmig ausgeführt ist. Sie weist dieselbe Höhe h wie die Filterkammer 23 des ersten Ausführungsbeispiels auf. Ihr Querschnitt bleibt jedoch über ihre gesamte Höhe unverändert.