Titel

Mikrofluidische Vorrichtung, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung zur

Prozessierung von chemischen und/oder biologischen Substanzen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen mikrofluidischen Vorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.

Stand der Technik

Mikrofluidische Analysesysteme, insbesondere sogenannte Lab-on-Chips oder LoCs, erlauben ein automatisiertes, zuverlässiges, kompaktes und kostengünstiges Prozessieren von chemischen oder biologischen Substanzen, beispielsweise für die medizinische Diagnostik. Durch die Kombination einer Vielzahl von Operationen für eine gezielte Manipulation von Fluiden können komplexe, mikrofluidische

Prozessabläufe realisiert werden. Proben können hierbei in einer abgeschlossenen Kartusche prozessiert werden, die als Einwegartikel konzipiert werden kann. Für eine kostengünstige Fertigung derartiger Kartuschen können verschiedene

Polymermaterialien verwendet werden. In der Regel handelt es sich hierbei um Materialien mit hydrophoben und nur wenig hydrophilen Oberflächen, die einer Benetzung mit wässrigen Lösungen entgegenstehen. Um die Kapillarkräfte in den Kanälen und Kavitäten der mikrofluidischen Vorrichtung zu überwinden, werden von außen oftmals Drücke oder beispielsweise Rotationskräfte eingesetzt, sodass der Fluidfluss gesteuert werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung stellt eine mikrofluidische Vorrichtung bereit, die zur Prozessierung von chemischen und/oder biologischen Substanzen vorgesehen ist. Dabei weist die Vorrichtung eine Polymer- Kartusche und darüber hinaus wenigstens eine weitere Komponente auf, wobei die weitere Komponente über wenigstens eine mikrofluidische Schnittstelle an die Polymer- Kartusche angebunden ist. Durch diese Ausgestaltung der mikrofluidischen Vorrichtung ist es möglich, die Vorrichtung mit weiteren Funktionalitäten zu versehen und damit eine Vorrichtung bereitzustellen, die in besonders vorteilhafter Weise für eine komplexe und vorzugsweise automatisierte Durchführung von Prozessen in der Vorrichtung geeignet ist. In besonders bevorzugter Weise ist die weitere Komponente mikrostrukturiert und weist beispielsweise verschiedene Kavitäten und/oder Kanäle auf, die für den durchzuführenden mikrofluidischen und/oder chemischen oder biochemischen Prozess, beispielsweise eine Polymerasekettenreaktion (PCR) oder anderes, geeignet sind. Hierbei können Kapillarkräfte für die Prozessierung gezielt ausgenutzt werden, um einen Fluidfluss zu bewerkstelligen. Das Ausnutzen von Kapillarkräften eignet sich insbesondere für eine Prozessierung von kleinsten Flüssigkeitsvolumina (beispielsweise bis zu 10 pl), mit einem hohen Oberflächen- zu-Volumen-Verhältnis. Durch entsprechende Ausgestaltung der mikrofluidischen Vorrichtung und der Mikrostrukturierungen kann hierbei die Prozessierung der Flüssigkeiten sowohl aktiv durch von außen angelegte Kräfte (beispielsweise durch angelegten Druck oder Rotation) als auch passiv durch Kapillarkräfte die

Prozessierung gesteuert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die weitere Komponente eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Polymer- Kartusche auf.

Insbesondere ist hierbei die weitere Komponente durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet. Dies erlaubt ein effizientes Temperieren von Flüssigkeiten, die sich in der Vorrichtung und insbesondere innerhalb der weiteren Komponente befinden. Ein derartiges Temperieren, insbesondere ein Heizen, aber auch ein Kühlen, ist für verschiedene Prozesse, insbesondere für enzymatische Prozesse erforderlich, beispielsweise für die Durchführung einer

Polymerasekettenreaktion. Zweckmäßigerweise weist die weitere Komponente wenigstens eine Temperaturaustausch-Schnittstelle auf. Hierfür kann beispielsweise eine Kontaktfläche für ein angrenzendes Heiz- und/oder Kühlelement vorgesehen sein, so dass ein optimaler Temperaturaustausch und eine schnelle Temperierung von Flüssigkeiten in vorteilhafter Weise stattfinden können. Weiterhin kann die weitere Komponente eine optische Schnittstelle, beispielsweise durch transparente Materialien, aufweisen, zum Beispiel zur Durchführung von optischen Anregungen und/oder Auswertungen von enzymatischen Prozessen.

Vorteilhafterweise ist die weitere Komponente aus Materialien gefertigt, die für eine Mikrostrukturierung in besonderer Weise geeignet sind, beispielsweise aus Silizium und/oder Glas und/oder Halbleitermaterialien und/oder Metallen. Dabei kann die weitere Komponente teilweise, im Wesentlichen oder vollständig aus solchen Materialien oder Verbünden solcher Materialien bestehen. Beispielsweise eignet sich Silizium in besonderer Weise für eine Mikrostrukturierung, wobei die

Mikrostrukturierung auf der Grundlage etablierter Prozesse der

Halbleitertechnologie und/oder Mikrosystemtechnik hochpräzise und kostengünstig durchgeführt werden kann. So können sehr kleine Strukturgrößen hergestellt werden, die eine Prozessierung sehr kleiner Flüssigkeitsvolumina im mI-Bereich und darunter erlauben. Beispielsweise kann eine geeignete Aliquotierungsstruktur für eine hoch-parallele Prozessierung einer Probenflüssigkeit bereitgestellt werden, so dass damit ein hoher Multiplexgrad für molekulardiagnostische Tests erreicht werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die weitere Komponente mit einer vorgebbaren Oberflächenbeschaffenheit ausgestaltet, die an die jeweiligen

Anforderungen der durchzuführenden Prozesse angepasst ist. Hierbei kann die Oberflächenbeschaffenheit hydrophil oder hydrophob bzw. in Teilbereichen hydrophil und/oder hydrophob sein, wodurch vor allem die Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten gezielt gesteuert und für einen Fluidfluss ausgenutzt werden kann.

Eine definierte Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere eine hydrophile oder in Teilbereichen hydrophile und in anderen Teilbereichen hydrophobe Beschaffenheit, erlaubt dabei eine zusätzliche durch Kapillarkräfte induzierte mikrofluidische

Prozessierung der Probenflüssigkeit, sodass eine solche Oberflächenbeschaffenheit dazu genutzt werden kann, um eine durch Kapillarkräfte assistierte mikrofluidische Prozessierung einer Probenflüssigkeit zu bewirken oder zu erleichtern. Diese definierte Oberflächenbeschaffenheit wird vorzugsweise gezielt erzeugt,

insbesondere wenn ein spontanes Fortschreiten von Flüssigkeiten an den jeweiligen Positionen gewünscht ist. Eine definierte Modifikation der Oberflächenbeschaffenheit kann dabei z. B. durch geeignete Beschichtung, Abscheidung, Oxidation oder Plasmabehandlung der Oberfläche erfolgen. Weiterhin kann eine weitere definierte Modifizierung der Oberflächenbeschaffenheit vorgesehen sein, insbesondere kann die Oberflächenbeschaffenheit eine biologische und/oder biochemische Funktionalisierung umfassen. Beispielsweise können an den Oberflächen innerhalb der entsprechenden Strukturen geeignete Fängermoleküle immobilisiert sein, wie es aus immunologischen Anwendungen bekannt ist. Weitere Funktionalitäten können durch eine Wechselwirkung voneinander verschiedener Fluide, die insbesondere nicht oder nur wenig miteinander mischbar sind, erreicht werden, indem z. B. eine Kavität mit einem ersten Fluid befüllt und anschließend mit einem zweiten Fluid überschichtet wird. Dies erlaubt beispielsweise eine Aliquotierung des ersten Fluids, wobei das erste Fluid aufgrund der in der mikrofluidischen Vorrichtung vorliegenden Kapillarkräfte in der jeweiligen Kavität verbleibt. Insgesamt erlaubt damit die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Integration von Komponenten, die eine spezielle mikrofluidische Funktionalität bereitstellen und/oder die die Durchführung von speziellen Analyse-, Aufreinigungs- oder Prozessierungsverfahren erlauben.

Durch eine geeignete Materialwahl für die weitere Komponente können weitere besonders vorteilhafte Funktionalitäten erreicht werden, beispielsweise eine hohe chemische Inertheit, eine hohe Biokompatibilität, eine geringe Eigenfluoreszenz, eine hohe optische Transmissivität oder Reflektivität oder eine geringe

Oberflächenrauigkeit oder Kombinationen derartiger Eigenschaften. Auf diese Weise kann beispielsweise eine optische Schnittstelle zwischen der weiteren Komponente der Vorrichtung und einem externen Prozessierungsgerät hergestellt werden.

Die Polymer- Kartusche selbst ist in an sich bekannter Weise mit geeigneten Kavitäten und Kanälen für die Probenflüssigkeit und für gegebenenfalls vorgelagerte Flüssigkeiten ausgestattet. So kann die Polymer- Kartusche Ausnehmungen (Kavitäten oder Kammern) zur Vorlagerung von Reagenzien aufweisen oder die Polymer- Kartusche kann Behältnisse mit Flüssigreagenzien umfassen. Weiterhin kann die Polymer- Kartusche über Kavitäten oder Kammern verfügen, in denen voneinander unabhängige Reaktionen durchgeführt werden können, beispielsweise Polymerase- Kettenreaktionen oder anderes. Die Polymer- Kartusche kann aus üblichen Materialien, wie beispielsweise

Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP/COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastischen Elastomeren (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol- Blockcopolymer (TPS) gefertigt sein. Derartige Polymere weisen zumeist eher hydrophobe oder nur schwach hydrophile Eigenschaften auf und wirken einer spontanen Benetzung damit entgegen. Dies kann ein gewünschter Effekt sein und beispielsweise durch eine Beschichtung der Polymeroberfläche, beispielsweise mit Teflon, noch verstärkt werden, so dass ein ungewolltes spontanes Fortschreiten von Flüssigkeiten (Fluiden) in der Kartusche verhindert wird und der

Flüssigkeitstransport nur durch eine gezielte Störung bzw. aktive Kontrolle von außen, beispielsweise durch Anlegen von Druck, erfolgen kann. Eine weitere gezielte Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit und eine Modifikation der Oberfläche sind auch für die Polymer- Kartusche, in vergleichbarer Weise wie oben beschrieben für die weitere Komponente, möglich.

Die Polymer- Kartusche kann beispielsweise aus wenigstens zwei Polymerschichten gebildet sein, die eine dazwischenliegende elastische Membran umschließen bzw. über die elastische Membran miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann durch Anlegen von Druck an die mikrofluidische Vorrichtung die elastische Membran in Ausnehmungen der Kartusche, beispielsweise Kavitäten oder Kanäle, ausgelenkt werden, so dass Flüssigkeiten durch Auslenken der elastischen Membran aus den Ausnehmungen in den Polymerschichten kontrolliert verdrängt werden können, so dass ein definiertes Prozessieren von Flüssigkeiten erreicht wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Membran optisch absorbierend und weist einen ähnlichen Schmelzpunkt auf wie die beiden optisch gegebenenfalls

transparenten Polymerschichten. Diese Eigenschaften der Membran und

Polymerschichten erlauben dann eine Verfügung der Polymer- Kartusche mittels Laserdurchstrahlschweißen. Auf diese Weise kann eine einfache und kostengünstige Fertigbarkeit der mikrofluidischen Vorrichtung erzielt werden.

Ein besonderer Vorteil der mikrofluidischen Vorrichtung ist, dass sie in besonderer Weise einer Automatisierung zugänglich ist. Vorteilhafterweise ist die

mikrofluidische Vorrichtung dabei zur Prozessierung in einer oder gegebenenfalls mehreren externen Prozessierungseinheit/en vorgesehen. Hierfür können entsprechende Laborgeräte verwendet werden, in die derartige Kartuschen eingelegt und beispielsweise für eine molekulardiagnostische Analyse bearbeitet werden können.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen mikrofluidischen Vorrichtung, wobei zweckmäßigerweise die wenigstens eine weitere Komponente separat von der Polymer- Kartusche gefertigt wird/werden. Anschließend kann die oder können die weitere(n) Komponente(n) mit der Polymer- Kartusche verfügt oder in die Polymer- Kartusche eingesetzt werden, insbesondere beim Verfügen der Polymer- Kartusche. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die weitere Komponente in die Polymer- Kartusche integriert wird und dabei beispielsweise flächig in die Polymer- Kartusche in eine entsprechende

Ausnehmung eingesetzt wird. Die weitere Komponente kann dabei beispielsweise eingeklebt oder (nur) durch Formschluss eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist eine Verfügung der Polymer- Kartusche mit der weiteren Komponente mittels einer fluiddichten Verklebung der weiteren Komponente. Die weitestgehend voneinander unabhängige Fertigung der beiden wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das heißt also der Polymer- Kartusche und der weiteren Komponente, erlaubt eine besonders kosteneffiziente Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung. Die Polymer- Kartusche kann beispielsweise kostengünstig aus Polymeren wie z. B. Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Cycloolefin-Copolymer, Polymethylmethacrylat und/oder thermoplastischen

Elastomeren wie Polyurethan oder Styrol- Blockcopolymer gefertigt werden, z. B. durch Spritzgießen, Thermoformen oder Stanzen und Verfügen der Polymere beispielsweise mittels Laserdurchstrahlschweißen, wobei hier fertigungsbedingte Toleranzen tolerierbar sein können. Für die Herstellung der weiteren Komponente können hingegen auch Materialien mit besonders vorteilhaften Eigenschaften, wie z. B. Silizium, Glas (z. B. Floatglas, anodisch bondbares Glas, photostrukturierbares Glas), Halbleitermaterialien oder Metalle verwendet werden, wobei insbesondere für die weitere Komponente auch aufwendigere Herstellungs- und

Mikrostrukturierungsverfahren eingesetzt werden können. Geeignet hierfür sind beispielsweise Photolithographie, Ätzprozesse (trocken, nasschemisch,

plasmaunterstützt), chemische Gasphasenabscheidung (CVD, wie Niederdruck- CVD oder plasmaunterstützte CVD) oder Erzeugung einer selbstorganisierenden Monoschicht und weitere Verfahren, wie etwa der Lasermaterialbearbeitung (Lasermikrostrukturierung, Ultrakurzpuls-Laserablation). Die Strukturierung der weiteren Komponente kann in besonders bevorzugter Weise durch Aufbringen wenigstens einer fotolithographischen Maskierungsschicht erfolgen. Weiterhin ist es bevorzugt, für die Herstellung der weiteren Komponente wenigstens einen Ätzschritt oder einen Laserstrukturierungsschritt anzuwenden. Die Herstellung der weiteren Komponente kann insgesamt in aufwendigerer Weise als die Herstellung der weiteren Komponente erfolgen, so dass hierbei auch kleinste Strukturgrößen möglich sind, um z. B. ein hoch-paralleles Prozessieren von Fluiden und die Durchführung von biochemischen Reaktionen in der Vorrichtung zu ermöglichen, z. B. für die vollautomatisierte Durchführung hochmultiplexer Nukleinsäure-basierter Analysen im Rahmen von diagnostischen Tests oder anderem. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist also, dass die Polymer- Kartusche und die weitere Komponente durch unterschiedliche Strukturgrößen gekennzeichnet sein können und mit unterschiedlichen Toleranzen gefertigt werden können, wobei insgesamt eine kostengünstige Fertigung der mikrofluidischen Vorrichtung mit einer besonders spezifischen Differenzierungsmöglichkeit bei der weiteren Komponente möglich ist.

Die weitere Komponente kann beispielsweise aus Silizium gefertigt werden, wobei für eine Mikrostrukturierung des Siliziums insbesondere aus der Halbleiterindustrie oder Mikrosystemtechnik etablierte Strukturierungsverfahren auf Wafer- Ebene eingesetzt werden können. Nach einer Prozessierung auf Wafer- Ebene erfolgt zweckmäßigerweise eine Vereinzelung der Wafer oder allgemein des Substrats in eine Vielzahl von Einheiten oder Chips (z. B. durch mechanisches Wafersägen oder andere Dicing-Methoden).

In einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann die weitere Komponente durch Wafer-Bonden hergestellt werden. Dafür kann beispielsweise vor einer Vereinzelung von mikrostrukturierten Wafern ein weiterer Wafer hergestellt werden, der auf den ersten Wafer gebondet wird. Hierdurch ist es möglich, durch den weiteren, gegebenenfalls ebenfalls mikrostrukturierten Wafer, besonders komplexe mikrofluidische Strukturen zu erzeugen. Weiterhin kann beispielsweise ein Wafer aus anodisch bondbarem Glas, welcher in einen ersten Wafer

eingebrachte mikrofluidische Mikrokanäle oder Mikrokammern senkrecht zur Wafer- Ebene fluiddicht abschließt, hergestellt werden. Anodisch bondbares Glas ist hierfür besonders vorteilhaft, da es unter anderem chemisch inert und optisch transparent ist. Darüber hinaus kann durch ein Abschließen der in Silizium eingebrachten mikrofluidischen Strukturen mit einem weiteren Wafer durch Waferbonden gegebenenfalls eine höhere Präzision der Kanal- bzw. Kammerhöhen erreicht werden, als dies bei einer Integration in die Polymerbestandteile der Polymer- Kartusche zum fluidischen Abschluss der in die weitere Komponente eingebrachten mikrofluidischen Strukturen der Fall wäre. Weiterhin kann durch ein Abschließen der Strukturen mittels Waferbonden eine unerwünschte Kontamination der Strukturen, die z. B. beim Vereinzeln des Wafers durch Sägen auftreten können, im

Wesentlichen vermieden werden.

Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung der beschriebenen

mikrofluidischen Vorrichtung zur Prozessierung von chemischen und/oder biologischen Substanzen, wobei die Prozessierung vorzugsweise automatisiert und insbesondere vollautomatisiert erfolgt. Insbesondere durch die Mikrostrukturierung der weiteren Komponente können auch kleinste Flüssigkeitsvolumina

vollautomatisiert prozessiert werden. Vor allem eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Prozessierung von medizinischen Proben im Rahmen einer Diagnostik. Bei der Probe kann es sich also insbesondere um eine biologische oder medizinische Substanz handeln, insbesondere humanen Ursprungs. Beispiele hierfür sind Körperflüssigkeiten, Abstriche, Sekrete, Sputum, Gewebeproben oder Vorrichtungen mit angebundenem Probenmaterial. Hierbei ist unter einer

Vorrichtung mit angebundenem Probenmaterial eine Vorrichtung zu verstehen, die zur Probengewinnung eingesetzt wird, beispielsweise eine Vorrichtung, die

Fängermoleküle oder Filterstrukturen oder Ähnliches enthält, um gezielt

Bestandteile aus einer Ausgangsprobe zu extrahieren. Die in der Probe

nachzuweisenden Targets sind insbesondere von medizinischer, klinischer, therapeutischer oder diagnostischer Relevanz und können beispielsweise

Bakterien, Viren, bestimmte Zellen, wie z. B. zirkulierende Tumorzellen, zellfreie DNA, Proteine oder andere Biomarker sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt dabei das Prozessieren kleinster Flüssigkeitsvolumina und damit eine hoch- parallelisierte Analyse der Probe bei sehr kleiner Probenmenge. Durch die

Automatisierung des Prozessablaufs sind keine weiteren manuellen Schritte erforderlich (Sample-to-Result-Analyse), so dass die Durchführung der Tests im Prinzip ohne spezielle Vorkenntnisse der durchführenden Person möglich ist. Besonders vorteilhaft ist eine Prozessierung der Probe in einer einzigen

Prozessierungseinheit bzw. in einem einzigen Gerät, da auf diese Weise Tests in einem kompakten Gerät direkt am Point-of-Care durchgeführt werden können, ohne dass eine aufwendige Laborinfrastruktur oder ein Zentrallabor dafür notwendig wären.

Für die Durchführung der Tests wird zweckmäßigerweise die Probe zunächst in eine entsprechende Kavität oder Probenaufnahmekammer der Polymer- Kartusche eingegeben. In einem zweiten Schritt kann die Polymer- Kartusche in das

Prozessierungsgerät eingesetzt werden, bevor die nötigen Schnittstellen (z.B. zur Übertragung von mechanischen Kräften wie Druck oder Rotation und/oder zur Beheizung und/oder Kühlung) zwischen dem Prozessierungsgerät und der Polymer- Kartusche hergestellt werden. Hierbei kann die weitere Komponente vor oder prinzipiell auch nach dem Probenauftrag in die Polymerkartusche eingesetzt werden. In der Regel wird die weitere Komponente in einem vorgelagerten Schritt in die Polymer- Kartusche eingesetzt (beispielsweise mittels einer fluiddichten und gegebenenfalls temperaturstabilen Verklebung) und insbesondere fluidisch angebunden. Anschließend wird die Probe innerhalb der mikrofluidischen

Vorrichtung prozessiert, sodass beispielsweise ein Analyseergebnis bereitgestellt werden kann. Nach der Prozessierung kann die Vorrichtung aus der

Prozessierungseinheit entfernt und gegebenenfalls entsorgt werden. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die vollständige Prozessierung der Probe in mehreren Prozessierungsgeräten (Prozessierungseinheiten) nacheinander erfolgt.

Während der Prozessierung wird die Polymer- Kartusche insbesondere dazu genutzt, Reagenzien vorzulagern, die Probe aufzureinigen, ein kontrolliertes Pumpen von Flüssigkeiten zu ermöglichen. Weiterhin dient die Polymer- Kartusche als Verpackung und Schutzhülle, um eine Kontamination der Probe durch die Umwelt und umgekehrt zu verhindern. Weiterhin stellt die Polymer- Kartusche eine Makro-zu- Mikro-Schnittstelle dar, die ein mikrofluidisches Prozessieren in der externen Prozessierungseinheit ermöglicht. Weiterhin stellt die Polymer- Kartusche gewissermaßen eine Benutzer-Schnittstelle bereit, die eine einfach handhabbare Eingabe der Probe in die Kartusche für die weitere Prozessierung und eine einfache Eingabe der Kartusche in eine Prozessierungseinheit erlaubt. Im Vergleich zu herkömmlichen mikrofluidischen Vorrichtungen wird die besonders vorteilhafte Funktionalität der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die gewissermaßen zusätzliche, weitere Komponente erreicht, die sich durch die oben beschriebenen vorteilhaften Merkmale (z. B. Mikrostrukturierung, hohe Wärmeleitfähigkeit, verbesserte Oberflächenbeschaffenheit und/oder definierte Modifikation der Oberflächenbeschaffenheit) auszeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Polymer- Kartusche und weiterer Komponente;

Fig. 2 Detailansicht eines Ausschnitts aus Fig. 1;

Fig. 3 Aufsicht auf eine weitere Komponente als mikrostrukturierter Chip aus Floatglas (Teilabbildung A) und Integration des Chips in eine

mikrofluidische Polymer- Kartusche (Teilabbildung B); und

Fig. 4 schematische Darstellung von unterschiedlichen Kontaktwinkeln

(Teilabbildungen A und B) durch Modifizierung der

Oberflächenbeschaffenheit eines mikrostrukturierten Silizium-Wafers als weitere Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig· 1 illustriert die wesentlichen Komponenten einer beispielhaften

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, die sich aus einer Polymer- Kartusche 100 und einer weiteren, mikrofluidisch angebundenen

Komponente 200 zusammensetzt, im schematischen Querschnitt. Bei dieser weiteren Komponente 200 handelt es sich insbesondere um eine mikrostrukturierte Komponente und/oder eine Komponente aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit.

Die Kartusche 100 kann aus üblichen Polymersubstraten (z.B. PC, PP, PE, COP/COC, PMMA, PDMS) gefertigt sein. Die zweite Komponente 200 kann ebenfalls aus einem Polymer gefertigt sein, insbesondere einem Polymer mit einer Beschichtung oder einer behandelten Oberfläche (z.B. Sauerstoff- oder Stickstoff- Plasmabehandlung). Andere Möglichkeiten sind Glas wie Flachglas, anodisch bondbares Glas, fotostrukturierbares Glas, Quarzglas oder anderes Silikatglas, Silicium, insbesondere mit einer chemisch modifizierten Oberflächenbeschaffenheit wie (amorphes) Siliciumdioxid oder -nitrid oder mit einer Beschichtung wie einer selbstorganisierenden Monoschicht ( self-assembled monolayer, SAM) oder verwandte Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid oder andere III- V-Verbindungshalbleiter, Metall, wie z.B. Gold, Silber, Aluminium, Platin, Kupfer, Eisen, Titan oder einer Legierung, oder Verbindungen dieser Materialien.

Die Komponente 200 zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie eine Verbesserung der Funktionalität der mikrofluidischen Vorrichtung bereitstellt, indem sie beispielsweise eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen kann und dadurch einen besonders schnellen Wärmeaustausch zwischen Umgebung und in der Kartusche eingeschlossenen Flüssigkeiten erlaubt. Weiterhin kann sie eine Mikrostrukturierung und eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, welche dazu dienen können, eine erweiterte, insbesondere auf Kapillarkräften basierende, mikrofluidische Funktionalität bereitzustellen, welche durch die

Wechselwirkung der zu prozessierenden Fluide oder mit den Fluiden transportierten Probenbestandteilen mit der mikrostrukturierten Oberfläche der Komponente hervorgerufen wird. Weiterhin kann sie eine funktionalisierte Oberfläche aufweisen, welche in Wechselwirkung treten kann mit in dem zu prozessierenden Fluid vorhandenen Molekülen, insbesondere Biomolekülen oder anderen Bestandteilen biologischer Spezies.

Die Polymer- Kartusche 100 verfügt über eine Kammer 50 zur Eingabe der zu untersuchenden Probe. Die Kammer 50 kann nach Eingabe der Probe mit einem Deckel 51 verschlossen werden, um eine Kontamination der Probe mit der Umwelt und umgekehrt zu verhindern. Zusätzlich verfügt die Kartusche 100 über weitere Reagenzienvorlagerungskammern 60 insbesondere zum Vorlagern von

Flüssigkeiten wie z.B. Pufferlösungen, PCR- Master- Mix oder anderen

Flüssigreagenzien, welche für die mikrofluidische Prozessierung der Probe verwendet werden können, sowie eine Kammer 70, welche zur Aufnahme von Flüssigkeiten nach deren Prozessierung innerhalb des fluidischen Netzwerks der Polymer- Kartusche 100 dient. Die Polymer- Kartusche 100 weist eine zentrale Kammer 101 mit einem Einlasskanal 102 und einem Auslasskanal 103 auf, sowie eine Kontaktfläche 110 in einer Ausnehmung, in welcher sich die zweite bzw. weitere Komponente 200 befindet. Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt 123 des zentralen Bereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mit entsprechenden Bezugszeichen wie in Fig. 1. Zu erkennen ist der spezielle Zuleitungskanal 102 zur zentralen Kammer 101, in der der Kontakt mit der weiteren Komponente 200 hergestellt wird. Der Zuleitungskanal 102 kann mit einer mikrofluidischen Drossel und/oder einer fluidischen Kapazität zur Verringerung und/oder Stabilisierung der Flussrate ausgestattet sein. Die weitere Komponente 200 kann über eine

Klebeverbindung 12 an der Kontaktfläche 110 fluiddicht mit der Kartusche 100 verbunden sein. Durch die Kammer 101 und damit verbundenen Kanäle 102, 103 wird eine mikrofluidische Schnittstelle zwischen der Kartusche 100 und der weiteren Komponente 200 hergestellt. In dieser vorteilhaften Ausführungsform weist die weitere Komponente 200 also eine unmittelbare Grenzfläche zu in der Kartusche 100 eingeschlossenen Fluiden auf. Andererseits ist eine unmittelbare Grenzfläche 23 zu einer externen Prozessierungseinheit vorgesehen, in welche die Polymer- Kartusche 100 mit der weiteren Komponente 200 eingegeben wird. Die Grenzfläche 23 zu der Prozessierungseinheit fungiert hierbei insbesondere als Wärmeschnittstelle zu einem Heiz- und/oder Kühlelement 310 als Teil der externen Prozessierungseinheit

In dieser Ausführungsform ist die weitere Komponente 200 in die Polymer-Kartusche 100 integriert, d.h. sie wird in wenigstens zwei räumlichen Dimensionen von der Kartusche 100 umschlossen. Dies erlaubt eine einfachere Ausführung der fluiddichten Verbindung 12 (z.B. eine Klebeverbindung) der weiteren Komponente 200 mit der Kartusche 100 an der vorliegenden Kontaktfläche 110. Unabhängig von dieser speziellen Ausführungsform sind die Kartusche 100 und die weitere Komponente 200 über mindestens einen Kanal bzw. eine Kammer fluidisch miteinander verbunden.

Die weitere Komponente 200 verfügt in dieser Ausführungsform über Mikro strukturen 210, insbesondere Kavitäten, sowie vorteilhafterweise über eine modifizierte Oberflächenbeschaffenheit 220, um z.B. eine kapillare Befüllung der Mikrostrukturen, insbesondere der Kavitäten zu erzielen oder um einen

unerwünschten Flüssigkeitsaustausch zwischen den Kavitäten zu verhindern. Die Kavitäten sind insbesondere regelmäßig angeordnet, sodass sich ein Array aus Kavitäten ergibt. Dies ist vorteilhaft, da dies eine einfache Indizierung und

Zuordnung der Kavitäten erlaubt. Zum Beispiel können in die Kavitäten gezielt unterschiedliche Reagenzien eingebracht werden (z.B. mittels einer Piezo- Dispensierungs- Kapillare) und im nächsten Schritt mit einer in die Kavitäten eingebrachten Flüssigkeit (z.B. einer Probenflüssigkeit) in Wechselwirkung treten. Insbesondere besitzen die Kavitäten eine spezielle Oberflächenbeschaffenheit 220, welche durch die Wechselwirkung mit der zu prozessierenden Flüssigkeit eine kapillarunterstützte Befüllung der Kavitäten bei In-Kontakt-Treten mit der zu prozessierenden Flüssigkeit erlaubt. Insbesondere weisen die Kavitäten eine zumindest in Teilbereichen vorliegende hydrophile Oberflächenbeschaffenheit auf, welche eine kapillarunterstütze Befüllung der Kavitäten mit wässrigen Lösungen erlaubt. Hierbei kann es sich insbesondere um Flüssigkeiten biologischen, insbesondere humanen Ursprungs handeln, wie z.B. einer aufgereinigten

Probenflüssigkeit oder in Lösung gebrachtes Probematerial oder um eine

Zellsuspension, eine Flüssigkeit mit Zellbestandteilen (die aus der Lyse von Zellen hervorgegangen sind) oder eine aufgereinigte Probenflüssigkeit, welche

insbesondere Desoxyribonukleinsäure-Bestandteile aufweisen kann, oder einem Master-Mix für eine Polymerase- Kettenreaktion.

Die Prozessierung der Probe in der Vorrichtung 10 erfolgt in einer externen

Prozessierungseinheit (nicht näher dargestellt). Die Prozessierungseinheit verfügt hierzu insbesondere über eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung 310 (z.B. ein Peltier- Element oder ein resistives Heizelement) für einen Wärmeaustausch mit in der Vorrichtung 10 vorliegenden Fluiden, wobei die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung 310 flächig an die weitere Komponente 200 angedrückt werden kann, z.B. unter Verwendung von Schraubendruckfedern 311, um eine mögliche Verkippung der Polymer- Kartusche 100 in der Prozessierungseinheit oder der Komponente 200 innerhalb der Polymer- Kartusche 100 (z.B. bedingt durch Fertigungstoleranzen) auszugleichen. In dieser vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 verfügt die Vorrichtung also insbesondere über eine Schnittstelle 23 zum effizienten Austausch von Wärme über die gut wärmeleitfähige Komponente 200 zwischen in der Kartusche 100 eingeschlossenen Fluiden und der Heiz- und/ oder Kühlvorrichtung 310 der Prozessierungseinheit.

Darüber hinaus kann die Prozessierungseinheit ein Optikmodul 320 enthalten, z.B. für Fluoreszenzmessungen. Das Optikmodul 320 kann sich zusammensetzen aus einem lichtempfindlichen elektronischen Bauelement wie z.B. einem CCD-Array- Sensor oder einem CMOS-Sensor (aktiver Pixelsensor, APS), einer Lichtquelle wie z.B. einer lichtemittierenden Diode (LED) oder einer Glühlampe, optischen Farbfiltern sowie weiteren optischen Komponenten wie Linsen, Blenden,

Strahlteilern, Polarisatoren. Das Optikmodul 320 erlaubt so einerseits die Abbildung und Detektion eines optischen Signals 321, welches von den in der weiteren Komponente 200 vorliegenden Flüssigkeiten und Substanzen und/oder

gegebenenfalls von der Komponente 200 selbst ausgeht. Andererseits kann das Optikmodul 320 auch für eine homogene Beleuchtung und optische Anregung 321 der in der Komponente 200 vorliegenden Flüssigkeiten und Substanzen genutzt werden. Durch Verwendung von geeigneten optischen Anregungs- und

Detektionsfarbfiltern kann so das Fluoreszenzsignal an der Komponente 200 ortsaufgelöst gemessen werden. Auf diese Weise wird zusätzlich eine optische Schnittstelle zwischen der Komponente 200 und der Prozessierungseinheit realisiert.

Fig. 3A zeigt einen mikrostrukturierten Chip 400 aus Floatglas mit einem Kavitäten- Array, der als weitere Komponente für die erfindungsgemäße Vorrichtung dient. Fig. 3 B zeigt die Integration des Chip 400 in eine mikrofluidische Polymer- Kartusche 500 einer mikrofluidischen Vorrichtung. In entsprechender Weise kann ein

mikrostrukturierter Si-Chip mit einer mikrofluidischen Kavitäten-Array-Struktur in eine mikrofluidische Kartusche integriert werden.

Fig. 4A bisC illustrieren einen mikrostrukturierten Si-Wafer mit einer modifizierten Oberflächenbeschaffenheit während einer Kontaktwinkelmessung. Fig. 4A zeigt in schematischer Weise das Messprinzip bei einer Kontaktwinkelmessung bei einem benetzten Si-Wafer. Fig. 4B und 4C illustrieren die unterschiedlichen messbaren Kontaktwinkel (0=51° bzw. 0= 10°) an Si-Wafern mit unterschiedlicher

Oberflächenbeschaffenheit. Die Verschiedenheit der Kontaktwinkel zeigt, dass sich abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche ein unterschiedliches

Benetzungsverhalten erzielen lässt. Durch ein solches

„Kontaktwinkel- Engineering“ lässt sich eine gezielte mikrofluidische Funktionalität der weiteren Komponente der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung hersteilen.

Bei der grundlegenden Verwendung der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt das Prozessieren der Probeflüssigkeit innerhalb der Vorrichtung teil- oder

vollautomatisiert durch Einsetzen der Vorrichtung in eine oder mehrere externe Prozessierungseinheiten/-geräte. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass weniger manuelle Schritte zum Prozessieren der Probeflüssigkeit erforderlich sind. Das teil odervollautomatisierte Prozessieren der Probeflüssigkeit innerhalb der Vorrichtung kann erfolgen z.B. durch das Anlegen von unterschiedlichen Druckniveaus an die mikrofluidische Vorrichtung über eine geeignete Schnittstelle zwischen Polymer- Kartusche und Prozessierungseinheit und optional durch Integration einer auslenkbaren elastischen Membran in die Kartusche, welche ein gezieltes

Verdrängen oder Ansaugen von Flüssigkeiten erlaubt. Alternativ ist z. B. ein

(partielles) Evakuieren von in der Vorrichtung eingeschlossenen Kammern und Ausnutzen des von außen wirkenden Atmosphärendrucks möglich oder durch die durch Rotation der Vorrichtung hervorgerufenen Scheinkräfte (Zentrifugal-, Coriolis- und Euler- Kräfte), welche auf die Flüssigkeiten innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung wirken. In einem ersten Schritt im Vorfeld der Prozessierung wird die Probe in die Polymer- Kartusche eingegeben. In einem zweiten Schritt wird die Kartusche in eine Prozessierungseinheit oder ein Prozessierungsgerät eingegeben oder eingelegt und die nötigen Schnittstellen zwischen Prozessierungsgerät und Polymer- Kartusche mit der weiteren Komponente, welche zum Prozessieren der Probe in der Vorrichtung erforderlich sind, werden hergestellt. Solche Schnittstellen können dienen z.B. zur Übertragung von mechanischen Kräften (etwa zur Rotation der Vorrichtung und der Erzeugung von Zentrifugal- oder Corioliskräften zum Prozessieren der Probenflüssigkeit oder zum Aufbrechen und Ausdrücken von versiegelten Reagenzienvorlagerungsbehältnissen), Druck (etwa zur druckgetriebenen Prozessierung der Probeflüssigkeit, gegebenenfalls unter

Verwendung eine elastischen Membran, welche durch Auslenken zum Verdrängen von Flüssigkeiten verwendet werden kann), Wärme (etwa durch eine Heiz- oder Kühlvorrichtung), elektromagnetischer Strahlung (etwa durch ein optisches Modul zur Anregung und/oder Detektion z.B. von Fluoreszenzereignissen), Ultraschall (etwa zur Zelllyse oder zum Entgasen von Flüssigkeiten), Austausch magnetischer Kräfte (etwa zum Transport magnetischer Beads, welche eine

Oberflächenfunktionalisierung aufweisen, innerhalb der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung) oder elektrischer Energie. In einem dritten Schritt wird die Probe innerhalb der mikrofluidischen Vorrichtung prozessiert. Dieser Schritt kann umfassen (a) eine Aufbereitung der Probe wie z.B. ein In-Lösung-Bringen oder die Bildung einer Suspension oder Dispersion, eine Herausfilterung von Bestandteilen aus der Probe, eine Lyse von in der Probe befindlichen Pathogenen wie Bakterien oder Viren, eine Extraktion von DNS-Molekülen aus der Probe z.B. durch einen Filter oder magnetische Beads, eine Voramplifikation von vorgegebenen Targets, insbesondere von einzelnen vorgegebenen Basensequenzen durch eine

Polymerase- Kettenreaktion, (b) ein Pumpen der (aufbereiteten) Probe in eine zentrale Kammer und eine Wechselwirkung der Probe mit der weiteren

Komponente, insbesondere mit einer modifizierten Oberfläche der weiteren

Komponente und mit gegebenenfalls vorliegenden Mikrostrukturen, insbesondere ein Eindringen der Probenflüssigkeit in Mikrokavitäten und Überschichten der in den Kavitäten vorliegenden Probeflüssigkeit durch (c) Pumpen eines weiteren Fluids in die zentrale Kammer, welches die in den Kavitäten eingedrungene Proben flüssigkeit versiegelt, (d) ein Temperieren der weiteren Komponente und

insbesondere der in den Kavitäten eingeschlossenen Probenflüssigkeit,

insbesondere ein zyklisches Temperieren, z.B. für die Durchführung von

Polymerasekettenreaktionen in den Kavitäten, (e) ein optisches Auslesen der Komponente, insbesondere die Detektion eines Fluoreszenzsignals zur Analyse der Probe, insbesondere während des zyklischen Temperierens, z.B. für die

Durchführung einer (quantitativen) Echtzeit- Polymerasekettenreaktion. In einem vierten Schritt wird die Polymer- Kartusche aus der Prozessierungsgerät herausgenommen. Gegebenenfalls wird ein Analyseergebnis von dem

Prozessierungsgerät ausgegeben. Gegebenenfalls kann die in dem zweiten und dritten Schritt beschriebene Prozessierung der Probe auch in mehreren Prozessierungsgeräten erfolgen.

Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren der mikrofluidischen Vorrichtung werden zunächst die Polymerbauteile für die Polymer- Kartusche und für die weitere Komponente separat voneinander gefertigt. Die Herstellung der Polymerbauteile erfolgt hierbei vorzugsweise durch Hochdurchsatzverfahren wie Spritzgießen oder Thermoformen von Polymermaterial wie z. B. PC, PP, PE, COP/COC oder PMMA. Für die Fertigung der weiteren Komponente können je nach vorgegebener Funk tionalität der Komponente Halbzeuge wie z.B. Silizium-Wafer, Glas-Wafer oder Metallbleche verwendet werden, welche dann insbesondere mikrostrukturiert werden können. Für die Mikrostrukturierung von Silizium können insbesondere aus der Halbleiterindustrie und Mikrosystemtechnik etablierte Strukturierungsverfahren auf Wafer- Level eingesetzt werden. Als Ausgangspunkt dazu können z.B. Si- Wafer mit nativem Oxid, Si-Wafer mit amorphem Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid, oder anders beschichtete Si-Wafer dienen. Für die Mikrostrukturierung der in Silizium- Komponenten mit Kavitäten- Array- Strukturen kann etwa ein strukturierter Resist als Maske auf die Wafer aufgebracht werden. Als Resist kann z.B. ein Fotolack zum Einsatz kommen, welcher belichtet und entwickelt worden ist. Im nächsten Schritt erfolgt dann ein isotropes oder anisotropes Ätzen des Substrats (trocken, nasschemisch, plasmaunterstützt), insbesondere ein anisotropes Ätzen wie das reaktive lonentiefenätzen (Bosch- Prozess) zur Erzeugung von Kavitäten mit einem hohen Aspektverhältnis oder ein nasschemisches Ätzen, z.B. mit heißer Kalilauge zur Erzeugung von pyramidalen Kavitäten, Kanälen und Kammern, welche aufgrund der sich hierbei ausbildenden abgeschrägten Seitenwände (z.B. 54.7°) eine vorteilhafte Geometrie im Hinblick auf eine gute mikrofluidische Befüllbarkeit aufweisen können. Nach dem Ätzen kann eine Reinigung der Wafer erfolgen (z.B. RCA-Reinigung, Plasmareinigung) oder ein Entfernen des Resists oder es kann optional eine weitere Abscheidung durchgeführt werden zur Modifikation der Oberflächenbeschaffenheit und des Benetzungsverhaltens (z.B. kann eine Siliziumdioxid-Oberfläche erzeugt werden durch z.B. thermische Oxidation oder eine Siliziumnitrid-Oberfläche durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) wie Niederdruck-CVD (LPCVD) oder plasmaunterstütze CVD (PECVD)). Für die Erzeugung einer lokal verschiedenen Oberflächenbeschaffenheit kann es sich insbesondere anbieten, den Resist erst nach Modifikation der Substratoberfläche zu entfernen, sodass der Resist als Maske für diesen Schritt dient. Zur Reinigung der Komponente (insbesondere zur Entfernung organischer Rückstände) kann eine Plasmabehandlung (z.B. 02-Plasma) oder eine nasschemische Reinigung (z.B. mit Peroxomonoschwefelsäure (,, Piranha- Lösung“) erfolgen. Neben einer

Schichtabscheidung können auch gezielt Lösungen auf die Komponente aufgebracht werden (z.B. mithilfe einer Piezo-Dispensierungs-Kapillare), um nach Verdampfen des Lösemittels eine Abscheidung von zuvor in Lösung befindlichen Stoffe zu erzielen. Die auf der Oberfläche der weiteren Komponente auf diese Weise aufgebrachten oder eingetrockneten Substanzen (z.B. Polyethylenglykol (PEG), Xanthan, Trehalose, Agarose oder Mischungen daraus) können so ebenfalls für eine vorteilhafte Modifikation des Benetzungsverhaltens nutzbar gemacht werden. Insbesondere kann z.B. durch ein Eintrocknen derartiger geeigneter Substanzen in zuvor in das Substrat eingebrachte Kavitäten gegebenenfalls eine bessere mikrofluidische Befüllbarkeit der Kavitäten erzielt werden.

Eine Mikrostrukturierung der weiteren Komponente kann auch durch andersartige Strukturierungsverfahren wie z.B. durch eine Materialbearbeitung mit einem Laser erfolgen (z.B. bei Floatglas). Dafür können abhängig von dem verwendetem Substratmaterial wie einem Metall, Glas oder Halbleiter verschiedenartige

Lasersysteme (z.B. Ultrakurzpuls-Laser) zum Einsatz kommen, um z.B. einen möglichst hohen Abtrag bei der Strukturierung zu erzielen. Darüber hinaus kann die Strukturierung einer Glas- Komponente auch durch nasschemisches Ätzen z.B. mit Flusssäure, z.B. unter Verwendung eines fotostrukturierbaren Glases wie Foturan oder eines fotolithographischen Prozesses erfolgen. Für die Herstellung einer Komposit- Komponente aus Glas und Silizium kann insbesondere auf anodisch bondbares Glas zurückgegriffen werden.

Nach Fertigung der weiteren Komponente kann diese mit der Polymer- Kartusche bzw. einem oder mehreren Polymerbauteilen, welche die Polymer- Kartusche bilden, verfügt werden. Die Verfügung kann durch eine Klebeverbindung hergestellt werden. Hierbei kann es sich z.B. um einen Silikonklebstoff oder geeigneten Epoxidklebstoff handeln, welcher insbesondere für die u.U. vorliegende unterschiedliche Wärmeausdehnung und Oberflächenbeschaffenheit der weiteren Komponente und der Polymer-Kartusche geeignet ist. Das Kartuschenbauteil mit der Kontaktfläche zur Komponente kann gegebenenfalls Zentriernasen aufweisen, um die Position der weiteren Komponente festzulegen. Für eine Hochdurchsatzfertigung kann z.B. ein Positionierungs- und Dispensierroboter eingesetzt werden, welcher die weitere Komponente in das Kartuschenbauteil einlegt und dann eine Kleberaupe um die weitere Komponente legt. Durch Verwendung eines Klebstoffs mit einem geeigneten Benetzungsverhalten kann sichergestellt werden, dass sowohl die weitere Komponente als auch das Kartuschenbauteil mit dem Klebstoff benetzt werden, sodass eine zuverlässige fluiddichte Klebeverbindung erreicht wird.

Insbesondere werden dabei vorzugsweise nur die Seitenwände der weiteren Komponente benetzt, nicht jedoch die Unterseite, welche damit als

Wärmeschnittstelle fungieren kann. Ferner kann insbesondere ein lichtaushärtender Klebstoff eingesetzt werden, um ein besonders schnelles Verkleben und damit einen hohen Durchsatz bei der Fertigung zu erzielen. Alternativ kann die weitere

Komponente auch lediglich in ein Polymerbauteil der Polymer- Kartusche eingelegt werden, insbesondere so, dass beim Verfügen der Polymerbauteile zu der Polymer- Kartusche eine Fixierung der weiteren Komponente innerhalb der Po lym er- Kartusche hergestellt wird.

Die Verfügung der einzelnen Polymerbauteile zur Polymer- Kartusche kann erfolgen durch z.B. Laserdurchstrahlschweißen mit einem thermoplastischen Elastomer (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol- Blockcopolymer (TPS), insbesondere unter Verwendung von Schweißmasken, um einen hohen Durchsatz bei der Fertigung zu erzielen, oder ein Verkleben der Polymerbauteile.

Nach dem Verfügen der weiteren Komponente mit der Polymer- Kartusche bzw. der vollständigen Verfügung der Kartusche mit der integrierten weiteren Komponente kann die mikrofluidische Vorrichtung luftdicht verpackt werden, insbesondere bei vermindertem Druck oder unter einer chemisch inerten Schutzatmosphäre.

Hierdurch wird eine unerwünschte Terminierung, also eine physikalische oder chemische Veränderung der Oberfläche der mikrofluidischen Vorrichtung durch Bestandteile der Atmosphäre bei der Lagerung, insbesondere bei der weiteren Komponente mit einer modifizierten Oberflächenbeschaffenheit, verhindert.

Die folgende Auflistung erläutert beispielhafte Abmessungen für die mikrofluidische Vorrichtung:

Dicke der Polymersubstrate: 0,1 mm bis 10 mm, bevorzugt 1 mm bis 3 mm Kanalquerschnitte: 10 x 10 qm ² bis 3 x 3 mm ² , bevorzugt 100 x 100 qm ² bis 1 x 1 mm ²

Kammerabmessungen: 1 x 1 x 0,1 mm ³ bis 100 x 100 x 10 mm ³ , bevorzugt 3 x 3 x 0,3 mm ³ bis 30 x 30 x 3 mm ³

Laterale Abmessungen eines gesamten Systems: 10 x 10 mm ² bis 200 x 200 mm ² , bevorzugt 30 x 30 mm ² bis 100 x 100 mm ²

Dicke des Substrats der weiteren Komponente: lOpm bis 10mm, bevorzugt lOOprn bis 3mm

Laterale Ausdehnung der weiteren Komponente: 0,1 x 0,1 mm ² bis 50 x 50 mm ² , bevorzugt l x l mm ² bis 20 x 20 mm ²

Im Fall eines Kavitäten-Array-Chips für eine (spektral-multiplexe) digitale Polymerasekettenreaktion kann eine Spezifikation der weiteren Komponente beispielsweise folgendermaßen realisiert sein:

Anzahl der Kavitäten: 100 bis 1.000.000, bevorzugt 1.000 bis 100.000

Volumen einer Kavität: 1 pl bis 1 pl, bevorzugt 10 pl bis 100 nl

Durchmesser einer Kavität: 5 pm bis 200 pm, bevorzugt 30 pm bis 100 pm

Eine beispielhafte Spezifikation der weiteren Komponente für den Fall eines Kavitäten-Array-Chips für eine (geometrisch-multiplexe) quantitative

Polymerasekettenreaktion kann beispielsweise folgendermaßen realisiert sein:

Anzahl der Kavitäten: 2 bis 1.000, bevorzugt 10 bis 200

Volumen einer Kavität: 10 pl bis 10 pl, bevorzugt 100 pl bis 1 pl

Durchmesser einer Kavität: 30 pm bis 1000 pm, bevorzugt 100 pm bis 500 pm