RU2773351C1 - Method for increasing the dosing accuracy of microfluidic pumps or valves - Google Patents
Method for increasing the dosing accuracy of microfluidic pumps or valves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773351C1 RU2773351C1 RU2020143256A RU2020143256A RU2773351C1 RU 2773351 C1 RU2773351 C1 RU 2773351C1 RU 2020143256 A RU2020143256 A RU 2020143256A RU 2020143256 A RU2020143256 A RU 2020143256A RU 2773351 C1 RU2773351 C1 RU 2773351C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- valve body
- valve
- tray
- laser
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Техническое производство биологически активных веществ, витаминов, пептидов или протеинов посредством генетически модифицированных микроорганизмов приобрело за последние три десятилетия огромное экономическое значение. При промышленном производстве этих субстанций продуцирующие клеточные системы культивируются в биореакторе, который может вмещать объемы во множество кубометров. При этом, за счет регулирования РН-значения, концентрации питательных веществ, количества кислорода в растворе и некоторых других релевантных для роста и метаболизма клеток параметров обеспечивается то, что клетки могут оптимально производиться. The technical production of biologically active substances, vitamins, peptides or proteins by means of genetically modified microorganisms has acquired enormous economic importance over the past three decades. In the industrial production of these substances, the producing cell systems are cultured in a bioreactor that can hold volumes of many cubic meters. Here, by adjusting the pH value, the nutrient concentration, the amount of oxygen in the solution and some other parameters relevant to cell growth and metabolism, it is ensured that the cells can be optimally produced.
В принципе, регулирование жизненных параметров в культуре клеток или микроорганизмов требует, чтобы эти параметры измерялись подходящими методами измерения в реальном времени или по меньшей мере в кратчайшие сроки. В таком случае, отклонение жизненного параметра от номинального значения требует соответствующего вмешательства. Оно может осуществляться полностью автоматически или вручную оператором. В обоих случаях пытаются - посредством прибавления подходящего агента - регулировать соответствующий жизненный параметр до его номинального значения. Так, снижающееся в ходе культивирования клеток рН-значение обычным путем корректируют за счет прибавления адекватного количества подходящего основания; повышающееся рН-значение - соответственно посредством добавления кислоты. Энергообеспечение микроорганизмов или клеток реализуется, в целом, за счет управляемого добавления подходящего источника углерода, часто раствора глюкозы. При этом часто является решающим, чтобы необходимые агенты добавлялись в точно измеренном количестве. Избыток или дефицит агента может оказывать отрицательное влияние на качества продукта биотехнологически произведенного вещества, полностью парализовать производство или по меньшей мере оказать отрицательное влияние на пространственно-временной выход продукта.In principle, the regulation of vital parameters in a culture of cells or microorganisms requires that these parameters be measured by suitable measurement methods in real time, or at least in the shortest possible time. In this case, the deviation of the vital parameter from the nominal value requires appropriate intervention. It can be carried out fully automatically or manually by the operator. In both cases one tries - by the addition of a suitable agent - to adjust the corresponding vital parameter to its nominal value. Thus, the pH value decreasing during cell culture is corrected in the usual way by adding an adequate amount of a suitable base; increasing pH value - respectively by adding acid. The energy supply of microorganisms or cells is realized, in general, by the controlled addition of a suitable carbon source, often a glucose solution. In this case, it is often decisive that the necessary agents are added in precisely measured amounts. An excess or deficiency of an agent can have a negative effect on the product quality of a biotechnologically produced substance, completely paralyze production, or at least have a negative effect on the spatiotemporal yield of the product.
В техническом масштабе - то есть при культивировании клеток в нескольких сотнях или даже тысячах литров культуральной жидкости - прибавление агентов для юстировки условий для выращивания культур, если не учитывать тот факт, что добавление должно осуществляться, чаще всего, абсолютно стерильно, не имеет никаких особых проблем: необходимое количество агента находится в диапазоне от нескольких миллилитров до литров, так что имеется большое количество техник, которые позволяют отмерять (дозировать) и прибавлять агенты с высокой аккуратностью и точностью.On a technical scale - that is, when culturing cells in several hundred or even thousands of liters of culture fluid - the addition of agents to adjust the conditions for growing cultures, apart from the fact that the addition must be carried out, most often, absolutely sterile, does not have any special problems. : the required amount of agent is in the range from a few milliliters to liters, so there are a large number of techniques that allow you to measure (dosing) and add agents with great accuracy and precision.
Однако, описанный выше метод, чтобы первоначально формировать условия для выращивания культур для биотехнологического производства, требует чаще всего других техник во время разработки продуктов, в которой жизненные параметры, которые применяются во время производства, должны вначале определяться. Во время этой оптимизации вначале осуществляется скрининг потенциально пригодных организмов, которые созданы посредством случайного мутагенеза или целенаправленной генной модификации. Самые многообещающие организмы отбираются и на следующем этапе условия для выращивания культур варьируются вначале грубыми шагами, а потом с увеличивающимся уменьшением шагов. Для каждого является очевидным, что не является целесообразным такие оптимизации осуществлять в масштабе тысяч, сотен или даже только нескольких литров. Расходы на каждый отдельный эксперимент оптимизации по существу пропорциональны его масштабу. Расходы на агенты, приборы и занимаемую площадь в лаборатории сильно коррелируют с объемом культур. Также рабочее время, которое оператор должен уделять индивидуальной культуре, в значительной мере зависит от ее объема. However, the method described above, in order to initially form the conditions for growing crops for biotechnological production, requires most often other techniques during product development, in which the vital parameters that apply during production must first be determined. During this optimization, potentially useful organisms are screened first, which are created through random mutagenesis or targeted gene modification. The most promising organisms are selected and, in the next step, the conditions for growing crops are varied first in rough steps and then in progressively smaller steps. It is obvious to everyone that it is not practical to carry out such optimizations on a scale of thousands, hundreds, or even just a few liters. The cost of each individual optimization experiment is essentially proportional to its scale. Agents, instrumentation, and laboratory space costs are highly correlated with culture volume. Also, the working time that the operator has to devote to an individual crop depends to a large extent on its volume.
Поэтому не удивительно, что научные работники, которые оптимизируют культуру клеток и микроорганизмов и биотехническое производство, что часто требует сотен и тысяч различных экспериментов, стараются осуществлять их максимально параллелизованно и в максимально малом масштабе, то есть в малом объеме. Therefore, it is not surprising that scientists who optimize the culture of cells and microorganisms and biotechnical production, which often requires hundreds and thousands of different experiments, try to carry them out as parallel as possible and on the smallest possible scale, that is, in a small volume.
По этой причине в биотехнологии все чаще используются параллелизированные микробиореакторы. Часто реакционные емкости размещают в форме пластины с микротитрами, что соответственно приводит к матрице/планшету (array) малых или мелких реакторов. Таким образом, возможно, что в только одной плите с микротитрами - часто в стандартном формате 128 х 85 мм - одновременно могут протекать 6, 24, 48, 96, 384 или даже 1526 процессов культивирования. Оптимизированные в этом микрообъеме реакционные условия, часто с относительно незначительными адаптациями, могут переноситься в макроскопический формат. За счет вариации количества реакторов на плите с микротитрами соответственно значительно варьируются рабочие объемы: в то время как в большинстве случаев о микрореакторах говорят уже при масштабах менее 10 мл, дальнейшее уменьшение объема до менее 1 мл, менее 500 мкл, менее 100 мкл или даже менее 10 мкл - особенно при оптимизации условий для выращивания культур с несколькими управляющими величинами за счет возможного запараллеливания (параллелизация) экспериментов - позволяет значительную экономию времени и затрат. Однако, прибавление агентов - здесь часто называются как заправочные средства, которые необходимы для того, чтобы поддерживать условия для выращивания культур в номинальном диапазоне - тогда часто представляет собой большую проблему. В случае реакторов с объемами ниже 1 мл заправочные средства должны медленно прибавляться по меньшей мере в мкл- или даже нл-объемах без необходимости существенных уступок в отношении требований к аккуратности/точности и воспроизводимости экспериментов по сравнению с условиями в больших реакторах. For this reason, parallelized microbioreactors are increasingly being used in biotechnology. Often the reaction vessels are placed in the form of a plate with microtiter, which accordingly leads to a matrix/tablet (array) of small or small reactors. Thus it is possible that 6, 24, 48, 96, 384 or even 1526 culturing processes can take place simultaneously in just one microtiter plate - often in the standard 128 x 85 mm format. Reaction conditions optimized in this microvolume, often with relatively minor adaptations, can be transferred to the macroscopic format. By varying the number of reactors on the microtiter plate, the working volumes vary considerably: while in most cases microreactors are already spoken of at scales of less than 10 ml, further reduction of the volume to less than 1 ml, less than 500 μl, less than 100 μl or even less 10 µl - especially when optimizing conditions for growing cultures with multiple control variables due to the possible parallelization (parallelization) of experiments - allows significant savings in time and costs. However, the addition of agents—here often referred to as dressing agents—that are necessary in order to keep crop conditions within the nominal range—is then often a big problem. In the case of reactors with volumes below 1 ml, the priming agents must be slowly added in at least µl or even nl volumes without the need for significant concessions in terms of accuracy/accuracy and reproducibility of experiments compared to conditions in large reactors.
Поэтому, многие производители при разработке технологий для добавления заправочных средств в среднем масштабе охотно прибегают к зарекомендовавшим техникам, таким как шприцевые или шланговые насосы. Эти техники позволяют по меньшей мере в мкл-масштабе - с определенными ограничениями даже в нл-масштабе - стабильную и воспроизводимую объемную подачу (производительность). Однако, использование этих насосов в микробиотехнологии связано с тем недостатком, что стерильные условия в общем могут гарантироваться только, если шланги или шприцы перед применением тщательно очищаются и стерилизуются или используются в виде соответственно подготовленных одноразовых изделий. В таком случае организация только одного эксперимента связана со значительными издержками и временными затратами, в частности, если степень параллелизации включает в себя более одного или двух десятков одновременных культур. Другие производители микробиореакторов применяют высокоточные дозирующие клапаны (Applikon), чтобы нагнетать жидкости в реакционные камеры. При этом также жидкости входят в контакт с частями клапанов и поэтому они должны перед применением очищаться и стерилизоваться. Кроме того, такое дозирование должно совершаться через крышку плиты с микротитрами и, таким образом, стерильный барьер потенциально должен нарушаться. Поэтому, экономичная и просто обслуживаемая одноразовая система с добавлением через дно плиты с микротитрами была бы весьма полезна для пользователя микробиореакторов.Therefore, many manufacturers are willing to use proven techniques such as syringe or peristaltic pumps when developing technologies for adding primers on a medium scale. These techniques allow at least on the µl scale - with certain limitations even on the nl scale - a stable and reproducible volumetric delivery (throughput). However, the use of these pumps in microbiotechnology has the disadvantage that sterile conditions can generally only be guaranteed if the hoses or syringes are thoroughly cleaned and sterilized before use or used as suitably prepared disposables. In this case, the organization of only one experiment is associated with significant costs and time, in particular, if the degree of parallelization includes more than one or two dozen simultaneous cultures. Other manufacturers of microbioreactors use high precision metering valves (Applikon) to force liquids into the reaction chambers. In this case, liquids also come into contact with parts of the valves and must therefore be cleaned and sterilized before use. In addition, such dosing must be done through the lid of the microtiter plate and thus the sterile barrier is potentially compromised. Therefore, an economical and easy to maintain disposable microtitre plate bottom plate addition system would be of great benefit to the user of microbioreactors.
Интересный способ для высокопараллельного нагнетания заправочных средств в микробиореакторы описывается в ЕР 3055065: с помощью микрофлюидики, состоящей из каналов примерно 100 мкм в диаметре и интегрированных в эти каналы насосов и клапанов, заправочные средства могут из интегрированных в плиту с микротитрами резервуаров перекачиваться через дно плиты с микротитрами в микрореакторы. Использование микрофлюидных клапанов и насосов предвещает хорошую интегрируемость множества отдельных микробиореакторов в микробиореакторную систему, вследствие чего становится возможным множество параллельных опытов в переделах одного сравнительно малого конструктивного пространства. Так, посредством множества клапанов, насосов и каналов могут одновременно управляться до 32 реакционных камер с соответственно двумя дозирующим путями и, таким образом, процессы осуществляются с высокой производительностью. Также с помощью этой техники может быть реализовано большое количество до примерно 2000 реакционных камер или более. An interesting method for the highly parallel injection of filling agents into microbioreactors is described in EP 3055065: using microfluidics consisting of channels approximately 100 µm in diameter and pumps and valves integrated into these channels, filling agents can be pumped from reservoirs integrated into the microtiter plate through the bottom of the plate with microtiters in microreactors. The use of microfluidic valves and pumps portends good integrability of many individual microbioreactors into a microbioreactor system, as a result of which many parallel experiments become possible within one relatively small structural space. Thus, by means of a plurality of valves, pumps and channels, up to 32 reaction chambers with respectively two dosing paths can be simultaneously controlled and thus the processes are carried out with high productivity. Also, a large number of up to about 2000 reaction chambers or more can be realized with this technique.
Функция интегрированных в чип насосов и клапанов основывается на том, что преимущественно кругообразные лотки, которые соединены с каналами, закрываются гибкой пленкой или мембраной. С помощью давления воздуха пленка может вдавливаться в лотки, что приводит к тому, что канал прерывается и жидкость выдавливается из лотка. В зависимости от расположения этих лотков/клапанов друг относительно друга и в зависимости от последовательности и длительности, с которой пленка вдавливается в эти лотки/клапаны, жидкость может с принципиально заданными скоростями потока перекачиваться в установленном направлении. The function of the pumps and valves integrated into the chip is based on the fact that the predominantly circular trays that are connected to the channels are covered with a flexible film or membrane. With the help of air pressure, the film can be pressed into the trays, which leads to the fact that the channel is interrupted and the liquid is squeezed out of the tray. Depending on the location of these trays/valves relative to each other and depending on the sequence and duration with which the film is pressed into these trays/valves, the liquid can be pumped in a predetermined direction at fundamentally predetermined flow rates.
Такие микрофлюидные клапаны и насосы (мембранные насосы) пока привычно используются в медико-биологической области, поскольку они посредством сжатого воздуха могут просто и относительно экономично приводиться в действие. Между двумя клапанами включают насосную камеру, за счет определенной последовательности включений можно достичь перистальтического движения жидкости, вследствие чего становится возможным квази-непрерывное движение жидкости без того, чтобы физические свойства жидкостей имели значительное влияние на производительность насоса. Лишь при незначительных скоростях потока подача насоса становиться визуально прерывистой, поскольку объем насосной камеры является наименьшим дискретным объемом жидкости, который может перемещаться в единицу времени. Проблема этой техники лежит в закрывании клапанного лотка гибкой мембраной. Здесь находят применение самые разные методы, который принципиально могут быть подразделены на косвенные (адгезивное соединение или зажатие) и прямые (приклеивание, базирующееся на растворителе связывание, термическое сваривание или ультразвуковое сваривание) соединительные техники (Tsao et al. 2008).Such microfluidic valves and pumps (diaphragm pumps) are still customarily used in the life sciences field, since they can be actuated simply and relatively economically by means of compressed air. Between the two valves, a pumping chamber is switched on, due to a certain sequence of inclusions, a peristaltic movement of the liquid can be achieved, as a result of which a quasi-continuous movement of the liquid becomes possible without the physical properties of the liquids having a significant effect on the performance of the pump. Only at low flow rates does the pumping become visually intermittent, since the volume of the pumping chamber is the smallest discrete volume of liquid that can move per unit of time. The problem with this technique lies in closing the valve tray with a flexible membrane. A wide variety of methods can be used here, which can fundamentally be subdivided into indirect (adhesive bonding or clamping) and direct (adhesive, solvent-based bonding, thermal bonding or ultrasonic bonding) joining techniques (Tsao et al. 2008).
Наиболее распространенный метод для закрывания клапанного лотка представляет собой термосварку, соответственно, термическое сваривание мембраны с основным телом посредством повышенной температуры или ультразвука и давления. Этот метод не требует никаких дополнительных присадок, которые могли бы выступать и вредить клеткам. Перед зажиманием этот метод имеет преимущество, поскольку обходится без механических вспомогательных средств. При термическом сваривании подложки приводятся близко к их температуре стеклования и сжимаются с помощью нажимного пуансона. Взаимодействие давления и температуры генерирует достаточный полимерный поток, чтобы получить взаимную диффузию между полимерными цепочками отдельных слоев, вследствие чего возникает сильное соединение, которое аналогично когезионной прочности основного материала. Однако большая проблема при термосварке заключается в уменьшении структурного деформирования: чтобы клапаны, соответственно, насосные камеры точно закрыть гибкой мембраной, клапаны должны иметь заданные кромки, с которыми стыкуется мембрана. Это приводит к тому, что эти клапаны или насосные камеры должны быть сравнительно глубокими, чтобы предотвратить существенную структурную деформацию за счет нагрева и придавливания пленки. Поэтому, чтобы позволить незначительные перекачиваемые объемы, при конструировании геометрии клапанов чаще всего прибегают к малым площадям поперечного сечения со сравнительно большой глубиной и вследствие этого высоким мертвым объемом, вследствие чего уплотнение клапанов усложняется. Чтобы достичь незначительных величин утечки с незначительным мертвым объемом, было бы, напротив, полезным достижение большого отношения ширины к глубине клапана: чем шире клапан, тем меньшее пневматическое давление требуется, чтобы закрывающую пленку при эксплуатации вжать в клапан и таким образом уплотнить, соответственно, заполнить клапан, соответственно, в случае насоса, перекачать весь объем. К сожалению, значительно сложнее термически приварить закрывающую пленку к таким широким и плоским клапанным лоткам, чем в случае описанных выше еще ранее глубоких лотков. Мембранная пленка может за счет своей гибкости и своего собственного веса ложиться в клапаны и там также приклеиваться. Результатом этого является нерегулярно покрытые клапаны и насосные клапаны. Это имеет негативные воздействия на воспроизводимость процесса перекачки от насоса к насосу: поскольку перекачиваемый объем насоса является прямо пропорциональным объему камеры, то переменный объем камеры непосредственно означает незначительную воспроизводимость процесса дозирования, соответственно, незначительную точность перекачивания от насоса к насосу. The most common method for closing the valve tray is heat sealing, respectively thermal sealing of the membrane to the base body by means of elevated temperature or ultrasound and pressure. This method does not require any additional additives that could protrude and harm the cells. This method has the advantage over clamping as it dispenses with mechanical aids. In heat sealing, the substrates are brought close to their glass transition temperature and compressed using a pressing punch. The interaction of pressure and temperature generates sufficient polymer flow to obtain mutual diffusion between the polymer chains of the individual layers, resulting in a strong bond that is similar to the cohesive strength of the base material. However, the big problem with heat sealing is to reduce structural deformation: in order to accurately close the valves, respectively, the pumping chambers with a flexible membrane, the valves must have predetermined edges with which the membrane is joined. This results in these valves or pumping chambers having to be relatively deep to prevent significant structural deformation due to heating and pressing down of the film. Therefore, in order to allow small volumes to be pumped, when designing valve geometry, small cross-sectional areas with a relatively large depth and, consequently, a high dead volume, are most often resorted to, as a result of which sealing of the valves becomes more complicated. In order to achieve low leakage values with low dead volume, on the contrary, it would be useful to achieve a large ratio of width to depth of the valve: the wider the valve, the less pneumatic pressure is required in order to press the closing film into the valve during operation and thus seal, respectively, fill valve, respectively, in the case of a pump, to pump the entire volume. Unfortunately, it is much more difficult to thermally seal the cover film to such wide and flat valve trays than it is with the deep trays described above. The membrane film can, due to its flexibility and its own weight, lie in the valves and also adhere there. The result of this is irregularly coated valves and pump valves. This has negative effects on the reproducibility of the pumping process from pump to pump: since the pumped volume of the pump is directly proportional to the volume of the chamber, a variable chamber volume directly means a slight reproducibility of the dosing process, respectively, a slight pumping accuracy from pump to pump.
Поэтому, чтобы термически приварить гибкую пленку к плоским клапанам (большой диаметр, незначительная глубина), оказалось полезным характеризующийся повышенной температурой и давлением процесс сварки осуществлять с помощью нагреваемого пуансона, который имеет выемки по месту углублений клапанов и насосных камер. За счет этого уменьшается теплопередача в клапанный лоток, что приводит к тому, что гибкие пленки менее легко приклеиваются в клапанном лотке и край клапанных лотков менее легко деформируется. Однако, на практике оказалось, что теплопередача в насосную камеру не всегда настолько существенно может предотвращаться, чтобы приклеивание гибкой пленки в камере полностью отсутствовало. С другой стороны, выемки для клапана в стыковочном пуансоне требуют, чтобы пуансон был чрезвычайно точно ориентирован относительно клапанного лотка. Вне зависимости от проблем, которые принципиально связаны с механической юстировкой двух компонентов друг относительно друга, уже незначительно неравномерный нагрев стыковочного пуансона может иметь своим следствием анизотропное в различных направлениях расширение. Следствием этого является то, что клапанные лотки в микрофлюидном чипе и выемки в стыковочном пуансоне - даже при совершенной механической ориентации - не всегда лежат концентрично. По аналогии с клапанами с частично приклеенной закрывающей мембраной, это может также приводить к значительному изменению объема насосной камеры. Здесь также производительность насоса в результате показывает значительное изменение от насоса к насосу. Therefore, in order to thermally seal the flexible film to flat valves (large diameter, shallow depth), it has proved useful to carry out an elevated temperature and pressure welding process using a heated punch that has recesses at the location of the recesses of the valves and pumping chambers. This reduces heat transfer to the valve tray, which results in the flexible films being less easily adhered to in the valve tray and the edge of the valve trays being less easily deformed. However, it has turned out in practice that heat transfer to the pumping chamber cannot always be prevented to such an extent that adhesion of the flexible film in the chamber is completely eliminated. On the other hand, the valve recesses in the mating punch require the punch to be extremely precisely oriented with respect to the valve tray. Regardless of the problems that are fundamentally related to the mechanical alignment of the two components relative to each other, even slightly uneven heating of the mating punch can result in an anisotropic expansion in different directions. The consequence of this is that the valve trays in the microfluidic chip and the recesses in the docking punch - even with perfect mechanical orientation - do not always lie concentrically. Similar to valves with a partially bonded closing diaphragm, this can also lead to a significant change in the volume of the pumping chamber. Here too, the pump performance results in a significant variation from pump to pump.
Даже если микрофлюидные насосные системы с гибкими закрывающими пленками по выше названным причинам (значительная возможность параллелизации, легкая стерилизуемость, незначительные расходы, простое использование в одноразовых изделиях/disposable) для использования в микробиореакторах принципиально хорошо пригодны, то высокая согласно текущему уровню техники изменчивость объема подачи/производительности различных сконструированных идентично самих по себе насосов приводит к тому, что их использование для скрининга организмов, соответственно, оптимизации условий в клеточных культурах не является целесообразно возможным, если эта система чувствительно реагирует на незначительные изменения условий для выращивания культур. Для этих систем необходимы более точно работающие дозирующие системы. Even if microfluidic pumping systems with flexible closure films are fundamentally well suited for use in microbioreactors for the reasons mentioned above (significant possibility of parallelization, easy sterilizability, low costs, simple use in disposable products), the high variability of the delivery volume according to the current state of the art performance of various identically designed pumps leads to the fact that their use for screening organisms, respectively, optimization of conditions in cell cultures is not reasonably possible if this system reacts sensitively to minor changes in conditions for growing cultures. For these systems, more accurate dosing systems are needed.
Изобретение касается способа увеличения дозирующей точности микрофлюидных насосов и/или клапанов, базирующихся на гибкой покрывной пленке, которая называется мембраной, и клапанном лотке согласно пункту 1 формулы изобретения. The invention relates to a method for increasing the dosing accuracy of microfluidic pumps and/or valves based on a flexible cover film called a membrane and a valve tray according to
Предпочтительные усовершенствования являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.Preferred improvements are the subject of dependent claims.
В этой связи является предпочтительным, если мембрана сваривается с клапанным телом посредством лазерного луча. Кроме того, мембрана или клапанное тело может быть снабжено имеющим возможность термоактивации клеящим веществом. Целесообразным является, если с помощью луча закрепление мембраны на клапанном теле производится в виде шва вдоль края клапанного лотка. Обращенная к клапанному лотку поверхность мембраны может нагреваться посредством попадающего на мембрану излучения. Это является особенно простым, если излучение попадает на поверхность через мембрану. Но также излучение может попадать на поверхность через клапанное тело. Чтобы достичь особенно гладкой поверхности, к которой прилегает мембрана, поверхность клапанного тела перед закреплением может быть отполирована. Поверхность клапанного тела перед закреплением может быть обработана плазменным травлением, протравлена ионным лучом, сглажена посредством химической модификации и/или поверхность клапанного тела перед закреплением может гидрофилизироваться. При этом стремятся к тому, чтобы поверхность клапанного тела перед закреплением вокруг клапанного лотка имела среднеарифметическое отклонений профиля (Rа-значение) ниже 100 нм, предпочтительно меньше 50 нм и особенно предпочтительно меньше 20 нм. Для определения этого измеряемого значения поверхность сканируется на заданном измерительном участке и записываются все разности высот и глубин поверхности. Затем, после расчета определенного интеграла этой формы микронеровностей (профиля) на измерительном участке этот результат делится на длину измерительного участка.In this regard, it is preferable if the membrane is welded to the valve body by means of a laser beam. In addition, the membrane or valve body may be provided with a thermally activated adhesive. It is expedient if, with the help of a beam, the membrane is fixed to the valve body in the form of a seam along the edge of the valve tray. The surface of the membrane facing the valve tray can be heated by radiation incident on the membrane. This is especially simple if the radiation hits the surface through the membrane. But radiation can also reach the surface through the valve body. In order to achieve a particularly smooth surface against which the membrane rests, the surface of the valve body may be polished before fixing. The surface of the valve body may be plasma-etched, ion-beam etched, smoothed by chemical modification, and/or the surface of the valve body may be hydrophilized prior to attachment before being secured. The aim here is to ensure that the surface of the valve body, prior to fastening around the valve tray, has an arithmetic mean profile deviation (Ra value) of less than 100 nm, preferably less than 50 nm and particularly preferably less than 20 nm. To determine this measured value, the surface is scanned in a given measuring area and all differences in heights and depths of the surface are recorded. Then, after calculating the definite integral of this form of microroughness (profile) in the measuring section, this result is divided by the length of the measuring section.
Насос должен служить для перекачки жидкостей со скоростью потока ниже 1 мл/ч; но предпочтительно со скоростью потока ниже 100 мкл/ч и особенно предпочтительно в диапазоне от 0,01 до 80 мкл/ч. Также является предпочтительным, если насос работает для перекачки жидкостей с перекачиваемым объемом за ход поршня насоса между 5 нл/ход и 1 мкл/ход, но предпочтительно с перекачиваемым объемом между 25 нл/ход и 500 нл/ход и особенно предпочтительно в диапазоне от 75 до 250 нл/ход. Посредством сваривания верхней стороны клапанного лотка с гибкой мембраной лазерным лучом достигается уменьшенное по сравнению с изготовленным термосваркой с помощью нагретого стыковочного пуансона изменение «от насоса к насосу» интенсивности подачи. Неточность направления лазерного луча в х-у-направлении должна составлять меньше 1 мм, предпочтительно меньше 50 мкм и особенно предпочтительно меньше 5 мкм. Чтобы также иметь возможность приваривать покрывные пленки/мембраны из прозрачных полимеров на клапанные лотки, которые также состоят из прозрачных полимеров, что позволяет оптические измерения в различных частях спектра внутри насоса или в окружении насоса, могут использоваться различные полимеры с различными диапазонами пропускания, которые свариваются УФ-лазером, видимыми лазерными лучами или ИК-лазером. Предпочтительный диапазон длин волн такого лазера лежит между 0,1 и 1000 мкм, предпочтительно между 0,4 и 50 мкм и особенно предпочтительно между 0,78 и 3 мкм. В этом спектральном диапазоне (ближний ИК-диапазон) многие полимеры имеют характеристические полосы поглощения и таким образом могут посредством сфокусированного лазерного луча нагреваться за пределы своей точки размягчения в точно заданных местах, без необходимости использования дополнительного поглотителя в синтетическом материале или на поверхности синтетического материала (просвечивающая сварка без поглотителя). Также синтетические материалы, как полистирол или этилен-норборнен-сополимеризат (СОС или СОР), которые являются в высшей степени проницаемыми для видимого света, и таким образом имеют возможность свариваться без поглотителя. Мощность лазерного луча лежит между 0,01 и 1000 Вт, предпочтительно между 0,1 и 100 Вт и особенно предпочтительно между 3 и 50 Вт. The pump must be used to pump liquids with a flow rate below 1 ml/h; but preferably at a flow rate below 100 µl/h and particularly preferably in the range of 0.01 to 80 µl/h. It is also preferred if the pump is operated to pump liquids with a pumped volume per pump stroke between 5 nl/stroke and 1 µl/stroke, but preferably with a pumped volume between 25 nl/stroke and 500 nl/stroke and particularly preferably in the range of 75 up to 250 nl/stroke. By welding the upper side of the valve tray to the flexible membrane with a laser beam, a reduced pump-to-pump change in delivery rate is achieved compared to that produced by heat sealing with a heated docking punch. The inaccuracy in the direction of the laser beam in the x-y direction should be less than 1 mm, preferably less than 50 μm and particularly preferably less than 5 μm. In order to also be able to weld transparent polymer cover films/membrane onto valve trays which also consist of transparent polymers, allowing optical measurements in different parts of the spectrum inside the pump or around the pump, different polymers with different transmission ranges can be used which are UV welded -laser, visible laser beams or infrared laser. The preferred wavelength range of such a laser lies between 0.1 and 1000 µm, preferably between 0.4 and 50 µm and particularly preferably between 0.78 and 3 µm. In this spectral range (near infrared) many polymers have characteristic absorption bands and can thus be heated beyond their softening point at precisely defined locations by means of a focused laser beam, without the need for an additional absorber in the synthetic material or on the surface of the synthetic material (translucent welding without an absorber). Also synthetic materials such as polystyrene or ethylene norbornene copolymer (COC or COP) which are highly transparent to visible light and thus can be welded without an absorber. The power of the laser beam lies between 0.01 and 1000 W, preferably between 0.1 and 100 W, and particularly preferably between 3 and 50 W.
Преимущество от сваривания лазером мембранной пленки и клапанного лотка вместо термического соединения стыковочным пуансоном состоит в том, что лазер существенно лучше может юстироваться, чем нагретый стыковочный пуансон, и что процесс сварки происходит не по поверхности, а ограничивается линией шва, геометрия и форма которого может определяться точным направлением лазера с х-у погрешностью меньше 3 нм. При этом ширина сварного шва занимает меньше 1 мм, предпочтительно между 250 и 20 мкм. Является предпочтительным, если закрепление осуществляется по линии, ширина которой имеет от 20 мкм до 3 мм, предпочтительно между 30 и 500 мкм и особенно предпочтительно между 50 и 300 мкм. За счет указанного точного направления лазера и незначительной ширины шва исключаются лишь с трудом предотвращаемое при термическом соединении стыковочным пуансоном децентрирование клапанного лотка и границы между приваренной и неприваренной мембранной пленкой, а также приклеивание мембранной пленки в клапанном лотке в результате непреднамеренной сварки. The advantage of laser sealing membrane film and valve tray instead of thermal bonding with a butt punch is that the laser can be aligned much better than a heated butt punch, and that the welding process does not take place on the surface, but is limited to a seam line, the geometry and shape of which can be determined accurate laser direction with x-y error less than 3 nm. In this case, the width of the weld is less than 1 mm, preferably between 250 and 20 µm. It is preferable if the fastening is carried out along a line whose width is between 20 µm and 3 mm, preferably between 30 and 500 µm and particularly preferably between 50 and 300 µm. Due to the specified precise laser guidance and the small width of the seam, the decentering of the valve tray and the border between the welded and non-welded membrane film, as well as the adhesion of the membrane film in the valve tray as a result of unintentional welding, which is difficult to prevent during thermal connection with a butt punch, is excluded.
Однако, не в каждом случае указанное точное направление сварного шва и сопутствующий этому незначительный ввод тепла в клапанный лоток предотвращает нетермическое склеивание мембранной пленки и клапанного лотка. Это имеет место, в частности, если толщина клапанной пленки больше, чем глубина клапанного лотка или если толщина пленки и глубина лотка варьируются в по меньшей мере аналогичном порядке величин. В этом случае прижатие предварительно напряженной пленки к полимерному чипу, что становится предпочтительным для прочной сварки, может привести к тому, что мембранная пленка вдавливается также в клапанный лоток. В то время как точное локализованное направление лазерного луча и точное дозирование его мощности надежно предотвращает приваривание пленки в клапанном лотке, гидрофильное взаимодействие малополярной поверхности клапанного лотка в полимерном чипе и также малополярной поверхности мембранной пленки может вести к тому, что пленка и чип прилипают друг к другу. Также возможная электростатическая зарядка слабо электропроводящих поверхностей может способствовать такому прилипанию. Далее, неровность (шероховатость) поверхности клапанного лотка, которая при наблюдении в микроскоп с подходящим увеличением может представляться как неравномерная наждачная бумага, может приводить к тому, что относительно мягкая мембранная пленка при прижатии для процесса сварки к этим микроскопическим неровностям клапанного лотка спутывается с этими по типу наждачной бумаги структурами. Все упомянутые эффекты, по отдельности или в комбинации, могут приводить к тому, что возникает взаимодействие между мембранной пленкой и клапанным лотком, которое ведет к тому, что оказывается препятствие процессу перекачки. Это может проявляться в уменьшенной мощности перекачивания (насоса) или в выходе из строя мембранного насоса. Иначе, чем при ошибочной термической сварке клапанного лотка и мембранной фольги, что представляет собой наиболее частый побочный эффект особенно у выше описанного термического соединения/сварки нагретым металлическим пуансоном, описанные в случае лазерной сварки взаимодействия между мембраной и пленкой имеют по меньшей мере частично обратимую природу. Следовательно, во время процесса перекачки они могут частично устраняться. Несмотря на это, сила, с которой могут взаимодействовать мембранная пленка и клапанный лоток, иногда является существенной до такой степени, что должны предприниматься соответствующие контрмеры.However, not in every case the specified exact direction of the weld and the concomitant low heat input into the valve tray prevents non-thermal bonding of the membrane film and the valve tray. This is the case in particular if the thickness of the valve film is greater than the depth of the valve tray, or if the thickness of the film and the depth of the tray vary in at least the same order of magnitude. In this case, pressing the prestressed film against the polymer chip, which becomes preferable for strong welding, may cause the membrane film to be pressed into the valve tray as well. While the precise localized direction of the laser beam and the precise dosing of its power reliably prevent welding of the film in the valve tray, the hydrophilic interaction of the low-polarity surface of the valve tray in the polymer chip and also the low-polarity surface of the membrane film can cause the film and chip to stick to each other. . Also, the possible electrostatic charging of weakly electrically conductive surfaces can contribute to such adhesion. Further, the unevenness (roughness) of the surface of the valve tray, which, when observed under a microscope at suitable magnification, can appear as uneven sandpaper, can cause a relatively soft membrane film, when pressed for the welding process to these microscopic irregularities of the valve tray, to become entangled with these type of sandpaper structures. All of the effects mentioned, alone or in combination, can lead to an interaction between the membrane film and the valve tray, which leads to the fact that the pumping process is hindered. This can manifest itself in reduced pumping power (pump) or failure of the diaphragm pump. Other than in the case of faulty thermal welding of the valve tray and the membrane foil, which is the most common side effect especially in the thermal bonding/welding with a heated metal punch described above, the interactions between the membrane and the film described in the case of laser welding are at least partially reversible in nature. Therefore, during the pumping process, they can be partially eliminated. Despite this, the force with which the membrane film and valve tray can interact is sometimes significant to the point that appropriate countermeasures must be taken.
Принципиально простой метод для уменьшения механических взаимодействий между чипом и мембранной пленкой, которые могут получаться из-за микронеровности клапанного лотка, состоит в том, чтобы сглаживать поверхность клапанных лотков. Поскольку чип со своими клапанными лотками изготавливается предпочтительно посредством литья под давлением, то следовательно отдельно предлагается сглаживать посредством полировки клапанные лотки в литьевой форме, которые там в принципе представляют собой легко доступные выпуклые структуры. Таким образом предоставляется возможность уменьшения неровностей до чистоты в несколько нанометров. Таким образом, взаимодействия мембранной пленки и клапанного лотка могут значительно уменьшаться по сравнению с взаимодействиями, которые демонстрирует чип, ответная литьевая форма которого лишь фрезеровалась и шлифовалась. Хотя принципиально это очень просто, но ремесленные требования, которые устанавливаются в нанометровом диапазоне к «чистой» политуре литьевой формы из металла, иногда из твердого сплава, очень высоки. Технически менее требовательным является сглаживание клапанных лотков на теле чипа. Будучи обусловленной использованным здесь существенно более мягким материалом, чаще всего полистиролом, полиолефином или другим полимером, полировка клапанных лотков является проще, чем полировка литьевой формы - правда ценой того, что должен дополнительно обрабатываться каждый отдельный, изготовленный литьем под давлением чип, а не только упомянутая одна форма. Кроме полировки поверхность в клапанных лотках чипа может сглаживаться также химически. Предпочтительно, для этого применяются растворители, которые в ограниченном объеме оказывают воздействие (разъедают) на полимер, из которого был сделан чип. Таким образом могут сглаживаться тонкие структуры, такие как микрозернистость клапанного лотка. Для этого, для чипа из полиолефина используются смеси из тетрагидрофурана (THF) с водой (особенно с содержанием 5-70% THF) или смеси из метилэтилкетона (МЕК) с водой (предпочтительно с содержанием 5-25% МЕК). Для полистирола рекомендуется изопропанол в смеси с водой. В общем, должна использоваться смесь из растворителя, который воздействует (разъедает) на полимер, из которого состоит клапанный лоток, и растворителя, к которому устойчив клапанный лоток. Вследствие этого могут использоваться смеси, к которым клапанный лоток относительно устойчив, но не инертен. Таким образом, очень тонкие структуры, которые являются причиной неровности клапанного лотка, могут сглаживаться без того, чтобы оказывалось существенное негативное влияние на существенно более грубые структуры, которые представляют собой каналы в чипе и полости клапанных лотков. Также растворительные смеси, которые содержат компоненты, которые являются несмешиваемыми с водой, могут использоваться для сглаживания клапанных лотков. Так, смеси из хлорированных растворителей, как хлороформ или дихлорметан с этанолом или изопропанол хорошо подходят именно для сглаживания поверхностей полиолефинов. Также физикохимические методы, как плазменное травление, могут выравнивать клапанные лотки после литья под давлением или же индивидуально отфрезерованные чипы и клапаны. При этом чип с клапанами в вакууме (0,001-0,1 мбар) подвергается воздействию образованной при высоком напряжении кислородной плазмы или воздушной плазмы. При этом мелкие неровности окисляясь разъедаются и таким образом сглаживаются. Кроме того, плазма вызывает отложение кислородных радикалов на полимерной поверхности, а также образование продуктов окисления полимера. При этом образуются, в частности, карбоновые кислоты, спирты, альдегиды, кетоны, эпоксиды, окситаны, пероксиды, а также другие частично плохо характеризуемые радикальные кислородные аддукты. Все эти соединения, дополнительно к возможному сглаживанию поверхности клапанных полостей, вызывают значительное увеличение полярности поверхности. Это уменьшает гидрофобное взаимодействие между мембранной пленкой и клапанной полостью и таким образом в значительной мере уменьшает адгезию между клапаном и пленкой. A fundamentally simple method for reducing mechanical interactions between the chip and the membrane film, which can result from the microroughness of the valve tray, is to smooth the surface of the valve trays. Since the chip with its valve trays is preferably produced by injection molding, it is therefore separately proposed to smoothen the valve trays in the injection mold by polishing, which in principle represent easily accessible convex structures there. Thus, it is possible to reduce the irregularities to a purity of a few nanometers. Thus, the interactions of the membrane film and the valve tray can be significantly reduced compared to the interactions that a chip exhibits, the mating mold of which has only been milled and ground. Although in principle it is very simple, but the craft requirements, which are set in the nanometer range for a "clean" polish of an injection mold made of metal, sometimes of hard alloy, are very high. Technically less demanding is the smoothing of the valve trays on the chip body. Due to the substantially softer material used here, most commonly polystyrene, polyolefin, or other polymer, polishing valve trays is easier than polishing an injection mold - though at the cost that each individual injection molded chip must be further processed, not just the one mentioned. one form. In addition to polishing, the surface in the valve trays of the chip can also be chemically smoothed. Preferably, solvents are used for this, which, to a limited extent, attack (corrode) the polymer from which the chip was made. In this way, fine structures such as micro-graining of the valve tray can be smoothed out. To do this, mixtures of tetrahydrofuran (THF) with water (especially with a content of 5-70% THF) or mixtures of methyl ethyl ketone (MEK) with water (preferably with a content of 5-25% MEK) are used for the polyolefin chip. For polystyrene, isopropanol mixed with water is recommended. In general, a mixture of a solvent that attacks (corrodes) the polymer that makes up the valve tray and a solvent that the valve tray is resistant to should be used. As a result, mixtures to which the valve tray is relatively resistant but not inert can be used. In this way, very fine structures, which are the cause of the unevenness of the valve tray, can be smoothed out without having a significant negative impact on the significantly coarser structures, which are the channels in the chip and the cavities of the valve trays. Also solvent mixtures that contain components that are immiscible with water can be used to smooth valve trays. Thus, mixtures of chlorinated solvents such as chloroform or dichloromethane with ethanol or isopropanol are well suited specifically for smoothing polyolefin surfaces. Also physicochemical methods such as plasma etching can align valve trays after injection molding or individually milled chips and valves. In this case, the chip with valves in a vacuum (0.001-0.1 mbar) is exposed to oxygen plasma or air plasma formed at high voltage. At the same time, small irregularities are corroded by oxidation and thus smoothed out. In addition, the plasma causes the deposition of oxygen radicals on the polymer surface, as well as the formation of polymer oxidation products. In this case, in particular, carboxylic acids, alcohols, aldehydes, ketones, epoxides, oxytanes, peroxides, and also other partially poorly characterized radical oxygen adducts are formed. All of these compounds, in addition to possibly smoothing the surface of the valve cavities, cause a significant increase in surface polarity. This reduces the hydrophobic interaction between the membrane film and the valve cavity and thus significantly reduces the adhesion between the valve and the film.
Также очень хороший способ, чтобы уменьшить взаимодействия между клапанной полостью и пленкой, состоит в том, чтобы покрывать внутренние стороны клапанов химическими полярными соединениями. Особенно хорошо для этого подходят детергенты, которые своей липофильной частичной структурой жестко присоединяются на полимерной поверхности клапанного лотка, а своими полярными головными группами уменьшают адгезионную способность клапанной пленки к клапанному лотку почти до нуля. Для этой цели подходят как анионные, катионные, так и нейтральные детергенты. На практике эти детергенты наносятся из водного раствора детергента при концентрации от 0,001 до 1%. Для этого, чип с клапанными лотками непродолжительно (по меньшей мере примерно одна секунда) окунается в водный раствор детергента. При этом, липофильные концы детергента самопроизвольно ориентируются на поверхности чипа/клапанного лотка и образуют толстый слой, причем полярные головные группы детергента ориентируются в направлении водной среды, из которой детергенты из раствора диффундируют в направлении чип/клапанный лоток. Для этой цели подходящими детергентами являются классические мыла, то есть соли щелочных металлов высших карбоновых кислот, а особенно полимерные карбоновые кислоты, как например полиакрилаты (фирмы Sigma-Aldrich), которые по причине своей повышенной авидности («жадности») жестко пристают к поверхности чипа, соответственно, клапанного лотка. В равной степени подходят сульфаты или сульфокислоты, как додецилсульфаты натрия (SDS, Sigma-Аldrich) или их полимерные аналоги. В качестве особенно подходящих оказались также высокомолекулярные природные соединения, как лецитин, или химически очищенные аналогичные лецитину соединения (например, фосфолипон G90, фирмы Lipoid AG, Кельн). Анионная функциональность у этих соединений получается за счет фосфатной группы. Подходящие катонические полимеры представляют собой четвертичные аммониевые соли с по меньшей мере одним высшим алкильным остатком («инвертное мыло»), как например тетрадецилтриаммоний хлорид. Аналогично анионным полимерам здесь также может повышаться адсорбция на чипе/клапанном лотке в результате использования полимерных структур. В качестве особенно подходящим оказались полиэтиленимин (Sigma-Аldrich), а также высокомолекулярные полиамины с или без четвертичных аминогрупп. Также очень подходящими для гидрофильного покрытия поверхности чипа/клапанного лотка являются также натуральные детергенты. Кроме низкомолекулярных соединений, как Tween 20 (Sigma-Аldrich), оказался класс сурфинолов (например, Surfynol 61, Surfynol 104, Surfynol AD01, Surfynol AS 5020, Surfynol AS 5040, Surfynol AS 5060, Surfynol AS 5080, Surfynol AS 5180), а также тегопренов (Tegopren 5840, Tegopren 5860, Tegopren 5885). Упомянутые сурфинолы и тегопрены все в продаже от производителей Evonik, Essen. Эти соединения являются частично водорастворимыми, частично достойны рекомендации для покрытия микрофлюидных чипов, вначале готовят основной раствор нейтрального полимера с концентрацией примерно 10% в изопропаноле и затем разводят водой до целевой концентрации 0,001-1%. Also a very good way to reduce interactions between the valve cavity and the film is to coat the inside of the valves with polar chemical compounds. Detergents are especially well suited for this, which, by their lipophilic partial structure, are rigidly attached to the polymeric surface of the valve tray, and by their polar head groups, reduce the adhesiveness of the valve film to the valve tray almost to zero. Both anionic, cationic and neutral detergents are suitable for this purpose. In practice, these detergents are applied from an aqueous detergent solution at a concentration of 0.001 to 1%. To do this, the chip with valve trays is briefly (at least about one second) dipped in an aqueous solution of detergent. At the same time, the lipophilic ends of the detergent spontaneously orient themselves on the surface of the chip/valve tray and form a thick layer, with the polar head groups of the detergent orienting in the direction of the aqueous medium, from which the detergents from the solution diffuse in the direction of the chip/valve tray. Suitable detergents for this purpose are classical soaps, i.e. alkali metal salts of higher carboxylic acids, and especially polymeric carboxylic acids, such as polyacrylates (Sigma-Aldrich), which, due to their increased avidity (“greediness”), adhere strongly to the surface of the chip. , respectively, valve tray. Equally suitable are sulfates or sulfonic acids, such as sodium dodecyl sulfates (SDS, Sigma-Aldrich) or their polymeric analogs. High molecular weight natural compounds such as lecithin or chemically purified lecithin-like compounds have also proved to be particularly suitable (eg phospholipon G90 from Lipoid AG, Cologne). The anionic functionality of these compounds comes from the phosphate group. Suitable catonic polymers are quaternary ammonium salts with at least one higher alkyl residue ("invert soap"), such as tetradecyltriammonium chloride. Similar to anionic polymers, adsorption to the chip/valve tray can also be increased here as a result of the use of polymer structures. Polyethyleneimine (Sigma-Aldrich) as well as high molecular weight polyamines with or without quaternary amino groups have proven to be particularly suitable. Also very suitable for hydrophilic coating of the surface of the chip/valve tray are also natural detergents. In addition to low molecular weight compounds such as Tween 20 (Sigma-Aldrich), there was a class of surfinols (for example, Surfynol 61, Surfynol 104, Surfynol AD01, Surfynol AS 5020, Surfynol AS 5040, Surfynol AS 5060, Surfynol AS 5080, Surfynol AS 5180), and also tegoprenes (Tegopren 5840, Tegopren 5860, Tegopren 5885). The mentioned surfinols and tegoprenes are all on sale from the manufacturers Evonik, Essen. These compounds are partially water-soluble, partially recommended for coating microfluidic chips, first prepare a stock solution of neutral polymer at a concentration of about 10% in isopropanol and then dilute with water to a target concentration of 0.001-1%.
Поскольку детергентное покрытие клапанного края, на котором должна привариваться мембранная пленка, может вести к пониженной стабильности сварного шва, рекомендуется избегать покрытия клапанного края, соответственно, уменьшать толщину покрытия или не приваривать мембранную пленку, а подвергать горячему склеиванию. В всяком случае, даже в случае склеивания следовало бы применять очень хорошую дозируемость ввода энергии и точность позиционирования лазера, так что процесс горячего склеивания следует предпочитать традиционному склеиванию. Since the detergent coating of the flap edge on which the membrane film is to be welded can lead to a reduced stability of the weld, it is recommended to avoid coating the flap edge, respectively, to reduce the thickness of the coating or not to weld the membrane film, but to hot seal. In any case, even in the case of gluing, a very good dosing of the energy input and positioning accuracy of the laser should be used, so that the hot gluing process should be preferred to conventional gluing.
Практичный способ ограничить детергентное покрытие внутренней стороной клапанного тела - то есть гидрофильно покрывать не всю поверхность чипа - состоит в том, чтобы перекрыть клапанный участок на чипе клейкой лентой, которая является перфорированной в позиции клапанных лотков. Таким образом, при плазменной обработке чипа исключительно внутренние стороны клапанных лотков подвергаются воздействию кислородной или воздушной плазмы, в то время как клапанные края защищаются клейкой лентой. Окунание обработанного таким образом чипа в один из упомянутых растворов детергента вызывает то, что исключительно внутренние стороны клапанных лотков гидрофильно покрываются, в то время как гидрофильное покрытие на клапанных краях удаляется за счет снятия защищающей клейкой ленты. Таким образом, возможно последующее беспроблемное приваривание. Использование детергентов, которые предпочтительно присоединяются на активированной плазмой части поверхности, но не на оставленной естественной части, позволяет после плазменной активации сначала удалить защищающую клейкую ленту, а затем весь чип обработать раствором детергента. Особенно подходящим для этого виды обработки является Tegopren (тегопрен) 5840, он присоединяется большей частью только на активированной плазмой части чипа и таким образом позволяет детергентную обработку чипа после удаления защищающей клейкой ленты, без того, чтобы за счет этого оказывалось бы негативное влияние на прочность последующей лазерной сварки. Это свойство tegopren 5840, а также сурфинола AS 50хх позволяет в случае перекрытия клапанных краев во время плазменной активации отказаться от клеевой ленты, а вместо этого использовать жесткую прикрывающую маску, которая может более легко позиционироваться, но только условно или вовсе не может обрабатываться вместе с чипом в растворе детергента. Другие детергенты, как например phospholipon (фосфолипон) G90, прилипают как к активированному плазмой, так и не активированному плазмой чипу одинаково хорошо и позволяют таким образом гидрофильное покрытием без плазменной активации. A practical way to limit the detergent coating to the inside of the valve body - that is, not hydrophilically cover the entire surface of the chip - is to cover the valve area on the chip with adhesive tape that is perforated at the position of the valve trays. Thus, in the plasma processing of a chip, only the inner sides of the valve trays are exposed to oxygen or air plasma, while the valve edges are protected with adhesive tape. Dipping the thus treated chip in one of the mentioned detergent solutions causes only the inner sides of the valve trays to be hydrophilically coated, while the hydrophilic coating on the valve edges is removed by peeling off the protective adhesive tape. In this way, trouble-free subsequent welding is possible. The use of detergents, which preferentially adhere to the plasma-activated part of the surface, but not to the remaining natural part, makes it possible, after plasma activation, to first remove the protective adhesive tape and then treat the entire chip with a detergent solution. A particularly suitable treatment for this is Tegopren 5840, which mostly adheres only to the plasma-activated part of the chip and thus allows the detergent treatment of the chip after removal of the protective adhesive tape, without the strength of the subsequent laser welding. This property of tegopren 5840, as well as surfinol AS 50xx, allows, in case of overlapping of the valve edges during plasma activation, to abandon the adhesive tape, and instead use a rigid covering mask, which can be positioned more easily, but only conditionally or cannot be processed together with the chip. in detergent solution. Other detergents, such as phospholipon G90, adhere to both plasma-activated and non-plasma-activated chips equally well and thus allow a hydrophilic coating without plasma activation.
Для горячего склеивания чипа должна была бы использоваться покрытая активируемым при нагреве клеящим веществом пленка. Покрытие тела чипа клеящим веществом является целесообразным только тогда, когда при покрытии обеспечивается то, что в клапанные лотки может проникать максимально незначительное количество, а предпочтительно совсем никакого количества клеящего вещества. Это делает применение клейкого вещества непосредственно на теле чипа хотя и возможным, но относительно затратным. Поэтому, покрытие пленкой с клеящим веществом обычно может предпочитаться предпочтению покрытию тела чипа. Для активированного лазером горячего склеивания мембранной пленки и чипа могут применяться коммерческие пленки горячего склеивания (например, МН-92824, 93025 или 92804, Adhesive Research, Дублин, Ирландия) или покрытые горячим клеем на основе полиуретана полиолефинные пленки (пленка: Denz BioMedical GmbH, Mäder, Австрия); Клей: Dispercoll U53 смешанный с 7,5% Desmodur Ultra DA-L, оба Сovestro AG, Леверкузен). Для склеивания мембранная пленка должна иметь толщину от 30 до 300 мкм. Предпочтительно - примерно 100 мкм. При этом практичными являются толщины покрытия клеящего вещества между 2 и 100 мкм. Предпочтительно - примерно 7 мкм в толщину. Вследствие последующего сшивания Dispercoll и Desmodur после поддерживаемого лазером горячего склеивания шов клеящего вещества должен отверждаться до достижения конечной твердости по меньшей мере 12 часов.For hot bonding of the chip, a film coated with a heat-activated adhesive would have to be used. Coating the body of the chip with an adhesive is only expedient if it is ensured during the coating that as little as possible, and preferably no adhesive, can penetrate into the valve trays. This makes applying the adhesive directly to the body of the chip possible, but relatively costly. Therefore, adhesive film coating may generally be preferred over chip body coating. For laser-activated hot sealing of membrane film and chip, commercial hot seal films (e.g. MH-92824, 93025 or 92804, Adhesive Research, Dublin, Ireland) or polyurethane based hot glue coated polyolefin films (Film: Denz BioMedical GmbH, Mäder , Austria); Adhesive: Dispercoll U53 mixed with 7.5% Desmodur Ultra DA-L, both Covestro AG, Leverkusen). For bonding, the membrane film must have a thickness of 30 to 300 µm. Preferably, about 100 µm. In this case, coating thicknesses of the adhesive between 2 and 100 µm are practical. Preferably, about 7 microns in thickness. Due to the subsequent cross-linking of Dispercoll and Desmodur after laser-assisted hot gluing, the adhesive seam must be cured to a final hardness of at least 12 hours.
Далее, согласно изобретению может использоваться устройство, у которого лазер компьютеризовано управляется и с автоматически зарегистрированными цифровой камерой начальными и конечными координатами перемещается так, что покрывная пленка/мембрана вокруг всех клапанов и насосов привариваются в корректных позициях. Кроме того, изобретение касается натяжного устройства, чтобы покрывную пленку/мембрану без складок с корректным предварительным растяжением и заподлицо натягивать на верхнюю сторону клапана так, что давление, которое оказывает пленка на верхнюю сторону клапана, является повсюду одинаковым, чтобы таким образом достичь равномерного сварного шва. В том случае, что несколько или множество клапанных лотков интегрировано в микрофлюидный чип, соответствующее изобретению натяжное устройство в состоянии натянуть покрывную пленку/мембрану без складок с корректным предварительным растяжением и заподлицо на верхнюю сторону чипа таким образом, что давление, которое оказывает пленка на поверхность чипа, является повсюду одинаковым, чтобы таким образом достичь равномерного сварного шва.Further, according to the invention, a device can be used in which the laser is computerized controlled and with the start and end coordinates automatically recorded by a digital camera is moved so that the cover film/membrane around all valves and pumps is welded in the correct positions. In addition, the invention relates to a stretching device, so that a cover film/membrane without folds, with correct prestretching and flush, is pulled over the upper side of the valve so that the pressure that the film exerts on the upper side of the valve is uniform throughout, in order to thus achieve a uniform weld. . In the event that several or a plurality of valve trays are integrated in a microfluidic chip, the tensioner according to the invention is able to stretch the cover film/membrane wrinkle-free, with correct pre-stretch and flush on the top side of the chip, such that the pressure exerted by the film on the surface of the chip , is the same throughout, so as to achieve a uniform weld.
Далее, в изобретении применимым способ и устройство, которые используют описанные насосы и клапаны для индивидуального прибавления или отведения малых количеств жидкостей или газов в микрореакторы и матрицы (планшеты) микрореакторов, как например, плиты с микротитрами.Further applicable to the invention is a method and apparatus that use the described pumps and valves to individually add or remove small amounts of liquids or gases to microreactors and microreactor matrices, such as microtitre plates.
Примеры осуществления изображены на чертежах и описываются в дальнейшем. Показано:Exemplary embodiments are shown in the drawings and are described hereinafter. Shown:
Фиг.1 микрофлюидный насос с несколькими клапанами и пустыми клапанными лотками,Figure 1 microfluidic pump with multiple valves and empty valve trays,
Фиг.2 показанный на фиг.1 насос с двумя заполненными клапанными лотками, Fig.2 shown in Fig.1 pump with two filled valve trays,
Фиг.3 показанный на фиг.1 насос с одним заполненным клапанным лотком,Fig.3 shown in Fig.1 pump with one filled valve tray,
Фиг.4 натяжное устройство для нанесения мембраны, Fig.4 tension device for applying the membrane,
Фиг.5 боковой вид сварочного устройства,Fig.5 side view of the welding device,
Фиг.6 вид сверху показанного на фиг.5 сварочного устройства,Fig. 6 top view of the welding device shown in Fig. 5,
Фиг.7 позиция установочных винтов на показанном на фиг.5 сварочном устройстве,Fig.7 the position of the set screws on the welding device shown in Fig.5,
Фиг.8 позиция показанных на фиг.7 установочных винтов на виде сверху.Fig. 8 is the position of the set screws shown in Fig. 7 in a plan view.
Фиг.9 позиция датчиков усилия и позиционирующих штифтов на показанном на фиг.5 сварочном устройстве,Fig. 9 position of force sensors and positioning pins on the welding device shown in Fig. 5,
Фиг.10 вид вакуумной камеры из стекла,Fig.10 view of the vacuum chamber made of glass,
Фиг.11 разрез показанной на фиг.10 вакуумной камеры,Fig. 11 is a section of the vacuum chamber shown in Fig. 10,
Фиг.12 клапанный контур без сварного шва,Fig.12 valve circuit without a weld,
Фиг.13 сварной контур, иFig.13 welded contour, and
Фиг.14 клапанный контур со сварным швом.Fig.14 valve circuit with a welded seam.
Фиг.1-3 показывают последовательность из нескольких микрофлюидных насосов 1, 2, 3, у которых гибкая мембрана 4 покрывает клапанные лотки 5, 6, 7 клапанного тела 8. Чтобы закрепить гибкую мембрану 4 на клапанном теле 8, обращенная к клапанным лоткам 5, 6, 7 поверхность 9 мембраны 4 нагревалась лазерным лучом. Поскольку в данном случае несколько клапанных лотков 5, 6, 7 находятся рядом друг с другом, мембрана 4 закрепляется на клапанном теле 8 только в краевой области 10. 1-3 show a sequence of several
В примере осуществления клапанное тело 8 является микрофлюидным чипом 11, поверх которого расположена плита 12 с микротитрами. В этой плите 12 с микротитрами находятся резервуары 13 и скважины 14. Плита 12 с микротитрами перемещается посредством встряхивающей матрицы 15, в которой расположены каналы 16, 17, 18 воздействующей на мембрану пневматики. In an exemplary embodiment, the
Фиг.2 показывает, как жидкость течет из резервуара 13 в клапанные лотки 5 и 6, а фиг.3 показывает, как жидкость в клапанном лотке 7 связана со скважиной 14. Figure 2 shows how fluid flows from
Фиг.4 показывает поршневой стол 20 с расположенным поверх него позиционирующим столом 21, поверх которого натянута мембрана 22. Мембрана 22 лежит на полимерном основном теле 23 и с обеих сторон удерживается магнитами 24 и 25, которые выполнены с возможностью смещения по направляющей в направлении стрелок 26, 27, чтобы натянуть мембрану 22.Figure 4 shows a piston table 20 with a positioning table 21 located on top of it, over which the
Вся система устройства для сварки клапанного лотка, соответственно, насосного лотка и покрывной пленки/покрывной мембраны показывается на фиг.5: сварочное устройство 30 включает в себя источник 31 излучения (например, тулиевый волоконный лазер), осевую систему с осями 32 и 33, которая позволяет перемещать натяжное устройство в одной плоскости, но по меньшей мере в одном направлении, под лазером, чтобы таким образом создавать сварной шов с заданным положением. Натяжное устройство само позволяет закреплять на подвижной осевой системе по меньшей мере один клапанный лоток, но как правило два или более клапанных лотков, соответственно, насосных лотков, которые интегрированы в чип/полимерное основное тело 37. Кроме того, светопропускающая гибкая мембрана 38 натягивается поверх полимерного основного тела 37. Натяжное устройство состоит из цилиндра 39 с поршневым столом 40, позиционирующего стола 36, по меньшей мере четырех установочных винтов 41 и по меньшей мере четырех датчиков 42 усилия. Датчики 42 усилия позволяют натягивать пленку изотропно с помощью натяжной стойки 34. Натяжное устройство с полимерным основным телом и натянутой мембраной посредством приподнятия поршневого стола прижимается к стеклянной плите 35. Таким образом стеклянная плита оказывает давление на полимерное основное тело с чипом. В результате ввода энергии лазера через стеклянную плиту к натянутой поверх полимерного основного тела мембране, мембрана, как и полимерное основное тело термически размягчаются или расплавляются. В результате давления между стеклянной плитой и полимерным основным телом индуцируется течение материала между мембраной и полимерным основным телом, которое после застывания расплавленного полимера приводит к тонкому, точно позиционированному и механически очень прочному сварному шву. The entire system of the device for welding the valve tray, respectively, the pump tray and the cover film/cover membrane is shown in figure 5: the
Полимерное основное тело посредством центрирующего устройства, которое, например, из 2 позиционирующих штырей 43, которые входят в ответные посадочные отверстия на основном теле, точно выравнивается на позиционирующем столе и при этом приводится в зафиксированное положение (фиг.9). Позиционирующий стол лежит на четырех датчиках 42 усилия, которые вставлены в поршневой стол, который жестко соединен с цилиндром. Упомянутые четыре датчика усилия измеряют усилия, которые оказываются на четыре угла прямоугольного позиционирующего стола, когда позиционирующий стол прижимает полимерное основное тело с натянутой поверх него пленкой снизу к стеклянной плите 35. Посредством четырех винтов 41а, 41b, 41c, 41d на соответствующих углах (фиг.7), которые посредством резьбы закреплены в позиционирующем столе 36, может настраиваться силовое распределение. При этом винты уменьшают или увеличивают расстояние позиционирующего стола до поршневого стола, так что прижимное усилие в этом месте уменьшается или увеличивается и таким образом может гарантироваться равномерное распределение прижимного давления по всему полимерному основному телу. The polymer base body is precisely aligned on the positioning table by means of a centering device, which, for example, of 2 positioning pins 43, which fit into mating holes on the base body, is brought into a fixed position (FIG. 9). The positioning table rests on four
Источник 31 излучения позиционируется на расстоянии с определенным фокусным положением плоскопараллельно чипу 37, так что фокус лазера лежит либо на либо близко к заданной полимерным основным телом и пленкой плоскости. Чем ближе фокус лазера лежит к этой плоскости, тем уже становится сварной шов и тем незначительнее может оказаться излучающая мощность лазера. При этом фокусное положение определяет ввод энергии в полимерное тело и мембранную пленку в подлежащих свариванию позициях и, тем самым, точность процесса сваривания. При этом фокусное положение может быть либо фиксированным, либо может варьируемо настраиваться посредством осевой системы с осями 32 и 33, которая позволяет перемещение лазера перпендикулярно расположению полимерного основного тела с пленкой. The
При этом, полимерное тело 37 и мембрана 44 прижимаются цилиндром снизу к стеклянной плите 35, которая в диапазоне длин волн лазера имеет высокую спектральную проницаемость. Особенно в диапазоне длин волн от 1940 нм стекло является очень подходящим материалом, чтобы прижимать полимерное тело к мембранной пленке, поскольку стекло в ближней инфракрасной области ниже 3 мкм длин волн только минимально поглощает электромагнитное излучение. Стеклянная плита посредством рамки или нажимной стойки 34 фиксируется и ориентируется параллельно источнику 31 излучения. Указанное расстояние также определяется также посредством фокусного положения лазера на полимерном теле 37.In this case, the
Посредством осевой системы с осями 32 и 33 источник 31 излучений может перемещаться параллельно полимерному основному телу 37 и, тем самым, изменять подлежащие свариванию контуры. При этом мощность и скорость подачи лазера имеют возможность вариативной настройки.By means of an axial system with
Движение цилиндра 39 относительно источника 31 излучений реализуется по меньшей мере двумя осями 32 и 33, которые перемещают либо цилиндр 39 по подвижному столу 45, либо источник 31 излучений в пространстве.The movement of the
Гибкая мембрана 44 может натягиваться натяжным устройством параллельно поверх микрофлюидного основного тела 37.The
Натяжение гибкой мембраны может создаваться за счет различных возможностей. Чтобы получить как можно более плоскопараллельное нанесение пленки на стеклянный диск, возможно селективным лазерным травлением (Meineke и др. 2016) вытравливать микроканалы 46 в стеклянной плите 35 (фиг.10 с вакуумной камерой 47 из стекла), которые позволяют подключенным вакуумным насосом создавать пониженное давление в этих каналах и тем самым присасывать гибкую мембрану к стеклянной плите (фиг.11), прежде чем микрофлюидное основное тело придавится к ней. Вследствие этого уменьшаются неровности гибкой мембраны. Tension on the flexible membrane can be generated in various ways. In order to obtain the most plane-parallel film deposition on the glass disc, it is possible to selectively etch
Другая возможность натяжения использует магниты, которые введены в поршневой стол. Пленка вручную предварительно натягивается поверх основного тела и затем удерживается дополнительными противоположными по знаку (разной полярности) магнитами. При этом магниты расположены на выполненной с возможностью фиксирования направляющей, которая подвижна в одном направлении, так что мембранная пленка может дополнительно растягиваться и затем может фиксироваться в нужной позиции (фиг.4). Это повышает точность натягивания.Another tension option uses magnets that are inserted into the piston table. The film is manually pre-stretched over the main body and then held by additional magnets opposite in sign (different polarity). In this case, the magnets are located on a fixable guide, which is movable in one direction, so that the membrane film can be further stretched and then can be fixed in the desired position (Fig. 4). This improves the tensioning accuracy.
Другими возможностями натяжения гибкой мембраны являются пневматические цилиндры. При этом, мембрана фиксируется на одной стороне (например, магнитами), затем поверх основного тела натягивается и на противоположной стороне пневматическим цилиндром фиксируется, этот цилиндр зафиксирован на ортогонально установленном другом цилиндре, так что мембрана может дальше натягиваться, соответственно, растягиваться посредством выдвигания цилиндра в х-направлении с заданным силовым проявлением. Из этого следует однородное натяжение по всей сварной области. Other options for tensioning the flexible membrane are pneumatic cylinders. In this case, the membrane is fixed on one side (for example, with magnets), then it is pulled over the main body and fixed on the opposite side with a pneumatic cylinder, this cylinder is fixed on an orthogonally mounted other cylinder, so that the membrane can be further stretched, respectively, stretched by pushing the cylinder into x-direction with a given force manifestation. This results in a uniform tension over the entire welded area.
Полимерное основное тело содержит микроструктуры, которые в своей совокупности в комбинации с мембранной пленкой образует несколько насосов и клапанных систем. Посредством множества клапанов, насосных камер и каналов, а также впусков и выпусков возникает микрофлюидная матрица (планшет, array), которая обеспечивает транспортировку жидкости и газа флюидными впусками индивидуально к микрореакторам. The polymer base body contains microstructures, which together, in combination with the membrane film, form several pumps and valve systems. Through a variety of valves, pumping chambers and channels, as well as inlets and outlets, a microfluidic matrix (tablet, array) is created, which ensures the transportation of liquid and gas by fluid inlets individually to the microreactors.
Такого вида матрица может состоять из исполнительной присоединительной планки, как описано в ЕР 3055065, и микроректорной матрицы с интегрированным микрофлюидным чипом. Микрофлюидный чип состоит из клапанов, которые выполнены из сферического сегмента с концентрическим линейным уплотнением и гибкой мембраной. Микроканалы оканчиваются в центр клапана и на периметре сферического сегмента. Гибкая мембрана имеет возможность перемещения за счет исполнительного механизма и может закрываться и открываться. This kind of matrix may consist of an executive attachment plate as described in EP 3055065 and a microrectifier matrix with an integrated microfluidic chip. The microfluidic chip consists of valves, which are made of a spherical segment with a concentric linear seal and a flexible membrane. The microchannels end in the center of the valve and on the perimeter of the spherical segment. The flexible membrane is movable by an actuator and can be closed and opened.
Управление отдельными мембранными клапанами может осуществляться различными способами. Здесь, среди прочего, можно упомянуть пневматические управляющие каналы, а также для управления флюидными каналами могут использоваться активизированные оптически, термически, гидравлически, электромагнитно или магнитно переключатели.Individual diaphragm valves can be controlled in various ways. Here, inter alia, pneumatic control channels can be mentioned, and optically, thermally, hydraulically, electromagnetically or magnetically activated switches can also be used to control the fluid channels.
Возможность создавать перистальтическое движение, при котором сначала флюид нагнетается через впуск в открытые впускные клапаны и открытую насосную камеру. Таким образом, в результате следующего за этим закрытия впускного клапана захватывается точный объем флюида внутри насосной камеры. Так, посредством открытия выпускного клапана и закрытия насосной камеры может перекачиваться объем насосной камеры в направлении выпуска канала (фиг.1-3). При этом перекаченный объем в значительной степени определяется точностью насосной камеры, которая генерируется из структуры полимерного тела и перекрытия мембранной пленкой. За счет этой техники через впуск и насосную камеру могут управляться также флюидные каналы (изображение 11). The ability to create a peristaltic movement, in which fluid is first forced through the inlet into the open inlet valves and the open pumping chamber. Thus, the subsequent closing of the inlet valve captures a precise volume of fluid within the pumping chamber. Thus, by opening the outlet valve and closing the pumping chamber, the volume of the pumping chamber can be pumped in the outlet direction of the channel (FIGS. 1-3). In this case, the pumped volume is largely determined by the accuracy of the pumping chamber, which is generated from the structure of the polymer body and the membrane film overlap. With this technique, fluid channels can also be controlled via the inlet and the pumping chamber (image 11).
Описанное изобретение в значительной степени повышает точность клапанного перекрытия; прежде всего оно уменьшает варьирование (изменение) величины заключенного посредством клапанного лотка и покрывной пленки объема и, тем самым, увеличивает точность дозирующего процесса. Механистическим основанием для этого является то, что сварка пронизывающим лазером обеспечивает точную геометрию сварной кромки или сварного шва. Это достигается посредством строго локально ограниченного ввода энергии и, тем самым, размягчение субстрата лишь в точно заданных местах, соответственно, вдоль точно заданных швов. Вследствие этого почти полностью уменьшается нежелательная существенная теплопередача за пределы заданной области, в частности ввод энергии в насос/клапанный лоток. The described invention significantly improves the accuracy of valve overlap; First of all, it reduces the variation (change) in the amount enclosed by the valve tray and the cover film and thus increases the accuracy of the dosing process. The mechanistic basis for this is that penetrating laser welding provides precise geometry of the weld bead or weld. This is achieved by means of a strictly locally limited input of energy and thus the softening of the substrate only at precisely defined locations or along precisely defined seams. As a result, the undesirable significant heat transfer outside the predetermined area, in particular the input of energy into the pump/valve tray, is almost completely reduced.
Полимерное тело (m2p-labs Gmbh, Baesweiler, MTP-MF32-BON 1 из Topas®) фиксируется, как описано, на позиционирующем столе, а мембранная пленка (Topas® ELASTOMER Е-140, 100 мкм толщиной) натягивается поверх подлежащей свариванию области. Пример для клапанного контура перед свариванием можно видеть на фиг.12. Посредством CAD-программы (например, Autodesk AutoCAD) разрабатывается соответствующий сварной контур (например, сварной контур фиг.13). Затем этот сварной контур может загружаться в программу сваривания. Также могут настраиваться скорость перемещения к отдельным точкам, мощность луча и позиция для активации и деактивации лазера. Затем подлежащее свариванию тело посредством цилиндра (Festo AND-100-60-A-P-A) с давлением от 0,1 до 5 бар, предпочтительно 0,75 бар прижимается к стеклянной плите. Слишком высокое давление ведет к тому, что мембранная пленка деформируется и вдавливается в клапаны. Слишком низкое давление замедляет поток материала внутри сварного шва и таким образом уменьшает прочность сварного шва. Считыванием датчиков усилия (МЕ-Messtechnik КМ26) гарантируется, что распределение энергии является равномерным, или должно заново юстироваться установочными винтами. Неравномерное распределение энергии ведет к неравномерной фокусировке лазера.The polymer body (m2p-labs Gmbh, Baesweiler, MTP-MF32-
Для сваривания может использоваться тулиевый волоконный лазер фирмы «IPG Laser» с длиной волны 1940 нм. Эта длина волн является подходящей, поскольку использованный полимер (СОС, циклоолефиновый сополимер; сополимер из норборнена и этилена) является поглощающим в этом диапазоне длин волн. Соответствующая оптика с фокусным расстоянием в 20 мм фокусирует лазерный луч. Для процесса сварки в зависимости от скорости подачи требуется мощность лазера от 2 до 50 Вт; предпочтительно 5-25 Вт при скорости подачи лазера от 10 мм/мин до 2000 мм/мин и особенно предпочтительно 8 Вт при скорости подачи в 200 мм/мин. Требуемая приемлемая мощность лазера позволяет выбор между большим количеством лазеров, как например тулиевый волоконный лазер фирмы Keopsys (SW_Laser CTFL-TERA) или IPG лазер (TLM-200 Thulium CW Fiber Laser Module).For welding, a thulium fiber laser from IPG Laser with a wavelength of 1940 nm can be used. This wavelength is suitable because the polymer used (COC, cycloolefin copolymer; norbornene-ethylene copolymer) is absorbent in this wavelength range. A matching optic with a focal length of 20 mm focuses the laser beam. The welding process requires a laser power of 2 to 50 W, depending on the feed rate; preferably 5-25 W at a laser feed rate of 10 mm/min to 2000 mm/min, and particularly preferably 8 W at a feed rate of 200 mm/min. The required acceptable laser power allows the choice between a large number of lasers, such as the Keopsys thulium fiber laser (SW_Laser CTFL-TERA) or the IPG laser (TLM-200 Thulium CW Fiber Laser Module).
Описанный здесь способ может использоваться не только для СОС (Topas®) но и для других полимеров, которые поглощают в инфракрасной области. Примерами являются полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиэтилен и т.п.The method described here can be used not only for COC (Topas®) but also for other polymers that absorb in the infrared. Examples are polystyrene, polymethyl methacrylate, polycarbonate, polyethylene, and the like.
Источник излучения может перемещаться посредством осевой системы (например, Bosch Rexroth Linearsysteme) в х-, у- и z-направлении по сварочной области, чтобы объезжать отдельные клапанные, канальные и насосные контуры со скоростью, например, 200 мм/мин при мощности лазера примерно 8 Вт. При этом лазерный луч активируется только на намеченных контурах, вследствие чего предотвращается нежелательный ввод энергии. Источник излучения позиционируется при фокусном расстоянии в 20 мм на высоте примерно 17 мм относительно поверхности полимерного тела. Посредством изменения фокусного расстояния должна подгоняться эта высота. Чтобы не расплавить каналы за счет повышенного локального ввода энергии, сварочный контур должен генерироваться на точном расстоянии до канала примерно в 0,3 мм. Фиг.14 показывает клапанный контур со сварочным швом.The radiation source can be moved by means of an axial system (e.g. Bosch Rexroth Linearsysteme) in the x-, y- and z-direction over the welding area in order to bypass individual valve, duct and pump circuits at a speed of e.g. 200 mm/min at a laser power of approx. 8 W. In this way, the laser beam is only activated on the intended contours, whereby unwanted energy input is prevented. The radiation source is positioned at a focal length of 20 mm at a height of approximately 17 mm relative to the surface of the polymer body. This height must be adjusted by changing the focal length. In order not to melt the channels due to increased local energy input, the welding circuit must be generated at a precise distance to the channel of about 0.3 mm. 14 shows a valve circuit with a welded seam.
Гибкая мембрана размягчается только в местах, которые пронизываются лазерным лучом и в результате термического сплавления соединяются с основным телом. В результате высокой скорости передвижения источника излучения предотвращается расплавление клапанных или канальных контуров и задается сварной шов. Вариация мощности луча может оказывать дальнейшее влияние на этот шов. Таким образом, в результате достаточной точности осевой системы может достигаться высокая точность клапанного контура. Это отражается непосредственно на точности процесса дозирования.The flexible membrane softens only in places that are penetrated by a laser beam and, as a result of thermal fusion, are connected to the main body. As a result of the high speed of movement of the radiation source, melting of the valve or channel circuits is prevented and the weld is set. Beam power variation can further affect this seam. Thus, as a result of sufficient accuracy of the axial system, a high accuracy of the valve circuit can be achieved. This is reflected directly in the accuracy of the dosing process.
Перед измерением точности потока микрофлюидный чип в качестве основания 48-скважинной плиты с микротитрами склеивается воздухо- и жидкостнононепроницаемо. Плита с микротитрами устанавливается на орбитальный шейкер, который перемешивает жидкости внутри плиты с микротитрами со скоростью до 1500 об/мин (оборотов в минуту). Прозрачность полимерного основания, соответственно, микрофлюидного чипа позволяет выполнять в каждой отдельной реакционной камере оптические измерения на находящейся в ней жидкости. Таким образом могут детектироваться, например, флуоресцентные сигналы от зеленого флуоресцентного протеина, флуоресцеина или рибофлавина. Такая измерительная схема реализована в BioLector Pro фирмы m2p-labs Gmbh, Baesweiler, Германия.Before measuring the flow accuracy, the microfluidic chip as the base of the 48-well plate with microtiters is glued air- and liquid-tight. The microtiter plate is mounted on an orbital shaker that agitates the liquids inside the microtiter plate at up to 1500 rpm (revolutions per minute). The transparency of the polymer base or the microfluidic chip makes it possible to perform optical measurements in each individual reaction chamber on the liquid contained therein. Thus, for example, fluorescent signals from green fluorescent protein, fluorescein or riboflavin can be detected. Such a measurement scheme is implemented in BioLector Pro by m2p-labs Gmbh, Baesweiler, Germany.
Для измерения скорости потока, через канальный вход описанного в ЕР 3055065 микрофлюидного чипа заливалась смесь из 50 мМ водного буферного раствора (К2НРО4) с 70 мкМ флуоресцеина. Таким образом, посредством световода и соответствующего оптического фильтра с длиной волны возбуждения 436 нм и длиной волны детектирования 540 нм и оценочной электроники BioLector Pro фирмы m2p-labs могут обнаруживаться даже малейшие изменения флуоресценции в реакционных камерах над микрофлюидной плитой. Содержащий флуоресцеин буферный раствор посредством описанного исполнительного механизма процесса перекачки транспортируется от канального входа в резервуарной скважине к канальному выходу в реакционной камере. В реакционной камере помещаются 800 мкл буферного раствора, состоящего из 50 мМ К2НРО4. BioLector Pro имеет 16 резервуарных скважин и 32 реакционные камеры. Из каждой резервуарной скважины раствор может транспортироваться через основание микрофлюидной плиты в соответственно четыре реакционные камеры. Если во все резервуарные скважины заливают один и тот же содержащий флуоресцеин буферный раствор и все находящиеся в микрофлюидном чипе насосы и клапаны настроены одинаковым образом, то во все 32 реакционные камеры одинаковым образом нагнетается флуоресцентный раствор. Тем самым эта схема позволяет проверять, все ли насосы и клапаны, которые нагнетают (перекачивают) флуоресцентный раствор из резервуарных скважин в реакционные сосуды, осуществляют это нагнетания одинаково и равномерно. Это позволяет получать количественную оценку за счет того, что интенсивность флуоресценции флуоресцеина, который перекачивается из резервуарных скважин в реакционные камеры, измеряется через регулярные промежутки во всех реакционных камерах и изменение флуоресценции определяется по времени. Также это измерение может осуществляться в BioLector Pro полностью автоматически. С пневматическим давлением в 0,5 бар жидкость нагнетается в микрофлюидный канал через впускные клапаны и насосную камеру до выпускных клапанов. Впускные клапаны закрываются давлением 2 бара. Открытие выпускных клапанов позволяет поступление флуоресцентного раствора в соответственно согласованную реакционную камеру. Посредством закрытия насосной камеры давлением 2,5 бар жидкость нагнетается в соответствующую реакционную камеру. После этого также пневматически закрывается выпускной клапан давлением 1,5 бар. Этот процесс перекачки повторяется постоянно во всех 32 реакционных камерах, так что возникает поток в 5 мкл/ч на одну реакционную камеру. To measure the flow rate, a mixture of 50 mM aqueous buffer solution (K2HPO4) with 70 μM fluorescein was poured through the channel inlet of the microfluidic chip described in EP 3055065. Thus, by means of a light guide and an appropriate optical filter with an excitation wavelength of 436 nm and a detection wavelength of 540 nm and evaluation electronics BioLector Pro from m2p-labs, even the slightest fluorescence changes in the reaction chambers above the microfluidic plate can be detected. The buffer solution containing fluorescein is transported by means of the pumping actuator described above from the channel inlet in the reservoir well to the channel outlet in the reaction chamber. 800 μl of a buffer solution consisting of 50 mM K2HPO4 is placed in the reaction chamber. The BioLector Pro has 16 reservoir wells and 32 reaction chambers. From each reservoir well, the solution can be transported through the base of the microfluidic plate to respectively four reaction chambers. If the same buffer solution containing fluorescein is poured into all reservoir wells and all pumps and valves located in the microfluidic chip are configured in the same way, then the fluorescent solution is injected into all 32 reaction chambers in the same way. Thus, this scheme allows you to check whether all pumps and valves that inject (pump) the fluorescent solution from the reservoir wells into the reaction vessels carry out this injection in the same and uniform way. This allows quantification by the fact that the fluorescence intensity of fluorescein, which is pumped from the reservoir wells to the reaction chambers, is measured at regular intervals in all reaction chambers and the change in fluorescence is determined over time. Also this measurement can be carried out in BioLector Pro completely automatically. With a pneumatic pressure of 0.5 bar, fluid is forced into the microfluidic channel through the inlet valves and the pumping chamber to the outlet valves. The intake valves are closed with a pressure of 2 bar. Opening the outlet valves allows the fluorescent solution to enter a suitably matched reaction chamber. By closing the pumping chamber with a pressure of 2.5 bar, the liquid is forced into the corresponding reaction chamber. After that, the outlet valve is also pneumatically closed with a pressure of 1.5 bar. This pumping process is repeated continuously in all 32 reaction chambers, so that a flow of 5 µl/h per reaction chamber occurs.
За время примерно 20ч записывается/принимается изменение флуоресцентного сигнала всех 32 реакционных камер плиты с микротитрами. После завершения измерения определяются среднее значение изменения флуоресцентного сигнала всех 32 измеренных значений и соответствующее ему стандартное отклонение, а также относительное стандартное отклонение. Если все микрофлюидные насосы в чипе были настроены одинаковым образом, то во всех 32 реакционных камерах ожидают идентичной скорости потока и соответственно стандартное отклонение равно нулю. Более высокие стандартные отклонения являются индикатором для различий между насосами или их настройкой, которые влекут за собой вариации скорости потока. Over a period of approximately 20 hours, the change in the fluorescent signal of all 32 reaction chambers of the microtiter plate is recorded/received. After the measurement is completed, the average value of the change in the fluorescent signal of all 32 measured values and the corresponding standard deviation, as well as the relative standard deviation, are determined. If all microfluidic pumps in the chip were configured in the same way, then in all 32 reaction chambers, identical flow rates are expected and, accordingly, the standard deviation is zero. Higher standard deviations are an indicator for differences between pumps or their settings, which entail flow rate variations.
Эксперимент проводился неоднократно как с микрофлюидными чипами, у которых мембранная пленка нанесена посредством термического сплавления, так и с микрофлюидными чипами, у которых мембранная пленка соединялась лазерным свариванием с полимерным основным телом. Результаты показывают для микрофлюидных чипов, которые были изготовлены посредством лазерного сваривания, по сравнению с микрофлюидными чипами, которые были изготовлены посредством соединения термическим сплавлением, отчетливое повышение точности процесса перекачки, соответственно, отчетливое уменьшение стандартного отклонения крутизны флуоресцентного сигнала. Относительное стандартное отклонение изменения флуоресцентного сигнала за указанное время в случае изготовленных посредством термически сплавленного соединения чипов составило в среднем 12%; у сваренных лазером чипов оно составляло в среднем менее 7%.The experiment was carried out repeatedly both with microfluidic chips, in which the membrane film was deposited by thermal fusion, and with microfluidic chips, in which the membrane film was laser welded to the polymer base body. The results show for microfluidic chips that were fabricated by laser welding, compared to microfluidic chips that were fabricated by thermal fusion bonding, a distinct increase in the accuracy of the pumping process, respectively, a distinct decrease in the standard deviation of the slope of the fluorescent signal. The relative standard deviation of the change in the fluorescent signal over a specified time in the case of chips made by means of a thermally fused compound averaged 12%; for laser-welded chips, it averaged less than 7%.
Вышеупомянутые, а также заявленные и описанные в примерах осуществления, подлежащие использованию согласно изобретению конструктивные части не починяются каким-либо особенным исключительным условиям в отношении своего размера, формы, оформления, выборе материала и технических концепций, так что могут без ограничений использоваться известные в данной области применения критерии выбора.The aforementioned, as well as those claimed and described in the embodiments, to be used according to the invention, the structural parts to be used according to the invention are not subject to any special exceptional conditions with regard to their size, shape, design, choice of material and technical concepts, so that known in the field can be used without limitation. applying selection criteria.
Claims (19)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018009860.6 | 2018-12-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2773351C1 true RU2773351C1 (en) | 2022-06-02 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2824449C1 (en) * | 2023-11-07 | 2024-08-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр" | Method for filling reaction wells of disposable cartridge for nucleic acid amplification |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5876187A (en) * | 1995-03-09 | 1999-03-02 | University Of Washington | Micropumps with fixed valves |
| US6106685A (en) * | 1997-05-13 | 2000-08-22 | Sarnoff Corporation | Electrode combinations for pumping fluids |
| US6967101B1 (en) * | 1999-03-24 | 2005-11-22 | Gyros Ab | Surface and its manufacture and uses |
| EP2796200A2 (en) * | 2013-04-26 | 2014-10-29 | Robert Bosch Gmbh | Method and apparatus for producing a microfluid analysis cartridge |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5876187A (en) * | 1995-03-09 | 1999-03-02 | University Of Washington | Micropumps with fixed valves |
| US6106685A (en) * | 1997-05-13 | 2000-08-22 | Sarnoff Corporation | Electrode combinations for pumping fluids |
| US6967101B1 (en) * | 1999-03-24 | 2005-11-22 | Gyros Ab | Surface and its manufacture and uses |
| EP2796200A2 (en) * | 2013-04-26 | 2014-10-29 | Robert Bosch Gmbh | Method and apparatus for producing a microfluid analysis cartridge |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2824449C1 (en) * | 2023-11-07 | 2024-08-07 | Общество с ограниченной ответственностью "Троицкий инженерный центр" | Method for filling reaction wells of disposable cartridge for nucleic acid amplification |
| RU2847744C1 (en) * | 2025-02-16 | 2025-10-15 | Акционерное Общество "Группа компаний "Титан" | Liquid dosing system for a microfluidic device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hsu et al. | “Microcanals” for micropipette access to single cells in microfluidic environments | |
| US9074172B2 (en) | Culture plate with fiber-coated bottom surface | |
| Tkachenko et al. | An easy to assemble microfluidic perfusion device with a magnetic clamp | |
| JP5389782B2 (en) | Cell sorting system and method | |
| JP7527983B2 (en) | Method for improving the measurement accuracy of a microfluidic pump or valve, and welding and tensioning devices for carrying out the method - Patents.com | |
| JP6003772B2 (en) | Microchip and manufacturing method of microchip | |
| FI3941712T3 (en) | Three-dimensional additive printing method | |
| CN106423312A (en) | Transformation of material into an optically modulating state via laser radiation | |
| WO2009139407A1 (en) | Microanalysis chip adhesive sheet, microanalysis chip, and manufacturing method thereof | |
| WO2006106848A1 (en) | Method for bonding substrates, method for forming chip, and chip | |
| EP2889121B1 (en) | Bonding method and method of manufacturing microchannel device | |
| RU2773351C1 (en) | Method for increasing the dosing accuracy of microfluidic pumps or valves | |
| JP2014219261A (en) | Manufacturing method of micro chamber chip | |
| US7001572B1 (en) | Analyzing device with biochip | |
| JP4083452B2 (en) | Valve mechanism | |
| JP4072175B2 (en) | Substrate bonding method, chip forming method, and chip | |
| Chen et al. | Diode laser bonding of planar MEMS, MOEMS, & microfluidic devices | |
| KR20120106349A (en) | Hemicylindrical lens, hemicylindrical lens microchip and its fabrication method | |
| CN207256888U (en) | 3D printer for micro-fluidic chip processing | |
| WO2025068096A1 (en) | Method and system for maintaining a controlled dissolved oxygen concentration in a fluidic chip | |
| WO2022138930A1 (en) | Method for manufacturing micro chip for liquid sample analysis | |
| TRICHUR | Development of polymer MEMS structures for lab-on-a-chips using UV-LIGA and injection molding techniques | |
| Lai et al. | Novel bonding method for polymer-based microfluidic platforms | |
| US20230234056A1 (en) | Microfluidic systems and methods for sorting particles | |
| WO2024196269A1 (en) | A method for manufacturing microfluidic systems for medical diagnostics in thin-layered polyester materials and a microfluidic system for medical diagnostics manufactured by the method |