本发明涉及根据独立权利要求的类属的微流体接纳元件、具有接纳元件的微流体装置、用于制造微流体接纳元件的方法以及用于使用微流体接纳元件的方法。本发明的主题也涉及一种计算机程序。
背景技术：
1、微流体分析系统，即所谓的芯片实验室，简称loc，其允许对用于医疗诊断的化学或生物物质进行自动化、可靠、紧凑且成本低廉的处理。通过结合多种操作来有针对性地操纵流体，能够实现复杂的微流体处理流程。
技术实现思路
1、在此背景下，用这里介绍的方案根据独立权利要求提出一种微流体接纳元件、一种具有接纳元件的微流体装置、一种用于制造微流体接纳元件的方法以及一种用于使用微流体接纳元件的方法，此外还提出一种使用这些方法之一的控制器，以及最后提出相应的计算机程序。通过从属权利要求中列出的措施，能够实现独立权利要求中指定的装置的有利改型方案和改进方案。
2、通过这里提出的微流体接纳元件，能够有利地减少在微流体装置中的空腔边缘处发生的阻塞(pinning)，使得能够实现流动室(flusszelle)中的接纳元件的空间上特别均匀的润湿。
3、提出了一种用于微流体装置的微流体接纳元件，所述微流体装置用于处理流体。接纳元件在此具有用于接纳水性溶液的至少一个凹槽，其中，至少一个凹槽成形为空腔或通孔。接纳元件的特征在于，在凹槽的侧壁中成形有至少一个凸起，所述至少一个凸起具有优选地亲水的表面特性，并且凹槽在接纳元件的顶侧的平面中具有非凸状横截面。
4、微流体装置能够是例如芯片实验室盒(loc)形式的微流体分析系统，其能够包括用于处理流体的微流体网络，例如用于分析患者试样。在此，为了提供预设的微流体功能，微流体结构的合适设计能够是必不可少的。在此，微流体结构(例如具有通孔或空腔的结构)的设计尤其能够取决于所涉及的一种或多种液体的特性，例如表面张力、粘度、密度、极性，尤其是润湿特性以及要提供的功能的规格。在此，在一些情况下能用于实现预设功能的微流体结构的几何形状能够显著地由表面的润湿特性决定或限制。对此的示例是允许将试样液体等分到多个隔室中的微流体结构。这样的结构能够例如通过具有诸如空腔或通孔之类的凹槽的布置结构的接纳元件来实现，其能够被引入到基底中并且因此能够形成用于产生液体隔室的微流体接纳元件。为此，凹槽或多个相同形状的凹槽能够被成形为例如空腔或通孔。因此，这里提出的本发明的核心是一种改进的微流体接纳元件，其具有用于接纳水性溶液的至少一个凹槽的存在于表面上的布置结构，其中，所述至少一个凹槽成形为空腔或通孔。至少一个凹槽的二维横截面能够在由接纳元件的顶侧限定的平面(通过该平面填充至少一个凹槽)内通过几何图形来描述，该几何图形具有至少一个凸起或凹部，因此至少一个凹槽的所述二维横截面形成欧几里得空间的非凸子集。根据定义，如果对于属于该集合的任意两个点，它们的连接线段始终完全位于该集合中，则欧几里得空间的子集是凸的。具有至少一个凸起和非凸状横截面几何形状的凹槽的设计尤其具有以下优点，即在相界面具有显著表面能或表面张力的情况下，能够显著削弱出现相界面在凹槽边缘处的所谓的阻塞(“附着”)。这能够通过以下事实来证明：针对相界面在凹槽边缘处的阻塞，在凸起或凹部区域中必须具有在能量上不利的界面扩大或界面强曲率，从而液体优选地能够渗透到凹槽中。
5、根据一种实施方式，凹槽的凸起能够锯齿状地成形或者具有至少一个锯齿。在此特别地，锯齿的一部分、尤其是一侧能够具有弧形的形状。在特定设计方案中，一个或多个锯齿能够优选地具有分段的阿基米德螺旋形的形状。因此，一个或多个锯齿例如能够由直线段和弧形线段逐渐交替地成形。在此，弧形线段能够例如成形为圆弧或椭圆弧的一部分或螺旋弧的一部分。例如，直线段分别能够从凹槽的中心开始径向地定向。例如，锯齿尖端的半径能够小于25μm并且特别优选地小于15μm，或者锯齿的支腿部能够例如以小于90度的角度展开。这尤其具有以下优点，即，能够以特别有效的方式防止相界面在凹槽边缘处的阻塞，因为在尖端的倒圆半径小于例如25μm或15μm的情况下，针对阻塞需要在该位置处有界面的局部强曲率，其形成对于界面能量来说在能量上可能是特别不利的。改进的阻塞特性是由于相界面的表面能，该表面能针对相界面附着到凹槽边缘必须通过界面的随之发生的变形来施加。在此，针对相界面附着在凹槽边缘而必须提供的表面能与边缘的长度和相界面的随之发生的增大相关。因此，能够根据边缘的设计来调整针对在其上的阻塞所需的由相界面待施加的表面能。原则上，在相当的凹槽体积的情况下通过具有明显突出的凸起以及因此(与圆形凹槽相比)显著更大的边缘长度的边缘也能够引起针对阻塞的特别大的表面能。然而，随着边缘长度的增加一般也使凹槽的表面积与容积之比增加。这对于在凹槽内进行例如化学或生化反应又是不利的，尤其是在凹槽的壁上可能发生非期望的反应物吸附的情况下，这尤其无法通过合适的凹槽的壁的涂层来充分程度地减小。一般而言，因此当设计和规划凹槽时，能够必要的是，必须在一方面改善填充特性和另一方面增加表面积-容积之比之间找到合适的折衷方案。相应地，除了实现尽可能明显的凸起和增加边缘长度之外，实现具有尽可能尖的形状的凸起、也就是说在凸起的尖端处具有小的最小半径也能够是有利的，因为这里局部地针对在这样成形的边缘处的阻塞能够需要特别高的界面能。
6、根据另一种实施方式，凹槽能够具有至少一个第二凸起，其中，凸起和第二凸起能够以预设方式相对于彼此布置和/或彼此在形状和尺寸上相同。例如，凹槽能够构造有多个凸起，其中，凸起能够以预设方式相对于彼此布置并且彼此在形状和尺寸上相同。这尤其具有以下优点，即能够促进从相界面朝凹槽逼近的不同方向填充凹槽。因此能够实现基本上与方向无关的、即均匀的填充特性。例如，以这种方式成形的凹槽能够用于等分诸如试样液体的液体。等分后，能够例如通过所谓的几何复用来进行试样液体的并行分析。特别地，凸起能够以这样的方式布置，使得例如能够实现凹槽的星形构造。根据限定，如果存在一个点，从该点起到集合的任意点的每条直的连接线段都完全位于该集合内，则欧几里得空间的子集是星形的。例如，二维横截面能够通过具有圆形或六边形基本形状的几何图形来描述，在该几何图形上能够布置至少一个凸起。这尤其具有能够实现低的表面积与容积之比的优点。通过点定向的设计，凹槽还能够有利地设计用于促进在相界面能够朝凹槽逼近的不同方向上对凹槽的填充。
7、根据另一种实施方式，凹槽的侧壁能够构造有生物相容的涂层，以最小化反应物在凹槽的侧壁上的吸附。例如，凹槽的与至少一个凸起邻接的至少一个壁能够具有亲水的表面特性。附加地或替代地，二维横截面的至少一个凸起能够与三维凹槽的至少一个侧壁薄片的构造相对应。特别地，如果侧壁薄片具有亲水表面特性，则能够有利地促进在侧壁薄片中形成微流体毛细管路径，这能够有助于凹槽的特别可靠的填充。在此，至少一个侧壁薄层尤其能够形成在凹槽的整个高度上或者仅形成在凹槽的部分区域上、尤其是凹槽的与液体的入口面邻接的上部区域。后者提供的优点是，一方面能够通过侧壁薄片实现改进液体进入凹槽的渗透，并且另一方面能够在必要时减少排出仅在凹槽底部变干的物质或预存放的试剂的排出，因为由这种侧壁薄层产生的毛细管路径不是连续地存在直到凹槽的底部。有利地，这种凹槽能够例如通过硅基底中的干法蚀刻工艺来制造，其中，具有在入口面上的至少一个凸起和侧壁薄片的凹槽的几何形状通过光刻来限定并且由于蚀刻过程的部分各向同性的特性，随着蚀刻深度的增加，侧壁薄片的明显程度持续减弱，使得侧壁薄片仅形成在凹槽的与入口面相邻的区域中。此外，凹槽能够附加地或替代地具有类似于宽颈圆底烧瓶的略微球根状的结束部。附加地或替代地，接纳元件的至少一个凹槽的侧壁能够具有生物相容的涂层，其有利地最小化反应物在凹槽壁上的吸附，也就是说为了进行生化的诸如分子诊断检测反应所必需的反应混合物的组分，例如核酸、引物、探针分子或诸如聚合酶的酶。以此方式，一方面能够实现具有凸起的至少一个凹槽的设计，其虽然增加了表面积与容积之比，但另一方面以根据本发明方式改进了凹槽的填充特性。同时，由于尽管与例如圆柱形成形的凹槽相比表面积与容积之比增大，能够通过涂层有利地减少反应混合物的组分在凹槽的壁上的吸附，因此能够实现高的反应效率。
8、根据另一种实施方式，凹槽的侧壁能够在公差范围内关于接纳元件的顶侧垂直地布置，尤其其中，侧壁能够与顶侧形成85度与95度之间的角度。附加地或替代地，凸起能够与接纳元件的顶侧邻接地、在凹槽的侧壁的整个高度上成形。例如，接纳元件的至少一个凹槽能够具有几乎垂直的侧壁，其能够与接纳元件的顶侧形成85度与95度之间的角度，由此能够获得柱形的基础形状。这尤其具有以下优点，即能够以特别简单的方式制造凹槽。
9、根据另一种实施方式，凹槽的表面积与容积之比能够是相同容积的具有圆形横截面的柱形凹槽的表面积与容积之比的1.0至2.0倍、尤其是表面积与容积之比的1.0至1.5倍。这尤其具有以下优点，即凹槽的能够在其上发生反应混合物的组分的吸附的表面能够特别小。以此方式，例如能够在必要时提高在凹槽中进行的生化检测反应的效率。
10、根据另一种实施方式，凹槽在接纳元件的顶侧的平面中能够具有非凸状、但星形的横截面。例如，凹槽能够具有多个凸起，这些凸起相对于彼此以预设方式布置，从而产生星形横截面。通过这种有利的设计方案，例如，一方面能够实现凹槽的低的表面积与容积之比，并且另一方面通过凹槽的点定向设计能够促进在相界面能够与接纳元件的顶侧的平面邻接地朝凹槽逼近的不同方向上对凹槽进行填充。
11、根据另一种实施方式，接纳元件能够包括多个凹槽。例如，接纳元件能够具有至少一个第二凹槽或多个另外的凹槽，其中，凹槽和第二凹槽能够彼此在形状上并且附加地或替代地在尺寸上在公差范围(例如百分之10至/或25)相同。例如，接纳元件能够包括由多个相同形状凹槽组成的布置结构或阵列，用于执行相同的反应或凹槽与凹槽之间不同的反应。这具有的优点是能够优化分析过程并且以并行方式在凹槽中进行。
12、根据另一种实施方式，接纳元件能够具有例如用于执行检测反应的至少一种物质，该物质能预存放在凹槽中并且可溶于水性溶液中，其中特别地，该物质能够被布置或可被布置在凸起中或邻近凸起处。例如，能够在接纳元件的至少一个凹槽中预存放有至少一种变干物质，当接纳水性溶液时，该变干物质能够溶解到凹槽中。这尤其具有下述优点，即凹槽能够用于进行例如专门的检测反应。在接纳元件中存在多个凹槽的情况中，例如能够通过在凹槽中预存放的不同的检测试剂在凹槽中执行不同的检测反应。在另一种有利实施方式中，在接纳元件的至少一个凹槽中变干的物质尤其存在于至少一个凹槽中的至少一个凸起中或邻近至少一个凸起处。这尤其具有优点，即物质存在于凹槽的当凹槽在流动室中被填充(其中暂时能够连续有液体流动穿过凹槽)时与凹槽的其他区域相比较弱强度被穿流的区域中。以此方式，例如能够最小化流动引起的预存放物质的拖带。此外，预存放到至少一个凸起中或邻近至少一个凸起处预存放的物质优选大部分、例如超过70％或超过80％或完全存在于凹槽的下半部中，并且尤其至少部分地邻近于凹槽的底部边缘处。以此方式，物质能够在尽可能远离凹槽的特别强流动穿流的区域被存储在凹槽中，以便在接纳元件的微流体处理期间尽可能地防止预存放的物质从凹槽非期望地排出。另外，在具有凸起的凹槽的内壁具有亲水的表面特性(至少在部分区域中存在)的情况下，能够实现例如通过精细计量系统将物质特别简单地引入到凸起中，方式是：首先将物质的水性溶液引入凹槽中，随后引起溶剂的蒸发，其中，由于毛细力作用于凸起内的液体，能够促进物质贮存在凸起中或沉积在凸起的壁上。此外，以有利的方式，能够根据凹槽的凸起的几何设计、凸起表面现有的亲水性程度以及液体的表面张力，在可变程度上进行调节贮存在凸起中的物质的量与贮存在凹槽中由凸起包围的体积之外(尤其在凹槽的中央底部区域上)的物质的量的比率。
13、总体而言，所描述的接纳元件的突出之处在于改进的微流体接纳元件的根据本发明的凹槽的得到改进的填充特性。在此，当润湿空腔时能够有利地实现特别高的可靠性。特别地，当用具有显著表面张力的液体(例如水性溶液)填充空腔时，能够防止先前存在于空腔中的气体(例如空气)包含在空腔中并且尤其在凹槽的底部处。换句话说，能够因此实现凹槽的改进的微流体填充特性。特别地，与常见设计的、对应于现有技术的空腔的情况相比，所谓的死端结构(例如具有较高宽高比的空腔)也能够被完全地填充。此外，通过根据本发明的装置能够改进任意成形的凹槽的可填充性，其中，仅需要对边缘特性或边缘的部分进行轻微的几何调整。因此，本发明在改善微流体填充性方面能够实现任意几何形状的功能化。此外，所提出的接纳元件的突出之处在于减少了相界面在凹槽边缘处的阻塞(附着)。特别地，当在根据本发明的设计方案中使用具有布置在表面上的多个凹槽的接纳元件时，能够实现具有凹槽的接纳元件的空间上特别均匀且时间上连续的润湿，由此特别能够实现接纳元件的在流动室中的微流体处理期间高的可靠性。在此，特别有利的填充特性尤其能够通过在凹槽的侧壁上形成微流体毛细管路径来引起。通过在此产生的毛细力能够促进亲水侧壁的润湿。通过润湿侧壁，尤其能够防止在液体润湿之前可能存在于凹槽中的气态介质的非期望地包含。另外，能够减少触碰凹槽的液体前沿阻塞在凹槽的边缘上，这也能够使得凹槽的完全填充更容易。基于新建立的填充机制，根据本发明的凹槽也能够适当地称为毛细管腔并且尤其是硅毛细管腔。后一个术语的出现尤其是因为，借助于mems行业建立的反应离子深蚀刻工艺得到一种能够实现高精度制造基于硅的在空腔侧壁上具有微米级成形的毛细管腔的这类毛细通道的工艺。此外提供的是将试剂预存放在凹槽中，例如以便能够在凹槽中进行不同的反应(几何多重反应)。在此，这里提出的凹槽能够对预存放在凹槽中的至少一种试剂的拖带特性具有积极的影响，即尤其能够减少在填充凹槽时预存放在凹槽中的至少一种试剂的排出。
14、此外，还提出了一种用于处理流体的微流体装置，其具有前面提出的微流体接纳元件的变体。该装置能够是例如芯片实验室盒。微流体装置与接纳元件的结合具有以下优点：能够最佳地实现前面描述的用于处理流体或用于分析溶解在流体中的试样组分的所有优点。
15、此外，提出了一种用于制造前面提出的微流体接纳元件的变体的方法。在此，该方法包括：对具有凸起的至少一个凹槽的几何形状进行限定的步骤，所述凸起布置在凹槽的侧壁中。该限定步骤例如能够作为单独的步骤来执行，其中例如能够相应地使光刻胶曝光。替代地，限定步骤也能够与将至少一个凹槽引入到基底中的步骤并行地进行。在引入步骤中，例如能够借助于反应离子深蚀刻在例如硅基底中产生凹槽。
16、根据实施方式，在限定步骤中，能够限定分别具有相同的几何形状的多个凹槽，其中，在引入步骤中，能够将多个凹槽并行地引入到基底中。例如，能够通过硅基底的反应离子深蚀刻来执行多个凹槽到硅基底中的并行成形，其中，能够事先通过光刻步骤限定凹槽的几何形状。这样做的优点是提高了最终产品的效率，同时通过并行化能够节省制造中的时间和成本。
17、此外，提出了一种使用前面提出的微流体接纳元件的变体的方法。该方法包括将水性溶液引入到接纳元件的凹槽中的步骤以及使用所引入的水性溶液在接纳元件中进行的反应的参数的检测步骤。例如，在引入步骤中，能够使凹槽的布置结构的微流体接纳装置的表面与水性溶液接触，并且能够用该水性溶液填充该至少一个凹槽。在此，例如能够首先润湿空腔的至少一个凸起，并且基于此用液体润湿空腔的底部，并且最后能够用液体填充空腔的整个容积。随后能够在凹槽内进行反应，例如使用预存放的试剂并且附加地或替代地通过加热接纳元件来进行。在检测步骤中，检测反应的参数，例如光学信号、尤其是荧光信号，以获得分析结果。
18、这些方法能够例如以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式例如在控制器中实现。
19、这里提出的方案还提出了一种控制器，该控制器构造用于在相应的装置中执行、操控或实现这里提出的方法的变体的步骤。通过控制器形式的本发明的该实施变体也能够快速且高效地解决本发明所基于的任务。
20、为此，控制器能够具有用于处理信号或数据的至少一个计算单元、用于存储信号或数据的至少一个存储单元、用于从传感器读取传感器信号或向执行器输出数据或控制信号的相对于传感器或执行器的至少一个接口，和/或用于读取或输出嵌入到通信协议中的数据的至少一个通信接口。计算单元例如能够是信号处理器、微控制器等，其中，存储单元能够是闪存、eeprom或磁性存储单元。通信接口能够被设计用于无线地和/或有线地读取或输出数据，其中，能够读取或输出有线数据的通信接口能够例如以电或光学的方式从相应的数据传输线读取该数据或将其输出到相应的数据传输线。
21、在当前情况下，控制器能够理解为处理传感器信号并且根据传感器信号输出控制和/或数据信号的电气装置。控制器能够具有能按照硬件和/或软件形式设计的接口。在按照硬件设计的情况下，接口例如能够是所谓的asic系统的一部分，该系统包含设备的各种功能。然而，接口也能够是它们自身的集成电路或者至少部分地由分立元器件组成。在按照软件设计的情况下，接口能够是例如与其他软件模块一起存在于微控制器上的软件模块。
22、同样有利的是具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序，其能够存储在机器可读载体或存储介质(例如半导体存储器、硬盘存储器或光存储器)上并且用于执行、实现和/或操控根据前述实施方式之一的方法的步骤，尤其在计算机或设备上执行程序产品或程序的情况下是如此。
1.用于微流体装置(100)的微流体接纳元件(110)，所述微流体装置用于处理流体，其中，所述接纳元件(110)具有用于接纳水性溶液的至少一个凹槽(115)，其中，所述至少一个凹槽(115)成形为空腔或通孔，其特征在于，在凹槽(115)的侧壁(120)中成形有少一个凸起(125)，所述有少一个凸起具有优选地亲水的表面特性，并且所述凹槽(115)在接纳元件(110)的顶侧(130)的平面中具有非凸状的横截面。
2.根据权利要求1所述的微流体接纳元件(110)，其中，所述凹槽(115)的凸起(125)锯齿状地成形或者具有至少一个锯齿，其中，锯齿尖端的半径优选地小于25μm、并且特别优选地小于15μm。
3.根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)，其中，所述凹槽(115)具有至少一个第二凸起(127)，其中，所述凸起(125)和所述第二凸起(127)以预设的方式相对于彼此布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)，其中，所述凹槽(115)的侧壁(120)构造有生物相容的涂层，以便使反应物在凹槽(115)的侧壁(120)处的吸附最小化。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)，其中，所述凹槽(115)的侧壁(120)在公差范围内关于所述接纳元件(110)的顶侧(130)垂直地布置，其中特别地，所述侧壁(120)相对于顶侧(130)形成85度与95度之间的角度，并且/或者其中，与所述接纳元件(110)的顶侧(130)邻接的凸起(125)在所述凹槽(115)的侧壁(120)的整个高度上成形。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)，其中，所述凹槽(115)的表面积与容积之比是相同容积的具有圆形横截面的柱形的凹槽(115)的表面积与容积之比的1.0至2.0倍、尤其是表面积与容积之比的1.0至1.5倍。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)，其中，所述凹槽(115)在所述接纳元件(110)的顶侧(130)的平面中具有非凸状的、但星形的横截面。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)，其具有至少一种物质(900)，所述至少一种物质能够预存放在所述凹槽(115)中、能够溶于水性溶液中，以用于执行检测反应，其中特别地，所述物质(900)布置在或者能布置在凸起(125)中。
9.用于处理流体的微流体装置(100)，其具有根据前述权利要求中任一项所述的微流体接纳元件(110)。
10.用于制造根据前述权利要求1至9中任一项所述的微流体接纳元件(110)的方法(1200)，其中，所述方法(1200)包括下述步骤(1205、1210)：
11.根据权利要求10所述的方法(1200)，其中，在限定步骤(1205)中，以分别相同的几何形状限定多个凹槽，其中，在引入步骤(1210)中，将多个凹槽并行地引入到基底中。
12.用于使用根据前述权利要求1至9中任一项所述的微流体接纳元件(110)的方法(1400)，其中，所述方法(1400)包括下述步骤(1405、1410)：
13.控制器(1700)，其设立用于在相应的单元(1705、1710)中执行和/或操控根据前述权利要求中任一项所述的方法(1200；1400)之一的步骤(1205、1210；1405、1410)。
14.计算机程序，其设立用于执行和/或操控根据前述权利要求中任一项所述的方法(1200；1400)之一的步骤(1205、1210；1405、1410)。
15.机器可读存储介质，在其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。
