Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Regulieren des Flüssigkeitsflusses in Mikrokanalstrukturen.

In den letzten Jahren fanden Mikrokammer- und -kanalstrukturen zur Durchführung verschiedener Umsetzungen und Analysen eine breitere Anwendung. Beispiele für wissenschaftliche Gebiete, in welchen Vorrichtungen eingesetzt werden, die solche Mikrokanalstrukturen umfassen, sind Trennungstechniken (Gaschromatographie, Elektrophorese), die Zellbiologie, DNA-Sequenzierung, Probenpräparierung, die kombinatorische Chemie, um nur einige zu nennen.

Die Ausdrücke "Kammer" und "Hohlraum" werden im Kontext der Erfindung untereinander austauschbar verwendet, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Eine Kammer oder ein Hohlraum kann Teil eines Mikrokanals sein.

Bei bestimmten Anwendungen ist es üblich, eine Vielzahl an Mikrokammern, in welchen Reaktionen erfolgen oder in welchen Material für die spätere Verwendung etc. inkubiert wird, vorzusehen. Es kann oft wünschenswert sein, das Material von einer Kammer in eine andere zu transportieren. Zu diesem Zweck werden die Kammern durch Mikrokanäle verbunden. Ganz klar kann es notwendig werden, gewisse Mittel zum Verschließen der Kanäle vorzusehen, nachdem das Material durch diese hindurchgeflossen ist, und ebenfalls dürfte es wünschenswert sein, die Möglichkeit eines Wiederöffnens des Kanals zu haben, um zu ermöglichen, dass mehr Material hindurchfliesst.

In der WO 94/29400 ist ein mikrofabriziertes Kanalsystem offenbart. Dieses System ist für die chemische Analysenanwendung i.a., wie die Elektrophorese und Chromatographie, entworfen. Bei einem Strukturtyp ist ein Kanal- und/oder Hohlraumsystem zwischen zwei ebenen Materialschichten definiert, wobei die Vertiefungen, welche zu den Kanälen bzw. Hohlräumen korrespondieren, jeweils in einer oder in beiden Oberflächen der gegenüberliegenden Schicht gebildet sind. Die Schichten sind in der Regel durch Verkleben miteinander verbunden.

Alternativ können sie verschmolzen sein, wenn die zwei Schichten aus thermoplastischem Material bestehen.

In der WO 9721090 ist ein Mikrofluidsystem mit einer Ventilfunktion auf Basis der Eigenschaft eines Polymers beschrieben. Das Öffnen der Ventilfunktion wird durch die externe Anwendung von Wärme ausgelöst. Allerdings hat die Ventilfunktion den Nachteil, dass eine Unterbrechung bzw. Störung des Erwärmens, z. B. durch Abkühlen, das Ventil nicht verschließt.

Die Art der Systeme, um die es in der vorliegenden Erfindung geht, kann Kanäle aufweisen, die kapillare Abmessungen für den Flüssigkeitsfluss/-transport aufweisen. Der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden in einem Kanal kann ≤ 1000 &mgr;m, wie ≤ 100 &mgr;m, oder gar ≤ 10 &mgr;m, wie ≤ 1 &mgr;m, sein. Dieser Systemtyp kann auch eine oder mehrere mit den Kanälen verbundene, klar definierte Kammern enthalten, die Volumina zwischen ≤ 500 &mgr;l, wie ≤ 100 &mgr;l, und gar ≤ 10 &mgr;l, wie 1 &mgr;l, haben. Die Tiefen der Kammern können typischerweise im Bereich ≤ 1000 &mgr;m, wie ≤ 100 &mgr;m, wie ≤ 10 &mgr;m, oder gar ≤ 1 &mgr;m, liegen.

Die Untergrenze für die Abmessungen ist durch Einschränkungen der Herstellungstechnologie festgelegt, kann aber im Nanometerbereich liegen, wie > 10 nm, > 100 nm oder > 1000 nm.

Eines oder mehrere Flüssigkeitstransportsysteme dieses Typs können auf eine gewöhnliche Platte, zum Beispiel eine drehbare, wie eine Scheibe vom CD-Typ, platziert werden. Im Falle von drehbaren Formen kann die Flüssigkeit durch ein oder mehrere Segmente des Transportsystems durch Rotieren lassen der Scheibe (Zentripetalkraft) gepresst werden, d. h. die Flüssigkeit wird in einer nach außen gerichteten Richtung in Bezug auf das Zentrum der Scheibe transportiert. Andere Arten von Druck erzeugenden Systemen können ebenfalls zur Anwendung kommen.

Eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Flüssigkeitstransportsystemen, umfassend Kanäle und Kammern mit einer Tiefe von ≤ 1000 &mgr;m, wie ≤ 100 &mgr;m oder gar weniger als 10 &mgr;m, wie ≤ 1 &mgr;m, werden ferner auch als eine mikrofabrizierte Vorrichtung oder ein Mikrokammer- und Kanalstruktursystem oder ein Mikrofluidstruktursystem bezeichnet. Die Kammern/Kanäle und auch die Vorrichtung, Struktur und das System sollen im Mikroformat vorliegen. Eine Mikrovorrichtung weist typischerweise Kanäle und Kammern in einer einzigen Ebene auf, wie in der Oberfläche einer Platte, zum Beispiel auf einer Scheibe. Die Platte kann kreisförmig, oval, rechteckig (einschließlich in Form eines Quadrats) oder in irgendeiner anderen geometrischen 2D-Form vorliegen.

Die Kanäle und/oder Kammern definieren ein Durchgangsmuster in dem System, welches durch Barrieren umrissen ist. Die Barrieren können in der Form physischer Wände, Böden und Abdeckungen vorliegen, welche auf oder in einer planaren Oberfläche angeordnet sind. Hydrophobe Barrieren, kombiniert mit wässrigen Flüssigkeiten und umgekehrt für nicht-polare Flüssigkeiten (siehe WO 99/58245) wurden zum Definieren von Durchgängen und zum Leiten des Flüssigkeitsflusses, d. h. um die Wände und dergleichen in mikrofabrizierten Vorrichtungen zu ersetzen, vorgeschlagen. Es gibt typischerweise auch eine zweite, gegen das Muster angebrachte Oberfläche, die als ein das Muster bedeckendes Oberteil fungiert und das Verdunsten von Flüssigkeit (mit Ausnahme von kleineren Teilen/Punkten, die für die Zusetzung/Entfernung von Flüssigkeiten bestimmt sind).

Flüssigkeitstransportsysteme des obenstehend genannten Typs können auch Ventile, Pumpen, Filter und dergleichen enthalten.

Wie obenstehend erwähnt, ist in einer speziellen Anwendung eine Kammer- und Kanalstruktur in oder auf einer Kunststoffscheibe vorgesehen. Zwei oder mehr in Reihe angeordnete Mikrokammern sind radial mittels eines Kanals ausgerichtet. Wenn die Scheibe gedreht wird, wandert in einer nahe dem Zentrum befindlichen Kammer befindliches Material durch den Kanal zu einer außerhalb gelegenen Kammer, wodurch ein regulierbarer Durchgang vorgesehen wird, damit Reagenzien von einer Kammer in eine andere fließen.

Allerdings ist es selbstverständlich schwierig, den Fluss zu regulieren. Das Drehen der Scheibe könnte mit einer die Position angebenden Einrichtung zum Lokalisieren einer Probe zu einem bestimmten Zeitpunkt korreliert werden, doch bei Fehlen einer Ventilfunktion kommt es immer zu einem gewissen "Spillover bzw. Überlaufen" zwischen Kammern.

Es ist der Einsatz so genannter auf einen Anreiz ansprechender Materialien für eine Reihe von Zwecken, z. B. in Mikromaschinen-, Trennungs-, Arzneistoff-Abgabesystemen etc. bekannt. Dieser Materialtyp und dessen Herstellung ist in Radiat. Phys. Chem., Bd. 46, Nr. 2, SS. 185-190, 1995, in einem Artikel mit dem Titel "Thermoresponsive Gels" (auf Wärme ansprechende Gele) von Ichijo et al., beschrieben.

Eine mögliche Anwendung ist ein in einer Röhre vorgesehenes automatisches Gelventil. Ein Netz ist daran angebracht, um den Auslass der Röhre zu bedecken, und ein poröses PVME (Poly(vinylmethylether))-Gerstopfen ist in die Röhre eingeführt und auf dem Netz positioniert. Als Reaktion auf durch die Röhre fließendes heißes Wasser kollabiert das Gel und das heiße Wasser wurde frei hindurchfließen gelassen. Wenn kaltes Wasser eingeleitet wird, erlangt das Gel in umkehrbarer Weise wieder seinen aufgequollenen Zustand, wodurch der Auslass blockiert wird. Dieses Konzept für eine Ventilfunktion lässt sich nicht in einer Mehrventilstruktur anwenden, da nur ein Gel-Stopfen auf diese Weise in eine Röhre eingeführt werden kann. Der bereits eingeführte Stopfen behindert die Einführung nachfolgender Stopfen stromabwärts. Es ist ebenfalls unmöglich, nachfolgende Stopfen stromaufwärts des bereits positionierten Stopfens anzuordnen, da es unmöglich ist, für ein Verstopfen der Netzstruktur für die stromaufwärts angeordneten Stopfen zu sorgen.

In der US-5 547 472 (Onishi et al.) wurde ein an einem Katheter befestigter perforierter Ballon mit einem auf einen Anreiz ansprechenden Polymer beschichtet, wodurch ein Verschließen oder Öffnen der Poren in Reaktion beispielsweise auf Temperaturveränderungen ermöglicht wird. Das Polymer ist an die Oberfläche des Ballons gebunden und ist anscheinend nicht in die Poren eingeführt.

Während des Prioritätsjahres wurden Verfahrensweisen innerhalb desselben Gebiets wie die Erfindung von Beebe et al. (Nature 404 (6. April 2000) 588-590) und Liu et al. und Madou et al. (in Micro Total Analysis System 2000, Hrsg. Van. der Berg et al., Sitzungsprotokoll des &mgr;TAS 2000-Symposiums in Enschede, Niederlande, am 14. – 18. Mai 2000, Seiten 45-48 bzw. 147-150) veröffentlicht.

Mithin besteht ein Bedarf an Einrichtungen und Verfahren zur Regulierung des Flüssigkeitsflusses in Mikrokanalstrukturen, die nicht mit den obenstehend erläuterten Problemen behaftet sind. Insbesondere ist es wünschenswert und ein Ziel der Erfindung, eine Vielzahl an selektiv bedienbaren Ventilfunktionen, die nacheinander in einem einzigen kapillaren Kanal angeordnet sind, wahlweise zwischen Reaktionskammern in einer Mikrokanalstruktur, vorzusehen.

Dieses Ziel wird mit dem in den Ansprüchen 1 – 14 beanspruchten Verfahren und dem Mikrokanal-Ventilsystem wie in den Ansprüchen 15 – 21 beansprucht bzw. dem in den Ansprüchen 22 – 27 beanspruchten chemischen Reaktor erreicht.

Dabei wird ein intelligentes Polymer (ein durch Anreiz ansprechendes Polymer) verwendet, mit der Fähigkeit, auf extern angewandte Energie (Anreiz) anzusprechen, durch Verändern einer Eigenschaft des Polymers, um so sein Volumen zu verändern, wodurch mehr oder weniger von dem Hohlraum eingenommen wird, in welchem das Polymer eingeschlossen ist. Für intelligente Polymere ist die Veränderung umkehrbar, was bedeutet, das nach der Beseitigung eines angewandten Anreizes (Energie) das Polymer zu seinem Ausgangsvolumen zurückkehrt. Durch Anwenden von Energie der geeigneten Art und Größenordnung wird es möglich, eine Volumenveränderung in einer gewünschten Richtung herbeizuführen (Zunahme oder Abnahme), um entweder einen Durchgang durch ein diese Polymerart in einem Mikrokanal umfassendes Ventil zu öffnen oder zu schließen. Daraus folgt, dass der Ausdruck "Anwenden von Energie" sowohl positive als auch negative Energiewerte einschließt, d. h. die Entfernung und Zuführung von Energie.

Die erforderliche Energieart hängt unter anderem von dem Polymer ab und schließt die so genannte freie Energie von chemischen Systemen ein. Die Anwendung von Energie kann durch Erwärmung, Bestrahlung (UV, IR etc.) etc. oder durch Verändern der chemischen Zusammensetzung der Flüssigkeit in Kontakt mit dem Polymer (z. B. eine Veränderung des pH-Wertes, des Lösungsmittels, von Konzentrationen von Verbindungen, die reversibel mit dem Polymer etc. reagieren) erfolgen. Mit dem Ausdruck "extern angewandt" ist (von) außerhalb des Polymers gemeint, d. h. die Anwendung von Energie muss entweder über die das Polymer umgebenden Wände oder über die mit dem Polymer in Kontakt befindliche Flüssigkeit erfolgen. Dies schließt auch das Anwenden von Energie auf eine in einem Kanal vorhandene Flüssigkeit ein für den Transport darin durch die Flüssigkeit zu dem auf einen Anreiz ansprechenden Polymer in dem erfindungsgemäßen Ventil.

In einer bevorzugten Ausführungsform spricht das Polymer auf extern angewandte Wärme, z. B. durch elektromagnetische Strahlung, wie Licht, Mikrowellen oder Infrarot, oder auf ein externes Abkühlen durch Unterwerfung einer Veränderung in der Konformation an.

In einer weiteren Ausführungsform spricht das Polymer auf ein angewendetes elektrisches Feld an. In noch einer weiteren Ausführungsform spricht das Polymer auf Licht an. Das Polymer kann in einer weiteren Ausführungsform auf Magnetfelder ansprechen.

Vorzugsweise ist das Polymer in Gelform vorgesehen (solvatisierte Form, geschlossenes Ventil), angeordnet innerhalb eines Kanals und in einer fixierten Position gehalten, oder gar an mindestens einer Oberfläche des Kanals befestigt. Bei Aktivierung zieht sich das Polymer zusammen (das Gel kollabiert oder desolvatisiert, geöffnetes Ventil), wobei ein freier Durchgang in dem Kanal entlang dieser Oberfläche oder jenen Oberflächen, an welchen das Polymer nicht befestigt ist, gelassen wird.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf nicht einschränkende Beispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Beispiel eines Mikrokanals und eine Kammerstruktur gemäß der WO 94/29400 zeigt, in welcher die Erfindung angewandt werden kann;

2 eine Draufsicht der Struktur von 1 zeigt, für den Fall, wo die Mikrostruktur Kanäle und Kammern umfasst;

3a ein Querschnitt durch einen Kanal einer Mikrokanalstruktur ist, in welcher ein Stopfen eines auf Anreize ansprechenden Gels in einem Kanal, ohne an irgendeiner Oberfläche befestigt zu sein, und in einem gequollenen Zustand angeordnet ist;

3b der gleiche Querschnitt wie in 3a ist, wo das Polymer durch einen Anreiz zum Kollabieren gebracht wurde, wodurch ein freier Druchgang vorgesehen wurde;

3c ein Querschnitt durch einen Kanal einer Mikrokanalstruktur ist, in welcher ein Stopfen eines auf Anreize ansprechenden Gels an einer Oberfläche des Kanals, und in einem gequollenen Zustand, befestigt ist;

3d der gleiche Querschnitt wie in 3a ist, wo das Polymer durch Stimulation zum Kollabieren gebracht wurde, wodurch ein freier Durchgang vorgesehen wurde;

3e einen Querschnitt eines Kanals zeigt, in welchem das Polymer an drei Oberflächen eines Kanals befestigt wurde und in einem zusammengezogenen Zustand vorliegt;

4a eine perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines Kanals mit einem Gitter als mechanischer Einrichtung ist, um das Bewegen eines Gelstopfens zu verhindern;

4b eine perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines Kanals mit einer Vielzahl an zugespitzten Erhebungen ist, die über einer Oberfläche eines Kanals vorgesehen sind, unter Vorsehung einer Befestigungseinrichtung, um ein Bewegen eines Gelstopfens zu verhindern;

4c eine perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt, eines Kanals mit Seitenräumen ist, in welchen ein Gelstopfen eingeführt werden kann, um ein Bewegen von diesem zu verhindern;

5a eine Mikroaufnahme des in Beispiel 1 hergestellten Gels im gequollenen Zustand ist; und

5b das gleiche Gel wie in 5a im zusammengezogenen Zustand ist.

Für die Zwecke dieser Anmeldung soll der Ausdruck "chemischer Reaktor" die Bedeutung einer beliebigen Struktur haben, welche chemische und/oder biologische Reagenzien oder Reaktionspartner aufnehmen kann und in welcher diese Mittel reagieren können, d. h. miteinander wechselwirken können für die Zwecke der Synthese, Analyse, Trennung oder von anderen chemischen, physikalisch-chemischen oder biologischen Verfahren.

In 1 ist ein Querschnitt einer mikrofabrizierte Kanalstruktur gezeigt, welche Gegenstand der WO 94/29400 ist.

Die Struktur in 1 umfasst zwei Elemente 11,12 mit aneinander gebundenen gegenüberliegenden ebenen Oberflächen. Eine oder beide der Oberflächen weisen offene Kanäle 14 und/oder darin vorgesehene Hohlräume auf. Die Verbindung kann durch Aufbringen einer dünnen Schicht 13 einer Lösung eines Materials bewerkstelligt werden, das zum Verschmelzen mit den Materialien der Oberflächen aus zwei Elementen fähig ist und einen niedrigeren Schmelzpunkt als diese besitzt, in einem Lösungsmittel, welches das Oberflächenmaterial bzw. -materialien des Elements praktisch nicht löst. Lösungsmittel wird entfernt, die Elementoberflächen werden zusammen gebracht und bis zum Schmelzen der Schicht 3 erwärmt, um so die Oberflächen aneinander zu binden.

In 2 ist eine Draufsicht eines vereinfachten, exemplarischen CD-Typs (Compact disc) der Vorrichtung 21 gezeigt, mit einer Kammer und einer Kanalstruktur, die z. B. gemäß der Offenbarung der WO 94/29400 hergestellt werden können.

Mithin umfasst die Scheibe zwei Kammern 20, die über einen Kanal 22 verbunden sind. Es ist ebenfalls ein Einlasskanal 24 mit einer Öffnung nach oben (nicht gezeigt) für die Einführung von Reagenzien und ein Auslasskanal 26 mit einer Öffnung (nicht gezeigt) für die Abführung von umgesetztem Material vorgesehen.

Diese spezielle Konfiguration könnte z. B. zur Durchführung einer Folgereaktion in zwei Stufen verwendet werden, eine in jeder Kammer 20, wobei die erste Stufe (bezüglich der radialen Richtung) in der innersten Kammer und die zweite in der äußersten Kammer durchgeführt wird. Diese Struktur macht somit einen "chemischen Reaktor" wie obenstehend definiert aus, z. B. zur Durchführung einer Synthesereaktion. Um jedoch in der Lage zu sein, dies in einer regulierten Weise geschehen zu lassen, ist eine Ventilfunktion gemäß der Erfindung zumindest in dem Verbindungskanal 22 und dem Auslasskanal 26 vorgesehen. Dadurch kann die zweite Kammer von der ersten isoliert werden, und die Reaktion in der ersten Kammer kann in dem gewünschten Maße erfolgen. Im Anschluss wird das Ventil aktiviert und die Reaktionsmischung in der ersten Kammer kann in die zweite Kammer befördert werden, wo neue Reagenzien vorhanden sein können, und es wird der zweite Schritt durchgeführt.

Die antreibende Kraft für den Materialtransport zwischen der Kammer kann ein durch das Drehen der Scheibe erzeugtes Zentrifugalfeld sein. Für Elektrophorese-Anwendungen würde ein elektrisches Feld angewandt werden.

Wenn eine säulenartige Konfiguration verwendet wird, d. h. die Kammern vertikal angeordnet sind, nämlich die erste über der zweiten, könnte die Schwerkraft als treibende Kraft für den Transport verwendet werden.

Es wird nun die Ventilfunktion gemäß der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die 3a-3e beschrieben.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung (3a und 3b) wird ein Polymer 34, das zur Bewerkstelligung einer strukturellen Veränderung als Reaktion auf einen Anreiz (auf einen Anreiz ansprechendes Polymer) fähig ist, in einen Kanal 32 in einer Kanal- und Kammermikrostruktur des obenstehend beschriebenen Typs platziert. Bei Aussetzung an besagten Anreiz kollabiert das Polymer oder zieht sich zusammen und lässt mindestens ein Teil des Kanal, in welchem es sich befindet, frei, so dass Flüssigkeit hindurchfließt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Polymer, das zur Bewirkung einer strukturellen Veränderung in Reaktion auf einen Anreiz fähig ist, in einem Kanal 32 in einer Kanal- und Kammermikrostruktur des obenstehend beschriebenen Typs befestigt. Das Polymer ist in einer Weise befestigt, dass, wenn es bis zum Kollabieren und Zusammenziehen stimuliert wird, es die Möglichkeit hat, zumindest einen Teil des Kanals, in welchem es sich befindet, frei zu lassen, so dass Flüssigkeit hindurchfließt. Normalerweise ist der Querschnitt der Kanäle recheckig (siehe 3c), das heißt, es gibt vier Wände 31a-d, im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet. Für eine Konfiguration dieses Typs würde das Polymer 34 vorzugsweise befestigt werden (schematisch bei 36 angegeben) an einer, zwei oder gar drei der Wände in dem Kanal. Dies ist schematisch in 3c gezeigt, wo das Polymer in seinem gequollenen Zustand gezeigt ist, wodurch der Kanal vollständig blockiert wird. In 3d ist eine Situation gezeigt, in der das Polymer stimuliert wurde, z. B. durch Erwärmung, so dass es kollabiert, wodurch der Kanal 32 für den Flüssigkeitsstrom geöffnet wird. Schließlich ist in 3e eine Ausführungsform gezeigt, wo das Polymergel 34 in drei Wänden eines Kanals befestigt wurde. Bei einer Stimulierung z. B. durch Wärme neigt das Polymer dazu, sich zusammenziehen, doch da es mit den Wänden auf drei Seiten verhaftet ist, bildet es eine konkave obere Oberfläche und lässt dabei einen Durchgang 32 für den Flüssigkeitsstrom frei.

Es gibt zwei Hauptalternativen zum Verbinden des auf einen Anreiz ansprechenden Polymers mit der Kanalwand:

• (a) die chemische Bindung/Befestigung einschließlich der kovalenten Verbindung oder physikalischen Adsorption (zum Beispiel mittels Ionenkräften, Van-der-Waals-Kräften, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen etc.; und
• (b) Festhalten durch mechanische Mittel, zum Beispiel in Kammern mit schmalen Auslässen und/oder Einlässen (Verstopfungen).

Die Alternative (a) erfordert, dass das Polymermaterial nur teilweise an die Kanaloberfläche gebunden ist, d. h. es sollte einen nicht verbundenen Teil geben, der einen freien Durchgang zwischen dem Polymermaterial und der Kanaloberfläche lässt, wenn das Polymermaterial sich im zusammengezogenen Zustand befindet. Daher erfordert diese Variante, dass das Verbinden nur auf einem Teil der Kontaktfläche zwischen der Mikrokanaloberfläche und dem Stopfen in einem gequollenen Zustand erfolgt.

Das auf einen Anreiz ansprechende Polymer kann mit der Kanalwand z. B. durch Bewirken einer Vernetzungsreaktion zwischen Polymereinheiten des Wandmaterials bzw. dem auf einen Anreiz ansprechenden Polymer verbunden werden (= kovalente Befestigung/Verhaftung/Verbindung). Es gibt viele Wege zum Befestigen des Polymers, die dem Fachmann zur Verfügung stehen, wobei ein paar hiervon als nichteinschränkende Beispiele untenstehend angegeben sind.

• 1) Für durch Radikalpolymerisation hergestellte Polymere (z. B. Polyacrylamide, Polyacrylate, Polymethacrylate oder Polyvinylamide) kann die Kanaloberfläche modifiziert werden, um reaktive Gruppen zu enthalten, die an der Polymerisation teilhaben können. Solche Gruppen können als Initiatoren aktiv sein (z. B. Azo- oder Peroxidgruppen), copolymerisierbare Gruppen (z. B. Doppelbindungen) oder Kettenübertragungsgruppen (z. B. Thiole oder tertiäre Amine) sein. Beispiele für Wege zur Einführung de reaktiven Gruppen sind untenstehend aufgeführt:
• – Reagieren lassen von Glas-, Silica- oder Siliciumoberflächen mit einem Methacrylsilan, einem Vinylsilan oder einem Thiolsilan;
• – Beschichten verschiedener Oberflächen mit einer dünnen Schicht eines Doppelbindungen enthaltenden Polymers, wie Allylglycidylagarose, Polybutadien oder ein ungesättigtes Polyesterharz.
• – Unterziehen der Polymerobertlächen einer Plasma-(Glühentladungs-)Behandlung unter solchen Bedingungen, dass Doppelbindungen auf der Oberfläche gebildet werden.
• 2) Noch allgemeiner könnten gangbare Wege sein, eine raue Oberfläche mit den Möglichkeiten für eine mechanische Verhakung (interlocking) des Polymers vorzusehen oder ein sich durchdringendes Polymernetzwerk in der Zwischenphase zwischen dem Polymer und einem polymeren Substrat zu erzeugen.

Es ist ebenfalls möglich, mechanische Mittel zu verwenden, um das Polymergel in einer fixierten Position zu halten. Diese Optionen werden weiter in den untenstehenden Beispielen beschrieben.

Das Material in der Mikrokanaloberfläche kann einer Vielzahl an Oberflächenbehandlungen, wie einem Nassätzen, einer Plasmabehandlung, einer Coronabehandlung, einer UV-Behandlung, Pfropfung, Adsorptionseschichtung unterworfen werden, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern.

Der Anreiz, welcher eine strukturelle Veränderung des Polymers in den Poren herbeiführen kann, ist gewählt aus pH-Wert, Ionen, Lösungsmittelzusammensetzung, chemischer Substanz, Erwärmung, Elektrizität und Licht, wie UV-Strahlung. Die strukturelle Veränderung von Polymer ist ein Aufquellen und Zusammenziehen. Die Erfindung nutzt die Natur von intelligenten Polymeren, dass ein externer Anreiz eine reversible strukturelle Veränderung zwischen einem solvatisierten Zustand und einem desolvatisierten Zustand hervorrufen kann.

Ein wichtiges Merkmal der in den Ventilen der vorliegenden Erfindung verwendeten Polymere ist, dass sie von einem gequollenen Zustand (solvatisierter Zustand) in einen zusammengezogenen Zustand (desolvatisierter Zustand) oder umgekehrt in einer umkehrbaren Weise, wie an anderer Stelle hierin erläutert, übergehen. Somit hängt der derzeitige Stand der Technik von dem Grad/der Intensität eines angewendeten Anreizes ab, was zum Beispiel bedeutet, dass oberhalb eines) bestimmten kritischen Grades/Intensität (Größenordnung) des Anreizes ein einziger Zustand verfügbar ist. Für chemische Substanzen korrespondiert der Grad/die Intensität typischerweise zu den Konzentrationen. Bei einem Abfall unter den kritischen Grad wird das Polymer in den anderen Zustand umgewandelt. Für ein wärmeansprechendes Polymer mit einer niedrigeren kritischen Lösungstemperatur (LCST) ruft ein Anstieg der Temperatur über die LCST hinaus einen Übergang vom solvatisierten in den desolvatisierten Zustand und umgekehrt hervor, wenn die Temperatur in der entgegengesetzten Richtung verändert wird. Bei Verwendung eines Polymers mit einer oberen kritischen Lösungstemperatur (UCST) führt der Temperaturanstieg zu einem Übergang von einem desolvatisierten in einen solvatisierten Zustand.

Zum Beispiel ist ein polymeres Elektrolytgel dafür bekannt, einer strukturellen Veränderung unterzogen zu werden aufgrund einer Veränderung des osmotischen Drucks durch Elektrolytionen in der Polymerkette und der Wechselwirkung von Elektrolytionen mit einem Lösungsmittel. Dann erfährt das polymere Elektrolytgel eine umkehrbare Kontraktion als Reaktion auf eine Veränderung des pH-Wertes, der Lösungsmittelzusammensetzung und der Ionenkonzentrationen. Ein elektrischer Anreiz (bezüglich des Potenzials, der Spannung und des Stroms) kann wirksam für das Polymer-Konstraktionsansprechen genutzt werden, da er eine lokale Veränderung des pH-Wertes oder der Ionenkonzentration herbeiführen kann. Unter den nichtionischen Polymeren erfahren z. B. Polymere und Copolymere von Vinylmethylether und N-Isopropylacrylamid eine Veränderung zwischen hydrophilen und hydrophoben Zuständen als Reaktion auf Wärme und sorgen für ein Kontraktionsansprechen in einem wässrigen Lösungsmittel. Dann kann durch Nutzung der Wärmeerzeugung durch elektrischen Widerstand oder Mischungswärme der tatsächliche Durchmesser der Poren verändert werden. Ein durch eine chemische Substanz ausgeübter Anreiz ist, dass in Poren gequollene Polymerketten zusammengezogen werden, wenn ein Komplex durch Nutzung von Wasserstoffbindungen oder dergleichen gebildet wird. Wenn zum Beispiel ein in Poren gequollenes Carboxylpolymer mit einem einen Polyether enthaltenden Mittel kontaktiert wird, reagiert die Polycarbonsäure mit dem Polyether unter Bildung eines hochmolekulargewichtigen Komplexes bei einer gleichzeitigen Kontraktion, was dazu führt, dass die Poren einen offenen Durchgang für Fluide vergrößern. Die Ventile gemäß der Erfindung sind an ausgewählten Punkten in einem Mikrokanalsystem vorgesehen. Sie können z. B. durch Photopolymerisierung des auf einen Anreiz ansprechenden Polymers in situ hergestellt werden, wo die Bestrahlung durch eine Maske erfolgt, so dass das Polymer nur in den bestrahlten Bereichen gebildet wird. Nach z. B. einer Wärmekontraktion des Polymers können restliche Monomere aus dem Kanalsystem ausgewaschen werden. Es ist ebenfalls als eine Alternative zu der Bestrahlung mit Licht denkbar, Mikrowellen, Elektronenstrahlung oder irgendeine andere Art Strahlung anzuwenden, die einer Maskierung zugänglich ist.

Eine weitere denkbare Methode ist die Bildung des Polymers in dem gesamten Kanalsystem und der anschließende selektive Zersetzung von selbigem (z. B. durch Licht oder Strahlung) überall außer in den bezeichneten Bereichen. Die Abbauprodukte würden dann nach der Kontraktion der Ventilbereiche ausgewaschen werden.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden nicht-einschränkenden Beispiele erläutert.

In den folgenden Beispielen kann eine Vorrichtung vom CD-(Compact Disk-)Typ, welche Mikrokanäle und Kammern, wie schematisch in 2 gezeigt, umfasst, verwendet werden.

N-Isopropylacrylamid (0,5 g) und N,N-Methylenbisacrylamid (0,01 g) wurden in Wasser (4,0 ml) gelöst. 0,1 ml eines Photoinitiators (Irgacure 184, Ciba-Geigy, 100 mM in Ethylenglykol) wurden danach in 0,5 ml Wasser verdünnt, bevor er mit der Monomerlösung gemischt wurde. Ein Tropfen der Monomerlösung wurde in einen Kanal in einer Mikro-CD-Disc aus Kunststoff (Polycarbonat) übertragen und von einem Mikroskop-Deckglas bedeckt. Die Monomerlösung innerhalb des Kanals wurde danach mit UV-Licht durch das Deckglas hindurch 10 Minuten lang bestrahlt, um die Monomere zu polymerisieren.

Als die Polymerisation beendet war, wurde ein hydrostatischer Druck unter Verwendung einer wässrigen Farbstofflösung auf der, Einlass des Kanals aufgebracht. Es floss keine Flüssigkeit, wie man sehen konnte, durch den Kanal (siehe 5a). Die CD-Disc wurde danach bei 40°C 5 Minuten stehen gelassen, und es wurde ein hydrostatischer Druck erneut auf den Kanal angewendet. Dieses Mal floss die Flüssigkeit unmittelbar durch den Kanal (siehe 5b). Die CD-Disc wurde danach zu Raumtemperatur zurückkehren gelassen, und es wurde erneut ein hydrostatischer Druck angewendet. Es floss keine Flüssigkeit durch den Kanal. Ein Bild des Ventils vor und nach der Wärmebehandlung ist in 5a bzw. 5b gezeigt.

Ein Mikroskop-Deckglas wurde mit Methacryloxytriethoxysilan abgewischt und mit Wasser und Ethanol gewaschen. Eine gelbildende Lösung wurde aus 0,5 g N,N-Diethylacrylamid, 10 mg N,N'-Methylenbisacrylamid, 6,5 ml destilliertem Wasser und 0,1 ml einer 0,1M-Lösung von Irgacure-184 in Ethylenglykol hergestellt. Ein Tröpfchen dieser Lösung wurde in einen Kanal einer Polycarbonat-CD-Disc mit einem eingelassenen, 100 &mgr;m tiefen Kanalmuster auf seiner Oberfläche platziert und es wurde ein Mikroskop-Deckglas über das Tröpfchen platziert, wobei die behandelte Seite nach unten zeigte. Die Packung wurde auf eine kalte Stahlplatte unter einem Array von Niederdruck-Quecksilberlampen gestellt und 5 min. bestrahlt, um die Monomere zu polymerisieren. Ein durchsichtiges Gel bildete sich in den Kanälen, das bei einer Erwärmung auf 45°C opak wurde und wieder durchsichtig wurde, als es unterhalb Raumtemperatur abgekühlt wurde. Eine wässrige Farbstofflösung konnte in das Kanalsystem bei 45°C eindringen, womit nachgewiesen wurde, dass ein freier Durchgang für den Flüssigkeitsfluss vorgesehen wurde. Bei Raumtemperatur wurde der Kanal blockiert und es drang keine Farbstofflösung ein. Das Deckglas wurde danach verstemmt.

Eine gelbildende Lösung wurde aus 0,5 g N,N-Diethylacrylamid, 10 mg N,N'-Methylenbisacrylamid, 6,5 ml destilliertem Wasser und 0,1 ml einer 0,1M-Lösung von Irgacure-184 in Ethylenglykol hergestellt. Ein Tröpfchen dieser Lösung wurde in einen Kanal einer Polycarbonat-CD-Disc mit einem eingelassenen, 100 &mgr;m tiefen Kanalmuster auf seiner Oberfläche gegeben und es wurde ein Mikroskop-Deckglas über das Tröpfchen platziert. Die Packung wurde auf eine kalte Stahlplatte unter einem Array von Niederdruck-Quecksilberlampen gestellt und 5 min. bestrahlt, um die Monomere zu polymerisieren. Ein durchsichtiges Gel bildete sich in den Kanälen, das bei einer Erwärmung auf 45°C opak wurde und wieder durchsichtig wurde, als es unterhalb Raumtemperatur abgekühlt wurde. Eine wässrige Farbstofflösung konnte in das Kanalsystem bei 45°C eindringen, womit nachgewiesen wurde, dass ein freier Durchgang für den Flüssigkeitsfluss vorgesehen wurde. Bei Raumtemperatur wurde der Kanal blockiert und es drang keine Farbstofflösung ein.

Dieselbe Verfahrensweise wie in Beispiel 2 wurde wiederholt, doch das Deckglas wurde teilweise mit einer Aluminiummaske während der Bestrahlung maskiert. Das wärmeansprechende Gel bildete sich nur in den bestrahlten Teilen des Kanalsystems.

Eine Mikrokanalstruktur in einer Mikro-Disk 40 aus Kunststoff (Polycarbonat) wird hergestellt, mit der Struktur, wie schematisch in 4 perspektivisch gezeigt. In diesem Fall werden mechanische Verstopfungen in dem Kanal 44 an den Punkten vorgesehen, wo das Ventil gewünscht wird. Diese Verstopfungen können in der Form eines Gitters von vertikal angeordneten Stiften 42 vorliegen, wie in 4a gezeigt, welche ein Querschnitt durch ein Substrat ist, in welchem ein Kanal mit solchen Verstopfungen gebildet wurde. Das Gel (nicht gezeigt) wird in dem Kanal stromaufwärts des Gitters mit Hilfe desselben Verfahrens wie in Beispiel 1 polymerisiert.

Wenn die Polymerisation beendet ist, wird ein hydrostatischer Druck unter Verwendung einer wässrigen Farbstofflösung bei Raumtemperatur auf den Einlass des Kanals angewandt. Es war keine Flüssigkeit zu sehen, die durch den Kanal floss. Die CD-Disc wird danach bei 40°C 5 Minuten stehen gelassen und ein hydrostatischer Druck wird erneut auf den Kanal angewendet. Dieses Mal floss die Flüssigkeit sofort durch den Kanal. Die CD-Disc wird dann zu Raumtemperatur zurückkehren gelassen und erneut wird ein hydrostatischer Druck angewendet. Es floss keine Flüssigkeit durch den Kanal.

Eine Mikrokanalstruktur in einer Mikro-Disc aus Kunststoff (Polycarbonat) wird hergestellt, mit der Struktur, wie schematisch in 4b gezeigt. In diesem Fall werden mechanische Verstopfungen in der Form von Erhebungen 46 in dem Kanal vorgesehen, die über die Fläche verteilt sind, wo der Polymerstopfen positioniert werden soll, d. h. an dem Punkt, wo das Ventil gewünscht wird. Diese Verstopfungen können in der gleichen Weise wie jene in 4a gestaltet sein oder könnten kürzer sein, eher wie Nippel, wie in 4b gezeigt, und fungieren als Festhalteelemente für das Gel. Das Gel wird unter Anwendung desselben Verfahrens wie in Beispiel 1 in dem Kanal in dem Bereich polymerisiert (nicht gezeigt), wo die Stifte angeordnet sind. Auf diese Weise werden die Stifte innerhalb des Gelstopfens geformt, wodurch verhindert wird, dass sie sich in dem Kanal bewegen.

Wenn die Polymerisation beendet ist, wird ein hydrostatischer Druck unter Verwendung einer wässrigen Farbstofflösung bei Raumtemperatur auf den Einlass des Kanals angewandt. Es ist keine Flüssigkeit zu sehen, die durch den Kanal fließt. Die CD-Disc wird danach bei 40°C 5 Minuten stehen gelassen und ein hydrostatischer Druck wird erneut auf den Kanal angewendet. Dieses Mal floss die Flüssigkeit unmittelbar durch den Kanal. Die CD-Disc wird dann zu Raumtemperatur zurückkehren gelassen, und erneut wird ein hydrostatischer Druck angewendet. Es floss keine Flüssigkeit durch den Kanal.

Selbstverständlich können andere Befestigungsverfahren zum Einsatz kommen. Eine Alternative ist die Vorsehung eines erweiterten Bereichs des Kanals, wie die "Seitenräume" 48, wie schematisch in 4c gezeigt. Ein Gelstopfen ist so vorgesehen, dass er in den Seitenräumen des Kanals 44" befestigt" ist. Wenn die Seitenräume groß genug gemacht werden, wird ein Bewegen des Stopfens in dem Kanal unter hydrostatischem Druck wirksam verhindert.