Mikrochemischer Chip

专利摘要:
Der mikrochemische Chip (1) umfasst einen Träger (11), der einen Kanal (12) aufweist, der dazu vorgesehen ist, die zu behandelnden Fluide hindurchfließen zu lassen, und Zufuhrbereiche (13a, 13b), die mit dem Kanal (12) verbunden und so ausgebildet sind, dass die zu behandelnden Fluide in den Kanal (12) geleitet werden. In dem mikrochemischen Chip (1) werden mehrere zu behandelnde Fluide von den Zufuhrbereichen (13a, 13b) in den Kanal (12) geleitet und die zu behandelnden Fluide, die eingeleitet werden, werden vereinigt, um sie chemischen Reaktionen zu unterziehen. In dem mikrochemischen Chip (1) sind Heizvorrichtungen (23a, 23b) zum Erwärmen der durch die Zufuhrkanäle (17a, 17b) der Zufuhrbereiche (13a, 13b) fließenden, zu behandelnden Fluide vorgesehen.
公开号:DE102004030819A1
申请号:DE200410030819
申请日:2004-06-25
公开日:2005-01-27
发明作者:Masanao Kokubu Kabumoto；Shin Kokubu Matsuda；Katsuhiko Kokubu Onitsuka；Kuninori Kokubu Yokomine
申请人:Kyocera Corp；
IPC主号:B01J19-00

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mikrochemischen Chip,in dem eine vorher festgelegte Behandlung, wie beispielsweise eine Umsetzungoder Analyse, an einem zu behandelnden Fluid durchgeführt werdenkann, beispielsweise einem Fluid, das durch einen mikroskopischenKanal fließt,oder einem Reagens. Die vorliegende Erfindung betrifft genauer einenmikrochemischen Chip, mit dem es möglich ist, mehrere verschiedene,zu behandelnde Fluide zu vermischen und anschließend eine vorher festgelegteBehandlung durchzuführen, wobeibeispielsweise Blut und ein Reagens vermischt werden, um eine Reaktionauszulösen.
[0002] Inder jüngstenVergangenheit wurden auf den Gebieten der chemischen Technologieund Biotechnologie Untersuchungen durchgeführt, um Reaktionen mit einerProbe oder Analysen an einer Probe in einem begrenzten Bereich durchführen zukönnen, undunter Anwendung der Technologie der mikroelektromechanischen Systeme(abgekürztMEMS) mikrochemische Systeme untersucht und entwickelt, bei denenes sich um miniaturisierte Systeme für chemische Reaktionen, biochemischeReaktionen und Analysen von Proben handelt.
[0003] DieReaktion und Analyse wird in den mikrochemischen Systemen mit einemChip, der als mikrochemischer Chip bezeichnet wird, durchgeführt, in demein Mikrokanal, eine Mikropumpe und ein Mikroreaktor ausgebildetsind. Es wurde beispielsweise der folgende mikrochemische Chip vorgeschlagen:in einem Trägeraus Silicium, Glas oder Harz sind ein Versorgungsanschluss für die Zufuhreines Fluids wie einer Probe oder eines Reagens und eine Sammelöffnung zurAbleitung eines behandelten Fluids ausgebildet, der Versorgungsanschlussund die Sammelöffnungsind übereinen Mikrokanal verbunden, dessen Querschnitt klein ist, und esist eine Mikropumpe vorgesehen, um ein Fluid zu einer geeignetenPosition des Mikrokanals zu bringen (siehe ungeprüfte japanischePatentanmeldung JP A 2002-214241(S. 4–5, 1) und ungeprüfte japanischePatentanmeldung JP-A 2002-233792 (S. 5–6, 1 und 3)).Es wurde auch ein mikrochemischer Chip vorgeschlagen, der eine Einrichtungzur Leitung eines Fluids vom Kapillarbewegungstyp unter Ausnutzungeines Elektroosmosephänomensanstelle einer Mikropumpe aufweist (siehe ungeprüfte japanische PatentanmeldungJP-A 2001-108619 (S. 5, 1 und 2)). In diesen mikrochemischenChip sind die Mikrokanälean vorgegebenen Stellen verbunden oder verzweigt und die Fluidewerden an der Einmündungvermischt oder an der Verzweigung aufgetrennt.
[0004] ImVergleich mit herkömmlichenSystemen ist die Bestückungund Anordnung jedes Bereichs in einem mikrochemischem System miniaturisiertund daher kann in einer Probe fürdie Reaktion die Oberflächepro Volumeneinheit erhöhtwerden, sodass die Reaktionszeit signifikant vermindert werden kann. Außerdem istes möglich,die Flussrate genau einzustellen, sodass Reaktion und Analyse ineffizienter Weise durchgeführtwerden können.
[0005] Außerdem istdie fürdie Reaktion oder Analyse benötigteMenge einer Probe oder eines Reagens kleiner.
[0006] Dadas mikrochemische System diese Vorteile besitzt, kann es im Bereichder Medizin eingesetzt werden. Da beispielsweise die Menge einer Blutprobein einem Bluttest durch Verwendung eines mikrochemischen Chip vermindertwerden kann, kann die Belastung für den Patienten minimiert werden.Da außerdemdie fürden Test erforderliche Menge des Reagens geringer sein kann, können die Kostendes Tests gesenkt werden.
[0007] Eswurde im Bereich der Medizin außerdem geprüft, ob dermikrochemische Chip mit der Halbleitertechnologie kombiniert werdenkann. Es wurde beispielsweise als Vorrichtung, die verwendet wird, umdas Blut eines Patienten zuhause oder außerhalb einer medizinischenEinrichtung zu testen und die Testergebnisse zu einer medizinischenEinrichtung zu übermitteln,eine "medizinischeVersorgungseinheit" entwickelt,in der zusätzlichzu einem Mikrokanal, einer Mikropumpe und einem Mikroreaktor auf demTrägermaterialaus Silicium eine Nadel zum Sammeln von Blut, ein Filter zum Filterndes Bluts und ein Mikrospektroskop, ein Mikroplasma und eine Messschaltungzur Blutanalyse angebracht sind (siehe "NIKKEI MICRO-DEVICES, Juli 2000", NIKKEI Business Publications Inc.,Juli 2000, S: 88–97).
[0008] Mitdem mikrochemischen Chip kann durch Mischen und chemische Reaktionvon mehreren zu behandelnden Fluiden, die über mehrere Zufuhrbereichezugeführtwerden, ein Reaktionsprodukt gebildet werden. Damit das Reaktionsproduktin hoher Ausbeute erhalten wird, müssen die zu behandelnden Fluidefür dieReaktion pro Zeiteinheit in optimalen Mengen vermischt werden.
[0009] Dajedoch die zu behandelnden Fluide für die Reaktion in vielen Fällen unterschiedlicheViskositätenaufweisen, sind die Fließgeschwindigkeitender zu behandelnden Fluide, die von den Zufuhrbereichen in einenKanal geleitet werden, wegen der Viskositäten der zu behandelnden Fluideunterschiedlich. Dies wirft das Problem auf, dass die zu behandelndenFluide fürdie Reaktion nicht in den optimalen Mengen pro Zeiteinheit vermischtwerden können,sodass das Reaktionsprodukt nicht in hoher Ausbeute erhalten werdenkann.
[0010] Einigeder mikrochemischen Chips umfassen einen Wärmebehandlungsbereich, in demeine vorgegebene Wärmebehandlungdurchgeführtwird, indem mehrere der zu behandelnden Fluide, die über mehrereZufuhrbereiche zugeführtund dann miteinander vermischt werden, erwärmt werden. In einem solchenmikrochemischen Chip mit Wärmebehandlungsbereichwird die Temperatur in dem Wärmebehandlungsbereichzuweilen verändert,um die Reaktivitätder verschiedenen zu behandelnden, miteinander vermischten Fluidezu regulieren.
[0011] Wennsich die Temperatur in dem Wärmebehandlungsbereich ändert, ändert sichdas Volumen der zu behandelnden, miteinander vermischten Fluide,und die Flussrate der zu behandelnden Fluide, die durch den Kanalfließen,verändertsich wegen der Volumenänderung,was zu dem Problem führt, dassdie Reaktivitätin dem Wärmebehandlungsbereichwegen der Flussratenänderungsinkt. Insbesondere wenn das Volumen der zu behandelnden, miteinandervermischten Fluide wegen einem Temperaturanstieg größer wird,sinkt die Flussrate, weil die zu behandelnden Fluide, die durchden Kanal fließen, wegender Volumenerhöhungrückwärts fließen, sodassdas Problem auftritt, dass die Reaktivität wegen dem Sinken der Flussratein dem Wärmebehandlungsbereichabnimmt. Außerdemführt dasAbsinken der Reaktivitätdazu, dass die Ausbeute an Reaktionsprodukt vermindert wird.
[0012] Mitdem mikrochemischen Chip kann ein Reaktionsprodukt hergestellt werden,indem mehrere zu behandelnde Fluide, die jeweils über mehrereZufuhrbereiche zugeführtwerden, vermischt und chemisch umgesetzt werden. Einige chemischeReaktionen zur Bildung solcher Reaktionsprodukte können erstablaufen, wenn die Temperatur höherals Normaltemperatur ist, und die zu behandelnden Fluide müssen erwärmt werden,damit eine solche chemische Reaktion ablaufen kann. In machen Fällen müssen außerdem chemischeReaktionen, die Erwärmen erfordern,mehrmals durchgeführtwerden, um das Reaktionsprodukt zu erhalten.
[0013] Wennein Reaktionsprodukt gebildet wird, indem chemische Reaktionen,die Erwärmenerfordern, mehrmals durchgeführtwerden, müssenin dem mikrochemischen Chip mehrere Wärmebehandlungsbereiche vorgesehenwerden. Der mikrochemische Chip ist jedoch klein ausgelegt. Wennmehrere Wärmebehandlungsbereichevorgesehen werden, beeinflussen sich die erzeugten Wärmemengenjedes Wärmebehandlungsbereichsgegenseitig und eine genaue Temperatureinstellung in jedem Wärmebehandlungsbereichwird schwierig. Daher weisen herkömmliche mikrochemische Chipsdas Problem auf, dass die einzelnen chemischen Reaktionen nicht vollständig sind,wenn zur Bildung des Reaktionsproduktes die chemischen Reaktionen,die Erwärmen erfordern,mehrmals durchgeführtwerden müssen, unddas gewünschteReaktionsprodukt nicht in einer hohen Ausbeute erhalten werden kann.
[0014] Dermikrochemische Chip war, wie oben angegeben, nachteilig. Die vonZufuhrbereichen gelieferten, zu behandelnden Fluide werden in einemReaktionsbereich einer vorgegebenen Behandlung unterzogen. Die Behandlungerfordert beispielsweise zuweilen genaues und gleichförmiges Erwärmen, um dievorgegebene Reaktion ablaufen zu lassen. Die von einem zum Erwärmen vorgesehenenHeizaggregat gelieferte Wärmebreitet sich jedoch in dem Trägermaterialaus und die Temperatur in den äußeren Randbereichendes Wärmeaggregatswird niedriger als in dem zentralen Bereich, sodass Temperaturdifferenzen zwischendem zentralen Bereich und dem äußeren Randbereichdes Wärmeaggregatsauftreten und die Temperatur des Reaktionsbereichs nicht gleichförmig eingestelltwerden kann. Die Umsetzung kann daher nicht genau gesteuert werden.
[0015] EineAufgabe der Erfindung besteht darin, einen mikrochemischen Chipanzugeben, in dem die Flussraten der zu behandelnden Fluide, dieaus Zufuhrbereichen zugeführtwerden, eingestellt werden können,wodurch die verschiedenen, zu behandelnden Fluide in effizienterWeise gemischt werden können,um ein Reaktionsprodukt in hoher Ausbeute zu erhalten.
[0016] Eineweitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen mikrochemischen Chipanzugeben, in dem die Reaktivitätmehrerer vermischter, zu behandelnder Fluide nicht sinkt und dieAusbeute des Reaktionsprodukts hoch ist.
[0017] Eineweitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen mikrochemischenChip anzugeben, mit dem eine präziseTemperatureinstellung in jedem der Wärmebehandlungsbereiche möglich ist,wodurch ein Reaktionsprodukt, das gebildet wird, indem chemischeReaktionen, die Wärmeerfordern, mehrmals durchgeführtwerden, in hoher Ausbeute erhalten wird.
[0018] Fernersoll erfindungsgemäß ein mikrochemischerChip angegeben werden, mit dem der Temperaturunterschied zwischendem zentralen Bereich und dem äußeren Randbereicheiner Heizvorrichtung klein ist, sodass die Temperatur in dem Reaktionsbereichgleichmäßig eingestelltwerden kann.
[0019] Durchdie Erfindung wird ein mikrochemischer Chip angegeben, der umfasst: einenTrägermit einem Kanal, durch den die zu behandelnden Fluide fließen gelassenwerden können, undmehrere Zufuhrbereiche, die mit dem Kanal verbunden sind, sodassdie zu behandelnden Fluide in den Kanal fließen können, wobei die zu behandelndenFluide von den Zufuhrbereichen in den Kanal geleitet werden unddie zu behandelnden Fluide, die eingeleitet werden, vereinigt werden,um sie einer vorgegebenen Behandlung zu unterziehen, wobei jederZufuhrbereich einen Zufuhrkanal und Heizvorrichtungen zum Erwärmen desdurch den Zufuhrkanal fließenden,zu behandelnden Fluids umfasst, wobei ein Ende des Zufuhrkanalsmit einer Öffnung,die in dem Trägerausgebildet ist, und das andere Ende mit dem Kanal verbunden ist.
[0020] Wenndie zu behandelnden Fluide aus der Mehrzahl von Zufuhrbereichenzugeführtwerden, werden die zugeführten,zu behandelnden Fluide gemäß der Erfindungvereinigt und durch den Kanal fließen gelassen, sodass die vorgegebeneBehandlung durchgeführtwird. Wenn die verschiedenen, zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichenzugeführtwerden, werden die zu behandelnden, zugeführten Fluide also vereinigtund durch den Kanal geleitet, sodass die vorgegebene Behandlungdurchgeführtwird. Die Mehrzahl von Zufuhrbereichen und der Kanal können aneiner Stelle des Kanals, beispielsweise am höchsten Stromabschnitt des Kanals,oder versetzt an mehreren Stellen verbunden sein.
[0021] Gemäß der Erfindungumfasst jeder Zufuhrbereich den Zufuhrkanal und die Heizvorrichtung zumErwärmendes durch den Zufuhrkanal fließenden,zu behandelnden Fluids, sodass die Temperatur des zu behandelnden,durch den Zufuhrkanal fließendenFluids eingestellt werden kann, indem das zu behandelnde Fluid erwärmt wird.Durch Regelung der Temperatur des zu behandelnden Fluids kann die Viskosität des zubehandelnden Fluids eingestellt und die Fließgeschwindigkeit des durchden Zufuhrkanal fließenden,zu behandelnden Fluids geregelt werden. Es ist also möglich, proZeiteinheit die zugeführteMenge des zu behandelnden Fluids, das von dem Zufuhrbereich in denKanal geleitet wird, einzustellen. Wenn beispielsweise die zu behandelnden Fluidevermischt und unter Erhalt eines Reaktionsproduktes chemisch umgesetztwerden, könnendie zu behandelnden Fluide daher jeweils in optimalen Zufuhrmengenpro Zeiteinheit vermischt und chemisch umgesetzt werden, sodassdas Reaktionsprodukt in einer hohen Ausbeute erhalten werden kann.
[0022] Erfindungsgemäß umfasstder Trägerim Übrigenvorzugsweise ferner einen mit dem Kanal verbundenen Sammelbereich,von dem das behandelte Fluid nach außen geleitet wird; die zu behandelnden Fluidewerden von den Zufuhrbereichen in den Kanal geleitet, die zu behandelnden,zugeführtenFluide werden vermischt, um sie der vorgegebenen Behandlung zu unterziehen,und anschließendwird das behandelte Fluid aus dem Sammelbereich nach außen abgegeben.
[0023] Gemäß der Erfindungwerden die zu behandelnden Fluide, die jeweils von den Zufuhrbereichen inden Kanal geleitet werden, in optimalen Mengen pro Zeiteinheit vermischtund chemisch umgesetzt, wodurch das Reaktionsprodukt erhalten wird,und das erhaltene Reaktionsprodukt wird aus dem Sammelbereich nachaußengeleitet. Es ist daher beispielsweise möglich, einen kleinen mikrochemischen Chipherzustellen, der zwei Zufuhrbereiche aufweist, wobei eine Verbindung,die als Ausgangsmaterial dient, von einem Zufuhrbereich eingeleitetwird, wohingegen ein Reagens von einem anderen Zufuhrbereich eingeleitetwird, wobei die Verbindung und das Reagens in ausreichender Weisevermischt und chemisch umgesetzt werden und die erhaltene Verbindungim Anschluss daran aus dem Sammelbereich abgeführt werden kann.
[0024] DerTrägerweist erfindungsgemäß im Übrigen vorzugsweiseaußerdemeinen Wärmebehandlungsbereichzum Erwärmender vereinigten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung dervorgegebenen Behandlung auf, wobei der Wärmebehandlungsbereich in Bezugauf die Stelle, an der die Zufuhrbereiche und der Kanal miteinanderverbunden sind, in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts angeordnet ist.
[0025] Gemäß der Erfindungwerden mehrere zu behandelnde Fluide, die von mehreren Zufuhrbereichenin den Kanal geleitet werden, pro Zeiteinheit in einer optimalenMenge vermischt; danach werden sie in dem Wärmebehandlungsbereich erwärmt und chemischumgesetzt, wodurch das Reaktionsprodukt erhalten wird. Wenn beispielsweisezwei Zufuhrbereiche vorgesehen sind, wird eine Verbindung, die als Ausgangsmaterialdient, von einem Zufuhrbereich eingeleitet, wohingegen das Reagensvon dem anderen Zufuhrbereich eingeleitet wird; die Verbindung unddas Reagens werden vermischt und in dem Behandlungsbereich erwärmt, wodurchsie miteinander reagieren; die Verbindung und das Reagens können dadurchnach ausreichender Vermischung erwärmt werden, sodass die Verbindungund das Reagens in effizienter Weise reagieren können und die Ausbeute des Reaktionsproduktserhöhtwird.
[0026] DieErfindung gibt ferner einen mikrochemischen Chip an, der umfasst: EinenTrägermit einem Kanal zum Hindurchleiten der zu behandelnden Fluide, mehrereZufuhrbereiche, die mit dem Kanal verbunden sind, zum Einleitender zu behandelnden Fluide in den Kanal, einen Wärmebehandlungsbereich zum Erwärmen dervermischten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung einervorgegebenen Behandlung, wobei der Wärmebehandlungsbereich in Bezugauf die Stelle, an der die Zufuhrbereiche und der Kanal miteinander verbun denwerden, in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts angeordnet ist, die zu behandelndenFluide von den Zufuhrbereichen in den Kanal geleitet werden unddie zu behandelnden, eingeleiteten Fluide vermischt werden, um anihnen eine vorgegebene Behandlung durchzuführen, wobei der Kanal zwischendem Wärmebehandlungsbereich undder Stelle, an der die Zufuhrbereiche angeschlossen sind, einenaufgeweiteten Bereich mit einem Querschnitt umfasst, der größer istals der Querschnitt des Kanals stromaufwärts und stromabwärts.
[0027] Wenndie zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen eingeleitet werdenwerden die eingeleiteten, zu behandelnden Fluide erfindungsgemäß vermischtund durch den Kanal geleitet und sie werden in dem Wärmebehandlungsbereichzur Durchführungder vorgegebenen Behandlung erwärmt.Wenn also die verschiedenen, zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereicheneingeleitet werden, werden die zu behandelnden, eingeleiteten Fluidevermischt und durch den Kanal geleitet, wobei die vorgegebene Behandlungerfolgen kann. Die Zufuhrbereiche und der Kanal können aneiner Stelle des Kanals verbunden sein, beispielsweise an der stromaufwärts am höchsten gelegenenStelle des Kanals, oder sie könnenan Stellen, die versetzt zueinander liegen, einmünden.
[0028] Zwischendem Wärmebehandlungsbereich undder Stelle, an der die Zufuhrbereiche angeschlossen sind, weistder Kanal den aufgeweiteten Bereich auf, dessen Querschnitt größer istals der Querschnitt der Kanalbereiche stromaufwärts und stromabwärts. EineFlussratenänderung,die durch eine Temperaturänderungin dem Wärmebehandlungsbereichverursacht wird, wird daher durch den aufgeweiteten Bereich aufgefangenund es kann verhindert werden, dass die Reaktivität der vermischten, zubehandelnden Fluide wegen der Flussratenänderung sinkt. Wenn sich dieTemperatur in dem Wärmebehandlungsbereich ändert, ändert sichgenauer das Volumen der vermischten, zu behandelnden Fluide, dieVolumenänderungwird jedoch durch den aufgeweiteten Bereich aufgefangen. Daher ändert sichdie Flussrate der zu behandelnden Fluide, die durch den Kanal fließen, nichtund es kann verhindert werden, dass sich die Reaktivität in demWärmebehandlungsbereichvermindert. Insbesondere wenn das Volumen der vermischten, zu behandelndenFluide wegen einem Temperaturanstieg größer wird, wird das größere Volumendurch den aufgeweiteten Bereich aufgenommen und die Flussrate sinktbeispielsweise durch das Rückwärtsfließen derdurch den Kanal strömenden,zu behandelnden Fluide nicht ab, sodass verhindert werden kann,dass die Reaktivitätin dem Wärmebehandlungsbereichsinkt. Da die Reaktivitätin dem Wärmebehandlungsbereichnicht vermindert wird, kann ein mikrochemischer Chip realisiertwerden, der eine hohe Ausbeute des Reaktionsproduktes ermöglicht.
[0029] DieLänge desaufgeweiteten Bereichs beträgterfindungsgemäß vorzugsweise3 bis 10 mm.
[0030] DerQuerschnitt des aufgeweiteten Bereichs ist erfindungsgemäß vorzugsweisemindestens 1,5-mal größer alsder Querschnitt der Kanalbereiche stromaufwärts und stromabwärts.
[0031] DieLänge desaufgeweiteten Bereichs beträgterfindungsgemäß 3 bis10 mm und/oder der Querschnitt des aufgeweiteten Bereichs ist mindestens1,5-mal größer alsdie Querschnitte der Kanalbereiche stromaufwärts und stromabwärts, sodass die Änderungder Flussrate, die durch die Änderung derTemperatur verursacht wird, in dem Wärmebehandlungsbereich verlässlich aufgefangenwerden kann, und es kann zuverlässigverhindert werden, dass die Reaktivität der vermischten, zu behandelndenFluide wegen der Flussratenänderungab sinkt.
[0032] Erfindungsgemäß umfasstder Trägeraußerdemvorzugsweise einen Sammelbereich, der in Bezug auf den Wärmebehandlungsbereichin Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts mit dem Kanal verbundenist und von dem das behandelnde Fluid nach außen geleitet wird, und diezu behandelnden Fluide werden vorzugsweise von der Vielzahl vonZufuhrbereichen in den Kanal geleitet, die zu behandelnden, eingeleitetenFluide werden vermischt, in dem Wärmebehandlungsbereich erwärmt undder vorgegebenen Behandlung unterzogen, wonach das behandelte Fluidaus dem Sammelbereich nach außenausgeleitet wird.
[0033] Diezu behandelnden Fluide, die aus den Zufuhrbereichen in den Kanalgeleitet werden, werden gemäß der Erfindungvermischt, anschließendin dem Wärmebehandlungsbereicherwärmtund der vorgegebenen Behandlung unterzogen, wonach das behandelteFluid von dem Sammelbereich nach außen geleitet wird. Daher istes beispielsweise möglich,einen mikrochemischen Chip herzustellen, der zwei Zufuhrbereiche,in denen eine Verbindung, die als Ausgangsmaterial dient, von einemZufuhrbereich eingeleitet wird, wohingegen ein Reagens von dem anderenZufuhrbereich eingeleitet wird, und in dem die erhaltene Verbindungvon dem Sammelbereich nach außengeleitet werden kann, nachdem die Verbindung und das Reagens inausreichender Weise vermischt und umgesetzt wurden.
[0034] DieErfindung gibt einen mikrochemischen Chip an, der umfasst: EinenTrägermit einem Kanal, durch den die zu behandelnden Fluide geleitet werden,mehrere Zufuhrbereiche, die mit dem Kanal verbunden sind, um die zubehandelnden Fluide in den Kanal zu leiten, einen Wärmebehandlungsbereichzum Erwärmender vermischten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung dervorgegebenen Behandlung an den Fluiden, wobei der Wärmebehandlungsbereichin Bezug auf die Stelle, an der die Zufuhrbereiche und der Kanal mit einanderverbunden sind, in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts angeordnet ist, wobei dieVielzahl von zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen in denKanal geleitet werden und wobei die zu behandelnden, eingeleitetenFluide vermischt werden, um sie der vorgegebenen Behandlung zu unterziehen,wobei der Trägerferner einen Wärmeabstrahlungsbereichumfasst, um die von dem Wärmebehandlungsbereicherzeugte Wärme ausdem Trägerabzuführen.
[0035] DerTrägerenthältgemäß der Erfindungvorzugsweise mehrere Wärmebehandlungsbereiche.
[0036] Wenndie zu behandelnden Fluide aus den Zufuhrbereichen eingeleitet werden,werden die eingeleiteten, zu behandelnden Fluide vermischt und in denKanal geleitet und sie werden in den jeweiligen Wärmebehandlungsbereichenerwärmtund die chemischen Reaktionen laufen ab. Wenn die verschiedenen,zu behandelnden Fluide aus den Zufuhrbereichen eingeleitet werden,werden die zu behandelnden, eingeleiteten Fluide also vermischtund in den Kanal geleitet und sie werden in den jeweiligen Wärmebehandlungsbereichenchemisch umgesetzt, wodurch das Reaktionsprodukt entsteht. Die Mehrzahl vonZufuhrbereichen und der Kanal könnenan einer Stelle des Kanals, beispielsweise an dem am weitesten stromaufwärts gelegenenBereich des Kanals, oder an Positionen, die gegeneinander versetztsind, verbunden sein.
[0037] DerTrägerweist erfindungsgemäß einen Wärmeabstrahlungsbereichauf, um die von den Wärmebehandlungsbereichenerzeugte Wärmeaus dem Trägerabzuführen,sodass sich die Wärmebehandlungsbereichedurch die gebildete Wärmenicht gegenseitig beeinflussen und eine genaue Temperatureinstellungin jedem Wärmebehandlungsbereich möglich wird.Wenn zur Bildung eines Reaktionsprodukts chemische Reaktionen, dieWärme erfordern, mehrmalsdurchgeführt werdenmüssen,läuft jede chemischeReaktion in zufrieden stellender Weise ab und das gewünschte Reaktionsproduktkann in hoher Ausbeute erhalten werden.
[0038] DerWärmeabstrahlungsbereichbesteht erfindungsgemäß vorzugsweiseaus einer Wärmeabstrahlungsplatte,die in Kontakt mit einer Oberfläche desTrägersangeordnet ist, wobei die Wärmeabstrahlungsplatteaus einem Material gefertigt ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als das Materialdes Trägers.
[0039] Gemäß der Erfindungist die Wärmeabstrahlungsplatte,die aus einem Material besteht, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als der Träger, in Kontaktmit der Oberflächedes Trägersangeordnet, sodass die von den Wärmebehandlungsbereichenin die Umgebung abgeleitete Wärmevon der Wärmeabstrahlungsplatteabgeführtwird. Da der Wärmeabstrahlungsbereichausgebildet wird, in dem einfach eine Wärmeabstrahlungsplatte vorgesehenwird, kann er ganz einfach konstruiert werden. Um die gute Adhäsion derWärmeabstrahlungsplattemit dem Trägerzu verbessern, wird sie an dem Träger vorzugsweise mit einemKlebstoff befestigt, dessen thermische Leitfähigkeit größer ist als die Leitfähigkeitdes Trägers.
[0040] DerWärmeabstrahlungsbereichweist erfindungsgemäß vorzugsweiseDurchgangslöcherin den Bereichen auf, die den Bereichen der Oberfläche desTrägersin der Näheder Wärmebehandlungsbereichegegenüberliegen.
[0041] Gemäß der Erfindungwird eine Wärmeabstrahlungsplatteverwendet, die in Bereichen, die den Oberflächenbereichen des Trägers inder Näheder Wärmebehandlungsbereichegegenüberliegen, Durchgangslöcher aufweist.Dadurch wird die Wärmeabgabevon den vorderen Oberflächenbereichen desTrägersin der Näheder Wärmebehandlungsbereicheverhindert und die von dem Wärmebehandlungsbe reichin die Umgebung abgegebene Wärme wirdvon dem Träger über dieWärmeabstrahlungsplatteabgestrahlt, sodass sich die Wärmebehandlungsbereichedurch die erzeugte Wärmegegenseitig nicht beeinflussen. In jeden Wärmebehandlungsbereich kanndaher eine ausreichende Erwärmung gewährleistetwerden, ohne dass er durch die anderen Wärmebehandlungsbereiche beeinflusstwird, sodass eine fürdie chemische Reaktion geeignete Temperatur gehalten werden kann.Das Reaktionsprodukt kann somit in hoher Ausbeute erhalten werden.
[0042] DerWärmebehandlungsbereichbesteht erfindungsgemäß im Übrigen vorzugsweiseaus einer Vertiefung, die in einem Bereich des Trägers zwischender Mehrzahl von Wärmebehandlungsbereichenausgebildet ist.
[0043] Dadie Vertiefung in dem Bereich zwischen den Wärmebehandlungsbereichen ausgebildetist, wird erfindungsgemäß die Wärme, dievon jedem Wärmebehandlungsbereichin Richtung des anderen Bereichs abgegeben wird, von der Wandfläche/den Wandflächen undder Bodenflächeder Vertiefung aus dem Trägerabgestrahlt. Da der Wärmeabstrahlungsbereichgebildet wird, indem in dem Träger selbstdie Vertiefung vorgesehen wird, kann der mikrochemische Chip imVergleich mit einer Form, bei der eine separate Komponente wie dieWärmeabstrahlungsplatteverwendet wird, kleiner im Aufbau und leichter im Gewicht ausgeführt werden.
[0044] DerWärmebehandlungsbereichumfasst erfindungsgemäß vorzugsweiseeine Heizvorrichtung und der Wärmeabstrahlungsbereichumfasst eine Wärmeabstrahlungsplatte,deren äußere Abmessungkleiner als die Abmessung der Heizvorrichtung ist und die eine äußere Form ähnlich derForm der Heizvorrichtung besitzt, wobei die Wärmeabstrahlungsplatte in einemBereich der Heizvorrichtung gegen über an einer Oberfläche desTrägersin der Nähe derHeizvorrichtung angeordnet ist.
[0045] DieWärmeabstrahlungsplatte,deren äußere Abmessungkleiner ist als die der Heizvorrichtung und deren äußere Formder Form der Heizvorrichtung ähnelt,ist in dem Bereich gegenüberder Heizvorrichtung an der Oberfläche des Trägers in der Nähe der Heizvorrichtungangeordnet. Die Temperaturdifferenz zwischen dem zentralen Bereichund den äußeren Randbereichender Heizvorrichtung kann daher klein werden, wodurch die Temperaturdes Reaktionsbereichs gleichförmigwird und genau eingestellt werden kann.
[0046] DieFlächeder Wärmeabstrahlungsplatteerreicht flächenmäßig 50 bis90 % der Flächeder Heizvorrichtung (in der Ebene).
[0047] DieFlächeder Wärmeabstrahlungsplatte sollteflächenmäßig vorzugsweise50 bis 90 % der Flächeder Heizvorrichtung (in der Ebene) betragen. Die Temperaturdifferenzzwischen dem zentralen Bereich und den äußeren Randbereichen der Heizvorrichtungkann dadurch noch vermindert werden, wodurch die Temperatur desReaktionsbereichs noch gleichmäßiger undnoch genauer eingestellt werden kann.
[0048] DerTrägerumfasst erfindungsgemäß ferner vorzugsweiseeinen Sammelbereich, der mit dem Kanal verbunden ist und aus demdas behandelt Fluid nach außengeleitet wird, und das Reaktionsprodukt wird erfindungsgemäß vorzugsweisevon dem Sammelbereich nach außenabgegeben.
[0049] Gemäß der Erfindungwerden mehrere zu behandelnde Fluide, die jeweils aus mehreren Zufuhrbereichenin den Kanal geleitet werden, zur Bildung des Reaktionsproduktesvermischt und chemisch umgesetzt und das Reaktionsprodukt wird von demSammelbereich aus nach außengeleitet. Es ist daher beispielsweise möglich, einen kleinen mikrochemischenChip mit zwei Zufuhrbereichen herzustellen, in dem eine Verbindung,die als Ausgangsmaterial dient, aus einem Zufuhrbereich zugeführt wird,wohingegen ein Reagens aus dem anderen Zufuhrbereich eingeleitetwird, und in dem die erhaltene Verbindung aus dem Sammelbereichentnommen wird, nachdem die Verbindung und das Reagens in ausreichenderWeise vermischt und umgesetzt wurden.
[0050] AndereGegenständeund weitere Gegenstände,Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nun durch die folgendedetaillierte Beschreibung in Bezug auf die beigefügte Zeichnungnäher erläutert, wobei:
[0051] 1A in einer vereinfachtenDraufsicht den Aufbau eines mikrochemischen Chip nach einer erstenAusführungsformder Erfindung und 1B den Aufbaudes mikrochemischen Chip im Querschnitt entlang der SchnittlinienI-I, II-II und III-III, die in 1A angegebensind, zeigt;
[0052] 2A und 2B zeigen in der Draufsicht bearbeitetekeramische Grünkörper;
[0053] 3 zeigt in einem unvollständigen Querschnittdie keramischen Grünkörper inlaminiertem Zustand;
[0054] 4 zeigt in einer vereinfachtenDraufsicht den Aufbau einer Abdeckung;
[0055] 5A zeigt in einer vereinfachtenDraufsicht den Aufbau eines mikrochemischen Chip gemäß einerzweiten Ausführungsformder Erfin dung und 5B denAufbau des mikrochemischen Chip im Querschnitt entlang der in 5A angegebenen SchnittlinienIV-IV, V-V und VI-VI;
[0056] 6A und 6B zeigen eine Ansicht der Form einesaufgeweiteten Bereichs, wobei 6A eine Draufsichtund 6B ein Querschnittist;
[0057] 7A und 7B zeigen eine Ansicht einer weiterenForm des aufgeweiteten Bereichs, wobei 7A eine Draufsicht und 7B einen Querschnitt zeigt;
[0058] 8A und 8B zeigen eine Ansicht einer weiterenForm des aufgeweiteten Bereichs, wobei 8A eine Draufsicht und 8B ein Querschnitt ist;
[0059] 9A und 9B zeigen in Draufsicht bearbeitete keramischeGrünkörper;
[0060] 10 ist ein unvollständiger Querschnitt, derdie. keramischen Grünkörper inlaminiertem Zustand zeigt;
[0061] 11 ist eine vereinfachteDraufsicht, die den Aufbau einer Abdeckung zeigt;
[0062] 12A zeigt in einer vereinfachtenDraufsicht den Aufbau eines mikrochemischen Chip gemäß einerdritten Ausführungsformder Erfindung und 12B denAufbau des mikrochemischen Chip im Querschnitt entlang der in 12A angegebenen SchnittlinienVII-VII, VIII-VIII und IX-IX;
[0063] 13A und 13B zeigen in der Draufsicht bearbeitetekeramische Grünkörper;
[0064] 14 ist ein unvollständiger Querschnitt, derdie keramischen Grünkörper inlaminiertem Zustand zeigt;
[0065] 15 ist eine vereinfachteDraufsicht, die den Aufbau einer Abdeckung zeigt;
[0066] 16 zeigt eine Wärmeabstrahlungsplatte inder Draufsicht;
[0067] 17A zeigt den Aufbau einesmikrochemischen Chip gemäß einervierten Ausführungsform derErfindung in einer vereinfachten Draufsicht und 17B den Aufbau des mikrochemischen Chipim Querschnitt entlang der in 17A angegebenen SchnittlinienX-X, XI-XI und XII-XII;
[0068] 18A zeigt in einer vereinfachtenDraufsicht den Aufbau eines mikrochemischen Chip gemäß einerfünftenAusführungsformder Erfindung und 18B denAufbau des mikrochemischen Chip im Querschnitt entlang der in 18A angegebenen SchnittlinienX-II-XIII, XIV-XIV und XV-XV; und
[0069] 19 zeigt einen mikrochemischenChip gemäß einersechsten Ausführungsformder Erfindung, wobei es sich um eine Draufsicht handelt, die dieForm einer Wärmeabstrahlungsplattezeigt.
[0070] ImFolgenden werden in Bezug auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformender Erfindung beschrieben.
[0071] 1A ist eine vereinfachteDraufsicht, die den Aufbau eines mikrochemischen Chip 1 gemäß einerersten Ausführungsformder Erfindung zeigt; 1B istein unvollständigerQuerschnitt, der den Aufbau des mikrochemischen Chip 1 imQuerschnitt entlang der in 1A angegebenenSchnittlinien I-I, II-II und III-III zeigt. Im Übrigen sind die entlang der SchnittebenenI-I, II-II und III-III gezeigten Querschnitte in dieser Reihenfolgedargestellt.
[0072] Dermikrochemische Chip 1 umfasst einen Träger 11 mit einem Kanal 12,durch den die zu behandelnden Fluide geleitet werden, zwei Zufuhrbereiche 13a und 13b,um die zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen in den Kanal 12 zuleiten, einen Wärmebehandlungsbereich 14,um die vermischten, zu behandelnden Fluide zu erwärmen und anihnen eine vorgegebene Behandlung durchzuführen, und einen Sammelbereich 15,aus dem das behandelte Fluid nach außen geleitet wird. Der Träger 11 umfassteinen Grundkörper 20,wobei in einer Oberflächedes Grundkörperseine Vertiefung 33 ausgebildet ist, und eine Abdeckung 21,bei der es sich um ein Abdeckelement handelt. Der Kanal 12 entsteht,wenn die Oberflächedes Grundkörpers 20 mitder Vertiefung 33 durch die Abdeckung 21 bedecktist.
[0073] DerZufuhrbereich 13a umfasst den Zufuhrkanal 17a,der mit dem Kanal 12 verbunden ist, eine Zufuhröffnung 16a,die im Endabschnitt des Zufuhrkanals 17a vorgesehen ist,eine Mikropumpe 18a, die in Bezug auf die Anschlussstelle 22 anden Kanal 12 in Fließrichtungdes zu behandelnden Fluids stromaufwärts vorgesehen ist, und eineHeizvorrichtung 23a zum Erwärmen des durch den Zufuhrkanal 17a strömenden,zu behandelnden Fluids. In gleicher Weise umfasst der Zufuhrbereich 13b einenZufuhrkanal 17b, eine Zufuhröffnung 16b, eine Mikropumpe 18b undeine Heizvorrichtung 23b. Die Zufuhröffnungen 16a und 16b sindoffen, sodass das zu behandelnde Fluid von außen in die Zufuhrkanäle 17a und 17b gegossenwerden kann. Der Sammelbereich 15 ist als Öffnung ausgeführt, sodassdas behandelte Fluid aus dem Kanal 12 nach außen abgeführt werdenkann.
[0074] DieHeizvorrichtungen 23a und 23b sind in dem Grundkörper 20 unterden jeweiligen Zufuhrkanälen 17a und 17b angeordnet.Eine Heizvorrichtung 19 ist außerdem im Grundkörper 20 ineinem Bereich des Wärmebehandlungsbereichs 14 unterdem Kanal 12 angeordnet. Der Kanal 12 ist in demWärmebehandlungsbereich 14 gebogenund beispielsweise in Zickzackform ausgebildet, sodass er mehrmals über derHeizvorrichtung 19 vorbeiführt. Verdrahtungen (nicht gezeigt)zum Anschluss der Heizvorrichtungen 19, 23a und 23b aneine externe Stromquelle werden aus den Heizvorrichtungen 19, 23a und 23b andie Oberflächedes Trägers 11 geführt. DieLeitungsdrähtebestehen aus einem Metall, dessen elektrischer Widerstand einengeringeren Wert hat als das Material der Heizvorrichtungen 19, 23a und 23b.
[0075] Indem mikrochemischen Chip 1 werden zu behandelnde Fluidevon den beiden Zufuhrbereichen 13a und 13b inden Kanal 12 geleitet und vereinigt, und der Kanal 12 wirderforderlichenfalls in dem Wärmebehandlungsbereich 14 mitder Heizvorrichtung 19 auf eine vorgewählte Temperatur erwärmt, sodass diebeiden verschiedenen zu behandelnden Fluide, die zugeführt werden,miteinander umgesetzt werden, worauf das erhaltene Reaktionsprodukt über denSammelbereich 15 entfernt wird.
[0076] Indieser Ausführungsformsind die Zufuhrbereiche 13a und 13b so ausgeführt, dasssie die Zufuhrkanäle 17a und 17b unddie Heizvorrichtungen 23a und 23b, die die durchdie Zufuhrkanäle 17a bzw. 17b fließenden,zu behandelnden Fluide erwärmen, enthalten,sodass die Temperaturen eingestellt werden können, indem die durch die Zufuhrkanäle 17a und 17b fließenden,zu behandelnden Fluide erwärmtwerden. Da die Temperatur der zu behandelnden Fluide geregelt wird,könnendie Viskositätender zu behandelnden Fluide und damit auch die Fließgeschwindigkeitender durch die Zufuhrkanäle 17a und 17b fließenden,zu behandelnden Fluide eingestellt werden.
[0077] Esist daher möglich,pro Zeiteinheit die Mengen der zu behandelnden Fluide, die die Zufuhrbereiche 13a und 13b inden Kanal 12 zuführen,einzustellen. Wenn beispielsweise ein Reaktionsprodukt erhaltenwerden soll, indem mehrere zu behandelnde Fluide vermischt und chemischumgesetzt werden, könnendie jeweiligen zu behandelnden Fluide in den optimalen Zufuhrmengenpro Zeiteinheit miteinander vermischt und chemisch umgesetzt werden,sodass das Reaktionsprodukt in einer hohen Ausbeute erhalten werdenkann.
[0078] DerQuerschnitt des Kanals 12 und der Zufuhrkanäle 17a und 17b liegtvorzugsweise im Bereich von 2,5·10^–3 mm² bis 1 mm², damitdie Proben, Reagentien oder Reinigungsflüssigkeiten, die aus den Versorgungsbereichen 13a und 13b zugeführt werden,in effizienter Weise zugeführtund vermischt werden. Das Fluid, das durch den Kanal mit einem Querschnittvon etwa 2,5·10^–3 bis1 mm² fließt, fließt jedoch im Allgemeinen alslaminare Strömung,sodass die beiden Fluide, die aus den Versorgungsbeeichen 13a und 13b inden Kanal 12 geleitet und vereinigt werden, nur durch Diffusionvermischt werden, wenn die beiden Zufuhrkanäle 17a und 17b einfach verbundenwerden. Es ist daher ein langer Kanal erforderlich, um die beidenFluide vollständigzu vermischen; ein kompakter mikrochemischer Chip kann daher nurbegrenzt erhalten werden.
[0079] Hierfür kann inBezug auf die Stelle 22, an der der Kanal 12 unddie Zufuhrbereiche 13a und 13b verbunden werden,in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts ein Mischabschnitt vorgesehenwerden, um die zu behandelnden Fluide zu vermischen. Der Mischabschnittkann beispielsweise realisiert werde, indem in dem Kanal 12 einungleichmäßiger Abschnittmit einer unebenen Wandoberfläche,ein hydrophiler Bereich mit einer hydrophilen Wandoberfläche oderein hydrophober Bereich mit einer hydrophoben Wandoberfläche ausgebildet wird,ein Vibrationselement, um die zu behandelnden Fluide in dem Kanal 12 zumSchwingen zu bringen, vorgesehen wird oder der Kanal 12 gebogenwird. Nach der Vereinigung der zu behandelnden Fluide wird daherdurch den Mischabschnitt in den vereinigten, zu behandelnden Fluideneine turbulente Strömungerzeugt.
[0080] Diezu behandelnden Fluide könnenauf diese Weise vermischt werden, da in den vereinigten, zu behandelndenFluide eine turbulente Strömungerzeugt wird. Die zu behandelnden Fluide können daher im Vergleich miteiner Ausführungsform,bei der sie nur durch Diffusion vermischt werden, in einem kürzeren Kanalin ausreichender Weise vermischt werden. Die Länge des Kanals 12 kannalso vermindert werden. Es ist daher möglich, die Größe des mikrochemischenChip 1 zu verringern und durch die Verwendung des mikrochemischenChip 1 eine Größenverminderungeines mikrochemischen Systems zu erreichen. Außerdem wird die vorgegebeneBehandlung dann durchgeführt,wenn die zu behandelnden Fluide in ausreichender Weise vermischt sind.Im Vergleich mit einer unzureichenden Vermischung kann die vorgegebeneBehandlung daher zuverlässigererfolgen.
[0081] Wennzwischen der Anschlussstelle 22 und dem Wärmebehandlungsbereich 14 einMischbereich vorgesehen wird, sind die vereinigten, zu behandelndenFluide in ausreichender Weise vermischt, wenn sie bei dem Wärmebehandlungsbereich 14 ankommen.Wenn eine Verbindung, die als Ausgangsmaterial dient, aus dem Zufuhrbereich 13a zugeführt wird,und ein Reagens aus dem Zufuhrbereich 13b zugeführt wirdund die Verbindung und das Reagens vermischt und unter Erwärmen miteiner Heizvorrichtung 19 in dem Wärmebehandelungsbereich 14 umgesetztwerden, könnendie Verbindung und das Reagens somit dann erwärmt werden, wenn sie ausreichendvermischt sind. Es ist daher möglich, dieVerbindung und das Reagens in effizienter Weise umzusetzen und dieAusbeute des Reaktionsproduktes zu erhöhen, das aus dem Sammelbereich 15 abgeführt wird.
[0082] AlsGrundkörper 20 kannein Grundkörper auseinem keramischen Werkstoff, Silicium, Glas oder Harz verwendetwerden; von diesen wird vorzugsweise ein Grundkörper aus einem keramischen Werkstoffverwendet. Die keramischen Werkstoffe besitzen im Vergleich mitHarzen oder ähnlichen Werkstoffeneine hervorragende chemische Beständigkeit; wenn der Grundkörper 20 auseinem keramischen Werkstoff besteht, kann daher ein mikrochemischerChip 1 hergestellt werden, der eine hervorragende chemischeBeständigkeitbesitzt und unter verschiedenen Bedingungen verwendet werden kann.Beispiele fürkeramische Werkstoffe fürden Grundkörper 20 sindetwa gesinterte Aluminiumoxidkeramiken, Sintermullit oder gesinterteGlaskeramiken.
[0083] DieAbdeckung 21 kann aus Glas oder einem keramischen Werkstoffbestehen, vorzugsweise wird fürdie Abdeckung 21 jedoch Glas verwendet, da der Mischungszustandoder Reaktionszustand der zu behandelnden Fluide dann visuell bestätigt werden kann.
[0084] DerQuerschnitt des Kanals 12 und der Zufuhrkanäle 17a und 17b beträgt vorzugsweise 2,5·10^–3 mm² oder darüber und 1 mm² oderdarunter, damit die Proben, Reagentien oder Reinigungsflüssigkeiten,die aus den Zufuhrbereichen 13a und 13b zugeführt werden,in effizienter Weise zugeführtund vermischt werden. Wenn der Querschnitt des Kanals 12 undder Zufuhrkanäle 17a und 17b 1mm² übersteigt,ist die Menge der zugeführtenProben, Reagentien oder Reinigungsflüssigkeiten zu groß, sodassdie Reaktionsflächepro Volumeneinheit steigt und daher keine ausreichende und deutlicheVerminderung der Reaktionszeit des mikrochemischen Chip erreichtwerden kann. Wenn der Querschnitt des Kanals 12 und derZufuhrkanäle 17a und 17b weniger als2,5·10^–3 mm² beträgt,steigt der Druckverlust des von den Mikropumpen 18a und 18b aufgebauten Drucks,sodass die Zufuhr der Fluide problematisch wird. Der Quer schnittdes Kanals 12 und der Zufuhrkanäle 27a und 27b liegtdaher vorzugsweise im Bereich von 1 mm² bis2,5·10^–3 mm².
[0085] DieBreite w des Kanals 12 und der Zufuhrkanäle 17a und 17b istvorzugsweise 50 bis 1000 μm undnoch bevorzugter 100 bis 500 μm.Die Tiefe d des Kanals 12 und der Zufuhrkanäle 17a und 17b beträgt vorzugsweise50 bis 1000 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μmund liegt vorzugsweise in dem oben beschriebenen, bevorzugten Bereichdes Querschnitts. Wenn die Querschnittsform des Kanals 12 undder Zufuhrkanäle 17a und 17b rechteckigist, ist das Verhältnisvon Breite (längereSeite) und Tiefe (kürzereSeite) LängekürzereSeite/Längelängere Seitevorzugsweise ≥ 0,4und noch bevorzugter LängekürzereSeite/LängelängereSeite ≥ 0,6.Wenn das Verhältnisder Längeder kürzerenSeite zu der Längeder längerenSeite < 0,4 ist,ist der Druckverlust zu groß undes wird problematisch, die Fluide zuzuführen.
[0086] DieUmfangsgröße des mikrochemischen Chip 1 istbeispielsweise so, dass die Breite A etwa 40 mm, die Tiefe B etwa70 mm und die HöheC etwa 1 bis 2 mm beträgt,die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und es kann in Abhängigkeitvon den Erfordernissen ein geeigneter Umfang gewählt werden.
[0087] Dermikrochemische Chip 1 kann nach dem Gebrauch wiederverwendetwerden, wenn der mikrochemischen Chip gereinigt wird, in dem eineReinigungsflüssigkeitin die Zufuhrbereiche 13a und 13b gegossen wird.
[0088] ImFolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des in den 1A und 1B gezeigten mikrochemischen Chip 1 beschrieben.In dieser Ausführungsformbesteht der Grundkörper 20 auseinem keramischen Werkstoff. Die 2A und 2B zeigen in der Draufsichtdie Beschaffenheit der bearbeiteten keramischen Grünkörper 31 bzw. 32.
[0089] 3 zeigt die keramischenGrünkörper 31 und 32 imlaminierten Zustand im Querschnitt.
[0090] Zunächst werdenein geeigneter organischer Binder und ein Lösungsmittel mit einem Rohstoffin Pulverform vermischt, erforderlichenfalls werden ein Weichmacheroder ein Dispergiermittel eingearbeitet, und aus dem Gemisch wirdein Slurry gebildet. Anschließendwird der Slurry durch Walzenauftrag, Kalandrieren oder dergleichenzur Platte geformt. Auf diese Weise wird ein keramischer Grünkörper (auch als" keramischer Rohling" bezeichnet) gebildet.Als Rohmaterial in Pulverform können,wenn der Grundkörper 20 auseinem gesinterten Aluminiumoxidwerkstoff besteht, z. B. Aluminiumoxid,Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid und dergleichen verwendet werden.
[0091] Indieser Ausführungsformwerden zwei geformte keramische Grünkörper verwendet, um den Grundkörper 20 zubilden. Zunächstwird wie in 2A gezeigt,die Vertiefung 33 geformt, indem die Oberfläche desersten keramischen Grünkörpers 31 durchPressen mit einem Muster versehen wird. In diesem Fall wird einMuster mit einer Form verwendet, durch das die gewünschte Formder Vertiefung 33 übertragenwird. Im Übrigenkann durch die Verwendung eines Musters, bei dem eine Unebenheitin einem Bereich, der einer vorgegebenen Wandoberfläche entspricht,als Form der Vertiefung übertragen wird,in diesem Bereich der Wandoberflächeder Vertiefung eine Unebenheit ausgebildet werden, die den unebenenBereich bildet, der wie oben beschrieben als Mischbereich dient.
[0092] DerPressdruck zum Versehen des Slurry mit dem Muster wird in Abhängigkeitvon der Viskosität desSlurry, bevor er zum keramischen Grünkörper geformt wird, angepasst.Wenn beispielsweise die Viskositätdes Slurry 1 bis 4 Pa·sbeträgt,wird ein Druck von 2,5 bis 7 MPa auf den Slurry ausgeübt. Hinsichtlichdes Materials der Mustervorlage gibt es keine speziellen Beschränkungen,es kann eine me tallische Mustervorlage oder eine Mustervorlage aus Holzverwendet werden.
[0093] Wiein 2B gezeigt, werdendie Heizvorrichtungen 19, 23a und 23b unddie Leitungsmuster 34, 35a und 35b für die externeStromversorgung an der Oberflächedes keramischen Grünkörpers 32 gebildet,indem eine leitfähigePaste in einer vorgegebenen Form durch Siebdruck oder dergleichenaufgebracht wird. Die Leitungsmuster 35a und 35b,die die Heizvorrichtungen 23a und 23b bilden,sind gebogen und beispielsweise in einer Zickzackform ausgebildet,sodass sie unter den Zufuhrkanälen 17a und 17b mehrmalsin den Bereichen vorbeigeführtwerden, die diesen Zufuhrkanälen 17a bzw. 17b entsprechen.Auch das Leitungsmuster, das die Heizvorrichtung 19 bildet,ist gebogen und beispielsweise in den Bereichen, die dem Wärmebehandlungsbereich 14 entsprechen,in einer Zickzackform ausgebildet. Die leitfähige Paste kann hergestelltwerden, indem ein metallisches Material in Pulverform, wie Wolfram, Molybdän, Mangan,Kupfer, Silber, Nickel, Palladium oder Gold mit einem geeignetenorganischen Binder und einem Lösungsmittelvermischt wird. Als leitfähigePaste fürdie Leitungsmuster 34, 35a und 35b, die dieHeizvorrichtungen 19, 23a bzw. 23b bilden,wird eine leitfähigePaste verwendet, in der 5 bis 30 Gew.-% keramisches Pulver zu einemoben beschriebenen metallischen Material in Pulverform hinzugefügt wird,sodass nach dem Brennen ein vorgegebener Wert für den elektrischen Widerstanderhalten wird.
[0094] Wiein 3 gezeigt ist, wirdder keramische Grünkörper 31,in dem die Vertiefung 33 ausgebildet wurde, auf die Oberfläche deskeramischen Grünkörpers 32 laminiert,in dem die Leitungsmuster 34, 35a und 35b ausgebildetsind, die die Heizvorrichtungen 19, 23a und 23b bilden.
[0095] Dielaminierten keramischen Grünkörper 31 und 32 werdenbei einer Temperatur von etwa 1600 °C gesintert. Auf diese Weisewird der in den 1A und 1B gezeigte Grundkörper 20 mitHeizvorrichtungen 23a und 23b zum Erwärmen derzu behandelnden, durch die Zufuhrkanäle 17a und 17b derZufuhrbereiche 13a bzw. 13b fließenden Fluidegebildet.
[0096] 4 zeigt einen vereinfachtenAufbau der Abdeckung 21 in der Draufsicht. Wie in der 4 gezeigt ist, werden Durchgangslöcher 42a, 42b und 43, diemit der Vertiefung 33 des in 2A gezeigtenkeramischen Grünkörpers 31 inVerbindung stehen, in vorgegebenen Positionen in einem Substrat 41 gebildet,das beispielsweise aus Glas oder einem keramischen Werkstoff besteht,wobei sie als Zufuhröffnungen 16a und 16b undSammelbereich 15 dienen; auf diese Weise wird die Abdeckung 21 erhalten.
[0097] DieAbdeckung 21 wird mit der Oberfläche verbunden, an der sichdie Vertiefung 33 des Grundkörpers 20 befindet.Die Abdeckung 21 und der Grundkörper 20 werden beispielsweisedurch Erwärmenund Pressen verbunden, wenn die Abdeckung 21 aus Glas besteht,oder mit einem Glaskleber verbunden, wenn die Abdeckung 21 auseinem keramischen Werkstoff gefertigt ist.
[0098] Invorgegebenen Positionen werden an der Oberfläche der Abdeckung 21 piezoelektrischeMaterialien 44a und 44b angebracht, beispielsweise Blei-Zirconat-Titanat(PZT; chemische Formel: Pb(Zr, Ti)O₃) undLeitungen (nicht gezeigt) zum Anlegen von Spannung an die piezoelektrischenMaterialien 44a und 44b werden ausgebildet. Diepiezoelektrischen Materialien 44a und 44b können dieAbdeckung 21 oberhalb der Zufuhrkanäle 17a und 17b entsprechendder angelegten Spannung durch Expansion oder Kontraktion vibrierenlassen, d. h., es wurden Mikropumpen 18a und 18b zurZufuhr der Fluide gebildet, indem die piezoelektrischen Materialien 44a und 44b über den Zufuhrkanälen 17a und 17b ander Abdeckung 21 angebracht werden.
[0099] Inder oben beschriebenen Art und Weise wird der in den 1A und 1B gezeigte Träger 11 gebildet, sodassder mikrochemische Chip 1 erhalten werden kann. Der mikrochemischeChip 1, in dem die Heizvorrichtungen 23a und 23b zumErwärmender durch die jeweiligen Zufuhrkanäle 17a und 17b der Zufuhrbereiche 23a und 23b fließenden,zu behandelnden Fluide vorgesehen sind, kann hergestellt werden,indem die Abdeckung 21 mit dem Grundkörper 20 verbundenwird, in dem die Heizvorrichtungen 23a und 23b zumErwärmender durch die entsprechenden Zufuhrkanäle 17a und 17b derZufuhrbereiche 13a und 13b fließenden,zu behandelnden Fluide ausgebildet sind.
[0100] Indieser Ausführungsformwird der Grundkörper 20 gebildet,indem die laminierte Struktur, die aus einem keramischen Grünkörper 31,bei dem in einer Oberflächedie Vertiefung 33 durch Aufpressen einer Mustervorlageausgebildet ist, und einem keramischen Grünkörper 32 besteht, indem die Leitungsmuster 34, 35a und 35b,die die Heizvorrichtungen 19, 23a bzw. 23b bilden,ausgebildet sind, gesintert wird, wodurch der Träger 11 mit dem Kanal 12 entsteht,in dem die Vertiefung 33 in der Oberfläche des Grundkörpers 20 mitder Abdeckung 21 versehen ist. Der mikrochemische Chip 1 kannalso durch einfache Bearbeitung hergestellt werden, ohne dass komplizierteArbeitsgänge,wie Ätzvorgänge durchgeführt werdenmüssen,die erforderlich sind, wenn ein Kanal in einem Grundkörper 11 gebildetwird, der aus Silicium, Glas oder Harz besteht.
[0101] Zusätzlich zuden Heizvorrichtungen 23a und 23b können erfindungsgemäß Kühleinrichtungen,die beispielsweise aus einem elektrothermischen Element wie einemThermoelement oder Peltier-Element bestehen, beispielsweise an demKanal 12 vorgesehen werden.
[0102] DieFließgeschwindigkeitender zu behandelnden Fluide könnenmit größerer Genauigkeiteingestellt werden, wenn eine Kühleinrichtungfür den Kanal 12 angebrachtwird, der sich stromabwärtsvon den Heizvorrichtungen 23a und 23b befindet.
[0103] DerWärmebehandlungsbereich 14 (oder Heizvorrichtung 19)ist so ausgebildet, dass er sich an einer Stelle befindet, abersolche Wärmebehandlungsbereiche(Heizvorrichtungen) könnensich auch an zwei oder mehr Stellen befinden; sie sind nicht auf diesenexemplarischen Aufbau beschränkt.Eine komplizierte Reaktion kann kontrolliert werden, indem dreioder mehr Zufuhrbereiche und Wärmebehandlungsbereiche(Heizvorrichtungen) an zwei oder mehr Stellen in dieser Weise vorgesehenwerden. Im Übrigenist es nicht erforderlich, einen Wärmebehandlungsbereich 14 (Heizvorrichtung 19)vorzusehen, wenn eine Reaktion ohne Erwärmen abläuft.
[0104] 5A zeigt in einer vereinfachtenDraufsicht den Aufbau eines mikrochemischen Chip 51 gemäß einerzweiten Ausführungsformder Erfindung, 5B istein unvollständigerQuerschnitt, der den Querschnitt des mikrochemischen Chip 51 entlang derin 5A angegebenen SchnittlinienIV-IV, V-V und VI-VI zeigt. Im Übrigensind die Querschnitte entlang der Schnittlinien IV-IV, V-V und VI-VIin 5B in dieser Reihenfolgegezeigt.
[0105] Dermikrochemische Chip 51 umfasst einen Träger 61 mit einem Kanal 62,der dazu dient, die zu behandelnden Fluide hindurchzuleiten, zweiZufuhrbereiche 63a und 63b, die dazu dienen, diezu behandelnden Fluide aus den Zufuhrbereichen in den Kanal 62 zuleiten, einen Wärmebehandlungsbereich 64,der dazu dient, die beiden vermischten, zu behandelnden Fluide zuerwärmenund mit ihnen eine vorgegebene Behandlung durchzuführen, undeinen Sammelbereich 65, aus dem das behandelte Fluid nachaußenabgegeben wird. Der Träger 61 umfasst einenGrundkörper 70 miteiner Vertiefung 83 in einer seiner Oberflächen undeine Abdeckung 71, die ein Abdeckelement darstellt. DerKanal 62 ist daher so ausgebildet, dass die Oberfläche desGrundkörpers 70 mitder Vertiefung 83 von der Abdeckung 71 bedecktwird.
[0106] Indem mikrochemischen Chip 51 weist der Kanal 62 zwischendem Wärmebehandlungsbereich 64 undder Verbindungsstelle 72 der Zufuhrbereiche 63a und 63b einenaufgeweiteten Abschnitt 62a auf, in dem der Querschnittgrößer istals der Querschnitt der Kanalbereiche stromaufwärts und stromabwärts. Die 6A und 6B zeigen die Form des aufgeweitetenBereichs 62a, wobei die 6A eineDraufsicht ist und die 6B denQuerschnitt zeigt. Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, ist der aufgeweiteteBereich 62a so ausgebildet, dass in dem Kanal 62,dessen Querschnitt rechteckig ist, die Breite des entsprechendenBereichs breiter ist als jeweils die Breite der Kanalbereiche stromaufwärts undstromabwärts.
[0107] Alternativkann der aufgeweitete Bereich 62a so ausgebildet sein,dass, wie in 7A und 7B gezeigt, die Tiefe desentsprechenden Bereichs größer istals jeweils die Tiefe der Kanalbereiche in dem Kanal 62 vonrechteckigem Querschnitt stromaufwärts und stromabwärts, oderso, dass, wie in 8A und 8B gezeigt, sowohl die Breiteals auch die Tiefe des entsprechenden Bereichs größer istals jeweils die Breiten und Tiefen der Kanalabschnitte in dem Kanal 62 mitrechteckigem Querschnitt stromaufwärts und stromabwärts.
[0108] DerZufuhrbereich 63a umfasst einen Zufuhrkanal 67a,der mit dem Kanal 62 verbunden ist, eine Zufuhröffnung 66a,die in dem Endabschnitt des Zufuhrkanals 67a vorgesehenist, und eine Mikropumpe 68a, die in Bezug auf die Stelledes Anschlusses 72 mit dem Kanal 62 in Fließrichtungdes zu behandelnden Fluids stromaufwärts vorgesehen ist. In gleicherWeise umfasst der Zufuhrbereich 63b einen Zufuhrkanal 67b,eine Zufuhröffnung 66b undeine Mikropumpe 68b.
[0109] DieZufuhröffnungen 66a und 66b sindoffen, sodass das zu behandelnde Fluid von außen in die Zufuhrkanäle 67a und 67b gegossenwerden kann. Der Sammelbereich 65 ist als Öffnung ausgeführt, sodassdas behandelte Fluid von dem Kanal 62 nach außen abgeführt werdenkann.
[0110] Indem Grundkörper 70 istin einem Bereich des Wärmebehandlungsbereiches 64 unterdem Kanal 62 eine Heizvorrichtung 69 vorgesehen.Der Kanal 62 in dem Wärmebehandlungsbereich 64 istgekrümmtund beispielsweise in einer Zickzackform ausgebildet, sodass ermehrmals überder Heizvorrichtung 69 vorbeigeführt wird. Eine Verdrahtung (nichtgezeigt) zum Anschluss der Heizvorrichtung 69 an eine externeStromquelle ist von der Heizvorrichtung 69 an die Oberfläche desGrundkörpers 61 geführt. DieVerdrahtung besteht aus einem metallischen Material, das einen Wertdes elektrischen Widerstandes unter dem des Materials der Heizvorrichtung 69 besitzt.
[0111] Indem mikrochemischen Chip 51 werden die zu behandelndenFluide von den beiden Zufuhrbereichen 63a und 63b inden Kanal 62 geleitet und vereinigt, und der Kanal 62 wirderforderlichenfalls mit der Heizvorrichtung 69 in dem Wärmebehandlungsbereich 64 aufeine vorgegebene Temperatur erwärmt, sodassdie beiden Arten von zu behandelnden Fluiden, die zugeführt werden,umgesetzt werden, worauf das erhaltene Reaktionsprodukt über denSammelbereich 65 entnommen wird.
[0112] Wiein der ersten Ausführungsformist der Querschnitt des Kanals 62 und der Zufuhrkanäle 67a und 67b vorzugsweise2,5·10^–3 mm² oder größer und 1mm² oder kleiner, damit die Proben, Reagentien oderReinigungsflüssigkeiten,die von den Zufuhrbereichen 63a und 63b zugeführt werden,in effizienter Weise zugeführtund vermischt werden.
[0113] Indieser Ausführungsformweist der Kanal 62 zwischen der Verbindungsstelle 72 unddem Behandlungsbereich 64 einen aufgeweiteten Bereich 62a auf.Eine Flussratenveränderung,die durch eine Temperaturänderungin dem Wärmebehandlungsbereich 64 verursachtwird, wird daher durch den aufgeweiteten Bereich 62a ausgeglichenund es kann verhindert werden, dass die Reaktivität der vermischten, zubehandelnden Fluide wegen der Flussratenänderung sinkt. Wenn sich dieTemperatur in dem Wärmebehandlungsbereich 64 ändert, ändert sichgenauer das Volumen der vermischten, zu behandelnden Fluide, dieVolumenänderungwird jedoch durch den aufgeweiteten Bereich 62a aufgefangen.Daher ändert sichdie Flussrate der zu behandelnden Fluide, die durch den Kanal 62 fließen, nichtund es kann verhindert werden, dass die Reaktivität in demWärmebehandlungsbereich 64 sinkt.Insbesondere wenn das Volumen der vermischten, zu behandelnden Fluide wegeneines Temperaturanstiegs steigt, wird das größere Volumen von dem aufgeweitetenBereich 62a aufgenommen; daher nimmt die Flussrate beispielsweisewegen dem Zurückfließen derdurch den Kanal 62 fließenden, zu behandelnden Fluidenicht ab und es kann verhindert werden, dass sich die Reaktivität in demWärmebehandlungsbereich 64 verschlechtert.Da sich die Reaktivitätin dem Wärmebehandlungsbereich 64 nichtverschlechtert, kann ein mikrochemischer Chip 51 hergestelltwerden, der zu einer hohen Ausbeute des Reaktionsproduktes führt.
[0114] DieLänge L1des aufgeweiteten Bereichs 62a beträgt vorzugsweise 3 bis 10 mm.Im Übrigenist der Querschnitt des aufgeweiteten Bereichs 62a vorzugsweise1,5 bis 10-mal und noch bevorzugter 1,5 bis 2-mal der Querschnittder Kanalabschnitte stromaufwärtsund stromabwärts.
[0115] AlsGrundkörper 70 kannein Grundkörper auseinem keramischen Werkstoff, Silicium, Glas oder Harz verwendetwerden, wobei von die sen wie in der ersten Ausführungsform vorzugsweise ein Grundkörper auseinem keramischen Material verwendet wird.
[0116] Wiein der ersten Ausführungsformkann die Abdeckung 71 aus Glas oder einem keramischen Materialbestehen, vorzugsweise wird fürden Deckel 71 jedoch Glas verwendet, damit der Mischungszustandoder Reaktionszustand des zu behandelnden Fluids visuell überprüft werdenkann.
[0117] Ausdem gleichen Grund wie in der ersten Ausführungsform beträgt der Querschnittdes Kanals 62 und der Zufuhrkanäle 67a und 67b vorzugsweise 2,5·10^–3 bis1 mm², um die Proben, Reagentien oder Reinigungsflüssigkeiten,die aus den Zufuhrbereichen 63a und 63b zuströmen, ineffizienter Weise zuzuführenund zu vermischen.
[0118] Wiein der ersten Ausführungsformbeträgt dieBreite w des Kanals 62 und der Zufuhrkanäle 67a und 67b vorzugsweise50 bis 1000 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μm.Wie in der ersten Ausführungsformist die Tiefe d des Kanals 62 und der Zufuhrkanäle 67a und 67b vorzugsweise50 bis 1000 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μmund liegt in dem bevorzugten Bereich des Querschnitts, wie er obenbeschrieben wurde. Wenn die Querschnittsform des Kanals 62 undder Zufuhrkanäle 67a und 67b rechteckigist, ist wie in der ersten Ausführungsform dasVerhältnisvon Breite (längereSeite) und Tiefe (kürzereSeite), vorzugsweise Längeder kürzeren Seite/Länge derlängerenSeite ≥ 0,4und noch bevorzugter Längeder kürzerenSeite/Längeder längerenSeite ≥ 0,6.Wenn das VerhältnisLänge derkürzerenSeite/Längeder längerenSeite < 0,4 ist,wird der Druckverlust zu groß,wodurch bei der Zufuhr der Fluide Probleme auftreten.
[0119] DieUmfangsgröße des mikrochemischen Chip 51 istbeispielsweise so, dass die Breite A etwa 40 mm, die Tiefe B etwa70 mm und die HöheC etwa 1 bis 2 mm beträgt,die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und eine geeignete Umfangsgröße kannin Abhängigkeitvon den Erfordernissen gewählt werden.
[0120] Nachder Verwendung kann der mikrochemische Chip 51 wiederverwendetwerden, wenn der mikrochemische Chip gereinigt wird, indem eineReinigungsflüssigkeitin die Zufuhrbereiche 63a und 63b gegossen wird.
[0121] ImFolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des in den 5A und 5B gezeigten mikrochemischen Chip beschrieben.In dieser Ausführungsformbesteht der Grundkörper 70 auseinem keramischen Material. Die 9A und 9B zeigen in der Draufsichtdie Beschaffenheit der bearbeiteten keramischen Grünkörper 81 bzw. 82. 10 zeigt den keramischenKörper 81 und 82 imlaminierten Zustand im Querschnitt.
[0122] Zunächst werdenein geeigneter organischer Binder und ein Lösungsmittel mit einem Rohmaterial inPulverform vermischt und erforderlichenfalls wird ein Weichmacheroder ein Dispergiermittel eingearbeitet; dann wird das Gemisch zueiner Slurry geformt. Dann wird durch Walzenauftrag, Kalandrieren unddergleichen der Slurry zur Platte geformt. Auf diese Weise wirdein keramischer Grünkörper (auch als "keramischer Rohling" bezeichnet) gebildet.Als Rohmaterial in Pulverform kann, wenn der Grundkörper 70 auseinem gesinterten Aluminiumoxidwerkstoff besteht, beispielsweiseAluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid und Calciumoxid oderdergleichen verwendet werden.
[0123] Indieser Ausführungsformwerden zwei der so gebildeten keramischen Grünkörper zum Aufbau des Grundkörpers 70 verwendet.Zunächstwird wie in 9A gezeigteine Vertiefung 83 gebildet, wobei eine Mustervorlage aufdie Oberflächedes ersten keramischen Grün körpers 81 gepresstwird. In diesem Fall wird eine Mustervorlage mit einer Form verwendet,auf die die gewünschteForm der Vertiefung 83 übertragenwurde. In der Mustervorlage wird außerdem als Form der Nut eineForm übertragen,die einem breiteren Bereich 63a entspricht, der den aufgeweitetenBereich 62a bildet. Die Vertiefung 83 mit dembreiteren Bereich 83a, der den aufgeweiteten Abschnitt 62a bildet,kann unter Verwendung einer Mustervorlage mit einer solchen Formgebildet werden.
[0124] InAbhängigkeitvon der Viskositätdes Slurry vor dem Formen zu dem keramischen Grünkörper wird der Pressdruck zum Übertragender Mustervorlage auf den Slurry eingestellt. Wenn die Viskosität des Slurrybeispielsweise 1 bis 4 Pa·sbeträgt,wird ein Druck von 2,5 bis 7 MPa auf den Slurry ausgeübt. Es gibtkeine spezielle Beschränkunghinsichtlich des Materials fürdie Mustervorlage, es kann eine metallische Mustervorlage oder eineMustervorlage aus Holz verwendet werden.
[0125] ImFolgenden werden wie in 9B gezeigt dieHeizvorrichtung 69 und das Leitungsmuster 84 für den externenStromanschluss auf der Oberfläche deskeramischen Grünkörpers 82 ausgebildet,indem eine leitfähigePaste durch Siebdruck oder dergleichen in einer vorgegebenen Formaufgebracht wird. Die leitfähigePaste kann hergestellt werden, indem ein pulverförmiges metallisches Material,wie Wolfram, Molybdän,Mangan, Kupfer, Silber, Nickel, Palladium oder Gold mit einem geeignetenorganischen Binder und einem Lösungsmittelvermischt werden. Fürdie leitfähigePaste, die das Leitungsmuster 84 bildet, das die Heizvorrichtung 69 darstellt,wird eine leitfähigePaste mit 5 bis 30 Gew.-% eines keramischen Pulvers in ein metallischesMaterial in Pulverform, wie dem oben beschriebenen, so eingearbeitet, dassnach dem Brennen ein vorgegebener Wert für den elektrischen Widerstanderhalten wird.
[0126] Wiein 10 gezeigt ist, wirdder keramische Grünkörper 81 mitder Vertiefung 83 auf die Oberfläche des keramischen Grünkörpers 82 laminiert,an der das Leitungsmuster 84 hergestellt wurde, das dieHeizvorrichtung 69 bildet. Die laminierten keramischenGrünkörper 81 und 82 werdenbei einer Temperatur von etwa 1600 °C gesintert. Auf diese Weisewird der in den 5A und 5B gezeigte Grundkörper 70 gebildet,bei dem die Vertiefung 83 mit dem Bereich versehen ist,der den aufgeweiteten Bereich zwischen dem Wärmebehandlungsbereich 64 undder Verbindungsstelle 72 darstellt, an der die Zufuhrbereiche 63a und 63b mitdem Kanal 62 verbunden sind, d. h. den breiteren Bereich.
[0127] 11 zeigt in der Draufsichteine vereinfachte Struktur der Abdeckung 71. Wie in 11 gezeigt ist, werden Durchgangslöcher 92a, 92b und 93, diein Verbindung mit der Nut 83 des in 9A gezeigten keramischen Grünkörpers 81 stehen,in vorgegebenen Positionen vorgesehen, wobei sie in einem Substrat 91 ausbeispielsweise Glas oder einem keramischen Material als Zufuhröffnungen 66a und 66b undSammelbereich 65 dienen, wobei dadurch die Abdeckung 71 erhaltenwerden kann.
[0128] DieAbdeckung 71 ist mit der Oberfläche verbunden, an der sichdie Nut 83 an dem Grundkörper 70 befindet.Die Abdeckung 71 und der Grundkörper 70 werden beispielsweisedurch Erwärmenund Pressen verbunden, wenn die Abdeckung 71 aus Glas besteht,oder mit einem Glaskleber geklebt, wenn die Abdeckung 71 auseinem keramischen Werkstoff besteht.
[0129] PiezoelektrischeMaterialien 94a und 94b, wie beispielsweise Blei-Zirconat-Titanat(PZT; chemische Formel: Pb(Zr, Ti)O₃) werdenan vorgegebenen Positionen an der Oberfläche der Abdeckung 71 angebrachtund es werden Leitungen (nicht gezeigt) zum Anlegen von Spannungan die piezoelektrischen Materialien 94a und 94b vorgese vorgegebenenPositionen an der Oberflächeder Abdeckung 71 angebracht und es werden Leitungen (nichtgezeigt) zum Anlegen von Spannung an die piezoelektrischen Materialien 94a und 94b vorgesehen.Die piezoelektrischen Materialien 94a und 94b können dieAbdeckung 71 überden Zufuhrkanälen 67a und 67b inAbhängigkeitvon der angelegten Spannung durch Expandieren oder Kontrahierenvibrieren lassen, d. h. es könnenMikropumpen 68a und 68b zur Zufuhr der Fluidegebildet werden, indem die piezoeleltrischen Materialien 94a und 94b ander Abdeckung 71 über denZufuhrkanälen 67a und 67b angebrachtwerden.
[0130] Aufdiese Weise wird der in den 5A und 5B gezeigte Träger 61 gebildetund es kann der mikrochemische Chip 51 erhalten werden.Der mikrochemische Chip 51, in dem der aufgeweitete Bereich 62a zwischendem Wärmebehandlungsbereich 64 undder Verbindungsstelle 72 der Zufuhrbereiche 63a und 63b vorgesehenist, kann also hergestellt werden, indem die Abdeckung 71 mitdem Grundkörper 70 verbundenwird, der die Vertiefung 83 mit dem breiteren Bereich 63a,der den aufgeweiteten Bereich 62a zwischen dem Wärmebehandlungsbereich 64 undder Verbindungsstelle 72 bildet, aufweist.
[0131] Indieser Ausführungsformwird der Grundkörper 70 hergestellt,in dem die laminierte Struktur gesintert wird, die aus dem keramischenGrünkörper 81,an dessen Oberflächedie Vertiefung 83 durch Aufpressen einer Mustervorlageausgebildet ist, und dem keramischen Grünkörper 82 besteht, indem das Leitungsmuster 84, das die Heizvorrichtung 69 bildet, ausgebildetist, wobei der Träger 61 mitdem Kanal 62 gebildet wird, indem die Vertiefung 83 inder Oberflächedes Grundkörpers 70 mitder Abdeckung 71 verschlossen wird. Der mikrochemischeChip 51 kann also durch einfache Bearbeitung erhalten werden,ohne dass komplizierte Arbeitsgängewie Ätzen durchgeführt werdenmüssen,die erforderlich sind, wenn in einem Träger 61 aus Silicium,Glas oder Harz ein Kanal geformt werden soll.
[0132] Gemäß der Erfindungkönnenmehrere aufgeweitete Bereiche 62a an einem Kanal 62 vorgesehenwerden. Im Übrigenist die Form des aufgeweiteten Bereichs 62a in der ebenenAnsicht nicht auf eine tetragonale Form wie in den 6A und 6B gezeigt beschränkt, siekann auch eine gebogene Form besitzen, beispielsweise eine runde,elliptische oder ovale Form. Wenn die zu behandelnden Fluide in demaufgeweiteten Bereich 62a eine Volumenzunahme erfahrenund auf die Innenflächedes aufgeweiteten Bereichs 62a Druck ausüben, kannauf diese Weise der Druck vermindert werden. Die Form des aufgeweitetenBereichs 62a in ebener Ansicht sollte vorzugsweise einerunde Form, eine elliptische Form, eine ovale Form oder eine ähnlichegebogene Form sein, damit der aufgeweitete Bereich 62a problemlosmit dem Kanal 62 verbunden werden kann. Es kann in diesemFall verhindert werden, dass der Strom der zu behandelnden Fluidein dem aufgeweiteten Bereich 62a stagniert.
[0133] Im Übrigen istder Wärmebehandlungsbereich 64 nuran einer Stelle vorgesehen, es können jedochsolche Wärmebehandlungsbereichean einer oder mehr Stellen vorgesehen werden, ohne dass sie aufden exemplarischen Aufbau beschränktwären. Einekomplizierte Reaktion kann kontrolliert werden, indem drei odermehr Zufuhrbereiche und Wärmebehandlungsbereichean zwei oder mehr Stellen auf diese Weise vorgesehen werden. Wenneine Vielzahl von Wärmebehandlungsbereichen 64 vorgesehen wird,könnenin diesem Fall die aufgeweiteten Bereiche für die jeweiligen Wärmebehandlungsbereiche 64 inFließrichtungder zu behandelnden Fluide stromaufwärts vorgesehen werden.
[0134] 12A ist eine vereinfachteDraufsicht, die den Aufbau eines mikrochemischen Chip 101 nach einerdritten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,und 12B zeigt in einemunvollständigen Querschnittden Aufbau des mikrochemischen Chip 101 entlang der in 12A gezeigten Schnittlinien VII-VII,VIII-VIII und IX-IX. Im Übrigensind in 12B die entlangder Schnittlinien VII-VII, VIII-VIII und IX-IX gezeigten Querschnittein dieser Reihenfolge dargestellt.
[0135] Dermikrochemische Chip 101 umfasst einen Träger 111 miteinem Kanal 112, der dazu dient, die zu behandelnden Fluidehindurchzuleiten, zwei Zufuhrbereiche 113a und 113b,die dazu dienen, die zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichenin den Kanal 112 zu leiten, Wärmebehandlungsbereiche 114a und114b zum Erwärmender vermischten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung der chemischenReaktionen und einen Sammelbereich 115, aus dem das umgesetzteFluid nach außengeleitet wird. Der Träger 111 umfassteinen Grundkörper 112 miteiner Vertiefung 113 in einer seiner Oberflächen undeiner Abdeckung 121, bei der es sich um ein Abdeckelementhandelt. Der Kanal 112 entsteht, wenn die Oberfläche desGrundkörpers 120 mitder Vertiefung 133 mit der Abdeckung 121 verschlossen wird.
[0136] DerZufuhrbereich 113a umfasst einen Zufuhrkanal 117a,der mit dem Kanal 112 verbunden ist, eine Zufuhröffnung 116a,die an einem Endabschnitt des Zufuhrkanals 117a vorgesehenist, und eine Mikropumpe 118a, die sich in Fließrichtungdes zu behandelnden Fluids in Bezug auf die Verbindungsstelle 122 mitdem Kanal 112 stromaufwärtsbefindet. In gleicher Weise umfasst der Zufuhrbereich 113b einenZufuhrkanal 117b, eine Zufuhröffnung 116b und eineMikropumpe 118b. Die Zufuhröffnungen 116a und 116b sindoffen, sodass das zu behandelnde Fluid von außen in die Zufuhrkanäle 117a und 117b gegossenwerden kann. Die Sammelbereich 115 ist als Öffnung ausgeführt, sodassdas behandelte Fluid von dem Kanal 112 nach außen abgeführt werden kann.
[0137] Heizvorrichtungen 119a und 119b sindin dem Grundkörper 120 anTeilabschnitten der Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b un terdem Kanal 112 vorgesehen. Der Kanal 112 ist inden entsprechenden Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b gebogenund beispielsweise in einer Zickzackform ausgeführt, sodass er mehrmals über dieentsprechenden Heizvorrichtungen 119a und 119b geführt wird.Leitungsmuster (nicht gezeigt) zum Anschluss der Heizvorrichtungen 119a und 119b an eineexterne Stromquelle werden von den jeweiligen Heizvorrichtungen 119a und 119b andie Oberfläche desTrägers 11 geführt. Diejeweiligen Verdrahtungen bestehen aus einem metallischen Material,das einen Wert fürden elektrischen Widerstand besitzt, der kleiner ist als der Wertdes jeweiligen Materials der Heizvorrichtungen 119a und 119b.
[0138] Indem mikrochemischen Chip 101 werden die zu behandelndenFluide von den beiden Zufuhrbereichen 113a und 113b inden Kanal 112 geleitet und vereinigt; der Kanal 112 wirdmit den Heizvorrichtungen 119a und 119b in denWärmebehandlungsbereichen 114a und 114b,falls dies erforderlich ist, auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt, sodassdie beiden Arten von zu behandelnden Fluiden, die zugeführt werden,reagieren, worauf das erhaltene Reaktionsprodukt über denSammelbereich 115 entnommen wird.
[0139] Indieser Ausführungsformumfasst der Träger 111 eineWärmeabstrahlungsplatte 123,die an einer Oberflächedes Grundkörpers 120 gegenüber der Oberfläche befestigtist, an der die Abdeckung 121 befestigt ist, als Wärmeabstrahlungsbereichzur Ableitung der von den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b gebildetenWärme ausdem Träger 111.Die Wärmeabstrahlungsplatte 123 bestehtaus einem Material, dessen Wärmeleitfähigkeitgrößer ist alsdie Leitfähigkeitdes Trägers 111.Wenn der Träger 111 z.B.aus einem keramischen Werkstoff besteht, wird die Wärmeabstrahlungsplatte 123 z.B. ausKupfer, Aluminium, einer Kupfer-Wolfram-Legierung, einer Kupfer-Molybdän-Legierungoder dergleichen hergestellt. Um die Haftung der Wärmeabstrahlungsplatte 123 andem Träger 111 zuerhöhen, wird sievorzugsweise mit einem Binder an dem Träger 111 fixiert, dessenWärmeleitfähigkeithöher istals die Leitfähigkeitdes Trägers 111.Es wird beispielsweise ein Siliconharz ("G750" vonShin-Etsu Chemical Co., Ltd.) als Binder verwendet. Alternativ kann dieWärmeabstrahlungsplatte 123 hartgelötet und über einSchmiermittel mit hoher thermischer Leitfähigkeit befestigt werden, odersie kann überein silberhaltiges Epoxyharz oder Siliconschmiermittel fixiert werden.
[0140] Wenndie Wärmeabstrahlungsplatte 123 auf dieseWeise an dem Träger 111 befestigtwird, wird die von den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b erzeugteWärme vondem Grundkörper 111 über dieWärmeabstrahlungsplatte 123 abgestrahlt. Aufdiese Weise wird verhindert, dass sich die Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b gegenseitig beeinflussenund es wird dadurch eine genaue Temperatureinstellung in jedem Wärmebehandlungsbereich 114a und 114b möglich. Wennzur Herstellung eines Reaktionsprodukts mehrmals chemische Reaktionendurchgeführtwerden, die Erwärmenerfordern, läuftjede chemische Reaktion in zufriedenstellender Weise ab und dasgewünschteReaktionsprodukt kann mit hoher Ausbeute erhalten werden.
[0141] Wennder Wärmeabstrahlungsbereichgebildet wird, indem einfach eine Wärmeabstrahlungsplatte 123 vorgesehenwird, ist er ganz einfach zu realisieren.
[0142] DieWärmeabstrahlungsplatte 123 kannaußerdemmit Durchgangslöchern 123a und 123b in denBereichen gegenüberden Oberflächenbereichendes Trägersin der Näheder entsprechenden Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b versehenwerden. Bei den Oberflächenbereichendes Trägersin der Näheder entsprechenden Wärmebehandlungsbereichehandelt es sich vorzugsweise um Oberflächenbereiche mit dem kürzestenAbstand zu den entsprechenden Wärmebehandlungsbereichen. Wennder Träger 111,wie in den 12A und 12B gezeigt, die Form einerflachen Platte besitzt, sind die Oberflächenbereiche des Trägers vorzugsweisedie Bereiche, die erhalten werden, wenn die Abschnitte der entsprechendenWärmebehandlungsbereiche 114a und 114b senkrechtauf die Oberflächedes Trägers 111 projiziertwerden.
[0143] Mitder Wärmeabstrahlungsplatte 123,die in den Bereichen gegenüberder Oberflächenbereiche desTrägersin der Näheder entsprechenden Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b aufweist, wirddie Wärmeabgabevon den Oberflächenbereichendes Trägers 111 inder Näheder Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b unterdrückt und dievon den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b zuden umgebenden Bereichen geleitete Wärme wird über die Wärmeabstrahlungsplatte 123 aus demTräger 111 abgestrahlt,sodass eine Beeinflussung eines Wärmebehandlungsbereichs 114a und 114b durchden anderen Bereich verhindert werden kann. In jedem Wärmebehandlungsbereich 114a und 114b kanndaher eine ausreichende Wärmemenge gewährleistetwerden, ohne dass sie durch den jeweils anderen Wärmebehandlungsbereich 114b oder 114a beeinträchtigt werden,sodass eine fürdie chemische Reaktion geeignete Temperatur gehalten werden kann.Das Reaktionsprodukt fälltdaher in einer hohen Ausbeute an.
[0144] DieWärmeabstrahlungsplatte 123 istaußerdemvorzugsweise in ihrem Bereich zwischen den Durchgangslöchern 123a und 123b dickerals in dem anderen Bereich. In diesem Fall ist die Wärmeemissionsfähigkeitin dem Bereich der Wärmeabgabeplatte 123,der sich zwischen den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b befindet,noch größer und eskann in effizienter Weise verhindert werden, dass die Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b sich gegenseitigthermisch beeinflussen.
[0145] Wiein der vorhergehenden Ausführungsformliegt der Querschnitt des Kanals 112 und der Zufuhrkanäle 117a und 117b vorzugsweiseim Bereich von 2,5·10^–3 bis1 mm², damit die Proben, Reagentien oderReinigungsflüssigkeitenin effektiver Weise aus den Zufuhrbereichen 113a und 113b zugeführt werdenkönnen.
[0146] ZurVerminderung der Größe des mikrochemischenChip kann wie in der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in Bezug auf dieVerbindungsstelle 122, an der der Kanal 112 mitden Zufuhrbereichen 113a und 113b verbunden wird,in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts ein Mischbereich zum Mischender zu behandelnden Fluide vorgesehen werden.
[0147] DurchAusbilden des Mischbereichs zwischen der Verbindungsstelle 122 undder Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b sinddie vereinigten, zu behandelnden Fluide in ausreichender Weise vermischtworden, wenn sie an den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b ankommen.Wenn eine Verbindung, die als Ausgangsmaterial dient, aus dem Zufuhrbereich 113a undein Reagens aus dem Zufuhrbereich 113b zugeführt wirdund die Verbindung und das Reagens vereinigt und durch Erwärmen mitden Heizvorrichtungen 119a und 119b der Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b umgesetztwerden, könnendie Verbindung und das Reagens also beispielsweise dann erwärmt werden, wennsie bereits ausreichend vermischt sind. Es ist daher möglich, dieVerbindung in effizienter Weise mit dem Reagens umzusetzen und dieAusbeute des Reaktionsprodukts, das über den Sammelbereich 114 entnommenwird, zu erhöhen.
[0148] AlsGrundkörper 120 kannein Grundkörper auseinem keramischen Werkstoff, Silicium, Glas oder einem Harz verwendetwerden, wobei von diesen vorzugsweise wie in der vorhergehendenAusführungsformein Grundkörperaus einem keramischen Material bevorzugt wird.
[0149] Wiein der vorhergegangenen Ausführungsformkann die Abdeckung 121 aus Glas oder einem keramischenWerkstoff bestehen, vorzugsweise wird für die Abdeckung 121 jedochGlas verwendet, da so der Mischungszustand oder Reaktionszustandder zu behandelnden Fluide visuell überprüft werden kann.
[0150] Ausden selben Gründenwie in der vorhergehenden Ausführungsformliegt der Querschnitt des Kanals 112 und der Zufuhrkanäle 117a und 117b vorzugsweiseim Bereiche von 2,5·10^–3 bis1 mm², um die Proben, Reagentien oder Reinigungsflüssigkeiten,die überdie Zufuhrbereiche 113a und 113b zugeführt werden,in effizienter Weise zuzuführenund zu vermischen.
[0151] Wiein der vorangegangenen Ausführungsformliegt die Breite w des Kanals 112 und der Zufuhrkanäle 117a und 117b vorzugsweiseim Bereich von 50 bis 1000 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μm.Wie in der vorangegangenen Ausführungsform beträgt die Tiefed des Kanals 112 und der Zufuhrkanäle 117a und 117b vorzugsweise50 bis 100 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μmund liegt innerhalb des oben beschriebenen bevorzugten Bereichsfür denQuerschnitt. Wenn die Querschnittsform des Kanals 112 undder Zufuhrkanäle 117a und 117b rechteckigist, ist wie in der vorhergegangenen Ausführungsform das Verhältnis vonBreite (längereSeite) und Tiefe (kürzereSeite) vorzugsweise LängekürzereSeite/LängelängererSeite ≥ 0,4und noch bevorzugter Längeder kürzerenSeite/Längeder längeren Seite ≥ 0,6. Wenndas VerhältnisLänge derkürzeren Seite/Länge derlängerenSeite < 0,4 ist,wird der Druckverlust zu groß,wodurch es zu Problemen bei der Zufuhr der Fluide kommt. Die Umfangsgröße des mikrochemischenChip 101 ist beispielsweise so, dass die Breite A etwa40 mm, die Tiefe B etwa 70 mm und die Höhe C etwa 1 bis 2 mm beträgt, dieErfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt und es kann eine geeigneteUmfangslinie in Abhängigkeit vonden Erfordernissen gewähltwerden.
[0152] Dermikrochemische Chip 101 kann nach dem Gebrauch wiederverwendetwerden, wenn der mikrochemischen Chip gereinigt wird, indem eine Reinigungsflüssigkeit über dieZufuhrbereiche 113a und 13b zugeführt wird.
[0153] ImFolgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des in den 12A und 12B gezeigten mikrochemischen Chip 101 beschrieben.In dieser Ausführungsformbesteht der Grundkörper 120 auseinem keramischen Werkstoff. Die 13A und 13B zeigen in der Draufsichtdie bearbeiteten keramischen Grünkörper 131 bzw. 132. 14 zeigt die keramischen Grünkörper 131 und 132 imlaminierten Zustand im Querschnitt.
[0154] Zunächst werdenein geeigneter organischer Binder und ein Lösungsmittel mit einem Rohstoffin Pulverform vermischt, erforderlichenfalls werden ein Weichmacheroder ein Dispergiermittel eingearbeitet, und aus dem Gemisch wirdein Slurry gebildet. Anschließendwird der Slurry durch Walzenauftrag, Kalandrieren oder dergleichenzur Platte geformt. Auf diese Weise wird ein keramischer Grünkörper (auch als" keramischer Rohling" bezeichnet) gebildet.Als Rohmaterial in Pulverform können,wenn der Grundkörper 120 auseinem gesinterten Aluminiumoxidwerkstoff besteht, beispielsweiseAluminiumoxid, Siliciumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid und dergleichenverwendet werden.
[0155] Indieser Ausführungsformwerden zwei der gebildeten keramischen Grünkörper verwendet, um den Grundkörper 120 zubilden. Zunächstwird wie in 13A gezeigt,die Vertiefung 133 geformt, indem die Oberfläche desersten keramischen Grünkörpers 131 durchPressen mit einem Muster versehen wird. In diesem Fall wird eineMustervorlage mit einer Form verwendet, auf die die gewünschte Formder Vertiefung 133 übertragenwurde. Im Übrigenkann durch Verwendung einer Mustervorlage, mit der in einem Bereich,der einer vorgegebenen Wandoberfläche entspricht, als Form derVertiefung 133 eine unebene Form übertragen wird, in dem Wandbereich derVertiefung eine Unebenheit ausgebildet werden, die den unebenenBereich bildet, der als oben beschriebener Mischbereich dient.
[0156] DerPressdruck zum Versehen des Slurry mit dem Muster wird in Abhängigkeitvon der Viskosität desSlurry vor dem Formen des keramischen Grünkörpers angepasst. Wenn die Viskosität des Slurry beispielsweise1 bis 4 Pa·sbeträgt,wird ein Druck von 2,5 bis 7 MPa auf den Slurry ausgeübt. Hinsichtlichdes Materials der Mustervorlage gibt es keine speziellen Beschränkungen,es könneneine metallische Mustervorlage oder eine Mustervorlage aus Holzverwendet werden.
[0157] Wiein 13B gezeigt ist,werden die Heizvorrichtungen 119a und 119b unddie Leitungsmuster 134a, und 134b für die externeStromversorgung an der Oberflächedes keramischen Grünkörpers 132 gebildet,indem eine leitfähigePaste in einer vorgegebenen Form durch Siebdruck oder dergleichen aufgebrachtwird. Die Leitungsmuster 134a und 134b, die dieHeizvorrichtungen 119a und 119b bilden, sind inden Bereichen, die den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b entsprechen,gebogen und beispielsweise in einer Zickzackform ausgeführt. DieleitfähigePaste kann hergestellt werden, indem ein pulverförmiges metallisches Material,wie Wolfram, Molybdän,Mangan, Kupfer, Silber, Nickel, Palladium oder Gold mit einem geeignetenorganischen Binder und Lösungsmittelvermischt wird. Als leitfähigePaste, aus der die Leitungsmuster 134a und 134b hergestelltwerden, die die Heizvorrichtungen 119a und 119b bilden,wird eine leitfähigePaste verwendet, in der 5 bis 30 Gew.-% keramisches Pulver zu einemoben beschriebenen metallischen Material in Pulverform hinzugefügt wird,sodass nach dem Brennen ein vorgegebener Wert für den elektrischen Widerstanderhalten wird.
[0158] Wiein 14 gezeigt, wirdder keramische Grünkörper 131,in dem die Vertiefung 133 ausgebildet wurde, auf die Oberfläche deskeramischen Grünkörpers 132 laminiert,in dem die Leitungsmuster 134a und 134b ausgebildetsind, die die Heizvorrichtungen 119a und 119b bilden.Die laminierten keramischen Grünkörper 131 und 132 werdenbei einer Temperatur von etwa 1600 °C gesintert. Auf diese Weisewird der in den 12A und 12B gezeigte Grundkörper 120 gebildet.
[0159] 15 zeigt einen vereinfachtenAufbau der Abdeckung 121 in der Draufsicht. Wie in der 15 gezeigt, werden Durchgangslöcher 142a, 142b und 143,die mit der Vertiefung 133 des in 13A gezeigten keramischen Grünkörpers 131 inVerbindung stehen, in einem Substrat 141, das beispielsweise ausGlas oder einem keramischen Werkstoff besteht, in vorgegebenen Positionengebildet, wobei sie als Zufuhröffnungen 116a und 116b undals Sammelbereich 115 dienen, wodurch die Abdeckung 121 erhaltenwird.
[0160] DieAbdeckung 121 wird mit der Oberfläche verbunden, an der sichdie Vertiefung 133 des Grundkörpers 120 befindet.Die Abdeckung 121 und der Grundkörper 120 werden beispielsweisedurch Erwärmenund Pressen verbunden, wenn die Abdeckung 121 aus Glasbesteht, oder mit einem Glaskleber geklebt, wenn die Abdeckung 121 auseinem keramischen Werkstoff gefertigt ist.
[0161] Invorgegebenen Positionen an der Oberfläche der Abdeckung 121 werdenpiezoelektrische Materialien 144a und 144b angebracht,beispielsweise Blei-Zirconat-Titanat (PZT; chemische Formel: Pb(Zr, Ti)O₃), und es wurden Leitungen (nicht gezeigt)zum Anlegen von Spannung an die piezoelektrischen Materialien 144a und 144b ausgebildet.Die piezoelektrischen Materialien 144a und 144b können dieAbdeckung 121 oberhalb der Zufuhrkanäle 117a und 117b entsprechendder angelegten Spannung durch Expansion oder Kon traktion vibrierenlassen, d. h. Mikropumpen 118a und 118b zur Zufuhrder Fluide könnengebildet werden, indem die piezoelektrischen Materialien 144a und 144b über denZufuhrleitungen 117a und 117b an der Abdeckung 121 angebracht werden.
[0162] 16 zeigt die Wärmeabstrahlungsplatte 123 inder Draufsicht. Die Wärmeabstrahlungsplatte 123 istein Bauelement in der Form einer rechteckigen flachen Platte, diedie gleiche Größe wie dieflache Form des Grundkörpers 120 hat;sie weist rechteckige Durchgangslöcher 123a und 123b anden Stellen auf, die den Wärmebehandlungsbereichen 114a bzw. 114b (siehe 12A), die in rechteckigen Formenausgeführtsind, entsprechen. Nachdem der Grundkörper 120 und die Abdeckung 121 laminiert sind,wird die Wärmeabstrahlungsplatte 123 aufder Oberflächedes Grundkörpers 120 angebracht,die der Oberflächegegenüberliegt,an der die Abdeckung 121 laminiert wurde, wobei zum Anbringenein Binder wie beispielsweise ein Siliconharz verwendet wird.
[0163] Aufdiese Weise wird der in den 12A und 12B gezeigte mikrochemischeChip 101 erhalten. Also kann der mikrochemische Chip 101,der die Wärmeabstrahlungsplatte 123 enthält, dieden Wärmeabstrahlungsbereichzur Abgabe der Wärmevon den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b ausdem Träger 111 aufweist,hergestellt werden, indem der Grundkörper 120 und die Abdeckung 121 laminiertwurden und anschließenddie Wärmeabstrahlungsplatte 123 angebrachtwird.
[0164] Indieser Ausführungsformwird der Grundkörper 120 gebildet,indem die laminierte Struktur aus dem keramischen Grünkörper 131,in dessen Oberflächedie Vertiefung 133 durch Aufpressen der Mustervorlage gebildetist, und aus dem keramischen Grünkörper 132,in dem Leitungsmuster 134a und 134b ausgebildetsind, die die Heizvorrichtungen 119a und 119b bilden,gesintert wird, wobei der Träger 111 mitdem Kanal 112 gebildet wird, indem die Vertiefung 133 inder Oberflächedes Grundkörpers 120 mitder Abdeckung 121 versehen wird. Der mikrochemische Chip 101 kannalso durch einfache Bearbeitung hergestellt werden, ohne dass eserforderlich ist, komplizierte Arbeitsgänge wie Ätzen durchzuführen, dienotwendig sind, wenn ein Kanal in einem Träger 111 aus Silicium,Glas oder Harz gebildet werden soll.
[0165] Fernerkann in dem mikrochemischen Chip 151 gemäß der viertenAusführungsformder Erfindung statt der Wärmeabstrahlungsplatte 123 eine Vertiefung 124 ineinem Bereich vorgesehen werden, der sich, wie in den 17A und 17B gezeigt, an der Rückseite des Grundkörpers 120 (gegenüber der Oberfläche, andem die Abdeckung 121 angebracht ist) zwischen den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b befindet.
[0166] DieVertiefung 124 kann überdie gesamte Breite des Grundkörpers 120 (wiein den 17A und 17B gezeigt) ausgebildetwerden, sie kann jedoch auch als Vertiefung nur über einen Teil der Breite desGrundkörpers 120 verlaufen.Wenn die Vertiefung 124 nur über einen Teil der Breite ausgebildet wird,wird die Vertiefung vorzugsweise in einem Bereich ausgebildet, derwie ein Gürtelangrenzend an die Wärmebehandlungsbereiche 114a und 114b verläuft. DieForm der Vertiefung 124, die über einen Teil der Breite ausgebildetist, ist im Übrigennicht auf ein schmales Rechteck beschränkt, es kann auch die Formeiner Ellipse oder eines Kreises haben. Die Form der Vertiefung 124 istnicht speziell beschränkt, solangeein freier Raum in dem gürtelartigenBereich neben den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b existiert.
[0167] Dadie Vertiefung 124, die als Wärmeabstrahlungsbereich dient,in dem Bereich zwischen den Wärmebehandlungsbereichen 114a und 114b ausgebildetwird, wird die Wärme,die von jedem Wärmebe handlungsbereich 114a und 114b inRichtung des anderen Bereichs abgegeben wird, von der Wandoberfläche, denWandoberflächenund der Bodenflächeder Vertiefung 124 aus dem Träger 111 abgestrahlt.Entsprechend werden wie durch Befestigen der Wärmeabstrahlungsplatte 123 diegleichen Vorteile erzielt.
[0168] Dader Wärmeabstrahlungsbereichin dem Grundkörper 120,der den Träger 111 bildet,als Vertiefung 124 ausgeführt ist, kann der mikrochemische Chip 151 imAufbau schmaler und im Gewicht leichter werden als dies der Fallist, wenn eine separate Komponente wie die Wärmeabstrahlungsplatte 123 verwendetwird.
[0169] 18A zeigt die Grundkonstruktiondes mikrochemischen Chip 201 nach der fünften Ausführungsform der Erfindung inder Draufsicht, 18B istein Querschnitt des mikrochemischen Chip 201 entlang derin 18A gezeigten SchnittlinienXIII-XIII, XIV-XIV und XV-XV. In 18B istder teilweise Schnitt entlang der Schnittlinien XIII-XIII, XIV-XIV undXV-XV in dieser Reihenfolge dargestellt.
[0170] Dererfindungsgemäße mikrochemische Chip 201 besitzteinen Träger 211 auseinem keramischen Werkstoff oder dergleichen, einen Kanal 212, zweiZufuhrbereiche 213a und 213b, einen Wärmebehandlungsbereich(Reaktionsbereich) 214 und einen Sammelbereich 215,die an der Oberflächedes Trägers 211 vorgesehensind. Der Zufuhrbereich 213a umfasst einen Zufuhrkanal 217a,der mit dem Kanal 212 verbunden ist, eine Zufuhröffnung 216a, diean einem Ende des Zufuhrkanals 217a vorgesehen ist, undeine Mikropumpe 218a, die über dem Zufuhrkanal 217a angebrachtist. In gleicher Wiese umfasst der Zufuhrbereich 213b einenZufuhrkanal 217b, der mit dem Kanal 212 verbundenist, eine Zufuhröffnung 216b,die an einem Endabschnitt des Zufuhrkanals 217b vorgesehenist und eine Mikropumpe 218b, die über dem Zufuhrkanal 217b angebracht ist.Die Zufuhröffnungen 216a und 216b sindoffen, sodass das zu be handelnde Fluid von außen in die Zufuhrkanäle 217a und 217b gegossenwerden kann. Der Sammelbereich 215 ist als Öffnung ausgeführt, sodassdas behandelte Fluid von dem Kanal 212 nach außen abgeführt werdenkann. Der Wärmebehandlungsbereich 214 liegtin Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts der Verbindungsstelle 222,an der zwei Zufuhrbereiche 213a und 213b mit demKanal 212 verbunden sind.
[0171] EineHeizvorrichtung 219 ist in dem Träger 211 an einem Teildes Wärmebehandlungsbereichs 214 unterdem Kanal 212 vorgesehen, wobei der Wärmebehandlungsbereich als Reaktionsbereich dient.Der Kanal 212 in dem Wärmebehandlungsbereich 214 istgebogen und beispielsweise in Zickzackform ausgeführt, sodasser mehrmals überdie Heizvorrichtung 219 geführt wird. Eine Verdrahtung (nichtgezeigt) zum Anschluss der Heizvorrichtung 219 an eineexterne Stromquelle ist von der Heizvorrichtung 219 andie Oberflächedes Trägers 211 geführt. DieVerdrahtung besteht aus einem metallischen Material, das einen Wertdes elektrischen Widerstands unter dem Wert des Materials der Heizvorrichtung 219 besitzt.
[0172] Indem mikrochemischen Chip 201 werden die zu behandelndenFluide von den beiden Zufuhrbereichen 213a und 213b inden Kanal 212 geleitet und vereinigt, und der Kanal 212 wirdmittels der Heizvorrichtung 219 in dem Wärmebehandlungsbereich 214 aufeine vorgegebene Temperatur erwärmt, sodassdie beiden Arten von zugeführten,zu behandelnden Fluide reagieren, worauf das erhaltene Reaktionsprodukt über denSammelbereich 215 entfernt wird.
[0173] Gemäß der Erfindungwird eine Wärmeabstrahlungsplatte 220,die eine äußere Abmessung aufweist,die kleiner ist als die Abmessung der Heizvorrichtung 219,und eine äußere Formbesitzt, die der Form der Heizvorrichtung 219 ähnelt, ineinem Bereich der unteren Oberflächedes Trägers 211 angebracht,der sich unter der Heizvorrich tung 219 befindet, d. h.auf der Oberflächedes Trägers 211,die sich in der Näheder Heizvorrichtung 219 und gegenüber der Heizvorrichtung 219 befindet.Die Wärmeabstrahlungsplatte 220 dientdazu, die Temperatur in dem Wärmebehandlungsbereich 214 gleichförmig zu verteilen.Da die Wärmeabstrahlungsplatte 220 kleinerist als die Heizvorrichtung 219 und eine ähnliche Formwie die Heizvorrichtung 219 besitzt, wird die Wärmeemissionsfähigkeitdes zentralen Bereichs der Heizvorrichtung 219 verbessertund die Temperaturdifferenz zwischen dem zentralen Bereich und den äußeren Randbereichender Heizvorrichtung 219 kann in effektiver Weise verkleinertwerden. Als Ergebnis kann die Temperaturverteilung des Wärmebehandlungsbereichs 214 ganzpräzisegleichförmig gemachtwerden.
[0174] DieFlächeder Wärmeabstrahlungsplatte 220 inder Ebene sollte im Übrigenvorzugsweise 50 bis 90 % der Flächeder Heizvorrichtung 219 in der Ebene gesehen ausmachen.Die Temperaturdifferenz zwischen dem zentralen Bereich und den äußeren Randbereichender Heizvorrichtung 219 wird dadurch noch kleiner, mitdem Ergebnis, dass die Temperatur des Reaktionsbereiches noch gleichförmiger undgenauer eingestellt werden kann. Wenn der Bereich der Wärmeabstrahlungsplatte 220 inebener Ansicht weniger als 50 % der Fläche der Heizvorrichtung 219 inebener Ansicht ausmacht, sinkt die Wärmeemissionsfähigkeitdes zentralen Bereichs der Heizvorrichtung 219 und es wirdschwierig, die Temperaturdifferenz zwischen dem zentralen Bereichund den äußeren Randbereichender Heizvorrichtung 219 klein zu halten. Wenn die Fläche derWärmeabstrahlungsplatte 220 inebener Ansicht 90 % der Flächeder Heizvorrichtung 219 in ebener Ansicht übersteigt, ähnelt dieWärmeabstrahlungder Abstrahlung einer Wärmeabstrahlungsplatte 220,die die gleiche Größe wie dieHeizvorrichtung 219 hat; die Wärmeemissionsfähigkeitendes zentralen Bereichs und der äußeren Randbereicheder Heizvorrichtung 219 entsprechen sich dann im Wesentlichen.Die Temperatur des äußeren peripherenBereichs, von dem die Wärmedurch Diffusion leicht abgegeben werden kann, wird kleiner und eswird schwierig, den Temperaturunterschied zwischen dem zentralenBereich und dem äußeren peripherenBereich der Heizvorrichtung 219 klein zu halten.
[0175] Für den mikrochemischenChip 201a gemäß der sechstenAusführungsformder Erfindung kann die Wärmeabstrahlungsplatte 220A soausgeführt werden,dass Wärmeabstrahlungsplatten 220a, 220b und 220c vonunterschiedlicher Größe wie in 19 gezeigt miteinander kombiniertwerden. Die Wärmeabstrahlungsplatten 220a, 220b und 220c bestehen beispielsweiseaus Kupferplatten von jeweils 1,5 mm Dicke, und sie werden mit demTräger 211z.B. mithilfe eines Siliconharzes von hoher thermischer Leitfähigkeit(beispielsweise "G750" von Shin-Etsu ChemicalCo., Ltd.) verbunden. Die Wärmeabstrahlungsplatte 220 bestehtaus der Wärmeabstrahlungsplatte 220a,die in dem Bereich der unteren Oberfläche des Trägers 211 angeordnetist, der sich unter dem zentralen Bereich der Heizvorrichtung 219 befindet,und den Wärmeabstrahlungsplatten 220b und 220c,die um die Wärmeabstrahlungsplatte 220a herumangeordnet sind. Die Flächender Wärmeabstrahlungsplatten 220a, 220b und 220c sindin der Reihenfolge der Wärmeabstrahlungsplatte 220a,der Wärmeabstrahlungsplatten 220b undder Wärmeabstrahlungsplatten 220c größer. Somitkann die Wärmeemissionsfähigkeitdes zentralen Bereichs der Heizvorrichtung 219 größer werdenals die Wärmeemissionsfähigkeitder äußeren Randbereicheund die Temperatur des Wärmebehandlungsbereichs 214 kann gleichförmig undgenau eingestellt werden.
[0176] ImFalle der 19 nehmendie Wärmeemissionsfähigkeitengenauer in der Reihenfolge der Wärmeabstrahlungsplatten 229c,welche an den vier Ecken der Heizvorrichtung 219 angeordnetsind, der Wärmeabstrahlungsplatten 220b,die sich an den vier Seiten der Heizvorrichtung 219 befinden,und der Wärmeabstrahlungsplatte 220a,die sich unter dem zentralen Bereich der tetragonalen Heizvorrichtung 219 befindet,zu.
[0177] ImFalle der 19 kann dieGesamtfläche derWärmeabstrahlungsplatten 220a, 220b und 220c 50bis 90 % der Flächeder Heizvorrichtung 219 betragen.
[0178] Wennein Fluid, das eine als Ausgangsmaterial dienende Verbindung enthält, ausdem Zufuhrbereich 213a eingeleitet wird, ein Fluid, dasein Reagens enthält,aus dem Zufuhrbereich 213b eingeleitet wird und der Kanal 212 indem Wärmebehandlungsbereich 214 durchdie Heizvorrichtung 219 erwärmt wird, kann eine Verbindungsynthetisiert und die erhaltene Verbindung über den Sammelbereich 215 entnommenwerden. Wenn ein Nachweisbereich an dem Sammelbereich 215 oderin Bezug auf den Sammelbereich 215 in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromaufwärts vorgesehen ist, kann dasReaktionsprodukt einer chemischen Reaktion oder einer biochemischenReaktion, beispielsweise einer Antigen-Antikörper-Reaktion oder einer enzymatischenReaktion nachgewiesen werden.
[0179] Dermikrochemische Chip 201 kann nach der Verwendung wiederverwendetwerden, wenn er gereinigt wird, indem eine Reinigungsflüssigkeitin die Zufuhrbereiche 213a und 213b zugeführt wird.
[0180] Ausden selben Gründenwie in der vorhergehenden Ausführungsformliegt der Querschnitt des Kanals 212 und der Zufuhrkanäle 217a und 217b vorzugsweiseim Bereich von 2,5·10^–3 bis1 mm², um die Proben, Reagentien oder Reinigungsflüssigkeiten, die über dieZufuhrbereiche 213a und 213b zugeführt werden,in effizienter Weise zuzuführenund zu vermischen.
[0181] Wiein der vorangegangenen Ausführungsformliegt die Breite w des Kanals 212 und der Versorgungskanäle 217a und 217b vorzugsweise imBereich von 50 bis 1000 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μm.Wie in der vorangegangenen Ausführungsformbeträgtdie Tiefe d des Kanals 112 und der Zufuhrkanäle 217a und 217b vorzugsweise50 bis 1000 μmund noch bevorzugter 100 bis 500 μmund liegt innerhalb des oben beschriebenen, bevorzugten Bereichsfür denQuerschnitt. Wenn die Querschnittsform des Kanals 212 undder Zufuhrkanäle 217a und 217b rechteckigist, ist wie in der vorhergegangenen Ausführungsform das Verhältnis vonBreite (längere Seite)und Tiefe (kürzereSeite) vorzugsweise Länge kürzere Seite/Länge längere Seite ≥ 0,4 und nochbevorzugter Längeder kürzerenSeite/Längeder längerenSeite ≥ 0,6.Wenn das Verhältnisder Längeder kürzerenSeite zu der Längeder längerenSeite < 0,4 ist,wird der Druckverlust zu groß,wodurch Probleme bei der Zufuhr der Fluide auftreten.
[0182] DieUmfangsgröße des mikrochemischen Chip 201 istbeispielsweise so, dass die Breite A etwa 40 mm, die Tiefe B etwa70 mm und die HöheC etwa 1 bis 2 mm beträgt,die Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt und es kann eine geeigneteUmfangsgröße in Abhängigkeitvon den Erfordernissen gewähltwerden.
[0183] Wieoben beschrieben wurde, besitzt der mikrochemische Chip 1, 51, 101, 151, 201 und 201a gemäß der erstenbis sechsten Ausführungsformzwei Zufuhrbereiche 13a und 13b; 63a und 63b; 113a und 113b; 213a und 213b,es könnenaber drei oder mehr Zufuhrbereiche vorgesehen werden; der Chip ist nichtauf den exemplarischen Aufbau festgelegt. Wenn zwei oder mehr Zufuhrbereichevorgesehen werden, müssensie nicht an einem einzigen Punkt zusammenlaufen, sie können anverschiedenen Stellen des Kanals 12, 62, 112 und 212 einmünden. Im Falleder ersten Ausführungsformder Erfindung sind die Zufuhrkanäleder entsprechenden Zufuhrbereiche mit Heizvorrichtungen zum Erwärmen derzu behandelnden Fluide, die durch die entsprechenden Kanäle fließen, versehen.
[0184] Beider zweiten Ausführungsformder Erfindung kann, wenn mehrere Zufuhrbereiche an verschiedenenStellen mit dem Kanal 62 verbunden sind, der aufgeweiteteBereich 62a zwischen dem Wärmebehandlungsbereich 64 undder Verbindungsstelle an der in Flussrichtung der zu behandelnden Fluideam weitesten stromabwärtsgelegenen Stelle vorgesehen werden.
[0185] Inden Fällender fünftenund sechsten Ausführungsformder Erfindung ist die Heizvorrichtung 219 so ausgeführt, dasssie sich an einer Stelle befindet, derartige Heizvorrichtungen können aberan zwei oder mehr Stellen vorgesehen werden, der Chip ist nichtauf den exemplarischen Aufbau festgelegt. Eine komplizierte Reaktionkann also gesteuert werden, indem drei oder mehr Zufuhrbereicheund Heizvorrichtungen an zwei oder mehr Stellen vorgesehen werden.
[0186] Im Übrigen istder mikrochemische Chip 1, 51, 101, 151, 201 und 201a derersten bis sechsten Ausführungsformmit Sammelbereichen 15, 65, 115 und 215 ausgestattet, über diedas Reaktionsprodukt entfernt wird. Wenn ein Nachweisbereich andem Sammelbereich 15, 65, 115 und 215 oderin Bezug auf den Sammelbereich 15, 65, 115 und 215 inFließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts vorgesehen wird, kann dasReaktionsprodukt einer chemischen Reaktion oder einer biochemischenReaktion, beispielsweise einer Antigen-Antikörper-Reaktion oder einer enzymatischenReaktion, nachgewiesen werden.
[0187] Inder ersten bis sechsten Ausführungsform istder Aufbau mit den Mikropumpen 18a und 18b; 68a und 68b; 118a und 118b; 218a und 218b soausgeführt,dass Einrichtungen zur Fluidzufuhr vorhanden sind, es ist jedochauch möglich,einen Aufbau vorzusehen, in dem die Mikropumpen 18a und 18b; 68a und 68b; 118a und 118b; 218a und 218b nicht vorhandensind. In diesem Fall könnendie zu be handelnden Fluide von den Zufuhröffnungen 16a und 16b; 66a und 66b; 116a und 116b; 216a und 216b so zumSammelbereich 15, 65, 115 und 215 geführt werden,dass die zu behandelnden Flüssigkeiten nachdem Einfüllenin den Zufuhröffnungen 16a und 16b; 66a und 66b; 116a und 116b; 216a und 216b durchMikrospritzen oder dergleichen vorwärtsgetrieben werden. Alternativkönnendie zu behandelnden Fluide zugeführtwerden, indem sie eingefülltund durch außenangebrachte Pumpen oder dergleichen unter Druck gesetzt werden.Die zu behandelnden Fluide könnenferner so zugeführtwerden, dass die Fluide nach dem Einfüllen von den Zufuhröffnungen 16a und 16b; 66a und 66b; 116a und 116b; 216a und 216b durcheine Mikrospritze oder dergleichen von dem Sammelbereich 15, 65, 115 und 215 abgezogen werden,der durch die Öffnungverkörpertwird.
[0188] DieAbdeckung 21, 71 und 121 ist zwar mit demGrundkörper 20, 70 und 120 verbunden,sie kann jedoch auch lösbaran dem Grundkörper 20, 70 und 120 angebrachtsein; eine feste Verbindung ist nicht zwingend. Es ist beispielsweiseein Aufbau denkbar, in dem zwischen dem Grundkörper 20, 70 und 120 undder Abdeckung 21, 71 und 121 ein Silicongummioder dergleichen angebracht ist und auf den gesamten mikrochemischenChip Druck ausgeübtwird.
[0189] Beidem Verfahren zur Herstellung des mikrochemischen Chip 1 gemäß der erstenAusführungsformbesteht der Grundkörper 20 auszwei keramischen Grünkörpern, nämlich demkeramischen Grünkörper 31 mitder Vertiefung 33 und dem keramischen Grünkörper 32 mitden Leitungsmustern 34, 35a und 35b für die entsprechendenHeizvorrichtungen 19, 23a und 23b, derGrundkörperkann jedoch aus drei oder mehr keramischen Grünkörpern ausgeführt sein;er ist nicht auf die exemplarisch angegebene Konstruktion festgelegt.
[0190] Indem Verfahren zur Herstellung des mikrochemischen Chip 51 gemäß der zweitenAusführungsformwird der Grundkörper 70 durchzwei keramische Grünkörper gebildet,nämlichdem keramischen Grünkörper 81 mitder Vertiefung 83 und dem keramischen Grünkörper 82 mitdem Leitungsmuster 84 fürdie Heizvorrichtung 69, erkann jedoch auch aus drei odermehr keramischen Grünkörpern bestehen,ohne auf diese exemplarisch angegebene Konstruktion festgelegt zusein.
[0191] Beidem Verfahren zur Herstellung des mikrochemischen Chip 101 und 151 gemäß der dritten undvierten Ausführungsformbesteht der Grundkörper 120 auszwei keramischen Grünkörpern, nämlich demkeramischen Grünkörper 131 mitder Vertiefung 133 und dem keramischen Grünkörper 132 mitden Leitungsmustern 134a und 134b für die entsprechendenHeizvorrichtungen 119a und 119b, der Grundkörper kannjedoch aus drei oder mehr keramischen Grünkörpern ausgeführt sein;er ist nicht auf die exemplarisch angegebene Konstruktion festgelegt.
[0192] Indem Verfahren zur Herstellung des mikrochemischen Chip 1, 51, 101 und 151 gemäß der erstenbis zur vierten Ausführungsformwerden der Träger 11, 61 und 111 sogebildet, dass der keramische Grünkörper 31, 81 und 131 mitder Vertiefung 33, 83 und 133 gesintertwird, wobei die Oberflächedes keramischen Grünkörpers 31, 81 und 131 ungeschützt ist,wodurch der Grundkörper 20, 70 und 120 gebildet wird,worauf dessen Vertiefung 33, 83 und 133 inder Oberflächedes Grundkörpers 20, 70 und 120 mitder Abdeckung 21, 71 und 121 verschlossenwird. Man ist jedoch auf das oben angegebene Verfahren nicht festgelegtund es wäreauch möglich,den Grundkörperso zu formen, dass ein keramischer Grundkörper mit Durchgangslöchern, dieden Durchgangslöchern derAbdeckung 21, 71 und 121 ähnlich sindund mit der Vertiefung 33, 83 und 133 kommunizieren,zusätzlichauf die Oberflächedes keramischen Grünkörpers 31, 81 und 131 laminiertwird und dann die resultierende laminierte Struktur gesintert wird.Wenn der Träger 11, 61 und 111 indieser Weise gebildet wird, muss keine Abdeckung 21, 71 und 121 mehr angebrachtwerden, nachdem der Grundkörper 20, 70 und 120 gebildetist, und daher kann die Produktivität verbessert werden. Wenn PZToder ähnlichekeramische piezoelektrische Materialien wie oben angegeben für die piezoelektrischenMaterialien 44a und 44b; 94a und 94b; 144a und 144b,die die Mikropumpen 18a und 18b; 68a und 68b; 118a und 118b bilden,verwendet werden, ist es möglich,die keramischen piezoelektrischen Materialien an vorgegebenen Positionenauf einem keramischen Grünkörper anzubringen,der Durchgangslöcheraufweist, die mit der Vertiefung 33, 83, 133 inVerbindung stehen, und den keramischen Grünkörper gleichzeitig mit den keramischenGrünkörpern zusintern.
[0193] Dererfindungsgemäße mikrochemischen Chipkann fürverschiedene Anwendungen eingesetzt werden, wie Tests auf Viren,Bakterien oder Flüssigkeitskomponentenin Körperflüssigkeitenwie Blut, Speichel und Urin mit einem Reagens, Vitalreaktionsexperimentemit Viren, Bakterien oder medizinischen Fluiden und Körperzellen,Reaktionsexperimente mit Viren oder Bakterien und medizinischen Fluiden,Reaktionsexperimente mit Viren oder Bakterien und anderen Virenoder Bakterien, Blutidentifikation, Abtrennung und Extraktion oderZersetzung von Genen mit medizinischen Fluiden, Abtrennung und Extraktiondurch Fällenoder dergleichen einer chemischen Substanz in Lösung, Zersetzung einer chemischenSubstanz in Lösungund Mischen von mehreren medizinischen Fluiden, und er kann zumZwecke anderer Vitalreaktionen oder chemischer Reaktionen eingesetztwerden.
[0194] DieKomponenten der oben angegebenen Ausführungsformen können nachden Kenntnissen des Fachmanns zur Umsetzung der Erfindung in der Praxisin geeigneter Weise kombiniert werden.
[0195] DieErfindung kann durch andere spezielle Ausführungsformen umgesetzt werden,wenn der Umfang und/oder die wesentlichen Eigenschaften der Erfindungnicht verlassen werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher injeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu verstehen,wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die vorstehendeBeschreibung angegeben wird; alle Änderungen, die innerhalb desBedeutungsinhalts und des Äquivalenzbereichsder Ansprücheliegen, sollen hiermit eingeschlossen sein.

权利要求:
Claims (17)
[1] Mikrochemischer Chip (1) umfassend: einenTräger(11) mit einem Kanal (12), der ausgebildet ist,die zu behandelnden Fluide hindurchfließen zu lassen, eine Mehrzahlvon Zufuhrbereichen (13a, 13b), die mit dem Kanal(12) verbunden und so ausgebildet sind, dass die zu behandelndenFluide jeweils in den Kanal (12) geleitet werden, wobeidie zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen (13a, 13b)in den Kanal (12) geleitet werden und wobei die zu behandelnden,eingeleiteten Fluide vereinigt werden, um sie einer vorher festgelegtenBehandlung zu unterziehen, wobei jeder Zufuhrbereich (13a, 13b)einen Zufuhrkanal (17a, 17b) und Heizeinrichtungen(23a, 23b) umfasst, um das durch den Zufuhrkanal(17a, 17b) fließende, zu behandelnde Fluidzu erwärmen,wobei ein Ende des Kanals mit einer in dem Träger (11) ausgebildeten Öffnung (16a, 16b)und das andere Ende mit dem Kanal (12) verbunden ist.
[2] Mikrochemischer Chip (1) nach Anspruch 1, wobeider Träger(11) ferner einen Sammelbereich (15) umfasst,der mit dem Kanal (12) verbunden ist und von dem das behandelteFluid nach außenabgegeben wird, und wobei die zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen(13a, 13b) in den Kanal (12) geleitetwerden, die Vielzahl von zu behandelnden, eingeleiteten Fluide vereinigtwerden, um sie einer vorher festgelegten Behandlung zu unterziehen, unddas behandelte Fluid danach von dem Sammelbereich (15)nach außenabgegeben wird.
[3] Mikrochemischer Chip (1) nach Anspruch 1 oder2; bei dem der Träger(11) ferner einen Wärmebehandlungsbereich(14) zum Erwärmender vereinigten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung dervorher festgelegten Behandlung aufweist, wobei der Wärmebehandlungsbereichin Bezug auf die Stelle (22), an der die Zufuhrbereiche(13a, 13b) mit dem Kanal (12) verbundensind, in Fließrichtung derzu behandelnden Fluide stromabwärtsvorgesehen ist.
[4] Mikrochemischer Chip (51), umfassend: einenTräger(61) mit einem Kanal (62), der ausgebildet ist,die zu behandelnden Fluide hindurchfließen zu lassen, eine Mehrzahlvon Zufuhrbereichen (63a, 63b), die mit dem Kanal(62) verbunden und so ausgebildet sind, dass die zu behandelndenFluide in den Kanal (62) geleitet werden, und einen Wärmebehandlungsbereich(64) zum Erwärmender vereinigten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung einervorher festgelegten Behandlung, wobei der Wärmebehandlungsbereich in Bezugauf die Stelle (72), an der die Zufuhrbereiche (63a, 63b)mit dem Kanal (62) verbunden sind, in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts vorgesehen ist, die zubehandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen (63a, 63b)in den Kanal (62) geleitet werden und die zu behandelndenFluide, die eingeleitet werden, vereinigt werden, um der vorherfestgelegten Behandlung unterzogen zu werden, wobei der Kanal(62) zwischen dem Wärmebehandlungsbereich(64) und der Stelle (72), an der die Zufuhrbereiche(63a, 63b) angeschlossen sind, einen aufgeweitetenBereich (62a) aufweist, der einen Querschnitt besitzt,der größer istals der Querschnitt der Kanalabschnitte stromaufwärts undstromabwärts.
[5] Mikrochemischer Chip (51) nach Anspruch4, wobei die Längedes aufgeweiteten Bereichs (62a) 3 bis 10 mm beträgt.
[6] Mikrochemischer Chip (51) nach Anspruch4 oder 5, wobei der Querschnitt des aufgeweiteten Bereichs (62a)mindestens 1,5-malgrößer istals der Querschnitt der Kanalbereiche stromaufwärts und stromabwärts.
[7] Mikrochemischer Chip (51) nach einem der Ansprüche 4 bis6, wobei der Träger(61) ferner einen Sammelbereich (65) umfasst,der in Bezug auf den Wärmebehandlungsbereich(64) in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts mit dem Kanal (62)verbunden ist und von dem das behandelte Fluid nach außen abgegebenwird, und wobei die zu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen(63a, 63b) in den Kanal (62) geleitetwerden und die eingeleiteten, zu behandelnden Fluide vereinigt,in dem Wärmebehandlungsbereich(64) erwärmtund der vorgegebenen Behandlung unterzogen werden, worauf das behandelteFluid von dem Sammelbereich (65) nach außen abgeführt wird.
[8] Mikrochemischer Chip (101, 151, 201, 201a) umfassend: einenTräger(111, 211) mit einem Kanal (112, 212), derausgebildet ist, die zu behandelnden Fluide hindurchzufließen zu lassen,eine Mehrzahl von Zufuhrbereichen (113a, 113b; 213a, 213b),die mit dem Kanal (112, 212) verbunden sind, umdie zu behandelnden Fluide in den Kanal (112, 212)zu leiten, und einen Wärmebehandlungsbereich(114a, 114b, 214) zum Erwärmen dervereinigten, zu behandelnden Fluide und zur Durchführung dervorgegebenen Behandlung, wobei der Wärmebehandlungsbereich in Bezugauf die Stelle, an der die Zufuhrbereiche (113a, 113b; 213a, 213b)mit dem Kanal (112, 212) verbunden sind, in Fließrichtungder zu behandelnden Fluide stromabwärts angeordnet ist, wobei diezu behandelnden Fluide von den Zufuhrbereichen (113a, 113b; 213a, 213b)in den Kanal (112, 212) geleitet werden und wobeidie zu behandelnden Fluide, die eingeleitet werden, vereinigt werden,um sie einer vorgegebenen Behandlung zu unterziehen, wobeider Träger(111, 211) ferner einen Wärmeabstrahlungsbereich zurAbstrahlung der in den Wärmebehandlungsbereichen(114a, 114b, 214) gebildeten Wärme ausdem Träger(111, 211) umfasst.
[9] Mikrochemischer Chip (101, 151)nach Anspruch 8, wobei der Träger(111) eine Vielzahl von Wärmebehandlungsbereichen (114a, 114b)umfasst.
[10] Mikrochemischer Chip (101) nach Anspruch 8oder 9, wobei der Wärmeabstrahlungsbereichaus einer Wärmeabstrahlungsplatte(123) besteht, die in Kontakt mit einer Oberfläche desTräges(111) angeordnet ist, wobei die Wärmeabstrahlungsplatte (123) auseinem Material besteht, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der Träger (111).
[11] Mikrochemischer Chip (101) nach einem der Ansprüche 8 bis10, wobei der WärmeabstrahlungsbereichDurchgangslöcher(123a, 123b) in Bereichen aufweist, die Teilender Oberflächedes Trägers(111) in der Näheder Wärmebehandlungsbereiche(114a, 114b) gegenüberliegen.
[12] Mikrochemischer Chip (151) nach Anspruch 9,wobei der Wärmeabstrahlungsbereichaus einer Vertiefung (124) besteht, die in einem Bereichdes Trägers(111) ausgebildet ist, der zwischen mehreren Wärmebehandlungsbereichen(114a, 114b) liegt.
[13] Mikrochemischer Chip (201, 201a)nach einem der Ansprüche8 bis 11, wobei der Wärmebehandlungsbereich(214) eine Heizvorrichtung (219) umfasst, diein dem Träger(211) angeordnet ist, und wobei der Wärmeabstrahlungsbereich eineWärmeabstrahlungsplatte(220, 220A) umfasst, die eine äußere Abmessung aufweist, diekleiner ist als die Abmessung der Heizvorrichtung (219),und eine äußere Formbesitzt, die der Form der Heizvorrichtung (219) ähnlich ist,wobei die Wärmeabstrahlungsplatte(220, 220A) an einer Oberfläche des Trägers (211) angeordnetist, die sich in der Näheder Heizvorrichtung (219) befindet, sodass sie der Heizvorrichtung(219) gegenüberliegt.
[14] Mikrochemischer Chip (201, 201a)nach Anspruch 13, wobei die Flächeder Wärmeabstrahlungsplatte(220, 220A) in ebener Ansicht 50 bis90 % der Flächeder Heizvorrichtung (219) in ebener Ansicht ausmacht.
[15] Mikrochemischer Chip (101, 151, 201, 201a) nacheinem der Ansprüche8 bis 14, wobei der Träger (111, 211)ferner einen Sammelbereich (115, 215) umfasst,der mit dem Kanal (112, 212) verbunden ist, undvon dem das behandelte Fluid nach außen abgeführt wird, und wobei das Reaktionsproduktvon dem Sammelbereich (115, 215) nach außen abgeführt wird.
[16] Mikrochemischer Chip (51, 101, 151, 201) nacheinem der Ansprüche4 bis 15, wobei jeder Zufuhrbereich (63a, 63b, 113a, 113b)Heizeinrichtungen zum Erwärmendes durch den Zufuhrkanal (67a, 67b, 117a, 117b)fließenden,zu behandelnden Fluids aufweist.
[17] Mikrochemischer Chip (101, 151 201)nach einem der Ansprüche8 bis 16, wobei der Kanal (112) zwischen dem Wärmebehandlungsbereich(114a, 214) und der Verbindungsstelle (122, 222)einen aufgeweiteten Bereich aufweist, der einen Quer schnitt besitzt,der größer alsder Querschnitt der Kanalbereiche stromaufwärts und stromabwärts ist.

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US20050079098A1|2005-04-14|

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DE102004030819B4|2009-04-09|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2005-01-27| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|

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2005-04-21| 8181| Inventor (new situation)|Inventor name: KABUMOTO, MASANAO, KOKUBU, KAGOSHIMA, JP Inventor name: YOKOMINE, KUNINORI, KOKUBU, KAGOSHIMA, JP Inventor name: ONITSUKA, KATSUHIKO, KOKUBU, KAGOSHIMA, JP Inventor name: MATSUDA, SHIN, KOKUBU, KAGOSHIMA, JP |

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2009-10-01| 8364| No opposition during term of opposition|

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2015-07-15| R082| Change of representative|Representative=s name: VIERING, JENTSCHURA & PARTNER PATENT- UND RECH, DE Representative=s name: VIERING, JENTSCHURA & PARTNER MBB PATENT- UND , DE |

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2018-01-03| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|

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