DE10340012A1 - Device for gas or liquid separation from microfluidic flow systems - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet von mikrofluidischen Durchflusssystemen, bei denen eine Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung erfolgt, die vorzugsweise lageunabhängig betrieben werdne kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine kombinierte Verwendung einer hydrophilen und hydrophoben Membran aus.The invention relates to the technical field of microfluidic flow systems in which a gas or liquid separation takes place, which can be operated preferably position-independent. The device according to the invention is characterized by a combined use of a hydrophilic and hydrophobic membrane.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet von mikrofluidischen Durchflusssystemen, bei denen eine Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung erfolgt, die vorzugsweise lageunabhängig betrieben werden kann.The The invention relates to the technical field of microfluidic Flow systems in which a gas or liquid separation takes place, which are preferably position-independent can be operated.
Der Anwendungsbereich mikrofluidischer Durchflusssysteme ist vielfältig und liegt unter anderem in der Analysetechnik zur medizinischen Diagnostik. Insbesondere in der modernen Diagnostik findet hierbei der Einsatz mikrofluidischer Systeme häufig Anwendung. Dies ist u.a. dadurch begründet, dass es in der modernen Diagnostik immer mehr Bestrebungen gibt, den Zustand eines Patienten kontinuierlich zu überwachen. Aufgrund kontinuierlicher Analyseergebnisse ist es somit möglich, eine optimale Diagnose sowie Therapie für den Patienten individuell erzielen zu können. Für eine kontinuierliche Überwachung eines Patientenzustandes muss sich der Patient jedoch einer fortdauernden Untersuchung unterziehen, sodass der Patient gezwungen wird, ein entsprechendes Analysesystem stets bei sich zu tragen. Sind derartige Langzeituntersuchungen nicht nur für den stationären Aufenthalt in einem Krankenhaus vorgesehen, sondern sollen sich auch für den Alltag eines Patienten als tauglich erweisen, werden hierdurch bedingt hohe Anforderungen an ein komfortables Handling des Analysesystems gestellt. Hieraus ergibt sich zwingend, die Größe der eingesetzten Analysesysteme weitestgehend zu minimieren, sodass der Patient das System im Alltag unauffällig und wenig störend mit sich führen kann. Dem Patient soll hierbei ein möglichst kleines sowie robustes Gerät zur Verfügung gestellt werden, sodass die betreffende Person in ihrer Bewegungsfreiheit nur minimal eingeschränkt wird.Of the Scope of application of microfluidic flow systems is manifold and lies among other things in the analysis technology for medical diagnostics. In particular, in modern diagnostics finds the use here microfluidic systems frequently Application. This is i.a. This is due to the fact that it is modern Diagnostics more and more aspirations, the condition of a patient continuously monitor. Due to continuous analysis results, it is thus possible to have a achieve optimal diagnosis and therapy for the patient individually to be able to. For one continuous monitoring However, if the patient is in a condition, the patient must be on a permanent basis Examine examination so that the patient is forced to enter appropriate analysis system always carry with you. Are such Long-term examinations not only for inpatient stay provided in a hospital, but should also be used for everyday life Patients prove to be fit, thereby conditionally high demands to a comfortable handling of the analysis system. From this results compelling, the size of the analytical systems used Minimize as far as possible, so that the patient the system in everyday life inconspicuous and little disturbing carry with them can. The patient should hereby a small as well as robust Device for disposal be placed so that the person concerned in their freedom of movement only minimally restricted becomes.
Eine kontinuierliche oder zumindest quasi kontinuierliche Überwachung eines Patientenzustandes auch außerhalb des stationären Bereiches ist in der Medizin, insbesondere in dem Gebiet des Diabetesmonitoring wünschenswert. Durch eine kontinuierliche Überwachung des Glucosespiegels können einerseits drohende hypoglykämische Zustände, die zum Tod des Patienten führen können, rechtzeitig erkannt werden als auch andererseits eine Warnung vor hyperglykämischen Zuständen erfolgen, die in der Regel mit Langzeitschäden (Erblindung, Gangräne, usw.) verbunden sind. Es sind daher in letzter Zeit erhebliche Anstrengungen unternommen worden, eine kontinuierliche Überwachung des Blutzuckerspiegels eines Patienten zu ermöglichen. Im Nachfolgenden wird ohne Beschränkung auf die Allgemeinheit der Einsatz mikofluidischer Durchflusssysteme am Beispiel der Glucosekonzentrationsmessung bei Diabetes näher beschrieben.A continuous or at least quasi-continuous monitoring a patient condition even outside the inpatient area is in medicine, especially in the field of diabetes monitoring desirable. Through continuous monitoring of the glucose level on the one hand threatening hypoglycemic Conditions, which lead to the death of the patient can, be recognized in time as well as on the other hand, a warning hyperglycemic States take place, usually with long-term damage (Blindness, gangrene, etc.) are connected. Therefore, there have been considerable efforts lately been undertaken, a continuous monitoring of blood sugar levels to enable a patient. The following is without limitation to the general public the use of microfluidic flow systems using the example of glucose concentration measurement closer to diabetes described.
Konventionelle Wege den Glucosegehalt von Blut zu überwachen, werden häufig durch tragbare Vorrichtungen, sogenannte Blutzuckermessgeräte, verwirklicht. Ein Nachteil dieser Analysemethode liegt jedoch darin, dass zunächst eine Wunde zur Blutentnahme in einen Körperteil des Patienten erzeugt werden muss, bevor der Patient anschließend das Blut auf ein analytspezifisches Testelement aufgeben kann. Das Testelement wird in einem tragbaren Analysegerät, welches der Patient stets mit sich führen muss, eingeführt und analysiert. Das komplexe sowie auch schmerzhafte Verfahren beschränkt den Anwendungsbereich im Regelfall auf Einzelmessungen und ist deshalb insbesondere für Patienten mit einer schweren Diabetes nur unzureichend. Um eine kontinuierliche Überwachung des Glucosegehaltes zu realisieren, muss das Analysesystem folglich eine beständige Analyse der Körperflüssigkeit des Patienten gewährleisten können.conventional Ways to monitor the glucose level of blood are often done portable devices, so-called blood glucose meters, realized. A disadvantage of this method of analysis, however, is that first a Wound for blood collection into a body part of the patient must be before the patient subsequently changes the blood to an analyte-specific Test element can give up. The test element is in a portable Analyzer which the patient must always carry with him, introduced and analyzed. The complex as well as painful procedure limits the Scope of application usually on individual measurements and is therefore especially for Patients with severe diabetes only inadequate. To one continuous monitoring the glucose content, the analysis system must consequently a stable one Analysis of the body fluid of the Ensure patients can.
Im Stand der Technik stellt die Mikrodialysetechnik heutzutage ein verlässliches Verfahren dar, um Analytkonzentrationen kontinuierlich zu überwachen. Der Patient kann bei geringer Größe des Analysesystems dieses unauffällig und ohne große Behinderung im Alltag mit sich tragen und es zur regelmäßigen Kontrolle anwenden. Hierzu wird eine kleine Mikrodialysesonde leicht und für den Patienten wenig traumatisch in den Körper eingeführt. Zur Analytbestimmung wird eine Perfusionsflüssigkeit durch einen Katheter geleitet, wobei sich die Perfusionsflüssigkeit in einem Austauschbereich in Kontakt mit einer Körperflüssigkeit befindet und Substanzen aus der Körperflüssigkeit aufnimmt. Diese angereicherte Perfusionsflüssigkeit, das Dialysat, wird dann zu einer Analyseeinheit weitergeleitet, die z. B. die Glucosekonzentration im Dialysat vermisst. Im Stand der Technik sind eine Reihe von Mikrodialysesonden bekannt, für die an dieser Stelle stellvertretend lediglich auf die, in der deutschen Patentanmeldung 10010587.4 beschriebene Anordnung, verwiesen wird.in the The state of the art sets the microdialysis today reliable Method to continuously monitor analyte concentrations. The patient may be small in size of the analysis system this unobtrusive and without big ones Disability in everyday life and carry it to regular inspection apply. For this a small microdialysis probe becomes easy and for the patient little traumatic in the body introduced. For analyte determination, a perfusion fluid is passed through a catheter passed, with the perfusion fluid in an exchange area in contact with a body fluid located and absorbs substances from the body fluid. This enriched perfusion, the dialysate is then forwarded to an analysis unit, the z. B. the glucose concentration in the dialysate is missing. In the state In the art, a number of microdialysis probes are known for the this place representative only to the, in the German Patent application 10010587.4 described, reference is made.
Bei der Mikrodialyse ergeben sich jedoch zahlreiche Erfordernisse im Bereich des Fluidhandlings, um die Funktionsfähigkeit des Mikrodialysesystems gewährleisten zu können. Unter anderem muss für eine exaktes Analysenergebnis die Flüssigkeit innerhalb der Mikrodialyse blasenfrei vorliegen, da nur so ein reproduzierbarer Flüssigkeitstransport erfolgt und eine exakte Analytbestimmung möglich ist.at microdialysis, however, has numerous requirements in the art Area of fluid handling to the functioning of the microdialysis system guarantee to be able to. Among other things, must be for a precise analysis result the liquid within the microdialysis bubble-free, since only so a reproducible liquid transport takes place and an exact analyte determination is possible.
Im Stand der Technik sind mehrere Möglichkeiten zur Gasabscheidung aus Flüssigkeiten offenbart, wobei sich diese Vorrichtungen jedoch nicht für eine Anwendung im mikrofluidischen Bereich eignen. Des weiteren können die meisten Systeme nicht lageunabhängig betrieben werden. Der Zweck von Mikrosystemen in der medizinischen Diagnostik ist es jedoch ein transportables Analysesystem bereitzustellen, das eine permanente Überwachung zulässt. Dies erfordert jedoch u. a. einen lageunabhängigen Betrieb des transportablen Systems.The prior art discloses several possibilities for gas separation from liquids, but these devices are not suitable for use in the microfluidic area. Furthermore, most systems can not be operated independently of location. However, the purpose of microsystems in medical diagnostics is to provide a portable analysis system which allows permanent monitoring. However, this requires, inter alia, a position-independent operation of the transportable system.
Das
Patent
Des
weiteren wird in dem Dokument
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung in einem mikrofluidischen System zur Verfügung zu stellen. Das System soll dabei trotz eines einfachen Aufbaus eine im wesentlichen hinreichende Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung aus einem Fluid gewährleisten und vorzugsweise lageunabhängig betrieben werden können.Of the Invention is the object of a device for gas or liquid separation in a microfluidic system. The system should be in spite of a simple structure a substantially sufficient Gas or liquid separation from a fluid and preferably position-independent can be operated.
Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche beschrieben. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich gemäß der abhängigen Ansprüche.The This invention is described by the independent claims. Advantageous embodiments arise according to the dependent claims.
Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zur Gasabscheidung in einem mikrofluidischen System. Die Vorrichtung weist eine fluidische Zuleitung auf, die mindestens in einem Bereich eine hydrophobe Membran beinhaltet durch die Gas innerhalb der Zuleitung entweichen kann. Des weiteren beinhaltet die Vorrichtung eine Ableitung mit einer hydrophilen Membran. Zu- und Ableitung der Vorrichtung sind dabei so miteinander fluidisch verbunden, dass eine Flüssigkeit, die durch die Zuleitung in die Ableitung fließt, die hydrophile Membran passieren muss. Die hydrophile Membran ist dabei im wesentlichen nur für Flüssigkeiten permeabel, so dass Gas in der Zuleitung zurück gehalten wird, während die Flüssigkeit durch die Ableitung abfließen kann.The The invention includes a device for gas separation in one microfluidic system. The device has a fluidic supply line which contains a hydrophobic membrane in at least one area can escape through the gas within the supply line. Furthermore The device includes a drain with a hydrophilic membrane. Inlet and outlet of the device are so fluidly together connected to a liquid, which flows through the supply line into the drain, the hydrophilic membrane must happen. The hydrophilic membrane is essentially only for liquids Permeable, so that gas is held back in the supply line while the Liquid through drain the drain can.
Des weiteren ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsabscheidung aus einem mikrofluidischen System. Die Vorrichtung weist analog zu dem System zur Gasabscheidung eine fluidische Zu- und Ableitung auf, die ebenfalls jeweils mit einer Membran versehen sind. Hierbei beinhaltet die fluidische Zuleitung jedoch komplementär zu der Vorrichtung zur Gasabscheidung eine hydrophile Membran. Entsprechend weist die Ableitung eine hydrophobe Membran auf. Zu- und Ableitung sind dann so miteinander fluidisch verbunden, dass ein Gas, das in dem System transportiert wird und von der Zuleitung hin zur Ableitung fließt, die hydrophobe Membran passieren muss.Of Another object of the invention is a device for liquid separation from a microfluidic system. The device has analog to the gas separation system, a fluidic supply and discharge on, which are also each provided with a membrane. in this connection However, the fluidic supply line is complementary to the device for gas separation, a hydrophilic membrane. Accordingly, the Derive a hydrophobic membrane. Inlet and outlet are then so fluidly connected to each other, that is a gas in the system is transported and flows from the supply line to the derivative, the hydrophobic membrane must pass.
Die erfindungsgemäßen Systeme zur Flüssigkeits- bzw. Gasabscheidung ist durch die Kombination einer hydrophilen Membran mit einer hydrophoben Membran gekennzeichnet. Auf diese Weise wird eine Separierung von verschiedenen Phasen eines Fluids durch einen einfachen Aufbau sicher gewährleistet.The systems according to the invention to the liquid or gas separation is by the combination of a hydrophilic Membrane marked with a hydrophobic membrane. To this One way is to separate different phases of a fluid safely ensured by a simple structure.
Hierbei bedingt die Membran der Ableitung den eigentlichen Phasenseparationsschritt, da ausschließlich eine Phase des Fluids, für die die Membran permeabel ist, durch die Membran und folglich durch die Ableitung abfließen kann. Die zu separierende Phase wird somit zunächst innerhalb der Zuleitung zurückgehalten, wo sie dann durch die Membran der Zuleitung entweichen kann. Die Membran der Zuleitung verhindert auf diese Weise eine zu starke Anreicherung der zu separierenden Phase innerhalb der Zuleitung, die die Funktionalität der Vorrichtung beeinträchtigen könnte. Ein zuverlässiger Betriebszustand der Vorrichtung wird somit auch langfristig gewährleistet.in this connection causes the membrane of the derivative the actual phase separation step, there exclusively a phase of the fluid, for the membrane is permeable, through the membrane and thus through drain the drain can. The phase to be separated is thus initially within the supply line retained where it can then escape through the membrane of the supply line. The Membrane of the supply prevents in this way too much enrichment the phase to be separated within the supply line, which affect the functionality of the device could. A reliable one Operating state of the device is thus guaranteed long term.
Eine Kombination der hydrophilen bzw. hydrophoben Membranen und folglich der Aufbau der Vorrichtung kann erfindungsgemäß auf vielfältige Weise erfolgen, so dass die Erfindung auf keine spezifische Ausgestaltung beschränkt ist. Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung in eine Schlauchleitung integriert werden, wobei ein erster Bereich der Schlauchleitung, der als Zuleitung der Vorrichtung angesehen werden kann, dann eine entsprechende Membran aufweist. Innerhalb des Schlauches wird weiterhin eine Membran in der Weise integriert, dass die Membran in Form einer semipermeablen Trennschicht den ersten und einen zweiten Bereich des Schlauches voneinander trennt. Der erste und der zweite Bereich stellen dann die Zu- bzw. Ableitung des Systems dar. Erfindungsgemäß muss dabei die Membran derartig im Schlauch integriert werden, dass eine fluidische Abdichtung zwischen Membran und Schlauch erfolgt, so dass ausschließlich Fluid, für das die Membran permeabel ist, in den Bereich des Schlauches (Ableitung) jenseits der Membran abfließen kann. Es ist natürlich auch denkbar, Zu- und Ableitung als voneinander unabhängige Bauelemente zunächst zu realisierten, bevor anschließend die Elemente während eines Herstellungsverfahrens fluidisch miteinander verbunden werden. Im beschriebenen Beispiel wird dann z. B. zunächst ein erstes Schlauchende, welches als Ableitung vorgesehen ist, mit einer Membran verschlossen und anschließend mit einem weiteren Schlauchende, der Zuleitung, verbunden. Hierbei werden die Enden der Zu- bzw. Ableitung z. B. miteinander verklebt.A combination of the hydrophilic or hydrophobic membranes and consequently the structure of the device can be carried out according to the invention in many ways, so that the invention to spe spe cifical embodiment is limited. For example, a device according to the invention can be integrated into a hose line, wherein a first region of the hose line, which can be regarded as a supply line of the device, then has a corresponding membrane. Within the tube, a membrane is further integrated in such a way that the membrane in the form of a semipermeable separating layer separates the first and a second region of the tube from each other. The first and the second region then represent the supply and discharge of the system. According to the invention, the membrane must be integrated in the tube in such a way that a fluidic seal between the membrane and the tube takes place so that only fluid for which the membrane is permeable , in the area of the hose (discharge) can flow away beyond the membrane. Of course, it is also conceivable to initially implement supply and discharge as independent components before subsequently the elements are fluidly connected to each other during a manufacturing process. In the example described then z. B. first, a first end of the hose, which is provided as a derivative, closed with a membrane and then connected to another end of the hose, the supply line. Here are the ends of the inlet and outlet z. B. glued together.
Als Membran im Rahmen der Erfindung können jegliche Materialien verwendet werden, die eine auf das Anwendungsgebiet angepasste entsprechende Permeabilität für ausschließlich eine Phase eines Fluids aufweisen. Des weiteren muss das Material auf das jeweilige Anwendungsgebiet so abgestimmt werden, dass sich Fluid und Vorrichtung zueinander inert verhalten. Alterungseffekte oder Quellungseffekte der Membranen können somit weitestgehend minimiert werden. Beispielhaft erweisen sich für eine hydrophobe Membran die Materialien PP (Polypropylen) oder PTFE (Poly-Tetrafluorethylen) als geeignet sowie PA (Polyamid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid) oder PVP (Polyvinylpyrrolydon) als hydrophiles Material eingesetzt werden können. Als hydrophil werden Memrane bezeichnet, die beim Kontakt mit Wasser dieses spontan in ihre Poren aufsaugen. Dies kann durch die Eigenschaften des Grundmaterials, eines Legierungsbestandteils (sogenannten Polymerlegierungen) oder durch eine Beschichtung der Porenoberflächen mit einer hydrophilen Schicht z.B. einem Tensid einem unvernetzten oder einem vernetzten hydrophilen Polymer (z.B. Hydroxypropylencellulose oder PVP) erfolgen. Als hydrophob bezeichnet man Membranen, die durch Wasser nicht spontan benetzt werden. Solche Membranen erhält man entweder aus hydrophoben Grundmaterialien, wie z.B. PP (Poly-propylen) oder PTFE (Poly-Tetrafluorethylen) oder durch Beschichtung der Porenoberflächen mit einer hydrophoben Schicht z.B. einer Perfluorverbindung oder einem Silan. Die Porengrößen der Membranen können ebenfalls an das jeweilige Anwendungsgebiet angepasst werden, so dass zum einen eine hinreichende Abtrennung einer Fluidphase gewährleistet wird, und es zum anderen zu keinen Verstopfungen der Poren kommt. Die Abtrennung von feinsten Gasblasen oder Flüssikgkeitstropfen fällt dabei in den Bereich der Mikrofiltration. Die Porengrößen bei der Mikrofiltration umfaßen einen Bereich, der nach unten hin mit der Ultrafiltration und nach oben hin mit der Feinfiltration überlappt. Üblicherweise liegen die Porengrößen für die Mikrofiltration zwischen 0,1 μm und 10 μm. Die Wahl der Porenfeinheit im Rahmen der Erfindung richtet sich sowohl nach der Verfügbarkeit und Kompatibilität der Materialien, als auch nach den angestrebten Betriebsbedingungen. Je kleiner die Poren gewählt werden, desto feinere Gasblasen bzw. Flüssigkeitströpfchen können abgeschieden werden, wobei gleichzeitig jedoch in der Regel die Permeabilität der Membran sinkt. Insbesondere für Membranen, die Flüssigkeit permeiren lassen, kann dies ein limitierender Faktor sein. Durch größere Membranflächen kann dieser Effekt jedoch ausgeglichen werden. Typische Porengröße, die sich im Bereich der Mikrodialyse als geeignet erweisen, liegen z. B. im Bereich von 0,1 μm bis 0,5 μm.When Membrane in the invention may use any materials which are adapted to the field of application permeability for only one Phase of a fluid. Furthermore, the material must be on the respective field of application be adjusted so that fluid and device inert to each other. Aging effects or Swelling effects of the membranes can thus minimized as far as possible. Exemplary prove to be a hydrophobic Membrane the materials PP (polypropylene) or PTFE (poly-tetrafluoroethylene) as suitable as well as PA (polyamide) or PVDF (polyvinylidene fluoride) or PVP (polyvinylpyrrolydone) can be used as a hydrophilic material can. As hydrophilic Memrane are referred to, when in contact with water Spontaneously absorb this into their pores. This may be due to the properties of the base material, an alloy component (so-called polymer alloys) or by a coating of the pore surfaces with a hydrophilic Layer e.g. a surfactant an uncrosslinked or a crosslinked hydrophilic polymer (e.g., hydroxypropylene cellulose or PVP). Hydrophobic refers to membranes that are not spontaneous due to water be wetted. Such membranes are obtained either from hydrophobic base materials, such as. PP (poly-propylene) or PTFE (poly-tetrafluoroethylene) or by coating the pore surfaces with a hydrophobic layer e.g. a perfluoro compound or a silane. The pore sizes of Membranes can also be adapted to the respective field of application, so that on the one hand ensures a sufficient separation of a fluid phase and, on the other hand, no clogging of the pores. The separation of the finest gas bubbles or Flussigkeitgropfen drops it in the field of microfiltration. The pore sizes in microfiltration included one Range down with ultrafiltration and up overlaps with the fine filtration. Usually are the pore sizes for microfiltration between 0.1 μm and 10 μm. The choice of pore fineness in the context of the invention is directed both according to availability and compatibility materials, as well as the intended operating conditions. The smaller the pores chosen be, the finer gas bubbles or liquid droplets can be deposited, wherein at the same time, however, as a rule, the permeability of the membrane decreases. Especially for membranes that liquid permeable, this can be a limiting factor. By larger membrane areas can however, this effect will be compensated. Typical pore size, the in the field of microdialysis prove to be suitable for. B. in the range of 0.1 microns up to 0.5 μm.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann darüber hinaus genutzt werden, um zusätzlich eine Sterilfiltration des Fluids , wie nachfolgend noch näher erläutert wird, durchzuführen. Hierfür erweisen sich Membranen mit einer Porengröße von 0,45 bzw. 0,22 μm als vorteilhaft.The inventive device can over it Beyond that, in addition to a sterile filtration of the fluid, as will be explained in more detail below, perform. Therefor prove membranes with a pore size of 0.45 or 0.22 microns as advantageous.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden als Membranen Mikrofiltrationshohlfasermembran verwendet, wobei die hydrophobe und/oder hydrophile Membran in Form einer Hohlfasermembran ausgestaltet sein kann. Wird sowohl die hydrophile als auch die hydrophobe Membran in Form einer Hohlfaser verwendet, werden die Membranen ineinander angeordnet, so dass z. B. in einer Vorrichtung zur Gasabscheidung die hydrophile Mikrofiltrationsmembran zumindest zum Teil innerhalb eines Bereiches der hydrophoben Mikrofiltrationsmembran eingeschoben wird, wobei das jeweilige Ende der Membranen mit der Zu- bzw. Ableitung durch Verkleben fluidisch abgedichtet wird. Im beschriebenen Beispiel besitzt die hydrophile Mikrofiltrationshohlfasermembran somit einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser der hydrophoben Mikrofiltrationsmembran.In an advantageous embodiment are used as membranes microfiltration hollow fiber membrane, wherein the hydrophobic and / or hydrophilic membrane is configured in the form of a hollow-fiber membrane can be. Will both the hydrophilic and the hydrophobic membrane used in the form of a hollow fiber, the membranes are intertwined arranged so that z. B. in a device for gas separation the hydrophilic microfiltration membrane at least partially within a portion of the hydrophobic microfiltration membrane inserted is, with the respective end of the membranes with the inlet and outlet is sealed fluidly by gluing. In the example described possesses the hydrophilic microfiltration hollow fiber membrane thus has an outer diameter, which is smaller than the inner diameter of the hydrophobic microfiltration membrane.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach aufgebaut und kann problemlos auch im Mikromaßstab durch im Handel erhältliche Bauelemente produziert werden. Beispielsweise wird hierfür eine handelsübliche PTFE-Hohlfasermembran (Poly-Tetra-Fluor-Ethylen) verwendet. Der Außendurchmesser einer derartigen Hohlmembran beträgt dann z. B. 1,7 mm, wobei sich ein Innendurchmesser von ca. 1 mm ergibt. Eine entsprechende mikroporöse hydrophile PVDF-Hohlfasermembran (Polyvinylidenfluoride) besitzt dann einen entsprechend zur hydrophoben Membran verkleinerten Außendurchmesser von ca. 0,45 mm und einen um ca. 0,1 mm reduzierten Innendruchmesser. Derartige Membranen, werden wie beschrieben z. B. von den Firmen Gore in München oder der Firma Memtec Corp. Australien geliefert. Als Zu- und oder Ableitung der Vorrichtung werden beispielsweise Silikonschläuche verwendet, in denen die Membrane wie beschrieben integriert sind. Natürlich kann auch die Zu- und/oder Ableitung der Vorrichtung vollständig durch die Hohlfasermembran gebildet werden, so dass keine zusätzlichen Elemente für die Zu- und Ableitung vorgesehen sind. Wird eine derartige Vorrichtung beispielsweise in ein Mikrodialysesystem integriert, wird die Zu- und Ableitung der Vorrichtung in Form von Hohlfasermembranen jeweils direkt fluidisch mit den Schläuchen des Mikrodialysesystems beispielsweise über einen Zweikomponentenkleber verbunden. In einer Vorrichtung, wie beschrieben, wird dann nach dem Aushärten des Klebstoffes die hydrophile Membran in das Ende der hydrophoben Membran eingeschoben. Das Ende der hydrophoben Membran wird anschließend mit dem Ende der hydrophilen Membran ebenfalls verklebt. Im angeführten Beispiel wird die Klebemasse dabei sowohl als mechanisches Verbindungselement als auch als fluidische Dichtung verwendet. Vorteilhafterweise wird jedoch die Vorrichtung reversibel mit dem Mikrodialysesystem verbunden, so dass die Vorrichtung bei Bedarf als disposible Einheit ausgetauscht werden kann.The device according to the invention has a simple structure and can be produced without problems even on a microscale by commercially available components. For example, a commercially available PTFE hollow fiber membrane (polytetrafluoroethylene) is used for this purpose. The outside diameter ser such a hollow membrane is then z. B. 1.7 mm, resulting in an inner diameter of about 1 mm. A corresponding microporous hydrophilic PVDF hollow-fiber membrane (polyvinylidene fluoride) then has an outer diameter, reduced to about 0.45 mm corresponding to the hydrophobic membrane, and an inner diameter reduced by about 0.1 mm. Such membranes are described as described, for. B. from the companies Gore in Munich or the company Memtec Corp. Delivered to Australia. As the inlet and / or outlet of the device, for example, silicone tubes are used, in which the membranes are integrated as described. Of course, the supply and / or discharge of the device can be completely formed by the hollow fiber membrane, so that no additional elements for the supply and discharge are provided. If such a device is integrated, for example, in a microdialysis system, the supply and discharge of the device in the form of hollow fiber membranes is in each case directly connected fluidically to the hoses of the microdialysis system, for example via a two-component adhesive. In a device as described, then after curing of the adhesive, the hydrophilic membrane is inserted into the end of the hydrophobic membrane. The end of the hydrophobic membrane is then also bonded to the end of the hydrophilic membrane. In the example given, the adhesive is used both as a mechanical connecting element and as a fluidic seal. Advantageously, however, the device is reversibly connected to the microdialysis system, so that the device can be replaced as needed as a disposable unit.
Wird die Vorrichtung im Bereich der Mikrodialyse verwendet, sollte weiterhin bei der Auswahl der Materialien, die zur Herstellung der Systeme verwendet werden, darauf geachtet werden, dass das Material mit dem Dialysat bzw. Mikroperfusat kompatibel ist und es zu keinen Veränderungen kommt, die die Konzentration des zu bestimmenden Analyten oder die Analyse als solche unvorhersehbar beeinflussen.Becomes The device used in the field of microdialysis should continue in the selection of materials used to make the systems be used, be careful that the material with the dialysate or microperfusate is compatible and none changes comes, which determines the concentration of the analyte or the Analyze analysis as such unpredictably.
Versuche mit Vorrichtungen, wie oben beschrieben, haben gezeigt, dass bei einem Fluid aus einem Luftwassergemisch im Volumenverhältnis von 1:1 und einer Fließgeschwindigkeit von 0,3 bis 3 μl/m, eine im wesentlichen vollständige Separation von Luftblasen und Wasser erreicht werden konnte.tries with devices as described above have shown that in a fluid of an air-water mixture in the volume ratio of 1: 1 and a flow rate from 0.3 to 3 μl / m, one essentially complete Separation of air bubbles and water could be achieved.
Soll die Anwendung der Vorrichtung auch für wesentlich höhere Fließgeschwindigkeiten geeignet sein, so kann in einer vorteilhaften Ausführungsform die Fließgeschwindigkeit im Bereich der Membranen zunächst verlangsamt werden. Wird die Länge und/oder der Durchmesser der verwendeten Membranen soweit vergrößert, dass es zur Reduktion der Fließgeschwindigkeit kommt, und somit eine ausreichend lange Verweilzeit des Fluids im Austauschbereich gewährleistet ist, wird hierdurch die Phasenseparation unterstützt.Should the application of the device also for much higher flow rates be suitable, so in an advantageous embodiment, the flow rate in the area of the membranes first be slowed down. Will the length and / or the diameter of the membranes used so far increased that it to reduce the flow rate comes, and thus a sufficiently long residence time of the fluid in Exchange area guaranteed is, thereby the phase separation is supported.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet ein mikrofluidisches Durchflusssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterhin eine Pumpe, mittels der die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit gesteuert wird. Auf diese Weise ist neben einem Einfluss auf die Phasenseparation auch eine exakte Bestimmung der durchströmenden Flüssigkeitsmenge möglich, wobei sich eine Bestimmung des Fluidstroms z. B. insbesondere bei der Messung von Analysekonzentrationen als notwendig erweist. Wird eine Vorrichtung, wie beschrieben, zur Gasabscheidung in dem Bereich der Mikrodialyse eingesetzt und wird die Vorrichtung in Flussrichtung vor der Pumpe installiert, ist sicher gestellt, dass keine Gasblasen gefördert werden, die ein gemessenes Flüssigkeitsvolumen verfälschen würden. Basierend auf einer exakten Volumenbestimmung des transportierten Dialysats kann nun eine genaue Glucosekonzentration berechnet werden.In a preferred embodiment includes a microfluidic flow system with a device according to the invention continue a pump, by means of which the flow rate of the liquid is controlled. This way, in addition to having an influence on the Phase separation also an exact determination of the amount of liquid flowing through possible, wherein a determination of the fluid flow z. B. in particular at the measurement of analysis concentrations proves necessary. Becomes a device as described, for gas deposition in the area used the microdialysis and the device in the flow direction installed in front of the pump, it is ensured that no gas bubbles promoted which are a measured volume of liquid distort would. Based on an exact volume determination of the transported Dialysate can now be calculated an exact glucose concentration.
Das System kann darüber hinaus vorzugsweise lageunabhängig betrieben werden, sodass die Vorrichtung auch für den alltäglichen Gebrauch im Bereich einer kontinuierlichen Diagnostik geeignet ist. Um einen lageunabhängigen Betrieb der Vorrichtung gewährleisten zu können, weist die Zuleitung im wesentlichen in allen Raumrichtungen ein entsprechendes Membransystem auf. Die zu separierende Phase kann dann unabhängig von der Lage der Vorrichtung und der Dichte der zu separierende Phase aus der Zuleitung durch die Membran bzw. das Membransystem entweichen.The System can about it In addition, preferably position-independent be operated, so that the device also for everyday use in the field a continuous diagnostic is suitable. For a location-independent operation ensure the device to be able to has the supply line in substantially all directions corresponding membrane system. The phase to be separated can then independent from the location of the device and the density of the to be separated Phase from the supply line through the membrane or the membrane system escape.
Versuche, mit den beschriebenen Systemen zeigen folglich, dass das erfindungsgemäße System trotz des einfachen Aufbaus eine im wesentlichen vollständige Separation zweier Phasen eines Fluids erlaubt und den Betriebsbedingungen z. B. in einem Mikrodialysesystem im vollem Umfang genügt.Tries, Consequently, with the systems described, the system according to the invention, despite the simple construction a substantially complete separation two phases of a fluid allowed and the operating conditions z. B. in a microdialysis system in full.
Zur
Anwendung im Bereich der Mikrodialyse ist das System weiterhin mit
einer Mikrodialysesonde sowie einem Flüssigkeitsreservoir, wie nachfolgend näher beschrieben,
verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
stromaufwärts
bezüglich
der Mikrodialysesonde im Mikrodialysesystem positioniert. Hierbei
dient das System der Mikroanalyse – wie bereits beschrieben – zur Bestimmung
mindestens einer Konzentration eines Analyten in einer Körperflüssigkeit.
Die Bezeichnung Analyt umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung
sämtliche
möglichen
Analyten, wie z. B. Glucose, Lactat, Proteine, Mineralien und Neurotransmitter.
Der Begriff "Körperflüssigkeit" kann im Rahmen der
vorliegenden Erfindung sämtliche
möglichen
Körperflüssigkeiten
wie insbesondere interstitielle Flüssigkeit, Blut und Hirnflüssigkeit
umfassen. Das System ist in erster Linie zur kontinuierlichen Diagnostik
beim Menschen konzipiert, es sollen jedoch auch andere mögliche Anwendungen,
z. B. am Tier, mit umfasst sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wird dabei der Begriff Mikrodialysesystem für eine Ausführungsformen verwendet, bei
denen über eine
Membran ein Stoffaustausch zwischen dem Außenraum und einer Perfusionsflüssigkeit
stattfindet. Mikrodialysesysteme, die im Stand der Technik bekannt
sind, werden beispielsweise in den Dokumenten
Im
Messbereich der Analyseeinheit ist mindestens ein Sensor zur Detektion
eines Analyten angeordnet. Zur Detektion von Glucose kann z. B.
eine Metallelektrode verwendet werden, die an ihrer Oberfläche mit
Glucoseoxidase oder einem glucoseoxidasehaltigen Reagenzgemisch
beschichtet ist. Es kann aber beispielsweise auch gelöste Glucoseoxidase
in die Messzelle hinzugegeben werden. Dieses Messverfahren ist z.
B. im Dokument
Weiterhin ist es für eine Durchführung einer Mikrodialyse vorteilhaft, ein Reservoir für Perfusionsflüssigkeit und/oder ein Reservoir zur Aufnahme von Dialysat nach der Analyse vorzusehen, das direkt oder über einen Kanal mit dem Austauschbereich verbunden ist. Zum Transport von Perfusionsflüssigkeit durch den Austauschbereich und hin zum Sensorbereich ist eine Pumpe vorgesehen. Eine solche Pumpe kann beispielsweise im Druckbetrieb arbeiten und somit Flüssigkeit aus dem Reservoir für Perfusionsflüssigkeit herausdrücken oder aber sie kann auch im Saugbetrieb arbeiten und Flüssigkeit durch das System hindurchziehen. Weiterhin kann eine Pumpe beispielsweise so angeordnet sein, dass sie Flüssigkeit aus dem Fluidreservoir herauszieht und dem Austauschbereich zuführt. Letztere Variante kann analog einer konventionellen Schlauchpumpe ausgeführt sein, bei der durch ein von außen angreifendes Rollenelement Flüssigkeit durch Zusammenquetschen eines zusammendrückbaren Bereiches des Fluidkanals verschoben wird. Entsprechende Systeme, sind beispielsweise im Bereich der "implanted delivery devices" gebräuchlich. Exemplarisch sei an dieser Stelle auf das Dokument WO99/41606 aus dem Bereich der Mikrodialyse, verwiesen. Hierbei zeigt sich im Stand der Technik, dass in der Mikrodialyse beispielsweise Kanäle mit einem Durchmesser im Bereich von 10-1000 μm eingesetzt werden, wobei sich eine Kanallänge im Bereich einiger Zentimeter ergibt. Für eine linearer Flussraten von etwa 1 cm/min erweisen sich somit Drücke im Bereich weniger Millibar als hinreichend. Weiterhin weisen solche Systeme eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit auf, die zur Umwandlung von Sensorsignalen in Konzentrationswerte des Analyten dienen.Farther is it for an implementation a microdialysis advantageous, a reservoir for perfusion fluid and / or a reservoir for receiving dialysate after analysis to provide, directly or via a channel is connected to the exchange area. For transport of perfusion fluid through the exchange area and towards the sensor area is a pump intended. Such a pump can, for example, in printing operation work and thus liquid from the reservoir for perfusion press out or else she can work in suction mode and liquid pass through the system. Furthermore, a pump, for example be arranged so that they are liquid withdraws from the fluid reservoir and supplies the exchange area. Latter Variant can be carried out analogously to a conventional peristaltic pump, at the one by the outside engaging roller element fluid by squeezing a compressible portion of the fluid channel is moved. Corresponding systems, for example, are in the field the "implanted delivery devices "in use. By way of example, reference should be made here to the document WO99 / 41606 from the Range of microdialysis, referenced. This shows up in the state the technique that in microdialysis, for example, channels with a Diameter can be used in the range of 10-1000 microns, where a channel length in the range of a few centimeters. For a linear flow rates of about 1 cm / min thus prove pressures in the range of a few millibars as adequate. Furthermore, such systems have one with the sensor connected evaluation unit, which is used to convert sensor signals serve in concentration values of the analyte.
Für die Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeit aus einem Gas sind ebenfalls vielfältige Anwendungsgebiete denkbar, wie z. B. in dem Bereich der Medizintechnik. Beispielsweise erfolgt eine Anwendung im Gebiet der künstlichen Beatmung, wo die Vorrichtung zur Entfernung von Flüssigkeitstropfen aus einem befeuchteten Gasstrom, eingesetzt werden kann. Weitere Anwendungsgebiete sind z. B. Analysesysteme, die zur Analyse der Atemluft verwendet werden.For the device for the separation of liquid a gas also offers a variety of possible applications, such as B. in the field of medical technology. For example, done an application in the field of artificial Ventilation, where the device for removal of fluid drops from a humidified gas stream, can be used. Further Application areas are z. B. Analysis systems used for the analysis of Breathing air can be used.
Besonders in dem Anwendungsgebiet der Analytik zeigt sich, dass es häufig zu Messwertfehlern kommt, die durch Flüssigkeitstropfen im Gasanalysegerät verursacht werden. Diese entstehen z.B. in dem das von Menschen ausgeatmete Gas im Analysesystem eine Abkühlung von der Körpertemperatur erfährt. Bei Kontakt mit dem Analysesystem findet eine Auskondensation des in der Atemluft enthaltenen Wassers statt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielsweise das Abscheiden von Wasser in flüssiger Form aus der Atemluft, bevor diese in ein CO2-Analysegerät geleitet wird. Wird die Vorrichtung – wie beschrieben – zur Flüssigkeitsabscheidung eingesetzt, erweist es sich als vorteilhaft, die flüssigkeitspermeable Membran vor dem Gebrauch der Vorrichtung zunächst mit Flüssigkeit benetzt wird, so dass zu Beginn der Messung kein Gas durch die trockene Membran entweichen kann. Eine exakte Analyse eines Gasstroms wird somit während des gesamten Messablaufes gewährleistet.Especially in the field of application of the analysis shows that it often leads to measured value errors caused by liquid droplets in the gas analyzer. These arise, for example, in which the gas exhaled by humans in the analysis system undergoes a cooling of the body temperature. Upon contact with the analysis system, condensation of the water contained in the respiratory air takes place. A device according to the invention makes it possible, for example, to separate water in liquid form from the respiratory air before it is passed into a CO 2 analyzer. If the device - as described - used for liquid separation, it is advantageous that the liquid-permeable membrane is wetted with liquid before use of the device, so that at the beginning of the measurement, no gas can escape through the dry membrane. An exact analysis of a gas flow is thus ensured during the entire measurement process.
Darüber hinaus ergeben sich weitere Anwendungsgebiete in der Analytik sowie bei der Synthese hochreiner Substanzen, bei denen jeweils im Mikromaßstab gearbeitet wird, sodass die erfindungsgemäßen Vorrichtungen generell auf kein spezielles Anwendungsgebiet beschränkt sind.In addition, there are more areas of application in analytics and in the synthesis of highly pure substances, which are each working on a microscale, so that the devices according to the invention are generally not limited to any particular field of application.
Prinzipiell sind auch zu den beschriebenen Anwendungsgebieten komplementäre Verwendungsmöglichkeiten denkbar, so dass z. B. eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Begasen einer Flüssigkeit verwendet werden kann. Versuche haben gezeigt, dass bei einer zuvor entgasten Lösung, die mit einer Flussrate von 1,2 μl/min durch die erfindungsgemäße Vorrichtung fließt, eine vergleichbare Begasung der Flüssigkeit erlangt werden kann, wie sie auf konventionellem Wege durch die Begasung mit einem Siliconschlauch gleichem Durchmessers, erzielt wird.in principle are also complementary to the applications described complementary uses conceivable, so that z. B. a device according to the invention also for gassing a liquid can be used. Trials have shown that at one before degas solution, at a flow rate of 1.2 μl / min by the device according to the invention flows, a comparable fumigation of the liquid can be obtained as they do conventionally by fumigation with a silicone tube the same diameter is achieved.
Das erfindungsgemäße System kann vorzugsweise bei Normaldruck betrieben werden, wobei die üblichen Schwankungen des Umgebungsdruckes die Abscheidung der zu separierenden Phase im wesentlichen nicht beeinträchtigen.The inventive system can preferably be operated at atmospheric pressure, the usual Variations in the ambient pressure, the deposition of the separated Essentially not adversely affect phase.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiterhin auf keine vorgegebene Anwendungszeit in einem System beschränkt, da stets eine Ableitung der zu separierenden Phase durch die Zuleitung erfolgt. Dennoch ist darauf zu achten, dass die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung stets gegeben ist. Hierbei ist es u. a. vorstellbar, dass es zur Verschmutzung der Membran und somit zur Verstopfung der Poren kommen kann, die die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung beeinträchtigen; insbesondere wenn die Vorrichtung neben der erfindungsgemäßen Funktion zur Gas- bzw. Flüssigkeitsabscheidung weiterhin noch zur Abtrennung von Partikeln innerhalb des Fluids dient. Hierbei werden Partikel, die größer als der Porendurchmesser sind, in der Zuleitung des Systems zurückgehalten, so dass das Fluid im wesentlichen partikelfrei die Ableitung passiert. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Abtrennung von Mikroorganismen aus einem Fluid dienen. Unter diesen Umständen wird die Vorrichtung somit auch zur Sterilisation von Fluiden eingesetzt. Eine derartige zusätzliche Funktion der Vorrichtung kann jedoch zu der oben beschriebenen Verschmutzung insbesondere der Membran der Ableitung führen, so dass hierdurch die Lebensdauer der Vorrichtung entsprechend dem Anwendungsgebiet unter Umständen limitiert ist. Um die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung zu gewährleisten, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform ein Sensor im mikrofluidischen Durchflusssystem integriert, der das Fluid nach dem Phasenseparationsschritt vermisst. Ein solcher Sensor ist z. B. innerhalb der Ableitung oder allgemein stromabwärts bzgl. der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb des Systems denkbar, und kann z. B. in einer Mikrodialysesonde realisiert werden. Beispielsweise dient der Sensor dann zur Detektion von Blasen bzw. Flüssigkeitstropfen in dem Fluid oder zur Detektion der Fließgeschwindigkeit, die bei Verstopfung der Membranen entsprechend abfallen würde. Überwacht ein Sensor die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist es somit dem Benutzer möglich einen Austausch des Systems vorzunehmen, sobald die Funktion der Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung nicht mehr in zufriedenstellendem Maße gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dann vorteilhafterweise als Einmalartikel ausgestaltet und kann in dem zur Verwendung vorgesehenen System einfach ausgetauscht werden. Natürlich ist es auch denkbar, die Vorrichtung bei einer Verschmutzung der Membran durch entsprechende Spülprozesse wieder zu reinigen. Hinsichtlich der einfachen und kostengünstigen Herstellung der Vorrichtung erweist sich jedoch die Verwendung des Systems als Einmalartikel als bevorzugt.The inventive device is still not on a given application time in a system limited, as always a derivative of the phase to be separated by the supply line he follows. Nevertheless, it is important to ensure that the functionality the device is always given. Here it is u. a. conceivable that it pollutes the membrane and thus constipation the pores can come that affect the functioning of the device; especially when the device in addition to the function of the invention for gas or liquid separation still for the separation of particles within the fluid serves. In this case, particles that are larger than the pore diameter are retained in the supply line of the system, leaving the fluid Essentially particle-free, the derivative happens. For example the device for the separation of microorganisms from a Serve fluid. Under these circumstances Thus, the device is also used for the sterilization of fluids. Such an additional function However, the device may cause the pollution described above in particular lead the membrane of the derivative, so that thereby the life the device may be limited according to the field of application is. To the functionality to ensure the device is in an advantageous embodiment a sensor integrated in the microfluidic flow system, the the fluid is missing after the phase separation step. Such a Sensor is z. B. within the derivative or generally downstream. the device according to the invention within the system conceivable, and z. B. in a microdialysis probe will be realized. For example, the sensor then serves for detection of bubbles or liquid drops in the fluid or for the detection of the flow velocity in the event of constipation the membranes would fall accordingly. A sensor monitors the function the device according to the invention, it is thus possible for the user to replace the system as soon as the function of the Gas or liquid separation is no longer guaranteed to a satisfactory extent. The device according to the invention is then advantageously designed as a disposable and can in simply be replaced with the system intended for use. Naturally It is also conceivable, the device at a pollution of the Membrane by appropriate rinsing processes again to clean. Regarding the simple and inexpensive However, the manufacture of the device proves the use of the Systems as disposable as preferred.
Nachfolgend wird anhand der Figuren beispielhaft der Erfindungsgegenstand näher erläutert.following will be explained with reference to the figures by way of example of the subject invention.
Die gezeigten Ausführungen sind beispielhaft zu verstehen und im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise veränderbar. Erfindergemäß erlaubt hierbei eine kombinierte Anordnung einer hydrophoben und hydrophilen Membran eine Phasenseparation für Mikrofluidische Systeme.The shown embodiments are exemplary and within the scope of the invention in many ways variable. Inventions here allowed a combined arrangement of a hydrophobic and hydrophilic membrane a phase separation for Microfluidic systems.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |