Wenn Sie neu in der Mikrofluidik arbeiten, mag Sie die Vielzahl an Anschlusstypen für Ihren Chip, Ihre tube und Ihre Pumpe verwirren. Tatsächlich hat die Mikrofluidik diese Standards aus verschiedenen Bereichen wie der HPLC und der Medizin übernommen, und jeder Hersteller bevorzugt einen bestimmten Anschlusstyp.
In diesem Tutorial definieren wir die in der Mikrofluidik am häufigsten verwendeten Fittings und Steckverbinder und erklären, wie Sie diese anhand von drei Hauptparametern auswählen: dem verwendeten tube, dem in Ihrem mikrofluidischen System angewendeten Druck und den zu verbindenden Komponenten (Chip, Spritze usw.).
Die verschiedenen Arten von Fittings und Steckverbindern in der Mikrofluidik
Im Allgemeinen wurden die folgenden Steckverbinder für die Mikrofluidik ausgewählt, um ein möglichst geringes internes Volumen bei gleichzeitiger Leckagefreiheit zu gewährleisten. Die Steckverbinder in der Mikrofluidik werden in zwei Kategorien unterteilt: Gewinde- und Luer-Anschlüsse. Anschließend zeigen wir, wie ein PDMS-Chip direkt an starre oder weichwandige tube angeschlossen wird, und gehen auf weniger gängige mikrofluidische Fittings und Steckverbinder ein.
Gewinde-Steckverbinder
Gewinde-Steckverbinder werden häufig in Hochdruckanwendungen wie HPLC oder GC eingesetzt. In der Mikrofluidik gewährleisten sie leckagefreie Verbindungen und eine hohe Druckbeständigkeit (> 100 bar) und sind gleichzeitig äußerst praktisch für den Anschluss von starren tube (wie ptfe, FEP, PEEK usw.).
Als „Fitting“ bezeichnet man das System aus einer Mutter und einem Schneidring. Die Mutter wird in das gegnerische Gewinde geschraubt, während der Schneidring durch das Verschrauben komprimiert wird und die Verbindung abdichtet.
Während diese Fittings und Steckverbinder überwiegend aus PFA oder ptfe gefertigt sind, sind sie für Niederdruckanwendungen auch in Polypropylen oder für anspruchsvollere Anwendungen in PEEK erhältlich.
| Vorteile | Nachteile |
| Einfache Handhabung: Einfach den Steckverbinder anschrauben, um eine leckagefreie und druckbeständige Verbindung (> 100 bar) zu erhalten | Die Kombination aus Mutter und Schneidring funktioniert nur mit starren tube, nicht jedoch mit Silikon, Tygon usw. Adapter mit Gewinde auf cannelé (barbed) sind für den Anschluss weichwandiger tube erhältlich, haben jedoch Einschränkungen |
| In verschiedenen Materialien verfügbar (Delrin, PFA, ptfe, PEEK usw.) | Kein Standard für vorgefertigte Mikrofluidik-Chips (Off-the-Shelf) |
1/4-28
Die am häufigsten verwendeten Gewinde-Steckverbinder in der Mikrofluidik. Mit einem Durchmesser von 1/4 Zoll (6,35 mm) und 28 Gängen pro Zoll eignen sie sich besonders für den Anschluss von starren tube mit 1/16" AD (1,6 mm) oder 1/8" AD (3,2 mm).
10-32
Diese Steckverbinder werden aufgrund ihrer geringeren Abmessungen (Durchmesser von 0,19 Zoll oder 4,82 mm, 32 Gänge pro Zoll) als Alternative zu 1/4"-28 UNF eingesetzt. Diese 10-32-Steckverbinder sind für tube mit 1/16" AD erhältlich und passen auch auf tube mit 1/32" AD.
6-40
Die kleinsten in der Mikrofluidik verwendeten Standardanschlüsse mit einem Durchmesser von 0,138 Zoll (3,50 mm) und 40 Gewindegängen pro Zoll. Diese Verschraubungen werden ebenfalls mit Klemmringen (Ferrules) kombiniert und überwiegend mit 1/32" (0,8 mm) AD tube verwendet.
💡 Tipp: Je mehr Gewindegänge die Verschraubung aufweist, desto höheren Druck kann sie bewältigen! Achten Sie daher auf die letzte Zahl (28 bei „1/4-28“ oder 40 bei „6-40“), die die Anzahl der Gewindegänge pro Zoll angibt. In der Mikrofluidik ist Hochdruck keine Grundvoraussetzung, und die Auswahl der Gewindegröße richtet sich hauptsächlich nach der Handhabbarkeit.
Gewinde-auf-cannelé (barbed)-Adapter
Wie oben gezeigt, ist die Kombination aus Mutter und Klemmring nicht mit weichwandigen tube kompatibel. Es gibt jedoch Lösungen wie Gewinde-auf-cannelé (barbed)-Adapter (siehe Abbildung unten). Da der kleinste Anschluss für tube mit einem Innendurchmesser von etwa 1,2 mm ausgelegt ist, ist der Anschluss von tube mit einem geringeren Innendurchmesser nicht möglich. Zudem ist das Arbeiten bei hohem Druck mit dieser Verschraubung ausgeschlossen, da der tube aus dem Adapter herausrutschen würde.
Luer-Anschlüsse
Aus der Spritzen- und Kanülentechnik übernommen, eignen sich Luer-Verbindungen besonders gut für „Plug-and-Play“-Mikrofluidik und ermöglichen leckagefreie sowie einfache Verbindungen. Es werden zwei Haupttypen von Luer-Verbindungen verwendet:
- Luer-Slip-Verschraubungen werden zusammengesteckt und durch Reibung gehalten (kein Gewinde),
- Luer-Lock-Verschraubungen, die oft auch als Luer-Lock bezeichnet werden, sind Luer-Slip-Verbindungen, bei denen das weibliche (female) Fitting über eine Laschennabe verfügt, die in das Innengewinde einer Hülse am männlichen (male) Fitting eingeschraubt wird.
Der Mikrofluidik-Chip-Hersteller ChipShop hat Standardchips entwickelt, die einen neuen Luer-Standard verwenden: den mini luer. Sie nutzen dasselbe Prinzip wie Luer für Plug-and-Play-Verbindungen, weisen jedoch kompaktere Abmessungen auf, um auf Chips im Format eines Mikroskopobjektivträgers (75 mm x 25 mm) zu passen.
| Vorteile | Nachteile |
Sehr anwenderfreundlich Bei Luer-Lock-Verschraubungen ist die Verbindung sicher und dicht | Luer-Slip-Verschraubungen sind gegenüber hohem Druck weniger beständig (max. Druck beträgt 2 bar) als Gewindeanschlüsse. Das zusätzliche Gewinde der Luer-Lock-Verschraubungen erleichtert das Erreichen höherer Drücke. |
Luer-Slip-Verschraubungen zeichnen sich durch eine geringe Baugröße aus, wodurch sich auf einfache Weise eine Verbindung zu einem Mikrofluidik-Chip herstellen lässt | Luer-Lock-Verschraubungen haben eine große Baugröße und sind daher mit einigen Mikrofluidik-Chips nicht kompatibel |
| Direkter Anschluss an Adapter für weichwandige tube (Silikon, Tygon…) | Nicht geeignet für den Anschluss an starre tube (ptfe, FEP, PEEK…) |
💡 Tipp: Eine Luer-Slip-Verbindung anstelle einer Luer-Lock-Verbindung auf Ihrem Chip stellt in der Mikrofluidik kein Problem dar! Normalerweise ist der Druck im System niedrig genug, um in jedem Bereich eine sichere Verbindung zu gewährleisten. Es ist jedoch stets ratsam, eine Luer-Lock-Spritze zu verwenden, um die Verbindung zusätzlich abzusichern.
Wie verbindet man diese Luer-Anschlüsse nun mit Ihren tube? Tatsächlich ist das Anschließen von weichwandigen tube wie Silikon oder Tygon unkompliziert: Es gibt zahlreiche Anschlüsse mit einem Ansatz, der vom Innendurchmesser des tube abhängt – das Minimum liegt bei etwa 1 mm. Für kleinere Abmessungen von tube, da Luer-Anschlüsse an Spritzen typischerweise mit Kanülen verwendet werden, lässt sich eine Kanüle problemlos an das Luer-Fitting anschließen.
Direkter Anschluss
Bei PDMS-Chips ist es möglich, die tube direkt über die gestanzten Löcher mit dem Mikrofluidik-Chip zu verbinden. Allerdings muss es sich dabei um starre tube (z. B. ptfe) handeln.
Alternativ kann ein wehrwandiges tube über Kanülen an PDMS-Chips angeschlossen werden, wie in der Abbildung unten dargestellt.
Weitere Steckverbinder-Typen
Diese Anschlüsse werden in der Mikrofluidik seltener verwendet, lassen sich jedoch für spezifische Anwendungen einsetzen.
Steckverbinder (Push-in)
Push-in-Fittings sind zuverlässig und benutzerfreundlich: Sobald das tube in den Anschlussport gesteckt wird, sitzt es fest. Sie werden hauptsächlich für pneumatische Verbindungen eingesetzt, können aber auch für Flüssigkeitsanwendungen interessant sein, wobei der benötigte tube-Durchmesser hierbei in der Regel größer ist als in der Mikrofluidik üblich.
6-32
Als Alternative zu 6-40-Fittings sind in der Mikrofluidik auch 6-32-Anschlüsse zu finden. Sie werden überwiegend für Kapillaren (360 µm AD) verwendet und überzeugen durch ihre kompakte Bauform.
Wie wählt man die geeigneten Fittings und Anschlüsse für die Mikrofluidik aus?
Die folgende Tabelle fasst die Stärken und Schwächen der am häufigsten verwendeten Mikrofluidik-Anschlüsse zusammen.
| Anschlusstyp | Stärken | Schwächen |
| Mit Gewinde (Mutter + Schneidring/Klemmring): 1/4-28, 10-32, 6-40 usw. |
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| Gewinde auf cannelé (barbed) |
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| Luer-Slip |
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| Luer-Lock |
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| Direkter Anschluss |
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