Frequenzgesteuertes Öffnen von Stickpacks in zentrifugalen Mikroanalysesystemen

Media type: E-Book

Title: Frequenzgesteuertes Öffnen von Stickpacks in zentrifugalen Mikroanalysesystemen

Contributor: Baumann, Daniel [Verfasser]; Zengerle, Roland [Akademischer Betreuer]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

imprint: Freiburg: Universität, 2020

Extent: Online-Ressource

Language: German

DOI: 10.6094/UNIFR/154630

Identifier:

Keywords: Mikroanalyse > Reagenz > Dosiereinrichtung > Steuerung > Beutel > Schlauchfolie

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2019

Footnote:

Description: Abstract: In this work, a technology has been advanced that enables a long-term stable pre-storage as well as an automated and frequency controlled release of liquids in centrifugal microanalysis systems. For this purpose, liquids were packaged in tubular bags, so-called stickpacks. These stickpacks are produced by an automated form-fill-seal method, which consists of several process steps: a composite film is formed to a tube, longitudinally and transversely heat-sealed, filled with liquid and cross-cutted to produce single stickpacks. Distilled water, ethanol and 3M™ Novec™ 7500 (3M Deutschland GmbH) were used as filling goods and different composite films consisting of polyethylene terephthalate (PET), aluminum and polyethylene (PE) were used as packaging material. The films were sealed at sealing pressures between 9.4 - 28.2 MPa, sealing temperatures between 97 - 119 °C and sealing times between 0.6 - 5.2 s. To examine the opening dynamics of stickpacks, they were inserted and fixed in a chamber of the microanalysis cartridge. By centrifuging the microanalysis cartridge, a hydrostatic pressure is generated inside of the stickpack. At a sufficiently high frequency, the seal is peeled and the liquid is released. To examine and assess the opening dynamics of stickpacks during centrifugation, a camera system with stroboscopic lightning was used. Initially, the opening dynamics of stickpacks was investigated for two different load cases. In the first load case, the frequency was accelerated constantly until liquid was released of stickpacks at the so-called burst frequency. It was demonstrated that the burst frequency is related to the acceleration: at an acceleration of 1 Hz/s, 100 stickpacks opened at burst frequencies between 50 to 86 Hz, while at an acceleration of 10 Hz/s the stickpacks opened at burst frequencies between 70 to 101 Hz. This illustrates that the burst frequency is no constant value, but rather depends on the course of the frequency protocol. Consequently, the measured burst frequency is only valid for a specific frequency protocol. A second load case was applied, where a frequency was approached rapidly with an acceleration of 60 Hz/s and held constant for 1000 seconds. The so-called opening delay was measured, which is defined as the duration from the beginning of the frequency protocol until liquid release. At a frequency of 50 Hz, 21 out of 100 stickpacks opened within an opening delay of 36 to 968 seconds, whilst 79 out of 100 stickpacks remained closed. In contrast to this, at a frequency of 110 Hz all 100 stickpacks opened within an opening delay of 1 to 2 seconds. This demonstrates that stickpacks open at both, low and high frequencies, but at a different pace. In order to define when stickpacks open in microanalysis systems, two specifications are required. For a given frequency protocol the durations must be known until the first and also until the last stickpack of a lot opens. In addition to the opening behavior of stickpacks, methods for controlling the burst frequency and the opening delay were investigated. One method is to adjust the seal strength of stickpacks. Two stickpack batches of different seal strength were produced. Subsequently, 100 stickpacks of each batch were centrifuged at a constant frequency and the opening delay was measured. At a frequency of 60 Hz, all stickpacks with a seal strength of 0.5 N/cm opened within an opening delay of 2 to 6 seconds, while no stickpack with a seal strength of 1.9 N/cm opened within 1000 seconds. However, the stickpacks with an seal strength of 1.9 N/cm opened at a frequency of 100 Hz within an opening delay of 4 to 32 seconds. This experiment shows that the burst frequency and the opening delay can be controlled by the seal strength. A higher seal strength increases either the opening delay or the burst frequency for a given opening delay. Another parameter for controlling the opening delay of stickpacks is the length of the transverse seam. For instance, 100 stickpacks with a seam length of 1 mm showed an opening delay of 3 seconds (median), while at a seam length of 5 mm the opening delay increased to 74 seconds (median). By this experiment it was shown that the opening delay of stickpacks increases strongly with the seam length. A third possibility to control the burst frequency is to change the so-called chamber depth, which is the depth of the chamber on the microanalysis cartridge where stickpacks are located. If a stickpack is squeezed by a limited chamber depth, this affects both the separation force at the seam and the hydrostatic pressure within the stickpack. A fourth parameter for controlling the burst frequency is the temperature. Within a temperature range between 20 to 80 ° C, an increase of 20 K resulted in a decrease of the burst frequency of up to 20 Hz for a given opening delay. This behavior was attributed mainly to the fact that the seal strength decreases with an increasing temperature. By using the described methods, a frequency controlled opening of stickpacks can be realized, which allows the opening of stickpacks with different seal strength in a predefined order. Another chapter of this thesis covers defect patterns that hinder a reliable opening of stickpacks in microanalyses systems as well as solutions for solving these. One defect pattern occurs during the production of stickpacks when the sealing area is contaminated with liquid before sealing. This causes a decrease of the seal strength to a varying extent depending on the contaminant type and the seal temperature. A contamination with ethanol (70%) caused a decrease of the seal strength by up to 13 % and a contamination with distilled water caused a decrease of up to 60 %. At low sealing temperatures, no seam could be generated at all due to contaminations. In consequence, stickpacks which are affected by a seam contamination opened too early in the microanalysis cartiridge or showed leakages right after production. The seam contamination is caused by dispensing errors due to air in the dispensing system, capillary forces, electrostatic forces and further reasons. Despite the implementation of various measures, a seal contamination could not be prevented fully within this work. Therefor further investigations are needed to face this challenge. Another error pattern was identified within this work, which leads to an increase of the opening delay. The seam of some stickpacks buckles during centrifugation due to generated hydrostatic pressure. This so-called "seam buckling" occurs in a varying degree and depends on the stickpack width, the frequency and the transverse seam geometry. When the seam buckling exceeded a certain degree, stickpacks opened by a factor of up to 7.6 slower than the median opening delay. Because of the time limit of the experiment, even some stickpacks of the batch did not open at all. Through an optimization of the seam geometry the extent of seam buckling was greatly reduced and a delay caused by seam buckling was prevented. A third error pattern causes leakages in several stickpacks within a batch when low seal strengths are applied. During the production of stickpacks, forces act on the seams, which cause a so called “seam-pre-damage”. In consequence the remaining length of the seam is reduced. Leakages occur when no continuous seam remains. The seam-pre-damage is increasing for stickpacks with lower seal strengths. The remaining seam length was measured for 100 stickpacks each in dependence of the seal strength and with a sealing area of 9.0 x 5.0 mm². Leakages occurred for seal strengths below 1.7 N/cm. The transversal seam geometry was optimized to compensate the seam-pre-damage. A production of leakage-free stickpacks with seal strengths of 0.5 N/cm was achieved. The entirety of the work helps to store liquids in microanalysis systems with long-term stability and release them reliably

Abstract: In dieser Arbeit wurde eine Technologie weiterentwickelt, die eine langzeitstabile Vorlagerung sowie eine automatisierte und frequenzgesteuerte Freisetzung von Flüssigkeiten in zentrifugalen Mikroanalysesystemen ermöglicht. Flüssigkeiten werden hierzu in Folienschlauchbeuteln, sogenannte Stickpacks, verpackt. Die Herstellung der Stickpacks erfolgt mittels eines automatisierten Form-Füll-Verschließ-Verfahrens und unter Einsatz von Heißsiegeln. Dabei wird aus einer Verbundfolie ein Folienschlauch geformt, der anschließend längs- und querversiegelt, mit Flüssigkeit befüllt sowie quergeschnitten wird. Es wurden destilliertes Wasser, Ethanol und 3M™ Novec™ 7500 (3M Deutschland GmbH) als Füllguter sowie diverse Verbundfolien bestehend aus Polyethylenterephthalat (PET), Aluminium und Polyethylen (PE) eingesetzt. Es wurden Siegeldrücke zwischen 9,4 - 28,2 MPa, Siegeltemperaturen zwischen 97 - 119 °C und Siegelzeiten zwischen 0,6 - 5,2 s verwendet. Zur Untersuchung der Öffnungsdynamik von Stickpacks wurden diese in eine Kammer des Testträgers eingelegt und fixiert. Durch Zentrifugieren des Testträgers entsteht ein hydrostatischer Druck im Inneren des Stickpacks. Bei einer ausreichend hohen Frequenz peelt die Quersiegelnaht und die Flüssigkeit wird freigesetzt. Die Beobachtung der Öffnungsdynamik erfolgte durch ein Kamerasystem mit Stroboskopbeleuchtung. Zu Beginn wurde die Öffnungsdynamik von Stickpacks bei zwei unterschiedlichen Belastungsfällen untersucht. Im ersten Belastungsfall wurden Stickpacks mittels einer linearen Frequenzrampe belastet und die sogenannte Berstfrequenz gemessen, also die Frequenz bei der Flüssigkeit aus den Stickpacks austritt. Es hat sich gezeigt, dass die Berstfrequenz von der Änderungsrate der Frequenz abhängt: Bei einem Stichprobenumfang von 100 und einer Änderungsrate von 1 Hz/s öffneten Stickpacks bei Berstfrequenzen von 50 bis 86 Hz, während Stickpacks bei einer Änderungsrate von 10 Hz/s bei Berstfrequenzen von 70 bis 101 Hz öffneten. Dies veranschaulicht, dass die Berstfrequenz eines Stickpacks nicht eine konstante Größe ist, sondern vom Verlauf des Frequenzprotokolls abhängt. Die Berstfrequenz beschreibt die Öffnungsdynamik damit nur vollständig, wenn das spezifische Frequenzprotokoll bekannt ist mit dem die Berstfrequenz ermittelt wurde. Im zweiten Belastungsfall wurde eine Frequenz mit einer Änderungsrate von 60 Hz/s angefahren und anschließend über 1000 Sekunden konstant gehalten. Anstelle der Berstfrequenz wurde die sogenannte Öffnungsverzögerung gemessen, also die Dauer von Beginn des Zentrifugierens bis zum Austritt der Flüssigkeit aus dem Stickpack. Bei einem Stichprobenumfang von 100 und einer Frequenz von 50 Hz öffneten 21 Stickpacks bei einer Öffnungsverzögerung von 36 bis 968 Sekunden, während 79 Stickpacks nicht geöffnet sind. Dagegen konnten bei einer Frequenz von 110 Hz alle 100 Stickpacks bei einer Öffnungsverzögerung von 1 bis 2 Sekunden geöffnet werden. Der Versuch hat verdeutlicht, dass Stickpacks sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen öffnen. Die Frequenz beeinflusst dabei wie lange das Öffnen verzögert wird. Um den Öffnungszeitpunkt von Stickpacks in Mikroanalysesystemen genau festlegen zu können, sind demnach zwei Angaben erforderlich. Für ein gegebenes Frequenzprotokoll muss bekannt sein, nach welcher Zeit das erste und nach welcher Zeit das letzte Stickpack einer Charge öffnet. Zusätzlich wurde untersucht, wodurch die Berstfrequenz und die Öffnungsverzögerung beeinflusst werden können. Es wurde gezeigt, dass eine Beeinflussung über die Siegelnahtfestigkeit (SNV) möglich ist. Es wurden zwei Stickpack-Chargen unterschiedlicher SNV hergestellt. Anschließend wurden jeweils 100 Stickpacks bei einer konstanten Frequenz zentrifugiert sowie die Öffnungsverzögerung gemessen. Bei einer Frequenz von 60 Hz öffneten alle Stickpacks mit einer SNV von 0,5 N/cm nach 2 bis 6 Sekunden, während kein Stickpack mit einer SNV von 1,9 N/cm innerhalb von 1000 Sekunden öffnete. Die Stickpacks mit einer SNV von 1,9 N/cm öffneten dagegen bei einer Frequenz von 100 Hz innerhalb von 4 bis 32 Sekunden. Dieser Versuch zeigt, dass sowohl die Berstfrequenz als auch die Öffnungsverzögerung durch die SNV beeinflusst werden können. Hierdurch kann sowohl der Öffnungszeitpunkt von Stickpacks als auch die Reihenfolge des Öffnens von mehreren Stickpacks festgelegt werden. Weiterhin wurde demonstriert, dass die Öffnungsverzögerung von Stickpacks durch die Länge der Quersiegelnaht beeinflusst werden kann. Bei einer Nahtlänge von 1 mm dauerte das Öffnen im Median 3 Sekunden während das Öffnen bei einer Nahtlänge von 5 mm im Median 74 Sekunden dauerte. Dies veranschaulicht, dass die Öffnungsverzögerung mit einer längeren Quersiegelnaht stark zunimmt. Um Stickpacks schneller zu öffnen, sind entsprechend höhere Frequenzen notwendig, wodurch auch durch die Nahtlänge die Berstfrequenz von Stickpacks beeinflusst werden kann. Eine dritte Möglichkeit ist eine Beeinflussung der Berstfrequenz durch die sogenannte Kammertiefe, also die Tiefe der Kammer auf dem Mikroanalysesystem in der sich das Stickpack befindet. Wird ein Stickpack durch eine begrenzte Kammertiefe gequetscht, wirkt sich dies sowohl auf die Trennkraft an der Siegelnaht als auch auf den hydrostatischen Druck im inneren des Stickpacks aus. Eine vierte Möglichkeit ist eine Beeinflussung der Berstfrequenz durch die Temperatur. Bei einem Temperaturbereich von 20 bis 80 °C führte eine Temperaturerhöhung um 20 K jeweils zu einer Reduzierung der Berstfrequenz um bis zu 20 Hz. Dieses Verhalten wurde darauf zurückgeführt, dass die Siegelnahtfestigkeit mit zunehmender Temperatur abfällt. Durch Einsatz der beschriebenen Methoden kann der Öffnungszeitpunkt von Stickpacks in Mikroanalysesystemen variabel beeinflusst werden. Ein weiteres Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit Fehlerbildern, die ein zuverlässiges Öffnen von Stickpacks in Mikroanalysesystemen erschweren sowie mit Lösungskonzepten zur Behebung dieser Fehlerbilder. Bei der Herstellung von Stickpacks können Dosierfehler auftreten, wodurch die Siegelfläche noch vor dem Siegeln mit Flüssigkeit kontaminiert wird. In Abhängigkeit des Kontaminanten sowie der Siegeltemperatur wird die Siegelnahtfestigkeit unterschiedlich stark reduziert. Infolge einer Kontamination mit Ethanol (70%) wurde die Siegelnahtfestigkeit um bis zu 13 % und infolge einer Kontamination mit destilliertem Wasser um bis zu 60 % reduziert. Bei geringen Siegeltemperaturen bildete sich infolge einer Nahtkontamination keine Siegelnaht aus. Stickpacks, die von einer Nahtkontamination betroffen sind, öffnen im Mikroanalysesystem verfrüht oder beinhalten aufgrund einer Leckage ein zu geringes Flüssigkeitsvolumen. Die Dosierfehler werden unter anderem durch Luft im Dosiersystem, durch Kapillarkräfte sowie durch elektrostatische Kräfte verursacht. Trotz der Umsetzung diverser Maßnahmen zur Behebung der Dosierfehler konnte eine Nahtkontamination bei dem bestehenden Form-Füll-Verschließ-Verfahren nicht vollständig ausgeschlossen werden, weswegen weiterführende Untersuchungen erforderlich sind. Ein weiteres Fehlerbild führt im Gegensatz zur Nahtkontamination zu einem verzögerten Öffnen von Stickpacks. Infolge des Zentrifugierens entsteht ein hydrostatischer Druck im Inneren des Stickpacks, welcher in manchen Fällen eine Wölbung der Quersiegelnaht verursacht. Diese sogenannte Nahtwölbung ist in Abhängigkeit der Stickpackbreite, der Frequenz und der Quersiegelnahtgeometrie unterschiedlich stark ausgeprägt. Bei einer entsprechend starken Nahtwölbung öffneten Stickpacks um einen Faktor von bis zu 7,6 langsamer als im Median. Manche Stickpacks der Charge konnten zudem aufgrund der begrenzten Versuchszeit nicht geöffnet werden. Durch Optimierung der Quersiegelnahtgeometrie konnte das Ausmaß der Nahtwölbung stark reduziert, sowie ein verzögertes Öffnen der Stickpacks unterbunden werden. Ein drittes Fehlerbild führt dazu, dass bei einer zu geringen Siegelnahtfestigkeit eine Leckage im Stickpack entsteht. Während der Herstellung von Stickpacks wirken Kräfte auf die Siegelnähte ein, die ein Auftrennen der Siegelnähte verursachen. Je geringer die Siegelnahtfestigkeit ausfällt, desto stärker ist diese sogenannte Siegelnahtvorschädigung und desto kürzer ist die verbleibende Nahtlänge. Im Extremfall bleibt keine durchgängige Siegelnaht zurück. Bei 9,0 mm breiten Stickpacks und rechteckförmigen Quersiegelbacken mit einer Länge von 5,0 mm bestand bei Siegelnahtfestigkeiten von unter 1,7 N/cm das Risiko einer Leckage. Durch eine Optimierung der Quersiegelnahtgeometrie konnte dieser Grenzwert auf 0,5 N/cm reduziert werden. Die Gesamtheit der Arbeit trägt dazu bei, Flüssigkeiten in Mikroanalysesystemen langzeitstabil vorlagern und zuverlässig freisetzen zu können

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