DE10062246C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche mit mindestens einem definierten Aufenthaltsbereich mit anderen Benutzungseigenschaften als die Umgebung, dessen Material derart ausgewählt ist, daß sich die zu manipulierende Flüssigkeit bevorzugt in dem Aufenthaltsbereich aufhält, wobei der Aufenthaltsbereich mindestens eine Engstelle aufweist, die von der Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung im Normalzustand nicht überwunden werden kann, und wobei mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer äußeren Kraft im wesentlichen in Richtung der mindestens einen Engstelle vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf Festkörperoberflächen und ein Verfahren zur Erzeugung einer definierten Flüssigkeitsmenge unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche und ein Verfahren zur Erzeu­ gung mindestens einer definierten Flüssigkeitsmenge auf einer Festkörperoberflä­ che.

In der Mikroanalytik und -synthese kleiner Flüssigkeitsmengen ist es notwendig, kleine Flüssigkeitsmengen zu definieren und ihr Volumen möglichst genau zu bestimmen. Der Begriff Flüssigkeit umfasst im vorliegenden Text u. a. reine Flüs­ sigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen, sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, z. B. biologisches Material, befinden.

So ist es bei der in jüngster Zeit im Blickpunkt stehenden "Lab-on-a-chip"- Technologie z. B. wünschenswert, eine definierte Flüssigkeitsmenge zu einem defi­ nierten Analyse- oder Synthesepunkt auf dem Chip zu bewegen. An diesem Punkt soll dann z. B. eine chemische oder physikalische Analyse oder Synthese vorge­ nommen werden, bei der es in der Regel wünschenswert ist, wenn die Volumina bzw. die Mengen der entsprechenden Flüssigkeiten genau bekannt sind.

Solche Verfahren werden u. a. für anorganische Reagenzien oder organisches Material, wie Zellen, Moleküle, Makromoleküle oder genetische Materialien einge­ setzt, wie es z. B. von O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36 bis 38 beschrieben ist. Der Transport kleiner Flüssigkeitsmengen in der Analyse und Synthese wird bei bekannten Verfahren in mikrostrukturierten Kanälen vorgenommen (Anne Y. Fu et al. Nature Biotechnology 17, Seite 1109 ff. (1999)). Dort ist die Bewegung kleiner Flüssigkeitsmengen in Mikrokanälen einiger Mikrometer Tiefe bzw. Breite mit elek­ troosmotischen Verfahren beschrieben. Eine andere bereits bekannte Technologie ist der Transport kleiner Flüssigkeitsmengen mit mikromechanischen oder elek­ trostatischen Pumpen in mikrostrukturierten Kanälen, wie sie in "Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences", herausgegeben von A. Manz und H. Becker (Springer Verlag, 1999), auf den Seiten 29 bis 34 beschrieben sind. Elek­ trokinetische Verfahren sind von M. Köhler et al. (Physikalische Blätter 56, Nr. 11, S. 57-61) beschrieben worden.

DE 199 35 433 A1, die nachveröffentlicht ist, beschreibt einen mikrofluidischen Re­ aktionsträger, bei dem Fluide in Strömungskanälen transportiert werden. Aus WO 00/22436 ist die Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrokanälen bekannt. Passive Ventile werden durch engere Kanalabschnitte in weiteren Kanälen gebildet. DE 694 04 657 T2 beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung einer Vielzahl von chemischen Reaktion auf einer Trägerfläche, wobei die Oberfläche dieser Trä­ gerfläche hydrophile Bindungsorte in einer hydrophoben Umgebungsmatrix umfaßt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe eine gezielte Manipulation klei­ ner Flüssigkeitsmengen möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit einem Verfahren mit den Merkmalen entweder des Anspruches 26 oder 27 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens einen definierten Aufenthalts­ bereich auf einer Festkörperoberfläche auf, auf dem sich die mindestens eine zu manipulierenden Flüssigkeit bevorzugt aufhält. Dazu hat der mindestens eine defi­ nierte Aufenthaltsbereich andere Benetzungseigenschaften als die ihn umgebende Festkörperoberfläche. Der definierte Aufenthaltsbereich für die Flüssigkeit kann z. B. in der Form von "Leiterbahnen" auf der Festkörperoberfläche gegeben sein, die z. B. durch eine entsprechende Beschichtung entweder des definierten Aufent­ haltsbereiches oder dessen Umgebung realisiert werden können. Besonders vor­ teilhaft ist dabei, dass trotz des eingegrenzten Aufenthaltsbereiches der Flüssigkeit, die durch die Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht wird, keinerlei Grä­ ben, Ecken oder Kanten notwendig sind, an denen die Flüssigkeit in ihrer Bewe­ gung beeinträchtigt werden könnte.

Die Modulation der Benetzungseigenschaften kann z. B. durch die Definition hy­ drophiler bzw. hydrophober Bereiche erreicht werden. Bei der Manipulation von wäßrigen Lösungen wird der bevorzugte Aufenthaltsbereich z. B. so gewählt, daß er hydrophiler ist als die umgebende Festkörperoberfläche. Dies kann entweder durch eine hydrophile Beschichtung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches oder durch eine hydrophobe Umgebung erreicht werden. Eine hydrophobe Umgebung kann z. B. bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung durch eine silani­ sierte Oberfläche realisiert werden.

Je nach Anwendung kann die den Aufenthaltsbereich umgebende Festkörperober­ fläche auch hydrophil, lipophob oder lipophil im Vergleich zur Oberfläche des Auf­ enthaltsbereiches gewählt werden. Zur Manipulation von nicht-wäßrigen Lösungen kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn der bevorzugte Aufenthaltsbereich li­ pophil im Vergleich zur Umgebung ist.

Die Definition des bevorzugten Aufenthaltsbereichs kann auch durch eine Ätzung der Oberfläche erfolgen bzw. unterstützt werden, wobei die Ätztiefe klein gegen­ über der Breite der "Leiterbahn" ist, z. B. ein Hundertstel der Breite. So lässt sich z. B. im Falle einer wässrigen Lösung der bevorzugte Aufenthaltsbereich dadurch definieren, dass die den bevorzugten Aufenthaltsbereich umgebende Oberfläche hydrophob beschichtet wird und im Bereich des Aufenthaltsbereichs selbst einige Nanometer bis einige Mikrometer in die Oberfläche geätzt wird. Auf diese Weise ist der Kontrast bezüglich des Benetzungswinkels erhöht. Dennoch ist die Oberfläche makroskopisch im Wesentlichen planar. Eine derartig flache Ätzung ist fertigungs­ technisch sehr einfach und definiert herstellbar, ohne daß die bekannten Probleme einer tiefen Ätzung eines schmalen Kanals auftreten.

Die Benetzungseigenschaften können weiterhin durch Mikrostrukturierung modu­ liert werden, wie es beim so genannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf der unter­ schiedlichen Rauhigkeit der Oberfläche beruht. Diese kann z. B. durch Mikrostruk­ turierung der entsprechenden Oberflächenbereiche erhalten werden, z. B. durch chemische Behandlung oder Ionenbestrahlung.

Der so definierte mindestens eine bevorzugte Aufenthaltsbereich für die minde­ stens eine zu manipulierende Flüssigkeitsmenge auf der Festkörperoberfläche weist erfindungsgemäß weiterhin zumindest eine Engstelle auf, deren Breite gerin­ ger ist als die Breite der benachbarten Teile des bevorzugten Aufenthaltsbereiches. Dabei wird die Breite so gewählt, dass die Flüssigkeitsmenge ohne die Einwirkung einer äußeren Kraft die Engstelle aufgrund ihrer Oberflächenspannung nicht über­ winden kann.

Die zu manipulierende Flüssigkeitsmenge befindet sich auf dem bevorzugten Auf­ enthaltsbereich der Festkörperoberfläche z. B. in Form eines Tröpfchens. Dabei gilt, dass für einen benetzten Bereich auf der Oberfläche eines Festkörpers die Oberflä­ che des Flüssigkeitströpfchens im Gleichgewicht überall dieselbe Krümmung auf­ weist, da eine unterschiedliche Krümmung in unterschiedlichen Teilen der Flüssig­ keitströpfchenoberfläche bei gegebener Oberflächenspannung einen unterschiedli­ chen Innendruck hervorrufen würde. Lokal unterschiedlicher Innendruck in einem Tröpfchen führt aber zu einem Fluß von Flüssigkeit aus Bereichen hohen Drucks in Bereiche niedrigen Drucks. Dies geschieht wiederum so lange, bis Druckausgleich herrscht, d. h. überall dieselbe Krümmung der Oberfläche vorliegt. Für die Grenzli­ nie zwischen flüssiger und fester Materie, also zwischen dem Flüssigkeitströpfchen und der Festkörperoberfläche, tritt anstelle der Krümmung bei dieser Betrachtung der Benetzungswinkel, der im Gleichgewicht und in isotroper Umgebung nur von den beiden Materialien der Festkörperoberfläche bzw. der Flüssigkeit abhängt.

Bei lateral räumlich eingeschränkter Benetzung, die durch die Definition der bevor­ zugten Aufenthaltsbereiche gegeben ist, wird die Krümmung der Flüssigkeitsober­ fläche durch die Breite des bevorzugten Aufenthaltsbereiches, also der "Leiterbahn", und das Volumen der Flüssigkeitsmenge auf diesem Aufenthaltsbereich be­ stimmt. Ändert sich die Breite der "Leiterbahn" abrupt, so ist die Forderung nach einer konstanten Krümmung über den Übergang zwischen den beiden Breiten nicht zu erfüllen, da sich auch die Höhe des Tröpfchens, also die "Füllhöhe" hier stark ändern würde. Schmale "Leiterbahnen" lassen sich also nicht ohne weiteres von weiten "Leiterbahnen" aus füllen, solange keine äußere Kraft einwirkt.

Die Breite der durch die bevorzugten Aufenthaltsbereiche definierten "Leiterbah­ nen" ist zum Transport von Flüssigkeitsvolumina im Bereich von Pikolitern in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Für Flüssigkeitsmengen in der Größen­ ordnung von Nanolitern sind Breiten von 10 bis zu einigen 100 Mikrometern mög­ lich.

Wirkt nun eine äußere Kraft auf eine kleine Flüssigkeitsmenge mit einer Kompo­ nente in Richtung der Engstelle ein, so wird diese aus dem Gleichgewicht gebracht und kann die Engstelle überwinden. Dabei wird die Stärke der Kraft so gewählt, daß die kleine Flüssigkeitsmenge zwar die Engstelle überwinden kann, aber sich den­ noch nicht außerhalb des bevorzugten Aufenthaltsbereichs bewegt. Als Störung des Gleichgewichts kann z. B. eine lokale Temperaturänderung oder auch bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Impulsübertrag durch eine Oberflä­ chenwelle dienen.

Die Breite der Engstelle bestimmt wesentlich die Stärke der äußeren Kraft, die not­ wendig ist, um die Engstelle zu überwinden. Je schmaler die Engstelle ist, desto höher muss die Krafteinwirkung sein, damit eine Flüssigkeitsmenge die Engstelle passiert. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Breite der Engstellen weni­ ger als die Hälfte der Breite der benachbarten "Leiterbahnen" ist. So ist in der Regel sichergestellt, dass die Oberflächenspannung verhindert, dass die Engstelle auch ohne die Einwirkung einer äußeren Kraft überwunden wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, eine kleine Flüssigkeitsmenge zu einem definierten Zeitpunkt, nämlich jenem Zeitpunkt an dem eine äußere Kraft auf die Flüssigkeitsmenge wirkt, über eine sonst für die Flüssigkeitsmenge unüberwindliche Barriere zu trei­ ben. Auf diese Weise ist eine genaue Lokalisierung der Flüssigkeitsmenge möglich, da der bevorzugte Aufenthaltsbereich für die Flüssigkeitsmenge hinter der entspre­ chenden Engstelle erst zu einem ganz definiertem Zeitpunkt mit Flüssigkeit gefüllt wird.

Der bevorzugte Aufenthaltsbereich, der auf der Festkörperoberfläche definiert ist, kann sich in beliebiger Form aus Engstellen und Bereichen größerer Breite, also "Leiterbahnen" für die Flüssigkeit, zusammensetzen. Dabei kann z. B. ein Netzwerk oder Schachbrett aus definierten Flächen und angrenzenden Engstellen gebildet werden. Mit einem solchen Netzwerk können kleine definierte Flüssigkeitsmengen unter Einwirkung einer äußeren Kraft von einem Teilbereich definierter Fläche über die dazwischen liegende Engstelle in einen zweiten Teilbereich definierter Fläche getrieben werden. Insofern kann z. B. ein Netzwerk aus Teilbereichen definierter Flächen über dazwischen liegende Engstellen selektiv befüllt werden. Kleine Flüs­ sigkeitsmengen lassen sich also auf diese Weise innerhalb eines Netzwerks gezielt positionieren.

Die Teilbereiche des Netzwerks zwischen den Engstellen können verschiedene Formen haben. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine runde Form. Auf diese Weise sind die Oberflächenbenetzungseigenschaften am Rand der Fläche des bevorzug­ ten Aufenthaltsbereiches sehr genau definiert und die Flüssigkeitsmenge berührt bei entsprechendem "Füllgrad" den Rand des Teilbereiches mit definierter Fläche entlang dessen gesamten Umfangs.

Die einzelnen Teilbereiche definierter Fläche können weiterhin z. B. eine funktiona­ lisierte Oberfläche aufweisen, so dass bestimmte Reaktionen stattfinden können. Andere Teilbereiche definierter Fläche können zur Durchführung von chemischen oder physikalischen Analysen eingesetzt werden, z. B. durch Anlegen eines lokalen elektrischen oder magnetischen Feldes, einer Erwärmung oder z. B. einer lokalen mechanischen Kraft. Ebenso kann durch eine lokale Detektion eine Fluoreszenzanalyse einer Flüssigkeitsmenge auf einem bestimmten Teilbereich definierter Flä­ che vorgenommen werden. In anderen Bereichen kann eine Synthese aus ver­ schiedenartigen Materialien vorgenommen werden, die in oder als Flüssigkeits­ mengen auf einen Aufenthaltsbereich definierter Fläche gebracht wurden.

Die Herstellung von Bereichen unterschiedlicher Benetzungseigenschaften oder mit unterschiedlich funktionalisierten Oberflächen ist mit Hilfe bereits bekannter litho­ graphischer Verfahren und Beschichtungstechnologien einfach und kostengünstig.

Die Oberflächenspannung ist von thermodynamischen Parametern wie z. B. Druck und/oder Temperatur abhängig. Insofern wird das Flüssigkeitsvolumen, das z. B. auf einem geometrisch definierten "Normvolumen" gespeichert werden kann, auch von den thermodynamischen Parametern bestimmt. Die thermodynamischen Parameter bieten somit eine Möglichkeit, das Flüssigkeitsvolumen auf mindestens einem Teil des bevorzugten Aufenthaltsbereichs zusätzlich zu den geometrischen Abmessun­ gen in einem gewissen Bereich zu variieren.

Zur Erzeugung der Kraft, die die Flüssigkeitsmenge durch die Engstelle treibt, kön­ nen verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Ein besonders einfaches Verfah­ ren ist die Erhöhung der Temperatur, z. B. mit einer Heizeinrichtung auf der Fest­ körperoberfläche. Diese Heizeinrichtung kann entweder lokal an einem Aufent­ haltsbereich definierter Fläche wirken oder die gesamte Festkörperoberfläche hei­ zen. Bei einer einfachen Ausgestaltung ist eine Widerstandsheizung auf der Fest­ körperoberfläche vorgesehen. Dadurch vergrößert sich in der Regel das Flüssig­ keitsvolumen und seine Oberflächenspannung sinkt. Es entsteht also eine Kraft, die die Flüssigkeit über die Engstelle treiben kann.

Bei einer anderen Ausführungsform kommt eine mikromechanische oder eine pie­ zoelektrisch angetriebene Pumpe zum Einsatz. Schließlich kann eine Elektrode auf der Festkörperoberfläche eingesetzt werden, um Flüssigkeiten mit geladenen Teil­ chen durch elektrostatische Kräfte zu bewegen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung auf. Diese Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung generiert Oberflächenwellen, die einen Impuls auf die zu manipulierenden Flüssigkeitsmengen im bevorzugten Aufent­ haltsbereich übertragen. Der Impulsübertrag wird entweder durch die mechanische Deformation der Festkörperoberfläche oder durch die Kraftwirkung der sie beglei­ tenden elektrischen Felder auf geladene oder polarisierbare Materie erzielt.

Besondere Vorteile des Impulsübertrags mittels Oberflächenwellen zur Manipulati­ on kleiner Materiemengen sind:

• 1. Die Stärke der Kraftwirkung auf die kleine Flüssigkeitsmenge lässt sich in ei­ nem weiten Bereich über die Amplitude der Oberflächenwelle einstellen.
• 2. Es lassen sich verschiedene zeitliche Verläufe der Kraft, wie z. B. Pulse ver­ schiedener Länge, elektronisch definieren.
• 3. Die Beschallung der Festkörperoberfläche mit der Oberflächenwelle bewirkt eine automatische Reinigung der überstrichenen Bereiche.
• 4. Eine Ansteuerung über eine entsprechende Software ist einfach möglich.

Oberflächenwellen lassen sich auf piezoelektrischen Substraten oder Substraten mit piezoelektrischen Bereichen, z. B. piezoelektrischen Beschichtungen, erzeugen. Dabei ist es ausreichend, wenn das Substrat bzw. die entsprechende Beschichtung nur in dem Bereich vorliegt, in dem sich die Oberflächenwellenerzeugungseinrich­ tung befindet. Die Oberflächenschallwelle breitet sich auch außerhalb des piezo­ elektrischen Bereiches aus.

Zur Erzeugung der Oberflächenwelle wird vorteilhaft ein an sich bekannter Interdi­ gitaltransducer eingesetzt. Ein solcher Interdigitaltransducer hat zwei Elektroden, die fingerartig ineinander greifen. Durch Anlegen eines hochfrequenten Wechsel­ feldes, z. B. in der Größenordnung von einigen 100 MHz, wird in einem piezoelek­ trischen Substrat bzw. in einem piezoelektrischen Bereich des Substrates eine Oberflächenwelle angeregt, deren Wellenlänge sich als Quotient aus der Oberflä­ chenschallgeschwindigkeit und der Frequenz ergibt. Die Ausbreitungsrichtung ist senkrecht zu den ineinander greifenden Fingerelektrodenstrukturen. Mit Hilfe eines solchen Interdigitaltransducers läßt sich auf sehr einfache Weise eine sehr defi­ nierte Oberflächenwelle erzeugen. Die Herstellung des Interdigitaltransducers ist mit bekannten lithographischen Verfahren und Beschichtungstechnologien kosten­ günstig und einfach. Interdigitaltransducer können zudem, z. B. durch Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes in eine mit dem Interdigitaltransducer verbundenen Antenneneinrichtung, drahtlos angesteuert werden.

Einige besondere Ausführungsformen von mittels Interdigitaltransducern erzeugten Oberflächenwellen zur Manipulation kleinster Flüssigkeitsmengen werden im fol­ genden beispielhaft an einem "Netzwerk", wie es bereits oben beschrieben ist, er­ läutert. Hierbei ist ein Teil des bevorzugten Aufenthaltsbereiches mit einer definier­ ten Fläche nur über Engstellen mit anderen Teilen des bevorzugten Aufenthaltsbe­ reiches verbunden. Dieser Teilbereich definierter Fläche ist also nur über die Eng­ stellen mit Flüssigkeit zu befüllen.

Dazu ist zu der jeweiligen Engstelle eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung vorgesehen, deren Oberflächenwellenausbreitungsrichtung entlang der Engstelle ist. Auf diese Weise kann durch Impulsübertrag mindestes ein Teil einer kleinen Flüssigkeitsmenge von einem Teil des bevorzugten Aufenthaltsbereiches über die Engstelle in einen zweiten Teil des bevorzugten Aufenthaltsbereiches mit einer de­ finierten Fläche getrieben werden. Diese Fläche definiert ein "Normvolumen" einer kleinen Flüssigkeitsmenge, das gezielt befüllt oder entleert werden kann. Dies ge­ schieht zu einem definierten Zeitpunkt, zu dem die Oberflächenwellenerzeugungs­ einrichtung tätig wird.

Mit Hilfe einer einzelnen solchen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung läßt sich in dieser Anordnung weiterhin ein Flüssigkeitstropfen definiert durch eine Folge von Engstellen treiben und so das Netzwerk gezielt mit kleinen Flüssigkeitsmengen belegen. Dabei kann man sich zu Nutze machen, dass ein Flüssigkeitstropfen, der erfindungsgemäß mit einer Oberflächenwelle beschallt wird, diese dämpft. Ein weiter entfernt liegender Flüssigkeitstropfen, der von der so gedämpften Oberflä­ chenwelle getroffen wird, spürt also deren Wirkung weniger oder gar nicht.

Mit derselben oder einer zweiten Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung, deren Ausbreitungsrichtung z. B. parallel zu der Ausbreitungsrichtung der ersten Oberflä­ chenwellenerzeugungseinrichtung ist, kann eine zweite Oberflächenwelle, gegebe­ nenfalls mit schwächerer Intensität, in Richtung eines Flüssigkeitsvolumens in ei­ nem Teil des bevorzugten Aufenthaltsbereichs geschickt werden. Durch Messung der Dämpfung dieser zweiten Oberflächenwelle können Menge und Volumen der Flüssigkeit bestimmt werden.

Besonders einfach und sicher zu betreiben ist eine Anordnung des Netzwerks, bei dem die Engstellen zueinander senkrecht stehen und die Abstrahlrichtungen von mindestens zwei Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung zur Befüllung bzw. zur Entleerung der Aufenthaltsbereiche definierter Fläche parallel zu den Engstellen sind. Diese Anordnung ist besonders sicher, da im wesentlichen keine Impulskom­ ponenten vorhanden sind, die den von der ersten bzw. zweiten Oberflächenwellen­ erzeugungseinrichtung erzeugten Oberflächenwellen gemeinsam sind.

Es kann auch nur eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung zur Beschallung der Engstellen, die parallel angeordnet sind, vorgesehen sein. Dazu ist die Oberflä­ chenwellenerzeugungseinrichtung als sogenannter "getaperter" Interdigitaltransdu­ cer ausgebildet. Bei einem solchen getaperten Interdigitaltransducer ist der Finger­ abstand entlang der Achse des Transducers nicht konstant. Der Fingerabstand be­ stimmt die Wellenlänge der Oberflächenwelle. Bei konstanter Oberflächenwellen­ schallgeschwindigkeit ist bei einer bestimmten angelegten Frequenz also nur für einen bestimmten Fingerabstand die Resonanzbedingung erfüllt, dass sich die Fre­ quenz der Oberflächenwelle als Quotient aus der Oberflächenwellenschallge­ schwindigkeit und der Wellenlänge ergibt. Auf diese Weise läßt sich eine Oberflä­ chenwelle erzeugen, die nur eine sehr geringe seitliche Ausdehnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung hat. So lassen sich einzelne Engstellen aus einer Anzahl von parallel angeordneten Engstellen auswählen.

Darüberhinaus kann mit der Vorrichtung und dem Verfahren auch ein definiertes Flüssigkeitsvolumen erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann fer­ ner eingesetzt werden, um die zu manipulierenden Flüssigkeitsmengen z. B. einem Bereich auf dem Festkörpersubstrat zuzuführen, an dem eine Analyse oder Syn­ these stattfindet. Eine solche Analyse oder Synthese kann z. B. chemischer, physi­ kalischer und/oder biologischer Natur sein. Ebenso kann eine Flüssigkeitsmenge in einen Bereich gebracht werden, wo sie mit einer anderen Flüssigkeitsmenge rea­ giert. Insofern eignen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungs­ gemäße Verfahren sowohl zur Analyse als auch zur Synthese der Flüssigkeitsmen­ ge bzw. der Flüssigkeitsmengen.

Die Einrichtungen zur Erzeugung einer äußeren Kraft können mit durch entspre­ chende Software programmierbaren elektronischen Steuerungen verbunden sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der anliegenden Fi­ guren erläutert. Als Vorrichtungen zur Erzeugung einer äußeren Kraft werden im folgenden beispielhaft immer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen darge­ stellt. Dabei zeigt

Fig. 1a in schematischer Draufsicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform zur Definition kleinster Flüssigkeitsmengen,

Fig. 1b eine schematische Seitenschnittansicht der Ausführungsform der Fig. 1a, und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform.

In Fig. 1 sind Teilbereiche 1 und 3 eines bevorzugten Aufenthaltsbereiches mit ei­ ner Breite, die mit 2 bezeichnet ist, für die zu manipulierende Flüssigkeit vorgese­ hen. Die genaue Form der Bereiche 1 und 3 und ihre Breite kann verschieden sein. An die Bereiche 1 und 3 schließen sich Engstellen 7 und 9 an, die auf die gleiche Art und Weise erzeugt werden wie die Bereiche 1 und 3, wie es weiter unten be­ schrieben ist. Die Engstellen schließen an einen runden Bereich 5 an. Die Breite 8 der Engstellen 7 und 9 ist kleiner als die Hälfte der Breite 2 der Bereiche 1 und 3 und muss für verschiedene Engstellen nicht notwendigerweise gleich sein. Die ge­ samte Anordnung befindet sich auf der Oberfläche eines Festkörpers, z. B. eines Chips. Dieser kann z. B. aus piezoelektrischem Material, z. B. Quarz oder LiNbO₃, bestehen oder eine zumindest teilweise piezoelektrische Oberfläche, z. B. aus ZnO, haben.

Die bevorzugten Aufenthaltsbereiche 1, 3, 5, 7 und 9 haben andere Benetzungsei­ genschaften als die umgebende Oberfläche des Festkörpers, die so gewählt sind, dass sich die zu manipulierende Flüssigkeit bevorzugt in den Bereichen 1, 3, 5, 7 und 9 aufhält. Bei einer wässrigen Lösung ist die Oberfläche in den bevorzugten Aufenthaltsbereichen z. B. hydrophil im Vergleich zu der hydrophoberen Oberfläche des restlichen Festkörpers gewählt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Festkörperoberfläche in den umgebenden Bereichen silanisiert oder mikro­ strukturiert und dadurch hydrophob wird.

Die Breite 2 beträgt z. B. einige Mikrometer und ist damit zur Manipulation von Flüssigkeitsmengen im Pikoliter- bzw. Nanoliterbereich geeignet. 11 bzw. 17 be­ zeichnen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen mit einer Abstrahlrichtung 23 bzw. 25. Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um Interdigitaltransdu­ cer mit Elektroden 13 bzw. 19, die fingerartige ineinander greifende Fortsätze 15 bzw. 21 haben. Bei Anlegen eines Wechselfeldes an die Elektroden des einzelnen Transducers wird eine Oberflächenwelle mit einer Wellenlänge erzeugt, die dem Fingerabstand der Elektroden entspricht. Die Ausbreitungsrichtung ist senkrecht zu den ineinander greifenden Fingern. Die Transducer umfassen eine große Anzahl von Fingern, von denen nur einige schematisch und nicht maßstabsgerecht darge­ stellt sind.

Durch Wahl der Kristallorientierung können verschiedene Wellentypen, wie z. B. Rayleigh-Wellen oder Scherwellen, erzeugt werden.

Die Interdigitaltransducer sind z. B. mit Hilfe lithographischer Verfahren und Be­ schichtungsverfahren auf der Chipoberfläche erzeugt worden und werden über die Elektroden 13 bzw. 19 kontaktiert.

26 bezeichnet die Richtung, in die die Flüssigkeitsmenge mit Hilfe des Interdigital­ transducers 17 getrieben werden kann. Die Fläche des Bereiches 5 ist rund und hat eine definierte Größe.

Fig. 1b zeigt eine schematische Schnittansicht durch den Bereich der Festkörper­ oberfläche, in dem sich der bevorzugte Aufenthaltsbereich 5 befindet. Angedeutet ist ein Flüssigkeitstropfen 27 auf der Festkörperoberfläche 29.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Fig. 1 wird wie folgt eingesetzt. Die "Lei­ terbahn" 1 wird extern mit der zu manipulierenden Flüssigkeit befüllt, die eine "Flüs­ sigkeitssäule" bildet. Diese benetzt die Leiterbahn 1 bis kurz vor der Verengung 7. Die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche wird durch die Breite der "Leiterbahn" 1 und das Volumen der Flüssigkeitsmenge bestimmt. Durch die Änderung der Breite beim Übergang von der "Leiterbahn" 1 zu der Breite 8 der Engstelle 7 kann die For­ derung nach einer konstanten Krümmung über den Übergang zwischen den beiden Breiten hinweg nicht erfüllt werden, da sich auch die Höhe des Flüssigkeitströpf­ chens stark ändern würde. Die schmale Engstelle 7 lässt sich also nicht ohne wei­ teres ohne zusätzliche Einwirkung von der breiten Leiterbahn 1 aus befüllen. Mit Hilfe einer Oberflächenwelle, die in Richtung 23 von dem Transducer 11 abge­ strahlt wird, kann jedoch die Flüssigkeitsmenge durch die Engstelle 7 "gepumpt" werden. Die notwendige Stärke der Oberflächenwelle kann durch vorherige Kali­ brierung bestimmt oder während des Experiments so eingestellt werden, bis sich die Flüssigkeitsmenge über die Engstelle 7 hinweg auf die Fläche 5 bewegt. Auf diese Weise gelangt eine definierte Flüssigkeitsmenge von der Leiterbahn 1 auf die definierte Fläche 5.

Ist die notwendige Flüssigkeitsmenge auf der Fläche 5 vorhanden, so kann sie analysiert werden, z. B. durch physikalische oder chemische Prozesse, oder steht zur Reaktion mit einer anderen Substanz zur Verfügung.

Welche Menge sich jeweils in dem Aufenthaltsbereich 5 befindet, kann z. B. durch die Messung der Dämpfung einer Oberflächenwelle gemessen werden, die über den Bereich der Festkörperoberfläche geschickt wird, in dem sich die Fläche 5 be­ findet. Dazu können (in der Figur nicht gezeigte) interdigitale Transducer vorgese­ hen sein, die sich gegenüber stehen und die Fläche 5 zwischen sich haben. Wird eine Oberflächenwelle gegebenenfalls geringerer Intensität von einem dieser Inter­ digitaltransducer in Richtung der Fläche 5 geschickt, so wird die Oberflächenwelle durch das Vorhandensein der Flüssigkeit gedämpft. Je mehr Flüssigkeit vorhanden ist, desto größer ist in der Regel die Dämpfung. Der zweite gegenüberliegende (ebenfalls nicht gezeigte) Interdigitaltransducer dient der Detektion der Oberflä­ chenwelle, so dass die Dämpfung bestimmt werden kann.

Andererseits kann nach Erreichen der gewünschten Flüssigkeitsmenge mit Hilfe des zweiten gezeigten Interdigitaltransducers 17 eine Oberflächenwelle in Richtung 25 auf die Flüssigkeitsmenge zu der definierten Fläche 5 geschickt werden. Durch Impulsübertrag dieser Oberflächenwelle wird in analoger Weise wie oben für die Engstelle 7 beschrieben die Flüssigkeitsmenge über die Engstelle 9 hinweg getrie­ ben. Sie erreicht die Leiterbahn 3 durch ihre Bewegung in Richtung 26. Auf diese Weise lässt sich ein definiertes Flüssigkeitsvolumen erzeugen. Gerade wenn die gewünschte Flüssigkeitsmenge sich auf dem Bereich 5 befindet, wird mit Hilfe der zweiten Oberflächenwelle, die mit dem Interdigitaltransducer 17 erzeugt wird, ge­ nau diese Flüssigkeitsmenge aus dem Bereich 5 getrieben.

Die Ausführungsform der Fig. 1 lässt also die genaue Definition kleinster Flüssig­ keitsmengen bei gleichzeitig planarer Oberfläche des Festkörpers zu. Durch lokales Beheizen, z. B. mit einer Widerstandsheizung, die in den Figuren nicht gezeigt ist, oder mit Hilfe einer Infrarotheizung, kann die Oberflächenspannung der Flüssigkeit abgesenkt werden, so dass eine geringere Stärke der Oberflächenwelle notwendig ist, um die Engstelle zu überwinden. Auf diese Weise kann auch das "Normvolu­ men" der definierten Fläche 5 in gewissen Grenzen eingestellt werden.

Nicht gezeigt ist jeweils eine mögliche Ankopplung der bevorzugten Aufenthaltsbe­ reiche z. B. mittels einer Engstelle einer "Leiterbahn" an ein mikrofluidisches Sy­ stem, in dem verschiedene Funktionen eines "Lab-on-a-chip" realisiert sein oder verschiedene Reaktionen stattfinden können. Über diese Engstelle lassen sich die gezeigten Teile des bevorzugten Aufenthaltsbereiches befüllen. Die Engstelle muß ebenfalls eng genug sein, so daß sie aufgrund ihrer Oberflächenspannung von der Flüssigkeit ohne Einwirkung einer äußeren Kraft nicht überwunden wird. Durch äu­ ßere Impulseinwirkung, z. B. auch durch eine Oberflächenwelle, kann der Flüssig­ keitstropfen diese Engstelle überwinden und auf die gezeigten Teile des bevorzug­ ten Aufenthaltsbereiches gelangen.

Jenseits einer solchen Engstelle kann sich ein Reservoir befinden, das durch eine größere Fläche mit den gleichen Benetzungseigenschaften wie die gezeigten Auf­ enthaltsbereiche gebildet wird. Darauf kann eine größere Menge der Flüssigkeit gelagert werden. Durch äußere Impulseinwirkung z. B. einer Oberflächenwelle kann aus diesem Reservoir eine Flüssigkeitsmenge über die beschriebene Engstelle in die gezeigten Teile des Aufenthaltsbereiches getrieben werden. Alternativ können die gezeigten Aufenthaltsbereiche auch z. B. mit einer Pipette befüllt werden.

Mit einer Ausführungsform gemäß der Fig. 2 können Flüssigkeitstropfen gezielt an bestimmte Stellen auf der Oberfläche transportiert und dort abgelegt werden. Ge­ zeigt ist als besondere Ausführungsform eine schachbrettartige Anordnung. Vorge­ sehen ist eine Anzahl von definierten Teilbereichen entsprechend dem Bereich 5 der Fig. 1a, von denen einige exemplarisch mit 105 gekennzeichnet sind. Diese sind über Engstellen 107 bzw. 109 miteinander verbunden. Zur Zuführung dient eine "Leiterbahn" 100 mit größerer Breite als die Breite der Engstellen. Die Berei­ che 100, 105, 107, 109 haben wiederum andere Benetzungseigenschaften als die umgebende Festkörperoberfläche, analog der Ausführungsform der Fig. 1.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind Gruppen 115, 117 und 119 von Interdigi­ taltransducern vorgesehen, die einzeln angesteuert werden können. Die einzelnen Transducer sind dabei derart ausgerichtet, dass sich die Ausbreitungsrichtung je­ weils entlang einer Reihe von Engstellen 107 bzw. 109 befindet. Exemplarisch ist dies an dem interdigitalen Transducer 120 mit der Ausbreitungsrichtung 118 ge­ zeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform der Fig. 2 stehen sich die Gruppen von interdigitalen Transducern 119 und 117 gegenüber. Selbstverständlich kann auch auf der anderen Seite des schachbrettartigen Musters gegenüber der Gruppe von Interdigitaltransducern 115 eine weitere Gruppe von Interdigitaltransducern vorge­ sehen sein.

Eine bestimmte Flüssigkeitsmenge wird über die "Leiterbahn" 100 auf den definier­ ten Aufenthaltsbereich in der Fig. 2 links oben eingebracht. Selbstverständlich können auch entsprechende Leiterbahnen zu anderen definierten Bereichen 105 führen. Durch den beschriebenen Effekt der Oberflächenspannung wird die Flüs­ sigkeitsmenge daran gehindert, durch die angrenzenden Engstellen in weitere Oberflächenbereiche 105 einzutreten. Erst durch Erzeugen einer Oberflächenwelle durch Anlegen eines Wechselfeldes z. B. an den interdigitalen Transducer 120 wird die Flüssigkeitsmenge in beschriebener Weise über die benachbarte Engstelle hin­ weg in den nächsten Oberflächenbereich 105 "gepumpt". Dabei gibt die Richtung 118 der Oberflächenwelle die Richtung vor. Auf diese Weise kann durch entspre­ chendes Schalten der Interdigitaltransducer der Flüssigkeitstropfen von einem Be­ reich 105 zum nächsten transportiert werden, bis er an der gewünschten Stelle an­ gelangt ist. Die einzelnen Engstellen werden dabei jeweils aufgrund des dort herr­ schenden höheren Innendrucks auf Kosten der Flächen 105 entleert.

Die Flüssigkeit kommt dabei z. B. aus einem Reservoir, das aus einer Fläche be­ steht, die Benetzungseigenschaften hat, wie die "Leiterbahnen", so dass sich die Flüssigkeit bevorzugt dort aufhält. Dieser Bereich kann eine größere Fläche haben, um eine entsprechende Menge an Flüssigkeit darauf zu speichern. Sie ist z. B. über die Leiterbahn 100 und/oder eine entsprechende Engstelle an das System angeschlossen, die wiederum nur durch Beschallung mit einer Oberflächenwelle von der Flüssigkeit überwunden werden kann.

Auf diese Weise kann ein Teilbereich mit definierter Fläche 105 nach der dem an­ deren in Richtung der Oberflächenwelle 118 befüllt werden. Ist z. B. der letzte Auf­ enthaltsbereich definierter Fläche einer Reihe gefüllt, wird wieder von vorne ange­ fangen. Die Dämpfung der Oberflächenwelle durch davor liegende Flüssigkeits­ tropfen verhindert, dass weiter von der Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung entfernt liegende Tropfen zu stark beeinflusst werden. Mit Hilfe der Interdigital­ transducer der Gruppe 115 können in analoger Weise die Flüssigkeitstropfen in der Fig. 2 vertikaler Richtung bewegt werden.

Mit Hilfe gegenüberliegender Transducer, beispielhaft durch den Transducer 116 bezüglich des Transducers 120 gezeigt, können die Flüssigkeitstropfen wieder zu­ rück bewegt werden.

Zusätzlich kann durch Transmissionsmessungen der Oberflächenwelle von einem Interdigitaltransducer zu einem gegenüberliegendenen Interdigitaltransducer, bei­ spielhaft der Transducer 120 und 116, bei kleinerer Amplitude auch noch gemes­ sen werden, ob die einzelnen Flächen 105 mit Flüssigkeit befüllt sind oder nicht, da die Oberflächenwelle durch das Vorhandensein der Flüssigkeit gedämpft wird. Die kleinere Amplitude wird gewählt, damit die Tröpfchen ihren jeweiligen Aufenthalts­ bereich 105 nicht durch die benachbarte Engstelle verlassen.

Selbstverständlich können sich z. B. in der Fig. 2 an die untere Reihe der Flächen 105 wiederum Engstellen anschließen, die z. B. zu einer großen Fläche führen, die ähnlich funktionalisiert ist, wie die Bereiche 105, 107, 109. Durch Einstrahlen einer starken Oberflächenwelle mit Hilfe der Transducer der Gruppe 115 kann dann das Netzwerk vollständig in diese große Fläche hinein entleert werden.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Fig. 2 ist z. B. eine "Micro­ titer Plate" für nachfolgende Fluoreszenzanalysen realisierbar. Dabei werden Flüssigkeitstropfen auf verschiedenen Flächen 105 z. B. einer Fluoreszenzanalyse un­ terzogen. Ebenso kann vorgesehen sein, dass einzelne Flächen 105 mit einer Oberflächenbeschichtung funktionalisiert sind, die zu einer Reaktion führen. Diese Reaktion findet dann lokal nur auf diesem einzelnen Bereich statt und kann präzise untersucht werden.

Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist anstelle der Gruppen von Interdigi­ taltransducern 115, 117, 119, jeweils ein getaperter Interdigitaltransducer vorgese­ hen, dessen Fingerabstand entlang seiner Achse nicht konstant ist. Bei derartigen getapertern Interdigitaltransducern lässt sich der Ort der Abstrahlung mit der Fre­ quenz einstellen, da die Frequenz sich als Quotient aus der konstanten Oberflä­ chenwellengeschwindigkeit und der Wellenlänge ergibt, die dem Fingerabstand entspricht. Durch Einstellen einer entsprechenden Frequenz kann also ausgewählt werden, welche Gruppe von Engstellen, die sich in einer Linie befinden, angespro­ chen werden soll.

Die einzelnen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich selbstverständlich auch kombinieren, um ein Gesamtsystem zu bilden. Ebenso können die einzelnen Elemente Teil eines größeren Gesamtsystems ggf. auf einem einzigen Chip sein, das neben den erfindungsgemäßen Ausführungsformen noch andere Mess- und Analyse- oder Synthesestationen im Sinne eines "Lab-on-the-chip" aufweist. Gera­ de zur Bewegung und Positionierung von kleinen Flüssigkeitsmengen auf derarti­ gen integrierten Systemen sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfah­ ren besonders vorteilhaft einsetzbar. Die gesamte Struktur lässt sich mit bekannten lithographischen Verfahren sehr einfach herstellen und mit anderen Elementen auf einen Chip integrieren, die z. B. zum Transport oder zur Analyse von kleinen Mate­ riemengen vorgesehen sind.

Claims (32)

1. Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkör­ peroberfläche mit
einem Festkörpersubstrat mit einer Oberfläche (29)
mindestens einem Aufenthaltsbereich (1, 3, 5, 7, 9, 100, 105, 107, 109) auf der Festkörperoberfläche (29), der andere Benetzungseigenschaften auf­ weist als die umgebende Festkörperoberfläche und dessen Material derart ausgewählt ist, daß sich die zu manipulierende Flüssigkeit (27) bevorzugt auf dem Aufenthaltsbereich aufhält, wobei wenigstens einer der Aufent­ haltsbereiche zumindest eine Engstelle (7, 9, 107, 109) umfaßt, die eine minimale Breite (8) aufweist, die kleiner ist als die Breite (2) der benach­ barten Teile des Aufenthaltsbereiches, und die von der Flüssigkeit (27) aufgrund ihrer Oberflächenspannung ohne zusätzliche äußere Krafteinwir­ kung nicht überwunden werden kann ohne den Aufenthaltsbereich (1, 3, 5, 7, 9, 100, 105, 107, 109) zumindest teilweise zu verlassen, und
mindestens einer Einrichtung (11, 17, 116, 120) zur Erzeugung einer äu­ ßeren Kraft mit einer Komponente in Richtung der mindestens einen Eng­ stelle.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zur Ansteuerung der Ein­ richtung (11, 17, 116, 120) zur Erzeugung einer äußeren Kraft, die durch Software programmiert werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Modulation der Benetzungseigen­ schaften durch mindestens einen hydrophoben und mindestens einen im Ver­ gleich dazu hydrophilen bzw. mindestens einen lipophoben und mindestens einen im Vergleich dazu lipophilen Bereich realisiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der mindestens eine hydrophile und der mindestens eine hydrophobe bzw. der mindestens eine lipophile und der min­ destens eine lipophobe Bereich lithographisch definiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Bereiche unter­ schiedlicher Benetzungseigenschaften durch lateral mikro- oder nanostruktu­ rierte Bereiche definiert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Bereiche unter­ schiedlicher Benetzungseigenschaften durch entsprechende Funktionalisie­ rung und/oder Beschichtung definiert sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Breite (2) in einer Raumrichtung des mindestens einen Aufenthaltsbereiches (1, 3, 5, 100, 105) außerhalb einer Engstelle (7, 9, 107, 109) maximal einige Millimeter beträgt und die Breite (8) einer Engstelle (7, 9, 107, 109) kleiner ist als die Hälfte der Breite (2) des mindestens einen Aufenthaltsbereiches außerhalb der Engstel­ le.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Breite (2) in einer Raumrichtung des mindestens einen Aufenthaltsbereiches (1, 3, 5, 100, 105) außerhalb einer Engstelle (7, 9, 107, 109) minimal einige Nanometer beträgt und die Breite (8) einer Engstelle (7, 9, 107, 109) kleiner ist als die Hälfte der Breite (2) des mindestens einen Aufenthaltsbereiches außerhalb der Engstel­ le.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest eine Teilflä­ che (5, 105) des mindestens einen Aufenthaltsbereiches nur über mindestens eine Engstelle (7, 9, 107, 109) mit anderen Teilen (1, 3) des Aufenthaltsberei­ ches (1, 3) verbunden ist und eine definierte Fläche aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit zumindest zwei Engstellen (7, 9, 107, 109), die mit der definierten Teilfläche (5, 105) des Aufenthaltsbereiches verbunden sind, deren Ausrichtung nicht parallel ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der mindestens zweien der Engstellen (7, 9, 107, 109) zumindest jeweils eine Einrichtung (11, 17, 116, 120) zur Erzeu­ gung einer äußeren Kraft im wesentlichen in Richtung der jeweils zugeordne­ ten Engstelle (7, 9) zugeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei der die Ausrichtung der nicht-parallelen Engstellen (7, 9, 107, 109) senkrecht zueinander ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Teilfläche (5, 105) definierter Fläche des Aufenthaltsbereiches im wesentlichen rund ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit mindestens einem Auf­ enthaltsbereich mit einer Vielzahl von Teilflächen (105), die über eine Vielzahl von Engstellen (107, 109) in Art eines Netzwerkes miteinander verbunden sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14 mit zumindest einer ersten Einrichtung (120) zur Erzeugung einer äußeren Kraft entlang derjenigen Engstellen, die sich entlang einer Geraden befinden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15 mit zumindest einer zweiten Einrichtung (116) zur Erzeugung einer äußeren Kraft entgegen der Richtung der äußeren Kraft, die mit der ersten Einrichtung (120) zur Erzeugung einer äußeren Kraft er­ zeugt werden kann.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die mindestens eine Einrichtung (11, 17, 116, 120) zur Erzeugung einer äußeren Kraft eine Ober­ flächenwellenerzeugungseinrichtung umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, die mindestens einen Interdigitaltransducer (11, 17, 116, 120) als Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung umfasst.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der zur Oberflächenwellenerzeugung min­ destens ein Interdigitaltransducer mit nicht-konstantem Fingerabstand vorge­ sehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, die zur Oberflächenwellener­ zeugung ein piezoelektrisches Festkörpersubstrat bzw. ein Substrat mit min­ destens einem piezoelektrischen Bereich umfaßt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der die mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer äußeren Kraft eine Heizeinrichtung, vor­ zugsweise eine Widerstandsheizung, umfaßt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei der die mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer äußeren Kraft mindestens eine mikromecha­ nische Pumpe umfaßt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der die mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer äußeren Kraft mindestens eine piezoelektri­ sche Pumpe umfaßt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der die mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer äußeren Kraft mindestens eine Elektrode umfaßt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, mit mindestens einer Ein­ richtung zur Änderung der Temperatur.

26. Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörper­ oberfläche, bei dem eine Flüssigkeitsmenge (27), die sich auf einer Teilfläche (1, 3, 5, 105) eines durch Modulation der Benetzungseigenschaften erzeugten Aufenthaltsbereiches der Festkörperoberfläche befindet, durch Impulsübertrag einer äußeren Kraft entlang einer Engstelle (7, 9, 107, 109) des Aufenthalts­ bereiches bewegt wird, die sich in Verbindung mit der Teilfläche befindet und ohne Impulseinwirkung einer äußeren Kraft aufgrund der Oberflächenspan­ nung der Flüssigkeit (27) nicht von dieser passiert werden würde.

27. Verfahren zur Erzeugung einer definierten Flüssigkeitsmenge, bei dem unter Einsatz eines Verfahrens nach Anspruch 26 eine Flüssigkeitsmenge in eine Teilfläche (5) eines durch Modulation der Benetzungseigenschaften erzeugten Aufenthaltsbereiches (1, 3, 5, 7, 9) bewegt wird, die eine definierte Fläche aufweist und nur über Engstellen (7, 9) mit dem restlichen Aufenthaltsbereich (1, 3) auf der Festkörperoberfläche verbunden ist.

28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Menge der Flüssigkeit in der Teil­ fläche (5) des Aufenthaltsbereiches mit definierter Fläche durch die Dämpfung einer Oberflächenwelle detektiert wird, die die Festkörperoberfläche im Be­ reich der Teilfläche (5) definierter Fläche durchläuft.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 oder 28, bei dem die Teilfläche (5) definierter Fläche durch Impulsübertrag einer äußeren Kraft entleert wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, bei dem durch Einstellung der äußeren thermodynamischen Parameter, vorzugsweise Druck und/oder Temperatur, das durch die Oberflächenspannung und den Innendruck der Flüssigkeitsmenge (27) bestimmte Volumen der Flüssigkeitsmenge auf der Teilfläche (5) des Aufenthaltsbereiches mit definierter Fläche variiert werden kann.

31. Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Temperatur über eine Heizeinrich­ tung auf der Festkörperoberfläche verändert wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, bei dem zur Erzeugung der äußeren Kraft Oberflächenwellen eingesetzt werden.