DE102004049662A1

DE102004049662A1 - Vorrichtung zur Applikation von Über- und Unterdruck

Info

Publication number: DE102004049662A1
Application number: DE200410049662
Authority: DE
Inventors: Niels Fertig; Andrea BRÜGGEMANN; Michael George; Mathias Beckler; Jürgen Steindl
Original assignee: NANION TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: NANION TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Anlegen eines definierten, kontinuierlich oder sprunghaft veränderbaren Druckes an eine oder mehrere Meßkammern, insbesondere Vorrichtungen zur kontrollierten, adaptiven Druckapplikation für die Durchführung von mikrofluidischen Experimenten mit Hilfe von Biochips, insbesondere für die Anwendung in Hochdurchsatzverfahren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Anlegen eines definierten, kontinuierlich oder sprunghaft veränderbaren Druckes an eine oder mehrere Meßkammern, insbesondere Vorrichtungen zur kontrollierten, adaptiven Druckapplikation für die Durchführung von mikrofluidischen Experimenten mit Hilfe von Biochips, insbesondere für die Anwendung in Hochdurchsatzverfahren.

Beschreibung der Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drucksteuerung zu ermöglichen, die es erlaubt sowohl Über- als auch Unterdruck an eine Messkammer anzulegen. Die gewünschten Drücke sollen innerhalb kurzer Zeit erreicht werden und es sollen ebenfalls Druckrampen, also kontinuierliche Druckänderungen möglich sein. Die Druckapplikation soll software-gesteuert erfolgen, wobei ein Regelparameter den anzulegenden Druck bestimmt. Es soll also eine feedback-kontrollierte Druckapplikation erfolgen. Die anzulegenden Drücke sollen mit hoher Präzision, also z.B. auf ein 1 mbar, vorzugsweise auf 0,1 mbar, genau erfolgen. Weiterhin soll es möglich sein, zwischen verschiedenen Druckwerten zu schalten, also z.B. direkt von einem anliegenden Druckniveau auf atmosphärischen Druck zu wechseln. Wesentliches Merkmal der Drucksteuereinheit soll weiterhin eine möglichst kostensparende, kompakte Bauweise sein, so dass auch mehrere individuell steuerbare Einheiten parallel im Arrayformat betrieben werden können.

Weiterhin erlaubt die beschriebene Vorrichtung den kontrollierten Lösungswechsel bzw. die Perfusion von mikrofluidischen Kanälen bei lab-on-a-chip Anwendungen. Es wird zum Einen die Druckapplikation an geschlossenen Meßkammern ermöglicht, sowie andererseits das Durchspülen von Fluidikkanälen mit Flüssigkeitslösungen. Letzteres ist insbesondere bei der Untersuchung von Wirkstoffen und potentiellen Medikamenten von Interesse, wo z.B. Substanzeffekte auf in den mikrofluidischen Strukturen enthaltenen Zellen untersucht werden sollen. Insbesondere wird durch die Erfindung die Applikation von kontrollierten Druckverläufen über Gasphase/Flüssigkeitsphase Grenzschichten hinweg ermöglicht.

Die Erfindung ermöglicht weiterhin auf einfache Weise die Positionierung von Zellen auf Biochips. Die Vorrichtung zur Zellpositionierung verwendet die vorab beschriebene Vorrichtung zur kontrollierten Druckapplikation an einem Biochip. Der Biochip enthält ein perforiertes Glassubstrat (Durchmesser der Perforation vorzugsweise 0,1–10 Mikrometer), welches für die sogenannte Patch-Clamp Technik zur Messung/Charakterisierung von lonenkanälen in Zellmembranen eingesetzt wird.

Die Vorrichtung zur Zellpositionierung umfasst den beschriebenen Biochip, der auf Ober- und Unterseite mit elektrisch leitfähiger Elektrolytlösung bedeckt ist. Die Elektrolytlösung wird beidseitig jeweils durch eine Ag/AgCl-Elektrode elektrisch kontaktiert. Es wird nun der elektrische Widerstand des im Biochip befindlichen Loches gemessen, der typischerweise im Bereich von wenigen MOhm liegt. Mithilfe der zuvor beschriebenen Vorrichtung zur kontrollierten Druckapplikation wird nun an die Unterseite des Biochips ein Überdruck angelegt, so dass Elektrolytlösung durch das Loch gepresst wird und auf der Oberseite des Biochips ausströmt. Es werden dann vereinzelte Zellen, eine sogenannte Zellsuspension, auf die Oberseite des Biochips pipettiert, wobei der ausströmende Elektrolytlösungsfluss die Zellen und auch andere Zellreste o.ä. daran hindert, sich am Loch im Chip abzusetzen. Die Druckapplikationsvorrichtung wird nun eingesetzt, um einen negativen Druck (Unterdruck) an den Biochip anzulegen und so eine Zelle auf das Loch zu saugen und damit zu positionieren. Durch das Anlegen von kurzen Spannungstestpulsen an die Ag/AgCl-Elektroden wird dabei ständig der Widerstand des im Chip befindlichen Loches gemessen. Sobald eine Zelle auf das Loch gesaugt wird, steigt der elektrische Widerstand des Loches, da der Stromfluss durch die Zelle behindert wird. Der elektrische Widerstand des Loches wird als Regelparameter für den anzulegenden Druck verwendet, wobei die Zelle möglichst elektrisch dicht, also mit einem hochohmigen Abdichtungswiderstand (vorzugsweise im GOhm Bereich) auf dem Loch positioniert werden soll.

Insbesondere lassen sich in einem einzelnen Biochip eine Vielzahl von Öffnungen zur Aufnahme von Zellen einbringen. Diese können zum Beispiel in Form einer NxM Matrix angeordnet sein, mit N und M größer gleich 1. Die Verwendung eines Drucksteuersystems mit einem Array von Drucksteuereinheiten erlaubt nun das Anlegen von individuellen geregelten Drücken an den verschiedenen Aperturen im Biochip.

Zum Anlegen von kontinuierlich veränderbaren Drücken kann beispielsweise ein Linearmotor bzw. ein Schrittmotor zum Betreiben eines Kolbens verwendet werden, so dass durch schrittweises Verfahren in einem System von kommunizierenden Gefäßen ein entsprechender Kolbenhub zur Druckerzeugung möglich ist. Ein solches System ist jedoch technisch vergleichsweise aufwendig und es ergibt sich eine starke Abhängigkeit der Druckgenerierung bzw. Druckapplikation von der jeweiligen Geometrie der Messkammern. Desweiteren ist bei Parallelisierung bzw. bei einem System mit mehreren Druckapplikationskanälen ein größerer Aufbau notwendig, welcher sich nicht miniaturisieren lässt und daher schlecht geeignet für mikrosystemtechnische Anwendungen ist.

Um kontrolliert Drücke mit Hilfe von Ventilen zu applizieren, gibt es verschiedene etablierte Methoden. Es können Pumpen in Kombination mit Druckreservoirs und schaltbaren Ventilen eingesetzt werden, um einen vorgegebenen Solldruck zu applizieren. In dieser Variante können nur diskrete Druckniveaus an eine Messkammer angelegt werden. Je nach Anzahl der Pumpen, Druckreservoirs und Ventile natürlich auch verschiedene diskrete Drücke. Mit einem solchen System lassen sich jedoch nicht Drücke in kontrollierter Form kontinuierlich verändern, sondern lediglich bestimmte Solldrücke applizieren, was eine klare Limitierung ist.

Um bei nur einem Druckreservoir unterschiedliche Drücke einzustellen können, können die Ventile auch solange geöffnet werden, bis der Solldruck an der Messkammer erreicht wird. Wenn das geöffnete Ventil jedoch eine feste Durchlässigkeit hat, muss hierbei ein Kompromiss gefunden werden zwischen der Zeit, in der Druck erreicht werden soll und der Einstellgenauigkeit. Möglichkeiten um die Einstellzeit zu Gunsten der Präzision zu verlängern sind z.B. das Einführen einer Leckage oder eines großen Totvolumens an der Messkammer. Um die Einstellgenauigkeit ohne große Verlängerung der Einstellzeit zu erhöhen, müssen die Durchlässigkeiten allerdings während des Einstellvorgangs variiert werden. Dies ist z.B. mit schrittmotor-getriebenen Nadelventilen möglich – welche aber relativ teuer, groß und träge sind und eine kompakte Bauweise behindern. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von teuren piezo-elektrisch getriebenen Spezialventilen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die präzise Steuerung der Durchlässigkeit von herkömmlichen Magnetmembranventilen, durch hochfrequentes Umschalten der Ventile weit jenseits der spezifizierten Schaltfrequenz. Damit lassen sich bei geringen Kosten und extrem kompakter Bauweise Drücke sowohl schnell als auch mit hoher Präzision einstellen.

Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung umfasst eine Anordnung eines oder mehrerer, elektrisch schaltbarer 3-Wege Ventile in Kombination mit einem oder 2 unterschiedlichen Versorgungsdrücken (die beispielsweise durch eine Miniaturmembranpumpe erzeugt werden können), einem internen Druckreservoir und einem Micro-Controller. In einer einfachen Ausführung ist das interne Druckreservoir R0 über zwei 3-Wege Ventile V1 und V2 mit den Vorratsdruckreservoirs R1 und R2 verbunden, welche die konstanten Vorratsdrücke P1 und P2 vorhalten. Dabei ist die Verbindung beispielsweise so gestaltet, dass das Reservoir R0 jeweils mit einem Ausgang von V1 und V2 verbunden ist und die Druckreservoirs R1 und R2 mit dem jeweils anderen Ausgang dieser Ventile verbunden sind. Der Eingang von V1 und V2 ist mit einem kleinen Totvolumen (bei Verschliessen des Eingangs beispielsweise dem internen Totvolumen des Ventils) verbunden. Veränderungen des Druckes PO im Druckreservoir R0 in Richtung von P1 (bzw. P2) können nun zum Einen durch An- und Abschalten des Ventils V1 (bzw. V2) vorgenommen werden, so dass einmal das Totvolumen mit dem Vorratsdruck P1 oder P2 und danach mit dem Druckreservoir R0 verbunden ist. Bei Schaltfrequenzen unterhalb der Grenzfrequenz, bei der vollständiges Schalten möglich ist, findet so ein genau definierter Druckübertrag ins interne Druckreservoir R0 statt, wobei die Schrittweite (der bei einem Schaltzyklus erzielte Druckausgleich) durch die Größe des Totvolumens bestimmt ist. Bei einigen Membranventilen (beispielsweise, aber nicht nur bei Ventilen der Bauform LHDA von LEE) kommt es beim Schalten der Ventile mit Frequenzen weit oberhalb dieser Grenzfrequenz und bei passendem duty-cycle (Verhältnis der An- und Abschaltdauern des Ventils bei konstanter Wiederholfrequenz) zu Durchlässigkeiten, die sehr reproduzierbar und hysteresefrei von der Schaltfrequenz abhängen. Bei passendem duty-cycle lassen sich so, durch Erhöhung der Schaltfrequenz die Durchlässigkeiten stufenlos und monoton von einer maximalen bis zu einer verschwindenden Durchlässigkeit variieren. Auf diese Weise lässt sich lediglich durch die Variation bzw. die Wahl der Schaltfrequenz sowohl die Schrittweite als auch die Geschwindigkeit des Druckausgleichs einstellen. Durch eine geeignete Ansteuerung mit einem Micro-Controller lässt sich jeder gewünschte Zieldruck zwischen P1 und P2 präzise und schnell einstellen und bei minimaler Schwankungsbreite konstant halten, selbst wenn wie bei den beschriebenen Vorrichtungen eine Leckage (Mikroapertur) vorhanden ist. Bei entsprechender Anpassung lässt sich dieses Hochfrequenz-Prinzip auch bei 2-Wege Membranventilen anwenden.
1: Vorrichtung zur Applikation von Atmosphärendruck oder eines Mischdrucks (P0) an eine Messkammer (1). Der Mischdruck P0 am internen Druckreservoir R0 liegt betragsmäßig zwischen den Vorratsdrücken P1 und P2, wobei der genaue Wert durch die Durchlässigkeiten (D1, D2) der Membranventile (V1, V2) bestimmt ist. Ein Mikro-Controller (5) steuert diese Durchlässigkeiten (D1, D2) über die Schaltfrequenzen (F1, F2) und liest P0 über einen Drucksensor 6 ein.
2: Frequenzabhängige Durchlässigkeit eines Membranventils zwischen den Ausgängen (3 und 4) bei verschlossenem Eingang (2). Auf der linken Seite ist das Verhältnis von stromlosem und geschaltetem Zustand gleich (duty-cycle = 0.5). Der Frequenzbereich an dem das Ventil vollständig schaltet ist vom Hochfrequenzbereich mit stufenlos einstellbarer Durchlässigkeit, durch einen Übergangsbereich getrennt. In diesem ist die Durchlässigkeit nicht monoton und schlecht reproduzierbar. Durch richtige Wahl des duty-cycles (rechts duty-cycle = 0.6), lässt sich der Hochfrequenzbereich so verschieben, dass von maximaler zu verschwindender Durchlässigkeit geregelt werden kann.

D1..Dn: Schaltfrequenz-abhängige Durchlässigkeiten der Membranventile V1..Vn
F1..Fn: Schaltfrequenzen mit denen die Membranventile V1..Vn geschaltet werden
P0: Druck im internen Druckkompartiment R0
P1..Pn: Druck in den Druckkompartimenten R1..Rn
R0: internes Druckkompartiment
R1..Rn: Druckkompartimente mit konstantem Versorgungsdruck
1: Messkammer
2: Ventileingang eines Membranventils V
3: Ventilausgang eines Membranventils V (normally ON = im stromlosen Zustand mit Ventileingang 2 verbunden)
4: Ventilausgang eines Membranventils V (normally OFF = im geschalteten Zustand mit Ventileingang 2 verbunden
5: Micro-Controller
6: Drucksensor
7: Mikrofluidische Kanäle
8: Mikroaperturen

Claims

Vorrichtung zur Über- oder Unterdruckapplikation in Gasphasen, dadurch gekennzeichnet dass der Druck in einem Druckkompartiment (R0) über ein (oder mehrere) 3-Wege Membranventil (V1..Vn) eingestellt wird, wobei der Fluss zwischen zwei (nicht direkt verbundenen) Ausgängen (3, 4) des Ventils stattfindet, so dass jeweils ein definiertes Volumen durch das Umschalten transferiert wird, oder dadurch gekennzeichnet, dass das Membranventil durch Schalten mit Frequenzen oberhalb der spezifizierten Schaltfrequenz nur partiell öffnet und so durch Wahl der Frequenz (oder Schaltzyklus) der Durchfluss durch das Membranventil gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass in einem Druckkompartiment, welches mittels zwei oder mehrerer Verbindungen mit den Durchlässigkeiten D1...Dn mit zwei oder mehreren Druckreservoirs R1..Rn unterschiedlicher Drücke P1...Pn verbunden ist, wobei mindestens eine Durchlässigkeit nach Anspruch 1 geartet und schaltfrequenzabhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere solcher Druckkontrolleinheiten im Arrayformat parallel betrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass als Membranventile LEE-Ventile (Bauform laut Hersteller LHD oder LFA ) verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck über einen Drucksensor (6) eingelesen wird und der Schaltzustand des/der Membranventile über eine Micro-Controller (5) basierte Regelschaltung zur kontrollierten Druckapplikation variiert wird.
Vorrichtung nach den Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Gas-Flüssigkeitsgrenzfläche der Druck auf einen flüssigkeitsgefüllter Kanal (7) übertragen wird, und so der Durchfluss von Substanzen durch diesen Kanal gesteuert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang eines Durchflusssensors als Regelparameter verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz zwischen zwei Flüssigkeitskompartimente angelegt wird, welche über ein oder mehrere kleine Löcher (8), insbesondere mikrostrukturierte Öffnungen mit Durchmessern von 0;1–10 Mikrometer, verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 mit der Partikel, insbesondere Zellen oder andere biologische Einheiten, mit größerem Durchmesser als dem Lochdurchmesser auf der Seite des höheren Druckes immobilisiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9 mit der durch auf Oberflächen immobilisierten Zellen ein automatisiertes Patch-Clamp Verfahren durchgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, mit der Partikel, insbesondere DNA oder andere Biomoleküle oder biologische Einheiten, mit kleinerem Durchmesser als dem Lochdurchmesser, bzw. mit ausreichender Deformierbarkeit ausgezeichnete Partikel auf die Seite des niedrigeren Druckes transportiert werden und die Passage der Partikel durch das Loch detektiert werden kann, z.B. durch die Messung des elektrischen Stromflusses durch das Loch (Coulter Counter Prinzip).