EP1345696B1 - Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen Download PDF

Info

Publication number
EP1345696B1
EP1345696B1 EP01986864A EP01986864A EP1345696B1 EP 1345696 B1 EP1345696 B1 EP 1345696B1 EP 01986864 A EP01986864 A EP 01986864A EP 01986864 A EP01986864 A EP 01986864A EP 1345696 B1 EP1345696 B1 EP 1345696B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
area
external force
holding area
generating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01986864A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1345696A1 (de
Inventor
Achim Wixforth
Christoph Gauer
Jürgen SCRIBA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advalytix AG
Original Assignee
Advalytix AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advalytix AG filed Critical Advalytix AG
Publication of EP1345696A1 publication Critical patent/EP1345696A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1345696B1 publication Critical patent/EP1345696B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0819—Microarrays; Biochips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/089—Virtual walls for guiding liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0427—Electrowetting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0433—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0433—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces
    • B01L2400/0439—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces ultrasonic vibrations, vibrating piezo elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0442—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces thermal energy, e.g. vaporisation, bubble jet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0493—Specific techniques used
    • B01L2400/0496—Travelling waves, e.g. in combination with electrical or acoustic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation
    • Y10T436/2575—Volumetric liquid transfer

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for manipulating small amounts of liquid on a solid surface and a method for generating at least a defined amount of liquid on a solid surface.
  • liquid in the present text includes u. a. pure liquids, mixtures, dispersions and suspensions, as well as liquids in which solid particles, eg. B. biological material, are.
  • Such methods are used inter alia for inorganic reagents or organic material, such as cells, molecules, macromolecules or genetic materials, as z. B. by O. Müller, Labor World 1/2000, pages 36 to 38 is described.
  • the transport of small amounts of liquid in the analysis and synthesis is carried out in known processes in microstructured channels (Anne Y. Fu et al, Nature Biotechnology 17, page 1109 et seq. (1999)). There, the movement of small amounts of liquid in microchannels of a few microns depth or width is described by electroosmotic methods.
  • Another already known technology is the transport of small quantities of liquid with micromechanical or electrostatic pumps in microstructured channels, as described in "Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences", edited by A. Manz and H. Becker (Springer Verlag, 1999) Pages 29 to 34 are described. Electrokinetic methods are described by M. Köhler et al. (Physical Leaves 56 , No. 11, pp. 57-61).
  • the object of the present invention is to specify an improved apparatus and an improved method by means of which a targeted manipulation of small quantities of liquid is possible.
  • the device according to the invention has at least one defined residence area on a solid body surface, on which the at least one liquid to be manipulated preferably remains.
  • the at least one defined residence area has different wetting properties than the solid body surface surrounding it.
  • the defined residence area for the liquid can, for. B. be given in the form of "traces" on the solid surface, the z. B. can be realized by an appropriate coating either the defined residence area or its surroundings. It is particularly advantageous that, despite the limited residence area of the liquid, achieved by the modulation of the wetting properties, no trenches, corners or edges are necessary, at which the liquid could be affected in their movement.
  • the modulation of the wetting properties may e.g. be achieved by the definition of hydrophilic or hydrophobic areas.
  • the preferred residence area z. B. chosen so that it is more hydrophilic than the surrounding solid surface. This can be achieved either by a hydrophilic coating of the preferred residence area or by a hydrophobic environment.
  • a hydrophobic environment may, for. B. in a preferred embodiment of the invention can be realized by a silanized surface.
  • the solid surface surrounding the residence area can also be chosen to be hydrophilic, lipophobic or lipophilic compared to the surface of the occupied area.
  • the preferred residence area is lipophilic compared to the environment.
  • the definition of the preferred location region can also be carried out or supported by an etching of the surface, wherein the etch depth is small compared to the width of the "conductor track", for. B. one hundredth of the width.
  • the preferred residence area can be defined by hydrophobically coating the surface surrounding the preferred residence area and etching a few nanometers to a few micrometers into the surface in the area of the residence area itself. In this way, the contrast with respect to the wetting angle is increased. Nevertheless, the surface is macroscopically substantially planar. Such a flat etching is very easy to manufacture and defined producible without the known problems of deep etching of a narrow channel occur.
  • the wetting properties can be further modulated by microstructuring, as is the case with the so-called lotus effect, which is based on the different roughness of the surface.
  • This can, for. B. be obtained by microstructuring the corresponding surface areas, z. B. by chemical treatment or ion irradiation.
  • the thus defined at least one preferred residence area for the at least one amount of liquid to be manipulated on the solid surface according to the invention further comprises at least one constriction whose width is less than the width of the adjacent parts of the preferred location area.
  • the width is chosen so that the amount of liquid can not overcome the bottleneck due to their surface tension without the action of an external force.
  • the amount of liquid to be manipulated is on the preferred residence area of the solid surface, e.g. in the form of a droplet.
  • the surface of the liquid droplet in equilibrium has the same curvature everywhere, since a different curvature in different parts of the liquid droplet surface would cause a different internal pressure for a given surface tension.
  • Locally different internal pressure in a droplet results in a flow of liquid from areas of high pressure into areas of low pressure. This, in turn, occurs until pressure equalization prevails, ie. H. everywhere the same curvature of the surface is present.
  • the wetting angle which depends in equilibrium and in an isotropic environment only of the two materials of the solid surface and the liquid.
  • the width of the "traces" defined by the preferred dwell regions is of the order of a few microns for transporting liquid volumes in the range of picoliters. For liquid quantities of the order of nanoliters, widths of 10 to several 100 micrometers are possible.
  • an external force acts on a small amount of fluid with a component in the direction of the constriction, it is unbalanced and can overcome the constriction.
  • the strength of the force is chosen so that the small amount of liquid can indeed overcome the bottleneck, but still does not move outside the preferred location area.
  • a disturbance of the balance e.g. serve a local temperature change or in a particularly preferred embodiment of the momentum transfer through a surface wave.
  • the width of the bottleneck essentially determines the strength of the external force necessary to overcome the bottleneck.
  • the preferred residence area defined on the solid surface may be composed in any form of bottlenecks and areas of greater width, that is, "tracks" for the fluid. It can be z.
  • a network or chessboard from defined areas and adjacent bottlenecks are formed. With such a network small defined amounts of liquid can be driven under the influence of an external force of a portion of defined area on the intermediate bottleneck in a second portion of defined area.
  • z For example, a network of subareas of defined areas can be filled selectively via intervening bottlenecks. Small amounts of liquid can thus be selectively positioned within a network in this way.
  • the subregions of the network between bottlenecks can take various forms. However, a round shape is particularly advantageous. In this way, the surface wetting properties at the edge of the area of the preferred residence area are defined very precisely and the amount of liquid, with a corresponding "degree of filling", touches the edge of the defined area area along its entire circumference.
  • the individual sub-areas of defined area can continue z. B. have a functionalized surface, so that certain reactions can take place.
  • Other areas of defined area can be used to perform chemical or physical analyzes, eg. B. by applying a local electric or magnetic field, heating or z. B. a local mechanical force.
  • a fluorescence analysis an amount of liquid on a certain portion of defined area are made.
  • a synthesis of various materials can be made, which were brought in or as liquid quantities on a residence area of defined area.
  • the surface tension is of thermodynamic parameters such. B. pressure and / or temperature dependent.
  • the volume of liquid e.g. can be stored on a geometrically defined "standard volume", also determined by the thermodynamic parameters.
  • the thermodynamic parameters thus provide a way to vary the volume of liquid on at least a portion of the preferred location area in addition to the geometric dimensions within a certain range.
  • a particularly simple method is to increase the temperature, eg. B. with a heater on the solid surface.
  • This heater can either act locally on a residence area defined surface or heat the entire solid surface.
  • a resistance heating is provided on the solid surface.
  • a micromechanical or a piezoelectrically driven pump is used.
  • an electrode can be used on the solid surface to move charged particle liquids through electrostatic forces.
  • the device according to the invention has at least one surface wave generation device.
  • This surface wave generating device generates surface waves which impart an impulse to the quantities of liquid to be manipulated in the preferred location area.
  • the momentum transfer is achieved either by the mechanical deformation of the solid surface or by the force of the accompanying electric fields on charged or polarizable matter.
  • Surface waves can be on piezoelectric substrates or substrates with piezoelectric regions, eg. As piezoelectric coatings produce. It is sufficient if the substrate or the corresponding coating is present only in the region in which the surface wave generating device is located. The surface acoustic wave also propagates outside the piezoelectric region.
  • a per se known interdigital transducer is advantageously used.
  • Such an interdigital transducer has two electrodes which engage in one another like a finger.
  • a high-frequency alternating field, z. B. on the order of several 100 MHz, a surface wave is excited in a piezoelectric substrate or in a piezoelectric region of the substrate, the wavelength of which results as a quotient of the surface acoustic velocity and the frequency.
  • the propagation direction is perpendicular to the interdigitated finger electrode structures.
  • a very defined surface wave can be generated in a very simple manner.
  • the preparation of the interdigital transducer is inexpensive and simple with known lithographic and coating technologies.
  • Interdigital transducers can also, for. B. by irradiation of an electromagnetic alternating field in an antenna device connected to the interdigital transducer, are wirelessly controlled.
  • a surface wave generating device is provided at the respective constriction whose surface wave propagation direction is along the constriction.
  • a surface wave generating device is provided at the respective constriction whose surface wave propagation direction is along the constriction.
  • momentum transfer at least a portion of a small amount of liquid may be driven from a portion of the preferred location area via the throat to a second portion of the preferred location area having a defined area.
  • This area defines a "standard volume" of a small amount of liquid that can be selectively filled or emptied. This happens at a defined point in time when the surface wave generating device becomes active.
  • a liquid droplet can be further defined in this arrangement by driving through a series of bottlenecks and thus deliberately occupying the network with small quantities of liquid.
  • a drop of liquid which is sonicated according to the invention with a surface wave, this attenuates.
  • a second surface wave With the same or a second surface wave generating device whose propagation direction z. B. is parallel to the propagation direction of the first surface acoustic wave generating device, a second surface wave, optionally with weaker intensity, in the direction of a liquid volume in a part of the preferred location area are sent. By measuring the attenuation of this second surface wave, the amount and volume of the liquid can be determined.
  • Particularly simple and safe to operate is an arrangement of the network in which the bottlenecks are perpendicular to each other and the emission directions of at least two surface wave generating means for filling or for emptying the common areas of defined surface are parallel to the bottlenecks.
  • This arrangement is particularly safe because there are substantially no pulse components common to the surface waves generated by the first and second surface wave generating means, respectively.
  • the surface wave generating device is designed as a so-called "tapered" interdigital transducer.
  • the finger spacing along the axis of the transducer is not constant.
  • the finger distance determines the wavelength of the surface wave.
  • the resonant condition that the frequency of the surface wave results as the quotient of the surface acoustic wave velocity and the wavelength at a certain applied frequency is thus satisfied only for a certain finger distance.
  • a surface wave can be generated, which has only a very small lateral extent perpendicular to the propagation direction.
  • individual bottlenecks can be selected from a number of bottlenecks arranged in parallel.
  • a defined volume of liquid can be generated.
  • the inventive method can also be used to manipulate the liquid quantities z. B. to supply a region on the solid substrate, where an analysis or synthesis takes place.
  • Such an analysis or synthesis may, for. B. chemical, physical and / or biological nature.
  • an amount of liquid can be brought into a range where it reacts with a different amount of liquid.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are suitable both for the analysis and for the synthesis of the amount of liquid or the quantities of liquid.
  • the means for generating an external force may be connected to software programmable by appropriate software.
  • portions 1 and 3 of a preferred residence area having a width indicated at 2 are provided for the liquid to be manipulated.
  • the exact shape of areas 1 and 3 and their width may be different.
  • At the areas 1 and 3 close bottlenecks 7 and 9, which on the same Be generated manner as the areas 1 and 3, as described below.
  • the bottlenecks connect to a circular area 5.
  • the width 8 of the bottlenecks 7 and 9 is less than half the width 2 of the regions 1 and 3 and does not necessarily have to be the same for different bottlenecks.
  • the entire assembly is located on the surface of a solid, z. B. a chip. This can be made of piezoelectric material, for. As quartz or LiNbO 3 , or an at least partially piezoelectric surface, for. B. from ZnO, have.
  • the preferred residence areas 1, 3, 5, 7 and 9 have different wetting properties than the surrounding surface of the solid, which are chosen so that the liquid to be manipulated preferably in the areas 1, 3, 5, 7 and 9.
  • the surface in the preferred location areas z. B. hydrophilic compared to the more hydrophobic surface of the remaining solid. This can be z. B. be achieved by silanizing or microstructuring the solid surface in the surrounding areas and thereby becomes hydrophobic.
  • the width 2 is z. B. a few microns and is therefore suitable for the manipulation of liquid quantities in Pikoliter- or nanoliter range.
  • 11 and 17, respectively denote surface wave generating means having a radiation direction 23 and 25, respectively.
  • the embodiment shown is an interdigital transducer having electrodes 13 and 19, respectively, having finger-like interlocking extensions 15 and 21, respectively. Upon application of an alternating field to the electrodes of the individual transducer, a surface wave having a wavelength corresponding to the finger spacing of the electrodes is generated. The direction of propagation is perpendicular to the interlocking fingers.
  • the transducers comprise a large number of fingers, only a few of which are shown schematically and not to scale.
  • the interdigital transducers are z. Example, using lithographic processes and coating processes on the chip surface have been generated and are contacted via the electrodes 13 and 19, respectively.
  • the area of the area 5 is round and has a defined size.
  • FIG. 1b shows a schematic sectional view through the area of the solid-state surface in which the preferred residence area 5 is located. A liquid drop 27 is indicated on the solid surface 29.
  • the device according to the invention of FIG. 1 is used as follows.
  • the "conductor” 1 is externally filled with the liquid to be manipulated, which forms a "liquid column". This wets the conductor 1 to just before the constriction 7.
  • the curvature of the liquid surface is determined by the width of the "conductor” 1 and the volume of the liquid.
  • the amount of liquid can be "pumped" through the throat 7.
  • the required surface wave strength may be determined by prior calibration or adjusted during the experiment until the amount of liquid moves across the throat 7 to the surface 5. In this way, a defined amount of liquid passes from the conductor 1 to the defined surface. 5
  • the necessary amount of liquid on the surface 5 is present, it can be analyzed, for. By physical or chemical processes, or is available for reaction with another substance.
  • a surface wave in direction 25 can be sent to the quantity of liquid to the defined surface 5.
  • the quantity of liquid is driven across the constriction 9 in a manner analogous to that described above for the constriction 7. It reaches the conductor 3 by its movement in the direction 26. In this way, can create a defined volume of liquid. Just when the desired amount of liquid is on the area 5, with the help of the second surface wave, which is generated by the interdigital transducer 17, exactly this amount of liquid is driven out of area 5.
  • FIG. 1 thus permits the exact definition of very small amounts of liquid while at the same time having a planar surface of the solid.
  • a resistance heater which is not shown in the figures, or with the aid of an infrared heater, the surface tension of the liquid can be lowered so that a lower strength of the surface wave necessary is to overcome the bottleneck.
  • the "standard volume" of the defined area 5 can be set within certain limits.
  • a bottleneck may be a reservoir formed by a larger area having the same wetting characteristics as the residence areas shown. Then a larger amount of the liquid can be stored. By external impulse action e.g. a surface wave can be driven from this reservoir, an amount of liquid over the bottleneck described in the parts of the occupied area shown.
  • the shown residence areas may also be e.g. be filled with a pipette.
  • drops of liquid can be purposefully transported to specific locations on the surface and deposited there.
  • a checkered arrangement Provided is a number of defined subregions corresponding to region 5 of FIG. 1a, some of which are exemplarily labeled 105. These are connected via bottlenecks 107 and 109 with each other.
  • For feeding serves a "conductor" 100 with a greater width than the width of the bottlenecks.
  • the regions 100, 105, 107, 109 in turn have different wetting properties than the surrounding solid surface, analogously to the embodiment of FIG. 1.
  • groups 115, 117 and 119 of interdigital transducers are provided which can be individually driven.
  • the individual transducers are aligned in such a way that the propagation direction is in each case along a series of bottlenecks 107 and 109, respectively.
  • this is shown on the interdigital transducer 120 with the propagation direction 118.
  • the groups of interdigital transducers 119 and 117 are opposite each other.
  • another group of interdigital transducers can also be provided on the other side of the checkerboard pattern in relation to the group of interdigital transducers 115.
  • a certain amount of liquid is introduced via the "conductor track" 100 on the defined residence area in Figure 2 top left.
  • corresponding tracks can lead to other defined areas 105.
  • the described surface tension effect prevents the amount of liquid from entering further surface areas 105 through the adjacent bottlenecks. Only by generating a surface wave by applying an alternating field z.
  • the amount of liquid is "pumped” in the manner described above the adjacent bottleneck into the next surface area 105.
  • the direction 118 of the surface wave predetermines the direction. In this way, by appropriate switching of the interdigital transducer, the liquid droplets can be transported from one area 105 to the next until it has arrived at the desired location.
  • the individual bottlenecks are in each case emptied due to the higher internal pressure prevailing there at the expense of the surfaces 105.
  • the liquid comes here z. B. from a reservoir, which consists of a surface which has wetting properties, such as the "tracks", so that the liquid is preferably there.
  • This area may have a larger area to store a corresponding amount of liquid on it. It is z. B. connected via the conductor 100 and / or a corresponding bottleneck to the system, which in turn can only be overcome by sonication with a surface wave from the liquid.
  • a partial area with a defined area 105 can be filled after the other in the direction of the surface wave 118.
  • the attenuation of the surface wave by liquid droplets in front of it prevents that drops further away from the surface wave generation device are excessively influenced.
  • the liquid droplets in the figure 2 vertical direction can be moved in an analogous manner.
  • the drops of liquid can be moved back again.
  • the transducers 120 and 116 by measuring the surface wave from an interdigital transducer to an opposite interdigital transducer, exemplified by the transducers 120 and 116, at smaller amplitude, it is also possible to measure whether the individual surfaces 105 are filled with liquid or not, since the surface wave is damped by the presence of the liquid becomes. The smaller amplitude is chosen so that the droplets do not leave their respective location area 105 through the adjacent bottleneck.
  • a "microtiter plate" for subsequent fluorescence analyzes feasible This will be liquid drops on different surfaces 105, for example, subjected to a fluorescence analysis.
  • individual surfaces 105 are functionalized with a surface coating, which lead to a reaction. This reaction then takes place locally only on this single area and can be studied precisely.
  • each group of interdigital transducers 115, 117, 119 there is provided in each case a tapered interdigital transducer whose finger spacing is not constant along its axis.
  • the location of the radiation can be adjusted with the frequency, since the frequency results as a quotient of the constant surface wave velocity and the wavelength corresponding to the finger distance.
  • the individual embodiments of the invention can also be combined to form an overall system.
  • the individual elements may be part of a larger overall system, if necessary on a single chip, which, in addition to the embodiments according to the invention, also has other measuring and analysis or synthesis stations in the sense of a "lab-on-the-chip".
  • the devices and methods according to the invention can be used particularly advantageously.
  • the entire structure can be very easily produced with known lithographic methods and integrated with other elements on a chip, the z. B. are provided for transport or analysis of small quantities of matter.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Separation Of Particles Using Liquids (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche und ein Verfahren zur Erzeugung mindestens einer definierten Flüssigkeitsmenge auf einer Festkörperoberfläche.
  • 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 Flüssigkeiten, 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 definierten Analyse- oder Synthesepunkt auf dem Chip zu bewegen. An diesem Punkt soll dann z. B. eine chemische oder physikalische Analyse oder Synthese vorgenommen 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 genetischen Materialien eingesetzt, 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 elektroosmotischen Verfahren beschrieben. Eine andere bereits bekannte Technologie ist der Transport kleiner Flüssigkeitsmengen mit mikromechanischen oder elektrostatischen 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. Elektrokinetische Verfahren sind von M. Köhler et al. (Physikalische Blätter 56, Nr. 11, S. 57-61) beschrieben worden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe eine gezielte Manipulation kleiner 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 Aufenthaltsbereich auf einer Festkörperoberfläche auf, auf dem sich die mindestens eine zu manipulierenden Flüssigkeit bevorzugt aufhält. Dazu hat der mindestens eine definierte 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 Aufenthaltsbereiches oder dessen Umgebung realisiert werden können. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass trotz des eingegrenzten Aufenthaltsbereiches der Flüssigkeit, die durch die Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht wird, keinerlei Gräben, Ecken oder Kanten notwendig sind, an denen die Flüssigkeit in ihrer Bewegung beeinträchtigt werden könnte.
  • Die Modulation der Benetzungseigenschaften kann z.B. durch die Definition hydrophiler 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 silanisierte Oberfläche realisiert werden.
  • Je nach Anwendung kann die den Aufenthaltsbereich umgebende Festkörperoberfläche auch hydrophil, lipophob oder lipophil im Vergleich zur Oberfläche des Aufenthaltsbereiches gewählt werden. Zur Manipulation von nicht-wäßrigen Lösungen kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn der bevorzugte Aufenthaltsbereich lipophil 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 gegenüber 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 fertigungstechnisch sehr einfach und definiert herstellbar, ohne daß die bekannten Probleme einer tiefen Ätzung eines schmalen Kanals auftreten.
  • Die Benetzungseigenschaften können weiterhin durch Mikrostrukturierung moduliert werden, wie es beim so genannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf der unterschiedlichen Rauhigkeit der Oberfläche beruht. Diese kann z. B. durch Mikrostrukturierung der entsprechenden Oberflächenbereiche erhalten werden, z. B. durch chemische Behandlung oder Ionenbestrahlung.
  • Der so definierte mindestens eine bevorzugte Aufenthaltsbereich für die mindestens eine zu manipulierende Flüssigkeitsmenge auf der Festkörperoberfläche weist erfindungsgemäß weiterhin zumindest eine Engstelle auf, deren Breite geringer 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 überwinden kann.
  • Die zu manipulierende Flüssigkeitsmenge befindet sich auf dem bevorzugten Aufenthaltsbereich der Festkörperoberfläche z.B. in Form eines Tröpfchens. Dabei gilt, dass für einen benetzten Bereich auf der Oberfläche eines Festkörpers die Oberfläche des Flüssigkeitströpfchens im Gleichgewicht überall dieselbe Krümmung aufweist, da eine unterschiedliche Krümmung in unterschiedlichen Teilen der Flüssigkeitströpfchenoberfläche bei gegebener Oberflächenspannung einen unterschiedlichen 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 Grenzlinie 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 bevorzugten Aufenthaltsbereiche gegeben ist, wird die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche durch die Breite des bevorzugten Aufenthaltsbereiches, also der "Leiterbahn", und das Volumen der Flüssigkeitsmenge auf diesem Aufenthaltsbereich bestimmt. 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 "Leiterbahnen" ist zum Transport von Flüssigkeitsvolumina im Bereich von Pikolitern in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Für Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von Nanolitern sind Breiten von 10 bis zu einigen 100 Mikrometern möglich.
  • Wirkt nun eine äußere Kraft auf eine kleine Flüssigkeitsmenge mit einer Komponente 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 dennoch 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 Oberflächenwelle dienen.
  • Die Breite der Engstelle bestimmt wesentlich die Stärke der äußeren Kraft, die notwendig 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 weniger 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 treiben. Auf diese Weise ist eine genaue Lokalisierung der Flüssigkeitsmenge möglich, da der bevorzugte Aufenthaltsbereich für die Flüssigkeitsmenge hinter der entsprechenden 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 Flüssigkeitsmengen 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 bevorzugten 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 funktionalisierte 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 Fläche vorgenommen werden. In anderen Bereichen kann eine Synthese aus verschiedenartigen Materialien vorgenommen werden, die in oder als Flüssigkeitsmengen auf einen Aufenthaltsbereich definierter Fläche gebracht wurden.
  • Die Herstellung von Bereichen unterschiedlicher Benetzungseigenschaften oder mit unterschiedlich funktionalisierten Oberflächen ist mit Hilfe bereits bekannter lithographischer 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 Abmessungen in einem gewissen Bereich zu variieren.
  • Zur Erzeugung der Kraft, die die Flüssigkeitsmenge durch die Engstelle treibt, können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Ein besonders einfaches Verfahren ist die Erhöhung der Temperatur, z. B. mit einer Heizeinrichtung auf der Festkörperoberfläche. Diese Heizeinrichtung kann entweder lokal an einem Aufenthaltsbereich definierter Fläche wirken oder die gesamte Festkörperoberfläche heizen. Bei einer einfachen Ausgestaltung ist eine Widerstandsheizung auf der Festkörperoberfläche vorgesehen. Dadurch vergrößert sich in der Regel das Flüssigkeitsvolumen 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 piezoelektrisch angetriebene Pumpe zum Einsatz. Schließlich kann eine Elektrode auf der Festkörperoberfläche eingesetzt werden, um Flüssigkeiten mit geladenen Teilchen 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 Aufenthaltsbereich übertragen. Der Impulsübertrag wird entweder durch die mechanische Deformation der Festkörperoberfläche oder durch die Kraftwirkung der sie begleitenden elektrischen Felder auf geladene oder polarisierbare Materie erzielt.
  • Besondere Vorteile des Impulsübertrags mittels Oberflächenwellen zur Manipulation kleiner Materiemengen sind:
    1. 1) Die Stärke der Kraftwirkung auf die kleine Flüssigkeitsmenge lässt sich in einem weiten Bereich über die Amplitude der Oberflächenwelle einstellen.
    2. 2) Es lassen sich verschiedene zeitliche Verläufe der Kraft, wie z.B. Pulse verschiedener Länge, elektronisch definieren.
    3. 3) Die Beschallung der Festkörperoberfläche mit der Oberflächenwelle bewirkt eine automatische Reinigung der überstrichenen Bereiche.
    4. 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 Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung befindet. Die Oberflächenschallwelle breitet sich auch außerhalb des piezoelektrischen Bereiches aus.
  • Zur Erzeugung der Oberflächenwelle wird vorteilhaft ein an sich bekannter Interdigitaltransducer eingesetzt. Ein solcher Interdigitaltransducer hat zwei Elektroden, die fingerartig ineinander greifen. Durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes, z. B. in der Größenordnung von einigen 100 MHz, wird in einem piezoelektrischen Substrat bzw. in einem piezoelektrischen Bereich des Substrates eine Oberflächenwelle angeregt, deren Wellenlänge sich als Quotient aus der Oberflächenschallgeschwindigkeit 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 definierte Oberflächenwelle erzeugen. Die Herstellung des Interdigitaltransducers ist mit bekannten lithographischen Verfahren und Beschichtungstechnologien kostengünstig 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 folgenden beispielhaft an einem "Netzwerk", wie es bereits oben beschrieben ist, erläutert. Hierbei ist ein Teil des bevorzugten Aufenthaltsbereiches mit einer definierten Fläche nur über Engstellen mit anderen Teilen des bevorzugten Aufenthaltsbereiches verbunden. Dieser Teilbereich definierter Fläche ist also nur über die Engstellen 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 definierten Fläche getrieben werden. Diese Fläche definiert ein "Normvolumen" einer kleinen Flüssigkeitsmenge, das gezielt befüllt oder entleert werden kann. Dies geschieht zu einem definierten Zeitpunkt, zu dem die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung 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 Oberflächenwelle 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 Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung ist, kann eine zweite Oberflächenwelle, gegebenenfalls mit schwächerer Intensität, in Richtung eines Flüssigkeitsvolumens in einem 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 Impulskomponenten vorhanden sind, die den von der ersten bzw. zweiten Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung erzeugten Oberflächenwellen gemeinsam sind.
  • Es kann auch nur eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung zur Beschallung der Engstellen, die parallel angeordnet sind, vorgesehen sein. Dazu ist die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung als sogenannter "getaperter" Interdigitaltransducer ausgebildet. Bei einem solchen getaperten Interdigitaltransducer ist der Fingerabstand entlang der Achse des Transducers nicht konstant. Der Fingerabstand bestimmt die Wellenlänge der Oberflächenwelle. Bei konstanter Oberflächenwellenschallgeschwindigkeit ist bei einer bestimmten angelegten Frequenz also nur für einen bestimmten Fingerabstand die Resonanzbedingung erfüllt, dass sich die Frequenz der Oberflächenwelle als Quotient aus der Oberflächenwellenschallgeschwindigkeit und der Wellenlänge ergibt. Auf diese Weise läßt sich eine Oberflächenwelle 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 ferner eingesetzt werden, um die zu manipulierenden Flüssigkeitsmengen z. B. einem Bereich auf dem Festkörpersubstrat zuzuführen, an dem eine Analyse oder Synthese stattfindet. Eine solche Analyse oder Synthese kann z. B. chemischer, physikalischer und/oder biologischer Natur sein. Ebenso kann eine Flüssigkeitsmenge in einen Bereich gebracht werden, wo sie mit einer anderen Flüssigkeitsmenge reagiert. Insofern eignen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sowohl zur Analyse als auch zur Synthese der Flüssigkeitsmenge bzw. der Flüssigkeitsmengen.
  • Die Einrichtungen zur Erzeugung einer äußeren Kraft können mit durch entsprechende Software programmierbaren elektronischen Steuerungen verbunden sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der anliegenden Figuren erläutert. Als Vorrichtungen zur Erzeugung einer äußeren Kraft werden im folgenden beispielhaft immer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen dargestellt. 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 einer Breite, die mit 2 bezeichnet ist, für die zu manipulierende Flüssigkeit vorgesehen. 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 beschrieben 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 gesamte 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 Benetzungseigenschaften 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 mikrostrukturiert 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 bezeichnen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen mit einer Abstrahlrichtung 23 bzw. 25. Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um Interdigitaltransducer 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 dargestellt 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 Beschichtungsverfahren 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 Interdigitaltransducers 17 getrieben werden kann. Die Fläche des Bereiches 5 ist rund und hat eine definierte Größe.
  • Figur 1b zeigt eine schematische Schnittansicht durch den Bereich der Festkörperoberfläche, in dem sich der bevorzugte Aufenthaltsbereich 5 befindet. Angedeutet ist ein Flüssigkeitstropfen 27 auf der Festkörperoberfläche 29.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Figur 1 wird wie folgt eingesetzt. Die "Leiterbahn" 1 wird extern mit der zu manipulierenden Flüssigkeit befüllt, die eine "Flüssigkeitssäule" 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 Forderung nach einer konstanten Krümmung über den Übergang zwischen den beiden Breiten hinweg nicht erfüllt werden, da sich auch die Höhe des Flüssigkeitströpfchens stark ändern würde. Die schmale Engstelle 7 lässt sich also nicht ohne weiteres ohne zusätzliche Einwirkung von der breiten Leiterbahn 1 aus befüllen. Mit Hilfe einer Oberflächenwelle, die in Richtung 23 von dem Transducer 11 abgestrahlt wird, kann jedoch die Flüssigkeitsmenge durch die Engstelle 7 "gepumpt" werden. Die notwendige Stärke der Oberflächenwelle kann durch vorherige Kalibrierung 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 befindet. Dazu können (in der Figur nicht gezeigte) interdigitale Transducer vorgesehen sein, die sich gegenüber stehen und die Fläche 5 zwischen sich haben. Wird eine Oberflächenwelle gegebenenfalls geringerer Intensität von einem dieser Interdigitaltransducer 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 Oberflächenwelle, 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 getrieben. 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, genau diese Flüssigkeitsmenge aus dem Bereich 5 getrieben.
  • Die Ausführungsform der Figur 1 lässt also die genaue Definition kleinster Flüssigkeitsmengen 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 "Normvolumen" der definierten Fläche 5 in gewissen Grenzen eingestellt werden.
  • Nicht gezeigt ist jeweils eine mögliche Ankopplung der bevorzugten Aufenthaltsbereiche z.B. mittels einer Engstelle einer "Leiterbahn" an ein mikrofluidisches System, 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 äußere Impulseinwirkung, z.B. auch durch eine Oberflächenwelle, kann der Flüssigkeitstropfen diese Engstelle überwinden und auf die gezeigten Teile des bevorzugten Aufenthaltsbereiches gelangen.
  • Jenseits einer solchen Engstelle kann sich ein Reservoir befinden, das durch eine größere Fläche mit den gleichen Benetzungseigenschaften wie die gezeigten Aufenthaltsbereiche 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 Figur 2 können Flüssigkeitstropfen gezielt an bestimmte Stellen auf der Oberfläche transportiert und dort abgelegt werden. Gezeigt ist als besondere Ausführungsform eine schachbrettartige Anordnung. Vorgesehen 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 Bereiche 100, 105, 107, 109 haben wiederum andere Benetzungseigenschaften als die umgebende Festkörperoberfläche, analog der Ausführungsform der Figur 1.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform sind Gruppen 115, 117 und 119 von Interdigitaltransducern vorgesehen, die einzeln angesteuert werden können. Die einzelnen Transducer sind dabei derart ausgerichtet, dass sich die Ausbreitungsrichtung jeweils entlang einer Reihe von Engstellen 107 bzw. 109 befindet. Exemplarisch ist dies an dem interdigitalen Transducer 120 mit der Ausbreitungsrichtung 118 gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform der Figur 2 stehen sich die Gruppen von interdigitalen Transducem 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 vorgesehen sein.
  • Eine bestimmte Flüssigkeitsmenge wird über die "Leiterbahn" 100 auf den definierten Aufenthaltsbereich in der Figur 2 links oben eingebracht. Selbstverständlich können auch entsprechende Leiterbahnen zu anderen definierten Bereichen 105 führen. Durch den beschriebenen Effekt der Oberflächenspannung wird die Flüssigkeitsmenge 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 hinweg in den nächsten Oberflächenbereich 105 "gepumpt". Dabei gibt die Richtung 118 der Oberflächenwelle die Richtung vor. Auf diese Weise kann durch entsprechendes Schalten der Interdigitaltransducer der Flüssigkeitstropfen von einem Bereich 105 zum nächsten transportiert werden, bis er an der gewünschten Stelle angelangt ist. Die einzelnen Engstellen werden dabei jeweils aufgrund des dort herrschenden höheren Innendrucks auf Kosten der Flächen 105 entleert.
  • Die Flüssigkeit kommt dabei z. B. aus einem Reservoir, das aus einer Fläche besteht, 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 anderen in Richtung der Oberflächenwelle 118 befüllt werden. Ist z. B. der letzte Aufenthaltsbereich definierter Fläche einer Reihe gefüllt, wird wieder von vorne angefangen. Die Dämpfung der Oberflächenwelle durch davor liegende Flüssigkeitstropfen verhindert, dass weiter von der Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung entfernt liegende Tropfen zu stark beeinflusst werden. Mit Hilfe der Interdigitaltransducer der Gruppe 115 können in analoger Weise die Flüssigkeitstropfen in der Figur 2 vertikaler Richtung bewegt werden.
  • Mit Hilfe gegenüberliegender Transducer, beispielhaft durch den Transducer 116 bezüglich des Transducers 120 gezeigt, können die Flüssigkeitstropfen wieder zurück bewegt werden.
  • Zusätzlich kann durch Transmissionsmessungen der Oberflächenwelle von einem Interdigitaltransducer zu einem gegenüberliegendenen Interdigitaltransducer, beispielhaft der Transducer 120 und 116, bei kleinerer Amplitude auch noch gemessen 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 Aufenthaltsbereich 105 nicht durch die benachbarte Engstelle verlassen.
  • Selbstverständlich können sich z. B. in der Figur 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 Figur 2 ist z. B. eine "Microtiter Plate" für nachfolgende Fluoreszenzanalysen realisierbar. Dabei werden Flüssigkeitstropfen auf verschiedenen Flächen 105 z.B. einer Fluoreszenzanalyse unterzogen. 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 Interdigitaltransducern 115, 117, 119, jeweils ein getaperter Interdigitaltransducer vorgesehen, dessen Fingerabstand entlang seiner Achse nicht konstant ist. Bei derartigen getapertem Interdigitaltransducern lässt sich der Ort der Abstrahlung mit der Frequenz einstellen, da die Frequenz sich als Quotient aus der konstanten Oberflächenwellengeschwindigkeit 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, angesprochen 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. Gerade zur Bewegung und Positionierung von kleinen Flüssigkeitsmengen auf derartigen integrierten Systemen sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren 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 Materiemengen vorgesehen sind.

Claims (32)

  1. Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche 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 aufweist 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 Aufenthaltsbereiche zumindest eine Engstelle (7, 9, 107, 109) umfaßt, die eine minimale Breite (8) aufweist, die kleiner ist als die Breite (2) der benachbarten Teile des Aufenthaltsbereiches, und die von der Flüssigkeit (27) aufgrund ihrer Oberflächenspannung ohne zusätzliche äußere Krafteinwirkung 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 Engstelle, die so stark ist, dass die Flüssigkeitsmenge die Engstelle überwinden kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung zur Ansteuerung der Einrichtung (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 Benetzungseigenschaften durch mindestens einen hydrophoben und mindestens einen im Vergleich 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 mindestens eine lipophobe Bereich lithographisch definiert sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Bereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften durch lateral mikro- oder nanostrukturierte Bereiche definiert sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Bereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften durch entsprechende Funktionalisierung 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 Engstelle.
  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 Engstelle.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest eine Teilfläche (5, 105) des mindestens einen Aufenthaltsbereiches nur über mindestens eine Engstelle (7, 9, 107, 109) mit anderen Teilen (1, 3) des Aufenthaltsbereiches (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 Erzeugung einer äußeren Kraft im wesentlichen in Richtung der jeweils zugeordneten 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 Aufenthaltsbereich 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 erzeugt 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 Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung 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 mindestens ein Interdigitaltransducer mit nicht-konstantem Fingerabstand vorgesehen ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, die zur Oberflächenwellenerzeugung ein piezoelektrisches Festkörpersubstrat bzw. ein Substrat mit mindestens 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, vorzugsweise 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 mikromechanische Pumpe umfaßt.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei der die mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer äußeren Kraft mindestens eine piezoelektrische 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 Einrichtung zur Änderung der Temperatur.
  26. Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-25, 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 Aufenthaltsbereiches bewegt wird, die sich in Verbindung mit der Teilfläche befindet und ohne Impulseinwirkung einer äußeren Kraft aufgrund der Oberflächenspannung 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 Teilfläche (5) des Aufenthaltsbereiches mit definierter Fläche durch die Dämpfung einer Oberflächenwelle detektiert wird, die die Festkörperoberfläche im Bereich 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 Heizeinrichtung auf der Festkörperoberfläche verändert wird.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, bei dem zur Erzeugung der äußeren Kraft Oberflächenwellen eingesetzt werden.
EP01986864A 2000-12-14 2001-12-12 Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen Expired - Lifetime EP1345696B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10062246A DE10062246C1 (de) 2000-12-14 2000-12-14 Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen
DE10062246 2000-12-14
PCT/EP2001/014598 WO2002057014A1 (de) 2000-12-14 2001-12-12 Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1345696A1 EP1345696A1 (de) 2003-09-24
EP1345696B1 true EP1345696B1 (de) 2006-03-08

Family

ID=7667077

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP01986864A Expired - Lifetime EP1345696B1 (de) 2000-12-14 2001-12-12 Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20040072366A1 (de)
EP (1) EP1345696B1 (de)
JP (1) JP4015021B2 (de)
AT (1) ATE319518T1 (de)
DE (2) DE10062246C1 (de)
WO (1) WO2002057014A1 (de)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002064253A2 (en) * 2001-02-09 2002-08-22 Microchem Solutions Method and apparatus for sample injection in microfabricated devices
DE10120035B4 (de) * 2001-04-24 2005-07-07 Advalytix Ag Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf Oberflächen
DE10307801A1 (de) * 2003-02-24 2004-09-09 Advalytix Ag Analyseverfahren und -device zur Untersuchung von spezifischen Bindungsereignissen
US8038337B2 (en) * 2003-02-27 2011-10-18 Beckman Coulter, Inc. Method and device for blending small quantities of liquid in microcavities
ATE383197T1 (de) * 2003-02-27 2008-01-15 Advalytix Ag Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von bewegung in einem dünnen flüssigkeitsfilm
DE10325313B3 (de) * 2003-02-27 2004-07-29 Advalytix Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Bewegung in einem dünnen Flüssigkeitsfilm
CN100404121C (zh) * 2003-07-11 2008-07-23 日本碍子株式会社 微型反应器
US7048889B2 (en) 2004-03-23 2006-05-23 Lucent Technologies Inc. Dynamically controllable biological/chemical detectors having nanostructured surfaces
DE102004037348A1 (de) * 2004-08-02 2006-03-16 Infineon Technologies Ag Fluid-Transport-Vorrichtung, Sensor-Anordnung, Fluid-Misch-Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung
JP4570945B2 (ja) * 2004-12-02 2010-10-27 一般社団法人オンチップ・セロミクス・コンソーシアム 液滴操作装置及び操作方法
DE102004051394B4 (de) * 2004-10-21 2006-08-17 Advalytix Ag Verfahren zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmengen in Mikrokanälen und Mikrokanalsystem
EP1833598B1 (de) * 2005-01-05 2008-10-08 Olympus Life Science Research Europa GmbH Verfahren und vorrichtung zur dosierung und durchmischung kleiner flüssigkeitsmengen
DE102005000835B3 (de) * 2005-01-05 2006-09-07 Advalytix Ag Verfahren und Vorrichtung zur Dosierung kleiner Flüssigkeitsmengen
JP4733404B2 (ja) * 2005-02-21 2011-07-27 日本無線株式会社 弾性波センサ
US20070047388A1 (en) * 2005-08-25 2007-03-01 Rockwell Scientific Licensing, Llc Fluidic mixing structure, method for fabricating same, and mixing method
DE102005043034A1 (de) 2005-09-09 2007-03-15 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zur Bewegung einer Flüssigkeit
US20070065702A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-22 Extrand Charles W Fuel cell with anisotropic wetting surfaces
US20070065637A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-22 Extrand Charles W Carrier with anisotropic wetting surfaces
US20070062594A1 (en) * 2005-09-16 2007-03-22 Extrand Charles W Microfluidic device with anisotropic wetting surfaces
WO2007066478A1 (ja) * 2005-12-08 2007-06-14 Olympus Corporation 反応容器及び分析装置
DE102007021563A1 (de) 2007-05-08 2008-11-20 Universität Augsburg Vorrichtung für die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie
JP5159197B2 (ja) * 2007-07-25 2013-03-06 キヤノン株式会社 液体制御装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4049982A (en) * 1976-08-18 1977-09-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Elliptical, interdigital transducer
US4751530A (en) * 1986-12-19 1988-06-14 Xerox Corporation Acoustic lens arrays for ink printing
US5474796A (en) * 1991-09-04 1995-12-12 Protogene Laboratories, Inc. Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on a support surface
US6130098A (en) * 1995-09-15 2000-10-10 The Regents Of The University Of Michigan Moving microdroplets
US6296020B1 (en) * 1998-10-13 2001-10-02 Biomicro Systems, Inc. Fluid circuit components based upon passive fluid dynamics
DE19935433A1 (de) * 1999-08-01 2001-03-01 Febit Ferrarius Biotech Gmbh Mikrofluidischer Reaktionsträger
US6362006B1 (en) * 2000-03-13 2002-03-26 General Electric Company Rapid parallel determination of non-volatile analytes in complex combinatorial samples
US20020031835A1 (en) * 2000-05-12 2002-03-14 University Of Delaware Laboratory-on-a-chip device using wetting forces and thermal marangoni pumping

Also Published As

Publication number Publication date
EP1345696A1 (de) 2003-09-24
JP4015021B2 (ja) 2007-11-28
DE10062246C1 (de) 2002-05-29
US20040072366A1 (en) 2004-04-15
DE50109179D1 (de) 2006-05-04
WO2002057014A1 (de) 2002-07-25
ATE319518T1 (de) 2006-03-15
JP2004517335A (ja) 2004-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1345696B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen
EP1286774B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur manipulation kleiner materiemengen
WO2002082053A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur manipulation kleiner flüssigkeitsmengen und/oder darin enthaltener teilchen
DE60010666T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur programmierbaren behandlung von fluiden
EP1603678B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur trennung von partikeln in einer flüssigkeitsströmung
DE10164357B4 (de) Titrationsverfahren
EP3256839B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum dispensieren von unter verwendung eines akustischen felds ausgerichteten partikeln in frei fliegenden tropfen
DE10326607A1 (de) Vorrichtung zum Handhaben von Flüssigkeiten
WO2004076046A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur durchmischung kleiner flüssigkeitsmengen in mikrokavitäten
DE10120035B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen auf Oberflächen
WO2006045547A1 (de) Verfahren zur bewegung von kleinen flüssigkeitsmengen in mikrokanälen durch akustische wellen
EP1409722B1 (de) Verfahren zur analyse von makromolekülen
DE10055318A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Materietransport kleiner Materiemengen
EP2552586B1 (de) Bauteil eines biosensors und verfahren zur herstellung
WO2002040165A1 (de) Vorrichtung und system zur abgabe bzw. aufnahme/abgabe von flüssigkeitsproben
DE10136008B4 (de) Verfahren zur Analyse von Makromolekülen und Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung
WO2007071374A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum transport und zur bildung von kompartimenten
DE10127522C1 (de) Verfahren zur Manipulation von Lichtstrahlen mit Flüssigkeiten
DE10129243C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Dosierung fluider Medien
DE10063268B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder deren Bewegung
WO2003056334A2 (de) Charakterisierungsverfahren für funktionalisierte oberflächen
DE10141148B4 (de) Mikrodispenser
DE102007013932A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten und Verwendung der Vorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20030611

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: ADVALYTIX AG

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: NL

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308

Ref country code: IE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308

Ref country code: IT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT;WARNING: LAPSES OF ITALIAN PATENTS WITH EFFECTIVE DATE BEFORE 2007 MAY HAVE OCCURRED AT ANY TIME BEFORE 2007. THE CORRECT EFFECTIVE DATE MAY BE DIFFERENT FROM THE ONE RECORDED.

Effective date: 20060308

Ref country code: FI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REF Corresponds to:

Ref document number: 50109179

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20060504

Kind code of ref document: P

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DK

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060608

Ref country code: SE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060608

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: ES

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060619

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: PT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060808

NLV1 Nl: lapsed or annulled due to failure to fulfill the requirements of art. 29p and 29m of the patents act
GBV Gb: ep patent (uk) treated as always having been void in accordance with gb section 77(7)/1977 [no translation filed]

Effective date: 20060308

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FD4D

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20061229

Year of fee payment: 6

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: LI

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20061231

Ref country code: BE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20061231

Ref country code: CH

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20061231

Ref country code: MC

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20061231

PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20061211

EN Fr: translation not filed
REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: PL

BERE Be: lapsed

Owner name: ADVALYTIX A.G.

Effective date: 20061231

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: AT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20061212

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060609

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20070309

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: TR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308

Ref country code: LU

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20061212

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20080701

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: CY

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF FAILURE TO SUBMIT A TRANSLATION OF THE DESCRIPTION OR TO PAY THE FEE WITHIN THE PRESCRIBED TIME-LIMIT

Effective date: 20060308