Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur integrierten Dosierung und Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen, eine Vorrichtung und einen Apparat zur Durchführung dieses Verfahrens und eine Verwendung.

Diagnostisches Assays, insbesondere im Bereich der klinischen Chemie und Immunochemie werden heutzutage zum großen Teil automatisiert durchgeführt. In den entsprechenden Automaten werden definierte Volumina von Probenflüssigkeit und Reagenzien in eine Küvette oder in die Vertiefung einer Mikrotiterplatte pipettiert und vermischt. Anschließend wird eine erste Referenzmessung durchgeführt, bei der zum Beispiel die optische Transmission durch die Küvette bestimmt wird. Nach einer gewissen Reaktionszeit zwischen Probe und Reagenzien wird eine zweite Messung des gleichen Parameters vorgenommen. Durch den Vergleich der beiden Messwerte ergibt sich die Konzentration der Probe bezüglich eines bestimmten Inhaltsstoffes oder auch nur das Vorhandensein des Inhaltsstoffes. Typische Volumina liegen in Summe bei einigen hundert Mikrolitern, wobei notwendige Mischungsverhältnisse von Probe zu Reagenz zwischen 1: 100 und 100: 1 vorkommen können. Gegebenenfalls können auch mehrere Reagenzien zur Mischung mit einer Probe vorgesehen sein. Neben den eben beschriebenen Instrumenten für hohen Durchsatz, die typischerweise in speziellen Labors zu finden sind, gibt es auch Bestrebungen, Assays dezentral und ohne großen instrumenteilen Aufwand durchzuführen. Dabei wäre es wünschenswert, wenn die in jüngster Zeit vorge- stellte "Lab-on-a-Chip"-Technologie eingesetzt werden könnte, bei der die

Prozessierung von Flüssigkeiten auf bzw. in einem Chip integriert durchgeführt werden kann. Assayzeiten von weniger als einer Stunde sind wünschenswert.

Zur Bewegung der Flüssigkeiten werden dabei zum Beispiel mikrofluidi- sche Systeme verwendet, in denen Flüssigkeit durch elektro-osmotische Potentiale bewegt wird, siehe zum Beispiel Anne Y. Fu, et al. "A micro fab- ricated fluorescence-activated cell sorter", Nature Biotechnology Vol. 17, November 1999, S. 1109 ff.

Ein Verfahren zur Flüssigkeitsdurchmischung im Mikroliterbereich ist in DE 103 25 307 B3 beschrieben, bei der kleine Flüssigkeitsvolumina in Mikrotiterplatten mit Hilfe schallinduzierter Strömung gemischt werden. Eine andere Methode zur Erzeugung von Bewegung in kleinen Flüssig- keitsmengen auf einer Festkörperoberfläche beschreibt DE 101 42 789 C 1. Hier wird mit Hilfe von Oberflächenschallwellen eine Flüssigkeit durchmischt oder mehrere Flüssigkeiten miteinander vermischt.

Gemäß einem in DE 100 55 318 Al beschriebenen Verfahren wird eine Flüssigkeitsmenge auf einen Bereich einer im wesentlichen planaren O- berfläche gebracht, deren Benetzungseigenschaften sich von der umgebenden Oberfläche derart unterscheiden, dass sich die Flüssigkeit bevorzugt darauf aufhält, wobei sie durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird. Bewegung der Flüssigkeitsmenge kann dabei durch den Impulsübertrag einer Oberflächenschallwelle auf die Flüssigkeit erzeugt werden.

Problematisch ist insbesondere die Integration von Dosierung und Mischung von Probe und Reagenzien in einem kostengünstigen Lab-on-the-

chip-System. Eine homogene Durchmischung unterschiedlicher derart kleiner Flüssigkeitsmengen ist schwierig zu realisieren.

Zur Dosierung ist es notwendig, Volumina der Flüssigkeitsmengen genau zu definieren. Dies ist zum Beispiel geometrisch durchführbar. So können zum Beispiel in einem offenen System die Benetzungseigenschaften der Oberfläche ein Volumen bestimmen, wie es in DE 100 55 318 Al beschrieben ist. Hier erfolgt die Definition der Volumina durch hydrophile und hydrophobe Bereiche über den Benetzungswinkel auf einer im We- sentlichen glatten Oberfläche. Wurden auf diese Weise mehrere Volumina definiert, die zur Reaktion gebracht werden sollen, so werden die Volumina aufeinander zu bewegt, um dies zu erreichen. Bei der Bewegung auf einer Oberfläche können Flüssigkeitsreste bzw. in der Flüssigkeit befindliche Moleküle des Analyten oder des Reagenzes an der Oberfläche haften bleiben, so dass durch die Bewegung ein Volumenverlust bzw. eine Konzentrationsverringerung unbekannter Höhe nicht auszuschließen ist. Außerdem müssen Vorkehrungen gegen die Verdunstung getroffen werden, die insbesondere bei längeren Assayzeiten problematisch sein kann.

Andere Ansätze benutzen Kanäle von definiertem Querschnitt, die mit Flüssigkeit kapillar befüllt werden. Ist die Flüssigkeit eine wässrige Lösung, so ist am Kanalende eine hydrophobe Barriere angebracht, die sich nicht kapillar befüllen lässt. Weiterhin gibt es an diesem Kanal einen seitlichen Abzweig mit einer ebenfalls hydrophoben Oberfläche, die sich nicht kapillar befüllen lässt. Querschnitt und Länge des Kanals zwischen der hydrophoben Barriere und dem hydrophoben Abzweig bestimmen nun ein Volumen, das durch pneumatischen Druck durch den Abzweig definiert abgetrennt und bewegt werden kann (Bums et al., An integrated nanoliter DNA analysis device, Science 282, 484 (1998)). Durch diese Art der VoIu- mendefinition entstehen hohe Kosten durch die notwendige Benetzungs-

strukturierung der Oberfläche (hydrophil zur Befüllung des Kanals selbst und hydrophob für die Barriere und den Abzweig). Außerdem muss mit Luftdruck gearbeitet werden, was entsprechende Vorrichtungen erfordert. Um die kapillare Befüllung des Messkanals zu ermöglichen, muss der Ka- nalquerschnitt klein sein. Bei großen Volumina im Bereich von einigen 100 Mikrolitern sind daher lange Kanäle erforderlich. Dies führt zwangsläufig zu großen unerwünschten Wechselwirkungen der Moleküle in der Flüssigkeit mit der Kanalwand. Eine effiziente Durchmischung mehrerer Flüssigkeitsmengen ist in dieser Geometrie nahezu unmöglich.

Der Begriff "Flüssigkeit" umfasst im vorliegenden Text u.a. reine Flüssigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, zum Beispiel biologisches Material, befinden. Zu dosierende und zu mischende Flüssigkeiten können zum Beispiel auch zwei oder mehr gleichartige Lösungen sein, die sich durch darin gelöste Inhaltsstoffe unterscheiden, die zur Reaktion gebracht werden sollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe eine präzise Dosierung von Flüssig- keitsmengen auf bzw. in einem integrierten Chip möglich ist und die eine präzise Durchmischung der Flüssigkeiten ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und einem Apparat mit den Merkmalen des Anspruches 29 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet. Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 30.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur integrierten Dosierung und Durchmischung kleiner Flüssigkeitsvolumina wird eine erste Flüssigkeit

in bzw. auf ein erstes Reservoir gebracht. Eine zweite Flüssigkeit wird derart in bzw. auf ein zweites Reservoir gebracht, dass es vollständig befüllt ist. Die erste und die zweite Flüssigkeit werden über wenigstens eine erste Verbindungskanalstruktur in Kontakt gebracht, die wenigstens einen Be- reich umfasst, der in Blickrichtung der Verbindungslinie der zwei Reservoirs einen kleineren Querschnitt als die Reservoirs selbst aufweist. Flüssigkeitsaustausch wird durch laminare Strömung in der Verbindungskanalstruktur bewirkt und die Flüssigkeiten in bzw. auf dem zweiten Reservoir durchmischt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten die Flüssigkeiten über die Verbindungskanalstruktur in Kontakt. An der Grenzfläche zwischen den zwei Flüssigkeiten kommt es nur zu vernachlässigbarer Diffusion, da der Querschnitt der Verbindungskanalstruktur vergleichsweise klein ist. Wird entlang der Verbindungskanalstruktur in Richtung des zweiten Reservoirs eine laminare Strömung erzeugt, so wird die erste Flüssigkeit durch die Verbindungskanalstruktur in Richtung des zweiten Reservoirs bewegt. Zum Beispiel durch genaue Auswahl des Zeitraumes, über den die laminare Strömung in der Verbindungskanalstruktur erzeugt wird, bzw. der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt eine genaue Definition des Volumens der ersten Flüssigkeit, das zu der zweiten Flüssigkeit dosiert werden soll. Die Menge der zweiten Flüssigkeit ist durch die Größe des Reservoirs genau bestimmt. Im bzw. auf dem zweiten Reservoir findet dann gegebenenfalls die Reaktion zwischen den Flüssigkeiten statt. Das zweite Reservoir stellt insofern eine Reaktionskammer dar. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Dosierung und Mischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich. So kann das Mischungsverhältnis von Reagenzien zu Probenflüssigkeit z. B. von 1 : 100 bis 100: 1 eingestellt werden.

Zur Befüllung der Reservoirs zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens können Pipetten und/oder entsprechende Befüllstrukturen eingesetzt werden. Die Anforderungen an die Präzision dieser Elemente sind gering, da die Definition der an der Reaktion teilnehmenden Volumina an Flüs- sigkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst bestimmt werden, insbesondere durch die Dauer bzw. die Geschwindigkeit der laminaren Strömung in der Verbindungskanalstruktur und das Volumen des zweiten Reservoirs.

Die laminare Strömung wird vorzugsweise durch Einstrahlen von Schallwellen in Richtung zumindest eines Teiles der Verbindungskanalstruktur hervorgerufen.

Die Reservoirs und die Verbindungskanalstruktur können dreidimensio- nal oder zweidimensional ausgestaltet sein. So können die Reservoirs und Verbindungskanalstrukturen entsprechend geformte Vertiefungen in einer Oberfläche sein. Bei anderen Ausgestaltungen handelt es sich um entsprechend geformte Hohlräume. Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung werden die Reservoirs und Verbindungskanalstrukturen durch ent- sprechend geformte Bereiche einer Oberfläche gebildet, die von den Flüssigkeiten bevorzugter benetzt werden als die umgebenden Bereiche der Oberfläche. Solche benetzungsmodulierten Oberflächen sind zum Beispiel in DE 100 55 318 Al beschrieben. Die Flüssigkeiten werden dabei durch ihre Oberflächenspannung auf den bevorzugt benetzten Bereichen gehal- ten.

Zur einfacheren Darstellung seien im vorliegenden Text jeweils dreidimensionale und zweidimensionale Realisierungen umfasst, wenn es nicht explizit anders angegeben ist, auch wenn Begriffe gewählt sind, die nur eine Möglichkeit zu beschreiben scheinen. So wird zum Beispiel auch für das

Aufbringen einer Flüssigkeit auf eine zweidimensionale Reservoirfläche der Begriff "Einbringen in ein Reservoir" oder "Befüllen" verwendet. Ähnlich wird z. B. auch für die Bewegung von Flüssigkeit auf einer zweidimensionalen Verbindungsstruktur der Begriff "Bewegung durch die Ver- bindungsstruktur" verwendet etc. Das "Volumen" oder die Größe eines "Querschnitts" bedeuten bei zweidimensionalen Realisierungen in analoger Weise die Fläche bzw. die Breite.

Die an der Reaktion teilnehmende Menge der zweiten Flüssigkeit ist durch die Ausmaße des zweiten Reservoirs bestimmt. Wird das zweite Reservoir zum Beispiel über entsprechende Befüllstrukturen, z. B. Befüllkanälen und/ oder Befüllstutzen, befüllt, so nehmen eventuell existierende Überstände an Flüssigkeit in diesen Befüllstrukturen außerhalb des Reservoirs aus geometrischen Gründen nicht an der Durchmischung teil, insbeson- dere wenn die Durchmischung durch laminare Strömungsmuster bewirkt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die laminare Strömung in bzw. auf der Verbindungskanalstruktur mit Hilfe von Schallwellen erzeugt. Vorzugsweise werden Oberflächenschallwellen eingesetzt, die zum Beispiel mit einem oder mehreren Interdi- gitaltransducern erzeugt werden können. Oberflächenschallwellen übertragen dabei ihren Impuls auf die Flüssigkeit bzw. darin enthaltene Stoffe um sie so in Bewegung zu versetzen. Allgemein ist der Impulsübertrag von Oberflächenschallwellen, die mit Hilfe von Interdigitaltransducern erzeugt werden, auf Flüssigkeiten auf Oberflächen in DE 100 55 318 Al beschrieben.

Bei einer erfϊndungsgemäßen Weiterbildung unter Einsatz eines Interdigi- taltransducers weist dieser eine Abstrahlrichtung in Richtung der Erstreckung zumindest eines Teiles der Verbindungskanalstruktur auf.

Die erste und die zweite Flüssigkeit können über die Verbindungskanalstruktur zum Beispiel unter Ausnutzung von Kapillarkräften in Kontakt gebracht werden. Dazu wird die Verbindungskanalstruktur in ihren seitlichen Dimensionen so klein gewählt, dass zumindest eine der Flüssigkeiten durch die Kapillarkräfte entlang des Kanals gezogen wird. So kann z. B. gemäß einer bevorzugten Verfahrensführung eine erste Flüssigkeit auf bzw. in das erste Reservoir gebracht werden, die sich durch die Kapillarkräfte in bzw. auf der Verbindungskanalstruktur ausbreitet. An der Eintrittstelle der Verbindungskanalstruktur in das zweite Reservoir stoppt die Flüssigkeit ihre Bewegung, da durch den größeren Querschnitt des Reser- voirs im Vergleich zu der Verbindungskanalstruktur nur noch geringe Kapillarkräfte wirken. In bzw. auf das zweite Reservoir wird die zweite Flüssigkeit aufgebracht, die an der Eintrittsstelle der Verbindungskanalstruktur in das zweite Reservoir mit der ersten Flüssigkeit in Kontakt kommt.

Bei einer anderen Verfahrensführung wird die Verbindung zwischen den beiden Flüssigkeiten über einen kleinen "Brückentropfen" hergestellt, der zwischen die beiden Flüssigkeiten gebracht wird und eine Flüssigkeitsbrücke erzeugt. Der Brückentropfen hat dabei ein sehr viel kleineres Volumen als jede der beiden Flüssigkeitsmengen.

Zur Befüllung der Reservoirs zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens können Pipetten und/ oder entsprechende Befüllstrukturen eingesetzt werden. Die Anforderungen an die Präzision dieser Elemente sind gering, da die Definition der an der Reaktion teilnehmenden Volumina an Flüs- sigkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfϊndungsgemäße

Vorrichtung selbst bestimmt werden, insbesondere durch die Dauer bzw. die Geschwindigkeit der laminaren Strömung in der Verbindungskanalstruktur und das Volumen des zweiten Reservoirs.

Die Befüllstrukturen können ebenfalls Befüllkanalstrukturen mit im Vergleich zu den Reservoirs kleinen Querschnitten umfassen. Die Herstellung einer entsprechenden Struktur ist sehr einfach, da dieselben Prozessschritte eingesetzt werden, die auch bei der Herstellung der Reservoirs bzw. bei der Verbindungskanalstruktur verwendet werden.

Die vergleichsweise kleinen Querschnitte verhindern effektiv, dass möglicherweise nach der Befüllung in den Befüllkanalstrukturen vorhandene Flüssigkeitsüberstände an der Durchmischung teilnehmen. Auf diese Weise wird verhindert, dass möglicherweise in den Befüllkanalstrukturen noch vorhandene Flüssigkeitsüberstände die Festlegung der an der

Durchmischung teilnehmenden Flüssigkeitsvolumina ungenau machen.

Außerdem wird durch geringe Querschnitte der Befüllstrukturen zusätzlich gewährleistet, dass eine unkontrollierte Diffusion durch in den Befüll- Strukturen möglicherweise vorhandene Flüssigkeitsgrenzen aufgrund des geringen Querschnittes vernachlässigbar sind.

Derartige Befüllkanalstrukturen können einen geringen Querschnitt aufweisen, der gewährleistet, dass sich die Flüssigkeit durch die Befüllkanal- Strukturen bzw. auf den Befüllkanalstrukturen aufgrund von Kapillarwirkung in Richtung der Reservoirs bewegt. Damit ist eine präzise Befüllung einfach durchführbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einer einzelnen Verbindungska- nalstruktur zwischen den beiden Reservoirs durchführbar. Dabei wird das

erste Reservoir durch die laminare Abströmung der ersten Flüssigkeit zumindest teilweise entleert. Eine andere erfindungsgemäße Ausgestaltung umfasst zumindest zwei Verbindungskanalstrukturen zwischen den beiden Reservoirs. In einer dieser Verbindungskanalstrukturen wird zum Beispiel mit Hilfe von Oberflächenschallwellen eine laminare Strömung erzeugt, die zur Bewegung der ersten Flüssigkeit aus dem ersten Reservoir in Richtung des zweiten Reservoirs dient. Die erste Flüssigkeit im ersten Reservoir wird durch die laminare Abströmung also immer weniger. Über die zweite Verbindungskanalstruktur fließt aus dem zweiten Reservoir gleichzeitig zweite Flüssigkeit in das erste Reservoir nach.

Nach der Zudosierung der gewünschten Menge der ersten Flüssigkeit zu der zweiten Flüssigkeit in dem zweiten Reservoir werden die Flüssigkeiten durchmischt. Besonders günstig ist es, wenn dieser Mischprozess durch Erzeugung von im Wesentlichen laminaren Strömungsmustern bewirkt wird. Damit ist sichergestellt, dass eventuelle Überstände an den Befüll- strukturen möglichst wenig oder gar nicht an der Durchmischung teilnehmen.

Zur Erzeugung solcher Strömungsmuster eignen sich insbesondere

Schallwellen, die in das zweite Reservoir eingestrahlt werden. Sie können z. B. mit Hilfe von Oberflächenschallwellen erzeugt werden. Diese können direkt eingesetzt werden, um durch ihren Impulsübertrag Strömung in der Flüssigkeit zu erzeugen. Bei anderen Realisierungen können die Oberflä- chenschallwellen eingesetzt werden, um durch einen Festkörper, zum Beispiel einen Reservoirboden, hindurch Schallwellen in die Flüssigkeit einzustrahlen. Zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen können an sich bekannte Interdigitaltransducer eingesetzt werden, die einfach mit lithographischen Techniken herstellbar sind.

Bevorzugt ist es, wenn zur Erzeugung der laminaren Strömung und der Durchmischung getrennte Einrichtungen eingesetzt werden. Die Erfindung umfasst jedoch auch Ausführungen, bei denen die laminare Strömung und die Durchmischung mit derselben Einrichtung erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Dosierung und Durchmischung von nur zwei Flüssigkeitsmengen beschränkt. So können zum Beispiel an das zweite Reservoir zusätzlich über weitere Verbindungskanalstrukturen weitere Reservoirs angeschlossen sein, aus denen weitere Flüssigkeiten in das zweite Reservoir dosiert werden. Die Zudosierung kann dabei gleichzeitig oder nacheinander geschehen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen weist ein erstes Reservoir für eine erste Flüssigkeit, ein zweites Reservoir für eine Menge einer zweiten Flüssigkeit und wenigstens eine Verbindungskanalstruktur auf, die die zwei Reservoirs verbindet und wenigstens in einem Bereich einen Querschnitt in Blickrichtung der Verbindungslinie der Reservoirs hat, der kleiner als die Querschnitte der Reservoirs ist. Die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungskanalstruk- tur können als Vertiefungen oder Hohlräume in einem Festkörper ausgebildet sein. Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungskanalstruktur durch Oberflächenbereiche gebildet, die von den Flüssigkeiten bevorzugter benetzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung laminarer Strömung entlang der wenigstens einen Verbindungskanalstruktur auf. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst dazu eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen, vorzugsweise Oberflächenschallwellen. Besonders einfach ist die Verwendung wenigs-

tens eines Interdigitaltransducers zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen, der einfach mit lithographischen Techniken hergestellt werden kann.

Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zur Durchmischung der Flüssigkeitsmengen in bzw. auf dem zweiten Reservoir auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dazu eine zweite Schallwellenerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von in das zweite Reservoir eintretenden Schallwellen vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als kostengünstiges und praktisches Ein wegteil ausgestaltet sein.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur Dosierung und Durchmi- schung von mehr als zwei Flüssigkeitsmengen verwendet werden soll, weist eine entsprechende Anzahl von Reservoirs mit einer entsprechenden Anzahl von Verbindungskanalstrukturen zur integrierten Dosierung und Durchmischung von mehr als zwei Flüssigkeitsmengen auf.

Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bevorzugte Ausführungsformen der Unteransprüche ergeben sich aus der obigen Beschreibung der Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können besonders effektiv zur Dosierung und Durchmischung biologischer Flüssigkeiten eingesetzt werden, bei denen eine präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen notwendig ist.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können automatisch mit einem entsprechend ausgestalteten Automaten betrieben werden.

Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der anliegenden Figuren im Detail erläutert. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und dienen der schematischen Darstellung. Es zeigt:

Fig. 1 einen waagerechten Querschnitt durch eine erfmdungs- gemäße Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung der Fig. 1 entlang der Linie A-B,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung der Fig. 1 entlang der Linie C-D,

Fig. 4 den Schnitt der Fig. 2 bei Durchführung eines Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fig. 1 im waagerechten Querschnitt,

Fig. 6 den Ausschnitt einer Oberfläche einer weiteren Ausfüh- rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit be- netzungsmodulierter Oberfläche,

Fig. 7 eine seitliche Teilansicht der Ausführungsform der Fig.

6 während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 8 eine Teilansicht auf eine Oberfläche einer Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 6,

Fig. 9 eine seitliche Teilansicht dieser Ausführungsform während der Durchführung eines Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 10a - 10c waagerechte Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform während dreier unterschiedlicher Ver- fahrenszustände.

Die Ausführungsform, die schematisch in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, umfasst ein zum Beispiel aus Plastik hergestelltes Einwegteil. Während Fig. 1 den waagerechten Querschnitt zeigt, um die Anordnung der einzelnen Elemente zu verdeutlichen, zeigt Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-B und Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie C-D.

Die einzelnen Elemente sind, wie es in den Fig. 2 bis 4 deutlich erkennbar ist, Hohlräume in dem Plastikteil. In den seitlichen Schnittfiguren sind dabei nur die Hohlräume gezeigt. Die Strukturen können zum Beispiel durch Einpressen metallischer Gegenstücke der Formen gebildet werden und nachträglich mit einer Folie - hier von unten - abgeschlossen werden. Alternativ kann das Kunststoffteil als Spritzgussteil erzeugt werden.

Das Reservoir 1 fasst zum Beispiel ein von Volumen von 100 oder 150 μl, während das Reservoir 3 ein Volumen von 5 μl fasst. Reservoire 1 und 3 sind über einen Kapillarkanal 5 miteinander verbunden.

Das Reservoir 1 ist über zwei weitere Kanäle 7 mit nach oben offenen Be- füllstutzen 17 verbunden. Die Kanäle 7 haben ebenfalls einen derart kleinen Querschnitt, dass Kapillarkräfte auf eine Flüssigkeit darin wirken. Das Reservoir 3 ist über einen Kapillarkanal 11 mit dem Befüllstutzen 19 verbunden.

Die Dimensionen und die Verfahrensführung werden dabei so gewählt, dass die Reynoldszahl der betrachteten Flüssigkeiten im Bereich der laminaren Strömung liegt. Die dazu notwendigen Parameter können in Vorver- suchen festgestellt werden. Typische Viskositäten verwendeter Flüssigkeiten liegen im Bereich von 1 mPa-s bis einige 100 mPa s bei Geschwindigkeiten von 1 mm pro Sekunde bis 1 cm pro Sekunde. Geeignete Systemquerschnitte sind dann im Bereich von einigen 100 μm bei einer Gesamtlänge von einigen cm.

13 bezeichnet einen akustischen Chip. Es handelt sich dabei zum Beispiel um einen piezoelektrischen Festkörperchip, auf dem in an sich bekannter Weise ein Interdigitaltransducer zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen aufgebracht ist.

Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem Interdigitaltransducer auf dem akustischen Chip 13 um einen unidirektional abstrahlenden Transducer, der Oberflächenschallwellen nur in Richtung des Reservoirs 1 erzeugt.

15 bezeichnet einen weiteren akustischen Chip, der ebenfalls in an sich bekannter Weise einen Interdigitaltransducer trägt. Dieser Interdigitaltransducer ist derart ausgestaltet, dass die mit ihm erzeugten Oberflächenschallwellen eine Schallwellenabstrahlung in das Reservoir 1 ermögli- chen. Die Abstrahlung von Schallwellen in ein Flüssigkeitsvolumen, das

durch einen Festkörper von dem Oberflächenschallwellen erzeugenden Interdigitaltransducer entfernt ist, ist in DE 103 25 307 B3 beschrieben. Der akustische Chip 15 kann z. B. auch auf der anderen Seite des Reservoirs 1 vorgesehen sein.

Die akustischen Chips 13, 15 sind über nicht gezeigte elektrische Verbindungen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, mit der eine Wechselspannung einer Frequenz von einigen 10 MHz erzeugt werden kann, um mit den Interdigitaltransducern Oberflächenschallwellen zu er- zeugen.

Eine derartige Vorrichtung wird wie folgt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt. Über den Befüllstutzen 19 und den Kapillarkanal 11 wird das Reservoir 3 mit einer kleinen Menge Flüssigkeit befüllt. Aufgrund von Kapillarkräften tritt diese Flüssigkeit in den Kanal 5 ein. Die Flüssigkeit tritt jedoch nicht in das Reservoir 1 ein, da dort der Querschnitt erheblich größer ist und so die Kapillarkraft abrupt schwächer wird.

Das Reservoir 1 wird mit Hilfe von Druck, z. B. durch eine Pipette mit einer größeren Menge einer anderen Flüssigkeit vollständig befüllt. Dabei ist es unschädlich, wenn in den Befüllkanälen 7 für das Reservoir 1 oder den Befüllstutzen 17 Überstände an Flüssigkeit verbleiben. Diese nehmen an dem später durchzuführenden Mischprozess durch Erzeugung laminarer Strömungsmuster in dem Reservoir 1 aus geometrischen Gründen nicht teil und sind daher für die Festlegung des an dem Mischprozess teilnehmenden Flüssigkeitsvolumens nicht relevant.

Es entsteht automatisch ein Kontakt zwischen der ersten Flüssigkeit, die in dem Kanal 5 steht und der zweiten Flüssigkeit, die das Reservoir 1 auf-

füllt. An dieser fluidischen Verbindung kommt es aufgrund des geringen Querschnittes des Kanales 5 nur zu einer vernachlässigbaren Diffusion zwischen den beiden Flüssigkeiten.

Mit Hilfe des unidirektionalen Transducers auf dem Chip 13, dessen Abstrahlrichtung in Richtung des Reservoirs 1 geht, wird durch den Impulsübertrag der Oberflächenschallwellen auf die Flüssigkeit in dem Kanal 5 eine laminare Strömung erzeugt. Durch Auswahl der Zeitdauer, über die der Interdigitaltransducer betrieben wird, bzw. die Pumpleistung kann die Flüssigkeitsmenge, die laminar über den Kapillarkanal 5 in das Reservoir 1 fließt, genau festgelegt werden. Die Festlegung der notwendigen Zeitdauer bzw. der Pumpleistung kann zum Beispiel anhand von Vorabversuchen festgestellt werden. Die laminare Strömung sorgt also für eine definierte Flüssigkeitszufuhr.

Die Flüssigkeit, die auf diese Weise aus dem Kanal 5 in das Reservoir 1 eindringt, wird durch Flüssigkeit ersetzt, die aus dem Reservoir 3 abgezogen wird.

Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an den Interdigitaltransducer des akustischen Chips 15 unterhalb des Reservoirs 1 führt zu einer Durchmischung der Flüssigkeiten mit Hilfe eines laminaren Strömungsmusters, wie es in Fig. 4 angedeutet ist. Die auf diese Weise erzeugte Einstrahlung von Schallwellen in die Flüssigkeit auf dem Reservoir 1 sorgt für ein im Wesentlichen laminares Strömungsmuster, das zur Durchmischung der Flüssigkeiten führt. Das im Wesentlichen laminare Strömungsmuster garantiert dabei, dass eventuell vorhandene Überstände an Flüssigkeit in den Befüllstrukturen aus geometrischen Gründen an der Durchmischung nicht teilnehmen.

Das Reservoir 1 dient dann als Reaktionskammer, in der eine Reaktion der zwei definierten Flüssigkeitsmengen bzw. ihrer Inhaltsstoffe stattfinden kann.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1 bis 4. Hier ist der Kapillarkanal 6 zwischen dem Reservoir 3 und dem Reservoir 1 nicht geradlinig. Ein akustischer Chip 14 mit einem Interdigital transducer wird eingesetzt, der hier nicht unidirektional abstrahlen muss. Es ist ausreichend, wenn der akustische Chip 14 derart angeordnet ist, dass eine seiner Abstrahlrichtungen in Richtung des Kapillarkanals 6 zeigt. Durch Betrieb des akustischen Chips 14 wird eine Oberflächenschallwelle in der angezeigten Richtung abgestrahlt, deren Impulsübertrag auf die Flüssigkeit in dem Kapillarkanal 6 zu einer laminaren Strömung führt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform, die auf der Oberfläche eines Festkörperchips realisiert werden kann. Hier umfassen des Reservoirs 101 und 103 Oberflächenbereiche, deren Benetzungseigenschaften derart gewählt sind, dass sie von einer Flüssigkeit bevorzugt benetzt werden. Im Falle wässriger Flüssigkeiten sind die Reservoirs 101 , 103 hydrophil im Vergleich zur umgebenden Festkörperoberfläche. Dies wird z. B. durch

Silanisierung der umgebenden Oberfläche erreicht, die zu einer hydrophoben Oberfläche führt.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 werden die Reservoirs 101 und 103 durch eine flächige Verbindungskanalstruktur 105 verbunden, deren Benetzungseigenschaften ebenso gewählt sind. Auf der Oberfläche befindet sich in nicht dargestellter Weise ein Interdigitaltransducer, dessen Abstrahlrichtung entlang des Kanals 105 geht, um laminare Strömung in dem Kanal 105 zu erzeugen. Der Kanal 105 ist derart schmal gewählt, dass Kapillarkräfte auf darauf befindliche Flüssigkeit wirken.

Eine solche Vorrichtung wird wie folgt eingesetzt. Auf das Reservoir 103 wird ein Flüssigkeitstropfen 123 einer ersten Flüssigkeit aufgebracht, der sich aufgrund der beschriebenen Benetzungseigenschaften der Oberfläche nicht nach außen von dem Reservoir 103 wegbewegt und von seiner Oberflächenspannung zusammengehalten wird. Aufgrund von Kapillarkräften bewegt sich diese Flüssigkeit entlang der Kanalstruktur 105. Die abrupt geringer werdenden Kapillarkräfte an der Verbindungsstelle zwischen der Kanalstruktur 105 und der größeren Reservoirfläche 101 stoppt die Bewe- gung der Flüssigkeit an der Verbindungsstelle zwischen der Kanalstruktur 105 und der Reservoirfläche 101. Ein zweiter Flüssigkeitstropfen 121 wird auf die Reservoirfläche 101 aufgebracht. Auch dieser Flüssigkeitstropfen 121 wird durch die gewählten Benetzungseigenschaften der Oberfläche und seine Oberflächenspannung zusammengehalten. Seine Größe wird so ausgewählt, dass die Reservoirfläche 101 vollständig befüllt ist. Durch die Auswahl der Größe der Fläche 101 ist damit das Volumen bestimmt. An der Verbindungsstelle zwischen der Kanalstruktur 105 und der Reservoirfläche 101 kommt es aufgrund des geringen Querschnittes der Kanalstruktur 105 nur zu vernachlässigbarer Diffusion der zwei Flüssigkeiten untereinander. Durch Betrieb des nicht gezeigten Interdigitaltransducers, dessen Abstrahlrichtung entlang der Kanalstruktur 105 geht, wird eine laminare Strömung entlang der Kanalstruktur 105 erzeugt, die ebenso wie bei den dreidimensionalen Ausführungsformen der Fig. 1 bis 5 zum Flüssigkeitstransport entlang der Kanalstruktur 105 führt.

Im Bereich der Reservoirfläche 101 befindet sich ein Interdigitaltransdu- cer, mit dessen Hilfe ein laminares Strömungsmusters zur Durchmischung der Flüssigkeiten erzeugt wird. Der Interdigitaltransducer ist in den Fig. 6 und 7 der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht dargestellt.

Die Funktionsweise der zweidimensionalen Struktur der Fig. 6 und 7 entspricht insofern der Funktionsweise der dreidimensionalen Strukturen der Fig. 1 bis 5.

In der seitlichen Ansicht der Fig. 7 sind der Flüssigkeitstropfen 121 auf der Reservoirfläche 101, der Flüssigkeitstropfen 123 auf der Reservoirfläche 103 und die Flüssigkeitsbrücke 125 entlang der Kanalstruktur 105 erkennbar.

Fig. 8 und 9 zeigen eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 6 und 7. Die Reservoirflächen 101 und 103 sind hier nicht durch eine Kanalstruktur 105 miteinander verbunden. Eine Verbindung der Flüssigkeitsmengen 121 und 123 geschieht hier durch gezieltes Einbringen eines "Brückentropfens" 127 kleinen Volumens, der eine Flüssigkeitsbrücke zwischen den zwei Flüssigkeitsmengen bereitstellt, über die mit Hilfe der wie bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 erzeugten laminaren Strömung in beschriebener Weise ein Flüssigkeitstransport stattfinden kann.

Fig. 10 dient der schematischen Darstellung einer anderen Verfahrensfüh- rung. Reservoirs 201 und 203 sind über zwei Kapillarstrukturen 223, 227 miteinander verbunden. Ein nur schematisch angedeuteter Interdigi- taltransducer 213 hat zumindest eine Abstrahlrichtung entlang der Kanalstruktur 227. Unterhalb des Reservoirs 201 befindet sich eine Oberflä- chenschallwellenerzeugungseinrichtung 215, z. B. ebenfalls ein Interdigi- taltransducer, die ähnlich der bereits beschriebenen Oberflächenschall- wellenerzeugungseinrichtung 15 eine Schallwelle in die Flüssigkeit im darüber liegenden Reservoir abstrahlen kann.

In das Reservoir 203 wird eine erste Flüssigkeit eingebracht. Die Flüssig- keit tritt in die Kapillaren 223, 227 aufgrund der Kapillarkraft ein. Eine

zweite Flüssigkeit wird in das Reservoir 201 zu dessen vollständiger Befüllung eingebracht. Der Betrieb des Interdigitaltransducers 213 erzeugt eine Oberflächenschallwelle zumindest in der angezeigten Richtung. Durch den Impulsübertrag der Oberflächenschallwelle auf die Flüssigkeit in dem Ka- nal 227 wird dort eine laminare Strömung erzeugt.

Die Flüssigkeit aus dem Kanal 227 tritt in das Reservoir 201 ein und wird aus dem Reservoir 203 nachgeliefert. Dabei bewegen sich die Flüssigkeitsgrenzen 229, 231 entsprechend. Da es sich um eine laminare und nicht um eine turbulente Strömung handelt, findet außer der Diffusion an den Flüssigkeitsgrenzen 229, 231 keine Durchmischung statt. Es entsteht ein Zustand wie er in Fig. 10b gezeigt ist.

Durch Auswahl der Zeitdauer und der Pumpleistung, während der der In- terdigitaltransducer 213 zur Erzeugung der Oberflächenschallwelle verwendet wird, kann der jeweilige Anteil der Flüssigkeiten im Reservoir 201 bestimmt werden. Durch Betrieb des Interdigitaltransducers 215 wird eine Oberflächenschallwelle erzeugt, die zur Abstrahlung einer Schallwelle in die Flüssigkeit in dem Reservoir 201 führt und dort entsprechende Strö- mungsmuster zur Durchmischung der beiden Flüssigkeiten bewirkt. Es entsteht eine Mischung 233, wie in Fig. 10c angedeutet.

Auch die Ausführungsform der Fig. 10 mit mehreren Verbindungskanalstrukturen zwischen den Reservoirs kann sowohl zweidimensional mit entsprechenden Benetzungsstrukturen als auch dreidimensional mit entsprechenden Vertiefungen oder Hohlräumen ausgeführt sein.

Bei allen beschriebenen Ausführungsformen können Gesamtvolumina von bis zu 1 ml bei Einzelvolumina von z. B. nur 100 nl behandelt werden. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu. So beträgt das Verhältnis der VoIu-

mina der Kanalstrukturen zum Volumen der Reservoirs z. B. zwischen 1/ 10 bis 1/ 100.

Wird eine entsprechende Anzahl von Reservoirs und Verbindungskanal- strukturen vorgesehen, können mehrere Flüssigkeiten gleichzeitig oder sukzessive zudosiert und gemischt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglichen eine genaue Zudosierung einer Flüssigkeitsmenge zu einem durch das Volumen des zweiten Reservoirs definierten Flüssigkeitsmenge zum Beispiel durch Auswahl der Zeit, in der eine laminare Strömung entlang der Verbindungskanalstruktur der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugt wird. Das Verfahren ist einfach durchführbar und die Vorrichtung kann klein, kompakt und ggf. als Einwegteil ausgeführt werden.

Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen können in einem Automat betrieben werden. Ein solcher Automat weist z. B. eine Aufnahme für eine erfindungsgemäße Vorrichtung auf, die elektrischen Kontakt zu den Inter- digitaltransducern herstellt. Automatisch zu betreibende Pipetierköpfe und/oder Dispenser sind vorgesehen, die derart angeordnet sind, dass sie bei in der Aufnahme eingelegter Vorrichtung oberhalb der Reservoirs bzw. der Befüllstrukturen angeordnet sind. Schließlich ist eine Steuerung, vorzugsweise mit einer Mikroprozessoreinheit vorgesehen, die zur zeitlichen Ansteuerung der Pipetierköpfe / Dispenser und der Interdigitaltransducer dient um ein gewünschtes Dosier- und Mischprotokoll abzuarbeiten. In den Automaten können auch die Auswerteinstrumente, wie z. B. optische Messgeräte etc. integriert sein, um die ggf. durch den Mischprozess ausgelöste Reaktion zu detektieren.

Bezugszeichenliste

1 Reservoir, Reaktionskammer 3 Reservoir

5, 6 Verbindungskapillarstruktur

7, 11 Befüllkanäle

13, 14, 15 akustischer Chip

17, 19 Befüllstutzen

101 Reservoirfläche, Reaktionskammer

103 Reservoirfläche

105 flächige Verbindungskanalstruktur

121, 123 Flüssigkeitstropfen

125 Flüssigkeitsbrücke

127 Brückentropfen

201 Reservoir, Reaktionskammer

203 Reservoir

213, 215 Interdigital transducer

223, 227 Verbindungskanalstrukturen

229, 231 Flüssigkeitsgrenzen

233 Flüssigkeitsmischung