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:
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
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.