DE102005000834B4

DE102005000834B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Dosierung und Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen

Info

Publication number: DE102005000834B4
Application number: DE102005000834A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Gauer
Original assignee: Advalytix AG
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-01-06
Also published as: DE102005000834A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum integrierten Dosieren und Durchmischen kleiner Flüssigkeitsmengen mit einem Volumen von bis zu 1 ml, bei dem wenigstens ein Dosierreservoir mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur mit einem Reaktionsreservoir in Verbindung steht, wobei die wenigstens eine Verbindungsstruktur derart ausgestaltet ist, dass der Eintritt der ersten Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir zunächst verhindert wird, und das Reaktionsreservoir mit einer zweiten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, so dass die zweite Flüssigkeit an der Verbindungsstruktur mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt. In der Flüssigkeit zumindest in bzw. auf dem Reaktionsreservoir wird ein Strömungsmuster zur Durchmischung der Flüssigkeiten erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung und einen Apparat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung und Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen, eine Vorrichtung und einen Apparat zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung.
Diagnostische 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 instrumentellen Aufwand durchzuführen. Dabei wäre es wünschenswert, wenn die in jüngster Zeit vorgestellte "Lab-on-a-Chip"-Technologie eingesetzt werden könnte, bei der die Prozessierung von Flüssigkeiten auf bzw. in einem Chip integriert durch geführt werden kann. Assayzeiten von weniger als einer Stunde sind wünschenswert.

Zur Bewegung der Flüssigkeiten werden dabei zum Beispiel mikrofluidische Systeme verwendet, in denen Flüssigkeit durch elektro-osmotische Potentiale bewegt wird, siehe zum Beispiel Anne Y. Fu, et al. "A micro fabricated fluorescence-activated cell sorter", Nature Biotechnology, Vol. 17, November 1999, S. 1109 – 1111

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 Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche beschreibt DE 101 42 789 C1 . Hier wird mit Hilfe von Oberflächenschallwellen eine Flüssigkeit durchmischt oder mehrere Flüssigkeiten miteinander vermischt.

Gemäß einem in DE 100 55 318 A1 beschriebenen Verfahren wird eine Flüssigkeitsmenge auf einen Bereich einer im wesentlichen planaren Oberfläche 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 A1 beschrieben ist. Hier erfolgt die Definition der Volumina durch hydrophile und hydrophobe Bereiche über den Benetzungswinkel auf einer im Wesentlichen 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 (Burns et al., An integrated nanoliter DNA analysis device, Science, Vol. 282, 1998, s. 448 – 487). Durch diese Art der Volumendefinition entstehen hohe Kosten durch die notwendige Benetzungsstrukturierung 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 Kanalquerschnitt 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 unter anderem 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 mehrere Lösungen sein, die sich nur 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 Flüssigkeitsmengen in einem großen dynamischen Bereich einfach durchführbar ist und die eine vollständige Durchmischung der Flüssigkeiten ermöglichen. Das Verfahren soll in einem kompakten Lab-on-the-chip-System durchführbar sein.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 17 oder einem Apparat mit den Merkmalen des Anspruches 35 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet. Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 41.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur integrierten Dosierung und Durchmischung wird ein Dosierreservoir mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur mit einem Reaktionsreservoir in Verbindung steht, wobei die Verbindungsstruktur vorzugsweise derart im Verhältnis zu den Reservoirs dimensioniert ist, dass die Oberflächenspannung der ersten Flüssigkeit einen Eintritt in das Reaktionsreservoir verhindert. Insbesondere kann dazu der Querschnitt der Verbindungsstruktur kleiner gewählt sein als der Querschnitt des Reaktionsreservoirs. Das Reaktionsreservoir wird mit einer zweiten Flüssigkeit vollständig befüllt, so dass die zweite Flüssigkeit an der Verbindungsstruktur mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt. Schließlich wird in der Flüssigkeit in bzw. auf dem Reaktionsreservoir ein Strömungsmuster erzeugt, das zur Durchmischung der Flüssigkeiten führt, wobei das Strömungsmuster bis zur vollständigen Homogenisierung der Flüssigkeiten aufrecht erhalten wird. Vorzugsweise wird ein laminares Strömungsmuster erzeugt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Menge der zu dosierenden ersten Flüssigkeit in dem Dosierreservoir festgelegt. Die erste Flüssigkeit wird am Eintritt in das Reaktionsreservoir gehindert. Bei einer bevorzugten Verfahrensführung verhindert die Oberflächenspannung, dass die Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir eintritt. Erst wenn die erste Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit in Kontakt kommt, die in bzw. auf das Reaktionsreservoir gebracht wurde, kann ein Flüssigkeitsaustausch stattfinden. Dabei ist aufgrund des kleineren Querschnitts der Verbindungskanalstruktur der Flüssigkeitsaustausch aufgrund von Diffusion vernachlässigbar. Erst durch Erzeugung eines entsprechenden Strömungsmusters in dem Reaktionsreservoir wird eine effektive Durchmischung bewirkt. Die Menge der zweiten Flüssigkeit ist durch die Größe des Reaktionsreservoirs bestimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Dosierung und Durchmischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich, also mit sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen präzise durchgeführt werden. Das Mischungsverhältnis zwischen Reagenzien und Probenflüssigkeit kann zum Beispiel zwischen 1:100 bis zu 100:1 eingestellt werden.

Das Strömungsmuster kann durch Einstrahlung von Schallwellen in die Flüssigkeit auf bzw. in dem zweiten Reservoir erzeugt werden.

Zur Erzeugung von Schallwellen können Oberflächenschallwellen eingesetzt werden, die in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Interdigitaltransducers auf einem piezoelektrischen Chip erzeugt werden können, der an der Vorrichtung angebracht ist. Es wird dabei entweder der Impulsübertrag der Oberflächenschallwellen direkt oder mit Hilfe der Oberflächenschallwelle erzeugte Schallwellen eingesetzt. Der Begriff Oberflächenschallwellen umfasst im vorliegenden Text auch Grenzflächenschallwellen an den Grenzflächen zwischen zwei Festkörpern.

Die Reservoirs und die Verbindungsstrukturen können dreidimensional oder zweidimensional ausgestaltet sein. So können die Reservoirs und Verbindungsstrukturen 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 Verbindungsstrukturen durch entsprechend geformte Bereiche einer Oberfläche gebildet, die von den Flüssigkeiten bevorzugter benetzt werden als die umgebenden Bereiche der Oberfläche. Für wässrige Lösungen werden für die Reservoirs und Verbindungsstrukturen Oberflächen gewählt, die im Vergleich zu ihrer Umgebung hydrophil sind. Solche benetzungsmodulierten Oberflächen sind zum Beispiel in DE 100 55 318 A1 beschrieben. Die Flüssigkeiten werden dabei auf den bevorzugt benetzten Bereichen durch ihre Oberflächenspannung als Tropfen zusammengehalten.

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 zum Beispiel auch für die Bewegung von Flüssigkeit auf einer zweidimensionalen Verbindungsstruktur der Begriff "Bewegung durch die Verbindungsstruktur" verwendet etc. Das "Volumen" oder die Größe eines "Querschnitts" bedeutet bei zweidimensionalen Realisierungen in analoger Weise zum Beispiel die Fläche bzw. die Breite.

Bei der Verbindungsstruktur kann es sich um eine entsprechend dimensionierte Öffnung zwischen dem Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir handeln. Eine besonders präzise Verfahrensführung nutzt die Kapillarkraft in einer Verbindungskapillarstruktur aus, die von der ersten Flüssigkeit benetzt wird und durch die Kapillarkräfte aus dem Dosierreservoir befüllt wird. Am Eintrittspunkt der Verbindungskapillarstruktur in das Reaktionsreservoir nehmen aufgrund des vergrößerten Querschnittes die Kapillarkräfte schlagartig ab, so dass ein Austreten der ersten Flüssigkeit aus der Verbindungskapillarstruktur in das Reaktionsreservoir verhindert wird. Erst wenn die zweite Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir eingebracht wird bzw. auf die Reservoirfläche aufgebracht wird, tritt die zweite Flüssigkeit mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung, so dass eine Durchmischung eintreten kann.

Bei einer dreidimensionalen Dosiervorrichtung werden bei einer Ausgestaltung des Dosierverfahrens die Reservoirs durch Befüllöffnungen befüllt, die sich vorzugsweise im oberen Abschluss des Reservoirs befinden.

Das Dosierreservoir kann durch ein entsprechend dimensioniertes Volumen gebildet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Dosierreservoir eine Reservoirkapillarstruktur eingesetzt, die entlang ihrer Ausdehnung zumindest zwei Öffnungen aufweist. Durch eine Öffnung kann die Kapillarstruktur befüllt werden. Flüssigkeit tritt durch die erste Öffnung ein und bewegt sich durch die Kapillarkraft getrieben bis zur zweiten Öffnung. Die Reservoirkapillarstruktur wird dabei derart als Kapillarstruktur ausgewählt, dass die Flüssigkeitsfront der sich bewegenden Flüssigkeit den ganzen Querschnitt der Kapillarstruktur einnimmt. Außer der Befüllöffnung und der zweiten Öffnung sind keine weiteren Öffnungen in dem System geöffnet. An der zweiten Öffnung stoppt die Flüssigkeit ihre Bewegung. Da keine weiteren Entlüftungsöffnungen vorgesehen sind, baut sich jenseits der zweiten Öffnung ein Gegendruck auf, der eine weitere Flüssigkeitsbewegung verhindert. Außerdem nimmt die Kapillarkraft an der zweiten Öffnung schlagartig ab. Eine weitere Befüllung über die zweite Öffnung hinaus ist daher bis zu einem gewissen Schwellwert des Befülldruckes nicht möglich. Auf diese Weise ist durch die Strecke zwischen den zwei Öffnungen ein genaues Volumen in der Reservoirkapillarstruktur definiert, um eine genaue Dosierung zu ermöglichen. Bei einer Abwandlung werden zwei symmetrisch zur Befüllöffnung angeordnete zweite Öffnungen verwendet. Das Flüssigkeitsvolumen der in einer solchen Reservoirkapillarstruktur dosierten Flüssigkeit entspricht dann dem Abstand dieser zwei zweiten Öffnungen.

Eine Weiterbildung verwendet eine Reservoirkapillarstruktur mit mehreren derartigen auswählbaren Öffnungen, die je nach gewünschtem Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit geöffnet werden. Werden von der als Befüllöffnung verwendeten Öffnung weiter entfernte Öffnungen geöffnet, so kann die Flüssigkeit bis zu diesen Öffnungen eintreten und ein größeres Volumen einnehmen.

Das Dosierreservoir entspricht bei dieser Verfahrensführung dem mit erster Flüssigkeit gefüllten Volumen der Reservoirkapillarstruktur. Der verbleibende Teil der Reservoirkapillarstruktur ist Teil des Reaktionsreservoirs.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt mehrere vorzugsweise unterschiedlich große Dosierreservoirs ein, die über Verbindungsstrukturen mit dem Reaktionsreservoir in Verbindung stehen. Außerdem stehen die Dosierreservoirs mit einer Befüllöffnung in Verbindung. Die Verbindungsstrukturen zwischen den einzelnen Dosierreservoirs und dem Reaktionsreservoir können bei einer Ausgestaltung zunächst verschlossen sein und zur Auswahl des gewünschten Dosierreservoirs geöffnet werden. Bei einer anderen Ausgestaltung wird das gewünschte Dosierreservoir mit dem gewünschten Volumen dadurch ausgewählt, dass die übrigen Verbindungsstrukturen zu den anderen Dosierreservoirs verschlossen werden.

Bei einer Abwandlung dieser Verfahrensführung werden erst alle Dosierreservoirs gefüllt und dann die Verbindungsstruktur des gewünschten Dosierreservoirs geöffnet. Dabei werden gegebenenfalls einzelne Dosierreservoirs durch andere Dosierreservoirs hindurch befüllt. Eine solche Verfahrensführung ermöglicht das Befüllen auch einer größeren Anzahl von Dosierreservoirs durch nur eine Befüllöffnung und damit nur einer Stel lung einer Fülleinrichtung, z. B. einer Pipettenspitze. Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, dass die entsprechende Fülleinrichtung nicht bewegt werden muss und somit der apparative Aufwand gering ist. Erst nach vollständiger Befüllung aller Dosierreservoirs wird das ausgewählte Dosierreservoir mit dem Reaktionsreservoir durch Öffnen der entsprechenden Verbindungsstruktur verbunden.

Sowohl das Öffnen als auch das Verschließen können bei geeigneter Auswahl des Materials der verwendeten Dosiervorrichtung durch einen Schmelzprozess bewirkt werden. So eignet sich zum Beispiel ein Kunststoffteil als Dosiereinrichtung. Entweder sind die Verbindungsstrukturen zunächst verschlossen, wobei vor dem Einsatz die gewünschten Verbindungsstrukturen aufgeschmolzen werden, um eine Verbindung herzustellen. Bei einer anderen Verfahrensführung werden Dosiervorrichtungen eingesetzt, bei denen die Verbindungsstrukturen zunächst offen sind und die nicht benötigten Verbindungsstrukturen vor der Anwendung durch einen Schmelzprozess geschlossen werden.

Bei einer anderen Verfahrensführung speziell für zweidimensionale Ausgestaltung 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 kleineres Volumen sowohl als die erste als auch die zweite Flüssigkeitsmenge.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der zwischen einem Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir mehr als eine Verbindungsstruktur vorliegt. Hier kann der Flüssigkeitsaustausch – zum Beispiel durch Schallwellen getrieben – in einem Kreislauf stattfinden, bis eine vollständige Homogenisierung der Flüssigkeiten eingetreten ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Zudosieren von einer Flüssigkeitsmenge zu einer zweiten Flüssigkeitsmenge beschränkt. Mit einer entsprechenden Anzahl von Dosierreservoirs und Verbindungsstrukturen, die diese Dosierreservoirs mit dem Reaktionsreservoir verbinden, können mehrere Flüssigkeitsmengen gleichzeitig oder sukzessive zur Zudosierung zu der Flüssigkeit im Reaktionsreservoir vorgesehen sein.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, weist wenigstens ein Dosierreservoir für eine erste Flüssigkeitsmenge auf. Weiterhin ist ein Reaktionsreservoir für eine zweite Flüssigkeitsmenge und wenigstens eine Verbindungsstruktur zwischen den beiden Reservoirs vorgesehen. Die Verbindungsstruktur ist vorzugsweise derart im Verhältnis zu den Reservoirs dimensioniert, dass die erste Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung nicht in das Reaktionsreservoir eintreten kann. Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung vorzugsweise eines laminaren Strömungsmusters zur Durchmischung von Flüssigkeit im Reaktionsreservoir auf.

Zur Erzeugung des Strömungsmusters weist eine bevorzugte Ausführungsform wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zur Einstrahlung von Schallwellen in das Reaktionsreservoir auf. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung durch eine Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtung gebildet, insbesondere durch einen Interdigitaltransducer auf einem piezoelektrischen Chip.

Die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur können als Vertiefungen oder Hohlräume in einem Festkörper ausgebildet sein. Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich tung werden die Reservoirs und Verbindungsstrukturen durch entsprechend 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 A1 beschrieben.

Eine dreidimensionale Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung kann zum Beispiel Vertiefungen in einem Festkörper umfassen, die durch einen Deckel abgeschlossen sind, um die Reservoirs bzw. Verbindungsstruktur zu bilden. Der Deckel kann auf einfache Weise aus einer Folie hergestellt werden, vorzugsweise aus Kunststoff.

Ein erfindungsgemäßer Apparat, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann, umfasst eine Aufnahme für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Bei eingelegter Vorrichtung ist die wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Strömungsmusters elektrisch kontaktiert. Der erfindungsgemäße Apparat weist weiterhin ansteuerbare Fülleinrichtungen, z. B. Pipetten oder Dispenser auf, die bei in der Aufnahme eingelegter Vorrichtung oberhalb der Befüllstrukturen angeordnet sind. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Genauigkeitsanforderungen an die Fülleinrichtungen nicht sehr hoch, da die Dosierung erst innerhalb der Vorrichtung selbst geschieht. Schließlich weist der Apparat eine Steuerung zur Steuerung des zeitlichen Ablaufes eines Protokolls auf, die die Ansteuerung der Einrichtung zur Erzeugung des Strömungsmusters und der Fülleinrichtungen vornimmt. Bevorzugte Ausführungsformen umfassen Öffnungseinrichtungen zum Öffnen einzelner Befüllstrukturen, Entlüftungsöffnungen oder Barrierenstrukturen oder Einrichtungen zum Verschließen einzelner Barrierenstrukturen.

Der erfindungsgemäße Apparat kann bei entsprechender Ausrüstung auch andere Funktionen erfüllen, wenn z. B. eine Heizvorrichtung zur Temperierung vorgesehen ist. Schließlich kann auch die z. B. elektrische oder optische Auswertung mit integriert sein.

Mit einem erfindungsgemäßen Apparat kann das erfindungsgemäße Verfahren einfach und automatisiert durchgeführt werden. Dabei können als erfindungsgemäße Vorrichtungen zur integrierten Dosierung und Durchmischung problemlos Einwegteile eingesetzt werden.

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

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

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:
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung in geöffnetem Zustand,
2 einen Querschnitt in Blickrichtung II durch die Ausführungsform der 1,
3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung, und
4 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung.
1 zeigt ein Kunststoffteil 5 mit Kammern 1, 3. Das Kunststoffteil 5 kann beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Abdeckung der Kammer wird durch eine dünne auflaminierte Kunststofffolie 2 bewirkt, die in 2 sichtbar ist und in 1 nicht dargestellt ist, um das Innenleben des Kunststoffteiles 5 zu verdeutlichen. Die Verbindung zwischen den Kammern 1 und 3 erfolgt über zwei Engstellen 11. Bezugszeichen 13 bezeichnet die Wand zwischen den Kammern 1 und 3.
In 1 sind die Lagen der Befüllöffnungen 7 und 9 angedeutet, die in der Kunststofffolie 2 vorgesehen sind, die allerdings in 1 nicht dargestellt ist.
Unterhalb der Kammer 1, die im folgenden auch als Reaktionskammer bezeichnet wird, befindet sich ein akustischer Chip 15, bei dem es sich zum Beispiel um einen piezoelektrischen Festkörperchip handeln kann, auf dem in an sich bekannter Weise ein Interdigitaltransducer zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen aufgebracht ist. Der Interdigitaltransducer ist derart ausgestaltet, dass die mit ihm erzeugten Oberflächenschallwellen eine Schallwellenabstrahlung in die Reaktionskammer 1 ermöglichen. Die Abstrahlung von Schallwellen in ein Flüssigkeitsvolumen, das durch einen Festkörper von dem Oberflächenschallwellen erzeugen den Interdigitaltransducer getrennt ist, ist in DE 103 25 307 B3 beschrieben. In analoger Weise kann der akustische Chip 15 auch auf der Folie 2 oder in einem Seitenbereich vorgesehen sein.
Der akustische Chip 15 ist über nicht gezeigte elektrische Verbindungen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, mit der eine Wechselspannung einer Frequenz von einigen 10 MHz erzeugt werden kann, um mit dem Interdigitaltransducer Oberflächenschallwellen zu erzeugen, die zur Abstrahlung von Schallwellen in die Reaktionskammer 1 führen.
Die Lage des akustischen Chips 15 ist in 1 angedeutet, obwohl der Chip in dieser Ansicht an sich nicht sichtbar wäre, da er bei der gezeigten Ausführungsform an der Unterseite der Vorrichtung angebracht ist. In der Skizze der 1 ist der akustische Chip in Form von parallelen Linien gezeichnet, die nur schematisch die Ausrichtung der einzelnen Fingerelektroden des Interdigitaltransducers auf dem piezoelektrischen Chip 15 andeuten sollen. Die Abstrahlrichtung der Oberflächenschallwellen eines derart ausgerichteten Interdigitaltransducers ist senkrecht zur Ausrichtung der Fingerelektroden.
Die notwendige Größe der als Reaktionsreservoir dienenden Kammer 1 hängt von der Frequenz der verwendeten Schallwellen ab. Die kleinste Ausdehnung sollte dabei sehr viel größer als die Wellenlänge des verwendeten Schalles sein. Schließlich sollte die Ausdehnung der Reaktionskammer 1 in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen etwa eine Größenordnung größer sein als die Ausdehnung der Engstellen 11. Die kleinste Ausdehnung der Reservoirs beträgt zum Beispiel 1 mm bis 10 mm bei einer Schallwellenlänge von zum Beispiel 100 μm. Die Gesamtlänge des Kanalsystems beträgt einige Zentimeter. Die Befüllöffnungen 7, 9 sind mindestens eine Größenordnung kleiner als die Reaktionskammer 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dieser Ausführungsform wird wie folgt eingesetzt. Das Reaktionsreservoir umfasst zum Beispiel 100 μl oder 150 μl, während das Dosierreservoir 5 μl fasst. Solche Flüssigkeitsvolumina sind insbesondere für viele diagnostische Anwendungen charakteristisch. Zunächst wird das Dosierreservoir 3 durch das Befüllloch 7 mit einer ersten Flüssigkeit befüllt, was zum Beispiel durch Kapillarkraft erfolgen kann. Die Flüssigkeit wird an den Engstellen 11 stehen bleiben, da hier die Kapillarkraft wegen des größeren Durchmessers des Reservoirs 1 abrupt geringer wird. Anschließend wird das Reservoir 1 durch die Befülllöcher 9 mit einer zweiten Flüssigkeit befüllt. Ein möglicher Überstand von Flüssigkeit auf den jeweiligen Befülllöchern 7, 9 ist dabei unkritisch. Die Flüssigkeit dieses Überstandes nimmt aus geometrischen Gründen an dem folgenden Durchmischungsprozess nicht teil, insbesondere, wenn der folgende Mischprozess durch ein laminares Strömungsmuster bewirkt wird. Auf diese Weise sind nun die Volumina der beiden Flüssigkeiten geometrisch definiert worden, ohne dass große Präzision der verwendeten Befülleinrichtungen, zum Beispiel Pipetten, notwendig wäre. An den Engstellen 11 sind die Flüssigkeiten in Kontakt. Diffusion findet aufgrund des engen Querschnittes der Engstellen 11 nur in vernachlässigbarem Ausmaß statt. Eine homogene Durchmischung der gesamten Flüssigkeitsmengen wird mit Hilfe des akustischen Chips 15 erreicht. Durch Anlegen einer Wechselspannung an den akustischen Chip wird akustische Energie in die definierten Volumina der Flüssigkeiten abgestrahlt und ein laminares Strömungsmuster erzeugt. Die Flüssigkeiten bzw. deren Inhaltsstoffe werden durchmischt und ggf. zur Reaktion gebracht. Das Ergebnis dieser Reaktion lässt sich zum Beispiel optisch oder elektrisch auslesen. Dabei ist es von Vorteil, dass die Befülllöcher 7, 9 nicht verschlossen werden müssen.
Die Dosierung und Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgt also in einer kostengünstigen gegebenenfalls als Einwegkartusche ausgestalteten Vorrichtung 5. Das Dosieren ist zudem sehr einfach. Sogar wenn es zu einem Überstand auf den Befülllöchern kommt, wird dieser aus geometrischen Gründen und/oder auf Grund des verwendeten laminaren Strömungsmusters an der Mischreaktion nicht teilnehmen.
3 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung. Gezeigt ist hier der Ausschnitt aus einem Kunststoffkörper 105, der die Dosiervorrichtung enthält, die ebenfalls Vertiefungen in der Kunststoffstruktur 105 umfasst. Sichtbar ist das Reaktionsreservoir 101 mit Befülllöchern 109. 103 zeigt eine Kapillarstruktur mit mehreren Öffnungen, wobei die Öffnung 107 als Befüllöffnung dient. Die Kapillarstruktur 103 stellt eine Dosierkapillarstruktur dar, die über Verbindungskapillarstrukturen 111 mit dem Reaktionsreservoir 101 in Verbindung steht. Die gesamte Struktur ist ebenfalls mit einer Kunststofffolie abgeschlossen. Auch bei dieser Ausführungsform sind die in der geöffneten Darstellung an sich nicht sichtbaren Öffnungen 107, 109, 121 und 122 angedeutet, um deren relative Lage darzustellen. Ebenfalls in seiner Lage angedeutet ist der unterhalb der Vorrichtung angeordnete und dementsprechend in der Darstellung eigentlich nicht sichtbare akustische Chip 115 mit einem Interdigitaltransducer. Der akustische Chip 115 entspricht dem mit Bezug zu den 1 und 2 beschriebenen Chip 15.
Mit einer solchen Dosiervorrichtung lassen sich unterschiedliche Mischungsverhältnisse einstellen. Die Befüllung erfolgt über das Befüllloch 107, das offen ist. Alle anderen Löcher 109, 121, 122 sind zunächst verschlossen. Das Volumen der ersten Flüssigkeit, das eingefüllt wird, lässt sich nun durch selektives Öffnen der Löcher 121, 122 einstellen. Werden z. B. nur ein Loch 121 in direkter Nachbarschaft der Befüllöffnung 107 und das dazu symmetrisch auf der anderen Seite angeordnete Loch 121 geöffnet, so lässt sich ein Flüssigkeitsvolumen einer Länge definieren, die dem Abstand zwischen den zwei geöffneten Öffnungen 121 entspricht.
Die Kapillarstruktur 103 bewirkt dabei, dass die Front der Flüssigkeit den gesamten Querschnitt der Kapillarstruktur 103 ausfüllt. Sind keine weiteren Entlüftungslöcher geöffnet, baut sich ein Gegendruck auf, der zum Anhalten der Flüssigkeit führt. Eine Bewegung über die geöffneten Löcher 121 hinaus ist daher nicht möglich. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass durch die geöffnete Öffnung 121 die die Bewegung bewirkende Kapillarkraft geringer wird.
Werden die beiden äußeren Öffnungen 122 geöffnet, ergibt sich ein entsprechend größeres Volumen.
In beiden Fällen kann das Restvolumen in Kanal 103 und den Verbindungskapillarstrukturen 111 durch Befüllung über das Reaktionsreservoir 101 durch die dann zu öffnenden Öffnungen 109 gefüllt werden. Das Restvolumen des Kanals 103 zählt dann zum Reaktionsreservoir.
Die charakteristischen Maße einer Ausführungsform gemäß der 3 entsprechen den charakteristischen Maßen der Ausführungsform der 1 und 2.
Mit einer solchen Ausführungsform ist also die Einstellung unterschiedlicher Mischungsverhältnisse auf einfache Weise möglich. Je nachdem, wie viel der ersten Flüssigkeit der zweiten Flüssigkeit zudosiert werden soll, werden die entsprechenden Öffnungen 121, 122 geöffnet. Dies kann zum Beispiel durch einfaches Durchstechen der Kunststofffolie an entspre chend markierten Orten geschehen. Die weitere Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der 1 und 2.
4 zeigt eine andere Ausführungsform. Hier sind mehrere Dosierreservoirs 203, 223 vorgesehen, die über Verbindungskapillarstrukturen 211, 212 mit dem Reaktionsreservoir 201 in Verbindung stehen. Die Dosierreservoirs 203, 223 haben unterschiedlich große Volumina und stehen über eine Verbindungskanalstruktur 216 in Verbindung. In der Verbindungskanalstruktur 216 befindet sich die Befüllöffnung 207. Die Dosierreservoirs 203, 223 weisen Entlüftungsöffnungen 221 auf. Der Verbindungskanal 216 ist bei der gezeigten Ausführungsform über eine Verbindungskapillarstruktur 210 ebenfalls mit dem Reaktionsreservoir 201 verbunden. Die Struktur 210 umfasst auch ein Entlüftungsloch 221. Schließlich sind in dem Reaktionsreservoir 201 Befüllöffnungen 209 vorgesehen.
217, 218, 219, 220 und 224 stellen schematisch Barrierenstrukturen dar. Die gesamte Dosiervorrichtung der 4 ist in einem Kunststoffteil vorgesehen, das durch eine Folie mit Öffnungen 207, 209, 221 abgeschlossen ist. Es kann sich bei der Dosiervorrichtung der 4 ebenfalls um ein Einwegteil handeln, das ab Werk vorgefertigt ist. Dabei werden bei der gezeigten Ausführungsform die Barrierenstrukturen 217, 218, 219, 220, 224 zunächst verschlossen ausgeführt.
Auch bei der Darstellung der 4 sind die in der geöffneten Darstellung an sich nicht sichtbaren Befüllöffnungen 207, 209 bzw. die Entlüftungsöffnungen 221 in ihrer Lage angedeutet. Außerdem befindet sich unter der Anordnung der 4 ein akustischer Chip 215, der dem bereits beschriebenen akustischen Chip 15, 115 entspricht. Auch der akustische Chip 215 ist in 4 angedeutet, obwohl er in dieser Darstellung an sich nicht sichtbar ist, da er sich unterhalb der Anordnung befindet.
Auch bei der Ausführungsform der 4 entsprechen die charakteristischen Maße den charakteristischen Maßen der Ausführungsform der 1 und 2.
Zum Einsatz der Ausführungsform wird bei einer Verfahrensführung zunächst entschieden, welches der Dosierreservoirs 203, 223 mit Flüssigkeit befüllt werden soll, um ein entsprechendes Volumen an Flüssigkeit zu definieren. Zur Erläuterung wird in der vorliegenden Beschreibung das Dosierreservoir 223 ausgewählt. Nachdem die Auswahl erfolgt ist, werden die entsprechenden Barrieren 217, 219, die an das Dosierreservoir 223 angrenzen, zum Beispiel durch einen Heizer oder mit Laserenergie aufgeschmolzen. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe eines Automaten geschehen, der die Dosiervorrichtung prozessiert.
Das entsprechend ausgewählte Dosierreservoir 223 kann dann über die Befüllöffnung 207 befüllt werden und zur Dosierung eingesetzt werden. Dabei wird die Dosierung ähnlich wie zum Beispiel bei der Ausführungsform der 1 und 2 beschrieben durchgeführt. Insbesondere sind die Dimensionen der Strukturen so gewählt, dass eine Befüllung des Dosierreservoirs durch die Wirkung der Kapillarkraft erfolgen kann. Alternativ kann eine Befüllung mit Druck erfolgen. Die Entlüftungsöffnung 221 ist dabei so angeordnet, dass eine vollständige Befüllung des Reservoirs möglich ist.
Aufgrund der an der Eintrittsstelle der Verbindungskapillarstruktur 211 in das Reaktionsreservoir 201 abrupt geringer werdenden Kapillarwirkung tritt die Flüssigkeit nicht in das Reaktionsreservoir 201 ein. Erst bei Befüllung des Reaktionsreservoirs 201 durch die Befüllöffnungen 209 kommt Flüssigkeit aus dem Reaktionsreservoir 201 mit Flüssigkeit in der Verbin dungskapillarstruktur 211 in Verbindung. Die weitere Funktionsweise entspricht wiederum der Ausführungsform der 1 und 2.
Wird das Reservoir 203 ausgewählt, wird analog unter Verwendung der entsprechenden Barrierenstrukturen 218, 220 und der Verbindungskapillarstruktur 212 verfahren.
Eine andere Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst ab Werk keine Barrierenstrukturen 217, 219. Vor der Anwendung wird zunächst wiederum entschieden, welches der Dosierreservoirs 203, 223 verwendet werden soll. Wird z. B. das Dosierreservoir 223 ausgewählt, wird das andere Dosierreservoir 203 mit Hilfe eines Automaten abgekoppelt, der an den Stellen der Barrieren 218, 220, die dem nicht zu verwendenden Dosierreservoir 203 benachbart sind, durch Applikation von Heizenergie oder Laserenergie die entsprechende Verbindungskanalstrukturen zuschmilzt.
Auch bei den Ausführungsformen gemäß der 4 können die einzelnen Dosierreservoirs 203, 223 jeweils über mehrere Verbindungskapillarstrukturen 211, 212 mit dem Reaktionsreservoir 201 verbunden sein, die bei Auswahl des entsprechenden Dosierreservoirs geöffnet sind.
Zusätzlich zu den Verbindungsstrukturen 211, 212 mit den Barrierenstrukturen 219, 220 kann eine weitere Verbindungskapillarstruktur 210 vorgesehen sein, die den Verbindungskanal 216 mit dem Reaktionsreservoir 201 verbindet. Auch diese Verbindungskapillarstruktur 210 umfasst eine Entlüftungsöffnung 221 und optional eine Barrierenstruktur 224. Der zusätzliche Kanal 210 kann zur Ausbildung eines Kreislaufes dienen, der eine effektive Durchmischung fördert. Nachdem eines der Dosierreservoirs 203, 223 ausgewählt worden ist, wird es befüllt. Zum Zwecke der Beschreibung sei dies wiederum das Dosierreservoir 223. Zunächst wird eine Ausgestaltung beschrieben, bei der die Barrierenstrukturen 217, 218, 219, 220, 224 zunächst verschlossen sind. Zur Befüllung des Reservoirs 223 wird die Barrierenstruktur 217 wie beschrieben aufgeschmolzen. Durch die Befüllöffnung 207 wird Flüssigkeit eingebracht, die das Dosierreservoir 223 und die Verbindungskapillarstruktur 211 füllt. Auch die Verbindungskapillarstruktur 210 wird mit dieser Flüssigkeit befüllt. Die Befüllung erfolgt zum Beispiel durch Kapillarkraft.
Jetzt können die Barrierenstrukturen 219, 224 aufgeschmolzen werden. Die Flüssigkeit tritt aufgrund der an den Eintrittsstellen der Verbindungskapillarstrukturen 211, 210 in das Reservoir 201 abrupt geringer werdenden Kapillarwirkung nicht in das Reservoir 201 ein. Befüllung des Reservoirs 201 durch die Öffnungen 209 mit einer zweiten Flüssigkeit bewirkt den Kontakt der Flüssigkeiten an den Eintrittsstellen der Verbindungskapillarstrukturen 210, 211. Erzeugen von einer zum Beispiel laminaren Strömung mit dem akustischen Chip 215 bewirkt dann eine effektive Durchmischung der Flüssigkeiten. Dabei kann es zu einer Kreislaufbewegung der Flüssigkeiten kommen.
Bei einer solchen Ausgestaltung unter Ausnutzung von Kapillarkräften in den Verbindungskapillarstrukturen 210, 211, 212 kann auf die Barrierenstruktur 224 auch gänzlich verzichtet werden. Gerade bei einer Ausführungsform mit nur zwei Dosierreservoirs, wie sie in 4 dargestellt ist, nimmt die Verbindungskapillarstruktur 210 auf jeden Fall an dem Kreislaufprozess teil, so dass eine Abkopplung nicht notwendig ist.
Bei einer anderen Verfahrensführung werden die Barrierenstrukturen 219, 224 erst nach Einbringen der zweiten Flüssigkeit in das Reservoir 201 aufgeschmolzen. Ansonsten ist die Verfahrensführung gleich. Bei einer solchen Verfahrensführung müssen die Verbindungsstrukturen 210, 211, 212 nicht notwendigerweise Kapillarwirkung auf die Flüssigkeiten ausüben können.
Eine andere Verfahrensführung unter Einsatz einer Vorrichtung gemäß 4 verwendet Barrierenstrukturen 217, 218, 219, 220, 224, die ursprünglich offen sind. Durch die Befüllöffnung 207 wird erste Flüssigkeit eingebracht. Diese fließt aufgrund der Kapillarwirkung in die Dosierreservoirs 203, 223 und in die Verbindungskapillarstrukturen 210, 211, 212. Sie treten nicht in das Reaktionsreservoir 201 ein, da an den Eintrittsstellen der Verbindungsstrukturen 210, 211, 212 in das Reaktionsreservoir 201 die Kapillarwirkung abreißt. Erst jetzt wird entschieden, welches Dosierreservoir, und damit welches Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit, verwendet werden soll. Für den Zweck der vorliegenden Beschreibung sei dies wiederum das Dosierreservoir 223. Die Barrierenstrukturen 218, 220 werden dann wie beschrieben zugeschmolzen und somit das nicht verwendete Dosierreservoir 203 mit der darin befindlichen Flüssigkeit abgekoppelt. Es wird dann zweite Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir 201 einfüllt. Die darauf folgende Verfahrensführung entspricht der bereits beschriebenen Kreislaufverfahrensführung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei Dosierreservoirs mit entsprechenden Verbindungsstrukturen umfassen. Es können dann mehrere Dosierreservoirs im Kreislauf "in Serie" geschaltet werden, um das Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit zu vergrößern. Bei einer solchen Ausgestaltung können die einzelnen Dosierreservoirs unterschiedliche oder gleiche Größe haben.
Speziell bei einer Verfahrensführung, bei der ein Kreislauf der Flüssigkeiten verwendet wird, findet eine Reaktion zwischen den Flüssigkeiten nicht nur in dem mit Reaktionsreservoir bezeichneten Teil der Vorrichtung statt.
Zur Abgrenzung gegen die Verwendung des Begriffes "Dosierreservoir", mit dem die Dosierung der ersten Flüssigkeit vorgenommen wird, wurde im vorliegenden Text dennoch der Begriff "Reaktionsreservoir" verwendet, da insbesondere bei den gezeigten Ausführungsformen das Reaktionsreservoir auf Grund seiner Größe die Hauptstruktur ist, in der die Reaktion stattfndet. Insbesondere zum Beispiel bei einer Ausführungsform der
1 bzw. der 4 ist es jedoch auch möglich, dass die Dosierreservoirs und das Reaktionsreservoir z. B. gleich groß sind und bei einer Kreislaufverfahrensführung auch in beiden Reservoirs eine Reaktion stattfindet.
Die erfindungsgemäßen Dosier- bzw. Durchmischungsvorrichtungen können in einem Automaten prozessiert werden, der die Flüssigkeiten in die Vorrichtungen füllt, die Vorrichtungen temperiert, die akustischen Chips steuert und auch Befülllöcher öffnet bzw. Barrieren schließt oder öffnet. Außerdem kann ggf. mit einem solchen Automaten auch die z. B. elektrische oder optische Auswertung vorgenommen werden. Solche Automaten können sinnvoll in der Diagnostik oder allgemein in der Laborautomatisierung eingesetzt werden.
Daher kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn bei den Ausführungsformen der 3 und 4 die Befüllung der Reservoirs nur durch ein oder höchstens zwei Befülllöcher erfolgt, da dies das Zugeben der Flüssigkeit durch den Automaten vereinfacht. Entsprechende Pipettierköpfe oder Dispenser zur Befüllung können dann ortsfest ausgestaltet sein.
Mit den gezeigten Ausführungsformen können zum Beispiel Gesamtvolumina von bis zu 1 ml bei Einzelvolumina von z. B. nur 100nl prozessiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Dosierung und Durchmischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich, also mit sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen präzise durchgeführt werden. Die Anforderungen an die Genauigkeit der verwendeten Fülleinrichtungen ist sind nicht hoch, da die Dosierung durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung bzw. Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschieht. Das Mischungsverhältnis zwischen Reagenzien und Probenflüssigkeit kann zum Beispiel zwischen 1:100 bis zu 100:1 eingestellt werden.

1: Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
2: Kunststofffolie
3: Dosierreservoir, Dosierkammer
5: Kunststoffteil
7, 9: Befüllöffnungen
10: Vorrichtung zum integrierten Dosieren und Durch
: mischen
11: Engstellen
13: Begrenzungswand
15: akustischer Chip
20, 30: Vorrichtungen zum integrierten Dosieren und
: Durchmischen
101: Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
103: Dosierkapillarstruktur
105: Kunststoffteil
107, 109: Befüllöffnungen
111: Verbindungskapillarstruktur
115: akustischer Chip
121, 122: Öffnungen
201: Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
203: Dosierreservoir, Dosierkammer
207, 209: Befüllöffnungen
210, 211, 212: Verbindungskapillarstrukturen
215: akustischer Chip
216: Verbindungskanalstruktur
217, 218, 219, 220: Barrierenstrukturen
221, 222: Entlüftungsöffnungen
223: Dosierreservoir, Dosierkammer
224: Barrierenstruktur

Claims

Verfahren zum integrierten Dosieren und Durchmischen kleiner Flüssigkeitsmengen mit einem Volumen von bis zu 1 ml, bei dem wenigstens ein Dosierreservoir (3, 103, 203, 223) mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212) mit einem Reaktionsreservoir (1, 101, 201) in Verbindung steht, wobei die Verbindungsstruktur derart ausgestaltet ist, dass der Eintritt der ersten Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) zunächst verhindert wird, ein Reaktionsreservoir (1, 101, 201) mit einer zweiten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, so dass die zweite Flüssigkeit an der Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212) mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt, und in der Flüssigkeit zumindest in bzw. auf dem Reaktionsreservoir (1, 101, 201) ein Strömungsmuster erzeugt wird, das zur Durchmischung der Flüssigkeiten führt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212) derart dimensioniert ist, dass die Oberflächenspannung der ersten Flüssigkeit den Eintritt in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) verhindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zur Durchmischung ein im Wesentlichen laminares Strömungsmuster erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zur Durchmischung Schallwellen in die Flüssigkeit in bzw. auf das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) eingestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Schallwellen mit Oberflächenschallwellen vorzugsweise mit Hilfe wenigstens eines Interdigitaltransducers erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die wenigstens eine Verbindungsstruktur eine Verbindungskapillarstruktur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur durch Flächenbereiche auf einer Oberfläche gebildet werden, die im Vergleich zu der umgebenden Oberfläche von den Flüssigkeiten bevorzugt benetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur durch Vertiefungen in einer Oberfläche gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223) und die wenigstens eine Verbindungsstruktur (11, 111, 210, 211, 212) durch Hohlräume in einer Festkörperstruktur (5, 105) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223) durch Befüllöffnungen (7, 9, 107, 109, 207, 209) vorzugsweise im oberen Abschluss der Reservoirs befüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem als Dosierreservoir eine Reservoirkapillarstruktur (103) eingesetzt wird, die entlang ihrer Längsausdehnung zumindest zwei Öffnungen (107, 121, 122) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Volumen der ersten Flüssigkeitsmenge durch die Auswahl der zu öffnenden Öffnungen (121, 122) in der Reservoirkapillarstruktur (103) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem eine Vorrichtung mit mehreren Dosierreservoirs (203, 223) vorzugsweise verschiedener Größe eingesetzt wird, die einerseits über Verbindungsstrukturen (211, 212) mit dem Reaktionsreservoir (201) und andererseits mit einer Befüllöffnung (207) in Verbindung stehen.
Verfahren nach Anspruch 13, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 8 oder 9 abhängt, bei dem die Verbindungsstrukturen (211, 212) zunächst verschlossen sind und zur Auswahl des gewünschten Dosierreservoirs (203, 223) geöffnet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 8 oder 9 abhängt, bei dem das gewünschte Dosierreservoir (203, 223) durch Verschließen der Verbindungsstrukturen (211, 212) zu den übrigen Dosierreservoirs ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem das Öffnen bzw. Verschließen der Verbindungsstrukturen (211) durch einen Schmelzprozess in einem Kunststoffteil bewirkt wird.
Vorrichtung zum integrierten Dosieren und Durchmischen kleiner Flüssigkeitsmengen mit einem Volumen von bis zu 1 ml zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens einem Dosierreservoir (3, 103, 203, 223) für eine erste Flüssigkeitsmenge, einem Reaktionsreservoir (1, 101, 201) für eine zweite Flüssigkeitsmenge, wenigstens einer Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212) zwischen dem wenigstens einen Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir, wobei die Verbindungsstruktur derart ausgestaltet ist, dass die erste Flüssigkeit nicht in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) eintritt, und einer Einrichtung (15, 115, 215) zur Erzeugung eines Strömungsmusters zur Durchmischung von Flüssigkeit zumindest in bzw. auf dem Reaktionsreservoir.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212) derart dimensioniert ist, dass die erste Flüssigkeit auf Grund ihrer Oberflächenspannung nicht in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) eintritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines Strömungsmusters wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung (15, 115, 215) zur Einstrahlung von Schallwellen in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung eine Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtung (15, 115, 215) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, mit wenigstens einem Interdigitaltransducer zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, bei der die wenigstens eine Verbindungsstruktur eine Verbindungskapillarstruktur umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur Flächenbereiche auf einer Oberfläche umfassen, die im Vergleich zu der umgebenden Oberfläche von den Flüssigkeiten bevorzugt benetzt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur Vertiefungen in einer Oberfläche umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223) und die wenigstens eine Verbindungsstruktur (11, 111, 210, 211, 212) Hohlräume in einer Festkörperstruktur (5, 105) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Hohlräume Vertiefungen in einem Festkörper (5, 105) umfassen, die durch einen Deckel (2) abgeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der der Deckel (2) durch eine Folie (2), vorzugsweise aus Kunststoff gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei der das wenigstens eine Dosierreservoir eine Dosierkapillarstruktur (103) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei der die Hohlräume vorbestimmte Öffnungen (121, 122) umfassen, die zunächst verschlossen sind und bei Bedarf geöffnet werden können.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 28 und 29, bei der die Dosierkapillarstruktur (103) mindestens zwei vorbestimmte, ggf. zu öffnende Öffnungen (121, 122) umfasst, die entlang der Dosierkapillarstruktur angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, bei der mehrere Dosierreservoirs (203, 223) vorzugsweise unterschiedlicher Größe vorgesehen sind, die über Verbindungsstrukturen (211, 212) mit dem Reaktionsreservoir (201) verbunden sind, die zunächst verschlossen sind und bei Bedarf geöffnet werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 31, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 24 oder 25 abhängt, bei der die Verbindungsstrukturen (211, 212) aufschmelzbare Barrieren (219, 220) aus Kunststoff umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 27, bei der mehrere Dosierreservoirs (203, 223) vorzugsweise unterschiedlicher Größe vorgesehen sind, die über Verbindungsstrukturen (211, 212) mit dem Reaktionsreservoir (201) verbunden sind, die zunächst geöffnet sind und bei Bedarf geschlossen werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 33, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 24 oder 25 abhängt, bei der die Verbindungsstrukturen (211, 212) Barrierenstrukturen umfassen, die durch einen Schmelzprozess zu Barrieren (219, 220) geformt werden können.
Apparat zur automatischen Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einer Aufnahme für eine Vorrichtung (10, 20, 30) gemäß Anspruch 17, elektrischen Kontakten zur Kontaktierung der wenigstens einen Einrichtung (15, 115, 215) zur Erzeugung eines Strömungsmusters, die bei in der Aufnahme eingelegten Vorrichtung (10, 20, 30) die wenigstens eine Einrichtung (15, 115, 215) zur Erzeugung eines Strömungsmusters elektrisch kontaktieren, Einrichtungen zur automatischen Flüssigkeitszufuhr in die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223), und einer Steuerung, vorzugsweise einen Mikroprozessor umfassend, zur Steuerung der wenigstens einen Einrichtung (15, 115, 215) zur Erzeugung eines Strömungsmusters und der Einrichtungen zur automatischen Flüssigkeitszufuhr.
Apparat nach Anspruch 35, bei der die Einrichtungen zur automatischen Flüssigkeitszufuhr elektrisch ansteuerbare Pipettierspitzen und/oder Dispenser umfassen, die bei in die Aufnahme eingelegter Vorrichtung (10, 20, 30) oberhalb entsprechender Befüllöffnungen (7, 9, 107, 109, 207, 209) angeordnet sind.
Apparat nach einem der Ansprüche 35 oder 36, mit von der Steuerung ansteuerbaren Öffnungseinrichtungen zur Öffnung der Öffnungen (121, 122) einer in die Aufnahme eingelegten Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 29 oder 30.
Apparat nach Anspruch 37, bei dem die Öffnungseinrichtungen Durchstechspitzen zum Durchstechen einer als Deckel der Vorrichtung (20) vorgesehenen Kunststofffolie umfassen.
Apparat nach einem der Ansprüche 35 oder 36, mit durch die Steuerung ansteuerbaren Hitzeerzeugungseinrichtungen zur Erzeugung von Hitze an den Stellen der Barrierenstrukturen (217, 218, 219, 220, 224) einer Vorrichtung (30) gemäß einem der Ansprüche 32 oder 34.
Apparat nach Anspruch 39, bei dem die Hitzeerzeugungseinrichtungen Heizdrähte oder Laser umfassen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, einer Vorrichtung (10, 20, 30) nach einem der Ansprüche 17 bis 34 oder eines Apparates nach einem der Ansprüche 35 bis 40 zur Dosierung und Durchmischung biologischer Flüssigkeiten.