DE19755479A1 - Miniaturisiertes PCR-System zur Genanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikrosystemtechnische Vorrichtung zur DNA-Amplifi­ zierung mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), mit einem ersten Wafer und einem mit dem ersten Wafer sandwichartig verbundenen zweiten Wafer, einer Reaktionskammer zwischen den Wafern, mindestens einem in die Reaktionskam­ mer mündenden, eintragenden Kanal und einem von der Reaktionskammer abge­ henden, austragenden Kanal, und einer Heizvorrichtung zum Aufheizen und einer Kühlvorrichtung zum Abkühlen der Reaktionskammer.

Derartige Vorrichtungen zur Vervielfältigung eines spezifischen DNA-Abschnitts zwischen zwei definierten Nukleotid-Paaren eines Gens mit Hilfe der Polymerase- Kettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) sind bekannt. Die PCR wird seit Mitte der 80er Jahre zunehmend eingesetzt bei der Erkennung von genetisch bedingten Krankheiten, zu Forschungszwecken oder zur Identifizierung von Mi­ kroorganismen. Hierzu wird bekanntermaßen die in wässriger Lösung vorliegende Ausgangs-DNA mit dem zu vervielfältigenden DNA-Abschnitt in eine Reaktionskam­ mer eingebracht. Durch Erhitzen der Probenlösung in der Reaktionskammer auf ca. 95°C spaltet sich die doppelstrangige DNA-Helix in zwei Einzelstränge auf. Nach diesem sog. Denaturieren kann an einem Ende des zu amplifizierenden DNA-Ab­ schnitts des einen Einzelstrangs ein künstlich synthetisiertes und der wässrigen Lösung in hinreichender Menge zugesetztes, spezifisches DNA-Stück geringer Basenanzahl (sog. Primer) binden. An dem anderen Ende des zu amplifizierenden DNA-Abschnitts des komplementären Einzelstrangs bindet ein anderer spezifischer Primer. Der Ort der Bindung der beiden Primer begrenzt den zu amplifizierenden DNA-Abschnitt. Diese sog. Hybridisierung läuft optimal bei Temperaturen von ungefähr 45°C ab, d. h., daß das Probenvolumen nach Auftrennen des DNA- Stoppelstranges abkühlen muß. An den nun vorliegenden beiden Einzelsträngen mit ihren jeweiligen gebundenen Primern werden mit Hilfe eines anfänglich zugesetz­ ten, hitzestabilen Enzyms, der sog. Taq-Polymerase, nacheinander - beginnend bei den einander zugewandten Primer-Enden - gleichfalls zu Beginn zugegebene Nu­ kleotide angefügt. Dieser als Synthese bezeichnete Vorgang läuft am schnellsten bei etwa 72°C ab, weshalb das Probenvolumen in der Reaktionskammer nach der Hybridisierung der Primer wieder erwärmt werden muß. Am Ende dieses Zyklus' erhält man somit zwei doppelstrangige DNA-Moleküle, welche beide den zu ver­ vielfältigenden DNA-Abschnitt aufweisen. Wird der aus Denaturieren, Hybridisieren und Synthetisieren bestehende und den DNA-Abschnitt jeweils verdoppelnde Zyklus mehrmals hintereinander ausgeführt, erhält man bei einer standardmäßigen Zyklauszahl von 30 eine annähernd milliardenfache Kopienzahl des zu amplifizieren­ den DNA-Abschnitts. Diese reicht aus, um anschließend bekannte Analysever­ fahren anwenden zu können. Während einige dieser Analysereaktionen in wenigen Minuten ablaufen und ausgewertet werden können, dauert die in den meisten be­ kannten Vorrichtungen durchgeführte PCR einige Stunden und limitiert zeitlich den Durchsatz durch die Vorrichtungen.

Aufgrund der Vielseitigkeit der PCR - zu nennen sind hier insbesondere die Multi­ plex-PCR und insbesondere das sog. Fingerprinting-Verfahren - sind in letzter Zeit Versuche bekannt geworden, mit Hilfe mikrosystemtechnischer Vorrichtungen die Zykluszeiten auf wenige Minuten zu reduzieren, um hierdurch schnelle Gen-Analy­ sen, beispielsweise während Operationen, zu ermöglichen. Besonderes Augenmerk gilt bekanntermaßen mikrosystemtechnischen Vorrichtungen und hierbei insbeson­ dere der Reduzierung des Probenkammervolumens, da dann die Aufheiz- und Abkühlzeiten der Probenlösung nur noch wenige Sekunden betragen müssen. Dies ist ausreichend, damit die drei verschiedenen Reaktionen innerhalb eines PCR- Zyklus' ablaufen, So ist beispielsweise eine Vorrichtung bekannt, bei der zwei Wafer übereinander angeordnet sind, zwischen denen eine Reaktionskammer durch eine Aussparung auf der Innenseite eines aus einem Halbleitermaterial bestehenden Wafers ausgebildet ist. Der andere, die Aussparung abdeckende Wafer umfaßt bei dieser bekannten Vorrichtung einen Heizelement.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung sind insbesondere deren verhältnsimä­ ßig ungünstigen thermischen Eigenschaften. Da nämlich zur Reduzierung der Zyklenzeiten das Volumen der Reaktionskammer möglichst klein gewählt ist, ist die Tiefe der Aussparung im Vergleich zu der üblicherweise standardisierten Gesamt­ dicke des Wafers verhältnismäßig gering. Dies wiederum bedeutet, daß über die raumgreifenden Umgebungsabschnitte der Reaktionskammer Wärme abfließt, welche nicht zur Erwärmung/Abkühlung der Probenlösung zur Verfügung steht. Die verhältnismäßig große thermische Masse der Umgebungsabschnitte der Reaktions­ kammer resultiert somit in ungünstig langen Aufheiz- und Abkühlzeiten des Proben­ volumens.

Weiterhin ist bei dieser bekannten Vorrichtung nachteilig, daß die anschließende Analyse der amplifizierten DNA nicht in allen Fällen sofort durchgeführt werden kann, da je nach Analyseverfahren die in der Reaktionskammer amplifizierte DNA gegebenenfalls von den restlichen Substanzen (u. a. Puffer, überschüssigen Primer und Nukleotide, Taq-Polymerase, Aktivatoren) getrennt werden muß. Beispiels­ weise erfordert die bekannte Matrix-unterstützte Flugzeitmassenspektrometrie (MALDI-TOF-MS: matrix assisted laser desorption time of flight mass spectrometry) eine relativ hoch konzentrierte DNA-Lösung. Der Zwischenschritt der Aufreinigung ist wegen des Transportes der DNA-Moleküle von der Reaktionskammer zur Reinigungsvorrichtung jedoch relativ schwierig durchzuführen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mikrosystemtechnische Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß auf einfache Weise der Zeitraum vom Beginn einer PCR bis zur DNA-Analyse reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei der mikrosystemtechnischen Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste und/oder der zweite Wafer im Bereich der Reaktionskammer eine Aussparung auf seiner Außenseite aufweist.

Desweiteren wird die Erfindung bei der mikrosystemtechnischen Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch eine Reinigungskammer zwischen den beiden Wafern zur Aufreinigung der amplifizierten DNA-Moleküle, mindestens einen in die Reinigungskammer mündenden, eintragenden Kanal, der mit einem austragenden Kanal der Reaktionskammer verbunden ist, und mindestens einen von der Reini­ gungskammer abgehenden, austragenden Kanal.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Reaktionskammer liegen insbesondere darin, daß einer oder beide Wafer eine Aussparung auf der Außenseite aufweisen, die im Bereich der Reaktionskammer angeordnet ist. Die Tiefe der Aussparung auf der Außenseite des oder der Wafer bestimmt die Waferdicke zwischen der Reaktions­ kammer und der äußeren Aussparung. Bei einer erwünschtermaßen kleinvolumigen und dementsprechend flachen Reaktionskammer kann die Aussparung auf der Waferaußenseite derart tief ausgebildet sein, daß der bzw. die Wafer im Bereich der Reaktionskammer eine sehr geringe Dicke aufweisen. Hierdurch wird die thermische Masse dieser Waferabschnitte sehr klein, da nur über schmale Raum­ brücken Kontakt mit den entfernteren Waferabschnitten besteht und somit wäh­ rend der Aufheiz- und Abkühlphasen nur geringfügig Wärme an diese abgeleitet wird. Die Wärmekapazität der der Reaktionskammer benachbarten Waferabschnitte wird somit erfindungsgemäß reduziert und es resultieren schnellere Temperatur­ anstiege sowie -abfälfe in der Reaktionskammer, wenn die Reaktionskammer aufgeheizt oder abgekühlt wird. Hierdurch lassen sich PCR-Zykluszeiten von weniger als fünf Sekunden bei einem Kammervolumen von ungefähr 1 µl realisie­ ren, so daß eine PCR mit 30 Zyklen in weniger als drei Minuten durchgeführt werden kann.

Die Vorteile der zusammen mit der Reaktionskammer zwischen zwei Wafern integrierten Reinigungskammer sind insbesondere darin zu sehen, daß die am­ plifizierten DNA-Moleküle direkt im Anschluß an die PCR über einen Verbindungs­ kanal zur Reinigungskammer geleitet werden kann, in welcher die amplifizierte DNA aufgereinigt wird. Am Ausgang der Reinigungskammer wird somit aufgereinigte DNA erhalten, die lediglich noch in einer Analysevorrichtung eingebracht werden muß. Insbesondere bei der Multiplex-PCR, bei der gleichzeitig verschiedene Primer­ paare zur Amplifizierung verschiedener DNA-Abschnitte der Reaktionslösung zugegeben werden, beschleunigt die erfindungsgemäße Integration von Reaktions­ kammer und Reinigungskammer zwischen zwei Wafern die massenspektometrische Analyse mit bspw. dem MALDI-Verfahren, die - im Gegensatz zu einer Gelelek­ trophorese - den Vorteil besitzt, daß DNA-Fragmente sehr unterschiedlicher Größe gleichzeitig bestimmbar sind.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind herkömmliche naß- und trockenchemische Ätzverfahren sowie bekannte photolithographische Methoden einsetzbar. Desweiteren besteht die vorteilhafte Möglichkeit, das sog. Batchver­ fahren anzuwenden, bei dem die Strukturen des ersten und des zweiten Wafers jeweils gleichzeitig in hoher Anzahl auf großen Waferscheiben hergestellt werden können. Die anschließend aneinandergefügten großen Waferscheiben brauchen dann nur noch geringfügig bearbeitet zu werden, um zahlreiche erfindungsgemäße Vorrichtungen zu erhalten.

Besonders bevorzugt ist der Hohlraum der erfindungsgemäßen Reaktionskammer durch innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer gebildet. In ähnlicher Weise sind innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer zur Bildung von zur Reaktionskammer hinführenden und ggf. von der Reak­ tionskammer fortführenden Kanälen vorgesehen.

Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung bzw. Abkühlung des Probenvolumens in der Reaktionskammer zu erhalten, erstreckt sich in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die äußere Aussparung im wesentlichen über die gesamte zur Außenseite projizierte Fläche der Reaktionskammer.

Besonders bevorzugt weist die Reaktionskammer eine im wesentlichen längliche Form auf, um ein Vermischen der PCR-Produkte beim Herausspülen mit einer Spüllösung, wie beispielsweise Wasser, zu vermeiden. Die PCR-Produkte werden hierbei von der nachfließenden Spüllösung aus der Reaktionskammer gepreßt und liegen demnach an deren Ausgang im wesentlichen in unverdünnter Form vor.

Bevorzugt umfaßt die zur Aufheizung des Probenvolumens benötigte Heizvor­ richtung mindestens einen elektrisch isolierten Heizleiter in der Reaktionskammer. Beispielsweise ist der Heizleiter über die gesamte zur Außenseite projizierten Fläche der Reaktionskammer in Form eines Mäanders angeordnet, um die Lösung in der Reaktionskammer möglichst gleichmäßig und schnell zu erwärmen. Bei dieser Ausführungsform befindet sich die zu erwärmende Lösung vorteilhafterweise - im Vergleich zu einer auf der Waferaußenseite angeordneten Heizvorrichtung - in unmittelbarer Nähe des Heizleiters. Hierdurch wird eine zeitaufwendige indirekte Erwärmung der Probenlösung aufgrund einer zuvor notwendigen Erwärmung des Wafers vermieden.

Wenn der dem Heizleiter benachbarte Wafer aus einem Halbleitermaterial herge­ stellt ist, ist der Heizleiter zur Vermeidung von Kurzschlüssen bevorzugt in eine elektrisch isolierenden Schicht in der Reaktionskammer eingebettet, um auf diese Weise den Heizleiter gegen das Halbleitermaterial und die leitfähige PCR-Lösung zu isolieren. Zur Realisierung kann auf bekannte Mikrostrukturverfahren zurückgegrif­ fen werden.

Eine schnelle Abkühlung der Probenlösung in der Reaktionskammer kann erzielt werden, wenn die Kühlvorrichtung mindestens eine Düse umfaßt, welche auf die äußere Waferoberfläche im Bereich der Aussparung gerichtet ist, um über Kon­ vektion Wärme abzutransportieren. Vorteilhafterweise ist eine Düse auf den dem Heizleiter benachbarten Waferabschnitt gerichtet, damit nach Unterbrechen des Heizstroms die Restwärme des Heizleiters schnell abgeführt werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind Kühlrippen in der bzw. den Aussparungen auf den Waferaußenseiten angeordnet, welche eine verhältnismäßig große Fläche zur Unterstützung der Konvektionskühlung aufweisen.

Besonders bevorzugt sind stromaufwärts der Reaktionskammer mehrere Kanäle zwischen den beiden Wafern angeordnet, die der Zuführung von DNA-Lösungen, Reaktionslösungen und/oder Spüllösungen dienen. Hierdurch können die Konzen­ trationen sowie die zeitliche Abfolge der Zufuhr der einzelnen Lösungen eingestellt werden.

Vorteilhafterweise werden die von mindestens zwei Kanälen zugeführten Reak­ tionslösungen vor Eintritt in die Reaktionskammer durch eine Mischvorrichtung geleitet, damit die Reaktion der Moleküle der verschiedenen Flüssigkeiten in der Reaktionskammer beschleunigt wird.

Besonders bevorzugt sind pneumatisch betriebene Ventile und/oder Pumpen in der Anordnung der beiden Wafer integriert, die zur Durchlaßregulierung der Kanäle dienen. Die Integration der vorzugsweise einzeln ansteuerbaren Ventile in die Waferanordnung trägt bei gleichzeitig einfacher Handhabbarkeit zur Miniaturisie­ rung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die inneren Ober­ flächen der Reaktionskammer sowie ggf. der Kanäle zur Vermeidung von Wechsel­ wirkungen mit in den Lösungen suspendierten Molekülen chemisch inertisiert sind. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die PCR nicht durch Reaktionen an den inneren Oberflächen der Reaktionskammer gestört wird. Beispielsweise sind die Kammeroberflächen mit an sich bekannten Beschichtungen - beispielsweise organi­ schen Molekülen - versehen.

Der Hohlraum der erfindungsgemäß gemeinsam mit der Reaktionskammer zwischen zwei Wafern integrierten Reinigungskammer ist bevorzugt durch innenseitige Aus­ sparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer gebildet. In ähnlicher Weise sind innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer zur Bildung von zur Reinigungskammer hinführenden und ggf. von der Reinigungskammer fort­ führenden Kanälen vorgesehen.

Die in der Reaktionskammer amplifizierten DNA-Moleküle sind nach Transport zur Reinigungskammer mittels einer an sich bekannten Separationstechnik aufreinigbar. Es bietet sich z. B. an, an die bei der PCR eingesetzten Primer-Moleküle vorweg jeweils ein Biotin- oder Avidin-Molekül anzulagern, so daß am Ende der PCR jedes amplifizierte DNA-Molekül eine Biotin- bzw. Avidin-Gruppe aufweist. Bei Einsatz dieses Verfahrens weist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise einen stromaufwärts der Reinigungskammer angeordneten Kanal zur Zuführung einer Suspension magnetischer Partikel auf, an welche jeweils mindestens eine Strepta­ vidin-Gruppe angelagert ist. In der Reinigungskammer können dann die Streptavi­ din-Gruppen der magnetischen Partikel an die Biotin- oder Avidin-Gruppen der Primersequenzen der DNA-Moleküle unter Bildung eines verhältnismäßig großen, magnetischen Komplexes binden.

Zur Separation von den übrigen, während der PCR benötigten Molekülen ist minde­ stens ein Magnet im Bereich der Reinigungskammer vorgesehen, welcher die magnetischen Komplexe aufgrund magnetischer Anziehung in der Reinigungs­ kammer immobilisiert, während die übrigen Moleküle mit der Lösung aus der Reini­ gungskammer ausgetragen werden.

In einer alternativen Ausführungsform zur Abtrennung bzw. Aufreinigung der amplifizierten DNA-Moleküle sind die Oberflächen der Reinigungskammer mit Streptavidin-Gruppen belegt, an welche die Biotin- oder Avidin-Gruppen der Primer­ sequenzen der amplifizierten DNA-Moleküle binden. In diesem Fall werden die DNA- Moleküle von den übrigen Molekülen in der Lösung auf rein chemischem Wege - ohne Verwendung von extern angelegten äußeren Feldern - getrennt.

Um die an den Streptavidin-Gruppen der magnetischen Partikel bzw. den Ober­ flächen der Reinigungskammer anhaftenden DNA-Moleküle abzutrennen, ist strom­ aufwärts der Reinigungskammer ein Kanal zur Zuführung einer Elutionslösung- bzw. -puffer vorgesehen, in der sich die immobilisierten DNA-Moleküle - ggf. nach Ab­ schaltung des magnetischen Feldes - lösen, um anschließend aus der Reinigungs­ kammer ausgetragen zu werden.

Besonders bevorzugt weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung eine Heizvorrichtung in der Reinigungskammer auf, welche vorteilhafter­ weise im wesentlichen denselben Aufbau wie die oben beschriebene Heizvor­ richtung der Reaktionskammer besitzt. Die Heizvorrichtung sorgt für eine optimale Temperatur in der Reinigungskammer, bei welcher die magnetischen Partikel mit erhöhter Reaktionsgeschewindigkeit bevorzugt an den DNA-Molekülen binden und gleichzeitig die Zahl unspezifischer Bindungen reduziert wird. Auch kann eine Kühlvorrichtung im Bereich der Reinigungskammer vorgesehen sein, welche im wesentlichen der oben beschriebenen Kühlvorrichtung für die Reaktionskammer entspricht. Zur Durchlaßregulierung der Kanäle bietet es sich weiterhin an, pneuma­ tisch betriebene Ventile und/oder Pumpen zur Zuführung bzw. Ableitung von Lösungen zur bzw. aus der Reinigungskammer zu verwenden.

Vorteilhafterweise weist der erste und/oder der zweite Wafer im Bereich der Reinigungskammer eine Aussparung auf seiner Außenseite auf, da hierdurch - wie im Falle der Aussparung(en) im Bereich der Reaktionskammer - eine schnelle Ruf­ heizung der Probenlösung in der Reinigungskammer begünstigt wird. Die Ausspa­ rung im Bereich der Reinigungskammer reduziert hierbei ebenfalls den Wärmeabfluß in entferntere Waferabschnitte.

Besonders bevorzugt ist eine piezoelektrische Pumpe in einem austragenden Kanal der Reinigungskammer angeordnet, mit welcher genau definierte Tropfen der in der Elutionslösung gelösten amplifizierten DNA-Moleküle in konzentrierter Form auf eine verhältnismäßig kleine Fläche auftragbar sind. Dies ist besonders bei einer Analyse der amplifizierten DNA - ggf. mit den an den DNA-Molekülen noch gebun­ denen magnetischen Partikeln - mittels des MALDI-Verfahrens vorteilhaft, da hierfür eine kleine, möglichst gleichmäßig mit zu analysierenden Probenmolekülen bedeckte Schicht vorteilhaft ist. Demnach kann mit Hilfe der piezoelektrischen Pumpe das zur Massenspektrometrie benötigte Probenvolumen und damit ggf. die Menge an benötigter Ausgangs-DNA bzw. die Anzahl der durchzuführenden PCR-Zyklen reduziert werden.

Laufen zwei Kanäle zusammen, welche nacheinander verschiedene Lösungen in einen gemeinsamen Kanal leiten, ist es wünschenswert, daß möglichst geringe Totvolumina in den Kanalarmen entstehen, welche zu Kontaminationen aufgrund von beispielsweise Ablagerungen führen könnten. Insbesondere soll eine in dieser Hinsicht kritische Flüssigkeit, welche über einen ersten Kanal zugeführt wird, effektiv von einer anschließend über einen zweiten Kanal zugeführten Spüllösung möglichst vollständig mitgenommen werden, ohne daß Teile der kritischen Flüssig­ keit im Kanalsystem zurückbleiben. Zu diesem Zweck wird eine mikrosystem­ technische Vorrichtung mit einem ersten Wafer und einem mit dem ersten Wafer sandwichartig verbundenen zweiten Wafer, sowie mit innenseitigen Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer zur Bildung von Kanälen zwischen den beiden Wafern vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Ventil im Bereich des Zusammenlaufs eines ersten Kanals und eines zweiten Kanals zu einem dritten Kanal vorgesehen. Das Ventil enthält eine als flexible Schicht des ersten oder zweiten Wafers ausgebildete Membran, die einen flexiblen Umfangsabschnitt der Wandung des ersten Kanals bildet, wobei sich der flexible Umfangsabschnitt in Schließstellung des Ventils gegen einen gegenüberliegenden festen Umfangs­ abschnitt der Wandung des ersten Kanals anlegt und sich in Offenstellung des Ventils von dem festen Umfangsabschnitt abhebt.

Wird Flüssigkeit durch den ersten Kanal zum offenen Ventil geleitet, strömt diese zwischen der einen flexiblen Umfangsabschnitt des ersten Kanals bildenden Mem­ bran und dem festen Umfangsabschnitt in den dritten Kanal und damit auch in den zweiten Kanal, der in unmittelbarer Nähe zum Ventil in den dritten Kanal mündet. Bei Schließen des Ventils legt sich die flexible Membran dichtend an den festen Umfangsabschnitt des ersten Kanals an und unterbindet den Flüssigkeitsstrom. Wird nach Schließen des Ventils Spüllösung über den zweiten Kanal zugeführt, nimmt die Spüllösung Flüssigkeit in den dritten Kanal mit, welche zuvor bei offe­ nem Ventil in den zweiten Kanal geströmt ist bzw. sich noch im Bereich des nun geschlossenen Ventils aufhält. Mittels dieser Anordnung entstehen während des Spülvorgangs keine toten Arme für die Flüssigkeit und es wird auf einfache Weise ein Ablagern von kritischen Flüssigkeitsbestandteilen vermieden.

Besonders bevorzugt weist der feste Umfangsabschnitt eine Erhebung des ersten oder zweiten Wafers zwischen den Aussparungen für den ersten Kanal einerseits und für den zweiten und dritten Kanal andererseits auf, an welcher die Membran in Schließstellung des Ventils dichtend zur Anlage kommt. Eine solche Erhebung kann in einfacher Weise durch Aufbringen entsprechender Masken während der Ätzprozeßschritte erhalten werden.

Vorteilhafterweise ist ein Druckraum auf der kanalabgewandten Seite der Membran vorgesehen. Wird der Druckraum mit positivem Druck beaufschlagt, legt sich die Membran an den festen Umfangsabschnitt. Wenn hingegen ein Unterdruck im Druckraum erzeugt wird, hebt sich die Membran vom festen Umfangsabschnitt ab und gibt den Fluß vom ersten Kanal in den dritten und auch in den zweiten Kanal frei.

Bevorzugt deckt eine Deckfolie den Druckraum auf der der Membran gegenüber­ liegenden Seite ab. Die Deckfolie weist vorteilhafterweise eine Öffnung zum An­ schluß einer Saug- und/oder Druckpumpe auf. Alternativ ist der Druckraum mit einer durchgehenden elastischen Folie abgedeckt und kann mittels eines externen - beispielsweise mechanischem - Druckstoßes auf die elastische Folie mit Druck beaufschlagt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter­ ansprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mikrosystemtechnischen Vorrich­ tung mit einer Reaktionskammer und einer Reinigungskammer sowie verschiedenen Kanälen;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dem Schema der Fig. 1 mit erweitertem Kanalsystem;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch die Waferanordnung der Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Ventils der Fig. 3 in Schließstellung;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Ventils der Fig. 3 in Offenstellung;

Fig. 6 ein Ventil im Bereich zweier zulaufender Kanäle und eines ablaufenden Kanals in Schließstellung; und

Fig. 7 das Ventil gemäß der Fig. 6 in Offenstellung.

In Fig. 1 ist schematisch eine mikrosystemtechnische Vorrichtung 1 mit einer Reak­ tionskammer 6 zur Durchführung einer PCR und einer Reinigungskammer 8 zur Aufreinigung der während der PCR amplifizierten DNA-Molekülen dargestellt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die beiden Kammern 6, 8 zwischen einem ersten Wafer 2 und einem zweiten Wafer 4 angordnet, die mittels bekannter Klebe- oder Schweißverfahren, wie z. B. dem sog. Waferbonding, flächig miteinander verbun­ den sind. Die beiden Wafer 2, 4 sind aus einem Halbleitermaterial wie beispiels­ weise Silizium gefertigt. Alternativ können z. B. auch Glas oder Polymererkunst­ stoffe oder sonstige geeignete Kunststoffe verwendet werden.

Wie weiterhin der Fig. 1 zu entnehmen ist, führt ein eintragender Kanal 40 zur Reaktionskammer 6. Stromaufwärts münden zwei weitere Kanäle 46, 49 in den Kanal 40, die jeweils Einlaßöffnungen 56, 59 zur Zuführung von Ausgangs-DNA, anderer zur PCR notwendiger Reagenzien sowie Spüllösungen aufweisen. Am Knoten der Kanäle 46, 49 und 40 ist ein Ventil 50 zur Durchlaßregulierung an­ geordnet.

Von der Reaktionskammer 6 geht ein austragender Kanal 42 ab, der über ein Ventil 60 mit einem in die Reingigungskammer 8 mündenden, eintragenden Kanal 70 verbunden ist. In der Reinigungskammer 8 werden die in der Reaktionskammer 6 amplifizierten, noch in der Reaktionslösung suspendierten DNA-Moleküle von den übrigen Molekülen der Reaktionslösung getrennt. Hierzu mündet ein weiterer ein­ tragender Kanal 71 in die Reinigungskammer 8, in welchen stromaufwärts zwei weitere, über ein Ventil 80 kontrollierte Kanäle 76, 77 münden, denen über Einlaß­ öffnungen Reinigungs-, Elutions- sowie ggf. Spüllösungen zuführbar sind. Ein austragender, ventilkontrollierter Kanal 72 führt von der Reinigungskammer 8 zu einer Auslaßöffnung 99 der Vorrichtung 1.

Die Hohlräume der länglichen, paarweise parallele Innenwände aufweisenden Reak­ tionskammer 6 sowie der im wesentlichen in der Aufsicht rechteckförmigen Rei­ nigungskammer 8 sind durch Aussparungen auf der Innenseite des oberen, ersten Wafers 2 und des unteren, zweiten Wafers 4 (jeweils bezogen auf Fig. 3) gebildet. Die Hohlräume der eintragenden bzw. austragenden Kanäle 40, 42, 70, 72 - sowie der übrigen Kanäle - sind in der dargestellten Ausführungsform durch innenseitige Aussparungen in dem zweiten Wafer 4 gebildet (s. Fig. 3).

Wie insbesondere aus der Fig. 3 hervorgeht, ist auf der Außenseite der beiden Wafer 2, 4 im Bereich der Reaktionskammer 6 jeweils eine Aussparung 10, 12 vor­ gesehen, welche zueinander spiegelsymmetrisch zu einer im wesentlichen durch die Grenzfläche beider Wafer 2, 4 verlaufenden Ebene ausgebildet sind. Die beiden äußeren Aussparungen 10, 12 verjüngen sich sowohl längsseitig als auch stirnsei­ tig zur Reaktionskammer 6 hin und erstrecken sich im Bereich der Reaktionskam­ mer 6 über deren gesamte zur Außenseite projizierte Fläche. Die Waferdicke in diesem Bereich ist im Vergleich zu den benachbarten Waferabschnitten sehr gering, um den Wärmeabfluß zu diesen Abschnitten klein zu halten. Das Profil der Reak­ tionskammer 6 kann je nach verwendeter Ätztechnik alternativ auch andere Formen aufweisen.

Im oberen Bereich der Reaktionskammer 6 (bezogen Fig. 3) ist ein Heizleiter 23 aus beispielsweise Aluminium in einer elektrisch isolierenden Schicht 20 aus beispiels­ weise Siliziumdioxid eingebettet. Der Heizleiter 23 verläuft mäanderförmig von einer Stirnseite der Reaktionskammer 6 zur anderen und ist an seinen beiden freien Enden jeweils über z. B. auf den Wafer aufgedampfte Verbindungsleitungen 25 zu Anschlußkontakten 24 geführt (Fig. 2).

Eine Düse 36 im Bereich der Aussparung 10 des ersten Wafers 2 ist auf die Waferoberfläche im Bereich der Reaktionskammer 6 gerichtet und dient zur Kon­ vektionskühlung einer in der Reaktionskammer 6 befindlichen Probenlösung. In der Aussparung 10 sind hintereinander konstant beabstandete Kühlrippen 37 über die gesamte Länge der Reaktionskammer 6 zur Unterstützung des Konvektionspro­ zesses angeordnet.

Am linken Bildrand der Fig. 3 ist die Einlaßöffnung 56 des in den Kanal 40 münden­ den Kanals 46 dargestellt. Die Einlaßöffnung 56 - wie ggf. auch die übrigen Ein­ laßöffnungen - ist beispielsweise als pyramidenförmige Durchbrechung im ersten Wafer 2 ausgebildet, deren zulaufendes Ende rechtwinklig auf den Kanal 46 trifft. Die Außenseite der Durchbrechung ist mit einer Deckfolie 94 aus beispielsweise Kunststoff abgedeckt, welche eine Öffnung 96 zum Anschließen eines Versor­ gungsschlauches (nicht dargestellt) aufweist.

Das in Fig. 3 und in Vergrößerung in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ventil 60 regelt den Fluß von der Reaktionskammer 6 über die Kanäle 42, 70 zur Reinigungskam­ mer 8. Das Ventil 60 weist einen Druckraum 93 mit sich zur Grenzfläche der beiden Wafer 2, 4 verjüngendem Querschnitt auf. Der Druckraum 93 wird außen­ seitig von einer auf der Außenseite des ersten Wafers 2 aufliegenden Deckfolie 94 begrenzt, welche beispielsweise auch die Einlaßöffnung 56 (Fig. 3) und die übrigen Einlaßöffnungen bedeckt. Die Deckfolie 94 weist eine Öffnung 96 auf, an welcher beispielsweise eine Saug- und/oder Druckpumpe (nicht dargestellt) anschließbar ist, um den Druck im Druckraum 93 zu erhöhen bzw. zu erniedrigen. Der Deckfolie 94 gegenüber ist ein Waferabschnitt angeordnet, welcher als dünne Membran 95 ausgebildet ist und einen flexiblen Umfangsabschnitt der Kanäle 40, 72 darstellt. Bei Druckbeaufschlagung des Druckraums 93 oder bei Umgebungsluftdruck legt sich die Membran an eine Erhebung 97 an, welche die Aussparungen für die beiden Kanäle 42, 70 trennt. Bei Druckerniedrigung oder Unterdruck im Druckraum 93 hebt sich die Membran 95 (Fig. 5) und gibt die Verbindung zwischen den Kanälen 42, 70 frei.

Der erste Wafer 2 hat im Bereich der Reinigungskammer 8 eine äußere Aussparung 14, deren Form im wesentlichen der Aussparung 10 im Bereich der Reaktions­ kammer 6 gleicht. Die Reinigungskammer 8 weist ebenfalls - analog zu den ent­ sprechenden Elementen des Reaktionskammer 6 - einen in einer elektrischen Isolierschicht 26 eingebetteten Heizleiter 27 und entsprechende Verbindungs­ leitungen 29 zu Anschlußkontakten 28 auf dem ersten Wafer 2 auf.

Auf der Außenseite des zweiten Wafers 4 ist im Bereich der Reinigungskammer 8 eine Elektromagnetspule 98 angeordnet, welche beispielsweise in einem ober­ flächenmontiertem Bauteil (surface mounted device) integriert ist und an nicht dargestellten Zuleitungen angeschlossen ist. Bei Stromfluß durch die Magnetspule 98 wird ein inhomogenes magnetisches Feld in der Reinigungskammer 8 erzeugt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform weist - in Erweiterung der schemati­ schen Darstellung der Fig. 1 - ein erweitertes, zwischen den beiden Wafern 2, 4 angeordnetes Kanalsystem stromaufwärts der Reaktionskammer 6 auf. Zusätzlich zu der Einlaßöffnung 56 für die Ausgangs-DNA und der Einlaßöffnung 59 für eine Spüllösung, wie beispielsweise Wasser oder einem Glycin/HCl-Puffer, ist eine separate Einlaßöffnung 58 für die zur PCR notwenigen Reagenzien vorgesehen. Vorzugsweise sind computergesteuerte Ventile 50-52 zur Durchlaßregulierung der einzelnen Lösungen in den zum Kanal 40 hinführenden Kanälen 46-49 angeord­ net. Eine ansteuerbare Mischvorrichtung 45 in dem eintragenden Kanal 40 zwi­ schen der Reaktionskammer 6 und dem stromaufwärts nächstliegenden Ventil 50 dient zur optionalen Durchmischung von Lösungen, welche gleichzeitig oder nacheinander mittels der Kanäle 46-49 zugeführt werden. Zwischen der Misch­ vorrichtung 45 und der Reaktionskammer 6 kann zusätzlich ein nicht dargestelltes Ventil vorgesehen sein, das gegebenenfalls nur durchmischte Lösungen zur Reak­ tionskammer 6 passieren läßt.

In ähnlicher Weise ist der Reinigungskammer 8 ein erweitertes Kanalsystem mit mehreren - in der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 drei - separaten Einlaßöff­ nungen 84-86 vorgeschaltet. Durch die Einlaßöffnung 84 ist beispielsweise eine Suspension magnetischer Partikel über die Kanäle 74, 77, 71 der Reinigungs­ kammer 8 zuführbar. An den magnetischen Partikeln sind vorzugsweise Streptavi­ din-Gruppen angelagert, welche in der Reinigungskammer an Biotion- oder Avidin- Gruppen binden, die an den Primersequenzen der amplifizierten DNA-Moleküle angelagert sind. Wird die die Reaktionskammer 6 verlassende Lösung, welche die amplifizierten DNA-Moleküle sowie die restlichen, die PCR unterstützenden Reagen­ zien sowie Puffer- und Aktivatormoleküle enthält, bei gleichzeitig angeschaltetem Magnetfeld der Magnetspule 98 durch die Reinigungskammer 8 geleitet, werden die magnetischen Partikel mit den an diesen gebundenen DNA-Molekülen in der Reinigungskammer 8 zurückgehalten, während die anderen, nichtmagnetischen Moleküle ausgespült werden. Nachfolgend kann durch die Einlaßöffnung 86 des Kanals 76 und über den Kanal 71 eine Elutionslösung in die Reinigungskammer 8 geleitet werden, welche - bei nun vorzugsweise abgeschaltetem Magnetfeld - eine vorgegebene Zeit in der Reinigungskammer 8 verbleibt und die magnetischen Partikel und die daran haftenden DNA-Moleküle voneinander löst. Vorzugsweise wird das Magnetfeld lediglich zur Separation der DNA-Moleküle von den magneti­ schen Partikeln abgeschaltet. Vor Ausleiten der DNA-Abschnitte wird das Magnet­ feld wieder aktiviert, damit die magnetischen Partikel möglichst nicht mit den DNA-Abschnitten herausgepült werden. Eine dritte Einlaßöffnung 85 zur Zuführung einer Spüllösung, wie beispielsweise Wasser oder einem Glycin/HCl-Puffer, ist über die Kanäle 75, 77, 71 ebenfalls mit der Reinigungskammer 8 verbunden. Der Zufluß durch die verschieden Kanäle zur Reinigungskammer 8 wird von steuerbaren Venti­ len 80-82 geregelt.

Das in den Fig. 6 und 7 dargestellte Ventil 80 - ebenso wie die Ventile 50, 51, 82 - unterscheidet sich von dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ventil 60 im wesentli­ chen darin, daß zwei zulaufende Kanäle 76, 77 in unmittelbarer Nähe des Ventils 80 in einen ablaufenden Kanal 71 münden. Der Kanal 77, der in den Fig. 6 und 7 senkrecht zur Zeichenebene verläuft, ist permanent mit dem Kanal 71 verbunden und nicht mittels des Ventils 80 regelbar. Hingegen ist im Kanal 76 unmittelbar stromaufwärts der Mündung in den Kanal 71 eine Erhebung 97 angeordnet, welche in dem zweiten Wafer 4 ausgebildet ist und einen festen Umfangsabschnitt des Kanals 76 bildet. In Schließstellung des Ventils 80 liegt - analog dem Ventil 60 der Fig. 4 und 5 - eine flexible Membran 95 auf der Erhebung 97, welche als dünne Schicht des zweiten Wafers 2 ausgebildet ist und einen flexiblen Umfangsabschnitt des Kanals 76 und ebenfalls der Kanäle 77, 71 bildet. In Offenstellung hebt sich die Membran 95 von der Erhebung 97 ab und läßt durch den Kanal 76 zugeführte Elutionslösung in den Kanal 71 und auch in den Kanal 77 strömen. Zur Ventilbetäti­ gung dient, ähnlich dem Ventil 60, ein mit Druck beaufschlagbarer Druckraum 93 oberhalb der Membran 95 (bezogen auf die Fig. 6 und 7). Elutionslösung, die bei geschlossenen Ventilen 81, 82 in den Kanal 77 strömt, ist unschädlich, da - nach Schließen des Ventils 80 - über den Einlaß 85 zugegebene Spüllösung diese geringen Mengen mitführt und über den Kanal 71 zur Reinigungskammer 8 und von dort aus weiterleitet. Auf diese Weise wird die Elutionslösung mittels der Spüllö­ sung vollständig aus der Vorrichtung 1 ausgetragen. Rückstände der Elutionslösung können sich nicht ablagern. Auf gleiche Weise wird z. B. mittels des Ventils 50 gewährleistet, daß über den Kanal 46 zugeführte Ausgangs-DNA vollständig in die Reaktionskammer 6 gelangt.

Gegebenenfalls weisen die Ventile 50, 51, 80, 82 eine zusätzliche Membran sowie einen zusätzlichen, separat beaufschlagbaren Druckraum zur Regelung auch des anderen zulaufenden Kanals auf (nicht dargestellt).

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind zwei die Reinigungskammer 8 verlassende Kanäle 72, 73 vorgesehen, die jeweils über ein Ventil 88, 89 kon­ trollierbar sind. Der eine austragende Kanal 73 mündet in einen Abfallauslaß 87, durch welche eine durch die Reinigungskammer 8 und ggf. durch die Reaktions­ kammer 6 geleitete Spüllösung abgeführt wird. Dem anderen, zur Austragung der amplifizierten DNA-Moleküle dienenden Kanal 72 ist eine piezoelektrische Pumpe 90 zwischengeschaltet, welche die in der Elutionslösung gelösten DNA-Moleküle durch den Auslaß 99 konzentriert beispielsweise auf eine dünne Schicht 100 aufträgt, welche bei einer anschließenden massenspektrometrischen DNA-Bestim­ mung durch Ionisierung mit matrixunterstützter Laserdesorption in einem Flugzeit­ massenspektrometer in bekannter Weise verwendbar ist.

Claims (25)

1. Mikrosystemtechnische Vorrichtung (1) zur DNA-Amplifizierung mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), mit
einem ersten Wafer (2) und einem mit dem ersten Wafer (2) sandwichartig ver­ bundenen zweiten Wafer (4),
einer Reaktionskammer (6) zwischen den Wafern (2, 4),
mindestens einem in die Reaktionskammer (6) mündenden, eintragenden Kanal (40)
und einem von der Reaktionskammer (6) abgehenden, austragenden Kanal (42), und
einer Heizvorrichtung (23, 24, 25) zum Aufheizen und einer Kühlvorrichtung (36, 37) zum Abkühlen der Reaktionskammer (6),
dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Wafer (2, 4) im Bereich der Reaktionskammer (6) eine Aussparung (10, 12) auf seiner Außenseite auf­ weist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer (2, 4) den Hohlraum der Reaktionskammer (6) bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer (2, 4) zur Bildung von zur Reaktionskammer (6) hinführenden und ggf. von der Reaktionskammer (6) fortführenden Kanälen (40, 42, 46-48).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die außenseitigen Aussparung(en) (10, 12) im wesentlichen über die gesamte zur Außenseite projizierten Fläche der Reaktions­ kammer (6) erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (23, 24, 25) mindestens einen Heizleiter (23) umfaßt, welcher in der Reaktionskammer (6) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (23) in einer elektrisch isolierenden Schicht (20) in der Reaktionskammer (6) eingebettet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (36, 37) eine oder mehrere Düsen (36) im Bereich der außenseitigen Aussparung(en) (10, 12) zur Konvektions­ kühlung der Waferoberfläche umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (36, 37) Kühlrippen (37) in der/den außenseitigen Aussparung(en) (10, 12) umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch stromaufwärts der Reaktionskammer (6) angeordnete Kanäle (46-49) zur Zuführung von DNA-Lösungen, Reaktionslösungen und/oder Spüllö­ sungen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischvorrichtung (45) in einem eintragenden Ka­ nal (40) angeordnet ist, in welchen stromaufwärts der Mischvorrichtung (45) mindestens zwei Kanäle (46-49) münden.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß pneumatisch betriebene Ventile (50, 51, 52) und/oder Pumpen zur Durchlaßregulierung der Kanäle (40, 42, 46-49) in die Anord­ nung der Wafer (2, 4) integriert sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Oberflächen der Reaktionskammer (6) sowie ggf. der Kanäle (40, 42, 46-49) zur Vermeidung von Wechselwirkungen mit in den Lösungen suspendierten Molekülen inertisiert sind.

13. Mikrosystemtechnische Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprü­ che 1 bis 12, welche zwei sandwichartig verbundene erste und zweite Wafer (2, 4) und eine Reaktionskammer (6) zur DNA-Amplifizierung mittels einer PCR-Reak­ tion zwischen den Wafern (2, 4) umfaßt, gekennzeichnet durch eine Reinigungskammer (8) zwischen den beiden Wafern (2, 4) zur Aufreinigung der amplifizierten DNA-Moleküle, mindestens einen in die Reinigungskammer (8) mündenden, eintragenden Kanal (70), der mit einem austragenden Kanal (42) der Reaktionskammer (6) verbunden ist, und mindestens einen von der Reinigungskammer (8) abgehenden, austragenden Kanal (72, 73).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer (2, 4) den Hohlraum der Reinigungskammer (8) bilden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch innenseitige Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer (2, 4) zur Bildung von zur Reinigungskammer (8) hinführenden bzw. von der Reinigungskammer (8) fortführenden Kanälen (70-77).

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch einen stromaufwärts der Reinigungskammer (8) angeord­ neten Kanal (74) zur Zuführung einer Suspension magnetischer Partikel, welche angelagerte Streptavidin-Gruppen zur Bindung an Biotin- oder Avidin-Gruppen aufweisen, welche an Primersequenzen eines amplifizierten DNA-Moleküls angela­ gert sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch mindestens einen Magneten (98) im Bereich der Reinigungs­ kammer (8) zur Immobilisierung der an den magnetischen Partikeln haftenden DNA-Moleküle.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Reinigungskammer (8) weit­ gehend dauerhaft mit Streptavidin-Gruppen belegt sind, an welche jeweils an Primersequenzen eines amplifizierten DNA-Moleküls angelagerte Biotin- oder Avidin-Gruppen binden.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch stromaufwärts der Reinigungskammer (8) angeordnete Ka­ näle (71, 75-77) zur Zuführung von Elutionslösungen zur Trennung der DNA-Moleküle von den die Streptavidin-Gruppen aufweisenden Partikeln bzw. Kammer­ oberflächen und/oder zur Zuführung von Spüllösungen zur Spülung der Reini­ gungskammer (8).

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, gekennzeichnet durch eine Heizvorrichtung (27, 28, 29), insbesondere wie in den Ansprüchen 5 und 6 beschrieben, und/oder eine Kühlvorrichtung, insbesondere wie in den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben, im Bereich der Reinigungskammer (8) sowie pneumatisch betriebene Ventile, insbesondere wie in Anspruch 12 beschrie­ ben, und/oder Pumpen zur Durchlaßregulierung der Kanäle (70-77).

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Wafer (2, 4) im Bereich der Reinigungskammer (8) eine Aussparung (14) auf seiner Außenseite aufweist. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, gekennzeichnet durch eine piezoelektrische Pumpe (90) in einem austragenden Kanal (72) der Reinigungskammer (8).

23. Mikrosystemtechnische Vorrichtung (1), insbesondere nach einem der An­ sprüche 1 bis 22, mit
einem ersten Wafer (2) und einem mit dem ersten Wafer (2) sandwichartig ver­ bundenen zweiten Wafer (4), und
mit innenseitigen Aussparungen in dem ersten und/oder zweiten Wafer (2, 4) zur Bildung von Kanälen (40, 42, 46-49, 70-77) zwischen den beiden Wafern (2, 4), gekennzeichnet durch mindestens ein Ventil (50; 51; 80; 82) im Bereich des Zusammenlaufs eines ersten Kanals (46; 48; 76; 74) und eines zweiten Kanals (47; 49; 77; 75) zu einem dritten Kanal (40; 47; 71; 77), und durch eine als flexible Schicht des ersten oder zweiten Wafers (2, 4) ausgebildete Membran (95), die einen flexiblen Umfangsabschnitt der Wandung des ersten Kanals (46; 48; 76; 74) bildet, wobei sich der flexible Umfangsabschnitt in Schließstellung des Ventils (50; 51; 80; 82) gegen einen gegenüberliegenden festen Umfangsabschnitt der Wandung des ersten Kanals (46; 48; 76; 74) anlegt und sich in Offenstellung des Ventils (50; 51; 80; 82) von dem festen Umfangsab­ schnitt (97) abhebt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Umfangsabschnitt eine Erhebung (97) des ersten oder zweiten Wafers (2, 4) zwischen den Aussparungen für den ersten Kanal (46; 48; 76; 74) einerseits und für den zweiten (47; 49; 77; 75) und dritten Kanal (40; 47; 71; 77) andererseits aufweist, an welcher die Membran (95) in Schließstellung des Ventils (50; 51; 80; 82) dichtend zur Anlage kommt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, gekennzeichnet durch einen Druckraum (93) auf der kanalabgewandten Seite der Membran (95), wobei sich die Membran (95) bei Beaufschlagung des Druckraums (93) mit einem Überdruck an dem festen Umfangsabschnitt anlegt und bei Anlegen eines Unterdrucks in dem Druckraum (93) von dem festen Umfangsabschnitt abhebt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine den Druckraum (93) abdeckende Deckfolie (94), welche eine Öffnung (96) zum Anschluß einer Saug- und/oder Druckpumpe aufweist.