DE20022875U1 - Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von flüssigen Substanzen - Google Patents

Description

I U1234 Patentanwaltsbüro Pfeiffer & Partner, Winzerlaer Str. 10, 07745 Jena I

Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von flüssigen Substanzen
Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontrollierten Aufnahme und Abgabe von flüssigen Substanzen, vorzugsweise zur Aufnahme und Abgabe aus respektive in Mikro- und Nanotiterplatten, wobei gleichzeitig bevorzugt alle Kavitäten wenigstens einer Zeile einer Titerplatte erfaßt werden können.

&iacgr;&ogr; Im makroskopischen Bereich sind Saugheber zur Aufnahme größerer Volumina bekannt, bei denen voneinander gleichbeabstandete Pipetten in Form eines Rechens vorgesehen sind, wobei alle Pipetten gemeinsam mit einem mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbaren Ballon, Kolben oder ähnlichen Baugruppe verbunden sind, so daß gleichzeitig aus mehreren nebeneinander angeordneten Behältnissen eine flüssige Substanz entnommen werden kann.

Auch ist ein Reaktor für mikrochemische und/oder mikrobiologische Reaktionen, der eine Pipette mit einem Dosieransatz umfaßt, bekannt (DE 196 42 777 Al), wobei in der Pipette in der Nähe ihres unteren, verengten Endes ein reaktiver Festphasenträger mit mindestens einem immobilisierten Reaktionspartner vorgesehen ist. Derartige Bauformen, wie auch in DE 197 23 469 Al beschriebene, lassen sich aus mechanischen Gründen nicht beliebig miniaturisieren und sind auch nicht Gegenstand vorliegender Erfindung.

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Vorzugsweise ist die Oberfläche dieser Erhebung außen und innen hydrophob bzw. Lösungsmittel abweisend durch eine chemische Beschichtung oder durch eine physikalische Strukturierung oder Kombinationen von beiden (z.B. einer selbstreinigenden Oberfläche "self cleaning surface') auszuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit Hilfe derer aus Mikro- oder Nanotiterplatten gleichzeitig eine Vielzahl auch unterschiedlicher flüssiger Substanzen aumehmbar, im selben Raster in, wenn gefordert, definierten Teilvolumina wieder abgebbar sind und die Möglichkeit zur Durchführung einer oder mehrerer chemischer oder

biologischer Reaktionen in der Vorrichtung selbst gegeben und eine gleichzeitige Aufnahme von flüssigen Substanzen unterschiedlicher Viskosität ermöglicht sein soll.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Schutzanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß zumindest in einer Zeile voneinander gleichbeabstandete Kapillarkanülen vorgesehen sind, die

&iacgr;&ogr; gemeinsam mit einer mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbaren Kammer in eine kommunizierende Verbindung gebracht sind, wobei die Kapillarkanülen in eine Platte eingelassen sind und zumindest den druckkammerinnenseitigen Kapillarkanülenenden eine siebartige Membran zugeordnet ist und oberhalb jedes Kapillarkanülenendes jeweils ein Raum

is zur Aumahmemöghchkeit einer flüssigen Substanz vorgesehen ist, innerhalb derer die Möglichkeit zur Durchführung chemischer oder biologischer Reaktionen besteht, wobei die Räume voneinander getrennt und alle Räume gemeinsam innerhalb der mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbaren Kammer angeordnet sind, wobei die Kapillarkanülen so ausgeführt sind, daß ihr Innenvolumen kleiner ist, als das von jeder Kapillare zugeordneten Raum aufhehmbaren Volumen.

Vorliegende Erfindung erlaubt einen hochparallelen Flüssigkeitstransfer und die Entnahme von Substanz, insbesondere aus beliebig ausgeführten Mikro- oder Naraotiterplatten oder vergleichbaren Behältnissen.

Die vorgeschlagene Vorrichtung kann sowohl für festphasengekoppelte Synthesen als insbesondere auch für eine Flüssigphasen-Synthesen in allen Varianten Verwendung finden. Der entscheidende Vorteil der Vorrichtung besteht darin, daß gleichzeitig definierte Volumina unterschiedlicher Viskosität aufhehm- und abgebbar sind, wobei ein hochparalleler und effizienter Flüssigkeitstransfer gewährleistet ist.

Vor allem Transferoperationen für Anwendungen im Bereich Bioassay können mit dieser Vorrichtung wirkungsvoll durchgeführt werden, z.B. Verdünnungsreihen von Librarysubstanzen im Assay.

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So kann man u.a. auch nach Waschen, Einbringen der Targetsubstanz in Lösung und nach Fotoabspaltung der synthetisierten Bibliotheks-Substanzen Bioassays realisieren. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit besteht in der Entnahme von Substanzen für weitere Analysenprozesse durch Übertrag in entsprechende Analysengefaße. Die durch die Vorrichtung ermöglichte Integration von Bioassay und Synthese erlaubt dabei ebenso eine softwaregestützte Auswertung.

&iacgr;&ogr; Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Ausfiihrungsform der Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von flüssigen Substanzen in einem Längsschnitt;

Fig. 2a eine erste Ausfuhrungsmöglichkeit von erfindungswesentlichen Teilen der Vorrichtung,

Fig. 2b eine zweite Ausfuhrungsmögüchkeit von erfindungswesentlichen Teilen der Vorrichtung,

Fig. 2c eine dritte Ausfuhrungsmöglichkeit von erfindungswesent

lichen Teilen der Vorrichtung,

Fig. 3 eine bevorzugte Ausfuhrungsmöglichkeit der Vorrichtung unter Bildung von Räumen definierten Volumens innerhalb derer Reaktionen durchgeführt werden können und Fig. 4 beispielhaft eine untere Ansicht der Vorrichtung, die in

mehreren Zeilen und Spalten mit Kanülen versehen ist, deren gegenseitige Beabstandung dem Kavitätenraster einer vorlegbaren Titerplatte entspricht.

Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Ausfuhrungsform der Vorrichtung in einem Längsschnitt. Dabei sind in einer Zeile voneinander gleichbeabstandete Kapülarkanülen 1 vorgesehen, die gemeinsam mit einer mit einem Über- oder Unterdruck über einen Stutzen 8 beaufschlagbaren Kammer 2 in eine kommunizierende Verbindung gebracht sind, wobei die Kapillarkanülen 1, welche insbesondere als Stahlkanülen ausgebildet sind, die in eine Platte 3 eingelassen und durch eine Verklebung fixiert sind.

Zumindest den druckkaramerinnenseitigen Kapillarkanülenenden 11, die im Beispiel bündig mit der druckkammerseitigen Ebene der Platte 3 abschließen, ist zunächst eine siebartige Membran 4 zugeordnet, oberhalb derer jedem Kapillarkanülenende jeweils ein Raum 5 zur Aufnahme einer flüssigen Substanz vorgesehen ist, wobei die Räume 5 voneinander getrennt und alle Räume 5 gemeinsam innerhalb der mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbaren Kammer 2 angeordnet sind, wodurch gewährleistet ist, daß alle Kapillarkanülen 1 mit einem identischen Druck beaufschlagbar sind. Je nach Ausfuhrung, d.h. je nach Größe der

&iacgr;&ogr; vorgesehenen Perforationen der siebartigen Mambranen 4 kann im Beispiel nach Fig. 1 erreicht werden, daß ein den jeweiligen Kapülarkanülen vorgelegtes definiertes Volumen bei hinreichendem Unterdruck bis in die Räume 5 hineingezogen werden kann, oder bei hinreichend kleiner Perforation der siebartigen Membranen 4, in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der jeweiligen flüssigen Substanzen, lediglich von einem beliebig vorgelegten Volumen ausschließlich die Kapillarkanülen 1 bis zur Membran 4 befällt werden, weil die siebartigen Membranen 4 einen Durchtritt der flüssigen Substanzen verhindern. Im letzteren Fall wird also auch wieder ein definiertes Volumen der flüssigen Substanzen aufgenommen, wobei hier der Vorteil besteht, daß Substanzen unterschiedlicher Viskosität mit ein und der selben Vorrichtung gleichzeitig aufgenommen werden können.

Im Beispiel soll jedem Raum 5, wenn er als Reaktionsraum genutzt werden soll, ein Volumen von 10 nl bis 2 &mgr;&idiagr; gegeben sein. Den zugeordneten Kapillaren soll ein Volumen von 1 nl bis 120 nl gegeben sein. Je nach den konkreten Gegebenheiten sind beliebig andere Dimensionierungen bezüglich der genannten Volumina möglich, jedoch muß, im Fall, daß in den Räumen 5 Reaktionen durchgeführt werden sollen gewährleistet sein, daß den jeweiligen Räume 5 ein größeres Volumen als den ihnen zugeordneten Kapillarkanülen gegeben ist, um ein Übersprechen von Reaktionsflüssigkeiten zwischen den Räumen 5 zu unterbinden.

Figur 2a zeigt eine 'erste Ausführungsmöglichkeit von erfindungswesentliehen Teilen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. Bei diesem Beispiel sind die genannten Räume 5 und die siebartigen Membranen 4 durch ein

einstückiges Bauteil 6 gebildet, in das mehrere Ausnehmungen zur Bildung der Räume 5 bis in einen Bodenbereich 61 eingebracht und die jeweils verbleibenden Bodenbereiche mit einer Perforation 62 versehen sind.

Figur 2b zeigt eine zweite Ausfuhrungsmöglichkeit von erfindungswesentlichen Teilen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. In diesem Beispiel sind die Räume 5 durch ein Bauteil 6 gebildet, in das zunächst mehrere durchgehende Ausnehmungen 63 eingebracht sind, die an der den Kapillarkanülen 1 zugewandten Seiten mit separaten siebartigen

&iacgr;&ogr; Membranen 4 versehen sind.

Schließlich zeigt Figur 2c eine dritte Ausfuhrungsmöghchkeit von erfindungswesentlichen Teilen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. In diesem Beispiel ist die siebartige Membran 4 durch eine durchgängige, alle Ausnehmungen 63 gemeinsam erfassende Membran gebildet, die als Netz zwischen die Platte 3 und das Bauteil 6 durch Verklebung eingebracht ist.

Eine bevorzugte Ausfuhrungsmöglichkeit der Vorrichtung unter Bildung von Räumen 5 definierten Volumens, innerhalb derer Reaktionen durchgeführt werden können, ist in Figur 3 dargestellt. Dabei sind zwei einstückige Silizium- oder Glaswafer 6a und 6b vorgesehen, in die jeweils deckungsgleich Ausnehmungen bis in den Bodenbereich eingebracht und jeweils siebartige Membranen 4; 7 durch an sich bekanntes und deshalb hier nicht weiter zu erläuterndes selektives Ätzen in die verbleibenden Bodenbereiche eingebracht sind. Die so gefertigten Wafer 6a und 6b werden an der den siebartigen Membranen 4; 7 gegenüberliegenden Seite miteinander durch anodisches Bonden, Kleben oder andere Fügetechniken miteinander verbunden, wobei dies ebenfalls gängige Methoden darstellen, die hier keiner weiteren Erläuterung bedürfen.

Andere Fertigungsverfahren zur Herstellung der den vorstehend beschriebenen Wafem 6a, 6b entsprechenden Ausfuhrungsformen, wie bspw. in PE geformte Strukturen, mit Hufe derer ebenfalls Siebe mit Öffnungen zwischen 0,5 &mgr;&idiagr;&eegr; und 35 &mgr;&idiagr;&eegr; und Kammergrößen der Reaktionsräume 5 zwischen 10 nl und 8 &mgr;&idiagr; realisierbar sind, liegen ebenso im Rahmen der Erfindung.

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Wesentlich bei vorstehend beschriebenen Beispiel ist, daß der oberhalb jedes Kapillarkanülenendes vorgesehene, durch die in den beiden Wafem 6a, 6b vorgesehenen Ausnehmungen gebildete Raum 5 an der der Druckkammer 2 (in Fig. 3 nicht dargestellt) zugewandten Seite von einer zweiten siebartigen Membran 7 gasdurchlässig verschlossen ist, wobei die Perforationen dieser zweiten Membran 7, in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der zum Einsatz gelangenden flüssigen Substanz und der Größe eines angelegten Unterdrucks, soweit kleiner als die der den druckkammerinnenseitigen Kapillarkanülenenden 11 zugeordneten

&iacgr;&ogr; siebartigen Membran 4 ausgeführt sind, daß ein Flüssigkeitsdurchtritt durch die zweite siebartige Membran 7 verhindert ist. Im Beispiel ist dabei der siebartigen Membran 4 eine Sieblochbreite von 10 &mgr;&pgr;&igr; und der Membran 7 eine Sieblochbreite von 1 &mgr;&pgr;&igr; gegeben. Die jeweiligen Räume 5, in denen jeweils eine Reaktion durchgeführt werden soll, weisen im Beispiel ein Volumen von 1 &mgr;&idiagr; und die Kapillarkanülen 1 ein Fassungsvolumen von 100 nl auf.

Eine Flüssigkeitsreaktion kann beispielhaft wie folgt durchgeführt werden: Fünf verschiedene gelöste Reagenzien werden jeweils nacheinander mit der Vorrichtung durch einen entsprechend eingestellten Unterdruck aufgenommen und durch das kapillarseitige Sieb 4 gezogen, so daß das Volumen im Reaktionsraum verbleibt. Jedes weitere aufgenommene Volumen wird während dieses Prozesses mit den im Reakionsraum befindlichen vermischt. Die feinporigere Membran 7 verhindert den Flüssigkeitsdurchtritt in die Kammer 2. Je nach den für die Vorrichtung eingesetzten Materiahen lassen sich auch Reaktionen bei erhöhter Temperatur durchfuhren.

Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, die mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbare Kammer 2 von der Platte 3 lösbar (wie in Fig. 1 angedeutet) oder zumindest oberhalb der Ausnehmungen 63 eröffenbar auszufuhren (nicht näher dargestellt), um eine zweite Zugangsmöglichkeit zu den Räumen 5 zu schaffen, so daß die Räume 5, im Fall von Ausführungen nach den Figuren 1 und 2a bis 2c von oben, ggf. mit einer zweiten, analog zur beschriebenen Vorrichtung ausgebildeten Vorrichtung mit einem Agens befüllbar sind. Ebenso kann bei der

vorgesehenen Eröfmungsmöglichkeit der Kammer 2 ein flächiges Überschwemmen der Räume 5 realisiert werden.

Wenn im Rahmen der vorstehenden speziellen Beschreibung von siebartigen Membranen die Rede ist, fallen darunter auch Strukturen mit unregelmäßig verteilten Öffnungen respektive Durchlässen, wie bspw.

Fritten, so sie die gleiche Funktion wie die siebartigen Membranen erfüllen.

Im Extremfall könnte die Funktion genannter Membranen jeweils auch

durch ein einzelnes, hinreichend kleines Loch realisiert sein, was jedoch &iacgr;&ogr; nicht unbedingt eine bevorzugte Ausfuhrungsform darstellt.

Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, die Wandungen der Räume 5, zumindest die Innenwandungen Kapillarkanülen 1 und die Oberflächen der siebartigen Membranen 4; 7 mit einer hydrophoben Oberfläche und/oder einer selbstreinigenden physikalischen MikroStruktur (Lotos-Effekt) oder mit einem Lösungsmittel abweisenden Detergenz zu versehen, was die erforderliche Reinigung der Vorrichtung erleichtert.

Schließlich zeigt Figur 4 beispielhaft eine untere Ansicht einer Vorrichtung, wobei in die Platte 3 matrixartig und der Kavitätenverteilung einer vorgelegten, hier nicht dargestellten Titerplatte korrespondierend eine Vielzahl von in Zeilen Z und Spalten Sp voneinander gleichbeabstandete Kapillarkanülen 1 eingebracht sind, denen jeweils ein in Fig. 4 nicht dargestellten Raum 5 zur Aumahmemöglichkeit einer flüssigen Substanz zugeordnet ist.

-S-

BezuRszeichenliste	Kapillarkanüle
1	Kapillarkanülenenden
11 -	(Druck)kammer
2	Platte
3	siebartige Membranen
4,7 .-	(Reaktions)raum
	einstückiges Bauteil
6	Bodenbereich des Bauteils 6
61 -	Perforation im Bodenbereich 61
62 -	durchgehende Ausnehmungen
63 -	Stutzen
8	Zeilen
Z	Spalten
Sp -

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von flüssigen Substanzen, wobei zumindest in einer Zeile voneinander gleichbeabstandete Kapillarkanülen (1) vorgesehen sind, die gemeinsam mit einer mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbaren Kammer (2) in eine kommunizierende Verbindung gebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarkanülen (1) in eine Platte (3) eingelassen sind und zumindest den druckkammerinnenseitigen Kapillarkanülenenden (11) eine siebartige Membran (4) zugeordnet ist und oberhalb jedes Kapillarkanülenendes jeweils ein Raum (5) zur Aufnahmemöglichkeit einer flüssigen Substanz vorgesehen ist, wobei die Räume (5) voneinander getrennt und alle Räume (5) gemeinsam innerhalb der mit einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbaren Kammer (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Räume (5) und die siebartigen Membranen (4) durch ein einstückiges Bauteil (6) gebildet sind, in das mehrere Ausnehmungen bis in einen Bodenbereich (61) eingebracht sind und die jeweils verbleibenden Bodenbereiche mit einer Perforation (62) versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Räume (5) durch ein Bauteil (6) gebildet sind, in das mehrere durchgehende Ausnehmungen (63) eingebracht sind, die an der den Kapillarkanülen (1) zugewandten Seite mit der siebartigen Membran (4) versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die siebartige Membran (4) durch eine durchgängige, alle Ausnehmungen (63) gemeinsam erfassende Membran gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Bauteil (6) durch ein Silizium- oder Glaswafer gebildet ist, in das die Ausnehmungen bis in den Bodenbereich eingebracht und die siebartigen Membranen (4) durch selektives Ätzen die verbleibenden Bodenbereiche eingebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oberhalb jedes Kapillarkanülenendes vorgesehene Raum (5); an der der Druckkammer (2) zugewandten Seite von einer zweiten siebartigen Membran (7) gasdurchlässig verschlossen ist, wobei die Perforationen dieser zweiten Membran (7), in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung der zum Einsatz gelangenden flüssigen Substanz und der Größe eines angelegten Unterdrucks, soweit kleiner als die der den druckkammerinnenseitigen Kapillarkanülenenden (11) zugeordneten siebartigen Membran (4) ausgeführt sind, daß ein Flüssigkeitsdurchtritt durch die zweite siebartige Membran (7) verhindert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Räume (4) durch zwei einstückige Silizium- oder Glaswafer (6a, 6b) gebildet sind, in die deckungsgleich Ausnehmungen bis in den Bodenbereich eingebracht und die siebartigen Membranen (4; 7) durch selektives Ätzen in die verbleibenden Bödenbereiche eingebracht sind und diese Wafer an der den siebartigen Membranen (4; 7) gegenüberliegenden Seite miteinander durch anodisches Bonden, Kleben oder andere Fügetechniken miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit, einem Über- oder Unterdruck beaufschlagbare Kammer (2) von der Platte (3) lösbar oder zumindest oberhalb der Ausnehmungen (63) eröffenbar ausgeführt ist, um eine zweite Zugangsmöglichkeit zu den Räumen (5) zu schaffen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Räume (5), der Kapillarkanülen (1) und die Oberflächen der siebartigen Membranen (4; 7) mit einer hydrophoben Oberfläche und/oder einer selbstreinigenden physikalischen Mikrostruktur (Lotos-Effekt) oder mit einem Lösungsmittel abweisenden Detergenz versehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarkanülen (1) durch in die Platte (3) eingeklebte Stahlkanülen gebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Platte (3) matrixartig und der Kavitätenverteilung einer vorgelegten Titerplatte korrespondierend eine Vielzahl von in Zeilen (Z) und Spalten (Sp) voneinander gleichbeabstandete Kapillarkanülen (1) eingebracht sind, denen jeweils ein Raum (5) zur Aufnahmemöglichkeit einer flüssigen Substanz zugeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kapillarkanüle (1) so ausgeführt ist, daß ihr Innenvolumen kleiner ist, als das von dem ihr zugeordneten Raum (5) aufnehmbaren Volumen.