DE60033394T2

DE60033394T2 - Pneumatische steuerung der bildung und des transports von flüssigproben kleinen volumens

Info

Publication number: DE60033394T2
Application number: DE60033394T
Authority: DE
Inventors: H. Carlton Groton PAUL
Original assignee: PerSeptive Biosystems Inc
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: EP1192437B1; US6193471B1; WO2001001106A1; JP2003503184A; EP1192437A1; DE60033394D1

Description

Hintergrund der Erfindung
(a) Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System sowie Systemelemente zur steuernden Bildung und Bewegung kleiner Flüssigkeitsvolumina mittels gesteuerter Gasdrücke. Spezieller bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und ein System sowie Systemelemente zum Ausblenden (bzw. Sperren), Transportieren und Mischen kleiner Volumina von Flüssigkeitsproben, wobei die Flüssigkeitsproben behandelt oder analysiert werden.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Fluidschaltkreise erfordern Tore bzw. Sperren zur Steuerung der Fluidbewegung. Derzeit gibt es jedoch keinen annehmbaren Mechanismus oder annehmbares Verfahren, um Fluidvolumina zu steuern, die kleiner sind als etwa 100 Nanoliter. Bei Maßen kleiner als das Mikroliter-Maß sind mechanische Dichtungen sowohl unwirksam als auch unpraktisch herzustellen.
Vor der vorliegenden Erfindung wurden Versuche unternommen, um kleine Flüssigkeitsvolumina im Nanoliterbereich zu verarbeiten, um eine chemische Reaktion, Analyse oder dergleichen durchzuführen. Z. B. wurden mikrofluidische Kapillarschaltkreise verwendet, um die Bewegung kleiner Volumina von Flüssigkeitsproben dadurch zu steuern, daß man große Spannungen an die Proben anlegt. Die Spannungen induzieren einen elektroosmotischen Fluß, welcher die Steuerung der Richtung und der Fließgeschwindigkeit der flüssigen Proben erlaubt. Es gibt jedoch Umfeld-bedingte Bedingungen, die mit dem Spannungseinfluß zum Bewirken eines hydrodynamischen Fluidstromes im Wettbewerb stehen, einschließlich jenen, welche durch kleine Druckgradienten herbeigeführt sind. Ein elektroosmotischer Fluß ist auch auf Veränderungen in der ionischen Zusammensetzung des Fluids empfindlich und auch Faktoren, wie z. B. die Temperatur, so daß die Steuerung der Fließraten durch dieses Verfahren bestenfalls ungenau ist. Außerdem ist der elektroosmotische Fluß manchmal für die Schaltkreisfunktion schädlich, und die Unterdrückung der elektroosmotischen Steuerung beläßt eine kleine äußere Steuerung. Da die mikrofluidischen Schaltkreise komplizierter werden, stellt die elektroosmotische Steuerung nicht eigentlich eine Isolierung unterschiedlicher Teile des Schaltkreises zur Verfügung. Infolge dessen ist die Gestaltung mikrofluidischer Schaltkreise, welche durch elektroosmotische Kräfte gesteuert werden, nur auf einfache Schaltungsgestaltungen begrenzt.
Es wurde auch vorgeschlagen, mechanische Ventile in sehr kleinen Fluidschaltkreisen vorzusehen. Da jedoch die Oberflächenbeschaffenheit der meisten Materialien bei Mikron-Maßen nicht gleichmäßig ist, sind Vorrichtungen, wie z. B. mechanische Ventile, unzuverlässig. Ferner ist das Problem des Ausfluchtens eines mechanischen Ventils mit einer oder mehreren Fluidleitungen bei Mikron-Maßen extrem schwierig. Bei einer anderen Ausführungsform von im Mikrobereich bearbeiteten Ventilen werden Silizium-Membranen mit kleinen Maßen hergestellt, die als Ventilverschlüsse verwendet werden sollen, aber die Betätigungsmechanismen für diese Membranen waren für den Flüssigkeitstransport im Nanolitermaßstab nicht geeignet. Deshalb sind von einem praktischen Standpunkt aus mechanische Ventile, welche aus diesen Materialien hergestellt sind, nicht nützlich in Systemen zum Transportieren von kleinen Flüssigkeitsvolumina, z. B. dem Volumen im Nanoliterniveau. Es wurde auch vorgeschlagen, nichtmechanische Mittel zu verwenden, um Fluidbewegungen in Kapillaren zu steuern. Das Konzept des Verwendens von Menisken zur Steuerung von Fluidbewegungen in Kapillaren wurde extensiv in Vorrichtungen angewendet, wie z. B. in der Lang-Levy-Mikropipette. Vor der vorliegenden Erfindung wurden jedoch die Menisken aus verschiedenen Gründen in einem mikrofluidischen Kapillarsystem nicht verwendet. Der Hauptgrund bestand darin, daß es kein steuerbares Verfahren gab für das Erzeugen von Menisken in einer Flüssigkeitskapillare und zum Entfernen der Menisken aus einer Flüssigkeitskapillare. Derzeit werden Menisken in Kapillaren weitgehend als unerwünscht betrachtet, und es wurden erhöhte Bemühungen unternommen, um jegliche Blasenquellen (die üblichste Meniskenform) zu verhindern, einschließlich Kavitation oder Entgasen. In derzeitigen Flüssigkeitstransportsystemen werden Bläschen an besonderen Stellen in den Systemen eingefangen und behindern in unerwünschter Weise den Flüssigkeitsfluß oder gefährden die Leistung auf andere Weise.
Es wäre daher höchst wünschenswert, ein Verfahren und ein System zum Transportieren von kleinen Volumina flüssiger Proben z. B. auf dem Nanoliterniveau zur Verfügung zu stellen. Außerdem wäre es wünschenswert, ein solches Verfahren und ein System vorzusehen, welches die Einlagerung und/oder das Entfernen von Menisken aus einer Flüssigkeitsprobe ermöglicht. Weiterhin wäre es wünschenswert, ein solches Verfahren und System vorzusehen, welches den Transport exakt kleiner Volumina einer Flüssigkeitsprobe aus einem Speichermittel zu einer Anwendungsstelle zu ermöglichen, um eine präzise Behandlung der Probe zu gestatten, wie z. B. der Analyse oder einer Reaktion. Weiterhin wäre es erwünscht, ein solches Verfahren und System zur Verfügung zu stellen, welches das Mischen zweier oder mehrerer Flüssigkeiten erlaubt. Ein solches Verfahren und System würde es dem Benutzer erlauben, kleine Proben zu einer Anwendungsstelle vorzusehen, während zuverlässige Ergebnisse an der Anwendungsstelle zur Verfügung gestellt werden, z. B. bei einer Analyse oder Reaktion.
US-A-4 426 451 offenbart ein Reaktionsgefäß, in welchem ein Flüssigkeitstransport durch eine Kapillaranziehung vorgesehen wird. Dieses Reaktionsgefäß wird angeordnet, um vorübergehend den Flüssigkeitstransport anzuhalten und danach wieder in Gang zu setzen, und zwar unter Verwendung eines verengten Durchgangs mit konvergierenden Seitenwandflächen, einem verengten Durchgang und einem Paar von gegenüberliegenden Kanälen.
EP-A-0 501 796 offenbart einen Kapillaranschluß mit Anhalten und Fließen, und zwar mit einer Kapillarkammer mit einem Anschluß zum Anhalten und Fließen an der Stelle des Eintritts in eine nichtkapillare Mischkammer.
EP-A-0 392 851 offenbart eine Meßkammer kapillarer Maße, in welcher eine Probe durch Schwerkraft fließt. Der Probenfluß hält an, wenn die Vorderkante der Probe einen Anschluß mit Anhalten und Fließen an dem Anschluß zwischen einer Probenmeßkammer und einer Aufnahmekammer erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen bestimmt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren und ein System zum Bilden und Transportieren kleiner Volumina flüssiger Proben zur Verfügung, einschließlich Proben mit Nanoliter-Volumina. Weiterhin stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und ein System zur Verfügung zum Einführen von Menisken, Anhalten der Bewegung der Menisken an definierten Stellen in dem System und zum Entfernen der Menisken aus Kapillarvolumina einer Flüssigkeitsprobe. Weiterhin stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und ein System zum Liefern präziser kleiner Volumina an flüssigen Proben zu einer Anwendungsstelle zur Verfügung.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung basieren auf der Entdeckung, daß Menisken in kleinen Kapillarvolumina einer flüssigen Probe gebildet, bewegt, angehalten und entfernt werden können. Die Bildung von Menisken auf einer Flüssigkeitsprobe gestattet die Aufbringung eines außen gesteuerten hydrostatischen Druckes auf die Probe, ohne die Probe sich in einer Kapillare bewegen zu lassen. Hierdurch wird die Bildung präziser Volumina von kapillaren Flüssigkeitsproben ermöglicht. Das Entfernen von Menisken zwischen zwei oder mehr Flüssigkeitsproben erlaubt ein Vermischen der Proben. Allgemeiner ist das Entfernen unerwünschter Bläschen oder Menisken aus einem Kapillarstrom ein wichtiger Teil chemischer Hygiene in Fluidschaltkreisen und insbesondere in sehr kleinen Fluidschaltkreisen.
Die aktive Steuerung von Menisken in einem kapillaren Fluidschaltkreis hängt von der Vorrichtungsgeometrie des Kapillarschaltkreises ab. Das Verhältnis zwischen der Vorrichtungsgeometrie und den Kräften in dem System ist in der Thermodynamik ein interessantes Problem. Die allgemeine Kapillaritätsgleichung von Young und Laplace beschreibt die Druckdifferenz über einen Meniskus, die notwendig ist, um das System im mechanischen Gleichgewicht zu halten. Diese Gleichung demonstriert, daß die Druckdifferenz ΔP von der Oberflächenspannung γ (d.h. die freie Oberflächenenergie pro Einheitsfläche des Meniskus bei Einheiten erg/cm²) und der Form des Meniskus abhängt.
Der Meniskus ist eine dreidimensionale Oberfläche, deren Form durch ihre Krümmungsradien (R₁ und R₂) in zwei orthogonalen Ebenen beschrieben wird. Die Berechnung der Meniskusform benötigt im allgemeinen hochentwickelte mathematische Werkzeuge der Differentialgeometrie. Eine befeuchtete Kapillare in der Gestalt eines einfachen Kreiszylinders hat jedoch einen Meniskus mit einer sehr einfachen Form, wie in 1A gezeigt ist.
Der Meniskus der 1A liegt zwangsläufig parallel zu der kapillaren Wand, wobei der Meniskus in eine Halbkugel gezwungen wird, mit R₁ = R₂ = Radius der Kapillaren. Die gesamte freie Oberflächenenergie des Meniskus ist 2πr²γ. Wenn der Kapillarradius inkrementell um einen Abstand dr verringert wird, verringert sich die freie Oberflächenenergie des Meniskus um 4πrγdr. Beim mechanischen Gleichgewicht wird dies ausgeglichen durch eine Veränderung der Druckdifferenz ΔP über den Meniskus, wo die Arbeit gegen die Druckdifferenz ΔP 2πr²dr beträgt. Das Ergebnis ist ΔP = 2γ/r, die Young-Laplace-Gleichung. Wenn die Kapillare in einer vertikalen Ausrichtung gehalten und in einen Flüssigkeitsvorrat getaucht wird, steigt der Meniskus in der Kapillare, bis ein mechanisches Gleichgewicht erreicht ist, wo der Flüssigkeitssäulendruck im Gleichgewicht zu ΔP besteht. In diesem Falle können die Kapillarkräfte direkt aus der Geometrie der Kapillarvorrichtung berechnet werden (d.h. dem Kapillardurchmesser).
Wenn der Kapillarkanal abrupt endet, flacht normal zu einer ebenen Fläche, wie in 1B gezeigt ist, die Form des Meniskus ab, wenn der Meniskus sich der Öffnung nähert, denn die Meniskusoberfläche wird nicht mehr gezwungen, zu der Kapillarwand parallel zu sein. Infolge dessen wird der Krümmungsradius des Meniskus r' plötzlich unendlich (eine Ebene) und die Druckdifferenz ΔP über den Meniskus verschwindet. Das Ende einer Kapillare verkörpert eine Vorrichtungsgeometrie, die einen Meniskus einfaßt und ihn in mechanischem Gleichgewicht hält. Das Verschwinden der befeuchteten Kapillarwand verändert die Grenzbedingungen, welche die Form des Meniskus bestimmen, wobei eine Barriere für die Bewegung des Meniskus und die Flüssigkeit hinter ihm erzeugt wird.
Die Verwendung der Meniskus-Steuerung basiert auf dem Konzept, daß die freie Oberflächenenergie einer Flüssigkeit bei kleinen Maßen ausgenutzt werden kann, um die Flüssigkeitsbewegung zu steuern. Der eigentliche Mechanismus erfordert, daß die Menisken als ein Mittel zum Austasten oder Ansteuern (Gating) der Flüssigkeit unter äußerer Steuerung gebildet, bewegt, angehalten und aus dem Kapillarstrom entfernt werden können. Ein erstes Element einer Ausführungsform dieser Erfindung weist ein Kapillartor auf, welches diese Menisken verwendet, um die Bewegung einer Flüssigkeit zu steuern. Ein zweites Systemelement einer Ausführungsform dieser Erfindung zum Bewirken des Bildens oder Entfernens von Menisken in einem Kapillarstrom wird hier als „Speichervolumen" bezeichnet. Der Begriff „Speichervolumen", wie er hier benutzt wird, sollte nicht mit dem Erfordernis ausgelegt werden, daß die Flüssigkeit eine beliebige Zeit lang in dem Volumen tatsächlich gespeichert sein sollte.
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Systemelement vorgesehen, welches ein Speichervolumen aufweist mit einer Höhe einer Kapillare, wobei sich das Speichervolumen mit mindestens zwei Kapillarleitungen in Fluidverbindung befindet. Das Speichervolumen hat eine Breite, die größer ist als die Breite einer Kapillare, so daß das Speichervolumen in der Lage ist, ein größeres Flüssigkeitsvolumen pro Einheitslänge im Vergleich zu dem Volumen zurückzuhalten, welches in einer Kapillare derselben Einheitslänge gespeichert ist. Das Speichervolumen befindet sich auch in Fluidverbindung mit einem Gas mit einem gesteuerten Druck, wodurch das Speichervolumen die Möglichkeit hat, als Drucksteuerschwelle auf eine Flüssigkeit in dem Speichervolumen zu wirken. Ein Meniskus wird in dem Speichervolumen an der Grenzfläche einer Flüssigkeit, die von einer kapillaren Einlaßleitung zu dem Speichervolumen gerichtet ist, und dem Gas gebildet, welches dem Speichervolumen zugeführt wird. Die Gestalt dieses Meniskus ist ein Halbtorus bzw. ein Halbtoroid, eine mathematisch einfache Form mit zwei konstanten Krümmungsradien R₁ und R₂ über seine Oberfläche. Die Flüssigkeit gelangt von dem Speichervolumen in eine kapillare Auslaßleitung. Die Flüssigkeit in der kapillaren Auslaßleitung erstreckt sich von dem Speichervolumen zu einem Kapillartor am Ende der kapillaren Auslaßleitung, wo ein zweiter Meniskus auf der Flüssigkeitsoberfläche in der kapillaren Auslaßleitung gebildet wird, der mit einem Gas in dem Kapillartor in Berührung steht. Das Kapillartor arbeitet wie ein Ventil. Die Steuerung des Flüssigkeitsflusses basiert auf der Tatsache, daß die Meniskuskräfte an dem Kapillartor den Fluß der Flüssigkeit in der kapillaren Auslaßleitung anhalten, außer das ein hydrostatischer Druck, der in der kapillaren Auslaßleitung auf die Flüssigkeit ausgeübt wird, die Meniskuskräfte übersteigt.
Bei einer Ausführungsform ist das Kapillartor ein Aufbau ähnlich oder identisch dem Speichervolumen, wobei die Breite der kapillaren Auslaßleitung in einer Dimension abrupt ansteigt, um eine Barriere für die Bewegung einer Fluidfront (Meniskus) zu erzeugen, wodurch eine Austast- bzw. Sperr- bzw. Ventilstelle (Gating Point) gebildet wird.
Bei einer zweiten Ausführungsform ist das Kapillartor eine Öffnung der kapillaren Auslaßleitung auf einer Oberfläche, wobei die Breite der kapillaren Auslaßleitung abrupt in zwei Dimensionen zunimmt. Damit der Fluß in einer Kapillare an dem Tor vorbei fortfährt, muß bei dieser Ausführungsform eine kapillare Ablaufleitung an einer zweiten Fläche positioniert sein, die zu der kapillaren Auslaßleitung gerichtet ist und sich sehr dicht bei dieser befindet, wodurch eine Flüssigkeitsübergangsbrücke sich zwischen der kapillaren Auslaßleitung und der kapillaren Ablaufleitung bilden kann.
Bei einer Anwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher der hydrostatische Druck in der kapillaren Auslaßleitung gesteuert werden kann, um einen Flüssigkeitsfluß zu verhindern oder zu bewirken, kann das Flüssigkeitsvolumen in der kapillaren Auslaßleitung, welche sich von dem Speichervolumen zu dem Kapillartor erstreckt, in derselben Weise wie beim Entleeren einer herkömmlichen Pipette abgegeben werden. Der Gasdruck in dem Speichervolumen wird auf die Flüssigkeit in der kapillaren Auslaßleitung aufgeprägt. Eine Zunahme dieses Gasdruckes läßt das genaue Flüssigkeitsvolumen in der kapillaren Auslaßleitung sich durch das Kapillartor in die kapillare Ablaufleitung bewegen. Durch den Betrieb in dieser Weise kann das genaue Flüssigkeitsvolumen in der kapillaren Auslaßleitung von dem Speichervolumen zu dem Kapillartor zu einer Benutzungsstelle über die kapillare Ablaufleitung übertragen werden. Die Genauigkeit der so abgegebenen Flüssigkeitsvolumina wird durch das Maß der kapillaren Auslaßleitung bestimmt und nicht durch eine Zeitsteuerung einer angenommenen Flüssigkeitsfließrate. Der Druck in dem Kapillartor kann nach dem Übergang erhöht werden, um den Transport der Flüssigkeit in der kapillaren Ablaufleitung zu der Anwendungsstelle zu begünstigen. Gasdrücke in einer Vielzahl von Speichervolumina und Kapillartoren, die in unterschiedlichen Fluidwegen positioniert sind, können gleichzeitig gesteuert werden, so daß komplexe Fluidströmungssysteme erzeugt werden können. Das Fördern von der kapillaren Auslaßleitung, die einen Betrieb wie eine Nanopipette hat, ist ein vorübergehendes Ereignis, welches aus dem Bewegen eines definierten Flüssigkeitsvolumens aus der kapillaren Auslaßleitung zu der kapillaren Ablaufleitung oder einer anderen Benutzungsstelle der Flüssigkeit besteht.
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird auch ein Systemelement für die Steuerung der Gasdrücke der Vielzahl von Gasleitungen in Verbindung mit verschiedenen Speichervolumina und Kapillartoren zur Verfügung gestellt. Die Durchführung des Steuermodells dieser Ausführungsform erfordert, daß die Gasdrücke an einer Vielzahl von Steuerstellen geändert werden, wobei Übergänge zwischen stabilen Zuständen des mikrofluidischen Schaltkreises hervorgerufen werden, die zu einer Bewegung von Fluidpaketen führen. Die Änderungen der Drücke an diesen Steuerstellen sollten synchronisiert werden, und die Größe der Drücke sollte sowohl genau als auch präzise sein (vorzugsweise innerhalb 0,01 psi). Die Drücke können elektronisch sowohl nach oben als auch nach unten programmierbar sein, und es wäre wünschenswert, daß die Ansprechzeit kurz ist (vorzugsweise innerhalb etwa 20 Millisekunden). 1 psi ≈6,895 kPa.
Eine einfache elektronische, pneumatische Steuereinrichtung wird beschrieben, die für eine multinode (mit Mehrfachknoten), programmierbare Steuerung geeignet ist. Diese Steuereinrichtung verwendet ein proportionales Steuerfeedback von einem Silizium-Druckwandler.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind axiale Schnittansichten eines Meniskus in einer kreiszylindrischen Kapillare.
2A, 2B, 2C, 2D und 2E zeigen fünf unterschiedliche Ausführungsformen eines Kapillartores.
3A, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F veranschaulichen schematisch den Betrieb eines Kapillartores beim Transportieren von Flüssigkeit durch eine Brücke von einer kapillaren Leitung zu einer zweiten kapillaren Leitung.
4A und 4B sind perspektivische Ansichten zweier Ausführungsformen eines Speichervolumens.
5 ist eine Querschnittsdraufsicht des Speichervolumens der 4A.
6A, 6B und 6C veranschaulichen das Füllen eines Speichervolumens einer Ausführungsform dieser Erfindung mit einer Flüssigkeit.
7A, 7B, 7C und 7D veranschaulichen ein System für die Zuführung genauer Volumina von Flüssigkeit gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Kapillare, die durch isotropes Ätzen hergestellt ist, wobei der typische Aspekt des Verhältnisses von Höhe (Ätztiefe) zu Breite gezeigt ist.
9 zeigt das Verfahren einer Ausführung dieser Erfindung zum Einführen und Entfernen von Gasbläschen aus einem kapillaren Flüssigkeitsstrom.
10A, 10B, 10C, 10D und 10E veranschaulichen ein System zum Vermischen von Flüssigkeitsproben gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
11A und 11B veranschaulichen ein System für das Kombinieren fester Volumina dreier unterschiedlicher Flüssigkeiten gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
12 veranschaulicht ein System für die Verarbeitung einer Vielzahl von Flüssigkeitsproben in paralleler Weise mittels einer pneumatischen Steuereinrichtung durch Verteiler, welche verschiedenen ähnlichen Fluidschaltkreisen gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung gemeinsam sind.
13 zeigt ein mechanisches, schematisches Diagramm für ein pneumatisches Steuereinrichtungselement gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Betrieb auf einem Knoten, der in einem mikrofluidischen Schaltkreis enthalten ist.
14 zeigt ein schematisches elektronisches Diagramm für das pneumatische Steuereinrichtungselement der 13, welches für das Regeln des Druckes an einem einzigen Knoten des mikrofluidischen Schaltkreises geeignet ist.
Beschreibung spezieller Ausführungsformen
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Meniskus-Steuerung das Basisprinzip, welches mechanische Ventilverschlüsse mit sehr kleinen Maßen ersetzt. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Schaffung von Systemelementen, die in der Lage sind, einen ersten Meniskus auf einem kapillaren Flüssigkeitsstrom zu bilden und zu positionieren und danach einen zweiten Meniskus auf dem kapillaren Strom zu bilden und zu positionieren. Die Bildung eines ersten und zweiten Meniskus gestattet die Anwendung von Druck auf die Menisken, welches seinerseits das Positionieren der Menisken gestattet, wodurch die Bildung genauer Flüssigkeitsvolumina und die Bewegung dieser präzisen Flüssigkeitsvolumina zu einer gewünschten Position erreicht werden. Zusätzlich gestattet die Meniskus-Steuerung das Vermischen von Flüssigkeiten und Aufteilen von Proben in Unterproben, wenn es erwünscht ist. Diese genauen Flüssigkeitsvolumina können in Leitungen gebildet werden, welche kleine Querschnittsflächen von Kapillargröße haben, wo die Flüssigkeitsbewegung in der Leitung durch Kapillartätigkeit bewirkt werden kann. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren, System und Systemelemente zur Verfügung, welche die Bildung und den Transport von genauen Flüssigkeitsvolumina durch Kapillarwege zu einer Verwendungsstelle gestatten und die Behandlung oder Analyse von Flüssigkeitsproben in so kleinen Volumina wie Nanoliter-Volumina gestatten.
Ein erstes Systemelement dieser Erfindung ist das Kapillartor, dessen fünf unterschiedliche Ausführungsformen in den 2A, 2B, 2C, 2D und 2E gezeigt sind. Ein Kapillartor ist eine abrupte Erweiterung in mindestens einer Richtung in den Querschnittsdimensionen einer Kapillare, wodurch die Gestalt des Meniskus verändert wird, wenn er sich durch die Sperre bzw. Ventilstelle bewegt, und für die Bewegung des Meniskus eine Barriere erzeugt wird. Der Druckunterschied ΔP über dem Meniskus nimmt ab (wie bei der Ausführungsform der 2A) oder verschwindet (wie bei den Ausführungsformen der 2B, 2C und 2D). In jedem Falle kann die geeignete Aufbringung von pneumatischen und hydrostatischen Steuerdrücken den Meniskus an der Sperr- bzw. Ventilstelle in mechanischem Gleichgewicht fixieren.
In der ersten Ausführungsform der 2A vergrößern sich die Dimensionen der Kapillare 44 längs einer Achse (normal zu der Achse der Kapillare) an der Stelle 48, wobei an dieser Stelle für die Bewegung eine Barriere erzeugt wird. Durch Anhalten der Bewegung des Meniskus können kleine Volumina isoliert und definiert werden. Die Anwendung eines ausreichenden Druckes, um die Kräfte zu überwinden, welche den Meniskus an der Ventilstelle halten, erlaubt die Fortsetzung des Flusses der flüssigen Probe, wobei die Zufuhr bekannter Flüssigkeitsmengen zu einer Verwendungsstelle berücksichtigt wird.
Bei einer zweiten Ausführungsform der 2B erhöhen sich die Maße der Einlaßkapillare 52 längs zweier orthogonaler Achsen (beide zu der Achse der Kapillare normal), um einen Hohlraum 50 zu bilden. Ein kurzer Spalt trennt die Ventilstelle 56 von der Mündung 58 einer Ablaufkapillare 54. Dieser Spalt reicht aus, um die Bewegung des Meniskus anzuhalten, außer wenn der hydrostatische Druck in der Kapillare 52 groß genug ist, um die Flüssigkeit in den Hohlraum auszupressen. Dieser Druck bricht die Barriere an der Ventilstelle 56 durch Bildung einer Flüssigkeitsbrücke über den Spalt. Wie die Young-Laplace-Gleichung zeigt, ist die Barriere gegen die Bewegung eines Meniskus über den Spalt bei dieser Ausführungsform etwa zweimal so groß wie die Barriere der 2A (mit Kapillaren ähnlicher Größen).
Die dritte Ausführungsform der 2C ist ein Schlitz 68, der unter rechten Winkeln durch eine Kapillare 62 und 64 geschnitten wird, um einen Spalt in der Kapillare zwischen den Punkten 60 und 66 zu erzeugen. Durch Erzeugen einer Erweiterung der Kapillare in zwei Dimensionen hält dieser Spalt die Meniskusbewegung an, erlaubt aber die Bildung einer Flüssigkeitsbrücke zu einer Entleerungs- bzw. Ablaufkapillare 64, wenn der Druck, der auf das Flüssigkeitsvolumen in dem Meniskus aufgebracht ist, ausreicht, um die den Meniskus an dem Tor haltenden Kräfte zu überwinden.
Eine vierte Ausführungsform, die in 2D gezeigt ist, wird als Schnitt oder Kreuzung einer Gasleitung 61 gebildet, der bzw. die durch eine Kapillare 62 und 64 z. B. durch Bohren gebildet ist, wobei zwischen den Stellen 66 und 68 ein Spalt gebildet wird. Diese Ausführungsform ist eine Variante der vorhergehenden Ausführungsform 2C.
Eine fünfte Ausführungsform eines Kapillartores gemäß Darstellung in 2E hat nicht eine Erweiterung senkrecht zu der Kapillarachse, sondern statt dessen einen Aufbau ähnlich der Lang-Levy-Mikropipette. Obwohl die Erweiterung allmählicher ist als eine orthogonale Wand, dient sie doch dem Anhalten der Bewegung eines Meniskus dadurch, daß der Meniskus veranlaßt wird, sich an der Ventilstelle, welche durch die Bezugszahl 45 bezeichnet ist, abzuflachen.
Die in den Ausführungsformen 2B, 2C und 2D gezeigten Kapillartore verwenden Spalte zur Erzeugung der Sperr- bzw. Ventilstelle. Bei diesen Ausführungsformen erzeugt der Spalt eine zweidimensionale Ventilstelle, deren Wirkung es ist zu verlangen, daß die Flüssigkeit den Spalt überbrückt, um sich über das Tor hinaus in die nächste Kapillare zu bewegen oder zu einer anderen Verwendungsstelle der Flüssigkeit. Sobald das Kapillartor einen Meniskus 78 anhält, der sich längs der Kapillare bewegt, wie in 3A gezeigt ist, wird die kapillare Auslaßleitung 74 für einen weiteren Flüssigkeitsfluß geschlossen. Die Flüssigkeit bewegt sich in den Spalt 72, wie in 3B gezeigt ist, nur dann, wenn der hydraulische Druck in der Kapillare 74 einen Schwellendruck überschreitet, welcher durch die Young-Laplace-Gleichung bestimmt wird, d.h. die freie Meniskusenergie am Ende der kapillaren Auslaßleitung 74. Wenn ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen in den Spalt 72 aus der kapillaren Auslaßleitung 74 ausgepreßt wird, bildet es ein Flüssigkeitsvolumen 80, welches den Abstand zwischen der Öffnung 78 der kapillaren Auslaßleitung 74 und der Öffnung der kapillaren Abgabeleitung 76 zu überbrücken beginnt. Das Flüssigkeitsvolumen 80 erhöht sich auf ein Volumen 82 (3C), und es erhöht sich weiter zur Bildung einer Brücke 84 (3D) zwischen der kapillaren Auslaßleitung 74 und der kapillaren Ablaufleitung 76. Die kapillare Ablaufleitung 76 funktioniert wie ein Ablauf, wobei die Flüssigkeit über den Spalt 72 gezogen wird. Die kapillare Ablaufleitung 76 verbraucht die Brücke, wie in den 3E und 3F gezeigt ist, wenn keine weitere Flüssigkeit mehr aus der kapillaren Auslaßleitung 74 zur Verfügung steht. Das Überbrücken des Kapillartores 70 ist ein vorübergehendes, dynamisches Ereignis. Das minimale Volumen, welches ausreicht, um den Spalt zu überbrücken, hängt jedoch von den Maßen jedes Tormodells ab. Das minimale Flüssigkeitsüberbrückungsvolumen ist ein wichtiger Parameter, denn er ist die untere Grenze bei der Zuführung von Volumina für diese Art von Kapillartor. Das oben beschriebene Kapillartor kann in Kombination mit einem Speichervolumen verwendet werden, um präzise Flüssigkeitsvolumina in dem System dieser Erfindung zu erzeugen.
Die 4A, 4B und 5 veranschaulichen eine Ausführungsform des Speichervolumens oder Gehäuses dieser Erfindung zum Bilden, Ansteuern (Gating) und Entfernen von Menisken in einem bzw. aus einem Kapillarstrom. Unter Bezugnahme auf die 4A, 4B und 5 weist das Speichervolumen 16 eine kapillare Einlaßleitung 18, eine kapillare Auslaßleitung 20 und ein Innenvolumen 16 auf, mit einem Maß, das im wesentlichen größer ist als das einer Kapillarleitung, wie z. B. der kapillaren Einlaßleitung 18 oder der kapillaren Auslaßleitung 20. Um die Funktion eines Kapillartores zu erreichen, sollte die von dem Volumen 16 erzeugte Maßerweiterung der Kapillare mindestens etwa das Zweifache der Kapillarbreite (oder -höhe) betragen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sollte die Breite des Speichervolumens an seinem größten Maß, wie durch den Pfeil 22 angedeutet ist, mindestens etwa fünfmal so groß und vorzugsweise mindestens etwa zehnmal so groß sein wie die durch den Pfeil 24 gezeigte Breite einer Kapillare. Der Zweck der größeren Breite des Speichervolumens 16 liegt darin, einen Kapillarstrom von Flüssigkeit, welcher aus der kapillaren Einlaßleitung 18 in das Speichervolumen 16 eintritt, zu veranlassen, in zwei Unterströme 17 und 19 aufgespaltet zu werden, welche den Umfang 26 des Speichervolumens 16 berühren, wenn ein Gas im Innenvolumen 16 durch eine Leitung 28 gemäß Darstellung in 5 vorhanden ist, wodurch an der Grenzfläche von Flüssigkeit und Gas ein Meniskus gebildet wird. Wenn zwei Ströme nicht erwünscht sind, könnte die Geometrie des Speichervolumens modifiziert werden, und dieses kann jede gewünschte Gestalt annehmen, wie z. B. die Form eines Halbkreises, vorausgesetzt, daß eine Grenzfläche Flüssigkeit-Gas gebildet wird. Die Leitung 28 kann sich zu einer Oberfläche des Speichervolumens 16 erstrecken, wie in 4B gezeigt ist, oder zu beiden Oberflächen des Speichervolumens 16, wie in 4A gezeigt ist. Bei der letzteren, in 4A gezeigten Anordnung gibt es einen Leitungsabschnitt 29.
Die Breiten der Unterströme von 17 und 19 (z. B. der Abstand von dem äußeren Umfang des Speichervolumens 10 zu der Leitung 28, welche von der Flüssigkeit eingenommen wird) kann von dem Gasdruck innerhalb des Speichervolumens 16 durch die Gasleitung 28 gesteuert werden. Wie in den 6A, 6B und 6C gezeigt ist, schreitet die Dicke der Unterströme 17 und 19 von dem äußeren Radius des Speichervolumens 16 nach innen zu der Gasleitung 28 hin fort. Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, wird ein Meniskus 30 oder 32 als eine Grenzfläche zwischen den flüssigen Unterströmen 17 und 19 und dem Gas in dem Volumen 16 gebildet, welches durch die Gasleitung 28 eingeführt ist. Bei nochmaliger Bezugnahme auf 5 verschmilzt eine etwaige, in das Speichervolumen 16 durch die kapillare Einlaßleitung 18 eintretende Blase mit dem Meniskus 30 oder 32 in dem Speichervolumen 16 und wird aus dem Flüssigkeitsstrom entfernt. Die Bildung des Meniskus 30 oder 32 erlaubt die Bildung präziser Volumina von Flüssigkeit innerhalb einer Kapillarleitung und gestattet den Transport dieser genauen Volumina an Flüssigkeit zu einer gewünschten Benutzungsstelle.
Die 7A, 7B, 7C und 7D zeigen eine Art, wie Speichervolumina und Kapillaren erfindungsgemäß benutzt werden, um ein präzises Flüssigkeitsvolumen zu erzeugen und zu bewegen, unter Bezugnahme auf 7A wird das Volumen der kapillaren Auslaßleitung 94 dadurch aus dem Vorrat 98 mit einer Flüssigkeit gefüllt, daß man die Flüssigkeit aus dem Vorrat 98 durch die kapillare Einlaßleitung 96, das Speichervolumen 90 und in die kapillare Auslaßleitung 94 hinein gelangen läßt, um die kapillare Auslaßleitung 94 mit Flüssigkeit zu füllen. Durch Steuern der Drücke im Vorrat 98, dem Speichervolumen 90 und im Speichervolumen 92 füllt die Flüssigkeit die kapillare Auslaßleitung 94 bis zum Schnitt oder zur Kreuzung 95 der kapillaren Auslaßleitung 94 und dem Speichervolumen 92. Dieser Schnittpunkt bzw. Knotenpunkt bzw. diese Kreuzung 95 ist ein Kapillartuch. Das Flüssigkeitsvolumen in der kapillaren Auslaßleitung 94 bestimmt das gewünschte präzise Flüssigkeitsvolumen, welches zu einer Benutzungsstelle zugeführt werden soll, wie nachfolgend beschrieben wird. Wie in 7B gezeigt ist, wird dann, wenn der Druck in dem Speichervolumen 90 erhöht wird, Flüssigkeit in der kapillaren Einlaßleitung 96 zurück zu dem Vorrat 98 geführt, wodurch an dem Kapillartor 91 ein neuer Meniskus erzeugt wird. Gleichzeitig bleibt die Druckdifferenz zwischen den Drücken in den Volumina 90 und 92 unter dem Schwellenwert des Meniskus an dem Kapillartor 95 (das ΔP in der Young-Laplace-Gleichung), wodurch die Flüssigkeit in dieser kapillaren Auslaßleitung veranlaßt wird, stationär zu bleiben und von dem Vorrat 98 isoliert zu werden.
Wenn gemäß Darstellung in 7C der Druck in dem Speichervolumen 90 weiter erhöht wird, bis er den Haltedruck des Kapillartores 95 überschreitet, bricht die Flüssigkeit darin das Kapillartor. Die Übertragung der ganzen Flüssigkeit in der kapillaren Auslaßleitung 94 zur kapillaren Ablaufleitung 100 ist dann vollendet, so daß nun ein genaues Flüssigkeitsvolumen in der kapillaren Ablaufleitung 100 für die Zufuhr zu einer Benutzungsstelle isoliert ist, wie unten beschrieben wird. Wenn die Flüssigkeit in die Ablaufkapillare gelangt, kann sie von dort entweder zugeführt werden. Eine Kapillare, wie sie z. B. in 8 gezeigt ist, welche durch isotropes Ätzen auf eine Tiefe von 20 μm hergestellt ist, hat ein ΔP von etwa 1 × 10⁴ Pa (1,5 psi), und der Torschwellenwert an dem Kapillartor 95, welcher durch dasselbe Verfahren erzeugt ist, wird grob 5 × 10³ Pa (0,75 psi) betragen.
Typische Maße von Kapillaren 96, 94 und 100 sind eine Breite zwischen etwa 5 μm und etwa 100 μm, vorzugsweise zwischen etwa 20 μm und etwa 75 μm und eine Höhe zwischen etwa 1 μm und etwa 30 μm, vorzugsweise zwischen etwa 10 μm und etwa 20 μm. Typische Maße für das Speichervolumen 90 sind ein Durchmesser von zwischen etwa 100 μm und etwa 1.000 μm, vorzugsweise zwischen etwa 200 μm und etwa 500 μm und eine Höhe innerhalb desselben Bereiches wie die Kapillaren (weil die Kapillaren und Speichervolumina gewöhnlich zusammengeätzt werden). Das Speichervolumen muß nicht einen Kreisquerschnitt haben, sondern kann einen beliebigen Querschnitt haben, solange dadurch ein Meniskus gebildet werden kann, daß man Gas in dieses führt. Z. B. kann die Querschnittsform des Speichervolumens 90 quadratisch, rechteckig, dreieckig, polygonal oder dergleichen sein. Das Volumen des Speichervolumens kann durch Definieren seines Hauptmaßes gesteuert werden, so daß es ein gewünschtes Flüssigkeitsvolumen speichern kann. Wenn die Flüssigkeit in dem Speichervolumen die Gasleitung erreicht, ist das Speichervolumen voll. Typische Durchmesser für ein Kapillartor 92 sind ähnlich denen für das Speichervolumen 90. In den Ausführungsformen der 2B, 2C und 2D gezeigte Kapillartore haben Spaltenbreiten zwischen 10 Mikron und 30 Mikron, wobei die kleineren Spalten ein kleineres Minimalvolumen benötigen für das Bilden einer Flüssigkeitsbrücke über den Spalt. Die Gasleitung braucht nicht zentral in dem Speichervolumen angeordnet zu sein.
9 zeigt ein Systemelement dieser Erfindung zum Einführen von Bläschen in eine Kapillare. Flüssigkeit wird unter Druck von einem Vorrat 116 in die kapillare Einlaßleitung 118 und von dort in das Speichervolumen 110 geführt, in welchem ein Meniskus gebildet wird. Die Probe wird gespaltet und dann für den Eintritt in die kapillare Auslaßleitung 120 wieder zusammengeführt. Eine Blase 124 wird durch augenblickliche Erhöhung des Druckes in dem Speichervolumen 110 in die kapillare Auslaßleitung eingeführt, so daß der Meniskus in dem Volumen 100 in die kapillare Auslaßleitung 120 hinein und längs dieser geführt wird. Die Drücke im Speichervolumen 110 und in dem Vorrat bzw. Reservoir 116 werden so reguliert, daß Flüssigkeit aus dem Vorrat 116 durch ein Speichervolumen 110 und in die kapillare Auslaßleitung 120 gelangt. Der Druck in dem Speichervolumen 112 wird so eingestellt, daß die Blasen 124 in der kapillaren Auslaßleitung 120 aus der Flüssigkeit dadurch entfernt werden, daß sie mit einem neuen, in dem Speichervolumen 112 gebildeten Meniskus 57 vereinigt werden. Der Druck im Speichervolumen 112 wird auch so reguliert, daß keine Blasen in die Kapillarleitung 122 transportiert werden. Ein Nachweismittel, wie z. B. ein Brechungsindexdetektor zum Erfassen der Gegenwart oder Abwesenheit von flüssigen Proben, kann zwischen das Speichervolumen 110 und das Speichervolumen 112 so in die kapillare Auslaßleitung 120 eingebaut werden, daß Unterproben, die aus dazwischen angeordneten Blasen gebildet sind, separat analysiert oder erwünschtenfalls zu einer Reaktion geführt werden können.
Unterproben, die aus dazwischen angeordneten Blasen gebildet sind, separat analysiert oder erwünschtenfalls zu einer Reaktion geführt werden können.
Unter Bezugnahme auf die 10A–10E ist ein Systemelement dieser Erfindung gezeigt, welches verwendet werden kann, um eine flüssige Probe, die anfänglich in dem Speichervolumen 132 vorhanden war, zu rühren, wie es notwendig sein kann, wenn ein häufiges oder zusätzliches Vermischen notwendig ist. Wie in den 10B und 10C gezeigt ist, werden die Drücke in den Speichervolumina 134 und 136 und in den Speichervolumina 130 und 132 so gesteuert, daß der Hauptteil der Flüssigkeit aus dem Speichervolumen 132 durch eine Kapillarleitung 140 in das Speichervolumen 130 überführt wird. Diese Folge wird umgekehrt, um die Flüssigkeit in das Speichervolumen 132 zurückzuführen unter Abscheren der Flüssigkeit durch die Kapillare, was das Vermischen der Lösung bewirkt.
Die 10D und 10E zeigen dasselbe Systemelement wie die 10A, 10B und 10C mit der Ausnahme, daß 10D zwei nichtvermischte Flüssigkeitsproben hat, die durch eine Blase in der Kapillarleitung 140 abgesondert wurden. Wenn die Summe der Probevolumina kleiner ist als das Volumen jedes Speichervolumens 130 und 132, dann können diese zwei separaten Volumina in einer Weise ähnlich derjenigen gemischt werden, die in den 10A, 10B und 10C gezeigt ist. Ein solches System kann verwendet werden, um z. B. zwei Flüssigkeiten in dem System dieser Erfindung zur Reaktion zu bringen.
Das Verfahren zum Verwenden dieser Erfindung zwecks Erzeugung präziser, fester Volumina einer Vielzahl von flüssigen Proben und Vermischen der flüssigen Proben wird unter Bezugnahme auf die 11A und 11B beschrieben. Eine Zufuhr von in dem Vorrat 160 gespeicherter Flüssigkeit, die ein erstes Reagenzmittel zur Ausführung einer chemischen Synthese sein könnte, wird unter Drucksteuerung bewegt, um die Kapillarleitung 170, das Speichervolumen 154 und die Kapillarleitung 176 zu füllen. In ähnlicher Weise wird ein zweites, in dem Vorrat 162 gespeichertes flüssiges Reagenz bewegt, um die Kapillarleitung 172, das Speichervolumen 156 und die Kapillarleitung 178 zu füllen. Auch ein drittes, in dem Vorrat 164 gespeichertes flüssiges Reagenz wird bewegt, um die kapillare Leitung 174, das Speichervolumen 158 und die kapillare Leitung 180 zu füllen. 11A zeigt den zuvor für 7B beschriebenen Zustand unmittelbar vor dem Überführen der festen Volumina in die kapillaren Leitungen 176, 178 und 180 durch das Speichervolumen 150 (wie in 11B gezeigt ist). Diese Übergänge können vorzugsweise gleichzeitig geschehen. Der Übergang bewirkt ein Vermischen der drei festen Volumina von Flüssigkeit, die von den kapillaren Leitungen 176, 178 und 180 zu den Bestimmungs-Speichervolumen 152 überführt sind, um eine gewünschte Synthesereaktion zu erzeugen. Ein weiteres Vermischen könnte man durch eine Vorrichtung ähnlich derjenigen erreichen, die unter Bezugnahme auf 10A beschrieben ist. Die Diffusion innerhalb der kleinen Maße, die hier gezeigt sind, ermöglicht auch ein Vermischen der drei Flüssigkeitsvolumina. Das Speichervolumen 152 kann als Benutzungsstelle fungieren, oder es könnte mit einer analytischen Vorrichtung in Fluidverbindung stehen, wie z. B. einer Kapillarelektrophorese oder dergleichen.
Es versteht sich, daß das System und das Verfahren dieser Erfindung, wie sie unter Bezugnahme auf die 11A und 11B beschrieben wurden, gemäß den Prinzipien dieser Erfindung modifiziert werden können. Zum Beispiel können zusätzliche Reagenzien in das Speichervolumen 152 der Benutzungsstelle dadurch eingeführt werden, daß man separate Leitungen verwendet, die in Verbindung stehen, oder es können in dem Kapillarstrom zufällig mitgerissene Bläschen dadurch entfernt werden, daß man sie durch ein Speichervolumen gelangen läßt, wie unter Bezugnahme auf 9 beschrieben wurde.
Die allgemeine Anwendung der Benutzung der Speichervolumina und Kapillartore der vorliegenden Erfindung schließt das gleichzeitige Einstellen der Drücke an einer Vielzahl von Steuerpunkten derart ein, daß ein Übergang stattfindet, wodurch die Bewegung einer Flüssigkeit von einer Stelle zu einer anderen Stelle in dem Fluidschaltkreis gesteuert wird. Diese Bewegung wird durch die Geometrie des Kapillatores angehalten, um einen neuen stabilen Zustand zu erzeugen, und dieser stabile Zustand hält an, bis die Drücke an der Vielzahl von Steuerknoten wieder verändert sind, um einen neuen Übergang zu einem anderen stabilen Zustand des Fluidschaltkreises zu initiieren. Außerdem können nicht gleichzeitige Drücke verwendet werden, um anfänglich eine erste Flüssigkeit zu veranlassen, sich mit einer zweiten zu vermischen, und danach eine dritte Flüssigkeit zu veranlassen, sich mit den vermischten ersten und zweiten Flüssigkeiten zu vermischen. Unter Bezugnahme auf 12 ist eine Vielzahl von Untersystemen, die zu der in 11A gezeigten Vorrichtung identisch sind, nebeneinander in einer Matrix oder einem Feld angeordnet, und ihre entsprechenden Gasleitungen sind mittels der Gasleitungsverteiler 196, 194, 192 und 190 miteinander verbunden. Die drei gezeigten Vorrichtungen können deshalb parallel durch pneumatische Steuerelemente in Verbindung mit jedem der Gasleitungsverteiler gesteuert werden. Zwei der Pipettier-Speichervolumina jedes Untersystems (d.h. 156 und 189) sind an dem selben Steuerverteiler gezeigt, und diese Pipetten arbeiten synchron. Die Verteiler 200 und 198 enthalten Flüssigkeiten, welche entsprechende Pipetten 164 und 160 beschicken, während die Einlaßvorräte 162, 186 und 188 nicht mit einem Verteiler in Verbindung stehen, denn sie nehmen unterschiedliche Flüssigkeitsproben aus einem Untersystem zu dem nächsten auf. Außer den Verteilern 200 und 198 für die Flüssigkeitsprobe sind die in 12 gezeigten Untersysteme isoliert und unabhängig voneinander. Diese Anordnung von Untersystemen ist besonders für den Mehrfachbetrieb geeignet und ist bei dem Aussieben mit hohem Durchsatz von potentiellen Kandidaten bei Drogenermittlungsverfahren nützlich.
13 zeigt ein schematisches mechanisches Diagramm eines Gasdrucksteuerelementes, welches verwendet wird, um mit einem der Gasleitungsverteiler der 12 in Verbindung zu kommen. Ein mikrofluidischer Schaltkreis 215 hat auf seiner Oberfläche eine (nicht gezeigte) Öffnung, die mit einem der Gasverteiler in Verbindung steht. Eine Leitung 230 bildet eine federbelastete Gleitringdichtung bei dieser Öffnung mittels des O-Ringes 210, der Muffe oder Hülse 212 und der Druckfeder 225, und die Leitung 230 steht mit einem Akkumulator 236 in Verbindung, wobei der Druck von einem Druckwandler 238 gemessen wird. Eine elektronische Rückkupplungsschleife, die aus dem Druckwandler 238, einem Steuerschaltkreis 242, einem Druckventil 250 und einem Entlastungsventil 252 besteht, die alle durch Signalleiter 240, 248 und 244 verbunden sind, ermittelt, ob das Druckventil 250 offen oder geschlossen ist und ob das Entlastungsventil 252 offen oder geschlossen ist, wodurch der Druck in dem Akkumulator 236 je nach Notwendigkeit geändert wird. Das Druckventil 250 steht mit einer Quelle erhöhten Druckes 256 in Verbindung, während das Entlastungsventil 252 mit einer Quelle 255 niederen Druckes oder mit Vakuum in Verbindung steht.
14 zeigt ein schematisches, elektronisches Diagramm des Steuerschaltkreises 242, ein Element der in 13 gezeigten Rückkopplungsschleife. Das Signal aus dem Druckwandler 260 wird durch einen Instrumentenverstärker 265 verstärkt und zu den Summierstellen 285 und 287 zweier Betriebsverstärker 271 und 273 geführt. Zu den Summierstellen 287 und 285 der Verstärker 271 und 273 werden auch entsprechende versetzte Spannungen aus den Spannungsfolgern 272 und 274 geführt, sowie ein Sägezahnsignal, welches durch den astabilen Multivibrator 280 hergestellt wird. Die aus den Verstärkern 271 und 273 stammenden Signale haben deshalb Sägezahnwellenformen, die bezüglich der Basislinie steigen und fallen, wie der Druck in dem Wandler 260 fällt und steigt. Diese Signale werden mit einer Sollwertspannung aus einer Quelle 290 für variable Spannung verglichen, die ein Digital-Analogkonverter (DAC) in Verbindung mit einem Computer sein kann, und zwar durch die Spannungskomparatoren 277 und 278. Die Spannungskomparatoren veranlassen das Druckventil 266 oder das Entlastungsventil 267, mit derselben Frequenz wie das Sägezahnsignal zu öffnen und zu schließen, aber eine längere oder kürzere Zeit, oder gar nicht, je nach dem Verhältnis der Sägezahnwellenform zu der Sollwertspannung aus der Spannungsquelle 290.
Diese Art von Schaltkreis ist in der Technik als Proportionalregler bekannt. In einem Druckbereich, der als Aufteilungs- bzw. Mischregelungsband bekannt ist, ist der Arbeitszyklus des den Gasdruck steuernden Ventils proportional zum Druckfehler. Sobald der Gasdruck sich dem gewünschten Sollwert nähert, werden die Intervalle, während welcher das Ventil offen ist, kürzer und kürzer. Der Arbeitszyklus des Ventils wird null, wenn der gewünschte Druck erreicht ist. Dies erlaubt eine Ansprechzeit, die so schnell ist, wie das Ventil öffnen oder schließen kann, ohne daß der gewünschte Sollwertdruck überlaufen oder überschwungen wird. Das Signal aus dem Druckwandler 260 kann verstärkt werden, um sicherzustellen, daß der pneumatische Regler auf sehr kleine Druckveränderungen mit einer bevorzugten Präzision des geregelten Gasdruckes von ±0,01psi reagiert. Der Druck kann von einer Vorrichtung 270 aufgezeichnet oder überwacht werden, die ein Analogdigitalkonverter in Verbindung mit einem Rechner sein kann. Die Sollwertspannungen aus der Spannungsquelle 290 unter der Anleitung von einem Rechner können entsprechend speziellen Drücken kalibriert sein. Die versetzten Spannungen aus den Spannungsfolgern 272 und 274 werden so ausgewählt, daß das Druckventil und das Entlastungsventil niemals gleichzeitig betätigt werden.
Der Stand der Technik des elektronischen Regulierens von Gasdruck lehrt verschiedene Verfahren, deren bevorzugtes ein proportional-integral-derivatives (PID) Ansprechen auf einen Druckfehler ist. Das PID-Verfahren ist in typischer Weise in einem Algorithmus verkörpert, der von einem Mikroprozessor mit der Absicht abgearbeitet wird, ein hohes Niveau an Stabilität bei einem festgelegten Druck unter sich verändernden Lasten zu erreichen. Die pneumatische Steuereinrichtung der vorliegenden Erfindung erreicht ein etwas anderes Ziel dadurch, daß man eine Proportionalsteuereinrichtung mit preiswerter Hardware mit dem Ziel herstellt, den Druck häufig und genau an einer Vielzahl von Steuerknoten zu verändern. Die Druckveränderungen werden an der Vielzahl von Steuerknoten synchronisiert, und eine Vielzahl gewünschter Sollwertdrücke kann an jedem der Vielzahl der Steuerknoten erhalten werden. Auf diese Weise können die Bildung und der effektive Transport genauer Flüssigkeitsvolumina in einem komplexen mikrofluidischen Schaltkreis bei vernachlässigbarer Auswirkung auf die Gasdrucksteuerung erreicht werden.
Die Systeme und Systemelemente dieser Erfindung sind im Hinblick auf mikrofluidische Schaltkreise oder Vorrichtungen beschrieben. Diese Vorrichtungen können eine Vielzahl von Formen annehmen, sie sind aber im Allgemeinen als ebene Aufbauten gekennzeichnet, die eine Vielzahl von Anschlüssen haben, um Flüssigkeiten in die Vorrichtung einzuführen oder aus dieser herauszuziehen, die einen oder mehrere Vorräte für das Speichern von Flüssigkeitsproben oder flüssigen Reagenzien und eine Vielzahl von Kanälen in der Größenordnung von Kapillaren für den Transport und/oder das Vermischen von Flüssigkeiten, das Durchführen chemischer Analysen, Separieren von Komponenten eines Gemisches oder dergleichen haben. In diesem Kontext können die mikrofluidischen Vorrichtungen sowie das System und die Systemelemente dieser Erfindung durch herkömmliche Fotolithographie und Ätz-Techniken oder durch Abformen von Kunststoffverbindungen gebildet werden, die in der Technik bekannt sind. Repräsentative geeignete Substrate, aus welchen das System und die Systemelemente dieser Erfindung gebildet werden können, weisen Glas, Quarz, Silizium, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder dergleichen auf. Die Befeuchtungseigenschaften dieser unterschiedlichen Substrate müssen jedoch für das richtige Modell der Fluidschaltkreise in Rechnung gestellt werden.

Claims

Systemelement zum Abgeben einer Flüssigkeitsprobe an eine Benutzungsstelle, wobei das Systemelement aufweist: ein Speichervolumen (16) in Fluidverbindung mit einem Gas; eine Einlaßkapillarleitung (18) in Fluidverbindung mit dem Speichervolumen (16); eine Auslaßkapillarleitung (20) in Fluidverbindung mit dem Speichervolumen (16); eine Gasleitung (28), welche in das Speichervolumen (16) eintritt und Mittel zur Steuerung des Druckes in dem Speichervolumen (16) durch die Gasleitung (28) zur Bildung eines Meniskus auf einem kapillaren Flüssigkeitsstrom, welcher durch das Speichervolumen (16) gelangt, und wobei das Speichervolumen eine Breite oder Höhe hat, die größer ist als die Breite oder Höhe irgendeiner der Kapillarleitungen (18, 20) und in der Lage ist, ein größeres Flüssigkeitsvolumen pro Einheitslänge zurückzuhalten im Vergleich zu dem Volumen, welches in irgendeiner der Kapillarleitungen derselben Einheitslänge gespeichert ist.
Systemelement nach Anspruch 1, bei welchem das Speichervolumen (16) einen Umfang hat, der im allgemeinen kreisförmig ist.
Systemelement nach Anspruch 2, wobei die Gasleitung in Fluidverbindung mit dem Speichervolumen (16) an einer Stelle im Abstand von der kapillaren Einlaß- und der kapillaren Auslaßleitung (18, 20) liegt und sich im wesentlichen mittig zu dem kreisförmigen Umfang befindet, um die Fluidverbindung des Speichervolumens mit einem Gas zu erreichen.
Systemelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die kapillare Einlaßleitung (18) eine Breite hat und in welchem das Speichervolumen (16) eine Breite hat, die mindestens zweimal so groß ist wie die Breite der kapillaren Einlaßleitung.
Systemelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die kapillare Einlaßleitung (18) eine Höhe hat und in welchem das Speichervolumen (16) eine Höhe hat, die etwa gleich groß wie die der kapillaren Einlaßleitung ist.
Systemelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die kapillare Auslaßleitung (20) eine Breite hat und in welchem das Speichervolumen (16) eine Breite hat, die mindestens etwa doppelt so groß ist wie die Breite der kapillaren Auslaßleitung.
Systemelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die kapillare Auslaßleitung (20) eine Höhe hat und in welchem das Speichervolumen (16) eine Höhe hat, welche etwa so groß ist wie die der kapillaren Auslaßleitung.
Vorrichtung für den Transport einer Flüssigkeitsprobe durch eine Kapillare, mit einem Systemelement nach Anspruch 1 und einem Gehäuse, welches das Speichervolumen aufweist und einen Einlaß sowie einen Auslaß aufweist, der sich im Abstand von dem Einlaß befindet; wobei die kapillare Einlaßleitung (18) eine erste kapillare Bahn in Verbindung mit dem Speichervolumen (16) durch den Einlaß bestimmt, wobei die erste kapillare Bahn eine erste Achse parallel zu der Fließrichtung der Flüssigkeit in der ersten kapillaren Bahn bestimmt und das Speichervolumen (16) an dem Einlaß bemessen ist, um sich in mindestens einer Richtung unter einem Winkel zu erweitern, der relativ zu der ersten Achse größer als null ist; wobei die Vorrichtung ferner aufweist: eine zweite kapillare Bahn in Verbindung mit dem Speichervolumen (16) durch den Auslaß; wobei die zweite kapillare Bahn eine zweite Achse parallel zu der Fließrichtung der Flüssigkeit in der zweiten kapillaren Bahn bestimmt, wobei das Speichervolumen an dem Auslaß bemessen ist, um sich in mindestens einer Richtung unter einem Winkel zu erweitern, der relativ zu der zweiten Achse größer als null ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Speichervolumen (16) an dem Einlaß bemessen ist, um sich in einer Vielzahl von Richtungen unter einem Winkel zu erweitern, der relativ zu der ersten Achse größer als null ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Speichervolumen (16) an dem Auslaß bemessen ist, um sich in einer Vielzahl von Richtungen unter einem Winkel zu erweitern, der relativ zu der zweiten Achse größer als null ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Speichervolumen (16) mit einem Gas in Verbindung steht mit der Wirkung, einen Meniskus an der Grenzfläche des Gases und der Flüssigkeit in dem Speichervolumen zu bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, ferner mit Mitteln zum Steuern des Druckes in der ersten kapillaren Bahn.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Flüssigkeitsprobe die erste kapillare Bahn besetzt und einen Meniskus aufweist und wobei der Druck gesteuert wird, um die Bewegung des Meniskus an der Erweiterung des Einlasses anzuhalten oder die Bewegung des Meniskus an der Erweiterung des Einlasses vorbei zu veranlassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Erweiterung am Einlaß durch einen Spalt zwischen der ersten kapillaren Bahn und dem Speichervolumen (16) bestimmt wird.
Systemelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche für das Vermischen zweier Flüssigkeiten in einem System zum Abgeben einer Probe der gemischten Flüssigkeiten an eine Benutzungsstelle, wobei: das Speichervolumen ein erstes Speichervolumen (154) in Fluidverbindung mit einem Gas ist und die kapillare Einlaßleitung eine erste kapillare Einlaßleitung (170) für eine erste Flüssigkeit in Fluidverbindung mit dem ersten Speichervolumen (154) ist, das Systemelement ferner aufweist: ein zweites Speichervolumen (156) in Fließverbindung mit einem Gas, eine zweite kapillare Einlaßleitung (172) für eine zweite Flüssigkeit in Fluidverbindung mit dem zweiten Speichervolumen (156), die kapillare Auslaßleitung (178) in Fluidverbindung mit dem zweiten Speichervolumen ist, das zweite Speichervolumen (156) bemessen ist, um auf einem kapillaren Flüssigkeitsstrom, welcher in dem Volumen hindurchgeht, einen Meniskus zu bilden, ein Mittel zum Steuern des Gasdruckes in dem ersten Speichervolumen (54) und Mittel zur Steuerung des Druckes in dem zweiten Speichervolumen (156), um ein Vermischen der ersten Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit zu bewirken.
System zum Vermischen und Abgeben einer Vielzahl von Flüssigkeiten an eine Vielzahl von Benutzungsstellen mit einer Vielzahl von Systemelementen nach Anspruch 15, wobei eine Leitung für ein Gas in jedem der Systemelemente in Fluidverbindung mit gemeinsamen Gasleitungsverteilern liegt und wobei die Vielzahl von Systemelementen zusammen und in synchroner Weise gesteuert wird.
System zum Bilden und Abgeben eines genauen Flüssigkeitsvolumens an eine Benutzungsstelle, welches aufweist: ein Systemelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Kapillartor, welches mit einem Gas in Fluidverbindung steht, in Fluidverbindung mit der kapillaren Auslaßleitung (20) steht und in Fluidverbindung mit der kapillaren Ablaufleitung (76) steht, wobei das Kapillartor einen offenen Raum aufweist, der bemessen ist, um der Flüssigkeit ein Fließen durch ein Gas und zwischen die kapillare Auslaßleitung (20) und die kapillare Ablaufleitung (76) zu erlauben, indem eine Flüssigkeitsbrücke (84) zwischen der kapillaren Auslaßleitung und der kapillaren Ablaufleitung gebildet wird, und Mittel zum Steuern des Gasdruckes in dem Speichervolumen (16) und in dem Kapillartor, um die kapillare Auslaßleitung mit der Flüssigkeit zu füllen.
System nach Anspruch 17, bei welchem das Kapillartor eine abrupte Erweiterung der kapillaren Leitung in mindestens einer Dimension aufweist.
System nach Anspruch 17, bei welchem das Kapillartor eine abrupte Erweiterung der Kapillarleitung in zwei Dimensionen aufweist.
Verfahren zum Bilden eines präzisen Volumens einer Flüssigkeitsprobe unter Verwendung einer kapillaren Einlaßleitung (18), eines Speichervolumens (16) und einer kapillaren Auslaßleitung (20) eines Systemelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren aufweist: Abgeben einer Flüssigkeitsprobe durch eine kapillare Einlaßleitung (18) zu einem Speichervolumen (16), Bilden eines Meniskus auf der Flüssigkeitsprobe in dem Speichervolumen (16) durch Steuern des Gasdruckes in dem Speichermedium (16) durch eine Gasleitung (28), welche in das Speichermedium (16) eintritt, Verbringen der Flüssigkeitsprobe aus dem Speichervolumen (16) zu einer kapillaren Auslaßleitung (20), die ein festes Volumen hat, um die kapillare Auslaßleitung zu füllen, und Zurückhalten der Flüssigkeitsprobe in der kapillaren Auslaßleitung.
Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem sich die kapillare Auslaßleitung (20) mit einem Kapillartor in Fluidverbindung befindet, das Kapillartor in Fließmittelverbindung mit einer kapillaren Ablaufleitung vorgesehen ist und sich in Fließmittelverbindung mit einem Gas befindet und bemessen ist, um es dem Fluid zu ermöglichen, durch ein Gas und zwischen die kapillare Auslaßleitung (20) und die kapillare Ablaufleitung zu fließen, wobei das Verfahren ferner aufweist: Halten der Flüssigkeitsprobe in der kapillaren Auslaßleitung, Verbringen der Flüssigkeitsprobe aus der kapillaren Auslaßleitung (20) durch das Kapillartor zu der kapillaren Ablaufleitung und Abgeben der Flüssigkeitsprobe von der kapillaren Ablaufleitung zu der Benutzungsstelle.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21 zum Vermischen zweier Flüssigkeiten mit einem Systemelement in einem System für die Abgabe einer Probe der vermischten Flüssigkeiten zu einer Benutzungsstelle, wobei jedes Systemelement eine kapillare Einlaßleitung und ein Speichervolumen einschließt, wobei: die Flüssigkeitsprobe eine erste Flüssigkeit ist, die kapillare Einlaßleitung eine erste kapillare Einlaßleitung ist und das Speichervolumen ein erstes Speichervolumen ist, das erste Speichervolumen mit einem Gas in Fluidverbindung steht und bemessen ist, um auf einer kapillaren Flüssigkeit einen Meniskus zu bilden, wobei das Verfahren ferner aufweist: Abgeben einer zweiten Flüssigkeit durch eine zweite kapillare Einlaßleitung zu einem zweiten Speichervolumen, wobei das zweite Speichervolumen mit einem Gas in Fluidverbindung steht und bemessen ist, um auf einem kapillaren Flüssigkeitsstrom einen Meniskus zu bilden, und Steuern des Druckes in dem ersten Speichervolumen und in dem zweiten Speichervolumen, um den Durchgang der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit in der kapillaren Auslaßleitung zu bewirken, welche das erste Speichervolumen und das zweite Speichervolumen verbindet.