DE60307552T2

DE60307552T2 - Vorrichtung zum Austragen kleiner Volumen Flüssigkeit einer Mikrokettenlinie entlang

Info

Publication number: DE60307552T2
Application number: DE60307552T
Authority: DE
Inventors: Yves 38340 FOUILLET; Raymond 38430 CHARLES; Olivier 38100 CONSTANTIN; Hubert 38140 JEANSON
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: FR2841063B1; US20040007377A1; US7052244B2; JP4350979B2; AU2003204633B2; AU2003204633A1; FR2841063A1; ATE336824T1; DE60307552D1; EP1376846A1; JP2004022165A; EP1376846B1; CA2432607A1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Handhabung von Tropfen mit kleinen Volumina von einigen Nanolitern bis zu einigen Mikrolitern. in dieser Vorrichtung werden elektrostatische Kräfte dazu ausgenutzt, kleine Flüssigkeitsvolumina zu verschieben bzw. zu verlagern.
Bekannter Stand der Technik
Flüssigkeiten gewinnen eine zunehmende Bedeutung in Bauteilen (Elementen) mit kleinen Dimensionen. So sind Laboratorien auf einem Chip oder "Lab-on-chip" Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, hauptsächlich auf den Gebieten der Biologie, der Chemie oder der Optik. Die Mikrofluid-Technik besteht in bestimmten Fällen darin, kleine Flüssigkeitsvolumina in mikrobearbeiteten Kanälen zirkulieren zu lassen. Dies erlaubt beispielsweise die Anwendung eines biologischen Protokolls auf ein sehr kleines Probenvolumen. Es ist derzeit anerkannter Stand der Technik, dass die Minimierung von Analysenvolumina zahlreiche Vorteile bietet, wie z.B. Kosteneinsparungen, Zeitersparnisse oder Verbesserung der Empfindlichkeit.
Die Miniaturisierung des Querschnitts der Kanäle bringt aber auch zahlreiche Schwierigkeiten mit sich. Einerseits ist es schwierig, in diesen Mikrokanälen Verschiebungen bzw. Verlagerungen einer Flüssigkeit (Fluid) zu steuern bzw. zu kontrollieren. Andererseits werden die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen den Flüssigkeiten und den Wänden bedeutsamer. Die Phänomene der Kapillarität spielen eine wesentliche Rolle, sodass sehr ausgeprägte Oberflächenzustände (Rauheit, physikalische Chemie) erforderlich sind. Selbst Absorptionsphänomene von biologischen Einheiten an der Oberfläche der Wände können die Ergebnisse (Ausbeuten) von Reaktionen be grenzen. So ist es häufig erforderlich, an der Wand der Kanäle spezifische Oberflächenbehandlungen durchzuführen oder verschiedene Substanzen in biologischen Protokollen zuzufügen, um diese Absorptionsphänomene in Grenzen zu halten. Ein Beispiel dafür ist zu finden in dem folgenden Artikel "Miniaturized flow-through PCR with different template types in a silicon chip thermocycler" von Ivonne Schneegaß et al., veröffentlicht in "Lab on a Chip", 2001, 1, Seiten 42–49.
Eine weitere Schwierigkeit, die bei der Mikro-Fluid-Technik in Mikrokanälen auftritt, besteht darin, dass das Bauelement (die Komponente) mit der äußeren Umgebung in Verbindung gebracht werden muss. Das Verbinden von Kapillaren mit einem Mikroelement ist eine der Schwierigkeiten, die bei der Realisierung von Laboratorien auf einem Mikrochip anzutreffen sind. Darüber hinaus ist es erforderlich, Zuführungen/Austräge von verschiedenen Flüssigkeiten aus äußeren Flüssigkeits-Lagerungssystemen oder in diese hinein leiten zu können unter gleichzeitiger Limitierung der toten Volumina.
Eine andere Methode zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina besteht darin, eine Grenzfläche zwischen zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten (Fluids) zu handhaben. So ist beispielsweise in dem Dokument FR-A-2 548 431 eine Vorrichtung mit elektrischer Steuerung zur Verschiebung (Verlagerung) einer dielektrischen Flüssigkeit beschrieben. Ein Tropfen der Flüssigkeit wird zwischen zwei Ebenen angeordnet, die Elektrodenpaare aufweisen. Der Flüssigkeitstropfen weist eine Dielektrizitätskonstante (Permittivität) auf, die höher ist als die seiner Umgebung, die definiert ist durch den Raum zwischen den beiden Ebenen, die Elektroden aufweisen. Die Verschiebung (Verlagerung) wird elektrisch gesteuert durch Anlegen von elektrischen Spannungen an Elektrodenpaare. In diesem Dokument wird die Verschiebung (Verlagerung) erklärt durch die Existenz einer dielektrischen Kraft, die resultiert aus einer Differenz zwischen der Dielektrizitätskonstanten (Permittivität) des Tropfens und seiner Umgebung und durch elektrische Feld-Gradienten, die aus den angelegten Spannungen resultieren.
Insbesondere hat die dielektrische Kraft die Neigung, die Flüssigkeit (Fluid) mit der höheren Dielektrizitätskonstante in den Zonen anzuziehen, in denen das Feld am stärksten ist. Diese Kraft kann die Oberflächenspannungskräfte überwinden, was die Verschiebung (Verlagerung) des Tropfens erklärt.
In dem Dokument FR-A-2 548 431 wird empfohlen, dass die Wände stets eine geringe Benetzbarkeit für die Flüssigkeit aufweisen. Eine Oberflächenbehandlung vom Silan-Typ (Aminopropyltrimethoxysilylchlorid-Typ) wird angewendet, um die Oberflächen weniger benetzbar zu machen.
Dieses Prinzip ist anwendbar auf isolierende Flüssigkeiten, es kann aber auch eine sehr schwach elektrisch leitende Flüssigkeit verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine Wechselspannung angelegt wird. In dem Artikel "Mouvement d'un fluide en présence d'un champ électrique" von Pierre Atten, D 2850, "Techniques de I'Ingénieur", Paris, ist die Existenz von elektrostatischen Kräften in Flüssigkeiten beschrieben. Insbesondere ist dort für zwei nicht miteinander mischbare Medien angegeben, dass für "vollkommene Isolatoren oder für eine Wechselspannung mit einer ausreichend hohen Frequenz f (f>>1/τ, worin τ die Zeit ist, die für die Relaxation der Raumladung charakteristisch ist) nur der plötzliche Anstieg der Dielektrizitätskonstanten (Permittivität) an der Grenzfläche einen Beitrag zu der elektrischen Kraft liefert".
Eine Konfiguration, die der in dem Dokument FR-A-2 548 431 gegebenen Lehre sehr ähnelt, ist in dem Artikel "Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications" von Michael G. Pollack et al. in "Applied Physics Letters", Band 77, Nr. 11, Seiten 1725 bis 1726, 11. September 2000, beschrieben. Ein Wassertropfen wird zwischen zwei Ebenen angeordnet, die Elektroden aufweisen. Die Elektroden sind von einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt, die durch Abscheidung von Teflon^® in einer geringen Dicke sehr hydrophob gemacht worden ist. Das Prinzip der Verschiebung (Verlagerung) wird erklärt durch die Elektrokapillaritäts-Phänome oder Elektrobenetzungs-Phänomene. Das in diesem Artikel dargestellte Element erlaubt die Verschiebung (Verlagerung) von Tropfen einer Größe von 0,7 bis 1 μl mit Spannungen von 120 V.
Es sind auch bereits Verfahren zur Verschiebung (Verlagerung) von Tropfen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit bekannt. So wird beispielsweise in dem Artikel "Microactuation by continuous electrowetting phenomenon and silicon deep RIE process" von Junghoon Lee et al., in "DSC-Vol. 66", Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)-1998, ASME 1998, ein Verfahren zur Verschiebung (Verlagerung) von Quecksilber-Tropfen in einem Kanal beschrieben, der durch Elektrobenetzung mit einem Elektrolyten gefüllt ist.
Die Elektrokapillarität wird seit langem untersucht (Lippman, 1875). Eine Formulierung ist in dem Artikel "Electrocapillarité et mouillage de films isolants par I'eau", von Bruno Berge, C.R. Acad. Sci. Paris, Band 317, Serie II, Seiten 157–153, 1993, zu finden. Ein Tropfen einer nicht-dielektrischen Flüssigkeit wird auf ein Substrat aufgebracht, das eine von einem Isolator bedeckte Elektrode aufweist. Eine zweite Elektrode taucht in den Tropfen ein. Der Tropfen breitet sich aus (zerläuft), wenn man eine elektrische Spannung an die beiden Elektroden anlegt. In diesem Artikel wird der Benetzungswinkel des Tropfens auf der Oberfläche θ ausgedrückt als Funktion der elektrostatischen Spannung V, die an die beiden Elektroden angelegt worden ist, durch die folgende Beziehung (1):
worin ε_r für den Dielektrizitätskoeffizienten der isolierenden Schicht mit der Dicke e und γ für die Flüssigkeits-Gas-Oberflächenspannung stehen.
In dem Artikel "Moving droplets on asymmetrically structured surfaces" von O. Sandre et al, veröffentlicht in "Physical Review E", Band 60, Nr. 3, September 1999, wird in der Theorie und im Versuch gezeigt, dass dann, wenn man einen Tropfen, der zwischen zwei Substraten, die eine asymmetrische Struktur aufweisen, in Vibration versetzt, dies die Verschiebung (Verlagerung) dieses Tropfens mit sich bringen kann. Eine asymmetrische Struktur wird beschrieben als eine Riffelung in Form von Sägezähnen. Der Tropfen wird dadurch in Vibration versetzt, dass man ein oszillierendes elektrostatisches Feld zwischen zwei Elektroden anlegt, die jeweils auf jedem der beiden Substrate angeordnet sind.
Der Nachteil der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen besteht darin, dass die Tropfen zwischen zwei Ebenen oder in einem Kanal eingeschlossen sein müssen. Dies macht die Anordnung und die Verwendung des Elements komplex. Man findet hier wieder die Probleme in Bezug auf das Verbinden von Kapillaren, die bereits identifiziert worden sind für die Mikrofluid-Technik in Kanälen, mit weiteren elektrischen Verbindungen, die in Betracht gezogen werden müssen. Hier treten auch die Gefahren der Phänomene einer Absorption von biologischen Einheiten an den beiden Ebenen auf, welche die Tropfen einschließen.
Eine andere Methode, welche die Verschiebung (Verlagerung) von Tropfen erlaubt, wurde bereits in dem Artikel "Electrical Actuation of liquid droplets for micro-reactor applications" von Masao Washizu auf dem IEEE Industry Applications Society, Annual Meeting, New Orleans, Louisana, vom 5. bis 9. Oktober 1997, und vor kurzem in dem Artikel "Droplet Manipulation on a Superhydrophobic Surface for Microchemical Analysis" von Altti Torkkeli et al. in "Transducers' 01 Eurosensors XV", dargestellt.
Das System ist in diesem Fall offen. Ein Tropfen wird direkt auf einer Oberfläche abgeschieden. Die Oberfläche umfasst eine Vielzahl von parallel geschalteten Elektroden, die von einer isolierenden Schicht bedeckt sind. Die Oberfläche wurde sehr hydrophob gemacht. Die Aktivierung basiert auf der Anwesenheit von elektrostatischen Kräften, die durch die auf dem Tropfen angeordneten Elektroden erzeugt wurden. Wenn man das Potential der Elektroden modifiziert, modifiziert man die Verteilung der Maxwell-Kräfte (-Spannungen) auf der Tropfen-Oberfläche und M. Washizu hat gezeigt, dass dieser elektrostatische Druck die Verschiebung (Verlagerung) des Tropfens mit sich bringen kann.
Diese Methode erfordert eine große Anzahl von Elektroden, im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen Beispielen. Andererseits ist eine Strukturierung der isolierenden Schicht in dem Artikel von M. Washizu beschrieben, um den Tropfen während seiner Verschiebung zu lenken (führen).
In diesen beiden zuletzt genannten Artikeln wird insbesondere der hydrophobe Charakter der Oberflächen betont, insbesondere der von Torkelli et al. verwendeten Flüssigkeit, bei der es sich um entmineralisiertes Wasser handelt. Das kann für bestimmte biologische Anwendungen sehr einschränkend sein, bei denen die Zugabe von Reagenzien die Flüssigkeiten benetzend macht.
Aus dem vorstehend beschriebenen bekannten Stand der Technik resultiert, dass das Anlegen eines elektrostatischen Feldes, das mit einer Gruppe von Elektroden erzielt wird, die Verschiebung (Verlagerung) eines Flüssigkeitstropfens erlaubt. Es wurden unterschiedliche Interpretationen angegeben, je nach Konfiguration der Elektroden oder der elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeiten (Isolatoren, schwache oder starke elektrische Leiter). Insbesondere war dies auch eine Frage der Kraft des dielektrischen Volumens, der Elektrokapillarität und der Elektrobenetzung oder des elektrostatischen Druckes. Um die nachfolgende Beschreibung zu vereinfachen und zu verkürzen, wird die Gesamtheit dieser unterschiedlichen Phänomene nachstehend einfach als "elektrostatische Kräfte" bezeichnet.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die Nachteile zu überwinden, welche die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik aufweisen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) mindestens eines kleinen Flüssigkeitsvolumens unter dem Einfluss einer elektrischen Steuerung, die umfasst ein Substrat, das ausgestattet ist mit ersten elektrisch leitenden Einrichtungen, wobei die Vorrichtung außerdem umfasst zweite elektrisch leitende Einrichtungen, die den ersten elektrisch leitenden Einrichtungen gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die ersten elektrisch leitenden Einrichtungen und die zweiten elektrisch leitenden Einrichtungen mit elektrischen Versorgungs-Einrichtungen verbunden sein können, um das Anlegen von elektrostatischen Kräften an ein kleines Flüssigkeitsvolumen zu ermöglichen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweiten elektrisch leitenden Einrichtungen mindestens einen leitfähigen Draht umfassen, der parallel zu dem Substrat und in einem vorgegebenen Abstand von dem Substrat angeordnet ist, um die Verschiebung (Verlagerung) des kleinen Flüssigkeitsvolumens entlang des genannten elektrisch leitenden Drahts unter dem Einfluss der angelegten elektrostatischen Kräfte zu ermöglichen. Der elektrisch leitende Draht oder die Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie) hat erstens die Funktion, die Rolle einer Elektrode zu spielen. Außerdem hat sie eine zweite Funktion, die darin besteht, die kleinen Flüssigkeitsvolumina zu führen (lenken). Aufgrund der Kapillaritäts-Kräfte hat nämlich ein Tropfen, der sich auf der Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie) befindet, die Neigung, mit diesem Draht in Kontakt zu bleiben, wodurch die Funktion der Führung (Lenkung) während der eventuellen Verschiebung (Verlagerung) des Tropfens gewährleistet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Verformung oder Verschiebung (Verlagerung) eines kleinen Flüssigkeitsvolumens durch Anlegen eines elektrischen Gleichstrom- oder Wechselstrom-Feldes an die Mikro-Oberleitung und die ersten elektrisch leitenden Einrichtungen. Die Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina lässt sich erklären unter Bezugnahme auf den weiter oben diskutierten Stand der Technik und die weiter oben beschriebenen elektrostatischen Kräfte.
Zweckmäßig umfassen die ersten elektrisch leitenden Einrichtungen Elektroden, die auf einer nicht-elektrisch leitenden Fläche des Substrats angeordnet und in Richtung des elektrisch leitenden Drahtes ausgerichtet sind.
Vorzugsweise ist der elektrisch leitende Draht mit der Flüssigkeit des kleinen Flüssigkeitsvolumens benetzbar. Dies erlaubt eine bessere Führung des kleinen Flüssigkeitsvolumens durch die Mikro-Oberleitung (Kettenlinie).
Gegebenenfalls sind die ersten elektrisch leitenden Einrichtungen und/oder die zweiten elektrisch leitenden Einrichtungen von einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material bedeckt. Dies ermöglicht es, für den Fall, dass die zu verschiebende Flüssigkeit elektrisch leitend ist, eine isolierende Schicht dazwischen so anzuordnen, dass keine starken elektrischen Ströme in dem Flüssigkeitstropfen entstehen.
Gegebenenfalls umfasst die Vorrichtung ein umgebendes Medium, in dem das kleine Flüssigkeitsvolumen verschoben wird, wobei dieses umgebende Medium aus einem Gas oder einer Flüssigkeit besteht, das (die) mit dem kleinen Flüssigkeitsvolumen nicht mischbar ist. Wenn beispielsweise die zu verschiebende Flüssigkeit aus einer wässrigen Lösung besteht, kann das umgebende Medium ein Ölbad sein. Dies erlaubt es, eine Verdampfung der Flüssigkeit während eines langen Versuchs, wenn eine hohe Temperatur angewendet wird, zu vermeiden. Bei einer ersten Ausführungsvariante ist der vorgegebene Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Draht und dem Substrat so, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen in Abwesenheit von einwirkenden e lektrostatischen Kräften mit dem Substrat in Kontakt steht, wobei das Substrat einen Kontakt bietet, der durch die Flüssigkeit des kleinen Flüssigkeitsvolumens nicht benetzbar ist.
Bei einer zweiten Ausführungsvariante ist der vorgegebene Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Draht und dem Substrat und der Durchmesser des elektrisch leitenden Drahtes der Art, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen in Abwesenheit von einwirkenden elektrostatischen Kräften mit dem Substrat nicht in Kontakt steht.
In diesem Fall kann dann, wenn der elektrisch leitende Draht unterhalb des Substrats angeordnet ist, der vorgegebene Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Draht und dem Substrat so sein, dass ein erster Wert von einwirkenden elektrostatischen Kräften einen Kontakt zwischen dem kleinen Flüssigkeitsvolumen und dem Substrat hervorruft. Das Substrat kann dann einen Kontakt bieten, der für das kleine Flüssigkeitsvolumen benetzbar ist in der Weise, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen auf das Substrat überführt wird, wenn die einwirkenden elektrostatischen Kräfte Null betragen oder ausreichend vermindert sind. Das Substrat kann auch einen hydrophoben Kontakt für das kleine Flüssigkeitsvolumen bieten, sodass das kleine Flüssigkeitsvolumen nur durch den elektrisch leitenden Draht getragen wird, wenn die einwirkenden elektrostatischen Kräfte Null betragen oder ausreichend vermindert sind.
Bei einer speziellen Ausführungsform sind der festgelegte Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Draht und dem Substrat und der Durchmesser des elektrisch leitenden Drahtes der Art, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen in Gegenwart von einwirkenden elektrostatischen Verschiebungskräften mit dem Substrat nicht in Kontakt steht.
Die Vorrichtung kann Einrichtung umfassen, die eine Selbstausrichtung und eine Selbstpositionierung des elektrisch leitenden Drahtes mit Zuführungs- und/oder Abzugs-Einrichtungen für das kleine Flüssigkeitsvolumen erlaubt. Zweckmäßig umfassen die Zuführungs- und/oder Abzugs-Einrichtungen für das kleine Flüssigkeitsvolumen mindestens eine Mikrokapillare.
Bei einer dritten Ausführungsform hat das Substrat mit dem kleinen Flüssigkeitsvolumen eine asymmetrische Oberflächenrauheit, wobei der Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Draht und dem Substrat so ist, dass unter dem Einfluss von einwirkenden elektrostatischen Kräften das kleine Flüssigkeitsvolumen mit dem Substrat in Kontakt steht, das durch seine asymmetrische Oberflächenrauheit die Verschiebung des kleinen Flüssigkeitsvolumens fördert. Die asymmetrische Oberflächenrauheit kann ein Profil in Form eines Fabrikdaches bzw. Sägezahndaches haben. Die Oberfläche des Substrats kann gegenüber dem kleinen Flüssigkeitsvolumen zweckmäßig nicht benetzbar sein.
Es ist aber auch möglich, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Verschiebung von mehreren Tropfen auf der gleichen Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie) vorzusehen oder mehrere Mikro-Oberleitungen (Mikro-Kettenlinien) für die Verschiebung von Serien von Tropfen vorzusehen.
Die ersten elektrisch leitenden Einrichtungen können somit eine Matrix von Elektroden umfassen, die Zeilen und Spalten bilden, wobei die zweiten elektrisch leitenden Einrichtungen elektrisch leitende Drähte in jeder Zeile von Elektroden umfassen, die einem elektrischen Draht entsprechen.
Die ersten elektrisch leitenden Einrichtungen können außerdem eine Matrix von Elektroden umfassen, die Zeilen und Spalten bilden, wobei die zweiten elektrisch leitenden Einrichtungen eine erste Reihe von elektrisch leitenden Drähten und eine zweite Reihe von elektrisch leitenden Drähten umfassen, wobei jede Zeile von Elektroden einem elektrisch leitenden Draht der ersten Reihe von elektrisch leitenden Drähten entspricht und jede Spalte von Elektroden einem elektrisch leitenden Draht der zweiten Reihe von elektrisch leitenden Drähten entspricht.
Die Vorrichtung kann Heizeinrichtungen umfassen, um den elektrisch leitenden Draht oder gegebenenfalls die elektrisch leitenden Drähte zu erwärmen. Die Heizeinrichtungen können elektrische Einrichtungen sein, welche die Zirkulation eines elektrischen Stromes in dem (den) elektrisch leitenden Draht (Drähten) erlauben. Zweckmäßig umfasst die Vorrichtung Einrichtungen zur Kontrolle der Temperatur des (der) elektrisch leitenden Drahtes (Drähte), ausgehend von der Messung des elektrischen Widerstandes des (der) elektrisch leitenden Drahtes (Drähte).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist besser verständlich und es ergeben sich weitere Vorteile und Besonderheiten bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, welche die Erfindung lediglich erläutert, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß der vorliegende Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß der vorliegende Erfindung;
3 eine vereinfachte Darstellung der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsvariante für eine spezielle Verwendung;
4 und 5 eine Darstellung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß 3;
6 eine vereinfachte Darstellung einer dritten Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina mit mehreren Mikro-Oberleitungen (Kettenlinien) gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina, die zwei Reihen von sich überkreuzenden Mikro-Oberleitungen (Mikro-Kettenlinien) aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina mit einer in Bezug auf die Temperatur geregelten Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie);
10 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß der vorliegenden Erfindung im Verlaufe der Herstellung;
11A bis 11F Ansichten, die dem Schnitt XX der 10 entsprechen und das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung gemäß der 10 erläutern;
12A und 12B Schnittansichten, jeweils in Längsrichtung und in Querrichtung, einer anderen Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß der vorliegenden Erfindung;
13A bis 13D Darstellungen, welche das Verfahren zur Herstellung einer anderen Vorrichtung zur Verschiebung bzw. Verlagerung von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß vorliegenden Erfindung erläutern;
14A bis 14E Darstellungen des Verfahrens zur Herstellung noch einer weiteren Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina gemäß der Erfindung;
15 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina, bei denen Verzweigungen verwendet werden, gemäß der vorliegenden Erfindung; und
16 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Verschiebung (Verlagerung) von kleinen Flüssigkeitsvolumina, die bevorzugte Anordnungen für die kleinen Flüssigkeitsvolumina aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Eine erste Variante der Erfindung ist in der 1 dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung, die als Chip bezeichnet werden kann, umfasst ein ebenes Substrat 1, vorzugsweise aus einem isolierenden Material. Eine der Flächen des Substrats 1 umfasst Elektroden 2, die entlang der Richtung ausgerichtet sind, die für die Verschiebung (Verlagerung) von Mikrotropfen vorgesehen ist. Ein elektrisch leitender Draht 3 oder eine Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie) ist im Wesentlichen parallel zu dem Substrat 1 und in einem vorgegebenen Abstand von diesem Substrat angeordnet. Die Mikro-Oberleitung 3 ist Elektroden 2 gegenüberliegend angeordnet. Das Ganze befindet sich in einem umgebenden Medium 4, das ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, das (die) mit der Flüssigkeit des Mikrotropfens 5 nicht mischbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Verformung oder Verschiebung (Verlagerung) des Tropfens 5 durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie) und an mindestens eine der Elektroden 2. Die Verschiebung des Tropfens ist erklärtlich unter Bezugnahme auf den weiter oben erläuterten Stand der Technik und die Ausführungen zu den elektrostatischen Kräften.
Die Mikro-Oberleitung 3 gewährleistet eine Führungsfunktion für den Tropfen während seiner Verschiebung, wobei es bevorzugt ist, dass sie für die den Tropfen bildende Flüssigkeit benetzbar ist.
Wenn die Flüssigkeit, die den Tropfen bildet, elektrisch leitend ist, ist es bevorzugt, die Elektroden 2 mit einer isolierenden Schicht zu bedecken und/oder die Mikro-Oberleitung mit einer dünnen isolierenden Schicht zu umhüllen.
Die an die Mikro-Oberleitung und die Elektroden angelegte elektrische Spannung, welche die Verformung oder Verschiebung des Tropfens erlaubt, kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein.
In der 1 wird Bezug genommen auf einen einzigen Tropfen, es ist aber auch möglich, mehrere Tropfen auf der Mikro-Oberleitung zu verschieben (zu verlagern).
Die Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet zahlreiche Vorteile. Die Mikro-Oberleitung weist zwei Funktionen auf: eine elektrische Funktion und eine Führungsfunktion für den Tropfen. Technologisch ist die Durchführung sehr einfach. Es ist nicht erforderlich, den Tropfen zwischen zwei Ebenen einzuschließen. Die Mikro-Oberleitung kann sehr dünn sein, wodurch die Flüssig/Fest-Oberfläche begrenzt wird und wodurch die chemischen, biologischen oder physikalisch-chemischen (Benetzungs-)Wechselwirkungen minimiert werden. Das Inkontaktbringen des Tropfens mit der Mikro-Oberleitung macht es möglich, ihn in einer vorteilhaften elektrischen Konfiguration anzuordnen, verglichen mit den verschiedenen Prinzipien, welche die Verschiebung des Tropfens erlauben. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass ein Element vorliegt, welches das Arbeiten in mehreren Anwendungsmodi erlaubt, die in der weiter unten folgenden Beschreibung näher beschrieben werden.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Variante, wie sie in 1 dargestellt ist, steht der Tropfen ständig in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats, das die Elektroden trägt. Mehrere Elektroden 2 sind entsprechend der Richtung der Mikro-Oberleitung 3 ausgerichtet. Das Substrat besteht beispielsweise aus Glas, man kann aber auch jeden Typ eines isolierenden Materials verwenden, wie z.B. Keramik oder Kunststoff oder ein Silicium-Substrat, das eine isolierende Schicht aufweist. Diese isolierende Schicht kann eine Schicht aus Siliciu moxid sein. Die Elektroden 2 können aus einer Schicht aus Gold oder Aluminium oder irgendeinem anderen elektrisch leitenden Material hergestellt sein. Die Elektroden können eine Dimension von mehreren 10 μm² bis zu 1 mm² haben, je nach den Dimensionen der zu transportierenden Tropfen. Die Strukturierung der Elektroden kann erzielt werden unter Anwendung klassischer Verfahren der Mikrotechnologie, d.h. durch Fotolithographie.
Die Mikro-Oberleitung kann ein Draht aus Gold, aus Aluminium, aus Platin oder aus einem anderen elektrisch leitenden Material sein. Der Draht kann einen Durchmesser von etwa 10 μm oder etwa 100 μm haben. Der Abstand zwischen dem elektrisch leitenden Draht und dem Substrat kann etwa 10 μm bis zu mehrere 100 μm betragen. In der Regel kann man einen Golddraht mit einem Durchmesser von 25 μm verwenden, der etwa 100 μm von der Ebene der Elektroden entfernt angeordnet ist.
Die Mikro-Oberleitung ist an ein Referenz-Potential Vo angeschlossen. An eine der Elektroden 2 legt man ein Potential V an, die beiden anderen haben das Referenz-Potential Vo.
Es wurde festgestellt, dass der Tropfen die Neigung hat, sich auf der Elektrode anzuordnen, an die das Potential V angelegt ist. Dies wurde festgestellt im Falle einer isolierenden Flüssigkeit, wie z.B. eines Öls, sowie im Falle einer nicht-isolierenden Flüssigkeit, wie z.B. salzhaltigem Wasser. In dem zuletzt genannten Fall wurden die Elektroden 2 vorher mit einer dünnen isolierenden Schicht aus Parylen mit einer Dicke in der Größenordnung von μm oder mit einem isolierenden Material, wie z.B. aus Siliciumoxid (SiO₂), Siliciumnitrit (Si₃N₄) oder Teflon^®, bedeckt.
Durch aufeinanderfolgendes Aktivieren der verschiedenen Elektroden kann man den Tropfen verschieben (verlagern). Die Verschiebung ist erklärlich unter Bezugnahme auf den Stand der Technik. Die Aktivierungsspannungen betragen einige hundert Volt. Je weniger die Oberfläche des die Elektroden tragenden Substrats beneztbar ist, umso stärker kann die Aktivierungsspannung vermindert werden. Darüber hinaus gilt, dass die Aktivierungsspannung umso mehr vermindert werden kann, je näher die Elektroden beieinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt beispielsweise einige μm.
Eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung ist in der 2 dargestellt. Vom Standpunkt der technologischen Realisierung auf betrachtet ist diese Variante mit der weiter oben beschriebenen Variante identisch. Hier ist jedoch der Tropfen 15 an der Mikro-Oberleitung 13 verankert, ohne mit den auf dem Substrat 11 vorhandenen Elektroden 12 in Kontakt zu stehen. Es ist bevorzugt, dass die Oberfläche der Mikro-Oberleitung 13 benetzbar gemacht wird für die Flüssigkeit, welche den Tropfen bildet, um eine gute Verankerung zu gewährleisten. Desgleichen kann die Elektrode 12 von einer isolierenden Schicht bedeckt sein. Es ist auch bevorzugt, dass die Mikro-Oberleitung einen Durchmesser von etwa 100 μm hat, sodass die Kapillaritätskräfte ausreichend groß sind gegenüber dem Gewicht (der Schwerkraft). Auf diese Weise können Tropfen mit vernünftigen Dimensionen an der Mikro-Oberleitung verankert werden. Beispielsweise kann ein Tropfen von mehreren Mikrolitern Öl an einer Oberleitung von 300 μm Breite verankert werden.
Es wurde festgestellt, dass das Vorliegen einer elektrischen Spannung zwischen der Mikro-Oberleitung 13 und einer der Elektroden 12, die in der Nähe des Tropfens 15 angeordnet ist, eine Verformung des Tropfens mit sich bringt. Diese Verformung hat die Neigung, den Tropfen in Richtung auf die aktivierte Elektrode anzuziehen.
Auf diese Weise wurde festgestellt, dass es durch Anordnen von mehreren Elektroden 12 auf dem Substrat 11 und durch Ausrichten der Elektroden auf die Richtung der Mikro-Oberleitung 13 möglich ist, einen Tropfen zu verschieben (zu verlagern) durch aufeinanderfolgendes Anlegen einer elektrischen Spannung an die verschiedenen Elektroden und die Mikro-Oberleitung. Auf diese Weise wird in diesem Fall der Tropfen, der sich auf der Mikro-Oberleitung befindet, verschoben (verlagert), ohne dass er jemals mit dem Substrat oder den Elektroden in Kontakt kommt. In diesem speziellen Fall gibt es keine Einschränkung in Bezug auf die Benetzungseigenschaften der Oberfläche des Substrats.
Eine Beschreibung der wellenförmigen Form eines Tropfens, der einen Draht benetzt, ist zu finden in dem Artikel "Gouttes, bulles, perles et ondes" von P. G. de Gennes et al., Editions Belin, 2002, Seite 19. Es wurde auch festgestellt, dass je nach den Dimensionen des Tropfens die Form verschieden sein kann, wenn die Schwerkraft bzw. das Gewicht nicht mehr vernachlässigbar ist. Der Tropfen hat die Neigung, unterhalb der Mikro-Oberleitung zu hängen. Im Falle der 2 addieren sich die elektrostatischen Kräfte zu dem Gewicht (der Schwerkraft). Es ist somit bevorzugt, das System umzukehren, sodass die elektrostatischen Kräfte dem Gewicht bzw. der Schwerkraft entgegengerichtet sind, um die Gefahr einer Ablösung des Tropfens von der Mikro-Oberleitung zu vermeiden. Dies zeigt die 3.
Wenn man die Aktivierungsspannung erhöht, kann der Tropfen sich verformen, bis er die Aktivierungselektrode berührt. Dies zeigt die 4. Eine Verminderung oder eine Aufhebung der Aktivierungsspannung kann dann zwei Szenarien, wie nachstehend angegeben, mit sich bringen:

– wenn die Elektrode 12 benetzbar ist (vgl. 5), bleibt der Tropfen 15 natürlich an der Oberfläche haften durch die Kapillaritätskräfte, wobei der Prozess dann irreversibel ist;
– wenn die Oberfläche der Elektrode 12 sehr hydrophob ist, löst sich der Tropfen von der Oberfläche ab und gelangt in die Position, wie sie in der 3 erläutert ist, und in diesem Fall ist der Prozess reversibel, d.h. dass man in beliebiger Weise einen Kontakt zwischen dem Tropfen und der Aktivierungselektrode herstellen kann, indem man die Aktivierungsspannung modifiziert.

Je nach den Dimensionen und den Benetzbarkeitseigenschaften kann man den Tropfen von der Mikro-Oberleitung auf das Substrat übertragen oder man kann die Benetzbarkeit mit dem Tropfen auf die Substratoberfläche übertragen.
Daraus folgend ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, einen Tropfen entlang der Mikro-Oberleitung zu verschieben (zu verlagern) mit den beiden folgenden Möglichkeiten:

– der Tropfen gleitet, wobei er immer mit der Oberfläche des Substrats in Kontakt bleibt,
– der Tropfen verschiebt sich, ohne dass er mit der Oberfläche des Substrats in Kontakt kommt. In dem zuletzt genannten Fall kann man beispielsweise nach einer Verschiebung ohne Kontakt über eine bestimmte Länge der Mikro-Oberleitung vorübergehend ein Zerlaufen des Tropfens auf der Oberfläche des Substrats bewirken oder den Tropfen von der Mikro-Oberleitung auf die Oberfläche des Substrats überführen.

Eine dritte erfindungsgemäße Variante ist in dem Teil A der 6 dargestellt. Das Substrat 21 besteht aus einem elektrisch leitenden Material oder ist mit einem elektrisch leitenden Material 22 bedeckt. Es ist auch bevorzugt, eine isolierende Schicht abzuscheiden, die in der 6 nicht dargestellt ist, auf der Oberfläche des Substrats (oder der elektrisch leitenden Schicht) in Kontakt mit dem Tropfen. Darüber hinaus weist diese Oberfläche eine asymmetrische Rauheit (beispielsweise in Form eines Fabrik-Daches, bzw. Sägezahndaches) auf wie im Teil B der 6 dargestellt.
Die Oberfläche des Substrats (oder der elektrisch leitenden Schicht), die mit dem Tropfen in Kontakt steht, ist zweckmäßig nicht-benetzbar gemacht durch den Tropfen 25. Der Tropfen 25 haftet an der Mikro-Oberleitung und ruht darüber hinaus auf der Oberfläche des Substrats oder der elektrisch leitenden Schicht. Das Anlegen einer Wechselspannung an die Mikro-Oberleitung und die elektrisch leitende Schicht 22 erlaubt es, den Tropfen 25 in Vibration zu versetzen. Es wurde festgestellt, dass es möglich ist, den Tropfen 25 entlang der Mikro-Oberleitung 23 zu verschieben (zu verlagern). Dies ist erklärlich unter Bezugnahme auf den weiter oben zitierten Artikel "Moving droplets on asymmetrically structured surfaces".
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist in der 7 dargestellt. Das Substrat 31 trägt eine Matrix von Elektroden 32, die in Form von Zeilen und Spalten angeordnet sind, die von einer isolierenden Schicht (nicht dargestellt) bedeckt sein können. Mehrere Mikro-Oberleitungen 33 sind parallel angeordnet entsprechend den Elektroden-Zeilen. Die Mikro-Oberleitungen 33 sind in einem gegebenen Abstand von der Oberfläche des Substrats angeordnet als Folge der Abstandhalter 36. Auf diese Weise ist es möglich, parallel auf mehreren Zeilen von Elektroden zu arbeiten und mehrere Tropfen nach einem der weiter oben beschriebenen Verfahren zu verschieben (zu verlagern).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist in der 8 dargestellt. Das Substrat 41 trägt eine Matrix von Elektroden 42, die in Form von Zeilen und Spalten verteilt sind, die von einer feinen isolierenden Schicht (nicht dargestellt) bedeckt sein können. Eine erste Reihe von Mikro-Oberleitungen 43 ist parallel angeordnet entsprechend den Elektroden-Zeilen. Die Mikro-Oberleitungen 43 sind in einem gegebenen Abstand von der Oberfläche des Substrats mittels Abstandhaltern 46 angeordnet. Eine zweite Reihe von Mikro-Oberleitungen 47 ist parallel, jedoch senkrecht zu der Reihe von Mikro-Oberleitungen 43, d.h. entsprechend der Richtung der Elektroden-Spalten, angeordnet. Die Mikro-Oberleitungen 47 sind in einem gegebenen Abstand von der Oberfläche des Substrats mittels Abstandhaltern 48 angeordnet. Die Abstandhalter 46 und 48 können unterschiedliche Höhen haben. So ist es möglich, Tropfen entlang von zwei zueinander senkrechten Richtungen zu verschieben (zu verlagern).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die Mikro-Oberleitung zum Erwärmen eines Flüssigkeitstropfens zu verwenden. Dies kann sehr leicht mit Hilfe des Joule-Effekts erzielt werden, wobei man einen elektrischen Strom entlang der Mikro-Oberleitung zirkulieren lässt. Dies ist in der 9 schematisch dargestellt. In dieser Figur ist ein isolierendes Substrat 51 dargestellt, das Elektroden 52 trägt, die so ausgerichtet sind, dass sie einer Mikro-Oberleitung 53 gegenüber liegen, die durch Abstandhalter 56 getragen wird. Der Tropfen kann einer beliebigen Position der Mikro-Oberleitung 53 unter Anwendung eines der Verfahren, wie sie weiter oben beschrieben worden sind, zugeführt werden. Vorzugsweise ordnet man den Tropfen in der Mitte der Mikro-Oberleitung an. Wegen der Symmetrie des Systems hat nämlich das Temperaturprofil T der Mikro-Oberleitung eine glockenförmige Gestalt, die durch die Kurve 59 schematisch dargestellt ist. Es ist allgemein bekannt, dass der spezifische Widerstand des elektrischen Materials allgemein von der Temperatur abhängt. Auf diese Weise kann man die Temperatur des Systems kontrollieren, indem man einfach den Widerstand der Mikro-Oberleitung misst.
Der Vorteil besteht darin, dass man über ein Oberleitungs-Tropfen-System verfügt, das eine sehr niedrige thermische Masse aufweist, was bei dem Stand der Technik nicht der Fall ist, bei dem die Reaktionen in den Flüssigkeiten ablaufen, die mit Vertiefungen oder Kanälen in Kontakt stehen. Auf diese Weise ist es leicht möglich, den Tropfen innerhalb sehr kurzer Zeiträume zu erwärmen oder abkühlen zu lassen. Dies ist besonders geeignet für bestimmte biologische Versuchssprotokolle, die eine zyklische Temperaturein stellung erfordern, wie der PCR (vgl. den oben genannten Artikel "Miniaturized flow-through PCR with different template types in a silicon chip thermocycler").
Nachstehend werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschrieben.
Die 10 stellt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung während ihrer Herstellung dar. Die 11A bis 11F erläutern die Stufen des Herstellungsverfahrens gemäß dieser ersten Ausführungsform.
Die Vorrichtung umfasst ein Substrat 61 aus Glas, aus Siliciumdioxid, aus Kunststoff oder aus Silicium, das von einer isolierenden Schicht bedeckt ist. Auf diesem Substrat ist eine elektrisch leitende Schicht 60, beispielsweise aus Gold, aus Aluminium oder aus ITO abgeschieden (vgl. 11A). Diese elektrisch leitende Schicht 60 wird strukturiert durch eine Fotolithographie-Stufe, um eine Elektrodenmatrix 62 zu definieren, die mittels Leitungen 65 mit Verbindungsstellen 64 verbunden ist (vgl. die 10 und 11B). Die Dimension der Elektroden beträgt einige 10 bis einige 100 μm (in der Regel 500 μm × 500 μm). Der Abstand zwischen den jeweiligen Elektroden beträgt einige μm (5 bis 10 μm). Die Strukturierung der elektrisch leitenden Schicht führt auch zur Bildung von Verbindungsstellen 67, die beiderseits der Elektrodenzeilen 62 angeordnet sind. Das Substrat wird anschließend durch eine Schicht 68 aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus Siliciumoxid oder Si₃N₄, mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 1 μm bedeckt (vgl. die 11C). Eine Schicht zum Ätzen der isolierenden Schicht, die auf den Verbindungsstellen 64 und 67 angeordnet ist, erlaubt die Herstellung eines elektrischen Kontakts (vgl. die 11D).
Dann wird ein dickes Harz (beispielsweise das Harz EPON SU8 Epoxy Resin, vgl. das US-Patent 4 882 245) abgeschieden, das durch Fotolithographie strukturiert wird zur Herstellung der Abstandhalter 66. Die Dicke der den Abstandhalter bildenden Schicht beträgt einige 10 bis einige 100 μm (vgl. die 11E).
Das Substrat wird zerschnitten zur Herstellung von einzelnen Chips (ein einziger Chip ist in den 10 und 11A bis 11E aus Gründen der Vereinfachung dargestellt). Unter Anwendung von mikrotechnologischen Verfahren kann auch auf einer Platte (Scheibe) mit einem Durchmesser von 100 mm eine große Anzahl von Elementen hergestellt werden. Jeder Chip wird an einem Träger 69 befestigt, wie dies üblicherweise in der Mikroelektronik durchgeführt wird (vgl. 11F). Dann müssen noch elektrische Brücken 70 zwischen den Verbindungsstellen 64 oder 67 und Verbindungsstellen mit dem Träger 69 hergestellt werden durch Verwendung einer elektrischen Löt-Vorrichtung, wie sie üblicherweise in der Mikroelektronik verwendet wird. Mit der gleichen Vorrichtung können auch die Mikro-Oberleitungen (Mikro-Kettenlinien) zwischen zwei Verbindungsstellen 67 hergestellt werden, die einer gleichen Linie von Elektroden 62 gegenüberliegend angeordnet sind. Die in den Löt-Vorrichtungen verwendeten Verbindungsdrähte sind beispielsweise Drähte aus Gold oder Aluminium mit einem Durchmesser von einigen 10 μm (beispielsweise 25 μm). Je nach Anwendung wählt man dieses oder jenes Material aus, um die Mikro-Oberleitung (Mikro-Kettenlinie) herzustellen, beispielsweise Gold oder Aluminium, die unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweisen.
Eine Herstellungsvariante ist in den 12A bis 12B dargestellt, wobei die 12B eine Schnittansicht entlang der Achse YY der 12A darstellt. Der Abstandhalter wird hergestellt durch Mikro-Bearbeitung eines Substrats 76, das mit dem Substrat 61 verbunden wird, das vorgesehen ist wie in der 11D dargestellt. Das Substrat 76 umfasst ein Rillensystem 77, das die Selbstausrichtung und die Selbstpositionierung der Mikro-Oberleitung 73 mit einer großen Genauigkeit erlaubt. Die Rillenbildung kann durchgeführt werden beispielsweise durch Herstellung von anisotropen chemischen Ätzungen in einem Substrat aus monokristallinem Silicium.
Um das hergestellte Element zu begrenzen, beispielsweise zur Begrenzung der Verdampfung, bedeckt man das Element gegebenenfalls durch einen Film 74. Zu diesem Zweck kann ein einfacher Klebefilm verwendet werden.
Die Injektion von Tropfen 75 kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Man kann ein System zur Verteilung von Tropfen verwenden (einen Druck-Kopf). Man kann auch den selbstklebenden Film 74 mit einer Nadel durchbohren und die Tropfen mit dieser Nadel injizieren. Der selbstklebende Film spielt dann die Rolle einer Trennwand. Eine andere Lösung besteht darin, neue Rillenbildungssysteme zu verwenden, um die Mikrokapillaren 72 zu posi tionieren. Auf diese Weise werden die Enden der Mikrokapillaren 72 in natürlicher Weise in der Nähe der entsprechenden Mikro-Oberleitungen 73 angeordnet und aufeinander selbst ausgerichtet. Man kann dann beispielsweise die Injektion der Flüssigkeiten mittels einer Zylinder-Spritze kontrollieren, die mit dem anderen Ende der Mikrokapillaren in Verbindung steht, oder indem man ein unter Druck stehendes Systems verwendet.
Eine zweite Ausführungsform ist in den 13A bis 13D einerseits und 14A bis 14E andererseits erläutert. Bei dieser Ausführungsform wird die Mikro-Oberleitung maschinell direkt in ein zweites Substrat eingearbeitet.
Die 13A bis 13C stellen Seitenansichten und Ansichten im Schnitt dar. Die 13D stellt eine Draufsicht dar, die der 13B entspricht.
Die 13A zeigt einen Träger 80, der das zweite Substrat darstellt. Eine elektrisch leitende Schicht 81 ist auf einer Fläche des zweiten Substrats 80 abgeschieden. Durch eine Fotolithogravier-Stufe definiert man die Form der Mikro-Oberleitung und ihrer Verbindungsstellen. Die 13D zeigt die Form, die der Mikro-Oberleitung 83 und ihren Verbindungsstellen 82 verliehen wird.
Das zweite Substrat 80 wird anschließend graviert, um eine Öffnung 64 zu erzeugen, welche die Mikro-Oberleitung 83 freigibt (vgl. die 13B und 13D). Die 14D stellt eine Draufsicht entlang der Ebene DD dar, die in der 14C angezeigt ist und keine Schicht 96 aufweist.
Das auf diese Weise maschinell bearbeitete zweite Substrat 80 wird mit einer Struktur 85 des Typs, wie er in 11C dargestellt ist, verbunden. Das Verbinden erfolgt in der Weise, dass die Mikro-Oberleitung 83 gegenüber einer Reihe von Aktivierungselektroden angeordnet wird (vgl. 13C). Die elektrischen Verbindungen mit der Mikro-Oberleitung sind nicht dargestellt.
Die 14A, 14B, 14C und 14E stellen Seitenansichten und Schnittansichten dar. Die 14D stellt eine Draufsicht dar, die der Ebene DD der 14C entspricht.
Die 14A zeigt einen Träger 90, der das zweite Substrat darstellt. Eine isolierende Schicht 95 und eine elektrisch leitende Schicht 91 sind jeweils nacheinander auf einer Fläche des zweiten Substrats 90 abgeschieden. Durch eine Fotolithographie-Stufe definiert man die Form der Mikro-Oberleitung und ihrer Verbindungsstellen. Die 14D zeigt die Form, die einer Mikro-Oberleitung 93 und ihren Verbindungsstellen 92 gegeben wird.
Eine weitere Schicht ist auf dem zweiten Substrat 90 abgeschieden, welche die Mikro-Oberleitung bedeckt. Durch eine weitere Fotolithographie-Stufe definiert man die Form dieser weiteren Schicht und die Form der Schicht 95, um die Verbindungsstellen 92 freizulegen und ein schmales Band 96 auf der Mikro-Oberleitung 93 und ein schmales Band unterhalb der Mikro-Oberleitung 93 bestehen zu lassen (vgl. 14B).
Anschließend wird ein Ätzvorgang durchgeführt, wobei man von der rückwärtigen Fläche des zweiten Substrats ausgeht, um eine Öffnung 94 zu erhalten (vgl. die 14C und 14D). Die 14D stellt eine Draufsicht entlang der Ebene DD dar, die in der 14C angezeigt ist und ohne die Schicht 96 vorliegt.
Das so bearbeitete zweite Substrat wird mit einer Struktur 98 des Typs verbunden, wie er in der 11C dargestellt ist. Das Verbinden wird in der Weise durchgeführt, dass die Mikro-Oberleitung 93 gegenüber einer Reihe von Aktivierungselektroden angeordnet wird (vgl. 14E). Die elektrischen Verbindungen mit der Mikro-Oberleitung sind nicht dargestellt.
In diesem Fall liegt die Mikro-Oberleitung zwischen zwei Schichten, welche die Rolle eines mechanischen Trägers spielen. Die Schichten 95 und 96 können aus einem Material hergestellt sein, das eine Vorspannung aufweist, um die Mikro-Oberleitung gut zu spannen und zu versteifen. Dies kann dadurch erhalten werden, dass man von einem zweiten Substrat 90 aus Silicium ausgeht, auf dem man Schichten 95 und 96 aus Siliciumnitrid unter Anwendung eines PECVD-Verfahrens abscheidet, das die Kontrolle des Ausmaßes der Beanspruchung des abgeschiedenen Materials erlaubt. Diese Ausführungsform erlaubt es auch, die Mikro-Oberleitung mit einem isolierenden Material zu umhüllen.
Die Anwendung von Mikrotechnologien erlaubt es somit, die Mikro-Oberleitungen zu strukturieren durch Aufeinanderstapeln von unterschiedlichen Schichten. Man kann auch verschiedene Formen von Mikro-Oberleitungen entwickeln.
Die 15 stellt somit eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar, die eine Mikro-Oberleitung 103 zeigt, die mit einer ersten Verzweigung 108 und einer zweiten Verzweigung 109 ausgestattet ist. Die erste Verzweigung 108 steht mit Verbindungsstellen 110, 111 in Verbindung und die zweite Verzweigung 109 ist mit Verbindungsstellen 112, 113 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Mikro-Oberleitung 103 und die Verzweigungen 108 und 109 auf einem mechanischen Träger angeordnet sind. Die Verzweigungen erlauben es, Tropfen zu vermischen, zu verdreifachen oder zu unterteilen.
Die 16 stellt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar, die eine Mikro-Oberleitung 123 zeigt, die mit Verbindungsstellen 127 verbunden ist. Die Mikro-Oberleitung 123 ist auf einem Träger 122 angeordnet, der eine wellenförmige Form hat, die es erlaubt, die Positionierung von Tropfen auf der Mikro-Oberleitung mittels Kapillarkräften zu positionieren.

Claims

Vorrichtung zum Verschieben wenigstens eines kleinen Flüssigkeitsvolumens (5, 15) unter der Wirkung eines elektrischen Antriebs, ein mit ersten elektrisch leitfähigen Einrichtungen (2, 12) versehenes Substrat (1, 11) umfassend, wobei die Vorrichtung auch den ersten elektrisch leiffähigen Einrichtungen gegenüberstehende zweite elektrisch leitfähige Einrichtungen umfasst und die ersten elektrisch leitfähigen Einrichtungen und die zweiten elektrisch leitfähigen Einrichtungen mit elektrischen Versorgungseinrichtungen verbunden werden können, um die Anwendung von elektrostatischen Kräften auf das kleine Flüssigkeitsvolumen (5, 15) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten elektrisch leitfähigen Einrichtungen wenigstens einen leitfähigen Draht (3, 13) umfassen, der eine Mikro-Oberleitung bildet, parallel zu dem Substrat und mit einem bestimmten Abstand von dem Substrat, um unter der Wirkung der angewendeten elektrostatischen Kräfte die Verschiebung des kleinen Flüssigkeitsvolumens längs des genannten leitfähigen Drahts zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrisch leitfähigen Einrichtungen Elektroden (2, 12) umfassen, die auf einer elektrisch nichtleiffähigen Fläche bzw. Seite des Substrats angeordnet und gemäß der Richtung des leitfähigen Drahts ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Draht (13) für die Flüssigkeit des Flüssigkeitsvolumens benetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrisch leiffähigen Einrichtungen (62) und/oder die zweiten elektrisch leitfähigen Einrichtungen mit einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material (68) überzogen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Umgebungsmedium (4) umfasst, in dem das kleine Flüssigkeitsvolumen (5) sich verschiebt, wobei dieses Umgebungsmedium durch ein Gas gebildet wird, oder durch eine Flüssigkeit, die sich mit dem kleinen Flüssigkeitsvolumen bzw. der Flüssigkeit des kleinen Flüssigkeitsvolumens nicht vermischt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die sich nicht mit dem kleinen Flüssigkeitsvolumen vermischende Flüssigkeit ein Ölbad ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Abstand zwischen dem leitfähigen Draht (3) und dem Substrat (1) so ist, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen (5), wenn die elektrostatischen Kräfte nicht angewendet werden, das Substrat berührt, wobei die Flüssigkeit des kleinen Flüssigkeitsvolumens bei diesem Kontakt das Substrat nicht benetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Abstand zwischen dem leitfähigen Draht (13) und dem Substrat (11) und der Durchmesser des leitfähigen Drahts (13) so sind, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen (15), wenn die elektrostatischen Kräfte nicht angewendet werden, das Substrat nicht berührt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Abstand zwischen dem leitfähigen Draht und dem Substrat und der Durchmesser des leitfähigen Drahts so sind, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen, wenn die elektrostatischen Verschiebungskräfte angewendet werden, das Substrat nicht berührt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der leitfähige Draht (13) sich unter dem Substrat (11) befindet, wobei der festgelegte Abstand zwischen dem leitfähigen Draht und dem Substrat so ist, dass ein erster Wert der angelegten elektrostatischen Kräfte einen Kontakt zwischen dem kleinen Flüssigkeitsvolumen und dem Substrat bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat dem kleinen Flüssigkeitsvolumen (15) einen netzenden Kontakt bietet, so dass sich das kleine Flüssigkeitsvolumen zum Substrat verlagert, wenn die angewendeten elektrostatischen Kräfte null oder ausreichend klein sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat dem kleinen Flüssigkeitsvolumen (15) einen hydrophoben Kontakt bietet, so dass das kleine Flüssigkeitsvolumen nur durch den Draht getragen wird, wenn die angewendeten elektrostatischen Kräfte null oder ausreichend klein sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einrichtungen (77) zur Selbstausrichtung oder Selbstpositionierung des leitfähigen Drahts (73) umfasst, mit Zuleitungs- und/oder Ableitungseinrichtungen (72) des kleinen Flüssigkeitsvolumens.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitungs- und/oder Ableitungseinrichtungen des kleinen Flüssigkeitsvolumens wenigstens eine Mikrokapillare (72) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (21) dem kleinen Flüssigkeitsvolumen eine Oberfläche (22) mit asymmetrischer Rauheit bietet, wobei der Abstand zwischen dem leitfähigen Draht und dem Substrat so ist, dass das kleine Flüssigkeitsvolumen (25) unter der Wirkung der angewendeten elektrostatischen Kräfte das Substrat berührt, das aufgrund seiner asymmetrischen Rauheit die Verschiebung des kleinen Flüssigkeitsvolumens begünstigt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit der asymmetrischen Rauheit das Profil eines Shed- bzw. Sägedachs hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche, die das Substrat dem kleinen Flüssigkeitsvolumen bietet, unbenetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrisch leitfähigen Einrichtungen eine Matrix aus Elektroden (32) umfassen, die Zeilen und Spalten bilden, und die zweiten elektrisch leiffähigen Einrichtungen einen elektrisch leitfähigen Draht (33) umfassen, wobei jeder Elekfrodenzeile ein leiffähiger Draht entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrisch leiffähigen Einrichtungen eine Matrix aus Elektroden (42) umfassen, die Zeilen und Spalten bilden, und die zweiten elektrisch leitfähigen Einrichtungen eine erste Serie von elektrisch leitfähigen Drähten (43) und eine zweite Serie von elektrisch leitfähigen Drähten (47) umfassen, wobei jeder Elektrodenspalte ein leitfähiger Draht der zweiten Serie von elektrisch leitfähigen Drähten entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einrichtungen zum Erwärmen des (der) leitfähigen Drahts (Drähte) (53) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtungen elektrische Einrichtungen sind, welche das Fließen eines elektrischen Stroms in dem (den) leitfähigen Draht (Drähten) (53) ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie Einrichtungen zum Steuern der Temperatur des (der) leitfähigen Draht (Drähte) (53) aufgrund der Messung des elektrischen Widerstands des (der) leitfähigen Draht (Drähte) (53) umfasst.