DE10011022A1

DE10011022A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung von Synthesen, Analysen oder Transportvorgängen

Info

Publication number: DE10011022A1
Application number: DE10011022A
Authority: DE
Inventors: Meinhard Knoll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-07
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2001-09-27
Also published as: EP1263527A2; US20030194716A1; CA2401518A1; WO2001066242A3; JP2003525737A; WO2001066242A2; AU2001239279A1

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Vor richtung und ein Verfahren zur Durchführung von Syn thesen, Analysen oder Transportvorgängen mit einer Prozeßflüssigkeit. Derartige Vorrichtungen und Ver fahren werden im Bereich der kombinatorischen Chemie, der In-situ-Synthese, der Parallelsynthese, der Fest phasensynthese oder der Herstellung von Arrays, ins besondere im Bereich der DNS-Synthese, der DNS- Analyse beispielsweise als DNS-Chips, sowie im Be reich der Peptidchemie, des pharmazeutischen Wirk stoff-Screenings, des High-Throughput-Screening (HTS), Pharmakogenomics und dergleichen eingesetzt. Nach dem Stand der Technik werden beispielsweise DNS- Arrays durch kombinatorische Synthese (in Reihen und Spalten) auf einem Festkörper hergestellt. Die US 5,700,637 offenbart die Erzeugung von Zellen hierzu in einem Trägermaterial und Ankopplung von Nukleotiden an dieses Trägermaterial. Zur Erzeugung der Viel falt von erforderlichen Oligonukleotiden wird bei spielsweise ein lithographisches Verfahren einge setzt, bei dem mehr als 400 verschiedene Oligonukleo tide pro cm² (US 5,744,305) oder mehr als 1000 ver schiedene Oligonukleotide pro cm² (US 5,445,934) ge bunden werden.

Weiterhin ist im Stand der Technik die Spot-Synthese zur Herstellung von Arrays mit Oligonukleotiden be kannt, bei der Reagenzien für die Synthese auf defi nierte Positionen eines Trägers pipettiert werden. Die Wasch- und Deblockierschritte werden durch Ein tauchen des Trägers in entsprechende Lösungen vollzo gen. Dies ist beispielsweise für Cellulosepapierbogen als Träger in Beck-Sickinger, G. et al. "Kombinatori sche Methoden in Chemie und Biologie", Spektrum Aka demischer Verlag, Heidelberg, 1999, Seite 53 offen bart.

Weiterhin ist die Herstellung von Arrays mit Oligonu kleotiden mit Hilfe eines beweglichen Blocks mit Schlitzen bzw. Kanälen für die Zuführung von Reagen zien aus den Druckschriften US 5,561,646 und US 5,885,837 bekannt.

Dieser Stand der Technik hat jedoch einige gravieren de Nachteile. Bei der in-situ-Synthese ist es erfor derlich, die Reagenzien bei vielen Einzelsynthesen in Zellen zu pipettieren, wodurch der Aufwand zur Her stellung eines Arrays sehr groß wird. Bei den litho graphischen Verfahren, die ebenfalls sehr aufwendig und teuer sind, entstehen weiterhin Kompatibilitäts probleme zwischen den Reagenzien für die Synthese und den bei der Lithographie eingesetzten Fotoresist- Materialien. Weiterhin muß nach der Synthese das Array für die Messung in eine entsprechende Durch flußzelle separat eingebaut werden, wodurch der Auf wand bei der Herstellung des Analyse-Arrays steigt.

Bei der Spotsynthese, bei der kleine Tröpfchen für die Synthese auf ein Substrat aufgebracht werden, er geben sich Verdunstungsprobleme. Da die Wasch- und Deblockierschritte durch Fluten des gesamten Substra tes mit entsprechenden Substanzen erfolgt, ist ein wiederholtes Umsetzen des Substrates zwischen der Vorrichtung zum Aufbringen der Tröpfchen und den ver schiedenen Bädern erforderlich, weshalb eine wieder holte Justage des Substrates erforderlich wird. Auch hier muß anschließend an die Synthese das Array in eine Durchflußzelle separat eingebaut werden.

Bei der Synthese mit beweglichem Block mit Kanälen für die Zuführung von Reagenzien ergeben sich Dich tungsprobleme und Justierprobleme zwischen Block und Substrat. Auch hier ist wiederum anschließend ein Einbauschritt des Arrays in die Durchflußzelle erfor derlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von Synthesen, Analysen oder Transportvorgängen zur Verfügung zu stellen, bei denen die Durchführung der verschiedenen chemischen und biochemischen Prozesse in einer einzi gen Durchflußvorrichtung einfach und automatisierbar durchgeführt werden kann. Diese Vorrichtung und diese Verfahren sollen eine einfache Handhabung ermöglichen und kostengünstig sein.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach An spruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 41 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wer den in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Mikrofluidiksy stem zur Verfügung, das einen flächenhaften Reak tionsraum aufweist, der mit einem Prozeßfluid (Rea genz oder Probe) über mindestens einen Anschluß von außen aktiv oder passiv befüllt wird. Der Abfluß des Prozeßfluids kann über einen weiteren Anschluß erfol gen. Dieses Fluidiksystem weist ein Steuerinterface auf, mit dem ein Steuerfluid (z. B. Gas) in den Reak tionsraum eingebracht wird. Dort entsteht dann eine Steuerfluiddomäne, die ganz oder teilweise das Pro zeßfluid im Reaktionsraum verdrängt und so Teilräume definiert, wo eine Wechselwirkung zwischen dem Pro zeßfluid und beispielsweise einem Substrat (feste Phase) nicht möglich ist bzw. verhindert wird. Das heißt, daß die Steuerfluiddomäne einzelne Bereiche eines Arrays, nämlich dort, wo die Steuerfluiddomäne nicht ist, adressiert. Die Steuerfluiddomäne bleibt dabei durch Blasenhaftung auch beim Austausch des Prozeßfluids an ihrem vorgesehenen Ort.

Beispielsweise kann die Steuerfluiddomäne auch einen bestimmten Bereich mit Prozeßfluid einschließen und so bei Einleitung eines neuen Prozeßfluides in den Reaktionsraum den Austausch des bereits vorhandenen, eingeschlossenen Prozeßfluides durch das neu einge führte Prozeßfluid in den von der Steuerfluiddomäne definierten Bereichen verhindern.

Mittels des Steuerfluids kann auch der Transport des Prozeßfluids (Reagenz, Probe) im Reaktionsraum auf grund der Verdrängungswirkung bewirkt werden (Pump wirkung). Mit der vorliegenden Erfindung wird daher eine einfache und kostengünstige Vorrichtung und ein einfaches und automatisierbares Verfahren zur Verfü gung gestellt, mit denen in derselben miniaturisier ten Vorrichtung sowohl die Synthese als auch die Ana lyse von Substanzen lokal geregelt durchgeführt wer den kann. Insbesondere sind neben Reagenz- und Pro benvolumina im ml-Bereich auch kleine Volumina im nl- bis µl-Bereich realisierbar. Es sind insbesondere keine Pipettierschritte erforderlich oder aufwendige lithographische Verfahren. Daher stellt die vorlie gende Erfindung eine universelle Technologie in Form eines "lap on a chip" zur Verfügung.

Die Steuervorrichtung (Steuerinterface) weist vor teilhafterweise mindestens eine Steueröffnung in ei ner Seitenwand des Reaktionsraumes auf, wobei die Öffnung ganz oder teilweise für das Steuerfluid per meabel ist, beispielsweise als gaspermeable Membran die Öffnung verschließt. Das Steuerfluid wird dann mit Hilfe eines Überdrucks in definierte Bereiche des Reaktionsraums gebracht und mittels eines Unterdrucks kann es aus dem Reaktionsraum auch wieder entfernt werden. Sind um Steueröffnungen, die mit Überdruck beaufschlagt sind, Steueröffnungen angeordnet, an die ein Unterdruck angelegt ist, der zu einem Absaugen des Steuerfluids aus dem Reaktionsraum führt, so wird längs dieser Unterdruckbereiche die Ausdehnung der Steuerfluiddomäne auf definierte Bereiche begrenzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Vielzahl von Steueröffnungen beliebiger Form aufweisen, die beispielsweise in Form eines Arrays angeordnet sind. Die Auswahl bestimmter Steueröffnungen erfolgt dann durch Aufsetzen eines strukturierten Stempels auf das Steuerinterface zum Zuführen des Steuerfluids. Die Zuführung des Steuerfluids erfolgt dann nur in den Bereichen, die durch den Stempel definiert werden.

Alternativ können auch bestimmte Steueröffnungen mit einem Blockierfluid (z. B. flüssiges Medium, Wasser, Alkohol, THF oder dergleichen) beaufschlagt werden, wobei das Blockierfluid ein Durchdringen des Steuer fluids durch die Steueröffnung verhindert. Auf diese Art und Weise können bestimmte Steueröffnungen für das Steuerfluid offengehalten bzw. blockiert werden.

Das Blockierfluid kann auf das Steuerinterface vor teilhafterweise mittels mikro-drop-Verfahren/Ink-Jet- Verfahren, mittels Elektrospray-Verfahren über ein elektrisch adressierbares Blendensystem, über Dispen sierverfahren oder auch mittels Druckverfahren, wie Siebdruck, aufgebracht werden.

Ist das Blockierfluid leicht flüchtig, so kann nach dem Abdampfen des Blockierfluids durch erneutes Auf bringen die gleiche oder eine neue Steuerkonfigura tion realisiert werden. Dies gilt insbesondere für das Aufbringen des Blockierfluids durch mikro drop/Ink-Jet- oder Elektrospray-Verfahren.

Das Steuerfluid kann jedoch auch alternativ über eine elektrochemische Gaserzeugung mittels Elektroden in nerhalb des Reaktionsraumes in den Reaktionsraum ein gebracht werden. Durch entsprechende Anordnung von Elektroden unter Anlegen von Spannungen lediglich an ausgewählte Elektroden ist eine ortsselektive Erzeu gung von Steuerfluid und Steuerfluiddomänen im Reak tionsraum auf dem Steuerinterface möglich.

Die Seitenwände des Reaktionsraumes sind vorteilhaf terweise flächenhafte Festkörper, die den Reaktions raum begrenzen. Sie können vorteilhafterweise aus Kunststoff, Glas, Keramik und dergleichen bestehen und eine planare, poröse oder strukturierte Oberfläche aufweisen. Derartige Seitenwände können auch als Reaktionsinterface verwendet werden, wobei dann die gewünschten Reaktionen, beispielsweise Synthesereak tionen an dieser Oberfläche ablaufen. Alternativ kann das Reaktionsinterface auch mittels auf die Seiten wand aufgebrachter oder in das Volumen des Reaktions raums eingebrachter Partikel, Gewebe, Vliese oder an derer Materialien im Reaktionsraum ausgeführt werden.

Eine oder beide der Seitenwände des Reaktionsraumes können als Analyse-Interface ausgeführt werden, wozu sich wiederum ein flächenhafter Festkörper eignet. Dieser kann beispielsweise als Träger für elektroche mische Sensorik nach dem Stand der Technik dienen oder auch optisch durchlässig sein, um eine optische Analytik durchzuführen.

Dadurch kann beispielsweise die erfindungsgemäße Vor richtung nach einer zuvor durchgeführten selektiven ortsspezifischen Synthese von verschiedenen Molekülen (nachfolgend Analysemoleküle genannt) mit einem das Zielmolekül enthaltenden Fluid gefüllt werden und die Wechselwirkung mit einzelnen der synthetisierten Ana lysemolekülen untersucht werden. Hierzu eignen sich sämtliche herkömmlichen Assayformate, beispielsweise mit fluoreszenzmarkierten oder mit einem enzymmar kierten Molekül, beispielsweise mit einer arrayarti gen Anordnung unterschiedlicher Oligonukleotide.

Das Analyse-Interface und das Reaktionsinterface kön nen dabei auch identisch sein, wobei während der Syn these der Analysemoleküle, beispielsweise eines Arrays von Oligonukleotiden, eine der Seitenwände des Reaktionsraumes als Reaktionsinterface dient, das dann anschließend zur Erfassung und Analyse eines Zielmoleküls als Analyse-Interface verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann laterale Abmes sungen im Bereich von einigen mm bis einigen cm auf weisen, wobei einzelne Array-Elemente, die durch die Steuerfluiddomänen definiert werden, Größenordnungen von 0,001 mm bis einigen Millimetern aufweisen kön nen. Die Größe der Array-Elemente kann dabei durch Einstellen der Steuerfluiddomänengröße verändert wer den. Hierzu können die Steuerplatte eine Dicke von einigen µm bis einigen 100 µm, die gaspermeable Mem bran eine Dicke von einigen 100 nm bis einigen µm, das Analyse- bzw. Reaktionsinterface eine Dicke von einigen 10 µm bis einigen 100 µm und die Steueröff nungen einen Durchmesser von einigen µm bis zu eini gen mm aufweisen.

Die Höhe des Reaktionsraumes zwischen dem Steuer- und dem Analyse-Interface kann zwischen einigen 10 µm bis einigen mm betragen.

Als Materialien eignen sich für die Steuervorrichtung Kunststoff, Glas, Keramik oder auch eine auf eine gaspermeable Membran lokal aufgebrachte Versiege lungsschicht. Als gaspermeable Membran eignet sich Silikon, Teflon und dergleichen, für das Analyse- Interface Glas, Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Poly propylen, Polyurethan, Polyester und dergleichen, für das Reaktionsinterface Polymere, Kunstharze, Polycar bonat, Glas, Keramik und dergleichen. Als Steuerfluid können Gase, wie Edelgase, z. B. Argon oder Stick stoff, verwendet werden. Wesentlich ist dabei, daß dieses Gas so ausgewählt wird, daß es mit dem Prozeß fluid (Reaktionsfluid) kompatibel ist. Als Blockier fluid eignen sich flüssige Materialien wie Wasser, Alkohol, THF oder andere flüssige Medien.

Die Seitenwände des Reaktionsraumes können eine flä chenhafte Ausgestaltung haben und beispielsweise auch aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedli chen Oberflächenspannungen bestehen, die sich dort abwechseln, wo später Steuerfluiddomänengrenzen auf treten. Dies kann zu einer verbesserten Steuerfluid domänenhaftung (Blasenhaftung) beitragen. Sie können mikrostrukturiert sein bzw. streifen- oder faserför mig ausgestaltet sein. Ihre Oberflächen können modi fiziert sein, beispielsweise zur Immobilisierung von chemischen, biologischen oder biochemischen Komponen ten. Weiterhin eignen sich als Reaktionsinterface Partikel, Vliese oder Gewebe, die auf eine der Sei tenwände des Reaktionsraumes aufgebracht oder in das Volumen des Reaktionsraumes eingebracht sind.

Das Steuerinterface und die permeable Membran können als Teil der Durchflußvorrichtung fest miteinander verbunden sein. Alternativ ist es auch möglich, daß das Steuerinterface als Teil der Systemeinheit beweg lich ist und auf die gaspermeable Membran aufgesetzt wird. Die Form der Steueröffnung kann je nach ge wünschter Steuerfluiddomäne rund, eckig, konisch oder anders beliebig geformt sein.

Mittels der Steuerfluiddomänen, d. h. mittels der An ordnung der Steuervorrichtungen, beispielsweise der Steueröffnungen oder der Elektroden, ist es nun mög lich, Arrays mit n Zeilen und m Spalten von voneinan der durch Steuerfluiddomänen separierbaren Prozeßbe reichen zu erzeugen. So sind beispielsweise Arrays mit 100 × 100 oder 10.000 × 10.000 Prozeßbereichen möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mittels Spritz guß, Mikroprägen, LIGA-Verfahren, mittels Folienlaminieren oder durch Verbindung der einzelnen Schichten der Seitenwände, Steuerinterface, Analyse-Interface und Prozeßinterface, gaspermeable Membran, Kanalträ ger und dergleichen mittels Kleben, Laminieren bzw. auch einstückig hergestellt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungs gemäße Verfahren erlauben folglich die Handhabung von Fluiden und die Durchführung von chemischen und bio chemischen Reaktionen für Synthesen und Analysen in einer einzigen Durchflußvorrichtung. Diese Durchfluß vorrichtung kann mit Hilfe einer Systemeinheit be trieben werden, die beispielsweise die Prozeßfluide, Steuerfluid, Blockierfluid und dergleichen der Vor richtung zuführt. Weiterhin kann die Vorrichtung eine Temperiervorrichtung und/oder Vorrichtungen für die Analyse, z. B. Lichtquellen oder Detektoren, aufwei sen.

Vorteilhaft bei der vorliegenden Vorrichtung und dem vorliegenden Verfahren ist, daß eine einfache Durch flußvorrichtung als Mikrofluidiksystem für relativ großflächige Systeme mit sehr vielen Elementen zur Verfügung steht. Diese Durchflußvorrichtung kann auch als kostengünstiger Einmalartikel hergestellt werden und dann in Verbindung mit einer entsprechenden Sy stemeinheit verwendet werden. Es ist möglich, auf grund der Erzeugung beliebig vieler Reaktionsbereiche parallel in-situ-Synthesen bzw. eine Multianalyse in derselben Vorrichtung durchzuführen. Insbesondere ist die Synthese und die Analyse in derselben Vorrichtung zeitlich nacheinander oder parallel möglich, was den Umbau einer entsprechenden Synthesevorrichtung auf eine entsprechende Analysevorrichtung obsolet macht.

Dadurch, daß die Gasblasen des Steuerfluids in beliebiger Größe erzeugt werden können, ist ein hoher In tegrationsgrad und damit die Realisierung großer Arrays mit kleinen Flächenelementen möglich.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 bis 11 verschiedene Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 12 ein optisches Analyseverfahren;

Fig. 13 ein lichtwellenleiterförmiges Substrat;

Fig. 14 ein Pumpverfahren;

Fig. 15 ein Pump- und Mischvorgang;

Fig. 16 die ortsselektive Einbringung von funktio nellen Schichten; und

Fig. 17 die elektrolytische Erzeugung von Steuer fluid.

In Fig. 1a ist ein flächenhafter Reaktionsraum 7 dar gestellt, der durch zwei Seitenwände 3 bzw. 1 und 2 begrenzt wird. Die eine Seitenwand wird dabei aus ei ner Steuerplatte 1 gebildet, auf deren dem Reaktions raum 7 zugewandten Seite eine gaspermeable Membran 2 angeordnet ist. In der Steuerplatte 1 sind Steueröff nungen 5 eingefügt, durch die die gaspermeable Mem bran 2 nach außen offen liegt. Die andere Seitenwand des Reaktionsraums 7 wird durch ein plattenförmiges Analyse-Interface 3 gebildet.

In dem Reaktionsraum 7 befindet sich ein Prozeßfluid 4, das lediglich durch Gasblasen 6 eines Steuerfluids (Steuerfluiddomänen 6, 6°) unterbrochen wird.

Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung so betrieben, daß mit Hilfe von Überdruck durch die Steueröffnung 5 und die gaspermeable Membran 2 ein Steuerfluid in den Reaktionsraum gebracht werden kann. Dieses bildet dann eine Steuerfluiddomäne 6 im Reaktionsraum aus, die das Prozeßfluid 4 aus diesen Teilbereichen ver drängt. Folglich kann dort keine Reaktion des Prozeß fluids 4 stattfinden. Dies gilt auch bei einem Aus tausch des Prozeßfluids, da die Steuerfluiddomänen aufgrund der Blasenhaftung ortsfest bleiben.

In Fig. 1a sind dabei zwei verschiedene Steuerfluid domänen 6, 6° dargestellt, wobei die Steuerfluiddomä ne 6 eine Doppelkontaktdomäne mit Kontakt sowohl zum Steuer-Interface 1 als auch zum Analyse-Interface 3 bildet. Demgegenüber besitzt die Kontakt-Steuerfluid domäne 6° nur einen Kontakt zum Steuer-Interface 1, 5. Die unterschiedlichen Steuerfluiddomänenformen dienen hier nur zur Verdeutlichung. Natürlich treten gleichartige Steuerfluiddomänen auf, wenn mit glei chen Steueröffnungen bei gleichem Überdruck im Be reich der Steueröffnungen gearbeitet wird.

Durch die Steuerfluiddomäne 6 wird nun der Kontakt zwischen Prozeßfluid 4 und dem Analyse-Interface 3 bzw. dem Steuer-Interface 1, 2 im Bereich der Steuer fluiddomäne 6 verhindert. Daher erfolgt durch den Einfluß des Steuerfluids die Wechselwirkung zwischen Prozeßfluid 4 und beispielsweise einem auf dem Analy se-Interface aufgebrachten Substrat nur in den durch die Grenzen der Steuerfluiddomänen definierten Bereichen. Auch bei einem Wechsel des Prozeßfluids bleiben dabei die Steuerfluiddomänen 6, 6° durch Blasenhaf tung am Ort.

Das Analyse-Interface 3 kann mit seiner inneren Ober fläche beispielsweise auch als Substrat für eine Festphasensynthese wie weiter unten beschrieben die nen.

In Fig. 1b ist eine weitere Vorrichtung dargestellt, wobei jedoch das Steuer-Interface aus Steuerplatte 1 und gaspermeabler Membran 2 gegenüber Fig. 1a invers aufgebaut ist. Die in Fig. 1b dargestellten in Rich tung des Reaktionsraumes konisch sich aufweitenden Steueröffnungen 5' begünstigen dabei die Haftung der Steuerfluiddomänen 6, 6° im Bereich der Steueröffnun gen 5' über Blasenhaftung.

Hier wie im folgenden werden mit entsprechenden Be zugszeichen entsprechende Elemente beschrieben, so daß deren Beschreibung teilweise weggelassen wird.

Fig. 1c zeigt einen Aufbau, der der Vorrichtung aus Fig. 1a entspricht, wobei jedoch die Steueröffnung 5" konisch sich in Richtung des Reaktionsraumes 7 verengen.

In einer der beiden Steueröffnungen 5" ist ein Bloc kierfluid 10 eingebracht. Wird nun an die Öffnungen 5" ein Überdruck des Steuerfluids angelegt, so ver hindert das Blockierfluid 10 die Bildung einer Steu erfluiddomäne im Bereich der blockierten Öffnung 5". Das Blockierfluid 10 kann dabei entweder durch Auf setzen eines Stempels zur Zuführung des Blockier fluids, durch mikro-drop/Ink-Jet-Verfahren, durch Elektrospray-Verfahren mittels eines elektrisch adressierbaren Blendensystems durch Dispensier- Verfahren oder Druckverfahren wie beispielsweise Siebdruck auf ganz spezifische Steueröffnungen 5" aufgebracht werden.

Fig. 2a zeigt einen Aufbau, der dem Aufbau aus Fig. 1a weitgehend entspricht. Das Analyse-Interface 3' weist jedoch Vertiefungen 11 auf, die zu einer ver besserten Haftung der Steuerfluiddomäne 6' an der in neren Oberfläche des Analyse-Interface 3' führt. Auch in Fig. 2a ist eine der Steueröffnungen 5 mittels Blockierfluid 10 blockiert, so daß dort die Ausbil dung einer Steuerfluiddomäne verhindert wird. In der weiteren Auführungsform kann das Steuer-Interface aus Steuerplatte 1 und gaspermeabler Membran 2 auch durch ein Steuer-Interface gemäß Fig. 1b ersetzt werden. In diesem Falle wird die Höhe des Reaktionsraumes redu ziert und eine verbesserte Haftung der Steuerfluiddo mäne an dem Steuer-Interface 1, 2 als auch an dem Analyse-Interface 3' erzielt.

Fig. 2b zeigt einen Aufbau, der dem Aufbau in Fig. 2a analog ist, wobei jedoch die Steueröffnungen 5" sich konisch in Richtung des Reaktionsraumes 7' ver engen. Vertiefungen 11 in dem Analyse-Interface 3' bilden nunmehr zusätzliche Reaktionsräume 7. Weiter hin ist der Reaktionsraum zwischen der gaspermeablen Membran 2 und dem Analyse-Interface 3' durch eine Ma trix 12 aufgespannt, die beispielsweise aus Geweben, Partikeln, Fliesen und dergleichen bestehen kann. Die Matrix 12 kann auch als Substrat für eine Festphasen synthese dienen. Auch hier wird wiederum die Ausbil dung einer Steuerfluiddomäne in einer der beiden ein gezeichneten Steueröffnungen 5" über ein Blockier fluid 10 verhindert.

Fig. 2c zeigt weiterhin einen Aufbau der demjenigen in Fig. 1a entspricht. Der Reaktionsraum 7" ist je doch mit einer Matrix 13 aus Partikeln, porösem Mate rial, Gewebelagen, Vlieslagen oder dergleichen ge füllt. Auch hier ist eine Steuerfluiddomäne 9 ausge bildet, die im Bereich 13* der Matrix 13 ausgebildet ist und sich zwischen den beiden Seitenwänden des Re aktionsraumes 7" erstreckt. Die Matrix 13 kann als Substrat für eine Festphasensynthese dienen.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zum einen in seitli cher Ansicht wie in Fig. 1a als auch in einer Auf sicht in Fig. 3b. Es ist zu erkennen, daß die Steuer öffnungen 5 einen Ring ausbilden, über den eine Steu erfluiddomäne 8 in dem Prozeßfluid 4 hergestellt wer den kann. Durch diese ringförmige Steuerfluiddomäne 8 wird ein Teil 4* des Prozeßfluids vom übrigen Prozeß fluid abgetrennt und beispielsweise dort zurückblei ben, wenn das Prozeßfluid 4 im Außenraum um die ring förmige Steuerfluiddomäne 8 entfernt oder ausge tauscht wird.

Fig. 4 zeigt eine entsprechende Vorrichtung wie in Fig. 2a. Der Reaktionsraum wird nunmehr durch die Teilreaktionsräume 7 und 7''' gebildet. Fig. 4b zeigt dabei eine Aufsicht auf diese Vorrichtung gemäß Fig. 4a, wobei zu erkennen ist, daß die Vertiefungen 11, die den Reaktionsraum 7''' bilden, in Form eines Kreuzlinienmusters angeordnet sind. Dadurch können im Bereich innerer Oberflächen 14, die den Steueröffnun gen 5 auf seiten des Analyse-Interface 3' gegenüber liegen, mit Hilfe der Steuerfluiddomänen rechteckige Bereiche aus dem Reaktionsraum 7 ausgenommen werden. Insgesamt ergibt sich damit aufgrund der Anordnung der rechteckigen Bereiche 14 ein beliebig großer Array von einzelnen rechteckigen Feldern 14 (Array- Elemente). Bei Herstellung von Oligonukleotid-Arrays kann dann jedes Array-Element einzeln mittels Steuer fluiddomänen 6" aus dem jeweiligen Ligationsschritt für ein zusätzliches Nukleotid herausgenommen werden, so daß successive jedes Array-Element ein spezifi sches Oligonukleotid erhalten kann. Anschließend ist es dann möglich, über den gesamten Array die Zielsub stanz fließen zu lassen und mittels des Analyse- Interface 3' den gesamten Array nach entsprechenden spezifischen Reaktionen zwischen einem Oligonukleotid und der Zielsubstanz abzusuchen. Durch die Anordnung nach Fig. 4 ist es möglich bei relativ großer Reakti onsraumhöhe im Bereich 7''' einen geringen Abstand zwischen gaspermeabler Membran 2 und dem Analyse- Interface 3' zumindest in dem Bereich 14 herzustel len, in dem Steuerfluiddomänen entstehen sollen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Vorrichtung, die derjeni gen aus Fig. 1a entspricht, wobei jedoch noch eine größere Vielzahl von Steueröffnungen 5 vorgesehen sind. Der Abstand zwischen dem Steuer-Interface 3" und der gaspermeablen Membran 2 wird dabei durch Ab standshalter 15, die sich als Stege aus dem Analyse- Interface 3" in Richtung des gaspermeablen Membran erstrecken, gewährleistet. In diesem Beispiel werden einige der Steueröffnungen 5 durch Blockierfluide 10 besetzt, so daß oberhalb dieser besetzten Steueröff nungen 5 sich keine Steuerfluiddomäne 6 ausbilden kann. In diesen Bereichen reagiert also das Prozeß fluid 4 mit dem Analyse-Interface 3" bzw. gegebenen falls mit der gaspermeablen Membran 2.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer ähnlichen Vorrichtung wie in Fig. 5a gezeigt. Der Abstand zwi schen dem Analyse-Interface 3" und der gaspermeablen Membran 2' wird durch eine Vielzahl von Abstandshal tern 15 gewährleistet. Die Abstandshalter 15 sind dabei in Form einer Matrix angeordnet. Befindet sich auf seiten des Steuer-Interfaces zwischen den einzel nen Abstandshaltern 15 jeweils eine Steueröffnung, so können Bereiche, die zwischen jeweils vier Abstands halter 15 rechteckförmig eingeschlossen sind, d. h. Flächenelemente 16, über entsprechende Steuerfluiddo mänen zwischen den einzelnen Abstandshaltern 15 vom übrigen Bereich des Reaktionsraumes 7 abgetrennt wer den. Dies ist hier beispielsweise für ein Fluidele ment mit den Koordinaten X_a, Y_a in Fig. 6b darge stellt.

Fig. 7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrich tung, wobei Fig. 7a1 die Analyse-Interfaceplatte 3 darstellt. Fig. 7a2 zeigt einen zwischen Analyse- Interface 3 und Steuer-Interface 1* angeordneten Ka nalträger 17, in den ein Zuflußkanal 20 und ein Ab flußkanal 21 eingebracht sind. Zwischen beiden Kanä len erstrecken sich jeweils Kammerzuflußkanäle 23, die zu Kammern 22 führen. Weiterhin befindet sich zwischen den jeweiligen Kammerzuflußkanälen 23 und den Kammern 22 direkte Verbindungen zwischen dem Zu flußkanal 20 und dem Abflußkanal 21 als Parallelkanä le 25. In Fig. 7a3 ist eine Steuerplatte 1* darge stellt, die eine Zuflußöffnung 18 für Prozeßfluid, eine Abflußöffnung 19 für Prozeßfluid und dazwischen Steueröffnungen 5 aufweist.

Fig. 7b zeigt nun eine seitliche Anordnung aus Steu erplatte 1*, darüber angeordneter gaspermeabler Mem bran 2, darüber angeordnetem Kanalträger 17 und dar über angeordnetem Analyse-Interface 3. Die Steueröff nungen 5 in der Steuerplatte 1* sind dabei so ange ordnet, daß sie jeweils unterhalb einer Kammer 22 zu liegen kommen. Der Reaktionsraum wird nun durch die einzelnen Kammern 22 gebildet, in denen über die Steueröffnungen 5 einzeln jedoch auch gleichzeitig Steuerfluiddomänen ausgebildet werden können. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Kammern 22 für das Durchströmen eines Prozeßfluides freizugeben oder zu blockieren. Auch die Steueröffnungen 5 können wie in den vorangegangenen Beispielen gezeigt, einzeln über ein Blockierfluid blockiert und so bei Anlegen eines Überdrucks an Steuerfluid auf sämtliche Steueröffnun gen 5 blockiert und die Ausbildung einer Steuerfluid domäne in der zugeordneten Kammer 22 verhindert wer den.

Damit bei einem Fluß des Prozeßfluides die Steuer fluiddomänen nicht aus den Kammern 22 gedrückt wer den, muß der Differenzdruck des Prozeßfluides zwi schen Kammerein- und Kammerausgängen begrenzt werden. Hierzu dienen die Parallelkanäle 25.

Fig. 8 zeigt eine weitere Vorrichtung, die der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung entspricht. Dabei ist jedoch eine Vielzahl von Reihen von Kammern 22 vorgesehen. Dadurch läßt sich die Anzahl der gleich zeitig mit einem Prozeßfluid zu beaufschlagenden Kam mern 22 weiter erhöhen.

Fig. 9a ist eine Vorrichtung entsprechend der in Fig. 1a dargestellten Vorrichtung. Im Unterschied hierzu ist jedoch die Steuerplatte 1 ^# mit Unterdruck kammern 28 versehen, die an eine Pumpvorrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen sind. Die Unter druckkammern 28 stehen dabei in Kontakt mit der gas permeablen Membran 2 und umgeben jeweils seitlich ei ne Steueröffnung 5. Eine Aufsicht auf diese Anordnung als Schnitt durch die Steuerplatte 1 ^# ist in Fig. 9b dargestellt.

Wird ein Überdruck an die Steueröffnungen 5 angelegt, so bilden sich wiederum oberhalb der nicht durch ein Blockierfluid 10 blockierter Steueröffnungen 5 je weils eine Steuerfluiddomäne 6 ^# aus. Diese Steuer fluiddomäne erstreckt sich auch im Reaktionsraum 7 seitlich zu der jeweiligen Steueröffnung 5. Die late rale Ausdehnung der Steuerfluiddomäne 6 ^# wird jedoch durch den Unterdruck in den Unterdruckkammern 28 be grenzt. Denn wenn die Steuerfluiddomäne 6 ^# in den Be reich der Unterdruckkammern 28 gerät, wird dort das Steuerfluid wieder abgesaugt. Dadurch steht das Ein strömen des Steuerfluids über die Steueröffnungen 5 im Gleichgewicht mit dem Ausströmen des Steuerfluids über die Unterdruckkammern 28. Folglich ist eine Be schränkung der Ausdehnung der Steuerfluiddomänen über die Unterdruckkammern 28 möglich.

Fig. 10a zeigt eine weitere Anordnung, die derjeni gen in Fig. 1a entspricht. Statt des Analyse- Interface 3 ist jedoch ein zweites Steuer-Interface bestehend aus zweiter Steuerplatte 29 und zweiter gaspermeabler Membran 30, die sich auf seiten des Re aktionsraumes 7 befindet, vorgesehen. Dieses zweite Steuer-Interface weist wiederum Steueröffnungen 31 auf. Es ist gemäß Fig. 10a möglich, die Steuerfluid domänen über die Steueröffnung 5.1 oder über die Steueröffnung 31 auszubilden. In Fig. 10a ist darge stellt, wie die Steuerfluiddomäne über die Steueröff nung 5.1 bzw. 5.2 ausgebildet werden, wobei die Steu eröffnung 5.2 durch ein Blockierfluid 10 blockiert ist.

Fig. 10b zeigt eine Schnittansicht dieser Vorrich tung aus Fig. 10a, wobei zusätzlich sich auf dem er sten Steuer-Interface ein Aufsatz 32 befindet, der abdichtend über Dichtung 34 mit dem ersten Steuer- Interface formschlüssig ist. Auf dem zweiten Steuer- Interface befindet sich ein Aufsatz 33, der über Dichtung 35 mit dem zweiten Steuer-Interface abdich tend formschlüssig angeordnet ist. In jedem der Auf sätze 32 bzw. 33 befindet sich eine Öffnung 36 bzw. 37.

Im Betrieb kann nun über die Öffnung 36 ein Überdruck an Steuerfluid auf die Steueröffnungen des ersten Steuer-Interface gelegt werden, so daß sich entspre chende Steuerfluiddomänen in dem Reaktionsraum aus bilden. Durch Anlegen eines Unterdrucks an die Öff nung 37 wird das Steuerfluid aus den gebildeten Steu erfluiddomänen wiederum abgesaugt, so daß eine Be grenzung der Ausdehnung der Steuerfluiddomänen durch Regelung des Unterdrucks am zweiten Steuer-Interface möglich ist. Die Steuerfluiddomänengröße ergibt sich dabei bei gleichen Größen der Steueröffnung 5.1 und 31 aus dem Verhältnis von Überdruck in dem Aufsatz 32 und Unterdruck in dem Aufsatz 33.

Fig. 11a zeigt einen Ausschnitt aus der Steuerplatte 1 gemäß Fig. 1a mit den Steueröffnungen 5.1 bis 5.3. Weiterhin ist in Fig. 11a ein Stempel 32' darge stellt, der eine Öffnung 36' für ein Steuerfluid auf weist. Der Stempel 32' kann nun auf die Steuerplatte 1 aufgesetzt werden, wobei er mittels einer Dichtung 34 abdichtend formschlüssig mit der Steuerplatte 1 abschließt. Durch die Formgebung des Stempels 32' werden dabei die Steueröffnungen 5.1 und 5.3 offenge lassen, während die Steueröffnung 5.2 abgedeckt wird. Wird nun ein Steuerfluid unter Überdruck durch die Öffnung 36' in den Stempel 32' eingeführt, so bildet sich durch die Steueröffnung 5.1 und 5.3 eine Steuer fluiddomäne im Reaktionsraum 7 aus, während oberhalb der Steueröffnung 5.2 sich keine Steuerfluiddomäne ausbildet.

Fig. 11b zeigt das Einbringen von Blockierfluid 11 in die Steueröffnung 5.1 und 5.3. Dies erfolgt hier mittels einer mikro-drop/Ink-Jet-Vorrichtung 51, die das Blockierfluid 10 in Tröpfchenform 52 bzw. 53 in die Steueröffnung 5.1 und 5.3 einbringt. In die Steu eröffnung 5.2 wird kein Blockierfluid eingebracht, so daß anschließend beim Anlegen eines Steuerfluides un ter Überdruck sich oberhalb der Öffnung 5.2 in dem Reaktionsraum eine Steuerfluiddomäne ausbilden wird.

Mittels des mikro-drop/Ink-Jet-Verfahrens läßt sich folglich für jeden einzelnen Reaktionsschritt eine beliebige Verteilung blockierter und nicht blockier ter Steueröffnungen erzeugen.

Fig. 11c zeigt eine weitere Möglichkeit zum Einbrin gen von Blockierfluid 10 in Steueröffnungen 5.1, 5.2 bzw. 5.3. Hierzu wird auf der Außenseite der Steuer platte 1 eine elektrisch adressierbare Blende 54 an geordnet, die Blendenöffnungen 55.1, 55.2 bzw. 55.3 aufweist, die den Steueröffnungen 5.1, 5.2 bzw. 5.3 der Steuerplatte 1 zugeordnet sind. Auf der elek trisch adressierbaren Blende 54 sind auf der Außen seite elektrische Kontakte 57.1 bis 57.3 angeordnet, an die eine elektrische Spannung angelegt werden kann. In geeignetem Abstand von der elektrisch adres sierbaren Blende 54 ist eine Elektrospray-Quelle 56 angeordnet, über die elektrisch geladene Tröpfchen (hier nicht dargestellt) mit einem Durchmesser im Sub-Mikrometerbereich auf die elektrisch adressierba re Blende 54 gelenkt werden. Ist nun beispielsweise um die Blendenöffnung 55.1 an die elektrischen Kon takte 57.1 und 57.2 keine elektrische Spannung ange legt, so fliegen die Tröpfchen durch die Blendenöffnungen 55.1. Bei angelegter elektrischer Spannung werden die Tröpfchen jedoch nach Polarität auf die Elektrode in 57.1 bzw. 57.2 selbst gelenkt bzw. von diesen abgestoßen.

Im Beispiel der Fig. 11c werden durch entsprechende Adressierung (Anlegen von Spannungen) der Elektroden nur die Steueröffnung 5.1 und 5.3 mit einem Blockier fluid 10 befüllt.

Eine weitere Variante zum Einbringen des Blockier fluides 10 in die Steueröffnungen 5 besteht darin, daß das Blockierfluid über ein Siebdruckverfahren in die Steueröffnung eingebracht wird (hier ohne Dar stellung).

Fig. 12 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrich tung entsprechend Fig. 5 und zusätzlich die Darstel lung eines optischen Analyse-Verfahrens. Bei der Vor richtung in Fig. 12 an der Phasengrenze von dem Ana lysen-Interface 3 zum Reaktionsraum 7 fluorophorege bunden, die optisch nachgewiesen werden können. Für ein derartiges Analyseverfahren mit Fluorophoren wird auf die Druckschrift DE 196 26 002 C1 verwiesen.

Außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Sei ten des Analysen-Interfaces 3 ist eine Lichtquelle 60 angeordnet, die fluoreszenzanregendes Licht 61 auf das Analysen-Interface 3 strahlen kann. Dies erfolgt unter einem Winkel zur Normalen auf dem Analysen- Interface 3, der einen Wert von α aufweist. Weiterhin ist ein optischer Detektor 64 derart angeordnet, daß senkrecht zum Analysen-Interface 3 abgestrahltes Fluoreszenzlicht erfaßt wird, während gestreute und reflektierte Lichtanteile 62 durch den optischen De tektor 64 nicht erfaßt werden.

Die Messung des Fluoreszenzlichtes 3 ermöglicht dann beispielsweise ein über das Prozeßfluid 4 zugeführtes Fluorophor an der Grenzfläche zwischen Analyse- Interface 3 und Reaktionsraum 7 mit Hilfe des opti schen Detektors 64 nachzuweisen.

Eine hier nicht dargestellte alternative optische Meßmethode besteht darin, daß mittels Laserscanner das Analysen-Interface 3 abgetastet wird und Streu licht bzw. Reflektionslichtanteile oder auch Fluores zenzlichtanteile mittels eines Detektors erfaßt wer den.

Fig. 13a zeigt ein weiteres Beispiel einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Reaktionsraum 7 zwischen eine erste gaspermeable Membran 2 und eine zweiter gaspermeable Membran 30 eingeschlossen ist. Auf der ersten gaspermeablen Membran 2 ist eine Steu erplatte 1 entsprechend zu Fig. 1 angeordnet, die Steueröffnungen 5 aufweist zum Einbringen von Steuer fluiddomänen 6 in den Reaktionsraum 7. Auf der den Steueröffnungen 5 zugeordneten Seite der zweiten gas permeablen Membran 30 sind auf der zweiten gaspermea blen Membran 30 streifenförmige Substratelemente 70, beispielsweise aus Polycarbonat, angeordnet. An die sen streifenförmigen Substraten 70 können Synthesen oder andere chemische Reaktionen erfolgen.

Fig. 13a zeigt hierbei, daß durch Ausbildung einer Steuerfluiddomäne 6 über einer Steueröffnung 5 ein streifenförmiges Substrat 70 aus dem Reaktionsraum ausgenommen wird, so daß dort eine Reaktion zwischen dem Prozeßfluid 4 und dem streifenförmigen Substrat 70 verhindert wird. Bei denjenigen Steueröffnungen 5, die durch ein Blockierfluid 10 blockiert sind, so daß sich keine Steuerfluiddomäne 6 ausbilden kann, steht das Prozeßfluid 4 in Kontakt mit dem Substrat 70, so daß dort die gewünschte Reaktion ablaufen kann.

Fig. 13b zeigt das streifenförmige Substrat 70 in Aufsicht. Es ist zu erkennen, daß dieses streifenför mige Substrat 70 aus Einzelstreifen 70 besteht, die über ein Substratverbindungselement 71 quer miteinan der verbunden sind.

Fig. 13c zeigt eine alternative Anordnung des Sub strates, wobei hier das streifenförmige Substrat 70' die zweite gaspermeable Membran 30' eingebunden und die einzelnen Streifen 70' durch die gaspermeable Membran 30' miteinander verbunden sind.

Die in Fig. 13 dargestellte Vorrichtung ermöglicht es, beispielsweise fluoreszenzanregendes Licht in ei ne Stirnfläche 72 (siehe Fig. 13b) des Substratver bindungselementes 71 einzustrahlen. Wurden im Laufe der Analysereaktion Fluorophore an der Phasengrenze zwischen dem streifenförmigen Substrat 70 und dem Prozeßfluid 4 gebunden, so leitet das Substratverbin dungselement 71 und das streifenförmige Substrat 70 das fluoreszenzanregende Licht zu den Fluorophoren. Das von den Fluorophoren an der Grenzfläche des stei fenförmigen Substrates 70 ausgesandte Fluoreszenz licht kann mit einem optischen Detektor 64 erfaßt werden, wie er in Fig. 13a dargestellt ist. Dieser optische Detektor 64 erstreckt sich dabei über den gesamten Reaktionsraum. Es ist jedoch auch möglich, daß der optische Detektor räumlich aufgelöst Fluores zenzlicht erfaßt, so daß für jedes einzelne streifen förmige Substrat 70 die Fluoreszenz separat erfaßt und ausgewertet werden kann.

Fig. 14 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die aktiv mit Prozeßfluid mittels eines Pumpvorganges be füllt werden kann.

In Fig. 14a ist eine Vorrichtung dargestellt, die der Fig. 1a entspricht. Dabei sind in der Steuerplatte zwei Steueröffnungen 5.1 und 5.2 ausgebildet.

Fig. 14b bis 14d zeigen die Ausgestaltung des Re aktionsraumes 7 (den Kanalträger) in Aufsicht zu un terschiedlichen Zeitpunkten des Pumpvorganges.

Der Kanalträger hat dabei die Funktion eines Ab standshalters zwischen der gaspermeablen Membran 2 und dem Analyse-Interface 3.

Fig. 14b zeigt die beiden über den jeweiligen Steu eröffnungen 5.1. und 5.2 liegenden Reaktionsräume die über eine Verbindung miteinander verbunden sind. Der erste Reaktionsraum weist eine Zuleitung auf, die mit einem Ventil V₁ versehen ist während der zweite Reak tionsraum einen Ausfluß aufweist der mit einem Ventil V₂ versehen ist.

Zu Beginn des Pumpvorganges wird das Ventil V₁ und das Ventil V₂ geöffnet so daß Prozeßfluid 4.1 den er sten Reaktionsraum füllen kann.

Gemäß Fig. 14c wird dann das Ventil V₁ geschlossen und eine Steuerfluiddomäne in den ersten Reaktionsraum gedrückt, so daß das Prozeßfluid in den zweiten Reak tionsraum 4.2 verdrängt wird.

Gemäß Fig. 14d wird daraufhin auch über der zweiten Steueröffnung 5.2 eine Steuerfluiddomäne erzeugt, die das Prozeßfluid aus dem zweiten Reaktionsraum 4.2 durch das Ventil V₂ ausdrückt. Insgesamt wird daher eine Pumpwirkung durch das erfindungsgemäße Bauele ment erreicht.

Alternativ, hier jedoch nicht dargestellt, kann eine Pumpwirkung auch dadurch erreicht werden, daß das Steuerfluid mit Hilfe von Unterdruck durch eine oder mehrere Steueröffnungen aus dem Reaktionsraum abge saugt wird. Dadurch strömt z. B. bei geöffnetem Ventil V₁ Prozeßfluid in die Vorrichtung nach, die dann wie oben beschrieben, durch das Ventil V₂ ausgefördert werden kann.

Fig. 15 zeigt eine weitere Anordnung, die derjenigen in Fig. 14 entspricht, wobei jedoch neben einer Pump wirkung auch ein Mischvorgang durchgeführt werden kann.

Fig. 15b zeigt dabei, daß der erste Reaktionsraum 49 zwei Zuleitungen 45, 46 aufweist die mit jeweils ei nem Ventil V₁ bzw. V₂ mit zwei verschiedenen Prozeß fluiden A₁ bzw. A₂ verbunden sind. Der erste Reakti onsraum 49 weist dabei regelmäßig angeordnete Ab standshalter 15 ⁺ auf, die auch als Mischelemente zur Verwirbelung der in den ersten Reaktionsraum 49 ein geführten Prozeßfluide dienen.

Das Mischen der Prozeßfluide A₁ und A₂ erfolgt nun dadurch, daß über die Ventile V₁ und V₂ in den ersten Reaktionsraum 49 über der Steueröffnung 5.1 einge bracht werden. Hierzu werden die Ventile V₁ bis V₃ geöffnet.

Es erfolgt nun beim Einströmen dieser beiden Prozeß fluide A₁ und A₂ eine Mischung an den Abstandshaltern 15 ⁺. Anschließend werden die Ventile V₁ und V₂ geschlossen und in die Steueröffnung 5.2 ein Blockier fluid eingeführt.

Mittels Überdruck wird nun durch die Steueröffnung 5.1 in dem ersten Reaktionsraum 49 eine Steuerfluid domäne erzeugt, die die gemischten Prozeßfluide aus dem ersten Reaktionsraum 49 in den zweiten Reaktions raum 50 über der zweiten Steueröffnung 5.2 drückt.

Nunmehr wird das Blockierfluid aus der zweiten Steu eröffnung 5.2, beispielsweise durch Verdunsten, ent fernt und auch im zweiten Reaktionsraum 50 über die zweite Steueröffnung 5.2 eine Steuerfluiddomäne er zeugt, die die gemischten Prozeßfluide über das ge öffnete Ventil V₃ aus der erfindungsgemäßen Anordnung austransportieren.

Fig. 16 beschreibt eine erfindungsgemäße Vorrich tung, bei der eine funktionelle Schicht, beispiels weise ein immobilisiertes Enzym, das bei Anwesenheit eines Prozeßfluides eine Stoffumsetzung im Reaktions raum 7 katalysiert, ortsselektiv eingebracht ist.

Fig. 16a zeigt dabei eine Vorrichtung entsprechend Fig. 1a jedoch ohne Darstellung eines Prozeßfluides. Die gaspermeable Membran 2 aus Fig. 1a ist hier er setzt durch eine Membranträgerschicht 70 beispiels weise aus einem Netz, Gewebe oder porösen Material.

Fig. 16b zeigt das Aufbringen eines funktionellen Materials 38 im Bereich der Steueröffnung 5.1 auf die Membranträgerschicht 70. Das funktionelle Material kann dabei beispielweise ein auf der Membranträger schicht 70 immobilisiertes Enzym sein.

Fig. 16c zeigt dann wie weiterhin gaspermeable Membran 39.1 und 39.2, beispielsweise aus Silikon, aus flüssiger Phase mit anschließender Verdunstung des Lösungsmittels in den Bereichen der Steueröffnung 5.1 und 5.2 auf der dem Reaktionsraum 7 abgewandten Seite der Membranträgerschicht 70 aufgebracht sind.

Bei einem Bauelement wie in Fig. 16 erfolgt die Ein bringung von Steuerfluiddomänen in den Reaktionsraum 7 im Bereich der Steueröffnung 5.1 in gleicher Weise wie bei den vorangegangenen Beispielen. Es können je doch auch Öffnungen eingesetzt werden, die keine Steuerfunktion haben. Dies wird beispielsweise da durch erreicht, daß die gaspermeable Membran 39.1 durch eine Versiegelungsschicht 39.2 ersetzt wird, so daß ein Gasdurchgang von der Außenseite der Steuer platte 1 zum Reaktionsraum 7 nicht mehr möglich ist.

Fig. 17a zeigt eine weitere Möglichkeit zur Erzeu gung von Steuerfluiddomänen. Im Gegensatz zu der bis herigen beschriebenen Anordnung wird jedoch das Steu erfluid elektrolytisch an Ort und Stelle innerhalb des Reaktionsraumes 7 aus dem Prozeßfluid 4 erzeugt. Hierzu sind auf der Steuerplatte 1 zwei Elektroden 40 und 41 als Anoden bzw. Kathoden angeordnet. Durch An legen einer elektrischen Spannung von beispielsweise größer 1 Volt zwischen der Anode 40 und der Kathode 41 wird auf elektrolytischem Wege aus wäßrigem Pro zeßfluid 4 Wasserstoff und Sauerstoffgas 42 bzw. 43 erzeugt. Diese Gase fungieren als Steuerfluid und bilden oberhalb der Elektroden 40 und 41 Steuerfluid domänen. Insgesamt läßt sich auch durch eine derarti ge Vorrichtung örtlich selektiv der Reaktionsraum be grenzen und dadurch das Prozeßfluid von bestimmten Bereichen des Analyse-Interface 3 oder der Steuer platte fernhalten bzw. verdrängen.

Fig. 17b zeigt nunmehr eine Steuerfluiddomäne, die durch Vereinigung zweier Steuerfluiddomänen oberhalb der Elektroden 40 und 41 entstanden ist. Die Größe der Steuerfluiddomäne 44 hängt folglich lediglich von der Dauer der elektrochemischen Zersetzung des Pro zeßfluides 4, d. h. von der Dauer der angelegten Span nung an den Elektroden 40 und 41 bzw. auch von der Höhe der angelegten Spannung ab.

Fig. 17c zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, über die eine Begrenzung der Steuer fluiddomänen bei elektrolytischer Erzeugung des Steu erfluides ermöglicht wird. Hierzu ist das Analysen- Interface durch eine zweite Steuerplatte 29' und eine zweite gaspermeable Membran 30', die zwischen der zweiten Steuerplatte 29' und dem Reaktionsraum 7 an geordnet ist, ersetzt. Gegenüberliegend zu den beiden Elektroden 40 und 41 ist in der zweiten Steuerplatte eine Öffnung angeordnet, die den freien Zugang zu der zweiten gaspermeablen Membran 30' von außen ermög licht.

Durch Anlegen von Unterdruck an diese Öffnung in der zweiten Steuerplatte 29' können die Steuerfluiddomä nen 42 und 43 entfernt werden. Außerdem ist durch ei ne geeignete Einstellung des Unterdruckes eine Be grenzung der Ausdehnung der Steuerfluiddomänen mög lich. Die Steuerfluiddomänengröße ergibt sich nämlich u. a. aus dem Verhältnis des Überdrucks in der Steuer fluiddomäne 42 bzw. 43 und des Unterdrucks in der Öffnung in der zweiten Steuerplatte 29'.

In weiteren, hier nicht figürlich dargestellten Aus führungsbeispielen kann anstelle der optischen Analy se auch eine elektrochemische Nachweismethode einge setzt werden. Hierfür werden auf bekannte Weise z. B. an der Phasengrenze zwischen dem Prozeßfluid 4 und einem Substrat 3 (siehe auch Fig. 12) Elektroden, z. B. eine Arbeits- und eine Gegenelektrode ange bracht.

Als Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vor richtung wird im folgenden die Erzeugung eines Arrays von DNS mit unterschiedlichen Nukleotidsequenzen dar gestellt.

Hierzu wird in einem ersten Schritt ein Prozeßfluid mit einem ersten Nukleotid ortsselektiv über die nicht durch Steuerfluiddomänen blockierten Arrayele mente des Substrates (der Vorrichtung) fließen gelas sen. Die Arrayelemente können dabei beispielsweise wie in Fig. 4 oder Fig. 8 gezeigt angeordnet sein.

Das eingespülte Nukleotid trägt eine reaktive Gruppe die durch eine Schutzgruppe geschützt ist und wird an der Substratoberfläche, beispielsweise an der Grenz fläche zwischen dem Reaktionsraum 7 und dem Analysen- Interface 3 in Fig. 1a, beispielsweise kovalent, an gekoppelt.

Anschließend wird der erste Schritt mit einem Prozeß fluid wiederholt, das ein zweites Nukleotid enthält bzw. mit einer Abfolge von Prozeßfluiden die zweite oder weitere Nukleotide enthalten. Durch Erzeugung von Steuerfluiddomänen an den einzelnen Steueröffnun gen ist es möglich, ortsselektiv das jeweilige Pro zeßfluid lediglich an bestimmt Orte innerhalb des Re aktionsraums gelangen zu lassen. Anschließend wird ganzflächig oder ortsselektiv die Substratoberfläche mit einem Reagenz zur Entfernung der Schutzgruppen von den zuvor angekoppelten Nukleotiden in Kontakt gebracht. Dadurch ist nun lediglich an den Stellen, an denen die Schutzgruppe entfernt wurde, die Ankopp lung auf der Membranträgerschicht 70 eines weiteren Nukleotides möglich. Die oben beschriebenen Schritte werden nun solange mit einer Abfolge von Prozeßflui den mit verschiedenen Nukleotiden durchgeführt, bis jede einzelne Stelle in dem Array mit n Zeilen und m Spalten, Oligonukleotide aufweist, die für jede ein zelne Stelle eine gewünschte spezifische Nukleotidse quenz aufweisen.

Damit ist folglich auf einfachste Weise die Herstel lung von Oligonukleotid-Arrays möglich.

Die Synthese kann aber auch auf anderen Substraten wie Partikel, Geweben, Vliese, gaspermeablen Membra nen, Membranträgerschichten, Elektroden oder derglei chen stattfinden (vergleiche z. B. Fig. 2b, 2c, 16, 17).

Weiterhin können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren zur Epitop-Analyse/für Antikörperbin dungstests eingesetzt werden. Hierzu werden in ent sprechender Weise an das Substrat der Vorrichtung, wie beim obigen Beispiel, ortsspezifisch bestimmte Antikörper an einzelne Stellen des Substrates ange koppelt.

Weitere Möglichkeiten für die erfindungsgemäßen Vor richtungen und Verfahren ergeben sich im Bereich der Bio-Assays, z. B. der Immuno-Assays, bei denen hier nunmehr die Durchführung vieler Assays in einer ein zigen erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht wird. Dabei sind die durch die Steuervorrichtung definier ten Flächenelemente des Substrates funtionalisiert und tragen beispielsweise Biokomponenten wie Antikör per, Antigene, Linker-Moleküle und dergleichen.

Es ist dadurch mögliche, mehrere Arrays nacheinander und/oder parallel durchzuführen, wobei über die Steu ervorrichtung die einzelnen Flächenelemente auch wäh rend der Analyse einzeln adressiert werden können. Hierzu werden die verschiedenen Proben lediglich aus gewählten Array-Elementen des Substrates zugeführt, die nicht durch Steuerfluiddömänen blockiert sind.

Die erfindungsgemäße Durchflußvorrichtung kann vor teilhafterweise dadurch weiterverbessert werden, daß sie, beispielsweise mit Hilfe einer Systemeinheit, temperiert wird. Hierzu stehen verschiedene Tempe rierverfahren zur Verfügung, wie beispielsweise die Kontaktierung mit einem Heizblock, die Einstrahlung von Infrarotlicht oder auch das Umströmen der Vor richtung mit einem temperierten Fluid.

Claims

1. Vorrichtung zur Durchführung von Synthesen, Ana lysen oder Transportvorgängen mit einer Prozeß flüssigkeit
mit einem Reaktionsraum zur Aufnahme der Prozeß flüssigkeit, der auf zwei seiner gegenüberlie genden Seiten durch eine erste und eine zweite flächige Seitenwand begrenzt wird, sowie einer Zufuhröffnung des Reaktionsraums zur Zufuhr der Prozeßflüssigkeit in den Reaktionsraum,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste und/oder die zweite Seitenwand minde stens eine Steuervorrichtung zum Einbringen ei nes Steuerfluides in den Reaktionsraum im Be reich der Steuervorrichtung aufweist.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrich tung als Steueröffnung in Form einer Öffnung in der Seitenwand ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnungen konisch ausgebildete Seitenwände aufweisen.

4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung sich in Richtung des Reaktionsraums verjüngt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung mit einer Membran verschlossen ist, die für das Steuerfluid, nicht jedoch für die Prozeßflüssig keit permeabel ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuervorrichtung zwei Elek troden zur elektrochemischen Gaserzeugung in der Prozeßflüssigkeit aufweist, wobei zumindest eine der Elektroden im Reaktionsraum angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden im Reaktionsraum angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden auf einer der Seitenwände angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Seitenwand mindestens eine Saugvorrichtung zum Anlegen eines Unterdrucks an den Reaktionsraum im Bereich der Saugvorrichtung aufweist.

10. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung als Saugöffnung in Form einer Öffnung in der Seitenwand ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnungen konisch ausgebildete Seitenwände aufweisen.

12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnungen sich in Richtung des Reaktionsraums verjüngen.

13. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sau göffnung mit einer Membran verschlossen ist, die für das Steuerfluid, nicht jedoch für die Pro zeßflüssigkeit permeabel ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung seitlich benachbart zu der Steuervorrichtung an geordnet ist.

15. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugvorrichtung die Steuervorrichtung in der Flächenebene des Reaktionsraums vollständig umgebend angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch eine Blockiervor richtung zum Blockieren der Steuervorrichtung derart, daß durch die Steuervorrichtung kein Steuerfluid in den Reaktionsraum einbringbar ist.

17. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiervorrich tung eine Vorrichtung zum Einbringen eines Bloc kierfluids in die Steueröffnung aufweist.

18. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Einbringen eines Blockierfluids als Stempel aus gebildet ist, der in Form einer Maske auf die Steuervorrichtung aufbringbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung zum Einbringen ei nes Blockierfluids eine Elektrosprayquelle für das Blockierfluid sowie eine zwischen der Elek trosprayquelle und der Steuervorrichtung ange ordnete Maske aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung zum Einbringen ei nes Blockierfluids eine Dispensiervorrichtung oder eine Vorrichtung zum Aufdrucken des Bloc kierfluids auf die Steuervorrichtung aufweist.

21. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Aufdrucken eine Micro-Drop-Druckvorrichtung, ei ne Inc-Jet-Druckvorrichtung oder eine Sieb- Druckvorrichtung ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sei tenwand als Analyse-Interface ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Analyse- Interface zumindest an vorbestimmten Stellen lichtdurchlässig ist.

24. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ana lyse-Interface zumindest an vorbestimmten Stel len auf der dem Reaktionsraum zuwandten Seite mit Analyse-Reagenzien belegt ist.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sei tenwand als Reaktionsinterface ausgebildet ist.

26. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsinter face zumindest an vorbestimmten Stellen licht durchlässig ist.

27. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reak tionsinterface zumindest an vorbestimmten Stel len auf der dem Reaktionsraum zuwandten Seite mit einem Substrat als Reagenz belegt ist oder in das Reaktionsinterface zumindest an vorbe stimmten Stellen ein Substrat eingefügt sind.

28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwi schen den beiden Seitenwände Stege erstrecken, die den Reaktionsraum in einzelne, miteinander verbundene und/oder voneinander getrennte Reak tionsräume trennen.

29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reakti onsraum in mindestens zwei miteinander verbunde ne Reaktionsteilräume aufgeteilt ist, wobei der erste Teilraum mit mindestens einem Prozeßmedi enzufluß und der zweite Teilraum mit mindestens einem Prozeßmedienabfluß verbunden ist und jeder der beiden Teilräume mit einer Steuervorrichtung versehen ist.

30. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mindestens einen Prozeßmedienzuflüsse und/oder jeder der mindestens einen Prozeßmedienabflüsse mit je ei nem Ventil verbunden sind.

31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten wände zumindest teilweise aus Kunststoff, Glas, Keramik oder dergleichen bestehen.

32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten wände zumindest teilweise ein planare, poröse oder strukturierte Oberfläche aufweisen.

33. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Temperieren des Reaktionsraumes und der Pro zeßflüssigkeit.

34. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Temperieren des Reaktionsraumes einen Heizblock, eine Infrarotlichtquelle und/oder eine Vorrich tung zum Umströmen des Reaktionsraumes mit einem temperierten Fluid aufweist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zumin dest teilweise aus Silicon, Teflon oder derglei chen besteht.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 35, gekennzeichnet durch mindestens eine Lichtquelle zum Aufstrahlen von Licht auf das Analyseinter face und mindestens einem Detektor zum Erfassen des von der Vorrichtung reflektierten, gestreu ten, fluoreszierten oder transmittierten Lich tes.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Analyse- Interface zumindest teilweise aus Glas, Polycar bonat, Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyurethan (PU), Polyester oder derglei chen besteht.

38. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten wand zumindest teilweise aus Polymeren, Kunst harz, Polycarbonat, Glas, Keramik oder derglei chen besteht.

39. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer vorrichtung eine Dicke von 1 µm bis 1 mm, die Seitenwände, das Reaktionsinterface bzw. das Analyse-Interface eine Dicke von 10 µm bis 1 mm, die gaspermeable Membran eine Dicke von 100 nm bis 10 µm und/oder der Reaktionsraum eine Höhe von 10 µm bis 10 mm aufweisen.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung einen Durchmesser zwischen 1 µm und 10 mm auf weist.

41. Verfahren zur Durchführung von Synthesen, Analy sen oder Transportvorgängen mit einer Prozeß flüssigkeit indem die Prozeßflüssigkeit in einen Reaktionsraum eingeleitet und dort mit der Pro zeßflüssigkeit eine Analyse oder eine Synthese durchgeführt oder die Prozeßflüssigkeit trans portiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einen vorbestimmten Teilraum des Reaktionsraums ein Steuerfluid eingebracht wird derart, daß die Prozeßflüssigkeit von diesem Teilraum ausgeschlossen wird.

42. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, da durch gekennzeichnet, daß der Teilraum durch das Steuerfluid blockiert oder die Prozeßflüssigkeit aus diesem Teilraum durch das Steuerfluid verdrängt wird.

43. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steu erfluid über als Öffnungen in den Seitenwänden des Reaktionsraumes ausgebildete Steueröffnungen in den Reaktionsraum eingebracht wird.

44. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Steuerfluid in den Reaktionsraum über eine Steueröffnungen blockiert wird, indem in die Steueröffnung ein Blockierfluid eingebracht wird.

45. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Blockier fluid durch Elektrosprayen, Dispensierverfahren oder Druckverfahren wie Micro-Drop- Druckverfahren, Ink-Jet-Druckverfahren oder Siebdruckverfahren in die Steueröffnung einge bracht wird.

46. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bloc kierfluid ein leicht flüchtiges Medium verwendet wird.

47. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bloc kierfluid ein flüssiges Medium verwendet wird.

48. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bloc kierfluid Wasser, Alkohol, THF oder dergleichen verwendet wird.

49. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeich net, daß das Steuerfluid mit Überdruck in den Reaktionsraum eingebracht wird.

50. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfluid durch eine lokale elektrochemische Reaktion im Reaktionsraum erzeugt wird.

51. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 50, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfluid durch Anlegen von Unterdruck aus dem Reaktions raum entfernt wird.

52. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerfluid ein Gas verwendet wird.

53. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerfluid ein Edelgas verwendet wird.

54. Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerfluid Ar gon oder Stickstoff verwendet wird.

55. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 40 oder eines Verfahrens nach ei nem der Ansprüche 41 bis 54 zum Transport von Flüssigkeiten, zur Durchführung von chemischen und biochemischen Reaktionen für Synthesen und Analysen, in-situ-Synthesen, Synthese von Detek tormaterialien und/oder Analyten und gegebenen falls unmittelbar anschließende Analyse in der selben Vorrichtung, zur Erzeugung von Arrays von verschiedenen Detektormaterialien, als Durch flußsynthesevorrichtung oder als Durchflußanaly sevorrichtung.

56. Verwendung nach dem der vorhergehenden Anspruch zur Synthese von DNS, RNS, Oligonukleotiden, zur Epitopanalyse, für Antikörperbindungstests, für Bioassays wie beispielsweise Immunoassays.