DE10055318A1

DE10055318A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Materietransport kleiner Materiemengen

Info

Publication number: DE10055318A1
Application number: DE10055318A
Authority: DE
Inventors: Achim Wixforth
Original assignee: Advalytix AG
Current assignee: Advalytix AG
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2001-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten und gerichteten Manipulation kleiner Materiemengen auf Festkörperoberflächen, bei dem Oberflächenwellen mit mindestens einer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung generiert werden und der Impuls der einen oder mehreren Oberflächenwellen mit mindestens einer Materiemenge in Wechselwirkung gebracht wird, um eine Bewegung in einer gewünschten Richtung zu bewirken. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur gerichteten und ge zielten Manipulation kleiner Materiemengen auf einer Festkörperoberfläche und deren Verwendung.

Die Bewegung von kleinen Materiemengen wird zum gegenwärtigen Zeitpunkt vor nehmlich im Bereich der Flüssigkeiten (Mikrofluidik) durchgeführt. So wird die Be wegung kleiner Flüssigkeitsmengen (und gleichzeitig auch darin enthaltener Schwebteilchen, wie biologischer Zellen) auf einem Chip bereits heute zur Analytik in der Biologie eingesetzt (Anne Y. Fu et al., Nature Biotechnology 17, Seite 1109 f. (1999)). Zur Verschiebung der kleinen Materiemengen bedient man sich einerseits konventioneller Pumpsysteme (auch miniaturisierter Pumpen), die definierte Flüs sigkeitsmengen entlang durch Strukturierung von Festkörperoberflächen definierter Kanäle bewegen. Diese konventionellen Pumpsysteme beruhen im wesentlichen auf einer Miniaturisierung an sich bekannter Funktionseinheiten, die durch rein me chanische oder piezoelektrische Aktuatoren angetrieben werden. Hierbei werden u. a. Methoden der Mikromechanik eingesetzt, die auf einer erheblichen Miniaturi sierung an sich bekannter Pumpmechanismen bzw. an sich bekannter hydrauli scher und hydrodynamischer Funktionsblöcke wie Ventile, Turbinen, Düsen etc. beruhen. Eine andere in jüngerer Zeit entstandene Art des Flüssigkeitstransports beruht auf der Ausnutzung elektrokinetischer Verfahren, bei denen ein elektrisches Feld entlang eines definierten Kanals eine Bewegung der Flüssigkeit bewirkt (O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36 bis 38). Aus US-Patent Nr. 5,674,742 und US 6,010,316 ist die Bewegung kleiner Flüssigkeitsmengen durch den Impulsübertrag einer longitudinalen Volumenschallwelle auf eine Flüssigkeit bekannt.

Bei elektroosmotischen Verfahren hängt die Geschwindigkeit der zu bewegenden Materiemenge in der Regel von der Kanalbreite ab. Zudem muß der Kanal grund sätzlich vollständig gefüllt sein. Zudem sind hohe Feldstärken zum Transport der kleinen Flüssigkeitsmengen erforderlich, die neben unerwünschten elektrochemi schen und elektrobiologischen Effekten auch zu einer unvermeidbaren Jouleschen Erwärmung der zu bewegenden Materiemenge führt, die u. a. die Funktionalität des Trägermaterials beeinträchtigen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren an zugeben, mit deren Hilfe die gezielte Manipulation und Bewegung kleinster Mate riemengen auf und entlang der Oberfläche eines Festkörpers möglich ist, bei denen die Bewegung kleinster Materiemengen ohne bewegliche Teile möglich ist und die eine kostengünstige und einfache Herstellung und Verwendung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 31 erreicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit Hilfe von mindestens einer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung Oberflächenwellen generiert, deren Im puls mit mindestens einer Materiemenge in Wechselwirkung gebracht wird, um eine Bewegung in einer gewünschten Richtung zu bewirken. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dazu mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung von Oberflä chenwellen auf der Festkörperoberfläche in zumindest einer Ausbreitungsrichtung und einen Wechselwirkungsbereich auf, in dem die Materiemenge mit der minde stens einen Oberflächenwelle in Wechselwirkung treten kann, um durch einen Im pulsübertrag von der Oberflächenwelle oder den Oberflächenwellen eine Bewe gung der Materiemenge zu bewirken.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung können kleinste Mengen von Materie an der Oberfläche eines Festkörpers mittels akustischer Oberflächenwellen gezielt bewegt bzw. manipuliert werden. Dabei um faßt der Begriff "Materie" Gase, Flüssigkeiten, feste Stoffe, aber auch biologische Systeme, wie Zellen, Makromoleküle und genetisches Material sowie kleine Teil chen wie chemische Reagenzien, bzw. Mischungen, Lösungen oder Dispersionen aus diesen Stoffen. An der Oberfläche des Festkörpers wird mindestens eine aku stische Oberflächenwelle generiert. Durch die Wechselwirkung von kleinen Teil chen, Flüssigkeiten oder Gasen mit der mechanischen periodischen Verformung der Oberfläche oder aber durch Wechselwirkung mit den die Welle begleitenden elektrischen Feldern werden diese Teilchen, Flüssigkeit oder Gase gezielt bewegt. Dabei sind Betrag und Richtung der jeweiligen Geschwindigkeit extern vorher stimmbar. Der Transport der Materie auf der Oberfläche des Festkörpers entlang frei wählbarer und gezielt einstellbarer Pfade wird also durch Impulsübertrag zwi schen einer akustischen Oberflächenwelle und der zu transportierenden kleinen Materiemenge verursacht. Die Manipulation bzw. die Bewegung der kleinen Mate riemengen an der Oberfläche des Festkörpers erfolgt ohne direkten Kontakt zwi schen der eigentlichen "Pumpe" und der zu transportierenden Materie, denn das Verschieben der Materie wird allein durch den Impulsübertrag bewirkt, der z. B. durch die mechanische Deformation der Festkörperoberfläche oder auch über elektrische Kräfte, vermittelt über die Oberflächenwelle begleitende piezoelektri sche Felder, erfolgt. Dazu wird an mindestens einer Stelle der Festkörperoberfläche ein entsprechender Schallwandler bzw. eine Oberflächenwellenerzeugungsein richtung präpariert, über die eine hochfrequente akustische Oberflächenwelle ent lang der Oberfläche des Festkörpers angeregt werden kann.

Der Materietransport durch Impulsübertrag von einer Oberflächenwelle erlaubt ho he Strömungs- und Prozeßgeschwindigkeiten bei vergleichsweise kleinen elektri schen Feldstärken prinzipiell bis hinauf zur Schallgeschwindigkeit für Oberflächen wellen auf dem entsprechenden Substrat. Das vorgestellte Verfahren ist überdies in weiten Bereichen skalierbar, da die Geschwindigkeit der zu bewegenden Materie menge anders als z. B. bei elektroosmotischen Verfahren nicht von der Kanalbreite abhängt. Zum Transport sind anders als z. B. bei elektroosmotischen Transport verfahren keine hohen Feldstärken notwendig, die ggf. zu unerwünschten elektro physikalischen oder elektrochemischen Reaktionen führen könnten. Die zu trans portierenden kleinen Materiemengen befinden sich, abgesehen von einem eventu ellen hochfrequenten Wechselfeld, das die Oberflächenwelle begleitet, in einem feldfreien Raum. Die insbesondere für biologische Systeme, wie Zellen, schädli chen Effekte hoher elektrischer Felder werden also vermieden. Die Funktionsweise des Pumpmechanismus ist unabhängig von der Art und der Beschaffenheit einer gegebenenfalls verwendeten Transport- oder Pufferflüssigkeit. Zudem wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine unerwünschte Joulesche Erwärmung vermie den.

Da sowohl Richtung der effektiv wirksamen Oberflächenwelle bzw. Oberflächen wellen auf der Festkörperoberfläche, wie auch deren Position und Amplitude gezielt und getrennt einstellbar sind, ist es möglich, die Transportgeschwindigkeit bezüg lich Betrag und Richtung gezielt einzustellen. So ist es möglich, komplexe Trans portstrecken und -pfade für kleine Materienmengen auf der Festkörperoberfläche zu definieren.

Die Oberflächenwelle wird dabei entweder kontinuierlich oder pulsförmig generiert. Schließlich ist z. B. bei geschlossenen Flüssigkeitsvolumina nicht notwendig, das gesamte Volumen mit der Oberflächenwelle zu bestrahlen, da aufgrund der Inkom pressibilität von Flüssigkeiten der Antrieb eines kleinen Teilvolumens zum Ver schieben des Gesamtvolumens ausreicht.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Vorteils ist die Möglichkeit, einzelne Tropfen z. B. einer Flüssigkeit oder einer Pufferlösung fortzubewegen. Aufgrund der Oberflächenspannung laufen derartige Tropfen nicht auseinander. Kleine Materie mengen können also ohne eine umgebende Flüssigkeitssäule transportiert werden.

Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemä ße Vorrichtung eine sehr gerichtete Wirkung des Bewegungsmechanismus. Die Oberflächenwelle läuft aufgrund der Kristalleigenschaften des Substrates zu ihrer Erzeugung an der Oberfläche nur sehr wenig oder gar nicht lateral auseinander. Auf diese Weise ist eine sehr definierte Einwirkung der Oberflächenwelle auf die kleine Materiemenge möglich, auch wenn sich die Oberflächenwellenerzeugungs einrichtung nicht in unmittelbarer Nähe der zu bewegenden kleinen Materiemenge befindet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Gestaltung eines "Lab-on-the-chip" möglich. Dabei dient ein "Chip", wie er z. B. aus der Elektronik bekannt ist, als Festkörperoberfläche bzw. Substrat. Verschiedene erfindungsgemäße Vorrichtun gen können zu verschiedenen Zwecken kombiniert werden. Schließlich können auf derselben Chipoberfläche auch eine oder mehrere Analysestationen vorgesehen sein, in denen die Materiemenge mit einer äußeren Meßgröße in Wechselwirkung gebracht wird, z. B. einer lokalen Beleuchtung, einer lokalen Erwärmung, einem lokalen Magnetfeld, einem elektrischen Feld oder z. B. einer lokalen mechanischen Belastung.

Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach herzustellen und das erfin dungsgemäße Verfahren leicht durchzuführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Als Festkörper kommen alle Materialien in Betracht, auf denen eine akustische Oberflächenwelle generiert werden kann. Besonders geeignet sind wegen ihrer Funktionalität z. B. Halbleiteroberflächen.

Besonders einfach lassen sich akustische Oberflächenwellen elektrisch anregen, wobei der Einsatz von piezoelektrischen Festkörperoberflächen vorteilhaft ist.

Die Bewegungsrichtung der Materiemenge kann direkt durch die Impulsrichtung der Oberflächenwelle bzw. der sich vektoriell ergebenden Impulsrichtung der Summe der Impulse einzelner Oberflächenwellen ergeben. Es ist jedoch möglich, die Fest körperoberfläche mit vorbestimmten definierten Trajektorien zu versehen, entlang derer sich die Materiemenge bewegen wird. Bei derartig vorgegebenen Trajektorien ist die Bewegungsrichtung durch die Richtung der Trajektorie vorgegeben, so daß eine leichte winkelmäßige Fehlausrichtung des Impulses der Oberflächenwellen und der gewünschten Richtung unschädlich ist.

Derartige Trajektorien können z. B. durch Gräben, Barrieren, lithographische Defi nition von Kanälen oder einer Modulation der Benetzungseigenschaften der Fest körperoberfläche erreicht werden. Derartige Strukturen lassen sich auf Festkörper oberflächen sehr leicht aufbringen, z. B. durch lithographische Prozesse, die aus der Planartechnologie wohlbekannt sind. Durch Kombination mehrerer auf diese Weise an der Festkörperoberflächen definierten Bereiche können "Leiterbahnen", Mischkammern, Verzweigungen oder Netzwerke hergestellt werden. Die so erfolgte Definition eines komplexen Netzwerks von "Leiterbahnen" für Materietransport an der Oberfläche eines Festkörpers ermöglicht die Präparation ganzer funktionaler Einheiten zur physikalischen, chemischen oder biologischen Manipulation von Ma terie an der Oberfläche des Festkörpers.

Bei einer besonderen Ausgestaltung wird die Funktionalisierung der Festkörper oberfläche durch Modulation der Benetzungseigenschaften der Festkörperoberflä che erreicht. Dies kann z. B. durch Definition hydrophober und hydrophiler Bereiche an der Oberfläche des Festkörpers geschehen, z. B. durch eine gezielte Beschich tung von Teilen der Festkörperoberfläche oder durch Mikro- oder Nanostrukturie rung gewisser Bereiche der Oberfläche des Festkörpers. Die Form, Lage und Breite dieser so definierten "Leiterbahnen" kann beispielsweise über lithographische Techniken gezielt eingestellt werden. Die Kombination dieser "Leiterbahnen" mit auf ähnlicher Weise funktionalisierten Bereichen des Festkörpers, die dann als Reser voirs, Mischkammern, Analysestationen oder sensibilisierten Bereichen für Senso rikanwendungen dienen, erlaubt eine große Bandbreite möglicher Anwendungen der vorliegenden Erfindung als "Lab-on-a-chip". Sämtliche Prozeßschritte beruhen auf bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie, so daß eine gezielte Anpas sung des Chip-Layouts an ein spezielles Problem oder eine Anwendung schnell und kostengünstig erfolgen kann.

Die Definition von "Leiterbahnen" für Flüssigkeiten durch Modulation der Benet zungseigenschaften einer sonst planaren Oberfläche erspart das Ätzen von Grä ben. Dies vermeidet automatisch auch ein Verstopfen kleiner Kanäle und eine eventuell notwendige Reinigung der Festkörperoberfläche ist sehr einfach.

Aufgrund der planaren Oberfläche ist ein Hängenbleiben von zu bewegender Mate rie an Ecken oder Kanten ausgeschlossen. Außerdem können Schichten zur Mo dulation der Benetzungseigenschaften mit an sich bekannten Beschichtungstechni ken auf einfache Weise erhalten werden.

Das verfahrensgemäße Überstreichen der relevanten Oberflächenbereiche mit ei ner Oberflächenwelle erzeugt zusätzlich einen inhärenten Reinigungseffekt, der eine zusätzliche Reinigung vereinfacht oder überflüssig macht.

Das Benetzungsverhalten der in Planartechnik hergestellten "Leiterbahnen" für Flüssigkeiten, das auf einer Modulation der Benetzungseigenschaften der Festkör peroberfläche beruht, hängt außer von der speziellen Funktionalisierung der Ober fläche (Beschichtung, mechanische Behandlung, Änderung der Komposition) selbst auch empfindlich von den transportieren Volumina ab. Auf diese Weise kann er reicht werden, daß bestimmte Bereiche entlang einer Leiterbahn bei Zufuhr von Überschuß-Flüssigkeit entweder benetzen oder nicht. Dadurch lassen sich z. B. selbstorganisierende Ventilfunktionen realisieren.

Dabei wird sich die zu bewegende Materiemenge je nach ihrem Adhäsionseigen schaften entweder auf den hydrophoben oder auf den hydrophilen bzw. entweder auf den lipophoben oder auf den lipophilen Bereichen aufhalten.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Modulation der Benetzungseigen schaften durch Silanisierung eines Teiles der Festkörperoberfläche erreicht. Zum Erzeugen einer "Leiterbahn" für eine wässrige Lösung kann z. B. der umgebende Bereich durch Silanisierung hydrophob gemacht werden.

Vorzugsweise werden die akustischen Oberflächen durch elektrische Anregung erzeugt. Eine einfache Möglichkeit dazu bieten Interdigitalwandler, sogenannte In terdigitaltransducer. Diese bestehen in der einfachsten Ausführungsform aus min destens zwei kammartig ineinander greifenden Metallstrukturen, die in mindestens einem planartechnischen Prozeß auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden. Wird an eine solche Interdigitalstruktur ein hochfrequentes Wechselspannungs signal angelegt, so ergibt sich nach dem inversen piezoelektrischen Effekt eine Kri stalldeformation, die die räumliche Periodizität des Interdigitalwandlers und die zeit liche Periodizität der hochfrequenten Wechselspannung aufweist. Sofern das an gelegte hochfrequente Wechselspannungssignal mit der Oberflächenschallge schwindigkeit des betreffenden Substrats in Resonanz gebracht wird, so wird sich eine akustische Oberflächenwelle senkrecht zur Achse des Wandlers ausbreiten. Die entsprechende Resonanzbedingung ergibt sich zu f = v/λ, mit f: Frequenz des angelegten Wechselfeldes, v: Oberflächenwellenschallgeschwindigkeit λ: räumli che Periodizität des Interdigitalwandlers.

Werden die akustischen Oberflächen mittels des piezoelektrischen Effektes er zeugt, so kann der Impulsübertrag zwischen der mindestens einen akustischen Oberflächenwelle und der mindestens einen Materiemenge durch die im piezoelek trischen Substrat die Welle begleitenden elektrischen Felder durch Vermittlung elektrischer Kräfte auf geladene oder polarisierbare Materie vermittelt werden. Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird die begleitende mechanische Deformation der Festkörperoberfläche zum Impulsübertrag auf die Materiemenge eingesetzt.

Der piezoelektrische Effekt kann in dem Substrat selbst erzeugt werden, wenn ein piezoelektrisches Substrat zum Einsatz kommt. Andererseits kann der piezoelektri sche Effekt in einer piezoelektrischen Schicht auf der Substratoberfläche benutzt werden. Die piezoelektrische Schicht kann derart gewählt werden, daß sie andere Benetzungseigenschaften aufweist als die restliche Substratoberfläche. Auf diese Weise kann mit der Schicht zur Erzeugung des piezoelektrischen Effektes gleich zeitg auch eine Modulation der Benetzungseigenschaften zur Ausbildung von "Lei terbahnen" eingesetzt werden.

Bevorzugte Ausführungsformen umfassen ungewichtete Wandler, gewichtete Wandler, unidirektional abstrahlende Wandler, fokussierende Wandler oder Wand ler für Multifrequenzbetrieb. Materietransport erfolgt dann entlang der Ausbreitungs richtung der Oberflächenwelle. Durch Superposition mehrerer Oberflächenwellen kann ein resultierender Gesamtimpuls eingestellt werden, wodurch die Ausbrei tungsrichtung der Materiemenge nicht notwendigerweise parallel zur Ausbreitungs richtung der erzeugten Oberflächenwellen erfolgen muß. Daneben kann für jede Welle die Frequenz, die Amplitude und auch die Phasenlage bezüglich einer ande ren Welle gezielt eingestellt werden, um somit komplexe Interferenz und Überlage rungsmuster zu erzeugen. Somit sind sowohl Betrag als auch die Richtung des Ge schwindigkeitsvektors für den Materietransport gezielt und in weiten Grenzen frei einstellbar.

Interdigitalwandler lassen sich zudem sehr einfach mit bekannten planartechnologi schen Methoden auf Festkörperoberflächen erzeugen. Sie stellen eine wohldefi nierte rein elektrische Schnittstelle zwischen der Vorrichtung und einer eventuellen externen Ansteuerungs- und Kontrollelektronik dar. Ebenso ist es denkbar, die not wendigen Oberflächenwellen bzw. Pulssequenzen über die drahtlose Einstrahlung einer hochfrequenten Wechselspannung anzusteuern. Dazu kann z. B. eine Anten neneinrichtung vorgesehen sein.

Als Interdigitalwandler können Wandler mit konstantem Fingerabstand eingesetzt werden. Dann wird über die gesamte Breite des Interdigitalwandlers eine gleichför mige Oberflächenwelle über die Oberfläche geschickt, wenn die entsprechende Frequenz angelegt wird.

Sind mehrere Interdigitalwandler auf der Oberfläche vorgesehen, die die Materie menge in verschiedenen Richtungen bewegen bzw. manipulieren können, kann durch geeignete Auswahl des jeweiligen Fingerabstandes erreicht werden, daß die verschiedenen Interdigitalwandler bei verschiedenen Frequenzen in Resonanz kommen. So läßt sich durch Auswahl der Frequenz der jeweilige Interdigitalwandler auswählen und so die Materiemenge in der gewünschten Weise manipuliert wer den.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß zur Erzeugung von Oberflächenwellen verschiedener Frequenz zumindest ein Interdigitalwandler mit nicht konstantem Fingerabstand eingesetzt wird. In diesem Fall wird die Oberflä chenwelle nur an dem Ort generiert, an dem die Resonanzbedingung erfüllt ist. Verschiedene Frequenzen führen also zu einer Anregung von Oberflächenwellen an verschiedener Stelle des Interdigitalwandlers. Der nicht konstante Abstand der ineinandergreifenden Finger des Interdigitalwandlers kann sich z. B. sprungartig ändern. Besonders einfach ist jedoch ein sogenannter "getaperter" interdigitaler Transducer. Hier ändert sich der Fingerabstand des Interdigitalwandlers kontinuier lich, z. B. linear. Mit Erhöhung der Frequenz läßt sich so der Anregungsort entlang des Interdigitalwandlers kontinuierlich verschieben. So läßt sich sehr genau der Bereich einstellen, in dem sich die Oberflächenwelle ausbreitet und ein sehr lokaler Impulsübertrag auf eine kleine Materiemenge ist möglich. Ebenso lassen sich ver schiedene Materiemengen selektiv durch Auswahl der Frequenz ansteuern, wenn sie sich z. B. entlang der Achse des Interdigitaltransducers verteilt aufhalten.

Durch Wahl komplexer Kombinationen oder Abfolgen der Betriebsfrequenz ist ein Multiplexen bzw. ein Schalten von Materieströmen möglich. Mit nur einer Hochfre quenzquelle, die dem Transducer mit nicht konstantem Fingerabstand ansteuert, ist eine Vielzahl von möglichen Pfaden programmierbar und einstellbar, entlang derer akustische Oberflächenwellen kleinste Materiemengen bewegen.

Es ist also ein gezieltes Ansteuern kleinster Materiemengen entlang vorbestimmter Pfade unter Verwendung einer einzigen Einrichtung ohne bewegliche Teile möglich. Über die Betriebsfrequenz als auch die Amplitude der an den Transducer angeleg ten hochfrequenten Wechselspannung ist die Vorrichtung voll einstellbar. Mit meh reren Interdigitaltransducern der genannten Art ist die Generation komplexer Wel lenfelder zur Manipulation kleinster Materiemengen entlang der Oberfläche des be treffenden Substrats möglich.

Auch hier ist es möglich, durch drahtlose Einstrahlung eines Hochfrequenzfeldes definierter Frequenz die Generierung der Oberflächenwellen anzuregen. Durch Auswahl der Frequenz läßt sich der Ort der Oberflächenwellengeneration sehr ge nau bestimmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Manipulation bzw. zum Bewegen einer Mate riemenge läßt sich durch Einstrahlung einer akustischen Oberflächenwelle einset zen, um eine Materiemenge in zwei Teile zu unterteilen. Eine akustische Oberflä chenwelle wird dabei z. B. auf eine ruhende Materiemenge geschickt. Bei entspre chender Parameterwahl bewegen sich Teile der Materiemenge dann auseinander. Ebenso kann vorgesehen sein, daß eine sich bewegende Materiemenge, die z. B. mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bewegt wird, von der Seite mit einer Oberflächenwelle beschickt wird und so in zwei Untermengen aufgeteilt wird.

Eine andere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht eine Durchmischung, indem Oberflächenwellen aus verschiedenen Richtungen auf die mindestens eine Materienmenge geschickt werden. Dadurch gerät die Materie menge in sich in Bewegung, ggf. ohne ihre Gesamtlage zu verändern.

Zur Mischung zweier Flüssigkeitstropfen können diese bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mit einer Ausführungsform der erfindungsge mäßen Vorrichtung direkt aufeinander zubewegt werden. Zwei Oberflächenwel lenerzeugungseinrichtungen, deren Abstrahlcharakteristik zumindest Teile umfaßt, die unter einem Winkel von 180 Grad gegeneinander laufen, erzeugen Oberflä chenwellen, die sich in ihrer Wirkung unter normalen Umständen aufheben würden. Trifft jedoch die Oberflächenwelle einer dieser Erzeugungseinrichtungen zunächst auf eine kleine Materiemenge, z. B. einen Flüssigkeitstropfen, so überträgt sie zum einen Impuls auf diese Materiemengen und wird zum anderen gedämpft. Trifft sie im Anschluß auf eine weitere kleine Materiemenge, so ist sie in ihrer Wirkung also bereits geschwächt. In analoger Weise überträgt die Oberflächenwelle, die mit der anderen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung erzeugt worden ist, auf die an dere kleine Materiemenge einen Impuls und wird gedämpft. Die Wirkung der Ober flächenwellen der sich gegenüberstehenden Oberflächenwellenerzeugungsein richtungen ist also jeweils stärker am Ort derjenigen kleinen Materiemenge, die nä her an der jeweiligen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung ist. Insofern lassen sich zwei kleine Materiemengen, z. B. Flüssigkeitstropfen, direkt ineinander treiben, um gemischt zu werden oder zum Zwecke einer Reaktion.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Oberflächenwelle in etwa tangential auf die mindestens eine kleine Materiemenge geschickt, so daß diese in Rotation versetzt wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann dazu z. B. eine definierte Trajektorie mit einem im wesentlichen runden Bereich umfassen, wobei die mindestens eine Er zeugungseinrichtung für Oberflächenwellen derart angeordnet ist, daß eine Ober flächenwelle in tangentialer Richtung dieses runden Bereiches erzeugt werden kann. So läßt sich eine Zentrifuge erzeugen.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Materiemenge innerhalb minde stens eines Bereiches der Festkörperoberfläche bezüglich mindestens einer physi kalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaft analysiert. Dies kann wäh rend der Beschallung mit der Oberflächenwelle zur Erzeugung einer Bewegung passieren, oder aber das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu eingesetzt wer den, die Materiemenge zu einer Analysestation zu transportieren.

Ein so ausgestaltetes Verfahren bietet den Vorteil, daß sowohl die Bewegung als auch die Analyse der Materiemenge auf einem "Chip" möglich ist.

Zum Beispiel kann die mindestens eine Materiemenge entweder vor oder nach der Analyse von der restlichen Materiemenge separiert werden, z. B. durch Einstrahlen einer Oberflächenwelle.

Es kann auch mit einer einzelnen Oberflächenwelle eine Separierung erreicht wer den. Wird eine Oberflächenwelle auf eine kleine Materiemenge, z. B. eine Flüssig keitsmenge geschickt, so wird, aufgrund der Oberflächenspannung und der Inkom pressibilität der Flüssigkeit, durch den Impulsübertrag auf einen Teil der Menge die gesamte Materiemenge in Bewegung gesetzt. Wird jedoch eine Oberflächenwelle einer Stärke gewählt, deren Impulsübertrag die Oberflächenspannung überwinden kann, so wird ein Teil der Materiemenge abgetrennt und von dem Impulsübertrag der Oberflächenwelle fortbewegt.

Schließlich läßt sich auf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Schonschicht aufbringen, deren Dicke kleiner ist als die typische Eindringtiefe einer Oberflächen welle. Eine solche Schonschicht ist wichtig, wenn Materialien manipuliert werden sollen, die auf dem verwendeten piezoelektrischen Substrat bzw. dem piezoelektri schen Bereich des Substrates beschädigt werden würden: So werden z. B. Biomo leküle auf einem piezoelektrischen Substrat aus Galiumarsenid zerstört. Ist die Schicht dünner als die typische Eindringtiefe einer Oberflächenwelle, also in etwa der Wellenlänge, so leidet die Funktionalität der piezoelektrischen Oberfläche durch Aufbringen der Schonschicht nicht oder nur wenig. Alternativ kann ein Substrat aus einem Material mit einer gewünschten Oberflächenchemie benutzt werden, auch wenn dieses Material nicht piezoelektrisch ist. Dann wird die Oberfläche in den ge wünschten Bereichen mit einem piezoelektrischen Material beschichtet werden, z. B. Zinkoxid. Dabei kann es ausreichend sein, wenn z. B. bei Verwendung elektri scher Anregungsmechanismen das piezoelektrische Beschichtungsmaterial nur in jenem Bereich der Oberfläche aufgebracht wird, in dem sich die Oberflächenwel lenerzeugungseinrichtung befindet. Dort wird dann durch den piezoelektrischen Effekt die Oberflächenwelle erzeugt, die sich auch in dem nicht piezoelektrischen Substrat fortbewegen kann.

Schließlich kann eine piezoelektrische Beschichtung in ausgewählten Bereichen der Oberfläche auch zur Modulation der Benetzungseigenschaften eingesetzt wer den.

Eine Schonschicht kann z. B. aus Quarz gebildet sein. Eine solche Quarzschicht ist z. B. für Biomoleküle unschädlich.

Die Analyse kann z. B. ebenfalls mit Hilfe von Oberflächenwellen bezüglich der Größe, der Masse, der optischen, magnetischen, elektrischen und/oder dielektri schen Eigenschaften durchgeführt werden. Dazu kann die Materiemenge mit einer Oberflächenwelle bestrahlt werden und die Wirkung der Materiemenge auf die Oberflächenwelle untersucht werden.

Ebenso ist es möglich, daß die Materiemenge in mindestens einem Bereich der Festkörperoberfläche, in den sie z. B. mit Hilfe von Oberflächenwellen eingebracht worden ist, durch chemische, physikalische oder biologische Prozesse modifiziert wird. Dies kann z. B. durch entsprechende Funktionalisierung eines Bereiches der Festkörperoberfläche bezüglich der physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften erreicht werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn zu Analysezwecken bzw. Modifizierungszwecken die Materiemenge auf mindestens einen Bereich der Festkörperfläche durch Mo dulation oder Beschichtung dieses Bereiches der Festkörperoberfläche über Che misorption oder Physisorption reversibel und vorübergehend immobilisiert wird. Er reicht wird dies z. B. durch eine entsprechende Funktionalisierung der Festkörper oberfläche, wenn diese z. B. rauher als die Umgebung ist oder andere Benet zungseigenschaften aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch einsetzen, um mindestens zwei Materiemengen in mindestens einen Bereich der Festkörperoberfläche durch ge zielte oder gerichtete Bewegung zum Zweck mindestens einer physikalischen, chemischen oder biologischen Reaktion in Kontakt zu bringen. Diese besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht die Reaktion von sehr kleinen Materiemengen. Die akustischen Oberflächenwellen werden dazu ein gesetzt, die einzelnen Materiemengen gegeneinander zu transportieren, in Berüh rung zu bringen und ggf. zu mischen. Gegebenenfalls können die Oberflächenwel len dann zur Verstärkung oder Auslösung der Reaktion zwischen den zwei Mate riemengen eingesetzt werden.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein externes Vorratsreservoir oder ein externes Auffangreservoir mit Hilfe einer definierten Tra jektorie an die Vorrichtung angeschlossen sein, um die Materiemenge in die Vor richtung bzw. aus der Vorrichtung heraus zu transportieren.

Ein Vorratsreservoir oder ein Auffangreservoir kann auch auf der Festkörperober fläche selbst vorgesehen sein, um die Materiemenge zu liefern bzw. aufzunehmen.

Ein solches Reservoir kann durch entsprechende Funktionalisierung der Oberfläche gebildet sein, z. B. durch lithographisch definierte Gräben oder Barrieren. Ebenso ist denkbar, einen Bereich der Festkörperoberfläche in seinen Benetzungseigen schaften so zu verändern, daß sich die Materiemenge bevorzugt darin aufhält. Eine entsprechende Modulation der Benetzungseigenschaften kann analog erzeugt wer den, wie es für die erfindungsgemäße Ausführung mit definierten Trajektorien durch Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht wird.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Bereich der Festkörperoberfläche mit einer Einrichtung zur lokalen Erwärmung versehen. Eine solche Vorrichtung ermöglicht es, daß eine Materiemenge mit Hilfe von akustischen Oberflächen in einen oder über einen erwärmten Bereich bewegt wird, um dort z. B. eine Reaktion zu befördern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich überall dort einsetzen, wo auf einer Festkörperoberfläche kleine Materiemen gen bewegt bzw. manipuliert werden sollen. Dies ist bei Flüssigkeiten, Gasen, fe sten Körpern oder Kombinationen, Mischungen und/oder Dispersionen denkbar. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich vorteilhaft zur Analyse, Synthese, Trennung, Durchmischung, Portionierung oder Zentrifugierung einer kleinen Materiemenge einsetzen.

Verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Bezug zu den anliegenden Figuren nä her erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer er findungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar stellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar stellung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer er findungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar stellung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar stellung,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar stellung,

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein Detail der Ausführungsform der Fig. 5 in schematischer Darstellung und

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Dar stellung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Interdigitaltransducer. Die Anzahl der ineinander grei fenden metallischen Fingerelektroden 3 ist bei realen Ausführungsformen sehr viel höher und der Abstand sehr viel kleiner, entsprechend in etwa der Wellenlänge der zu erzeugenden Oberflächenwelle. 7 und 9 bezeichnen Elektroden zum Anschluß einer Hochfrequenzwechselspannung. Der Interdigitaltransducer ist z. B. mit Hilfe lithographischer Techniken in bekannter Weise auf der Oberfläche des Chips 2 aufgebracht worden. Chip 2 ist ein piezoelektrisches Substrat. Aus der Oberflä chenschallgeschwindigkeit des piezoelektrischen Substrats 2 und dem Fingerab stand λ des Interdigitaltransducers 1 läßt sich die Resonanzfrequenz des Transdu cers zu f = v/λ errechnen. Bei Anlegen eines Wechselfeldes mit dieser Frequenz wird eine Oberflächenwelle erzeugt, die sich in der Richtung senkrecht zu den Fingern 3 des Interdigitaltransducers 1 ausbreitet. Ein von der Oberflächenwelle überstriche ne Bereich ist mit 5 bezeichnet. In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist der von der Oberflächenwelle überstrichene Bereich 5 der Übersichtlichkeit halber nicht bis zum erzeugenden Transducer 1 eingezeichnet, sondern nur in dem interessie renden Bereich, in dem er die Leiterbahnen 15 mit einer Oberflächenwellen über streicht. Dies gilt entsprechend auch für die folgenden Fig. 2 bis 4.

Typische Materialien, die als Festkörper eingesetzt werden können, umfassen z. B. Litiumniobat oder Quarz. Als piezoelektrisches Beschichtungsmaterial kann Zin koxid eingesetzt werden. Typische Frequenzen sind einige 100 MHz, wodurch sich typische Fingerabstände der interdigitalen Transducer von einigen Mikrometern ergeben.

15 bezeichnet eine "Leiterbahn" für die Materiemenge. Diese Leiterbahn kann z. B. lithographisch definiert sein und andere Benetzungseigenschaften als die umge bende Festkörperoberfläche haben. Zum Beispiel kann diese Leiterbahn gegenüber dem der restlichen Oberfläche hydrophiles Beschichtungsmaterial umfassen. Je nach zu manipulierender Materiemenge wird eine lipophobe, lipophile, hydrophobe oder hydrophile Beschichtung der "Leiterbahn" bzw. der Umgebung gewählt.

11 bezeichnet einen ebenfalls modifizierten Oberflächenbereich, der als Vorratsre servoir dient. 13 bezeichnet ein entsprechendes Auffangreservoir, das ebenfalls entsprechend modifizierte Oberflächeneigenschaften hat. Die Oberflächenbenet zungseigenschaften sind dabei so verändert, daß sich die Materiemenge bevorzugt auf den Bereichen 11, 15 und 13 aufhält.

17 bezeichnet die Bewegung der Materiemenge, die mit Hilfe der eingestrahlten Oberflächenwelle erreicht werden kann, die vom Transducer 1 in Richtung 16 ab gestrahlt wird.

Die Funktionsweise ist wie folgt.

In den Bereich 11 des Chips 2 wird eine Materiemenge, z. B. eine Flüssigkeit ein gebracht. Ein Teil der Flüssigkeit wird sich bis in den Bereich des Oberflächenwel lenpfades 5 ausbreiten. In dem Moment, wo eine weitere Bewegung der Flüssigkeit gewünscht ist, wird ein Hochfrequenzsignal an die Elektroden 7, 9 des Interdigital transducers 1 angelegt. Die Oberflächenwelle breitet sich senkrecht zu den Fingern 3 des Interdigitaltransducers aus. Diese gibt ihren Impuls an die Materie im Bereich 15 weiter und führt zu einer Bewegung in der Richtung 17. Da sich das Material bevorzugt auf den Bereichen mit entsprechend modifizierten Oberflächenbenet zungseigenschaften 11, 15, 13 aufhält, bewegt sich die Materiemenge in Richtung des Auffangreservoirs 13. Auf diese Weise kann die Materie aus dem Vorratsreser voir 11 in das Vorratsreservoir 13 "gepumpt" werden. Dort kann z. B. eine Analyse stattfinden. Möglich ist z. B. eine lokale optische Detektion, ein Anlegen eines lo kalen Magnetfeldes oder eines lokalen elektrischen Feldes, eine mechanische Be lastung oder eine lokale Erwärmung. Ebenso kann der Bereich 13 eine chemisch oder physikalisch modifizierte Oberfläche aufweisen, so daß die dort hin bewegte Materiemenge eine Reaktion erfährt.

Bei dem oben geschilderten Verfahrensablauf wird eine Oberflächenwelle einer Stärke gewählt, die einen Impulsübertrag auf die Materiemenge bewirkt, der die Oberflächenspannung nicht überwinden kann. Auf diese Weise wird das Material vollständig auf dem Reservoir 11 in das Reservoir 13 geführt.

Wird eine Oberflächenwelle größerer Stärke gewählt, wird ein kleiner Materieteil abgetrennt werden. Die stärkere Oberflächenwelle trifft im Bereich 5 auf die Mate riemenge. Die Materiemenge, die vom Impuls der stärkeren Oberflächenwelle ge troffen wird, trennt sich von dem restlichen Materievolumen ab, da die Oberflächen spannung durch den größeren Impulsübertrag überwunden wird. Auf diese Weise kann eine kleine tröpfchenförmige Menge der Materie abgetrennt und in das Reser voir 13 transportiert werden. Die notwendige Stärke der Oberflächenwelle für diese Anwendung kann in einfachen Vorabexperimenten bestimmt werden.

Typischerweise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Materiemengen in der Größenordnung von Pikolitern bzw. Millilitern bei durch Modifikation der Oberflächenspannung erzeugten "Leiterbahnen" mit einer Breite in der Größenord nung von 10 Mikrometern bewegen.

Bei einer nicht in Figuren gezeigten Ausführungsform befindet sich z. B. in dem Be reich 13 der Fig. 1 eine Beschichtung zur lokalen Erwärmung des darauf befindli chen Materials, z. B. um eine Reaktion zu beschleunigen bzw. zu befördern. Eine solche Beschichtung kann z. B. eine hochohmige Metallschicht sein, die mit Hilfe von elektrischem Strom geheizt wird.

Fig. 2 zeigt die Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Mischkam mer. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen gleiche Elemente.

Es ist ein zweites Vorratsreservoir 23 vorgesehen, das über eine weitere Leiterbahn mit einem Mischbereich 25 verbunden ist. Wiederum sind die Vorratsbereiche 11, 23, die Leiterbahnen 15 und der Mischbereich 25 z. B. durch entsprechende Mo dulation der Benetzungseigenschaften der Oberfläche des Chips 2 ausgebildet. Weiterhin befindet sich neben dem ersten Interdigitaltransducer 1 ein zweiter Inter digitaltransducer 27. Die Transducer haben die gemeinsame Elektrode 7 und 19 bezeichnet die zweite Elektrode des zweiten Transducers 27. Der Transducer 27 erzeugt bei Anlegen einer entsprechenden Frequenz, die sich nach der oben ange gebenen Formel berechnet, eine Oberflächenwelle in den Bereich 21 in Richtung 29, während der erste Transducer in dem Bereich 5 eine Oberflächenwelle in Richtung 16 erzeugt. Während sich in dem Vorratsbereich 11 eine Flüssigkeits menge A befindet, befindet sich in dem Vorratsbereich 23 eine Flüssigkeitsmenge B, von denen sich jeweils ein Teil in die Leiterbahnen 15 ausgebreitet hat. Bei Ein strahlen der Oberflächenwellen aus den Transducern 1 bzw. 27 wird ein Impuls auf die Materiemenge A bzw. B in Richtung 17 bzw. 20 erzeugt. Auf den vorbehandel ten Leiterbahnen 15 bewegen sich die einzelnen Materiemengen in Richtung des Mischbereichs 25, in dem sie sich zu der Mischung A + B vermengen.

Haben die Interdigitaltransducer 1 und 27 einen unterschiedlichen Fingerabstand, so kann mit Auswahl der Frequenz erreicht werden, daß nur einer der Transducer jeweils eine Oberflächenwelle erzeugt. So können die Materiemengen aus den Vor ratsbereichen 11 bzw. 23 gleichzeitig, nacheinander oder abwechselnd bewegt werden. Da die Amplitude der Oberflächenwellen einzeln einstellbar ist und auch Pulsbetrieb möglich ist, können wohldefinierte kleinste Flüssigkeitsmengen mitein ander in Reaktion gebracht oder durch den Ultraschall der Oberflächenwellen durchmischt werden. So werden parallele unabhängige Analysen bzw. Synthesen auf einem Chip mit nur einer Ansteuerungseinrichtung möglich. Die Oberflächen wellen der Interdigitaltransducer 1 und 27 befördern zusätzlich noch die Vermi schung der einzelnen Materiemengen A und B in dem Mischbereich 25.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, die zur Sortierung von Schwebteilchen in einer Flüssigkeit (beispielsweise biologische Zellen) bezüglich einer bestimmten Eigen schaft dienen kann.

Wiederum ist ein Oberflächenwellenpfad 5 mit einem Interdigitaltransducer 1 zu bestrahlen. Ein weiterer Bereich 37 kann mit einem zweiten Transducer 31 mit den Elektroden 33 und 35 mit einer Oberflächenwelle beschickt werden. Zur selektiven Ansteuerung der zwei Interdigitaltransducer 1, 31 sind diese mit unterschiedlichen Fingerabständen versehen, so daß bei Einstrahlung einer bestimmten Frequenz nur einer der Interdigitaltransducer eine Oberflächenwelle generiert. Während der Interdigitaltransducer 1 eine Oberflächenwelle in Richtung 16 erzeugt, erzeugt der Interdigitaltransducer 31 eine Oberflächenwelle in Richtung 36, im wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberflächenwelle. Ein Vorratsreservoir 11 ist über die ge zeigten Leiterbahnen 15, die wiederum z. B. durch Modulation der Benetzungsei genschaften der Oberfläche des Chips 2 erhalten werden können, mit den Auf fangreservoirs 45 bzw. 47 verbunden, die durch die Leiterbahnen mit dem Kreu zungsbereich 41 verbunden sind, der von beiden Interdigitaltransducern 1, 31 mit einer Oberflächenwelle beschickt werden kann. 43 bezeichnet einen Analysebe reich.

Das Reservoir 11 enthält beispielsweise eine Pufferflüssigkeit, in der sich z. B. zwei Sorten biologischer Zellen A und B befinden. Ein Interdigitaltransducer 1 erzeugt bei Anlegen einer geeigneten hochfrequenten Spannung eine akustische Oberflä chenwelle in Richtung 16, die wie bei den Ausführungsformen der Fig. 1 oder 2 per Impulsübertrag die Flüssigkeit samt den darin befindlichen Zellen aus dem Re servoir 11 in Richtung des Analysebereichs 43 transportiert. Wiederum geschieht dies, indem die Oberflächenwelle in Richtung 16 auf Materiematerial trifft, das be reits aus dem Vorratsgefäß 11 in die Leiterbahn 15 eingetreten ist. Aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit wird die Flüssigkeit aus dem Reservoir 11 hinausgezogen, wenn eine Oberflächenwelle auf die Leiterbahn 15 trifft, in der sich bereits Materie befindet. Im Analysebereich 43 werden beispielsweise die Zellen der Sorte B eindeutig identifiziert. Dies geschieht beispielsweise über die an sich bekannte Fluoreszenzmarkeranalyse, bei der der Zelltyp B mit einem Fluoreszenz marker markiert worden ist und durch Beleuchtung im Gebiet 43 zur Fluoreszenz angeregt wird. Ein optischer Detektor empfängt dieses Fluoreszenzlicht aus dem Bereich 43. Das Signal des optischen Detektors, der in Fig. 3 nicht gezeigt ist, wird benutzt, um eine Wechselspannungsquelle anzusprechen, die mit dem Interdigital transducer 31 verbunden ist. Diese Wechselspannung liegt dann an dem Interdigi taltransducer 31 an, der daraufhin einen Oberflächenwellenimpuls in Richtung 36 erzeugt. Dieser Oberflächenwellenimpuls trifft im Kreuzungsbereich 41 auf die Ma terie, die sich entlang der Leiterbahn 15 bewegt. Gemäß der Analyse in dem Analy sebereich 43 befindet sich gerade Zellmaterial des Typs B auf der Leiterbahn. Durch den Oberflächenwellenimpuls des Interdigitaltransducers 31 werden diese Zellen in Richtung des Reservoirs 45 getrieben und erreichen nicht das Reservoir 47. Wird in dem Analysebereich 43 festgestellt, daß nur Zellen A auf der Leiterbahn 15 sind - das heißt, bei Beleuchtung wird kein Fluoreszenzsignal gemessen -, so wird kein Oberflächenwellenimpuls in Richtung 37 erzeugt und die Materie wird in Richtung des Reservoirs 47 bewegt, So läßt sich eine Trennung der Zellen A und B erreichen.

Selbstverständlich sind auch andere Trennungskriterien einsetzbar.

Die Ausführungsform der Fig. 3 stellt somit ein extern ansteuerbares Ventil zur Umleitung des Transports bzw. zur Unterbrechung des Transports in den Bereich 47 dar.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die als Zentrifuge einsetzbar ist.

Ein runder Bereich 49 ist z. B. wiederum durch Modulation der Benetzungseigen schaften so ausgestaltet, daß sich im Gegensatz zur unbehandelten Festkörper oberfläche dort die zu manipulierende Materiemenge bevorzugt aufhält. Der runde Bereich 49 ist so angeordnet, daß sich eine Oberflächenwelle, die mit dem Interdi gitaltransducer 1 erzeugt wird, im Randbereich 55 des runden Bereichs 49 aus breitet. Die Ausbreitungsrichtung 16 der Oberflächenwelle ist also tangential zu dem runden Bereich 49. An den Umfang des runden Bereichs 49 sind weitere Be reiche 11, 53, 51 durch entsprechende Leiterbahnen, die z. B. auch durch Modula tion der Benetzungseigenschaften der Festkörperoberfläche erzeugt werden, ange schlossen. Dabei dient der Bereich 11 als Vorratsreservoir und die Bereiche 51 und 53 als Auffangreservoirs.

Wird eine Materiemenge in den Bereich 11 eingebracht, so wird sich ein Teil in den Bereich 49 ausbreiten. Wird dann mit Hilfe des Interdigitaltransducers 1 in Aus breitungsrichtung 16 in dem Ausbreitungsbereich 5 eine Oberflächenwelle erzeugt, so trifft diese im Überdeckungsbereich 55 auf die Materie. Diese wird dann entlang des Umfangs des runden Bereichs 49 in Bewegung und somit in Rotation versetzt. Handelt es sich bei der Materie z. B. um eine Flüssigkeit mit Schwebteilchen, so werden die schwereren Schwebteilchen nach Art einer Zentrifuge durch die Flieh kräfte nach außen getrieben und von den Reservoirs 51, 53 je nach Gewicht auf gefangen.

Bei einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist durch geeignete Mikro- oder Nanostrukturierung ein Netzwerk aus Leiterbahnen in Form von Mikro- oder Nanokanälen hergestellt worden. Ein solches Netzwerk kann die Funktion ei nes künstlichen Gels oder Siebes für (elektro-)phoretische Prozesse übernehmen, wenn es z. B. in einem Bereich 5 des von der Oberflächenwelle überstrichenen Chips 2 aufgebracht ist, in dem die Oberflächenwelle eine Leiterbahn 15 über streicht, in dem sich die Materie befindet. So kann eine Größentrennung der Be standteile in Art eines Siebes oder künstlichen Gels erfolgen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform mit einem sogenannten "getaperten" Interdigital transducer 61. Der getaperte Interdigitaltransducer weist ineinandergreifende Fin ger 67 auf, deren Abstand sich im gezeigten Beispiel linear von einer Elektrode 65 zur anderen Elektrode 63 verringert. Die Funktionsweise dieses getaperten Interdi gitaltransducers wird mit Bezug zu Fig. 6 erläutert.

Die beiden kammartig ineinandergreifenden Fingerelektrodenstrukturen 67, die mit den Elektroden 65 und 63 verbunden sind, sind beispielhaft derart dargestellt, daß ihr gegenseitiger räumlicher Abstand 89 entlang der Achse des Interdigitaltransdu cers sich von λ₀ an der Position x₀ über λ_i an der Position x_i bis zu λ_n, an der Positi on x_n ändert. Da die Wellenlänge einer Oberflächenwelle dem Abstand 89 der ein zelnen Finger entspricht, ist durch den sich ändernden Abstand 89 die Wellenlänge λ_i vorbestimmt, mit der eine Oberflächenwelle an dem Ort x_i erzeugt werden kann. Der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und anliegender Frequenz ergibt sich zu f_i = v/λ_i, wobei v die Oberflächenschallgeschwindigkeit ist. Durch Auswahl der an liegenden Frequenz von f₁ bis f_n über f_i mit der Wechselspannungsquelle 69 kann also der Ort x_i ausgewählt werden, in dem die Oberflächenwelle generiert werden soll. Nur dort wird eine Oberflächenwelle in Richtung 91 erzeugt. Durch Änderung der Frequenz f_i verschiebt sich dieser Oberflächenwellenstrahl 91 gemäß der ein gezeichneten Pfeilrichtung 93. Auf diese Weise läßt sich sehr bestimmt eine lokale Oberflächenwelle erzeugen, deren Ausbreitungsbereich sehr präzise durch Ein stellung der Frequenz eingestellt werden kann.

In Fig. 5 wird ein derartiger getaperter Interdigitaltransducer 61 eingesetzt, um ver schiedene Reservoirs 71, 73, 75 anzusteuern. Diese Reservoirs 71, 73, 75 sind über Leiterbahnen 83, 85, 87 mit Auffangreservoirs 81, 79, 77 verbunden. Befindet sich in den Reservoirs 71, 73, 75 jeweils Materie, so läßt sich durch Auswahl der Frequenz, die an den Interdigitaltransducer 61 angelegt wird, bestimmen, welche Materiemenge mit einem Oberflächenwellenimpuls belegt werden soll. Nur diese Materiemenge wird sich dann in das ihr zugehörige Auffangreservoir bewegen. Wird z. B. eine kleinere Frequenz angelegt, so ist der Interdigitaltransducer in dem Bereich in Resonanz, in dem die einzelnen Finger weiter voneinander entfernt sind und die Materie wird aus dem Reservoir 75 durch Impulsübertrag aus der Oberflä chenwelle entlang der Leiterbahn 87 zum Reservoir 77 bewegt. Bei Anlegen einer höheren Frequenz ist der Interdigitaltransducer an einer Stelle in Resonanz, in der die einzelnen Finger näher beieinander liegen. Zum Beispiel wird dann nur die Ma teriemenge, die sich in dem Reservoir 71 befindet, von dem Impuls der Oberflä chenwelle getroffen und nur sie bewegt sich entlang der Trajektorie 83 in das Re servoir 81. Mit einer solchen Ausführungsform ist also das gezielte Ansteuern be stimmter Materiemengen möglich.

Wird eine Materiemenge, die über alle Bereiche 71, 73 und 75 verteilt ist, aufge bracht, so kann durch gezielte örtlich bestimmte Einstrahlung einer Oberflächen welle entsprechender Frequenz ein einzelner dieser Bereiche angesteuert werden, um die Materiemenge zu teilen.

Abweichend von getaperten Interdigitaltransducern können auch sogenannte fo kussierende Interdigitaltransducer oder solche, bei denen der jeweilige Fingerab stand entlang der Achse des Wandlers sich digital, d. h. stufenförmig, ändert, um bestimmte Bereiche der Oberfläche zur Beschickung mit der Oberflächenwelle in Abhängigkeit der angelegten Frequenz auszuwählen, vorgesehen sein.

Bei den bisher geschilderten Ausführungsformen ist eine speziell präparierte Lei terbahn auf der Chipoberfläche vorgesehen. Soll sich die Materiemenge jedoch genau in Richtung der Ausbreitungsrichtung einer Oberflächenwelle bewegen, ist eine solche Präparation nicht notwendig, da in der Regel die Materiemenge durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird.

Die Materiemenge bewegt sich dann entlang des Impulses bzw. der Summe von Impulsen, wenn mehrere Oberflächenwellen auf die Materiemenge geschickt wer den. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Bewegung der Materie menge nicht auf eine vorbestimmte Leiterbahn beschränkt ist, sondern durch ent sprechende Anordnung der Interdigitaltransducer bzw. Ansteuerung der einzelnen Interdigitaltransducer die Bewegung in ihrer Richtung gesteuert werden kann.

In Fig. 7 ist dies schematisch angedeutet. Gezeigt sind vier Interdigitaltransducer 61, 95, 97 und 99. Exemplarisch für die vier Interdigitaltransducer sind für den er sten Transducer 61 die Finger mit 67 bezeichnet und die Elektroden mit 65 bzw. 63. Wiederum sind die Interdigitaltransducer als getaperte Transducer ausgebildet. Im gezeigten Beispiel erzeugt der erste Interdigitaltransducer 61 eine Oberflächen welle in Richtung 91. Durch Auswahl der Frequenz kann es, wie mit Bezug zur Fig. 6 beschrieben, erreicht werden, daß der Bereich, der von der Oberflächenwelle überstrichen wird, sich entlang des Pfeils 93 verändert. In ähnlicher Weise wirkt der zweite Interdigitaltransducer 95 zur Erzeugung einer Oberflächenwelle im Bereich 101. Änderung der Eingangsfrequenz verschiebt den Ausbreitungsbereich der Oberflächenwelle in Richtung 103. Ein im Kreuzungspunkt der Ausbreitungsberei che befindlichen Materiemenge erfährt einen Gesamtimpuls der Oberflächenwelle in Richtung 105. Durch geeignete Auswahl der Ausbreitungsbereiche bzw. Auswahl der Lage der Ausbreitungsbereiche durch Einstellung der Frequenz an den unter schiedlichen Transducern 67 und 95 kann die Impulsrichtung 105 frei eingestellt werden. Dabei kann die Amplitude der einzelnen Oberflächenwellen über die Am plitude des angelegten Wechselspannungssignals an die Interdigitaltransducer be stimmt werden, so daß auch der Winkel des resultierenden Impulses 105 geändert werden kann.

Durch Anlegen einer Wechselspannung an die Interdigitaltransducer 97 bzw. 99 kann eine Bewegung in der anderen Richtung erzeugt werden.

Selbstverständlich können auch andere Geometrien von Interdigitaltransducern gewählt werden, um Bewegungen in gewünschte Richtungen erzeugen zu können.

Sind die einzelnen Interdigitaltransducer auf dem Chip 2 derart ausgestaltet, daß sich die Resonanzfrequenzbereiche nicht überdecken, und sind die einzelnen In terdigitaltransducer parallel geschaltet, so kann mit Hilfe der angelegten Frequenz der Interdigitaltransducer ausgewählt werden, der eine Oberflächenwelle erzeugen soll. So läßt sich einfach durch Anlegen einer bestimmten Frequenz ein einzelner Interdigitaltransducer auswählen.

Die einzelnen Ausführungsformen lassen sich auch drahtlos fernansteuern. Ein strahlen einer entsprechenden Frequenz in die einzelnen Transducer ermöglicht die drahtlose Ansteuerung und Generierung der dazugehörigen Oberflächenwelle. Da zu können die einzelnen Transducer mit einer entsprechenden Antenneneinrich tung versehen sein. Bei einer Ausführungsform, bei der die einzelnen Transducer nicht denselben Resonanzfrequenzbereich haben, kann durch einfache Auswahl der eingestrahlten Frequenz drahtlos entschieden werden, welcher der Transducer gerade eine Oberflächenwelle erzeugen soll und auf eine Materiemenge geschickt werden soll.

Bei einer solchen Ausführungsform wird z. B. die Hochfrequenzquelle 69 der Fig. 6 bzw. 5 durch eine Antenne ersetzt.

Selbstverständlich sind beliebige Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen auf einem Chip denkbar, um verschiedene Prozesse durchführen zu können. Erfin dungsgemäße Vorrichtungen können auch mit entsprechenden Analysestationen kombiniert werden. Besonders vorteilhaft ist, daß gerade auf Halbleitersubstraten solche Analysestationen gleichzeitig und integriert und damit einfach und kosten günstig hergestellt werden können. Insbesondere seien hier integrierte Lichtquellen, wie Halbleiter-Laserdioden und optische Detektoren zur Fluoreszenzanalyse, Ver fahren zur Messung der elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der trans portierten Materie sowie der Massen- und Größenverteilung der Materiemengen genannt. Durch miniaturisierte Heizungen oder Bereiche mit statisch einstellbaren elektrischen Feldern etc. eröffnet sich ein weites Feld für mögliche Anwendungen, die von der Physik über die Chemie bis hin zur Biologie und Gentechnik reichen. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung machen es möglich, kleinste Mengen von Materie gezielt auf der Oberfläche eines Festkör pers zu bewegen, zu portionieren und zu vereinzeln. Dabei können auch mehrere unter Umständen verschiedene Materiemengen getrennt voneinander unabhängig verschoben werden. Eine mögliche Anwendung wäre somit z. B. eine physiko chemische Reaktion aus zwei oder mehr Komponenten kleinster Stoffmengen an einem vorherbestimmbaren Ort auf dem Festkörper auszulösen. So sind Anwen dungen in der Nano- oder Femtochemie möglich. Auch feste Materialien, wie z. B. Cluster oder geringste Stoffmengen eines oder mehrerer chemischer Reagenzien oder ähnlichem können gezielt auf der Oberfläche eines Festkörpers verschoben werden. Somit ist man auch in der Lage, Muster aus Feststoffen kleinster Menge an der Oberfläche zu definieren.

Gerade die Kombinationen mit zusätzlichen Analysestationen, die integriert auf demselben Festkörpermaterial erzeugt werden, ermöglichen viele Ausführungsfor men, die in ihrer Gesamtheit als "Baukasten" für ein "Labor auf dem Chip" ("Lab-on- the-chip") dienen. Der modulare Aufbau eines solchen "Lab-on-a-chip" erlaubt es darüber hinaus, die Eigenschaften des Gesamtsystems durch Verknüpfung der entsprechenden Eigenschaften der einzelnen Elemente mittels geeigneter Software zu simulieren.

Durch die einfache Herstellungsweise mit bekannten planaren Technologien ist zu dem eine kostengünstige Herstellung und anwenderspezifische Ausgestaltung leicht zu erreichen.

Claims

1. Verfahren zur gezielten und gerichteten Manipulation kleiner Materiemengen auf Festkörperoberflächen,
bei dem mit Hilfe von einer oder mehrerer akustischer Oberflächenwellen ein Impuls entlang der Festkörperoberfläche erzeugt wird, wobei die Ober flächenwellen mit mindestens einer Oberflächenwellenerzeugungseinrich tung (1, 27, 61, 95, 97, 99) generiert werden, und
der Impuls (16, 36, 105) mit mindestens einer Materiemenge in Wechsel wirkung gebracht wird, um eine Bewegung auf der Oberfläche in einer ge wünschten Richtung (17, 39) zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch Funktionalisierung von Teilen (15, 49, 83, 85, 87) der Festkörperoberfläche zumindest eine definierte Trajektorie für die Materiemenge vorgegeben ist, und die mindestens eine Materiemenge durch den Impulsübertrag entlang dieser mindestens einen Trajektorie bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Funktionalisierung der Festkörper oberfläche durch Gräben, Barrieren, lithographische Definition von Kanälen oder Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Funktionalisierung durch Modulation der Benetzungseigenschaften der Festkörperoberfläche erreicht wird und die Modulation der Benetzungseigenschaften durch lithographische Definition mindestens eines hydrophoben und mindestens eines im Vergleich dazu hy drophilen bzw. mindestens eines lipophoben und mindestens eines im Ver gleich dazu lipophilen Bereiches erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Funktionalisierung der Festkörper oberfläche durch Modulation der Benetzungseigenschaften mindestens eines Teils der Festkörperoberfläche erreicht wird, und die Modulation der Benet zungseigenschaften durch Silanisierung dieses Teils der Festkörperoberfläche erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die akustischen Ober flächenwellen durch elektrische Anregung erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zur Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen Interdigitalwandler (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die akustischen Oberflächenwellen mittels des piezoelektrischen Effekts in einem piezoelektri schen Substrat bzw. einem piezoelektrischen Bereich eines Substrates er zeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine piezoelektrische Schicht auf der Substratoberfläche zur Erzeugung der Oberflächenwellen eingesetzt wird, die derart gewählt ist, daß sie andere Benetzungseigenschaften aufweist als die restliche Substratoberfläche.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Impulsübertrag zwischen der mindestens einen akustischen Oberflächenwelle und der minde stens einen Materiemenge durch die im piezoelektrischen Substrat oder min destens im piezoelektrischen Bereich der Festkörperoberfläche die Welle be gleitenden elektrischen Felder vermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Impulsübertrag zwischen der mindestens einen akustischen Oberflächenwelle und der minde stens einen Materiemenge durch die die Oberflächenwelle begleitende me chanische Deformation der Festkörperoberfläche vermittelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem als Oberflächenwellen Scherwellen, Lambwellen, Rayleighwellen, Lovewellen oder Kombinationen davon eingesetzt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem Oberflächenwellen Verschiedener Frequenzen (f₁. . .,f_n) durch verschiedene Bereiche der Ober fläche (5, 21, 37; x₁,. . .,x_n) geschickt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem zur Erzeugung von Oberflächenwellen in verschiedenen Bereichen (5, 21) der Oberfläche mindestens zwei Erzeu gungseinrichtungen (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) für Oberflächenwellen mit un terschiedlichen Betriebsfrequenzen eingesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 14, bei dem die mindestens zwei Erzeugungseinrichtungen Interdigitalwandler mit jeweils konstantem aber un terschiedlichem Fingerabstand umfassen.

16. Verfahren nach Anspruch 7 und Anspruch 13, bei dem zur Erzeugung von Oberflächenwellen verschiedener Frequenz zumindest ein Interdigitalwandler (61, 95, 97, 99) mit nicht konstantem Fingerabstand eingesetzt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem zur Festlegung von Betrag und Richtung des Geschwindigkeitsvektors der mindestens eine Mate riemenge die Überlagerung mindestens zweier akustischer Oberflächenwellen eingesetzt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem mindestens eine Ma teriemenge durch mindestens eine akustische Oberflächenwelle in minde stens zwei kleinere Untermengen geteilt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem mindestens eine Ma teriemenge innerhalb mindestens eines Bereiches der Festkörperoberfläche bezüglich mindestens einer physikalischen, chemischen oder biologischen Ei genschaft analysiert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein Teil der mindestens einen Materie menge entweder vor oder nach der Analyse von der restlichen Materiemenge separiert wird.

21. Verfahren nach einem Ansprüche 19 oder 20, bei dem die mindestens eine Materiemenge durch Wechselwirkung mit mindestens einer akustischen Oberflächenwelle bezüglich ihrer Größe, ihrer Masse, ihrer optischen, magne tischen, elektrischen und/oder dielektrischen Eigenschaften analysiert wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem zumindest ein Teil der zumindest einen Materiemenge in mindestens einem Bereich auf der Festkör peroberfläche durch chemische, physikalische oder biologische Prozesse mo difiziert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der zumindest eine Teil der mindestens einen Materiemenge durch Funktionalisierung mindestens eines Bereiches der Festkörperoberfläche hinsichtlich ihrer physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften modifiziert wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem die zu analysierende bzw. zu modifizierende mindestens eine Materiemenge auf mindestens einem Bereich der Festkörperoberfläche durch Modulation oder Beschichtung dieses Bereiches der Festkörperoberfläche über Chemisorption oder Physisorption reversibel und vorübergehend immobilisiert wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem mindestens zwei Ma teriemengen in mindestens einem Bereich (25) der Festkörperoberfläche durch gezielte und gerichtete Bewegung (17, 20) zum Zweck ihrer Mischung und/oder mindestens einer physikalischen, chemischen oder biologischen Reaktion in Kontakt gebracht werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem mindestens zwei Materiemengen mit Hilfe zweier gegeneinander laufenden Oberflächenwellen aufeinander zube wegt werden.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, bei dem Oberflächenwellen aus verschiedenen Richtungen auf die mindestens eine Materiemenge geschickt werden, um eine Durchmischung der mindestens einen Materiemenge zu er reichen.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, bei dem die mindestens eine Oberflächenwelle durch drahtloses Einstrahlen mindestens einer elektroma gnetischen Welle in die mindestens eine Erzeugungseinrichtung (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) für Oberflächenwellen generiert wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, bei dem mindestens eine wei tere Oberflächenwelle aus einer Richtung (37) auf die mindestens eine Mate riemenge eingestrahlt wird, die nicht der ursprünglichen Bewegungsrichtung (17) der Materiemenge entspricht.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, bei dem mindestens eine Oberflächenwelle in etwa tangential auf mindestens eine Materiemenge ge schickt wird, um diese in Rotation zu versetzen.

31. Vorrichtung zur gezielten und gerichteten Manipulation mindestens einer Ma teriemenge auf einer Festkörperoberfläche mit
mindestens einer Einrichtung (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen auf der Festkörperoberfläche in zumindest einer Ausbreitungsrichtung (16, 21, 36, 91, 101),
einem Wechselwirkungsbereich, in dem die Materiemenge mit der minde stens einen Oberflächenwelle in Wechselwirkung treten kann, um durch einen Impulsübertrag von der Oberflächenwelle bzw. der Oberflächenwel len eine Bewegung der Materiemenge entlang der Oberfläche zu bewir ken.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31 mit mindestens einer definierten Trajektorie (15, 49, 83, 85, 87) für die Bewegung der Materiemenge.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, bei der die mindestens eine definierte Trajekt orie (15, 49, 83, 85, 87) einen Graben, eine Barriere und/oder einen lithogra phisch definierten Kanal umfaßt.

34. Vorrichtung nach Anspruch 32, bei der die mindestens eine definierte Trajekt orie durch eine Modulation der Benetzungseigenschaften der Festkörperober fläche gebildet wird.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der die Festkörperoberfläche teilweise sila nisiert ist, um eine Modulation der Benetzungseigenschaften zu erreichen.

36. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der die Modulation der Benetzungseigen schaften durch mindestens einen hydrophoben und mindestens einen im Ver gleich dazu hydrophilen bzw. mindestens einen lipophoben und mindestens einen im Vergleich dazu lipophilen Bereich gebildet wird.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der der mindestens eine hydrophobe und der mindestens eine hydrophile bzw. der mindestens eine lipophobe und min destens eine lipophile Bereich lithographisch definiert sind.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 oder 37, bei der die hydrophoben und/oder hydrophilen bzw. lipophoben und/oder lipophilen Bereiche eine ent sprechende Beschichtung umfassen.

39. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der die Modulation der Benetzungseigen schaffen durch laterale Mikro- oder Nanostrukturierung erreicht worden ist.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 39, bei der die mindestens eine definierte Trajektorie (15) eine Verzweigung (14) zu mindestens einer weite ren definierten Trajektorie aufweist.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 40, bei der die mindestens eine definierte Trajektorie einen im wesentlichen runden Bereich (49) umfaßt und die mindestens eine Erzeugungseinrichtung (1) für Oberflächenwellen derart angeordnet ist, daß eine Oberflächenwelle in tangentialer Richtung dieses runden Bereiches (49) erzeugt werden kann.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 41, die ein Netzwerk aus defi nierten Trajektorien und Erzeugungseinrichtungen für Oberflächenwellen der art umfaßt, daß die mindestens eine Materiemenge entlang der Trajektorien bewegt werden kann.

43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 42 mit mindestens einer Erzeu gungseinrichtung (31) zur Erzeugung einer Oberflächenwelle in einer Rich tung (36), die seitlich auf eine sich entlang einer Trajektorie bewegende Mate riemenge trifft.

44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 43 mit einer definierten Trajekt orie zu einem externen Vorratsreservoir.

45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 44 mit einer definierten Trajekt orie zu einem externen Auffangreservoir.

46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 45, bei der mindestens ein Teil der Festkörperoberfläche als Vorratsreservoir (11, 23, 71, 73, 75) für die Liefe rung der mindestens einen Materiemenge ausgelegt ist.

47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 46, bei der mindestens ein Teil der Festkörperoberfläche als Auffangreservoir (13, 25, 45, 47, 51, 53, 77, 79, 81) ausgelegt ist.

48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 47 mit einem piezoelektrischen Substrat, bzw. einem Substrat mit einem piezoelektrischen Bereich.

49. Vorrichtung nach Anspruch 48, bei der sich auf dem piezoelektrischen Substrat bzw. oberhalb des piezoelektrischen Bereiches eine Schonschicht einer Dicke befindet, die kleiner ist, als die Eindringtiefe der Oberflächenwelle zur Scho nung des zu bewegenden Materiales.

50. Vorrichtung nach Anspruch 49, bei dem die Schonschicht Quarz umfaßt.

51. Vorrichtung nach Anspruch 48, bei der sich auf einem Substrat mit vorbe stimmten Oberflächeneigenschaften eine piezoelektrische Schicht zur Anre gung von Oberflächenwellen darin befindet.

52. Vorrichtung nach Anspruch 51, bei der die Oberflächenbenetzungseigen schaften der piezoelektrischen Schicht sich von den Benetzungseigenschaf ten des umgebenen Substrates unterscheiden.

53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 52, bei der mehrere Oberflä chenwellenerzeugungseinrichtungen (61, 95) derart angeordnet sind, daß die durch die Oberflächenwellen erzeugten Impulse sich zu einem Gesamtim puls (105) in Richtung einer gewünschten Bewegungsrichtung addieren.

54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 53 mit mindestens zwei Oberflä chenwellenerzeugungseinrichtungen, deren räumliche Abstrahlung zumindest teilweise 180 Grad gegeneinander laufend ist.

55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 54, bei der ein Bereich der Fest körperoberfläche durch Modulation oder Beschichtung der Festkörperoberflä che über Chemisorption oder Physisorption zur reversiblen und vorüberge henden Immobilisierung der mindestens einen Materiemenge funktionalisiert ist.

56. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 55, bei der mindestens ein In terdigitalwandler (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) als Einrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen vorgesehen ist.

57. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 56, bei der die mindestens eine Erzeugungseinrichtung (61, 95, 97, 99) für Oberflächenwellen derart ausge legt ist, daß der Ausbreitungsbereich (x₁,. . .,x_n) der Oberflächenwellen sich mit der Frequenz (f₁,. . .,f_n) ändert.

58. Vorrichtung nach Anspruch 57, bei der zur Erzeugung von Oberflächenwellen mit verschiedenen Ausbreitungsbereichen mehrere Erzeugungseinrichtungen (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) für Oberflächenwellen verschiedener Betriebsfre quenz vorgesehen sind.

59. Vorrichtung nach Anspruch 58, bei der mehrere Interdigitalwandler mit kon stantem aber untereinander unterschiedlichem Fingerabstand vorgesehen sind.

60. Vorrichtung nach Anspruch 57, bei der zur Erzeugung von Oberflächenwellen mit verschiedenem Ausbreitungsbereich mindestens ein Interdigitalwandler (61, 95, 97, 99) mit nicht konstantem Fingerabstand vorgesehen ist.

61. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 60 mit einem Bereich, in dem die Festkörperoberfläche mit einem Element zur lokalen Erwärmung versehen ist.

62. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 61 mit mindestens einer Anten neneinrichtung zur drahtlosen Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle in die mindestens eine Erzeugungseinrichtung (1, 27, 31, 61, 95, 97, 99) für Oberflächenwellen.

63. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 62 zur gezielten und gerichte ten Manipulation von Flüssigkeiten, Gasen, fester Körper oder Kombinationen, Mischungen und/oder Dispersionen davon.

64. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 62 zur gezielten und gerichte ten Manipulation anorganischer Reagenzien oder organischem Material wie Zellen, Molekülen, Makromolekülen oder genetischen Materialien, die in vitro oder in vivo dargestellt sind.

65. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 62 zur Analyse, Synthese, Trennung, Durchmischung oder Portionierung einer kleinen Materiemenge.

66. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30 zur Bewe gung einer kleinen Materiemenge von einem Vorrats- (11, 23, 71, 73, 75) zu einem Auffangreservoir (13, 25, 45, 47, 51, 53, 77, 79, 81).

67. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 30 zur Zentrifugierung einer kleinen Materiemenge.