DE10063268B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder deren Bewegung - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Vermessung kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder deren Bewegung auf Festkörperoberflächen mit
– einem Substrat mit einer Festkörperoberfläche,
– mindestens einem Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) auf der Festkörperoberfläche, dessen Material derart ausgewählt ist, dass der Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) andere Benetzungseigenschaften aufweist als die umgebende Festkörperoberfläche, so daß sich die zu vermessende Flüssigkeit bevorzugt auf dem Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) aufhält, wobei der Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) einen Messbereich (3, 300) aufweist, der sich lateral verjüngt, und
– mindestens einer Messeinrichtung (5, 7, 50, 70) zur Bestimmung der Ausdehnung einer Flüssigkeitsmenge (27, 29) entlang des sich verjüngenden Messbereiches (3, 300).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung kleiner Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche und deren Bewegungen.
  • Der Begriff Flüssigkeit umfaßt im vorliegenden Text unter anderem reine Flüssigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen, sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, z. B. biologisches Material, befinden.
  • In der Mikroanalytik kleiner Flüssigkeitsmengen ist es notwendig, kleine Flüssigkeitsmengen genau zu bestimmen. Bei der in jüngster Zeit im Blickpunkt stehenden "Lab-on-a-chip"-Technologie werden zum Beispiel kleine Flüssigkeitsmengen an einen Analyse- oder Synthesepunkt auf einem Festkörperchip gebracht, wo z.B. eine chemische oder physikalische Analyse der Flüssigkeitsmenge vorgenommen wird. Solche Verfahren werden unter anderem für anorganische Reagenzien oder organisches Material, wie Zellen, Moleküle, Makromoleküle oder genetische Materialien, gegebenenfalls in Pufferlösungen, eingesetzt. Dabei wird die Bewegung und die Reaktion definierter Volumina kleiner Flüssigkeitsmengen mittels mikrostrukturierter Kanäle realisiert (siehe z. B. O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36 bis 38). Bei anderen Methoden wird eine definierte Flüssigkeitsmenge auf den Analysepunkt gebracht, z. B. mit Hilfe einer Pipette.
  • DE 196 28 928 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Analyse kleiner Flüssigkeitsmengen auf Festkörperoberflächen, wobei das Substrat eine Festkörperoberfläche und Aufenthaltsbereiche auf der Festkörperoberfläche aufweist, deren Material derart ausgewählt ist, dass die Aufenthaltsbereiche andere Benetzungseigenschaften aufweisen als die umgebende Festköperoberfläche, so dass sich die Flüssigkeit bevorzugt auf den Aufenthaltsbereichen aufhält.
  • DE 299 08 248 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Analyse kleiner Flüssigkeitsmengen mit einem Substrat und Aufenthaltsbereichen auf der Festköperoberfläche, deren Material derart ausgewählt ist, dass die Aufenthaltsbereiche andere Benetzungseigenschaften aufweisen als die umgebende Festkörperoberfläche, so dass sich die Flüssigkeit bevorzugt auf den Aufenthaltsbereichen aufhält.
  • Aus der DE 198 50 803 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Dichte und der Viskosität einer Flüssigkeit bekannt, die eine Substratoberfläche mit einem Aufenthaltsbereich für die Flüssigkeit und eine Messeinrichtung aufweist, die Oberflächenwellen verwendet, die mit Interdigitaltransducern erzeugt werden.
  • Wünschenswert ist es, auf dem Chip Flüssigkeitsmengen und oder deren Bewegung möglichst exakt zu bestimmen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe eine kleine Flüssigkeitsmenge und deren Bewegung exakt bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Vorteilhafte Verwendungen sind Gegenstand der Ansprüche 28 bis 30.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Aufenthaltsbereich auf einer Festkörperoberfläche mit anderen Benetzungseigenschaften als die umgebende Festkörperoberfläche auf, und zwar derart, daß sich die zu vermessende Flüssigkeit bevorzugt auf diesem Aufenthaltsbereich aufhält. Der Aufenthaltsbereich hat einen Messbereich, der sich lateral verjüngt. Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der Ausdehnung einer Flüssigkeitsmenge entlang des sich verjüngenden Messbereiches auf.
  • Selbstverständlich können sich an dem bevorzugten Aufenthaltsbereich mehrere erfindungsgemäße lateral sich verjüngende Meßbereiche mit entsprechenden Meßeinrichtungen befinden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet die Lokalisierung und Vermessung einer Flüssigkeitsmenge auf einer Festkörperoberfläche, ohne dass Gräben, Ecken oder Kanten notwendig sind.
  • Die Modulation der Benetzungseigenschaften kann durch Definition hydrophiler bzw. hydrophober Bereich erreicht werden. Zur Vermessung von z. B. wässrigen Lösungen wird der bevorzugte Aufenthaltsbereich hydrophiler als die umgebende Festkörperoberfläche gewählt. Dies kann entweder durch eine hydrophile Beschichtung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches oder durch eine hydrophobe Umgebung erreicht werden. Eine hydrophobe Umgebung kann z.B. bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung eine silanisierte Oberfläche aufweisen. Zur Vermessung von nicht-wässrigen Lösungen kann es vorteilhaft sein, wenn der bevorzugte Aufenthaltsbereich lipophil im Vergleich zur Umgebung ist.
  • Die Modulation der Benetzungseigenschaften der Oberfläche läßt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Weise z.B. durch lithographische Verfahren mit nachfolgenden Beschichtungsschritten erreichen.
  • Die Benetzungseigenschaften können weiterhin durch Mikrostrukturierung moduliert werden, wie es beim so genannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf unterschiedlichen Rauhigkeiten der Oberflächen beruht. Diese kann z. B. durch Mikrostrukturierung der entsprechenden Oberfächenbereiche erhalten werden, z. B. chemische Behandlung oder Ionenbestrahlung.
  • Die Definition des bevorzugten Aufenthaltsbereichs kann auch durch eine Ätzung der Oberfläche erfolgen bzw. unterstützt werden, wobei die Ätztiefe klein gegen die Breite des Aufenthaltsbereiches ist, z. B. ein Hundertstel der Breite. So lässt sich z.B. im Falle einer wässrigen Lösung der bevorzugte Aufenthaltsbereich dadurch definieren, dass die den bevorzugten Aufenthaltsbereich umgebende Oberfläche hydrophob beschichtet und im Bereich des Aufenthaltsbereichs selbst einige Nanometer bis einige Mikrometer in die Oberfläche geätzt wird. Auf diese Weise ist der Kontrast bezüglich des Benetzungswinkels erhöht. Dennoch ist die Oberfläche makroskopisch im wesentlichen planar. Eine derartig flache Ätzung ist fertigungstechnisch sehr einfach und definiert herstellbar, ohne daß die bekannten Probleme einer tiefen Ätzung eines schmalen Kanals auftreten.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Flüssigkeit den bevorzugten Aufenthaltsbereich ohne Einwirkung einer äußeren Kraft nicht verlassen. Die Vorrichtung nutzt dazu aus, dass für einen benetzten Bereich auf der Oberfläche eines Festkörpers die Oberfläche des Flüssigkeitströpfchens im Gleichgewicht überall dieselbe Krümmung aufweist, da eine unterschiedliche Krümmung in unterschiedlichen Teilen der Flüssigkeitströpfchenoberfläche bei gegebener Oberflächenspannung einen unterschiedlichen Innendruck hervorrufen würde. Lokal unterschiedlicher Innendruck in einem Tröpfchen führt aber zu einem Fluss von Flüssigkeit aus Bereichen hohen Drucks in Bereiche niedrigen Drucks. Dies geschieht wiederum so lange, bis Druckausgleich herrscht, d.h. überall dieselbe Krümmung der Oberfläche vorliegt.
  • Für die Grenzlinie zwischen flüssiger und fester Materie, also zwischen den Flüssigkeitströpfchen und der Festkörperoberfläche, tritt anstelle der Krümmung bei dieser Betrachtung der Benetzungswinkel, der im Gleichgewicht und in isotroper Umgebung nur von den beiden Materialien der Festkörperoberfläche bzw. der Flüssigkeit abhängt. Bei lateral räumlich eingeschränkter Benetzung, die durch die Definition des bevorzugten Aufenthaltsbereiches gegeben ist, wird die Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche durch die Breite des bevorzugten Aufenthaltsbereiches und das Volumen der Flüssigkeitsmenge auf diesem Aufenthaltsbereich bestimmt. Ändert sich die Breite des Aufenthaltsbereiches, so ist die Forderung nach einer konstanten Krümmung nicht zu erfüllen, da sich auch die Höhe des Tröpfchens, also die „Füllhöhe" ändern würde.
  • Enge Benetzungsstrukturen lassen sich von weiten Benetzungsstrukturen aus in der Regel nicht ohne äußere Krafteinwirkung befüllen. Eine sich verjüngende Benetzungsstruktur, wie der Messbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wird bei gegebenem Füllstand bzw. Innendruck eines angrenzenden Tröpfchens nur bis zu einer bestimmten Länge hin befüllt, um der Forderung gleicher Oberflächenkrümmung gerecht zu werden. Erhöht sich der Füllgrad des angrenzenden Tröpfchens, so erhöht sich auch der Innendruck (bzw. die Oberflächenkrümmung) und der sich lateral verjüngende Messbereich wird auf längerer Strecke befüllt.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ausdehnung einer Flüssigkeitsmenge entlang des sich verjüngenden Messbereiches bestimmt, der wie beschrieben direkt mit dem Innendruck bzw. dem Füllstand des Tröpfchens zusammenhängt. Dabei ist der sich verjüngende Messbereich Teil eines Aufenthaltsbereiches, der derartige Benetzungseigenschaften aufweist, dass sich die zu vermessende Flüssigkeit bevorzugt auf dem Aufenthaltsbereich aufhält. Vorteilhafterweise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Innendruckes eines Flüssigkeitströpfchens auf dem bevorzugten Aufenthaltsbereich einsetzen. Ebenso vorteilhaft kann damit die Füllmenge des gesamten Flüssigkeitströpfchens aus der Ausbreitung der Flüssigkeitsmenge auf dem lateral sich verjüngenden Messbereich bestimmt werden.
  • Um eine genaue Auskunft über die Menge einer Flüssigkeit zu erhalten, ist es dabei von Vorteil, wenn der Aufenthaltsbereich einen im wesentlichen konvexen Teilbereich umfasst, der eine definierte Fläche hat, an den sich an einer Stelle der sich verjüngende Messbereich mit seiner breitesten Ausdehnung anschließt. So lässt sich durch eine einfache Kalibrierung ein Zusammenhang zwischen der Ausbreitung eines Flüssigkeitströpfchens in den sich verjüngenden Messbereich mit der Gesamtmenge der Flüssigkeit auf dem Aufenthaltsbereich herstellen. Auf diese Weise wird ein „Normvolumen" realisiert. Um lineare Bedingungen für den Zusammenhang zwischen dem Innendruck bzw. dem Füllstand in der Flüssigkeitsmenge und der Ausbreitungslänge auf dem sich verjüngenden Messbereich leichter realisieren zu können, ist eine möglichst runde Form des „Normvolumens" vorteilhaft.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform schließt der sich lateral verjüngende Messbereich seitlich an einen lang gestreckten Aufenthaltsbereich an, auf dem sich eine Flüssigkeit bewegen kann. Auch dieser Aufenthaltsbereich wird durch Modulation der Benetzungseigenschaften erhalten und bildet eine Flüssigkeitsbahn im Sinne einer „Leiterbahn". Fließt Flüssigkeit entlang dieser „Leiterbahn" an einem Messbereich vorbei, der sich seitlich an die „Leiterbahn" anschließt, so tritt ein Teil der Flüssigkeit in den lateral sich verjüngenden Messbereich ein. Der hydrostatische Druck in einer fließenden Flüssigkeit ist von deren Geschwindigkeit abhängig. Nach dem Bernoullischen Gesetz herrscht bei höherer Geschwindigkeit ein niedrigerer statischer Druck. Bei höherer Geschwindigkeit wird also die Flüssigkeit weniger weit in den sich lateral verjüngenden Messbereich eintreten. Durch eine einfache Kalibrierung kann ein Zusammenhang zwischen der Ausbreitungslänge in dem lateral sich verjüngenden Messbereich und der Geschwindigkeit der Flüssigkeit auf der „Leiterbahn" bestimmt werden.
  • Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform enthält der Aufenthaltsbereich zwei langgestreckte Teilbereiche, die aneinander anschließen und unterschiedliche Breite haben. Auf diese Weise sind „Leiterbahnen" unterschiedlicher Breite definiert, wobei sich auf „Leiterbahnen" mit kleinerer Breite die Flüssigkeit schneller bewegt. An jeden der Teilbereiche schließt sich ein eigener lateral sich verjüngender Meßbereich mit einer dazugehörigen Meßeinrichtung an. Nach dem Bernoullischen Gesetz ist die Summe aus hydrostatischem Druck und dem Staudruck konstant. Durch zwei parallele Messungen an Teilbereichen des Aufenthaltsbereiches unterschiedlicher Breite kann auf diese Weise die Konstante eliminiert werden und die Geschwindigkeit der Flüssigkeit absolut bestimmt werden.
  • Zur Vermessung von Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von Pikolitern hat sich ein Messbereich als vorteilhaft erwiesen, der eine Breite von einigen Mikrometern hat. Im Nanoliter- und Mikroliterbereich wird die Breite entsprechend skaliert.
  • Die Oberflächenspannung der Flüssigkeitsmenge ist von den äußeren thermodynamischen Parametern, wie z.B. Druck und Temperatur, abhängig. Durch Einstellung dieser Parameter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung an die gewünschte Messaufgabe angepasst werden. Z.B. ist bei höherer Temperatur die Oberflächenspannung in der Regel geringer und die Flüssigkeitsmenge tritt weiter in den Messbereich ein. So lassen sich auch geringere Flüssigkeitsmengen vermessen. Sollen größere Flüssigkeitsmengen vermessen werden, kann die Temperatur niedriger gewählt werden. Auch das Volumen der Flüssigkeitsmenge, die auf einem gemäß der obigen Ausführungsform gebildeten Normvolumen gespeichert werden kann, ist in der Regel von den thermodynamischen Parametern abhängig und somit in einem gewissen Bereich einstellbar.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung zur Bestimmung der Ausdehnung der Flüssigkeitsmenge entlang des sich verjüngenden Messbereiches zumindest eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung auf der Festkörperoberfläche. Diese Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung ist derart ausgerichtet, daß mit ihrer Hilfe eine Oberflächenwelle seitlich auf den sich verjüngenden Messbereich geschickt werden kann. Auf der anderen Seite des sich lateral verjüngenden Messbereiches befindet sich eine Oberflächenwellendetektionseinrichtung.
  • Mit Hilfe einer solchen Anordnung kann die Dämpfung der Oberflächenwelle durch die Anwesenheit der Flüssigkeit gemessen werden. Je mehr Flüssigkeit sich in dem von der Oberflächenwelle überstrichenen Bereich befindet, desto größer ist die Dämpfung. Mit Hilfe einer Kalibrierung und/oder entsprechender Auswerteelektronik läßt sich so die Ausdehnung der Flüssigkeitsmenge in dem sich verjüngenden Messbereich und damit der Innendruck bzw. der Füllstand in dem angrenzenden Tröpfchen bestimmen.
  • Eine besonders einfache Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst sowohl für die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung als auch für die Oberflächenwellendetektionseinrichtung so genannte Interdigitaltransducer. Dies sind flächig aufgebrachte Elektroden mit fingerartig ineinander greifenden Strukturen. Durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes lässt sich eine Oberflächenwelle generieren, die senkrecht zu den ineinander greifenden Fingern entlang der Oberfläche abgestrahlt wird. Die Wellenlänge dieser Oberflächenwelle wird durch den Fingerabstand bestimmt. Die Resonanzfrequenz ergibt sich in an sich bekannter Weise als Quotient der Oberflächenwellenschallgeschwindigkeit und der Wellenlänge, die durch den Fingerabstand bestimmt ist. Als vorteilhaft haben sich Frequenzen im Bereich von einigen 10 MHz bis zu einigen 100 MHz erwiesen.
  • Mit solchen Interdigitaltransducern sowohl für die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung als auch für die Oberflächenwellendetektionseinrichtung lässt sich die Ausdehnung der Flüssigkeitsmenge auf den sich verjüngenden Messbereich über die Stärke der Dämpfung bestimmen, die von der Gesamtmenge der Flüssigkeit auf dem von der Oberflächenwelle überstrichenen Bereich abhängt.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung weisen die Interdigitaltransducer einen nichtkonstanten Fingerabstand auf. Z.B. kann sich der Abstand der ineinander greifenden Finger entlang der Achse des Interdigitaltransducers linear erweitern. Hier wird die Resonanzbedingung abhängig vom Fingerabstand bei einer bestimmten Frequenz nur an einem sehr definierten Ort senkrecht zu der Achse des Interdigitaltransducers abgestrahlt. Durch Verändern der Frequenz des an den oberflächenwellenerzeugenden Interdigitaltransducer angelegten Wechselfeldes kann also die Stelle des lateral sich verjüngenden Messbereiches ausgewählt werden, die von der Oberflächenwelle getroffen wird. Je nachdem, ob sich an dieser Stelle Flüssigkeit befindet oder nicht, wird die Oberflächenwelle unterschiedlich gedämpft. Auf diese Weise kann festgestellt werden, wie weit sich die Flüssigkeit bereits in den sich verjüngenden Messbereich ausgebreitet hat.
  • Zur Erzeugung von Oberflächenwellen ist der Einsatz eines piezoelektrischen Substrates oder eines Substrates mit einem piezoelektrischen Bereich vorteilhaft. Dabei kann der piezoelektrische Bereich z.B. durch Beschichten mit einem piezoelektrischen Material auf einem ansonsten nicht piezoelektrischen Substrat erzeugt werden. Es ist dabei ausreichend, wenn das Substrat im Bereich der Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen piezoelektrisch ist. Die Oberflächenwelle wird sich dann auch in dem nicht piezoelektrischen Bereich ausbreiten.
  • Bei einer anderen Ausgestaltung ist eine Kapazitätsmesseinrichtung vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, dass sie die Änderung der Kapazität durch die Änderung der Flüssigkeitsmenge auf dem sich lateral verjüngenden Messbereich bestimmen kann. Kapazitive Messungen lassen sich leicht durchführen und bieten eine genaue Möglichkeit zur Bestimmung der Flüssigkeitsmenge. Bei einer vorteilhaften einfachen Ausgestaltung sind seitlich des sich lateral verjüngenden Messbereiches Elektroden vorgesehen, zwischen denen die Kapazität gemessen wird, die sich durch die Anwesenheit von Flüssigkeit auf dem lateral sich verjüngenden Messbereich verändert.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine optische Messeinrichtung vorgesehen, um die Ausdehnung der Flüssigkeitsmenge auf dem sich verjüngenden Messbereich zu bestimmen. Eine solche optische Messeinrichtung gestattet eine direkte Beobachtung der Änderung der Flüssigkeitsmenge. Sie kann z.B. eine Kameraeinrichtung umfassen oder eine Lichtleitereinrichtung, die zu einer Kameraeinrichtung, z.B. einer CCD-Kamera, geführt wird. Eine solche Anlage ermöglicht die direkte Beobachtung z.B. auf einem Bildschirm. Alternativ kann die Ablenkung, Schwächung oder Abblockung eines Lichtstrahles, z.B. eines Laserlichtstrahles, durch das Vorhandensein der Flüssigkeitsmenge in dem lateral sich verjüngenden Messbereich festgestellt werden. Ebenso kann eine Leuchtdiodenreihe oder ein Leuchtdiodenfeld vorgesehen sein, das derart angeordnet ist, dass je nach Ausbreitungslänge der Flüssigkeitsmenge auf dem Messbereich das Licht einer unterschiedlichen Anzahl von Leuchtdioden auf ein oder mehrere Messfelder gelangt. Aus der Anzahl der Leuchtdioden, deren Licht nicht durch die Flüssigkeitsmenge abgeblockt oder geschwächt wird, kann auf die Ausbreitungslänge geschlossen werden.
  • Für eine besonders genaue Messung kann bei allen Ausführungsformen eine gegebenenfalls durch entsprechende Software programmierte Auswerteelektronik zur Erfassung der einzelnen Messgrößen gemäß der bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen sein, die aus den Messsignalen zunächst die Ausbreitungslänge der Flüssigkeit in dem sich verjüngenden Messbereich bestimmt und daraus den Innendruck bzw. die Flüssigkeitsmenge des gesamten auf dem Aufenthaltsbereich befindlichen Flüssigkeitströpfchens oder ihre Geschwindigkeit errechnet.
    •
  • Einige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Dabei wird als Messeinrichtung zur Bestimmung der Ausdehnung der Flüssigkeitsmenge beispielhaft eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung dargestellt. Es zeigen
  • 1 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Festkörperoberfläche mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2a eine schematische Teildraufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer Flüssigkeitsmenge,
  • 2b eine schematische Teildraufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer anderen Flüssigkeitsmenge, und
  • 3 eine schematische Draufsicht auf eine Festkörperoberfläche mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 4 eine schematische Draufsicht auf eine Festkörperoberfläche mit einer Weiterbildung der Ausführungsform der 3.
  • In 1 ist die Draufsicht auf eine Oberfläche einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch gezeigt. Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Festkörpersubstrat, wie es z.B. aus der Halbleitertechnologie bekannt ist. Die Bereiche 1, 3 bezeichnen einen bevorzugten Aufenthaltsbereich der zu untersuchenden Flüssigkeit auf der Festkörperoberfläche. Der bevorzugte Aufenthaltsbereich 1, 3 hat andere Benetzungseigenschaften als die umgebende Oberfläche des Festkörpers, die so gewählt sind, dass die zu vermessende Flüssigkeit sich bevorzugt darauf aufhält. Bei einer wässrigen Lösung ist die Oberfläche des Aufenthaltsbereiches 1, 3 z.B. hydrophil im Vergleich zu der Oberfläche des restlichen Festkörpers. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Festkörperoberfläche in den umgebenden Bereichen silanisiert und dadurch hydrophob wird.
  • Ein typisches Maß für die maximale Breite 4 des Teilbereiches 3, der als Messbereich dient, sind einige Mikrometer bei der Behandlung von Pikolitermengen. Bei größeren Mengen können die Abmessungen entsprechend skaliert werden.
  • Benachbart zu dem sich lateral verjüngenden Messbereich 3 befinden sich Interdigitaltransducer 5 und 7. Bei der gezeigten Ausgestaltung wird der Transducer 5 zur Generierung einer Oberflächenwelle eingesetzt, die in Richtung 21 abstrahlt und den Messbereich 3 durchläuft. Der Transducer 7 dient zur Detektion der Oberflächenwelle. Selbstverständlich kann auch der Interdigitaltransducer 7 zur Generation der Oberflächenwelle eingesetzt werden und der Transducer 5 zur Detektion.
  • Der Interdigitaltransducer 5 besteht aus Elektrodenstrukturen 9, 11, die Fortsätze haben, die fingerartig ineinander greifen. Die Transducer umfassen eine große Anzahl von Fingern, von denen nur einige schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Die ineinander greifenden Fingerstrukturen sind mit 17 bezeichnet. Analog umfasst der Empfangstransducer 7 Elektroden 13 und 15 mit fingerartigen Fortsätzen 19.
  • Die gesamte Struktur befindet sich auf der Oberfläche eines Festkörpersubstrats, das z.B. piezoelektrisches LiNbO3 oder Quarz umfasst. Alternativ kann auf einem nicht piezoelektrischen Substrat eine piezoelektrische Schicht, etwa ZnO aufgebracht sein. Die Elektroden 9, 11, 13 und 15 werden mit bekannten Verfahren kontaktiert, um zum einen ein elektrisches Wechselfeld an die Elektroden 9 und 11 anzulegen und an den Elektroden 13 und 15 die ankommende Oberflächenwelle detektieren zu können. In nicht gezeigter Weise sind dazu die Elektroden 9 und 11 mit einer Hochfrequenzquelle verdrahtet. Andererseits sind die Elektroden 13 und 15 in nicht gezeigter Weise mit einem Messgerät zum Nachweis der Hochfrequenzspannung verbunden.
  • Abweichend hiervon können die jeweiligen Elektroden mit einer Antenneneinrichtung verbunden sein, die eine drahtlose Ansteuerung durch Einstrahlen eines elek tromagnetischen Wechselfeldes ermöglicht. Analog kann der Empfangstransducer drahtlos ausgelesen werden.
  • 2 zeigt einen Flüssigkeitstropfen 23 auf dem Teilbereich 1 der Vorrichtung gemäß 1. Ein Teil 27 des Flüssigkeitstropfens breitet sich in den Messbereich 3 aus. Durch die beschriebene Wirkung der Oberflächenspannung des Flüssigkeitströpfchens ist diese Ausbreitung begrenzt.
  • In 2b ist der Zustand mit einer größeren Flüssigkeitsmenge 25 gezeigt. Aufgrund des höheren Innendruckes breitet sich der Teil 29 des Flüssigkeitströpfchens weiter in den Messbereich 3 aus. Die größere Flüssigkeitsmenge lässt sich z.B. über einen hier nicht gezeigten bevorzugten Aufenthaltsbereich in Form einer Leiterbahn, die mit dem Bereich definierter Fläche 1 verbunden ist, aufbringen.
  • Nicht gezeigt ist jeweils eine mögliche Ankopplung des bevorzugten Aufenthaltsbereichs 1 z.B. mittels eines weiteren bevorzugten Aufenthaltsbereichs in Form von z.B. einer Leiterbahn an ein mikrofluidisches System, in dem verschiedene Funktionen ein „Lab-on-a-chip" realisiert sind oder verschiedene Reaktionen stattfinden können. Über diesen weiteren bevorzugten Aufenthaltsbereich lässt sich der Bereich 1 auch befüllen. Dieser Bereich muss eng genug sein, dass er aufgrund seiner Oberflächenspannung von der Flüssigkeit im Normalfall nicht überwunden wird. Durch äußere Impulseinwirkung, z.B. durch eine Oberflächenwelle, kann der Flüssigkeitstropfen diese Engstelle überwinden und auf die Fläche 1 gelangen.
  • Jenseits einer solchen Engstelle kann sich ein Reservoir befinden, das durch eine größere Fläche mit den gleichen Benetzungseigenschaften wie der Aufenthaltsbereich 1 gebildet wird. Darauf kann eine größere Menge der Flüssigkeit gelagert werden. Durch äußere Impulseinwirkung z.B. einer Oberflächenwelle kann aus diesem Reservoir eine Flüssigkeitsmenge über die beschriebene Engstelle in den Aufenthaltsbereich 1 getrieben werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Messanordnung kann der Füllstand der Flüssigkeit auf dem Aufenthaltsbereich 1 bestimmt werden. Ist ein gewünschter Wert erreicht, kann die äußere Impulseinwirkung be endet werden, so dass keine weitere Flüssigkeit auf den Aufenthaltsbereich 1 gelangen kann. Auf diese Weise ist die Definition einer gewünschten Flüssigkeitsmenge sehr genau möglich. Alternativ kann der Aufenthaltsbereich 1 auch z.B. mit einer Pipette befüllt werden. Eine genaue Vorgabe der Flüssigkeitsmenge ist nicht notwendig, da mit zuvor bestimmten Eichwerten im Nachhinein mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Flüssigkeitsmenge genau bestimmt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt eingesetzt werden. Auf den Teilbereich 1 definierter Fläche des Aufenthaltsbereiches 1, 3 wird ein Flüssigkeitstropfen der zu vermessenden Flüssigkeit aufgebracht. Diese Flüssigkeit kann z.B. eine Pufferlösung sein, in der sich die später zu analysierende Materie befindet. Es entsteht z.B. ein Zustand, wie er in der 2a gezeigt ist. An den Interdigitaltransducer 5 wird z.B. bei einem Fingerabstand von einigen Mikrometern ein Hochfrequenzfeld einiger 100 MHz angelegt, das zur Generierung einer Oberflächenwelle senkrecht zu der Fingerstruktur 17 führt. Diese Oberflächenwelle läuft durch den Messbereich 3. Aufgrund des Vorhandenseins der Flüssigkeitsmenge 27 auf dem Messbereich 3 wird die Oberflächenwelle teilweise gedämpft. Insofern wird von dem Interdigitaltransducer 7 eine andere Oberflächenwellenstärke gemessen, als wenn sich keine Flüssigkeitsmenge auf dem Messbereich 3 befindet. Die Detektion der Oberflächenwelle findet mit bekannten Verfahren der Hochfrequenzmesstechnik statt.
  • Aus dem Signal bzw. der Änderung des Signals durch die Anwesenheit der Flüssigkeitsmenge 27 auf dem Messbereich 3 kann bestimmt werden, wie weit sich die Flüssigkeitsmenge 27 in dem Messbereich 3 ausgebreitet hat. Je größer die Ausbreitung ist, desto stärker ist die Dämpfung. Z.B. aufgrund vorher bestimmter Kalibrierungswerte, kann aus dem Wert für die Ausbreitungslänge der Flüssigkeit auf dem Messbereich 3 auf den Innendruck in dem Flüssigkeitströpfchen 23 bzw. auf die Füllmenge des Flüssigkeitströpfchens 23 geschlossen werden. Z.B. ist bei der Darstellung der 2b ein größeres Flüssigkeitströpfchen 25 aufgebracht. Das Flüssigkeitströpfchen kann den bevorzugten Aufenthaltsbereich 1, 3 nicht verlassen, so dass seine Höhe bei größerer Menge zunehmen wird. Insofern erhöht sich der Innendruck in dem Flüssigkeitströpfchen. Eine größere Ausbreitung in den Messbereich 3 ist die Folge, was sich in der größeren Flüssigkeitsmenge 29 widerspiegelt. Wird durch diese größere Menge 29 eine Oberflächenwelle geschickt, so wird diese Oberflächenwelle stärker gedämpft und es kann wiederum auf die Menge der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitströpfchen 25 geschlossen werden.
  • Werden als Transducer so genannte getaperte Interdigitaltransducer mit nicht konstantem Fingerabstand eingesetzt, so kann mit der Frequenz genau der Ort der Abstrahlung der Oberflächenwelle senkrecht zur Richtung 21 bestimmt werden. Durchfahren der Frequenz verschiebt Ort der Abstrahlung der Oberflächenwelle entlang der Achse des Interdigitaltransducers. Die Achse ist dabei als zentrale Verbindungslinie zwischen den Kontaktpads der Elektroden definiert. Die Oberflächenwelle zeigt auf der hier relevanten Längenskala von einigen Millimetern nur eine geringe Divergenz, so dass der Ort der Abstrahlung der Oberflächenwelle auch den Ort ihres Auftreffens auf dem Messbereich 3 bestimmt.
  • Trifft die Oberflächenwelle auf einen Bereich des Messbereiches 3, auf dem sich keine Flüssigkeit befindet, so bleibt die Oberflächenwelle im wesentlichen ungedämpft. Bewegt sich die Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle durch Änderung der Frequenz an dem Interdigitaltransducer jedoch in einen Bereich des Messbereiches, auf dem sich Flüssigkeit 27, 29 befindet, so wird die Oberflächenwelle dieser Frequenz gedämpft. Durchfahren der Frequenz ermöglicht es also direkt festzustellen, an welcher Stelle sich das Ende der Flüssigkeitsmenge 27, 29 auf dem Messbereich 3 befindet. Eine Auswertung kann wiederum mit einer elektronischen Recheneinheit und/oder einer Kalibrierung erfolgen.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform zur Messung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeitsmenge. 100 bezeichnet einen lang gestreckten Aufenthaltsbereich, der ebenfalls durch Modulation der Benetzungseigenschaften definiert wird, wie der Aufenthaltsbereich 1, 3 in den obigen Ausführungsformen. Seitlich schließt sich an diesen Aufenthaltsbereich 100 ein Messbereich 3 an, wie er auch bei den Ausführungs formen der 1 und 2 beschrieben wurde. Seitlich des Messbereiches 3 befinden sich wieder Interdigitaltransducer 5 und 7.
  • Fließt eine Flüssigkeitsmenge auf dem Aufenthaltsbereich 100 z.B. in Richtung 101, ist der statische Druck um so geringer, je höher die Fließgeschwindigkeit ist. Die Flüssigkeitsmenge dringt um so weiter in den Messbereich 3 ein, je höher der statische Druck ist. Die Messung der Ausbreitungslänge der Flüssigkeit in dem lateral sich verjüngenden Messbereich 3 gestattet also einen Rückschluss auf den in der Flüssigkeit auf dem Aufenthaltsbereich 100 herrschenden hydrostatischen Druck. Z.B. kann wiederum mit einer elektronischen Rechnereinheit zunächst aus der Ausbreitungslänge auf dem Messbereich 3 auf den hydrostatischen Druck geschlossen werden und dann mit Hilfe einer durch Kalibrierung erhaltenen Zuordnung auf die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in dem Bereich 100 geschlossen werden.
  • In 4 ist eine Weiterbildung gezeigt, mit der die Geschwindigkeit einer Flüssigkeitsmenge bestimmt werden kann. Es bestehen zumindest zwei Teilbereiche 100, 200 unterschiedlicher Dicke d1, d2. Eine Flüssigkeitsmenge bewegt sich auf dem Teilbereich 100 größerer Breite mit einer niedrigeren Geschwindigkeit in Richtung 101, als in dem engeren Teilbereich 200 der Breite d2. Die Geschwindigkeit in diesem Bereich 200 in Richtung 102 ist nach dem Bernoullischen Gesetz höher.
  • An jeden der Teilbereiche schließt sich ein eigener lateral sich verjüngender Meßbereich 3, 300 an. Jedem dieser Meßbereiche sind jeweils zwei Interdigitaltransducer 5, 7 bzw. 50, 70 zugeordnet, um die Ausbreitung einer Flüssigkeitsmenge auf dem lateral sich verjüngenden Meßbereich 3, 300 wie oben beschrieben zu messen. Die Summe aus hydrostatischem Druck und dem Staudruck, der von der Geschwindigkeit der Flüssigkeit abhängig ist, ist in beiden Teilbereichen nach dem Bernoullischen Gesetz gleich. Durch die zwei parallelen Messungen kann durch Gleichsetzen der Summen des hydrostatischen Druckes und des Staudruckes in dem jeweiligem Teilbereich die Geschwindigkeit absolut abgeschätzt werden.
  • Die Bewegung der Flüssigkeit auf dem Aufenthaltsbereich kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden, z. B. durch Mikropumpen, durch elektrokinetische Verfahren oder auch durch Impulsübertrag einer Oberflächenwelle.
  • Selbstverständlich können auch bei diesen Ausführungsformen andere, z.B. kapazitive, resistive oder optische Einrichtungen zur Vermessung der Ausbreitungslänge der Flüssigkeit auf dem lateral sich verjüngenden Messbereich 3 vorgesehen sein. Auch die Vermessung der Ausbreitungslänge mit Hilfe getaperter Interdigitaltransducer ist möglich.
  • In allen beschriebenen Ausführungsformen sind die Größenverhältnisse nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Auch die genaue Form der einzelnen Elemente muss nicht den beschriebenen Ausführungsformen entsprechen oder der Messbereich 3 z.B. nicht vollständig in einer Spitze enden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine Flüssigkeitsmenge auf einer Festkörperoberfläche sehr genau zu bestimmen. Dabei kann die Flüssigkeitsmenge selbst oder auch der Innendruck in einem Flüssigkeitströpfchen bestimmt werden. Bei einer nachfolgenden z.B. chemischen oder physikalischen Analyse der Flüssigkeitsmenge ist also das Volumen bzw. die Menge genau bekannt, so dass quantitative Analysen problemlos möglich sind.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, den hydrostatischen Druck und/oder die Geschwindigkeit einer kleinen Flüssigkeitsmenge auf der Festkörperoberfläche zu messen.
  • Die einzelnen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich selbstverständlich auch kombinieren, um ein Gesamtsystem zu bilden. Ebenso können die einzelnen Elemente Teil eines größeren Gesamtsystems ggf. auf einem einzigen Chip sein, das neben den erfindungsgemäßen Ausführungsformen noch andere Mess- und Analyse- oder Synthesestationen im Sinne eines „Lab-on-the-chip" aufweist. Gera de zur Bewegung und Vermessung von kleinen Flüssigkeitsmengen auf derartigen integrierten Systemen sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren besonders vorteilhaft einsetzbar.

Claims (32)

  1. Vorrichtung zur Vermessung kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder deren Bewegung auf Festkörperoberflächen mit – einem Substrat mit einer Festkörperoberfläche, – mindestens einem Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) auf der Festkörperoberfläche, dessen Material derart ausgewählt ist, dass der Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) andere Benetzungseigenschaften aufweist als die umgebende Festkörperoberfläche, so daß sich die zu vermessende Flüssigkeit bevorzugt auf dem Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) aufhält, wobei der Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) einen Messbereich (3, 300) aufweist, der sich lateral verjüngt, und – mindestens einer Messeinrichtung (5, 7, 50, 70) zur Bestimmung der Ausdehnung einer Flüssigkeitsmenge (27, 29) entlang des sich verjüngenden Messbereiches (3, 300).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtung – mindestens eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung (5, 50) auf der Festkörperoberfläche, die derart angeordnet ist, dass eine damit erzeugte Oberflächenwelle seitlich auf den sich verjüngenden Messbereich (3, 300) geschickt werden kann, und – mindestens eine Oberflächenwellendetektionseinrichtung (7, 70), die derart angeordnet ist, dass sie eine von der Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung (5, 50) generierte Oberflächenwelle detektieren kann, die durch den sich verjüngenden Messbereich (3, 300) geschickt wird, umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die mindestens eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung (5, 50) und die mindestens eine Oberflächenwellendetektionseinrichtung (7, 70) Interdigitaltransducer umfassen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Interdigitaltransducer (5, 7, 50, 70) einen nicht konstanten Fingerabstand aufweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, die zur Oberflächenwellenerzeugung ein piezoelektrisches Substrat bzw. ein Substrat mit mindestens einem piezoelektrischen Bereich umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtung mindestens eine Kapazitätsmesseinrichtung zur Bestimmung der Änderung der Kapazität durch die Änderung der Menge der Flüssigkeit (27, 29) auf dem sich verjüngenden Messbereich (3, 300) umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die mindestens eine Kapazitätsmesseinrichtung zwei seitlich zu dem sich verjüngenden Messbereich (3, 300) angeordnete Elektroden zur Messung der Kapazität zwischen sich umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtung mindestens eine optische Messeinrichtung zur optischen Bestimmung der Menge von Flüssigkeit (27, 29) auf dem sich verjüngenden Messbereich (3, 300) umfasst.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtung mindestens eine resistive Messeinrichtung zur Bestimmung der Menge von Flüssigkeit (27, 29) über ihren Widerstand und/oder Leitfähigkeit auf dem sich verjüngenden Messbereich (3, 300) umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Modulation der Benetzungseigenschaften durch mindestens einen hydrophoben und mindestens einen im Vergleich dazu hydrophilen bzw. mindestens einen lipophoben und mindestens einen im Vergleich dazu lipophilen Bereich realisiert wird.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Bereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften lithographisch definiert sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Bereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften durch laterale mikro- oder nanostrukturierte Bereiche definiert sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Bereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften durch entsprechende Funktionalisierung und/oder Beschichtung definiert sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der zur Modulation der Benetzungseigenschaften zumindest ein Bereich silanisiert ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Messbereich (3, 300) eine größte Breite (4) von einigen hundert Mikrometern aufweist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Messbereich (3, 300) eine kleinste Breite (4) von einigen Nanometern aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Aufenthaltsbereich (1, 3, 100, 200, 300) einen sich an den Messbereich (3, 300) anschließenden im wesentlichen konvexen Teilbereich (1) definierter Fläche umfasst.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei dem der konvexe Teilbereich (1) im wesentlichen rund ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der der Meßbereich (3, 300) sich seitlich an einen langgestreckten Teilbereich (100, 200) des Aufenthaltsbereiches anschließt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Aufenthaltsbereich einen ersten langgestreckten Teilbereich (100) erster Breite (d1) und einen zweiten langgestreckten Teilbereich (200) zweiter Breite (d2) umfaßt, wobei sich sowohl an den ersten als auch an den zweiten Teilbereich seitlich ein lateral sich verjüngender Meßbereich (3, 300) mit jeweils zumindest einer Meßeinrichtung (5, 7; 50, 70) zur Bestimmung der Ausdehnung einer Flüssigkeitsmenge entlang des jeweiligen Meßbereiches (3, 300) anschließt.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, die mindestens eine Einrichtung zur Änderung der Temperatur umfasst.
  22. Verfahren zur Vermessung kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder deren Bewegung, bei dem die Ausbreitung einer kleinen Flüssigkeitsmenge (27, 29) auf einem Messbereich (3, 300) einer Festkörperoberfläche vermessen wird, wo bei der Messbereich (3, 300) Teil eines Aufenthaltsbereiches (1, 3, 100, 200, 300) ist, dessen Benetzungseigenschaften sich von der umgebenden Festkörperoberfläche derart unterscheiden, dass sich die Flüssigkeit (23, 25, 27, 29) bevorzugt darauf aufhält, und der Messbereich (3, 300) sich lateral verjüngt.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Dämpfung einer Oberflächenwelle, die den Messbereich (3, 300) durchläuft, gemessen wird, um daraus die vorhandene Flüssigkeitsmenge (27, 29) auf dem Messbereich (3, 300) zu bestimmen.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem eine Oberflächenwelle nur auf einen Teil des sich verjüngenden Messbereiches (3, 300) geschickt wird und aus der Stärke der Dämpfung der Oberflächenwelle auf das Vorhandensein von Flüssigkeit auf dem von der Oberflächenwelle getroffenen Bereich geschlossen wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, bei dem zur Erzeugung einer Oberflächenwelle ein Interdigitaltransducer mit nicht konstantem Fingerabstand eingesetzt wird, so dass der Abstrahlungsort der Oberflächenwelle von der Eingangsfrequenz abhängt, die an dem Interdigitaltransducer anliegt.
  26. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die auf dem sich verjüngenden Messbereich (3, 300) vorhandene Flüssigkeitsmenge (27, 29) optisch bestimmt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die sich auf dem sich verjüngenden Messbereich (3, 300) befindende Flüssigkeitsmenge (27, 29) kapazitiv bestimmt wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, bei dem das Flüssigkeitsvolumen auf mindestens einem bevorzugten Aufenthaltsbereich (1, 3) und/oder die Flussgeschwindigkeit durch mindestens einen bevorzugten Aufenthaltsbereich (100, 200) durch eine Änderung mindestens einer thermodynamischen Zustandsgröße verändert wird.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 28, bei dem aus der Ausbreitung der Flüssigkeitsmenge auf dem lateral sich verjüngenden Messbereich (3, 300) auf den hydrostatischen Druck und/oder die Geschwindigkeit einer Flüssigkeitsmenge geschlossen wird, die auf dem Ausbreitungsbereich (100, 200) an dem lateral sich verjüngenden Messbereich (3, 300) vorbeifließt.
  30. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 22 bis 29 zur Bestimmung des Drucks innerhalb einer kleinen Flüssigkeitsmenge (23, 25, 27, 29).
  31. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 22 bis 28 zur Bestimmung der Füllmenge eines Flüssigkeitstropfens (23, 25) auf dem Aufenthaltsbereich (1, 3).
  32. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder eines Verfahrens nach Anspruch 29 zur Bestimmung des hydrostatischen Drucks und/oder der Geschwindigkeit einer sich auf dem Aufenthaltsbereich (100, 200) bewegenden Flüssigkeitsmenge.
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