DE10117771A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder darin enthaltener Teilchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder darin enthaltener Teilchen, bei dem zumindest zwei Oberflächenwellen im wesentlichen gleicher Wellenlänge zur Ausbildung einer stehenden Welle gegeneinander geschickt werden, um zumindest eine Flüssigkeitsmenge und/oder darin enthaltene Teilchen im Bereich eines oder mehrerer Knoten der stehenden Welle zu konzentrieren. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder darin enthaltener Teilchen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Festkörpersubstrat mit einer Oberfläche und zumindest einem Paar von Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen auf der Oberfläche, die im wesentlichen gegeneinander gerichtete Abstrahlrichtungen aufweisen und zumindest in einem Bereich der Oberfläche Oberflächenwellen mit im wesentlichen gleicher Wellenlänge erzeugen können, wobei die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen derart angeordnet sind, daß sich bei ihrem gleichzeitigen Betrieb stehende Oberflächenwellen ausbilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder darin enthaltener Teilchen auf einer Festkörperober­ fläche, vorzugsweise eines Chips.

In der Mikroanalytik und -synthese kleiner Flüssigkeitsmengen ist es notwendig, kleine Flüssigkeitsmengen an definierte Analyse- bzw. Synthesepunkte zu bringen. Der Begriff "Flüssigkeit" umfaßt im vorliegenden Text u. a. reine Flüssigkeiten, Mi­ schungen, Dispersionen und Suspensionen, sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen befinden. Der Begriff "Teilchen" umfaßt z. B. Moleküle, Makromole­ küle, biologisches Material, Schwebstoffe, feste Stoffe, etc.

Bei der in jüngster Zeit im Blickpunkt stehenden "Lab-on-a-chip"-Technologie wer­ den z. B. kleinste Flüssigkeitsmengen an einen Analyse- oder Synthesepunkt auf einem Festkörperchip gebracht, wo dann z. B. eine chemische oder physikalische Analyse der Flüssigkeitsmenge vorgenommen wird. Solche Verfahren werden u. a. für anorganische Reagenzien oder organisches Material, wie Zellen, Moleküle, Makromoleküle oder genetische Materialien, ggf. in Pufferlösungen, eingesetzt. Da­ zu können bestimmte Bereiche des Chips zur Analyse oder Synthese funktionali­ siert worden sein, z. B. durch die Anlagerung bestimmter Oligonukleotidsequenzen. Hier sollen dann bestimmte in der Flüssigkeit befindliche Teile, z. B. zu charakteri­ sierende DNA-Stränge, mit dem funktionalisierten Bereich auf der Chipoberfläche chemisch/biologisch reagieren, z. B. eine Bindung eingehen. Bei anderen Anwen­ dungen wird an dem Analysepunkt z. B. eine optische Analyse der dort befindlichen Flüssigkeitsmenge durchgeführt.

Bei bekannten Verfahren werden dazu mikrofluide Systeme mit geätzten Kanälen eingesetzt, wie sie z. B. in Anne Y. Fu et al., Nature Biotechnology 17, Seite 1109 ff (1999) oder in O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36-38 beschrieben sind.

Zur Bewegung werden elektrokinetische Effekte oder mechanische Mikropumpen beschrieben. Zur Realisierung des Flüssigkeitstransportes sind dazu am Einlaß der Kanäle jedoch hohe Drücke und hohe Flußgeschwindigkeiten notwendig. Bei elekt­ rokinetischen Verfahren wird die zu untersuchende Flüssigkeit hohen elektrischen Feldern ausgesetzt.

Bei der "Lab-on-a-chip"-Technologie muß die Flüssigkeit mit den darin befindlichen Substanzen zunächst an den Analysepunkt bzw. den Ort des funktionalisierten Be­ reiches transportiert werden und dort ggf. die chemisch/biologische Reaktionswahr­ scheinlichkeit so groß wie möglich gemacht werden.

Bei bekannten Verfahren wird die Flüssigkeit dazu auf ein Array funktionalisierter Bereiche gebracht und gewartet, bis die Reaktion eingetreten ist, z. B. möglichst viele Bindungen eingegangen worden sind. Dies kann entweder durch Diffusion geschehen oder dadurch, daß ein Flüssigkeitsstrom über die funktionalisierten Be­ reiche unter Einsatz von mikrofluidischen Techniken geleitet wird.

Gerade bei kleinen Flüssigkeitsvolumina tritt eine Durchmischung im wesentlichen nur durch Diffusion getrieben auf. Bei typischen Array-Größen von einigen Quadratzentimetern ist dies ein sehr langsamer Prozeß. Insofern bringt das Überströmen der Festkörperoberfläche mit höherer Geschwindigkeit bereits eine Verbesserung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vor­ richtung anzugeben, mit denen eine Flüssigkeit und/oder darin enthaltene Teilchen auf einem Festkörperchip genau lokalisiert und ggf. durchmischt werden kann. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens soll möglichst kostengünstig und einfach herstellbar sein und die Lokalisierung bzw. Durchmischung auf einfache und für das Material schonende Weise realisiert werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Die Unteran­ sprüche sind auf vorteilhafte Ausführungen gerichtet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest zwei Oberflächenwellen mit im wesentlichen gleicher Wellenlänge auf der Festkörperoberfläche gegenein­ ander geschickt, so daß sich eine stehende Welle bildet, um zumindest eine Flüs­ sigkeitsmenge und/oder darin enthaltene Teilchen im Bereich eines oder mehrerer Knoten dieser stehenden Welle zu konzentrieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dazu auf der Oberfläche eines Festkör­ persubstrates, vorzugsweise eines Chips, zumindest ein Paar von Oberflächen­ wellenerzeugungseinrichtungen auf. Diese Oberflächenwellenerzeugungseinrich­ tungen sind so ausgerichtet, daß sie akustische Oberflächenwellen erzeugen, die zumindest zum Teil gegeneinander gerichtet sind. Die Oberflächenwellenerzeu­ gungseinrichtungen sind dabei derart gewählt, daß dort, wo sich die Oberflächen­ wellen der zwei Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen treffen, die Wellenlän­ gen der beiden Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen gleich sind und so an­ geordnet sind, daß sich bei ihrem Betrieb eine stehende Welle ausbildet.

Oberflächenwellen können entweder durch die mechanische Deformation der Fest­ körperoberfläche oder durch die Kraftwirkung der sie z. B. in einem piezoelektri­ schen Substrat begleitenden elektrischen Felder auf geladene oder polarisierbare Materie einen Impuls auf eine Flüssigkeit auf der Oberfläche und/oder in der Flüs­ sigkeit enthaltene Teilchen übertragen.

So kann eine Flüssigkeitsmenge und/oder darin enthaltene Teilchen, die sich im Abstrahlungsbereich der Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung befindet, be­ wegt werden. Ist nur eine Oberflächenwelle vorhanden, die sich in einer Richtung bewegt, bewegt sich die Flüssigkeitsmenge und/oder die darin enthaltenen Teil­ chen mit dieser Oberflächenwelle. Zwischen zwei gegeneinander abstrahlenden Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen mit in etwa gleicher Wellenlänge bildet sich ein Stehwellenfeld aus. Derartige Stehwellen ergeben bekannterweise orts- und zeitfeste Knoten entlang ihrer Ausbreitungsrichtung, die im Abstand der halben Wellenlänge voneinander auftreten. An diesen Knoten werden sich sowohl masse- als auch ladungsbehaftete Teilchen im Feld der Stehwelle bevorzugt aufhalten, da hier im zeitlichen Mittel ein kräftefreier Raum und damit ein Potentialminimum vor­ liegt. Das Potentialminimum ergibt sich dabei aus den Minima im mechanischen und/oder elektrischen Potential. Alle relevanten Teilchen in der Flüssigkeit sind da­ bei in der Regel zu träge, dem Feld der akustischen Oberflächenwelle instantan zu folgen und verbleiben daher im Bereich der Knoten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, daß eine Flüssig­ keitsmenge insgesamt von der Oberflächenwelle bewegt bzw. in den Knoten der Stehwelle lokalisiert wird. Ebenso kann eine Flüssigkeitsmenge sich in einem grö­ ßeren Bereich über mehrere Knoten verteilen und hauptsächlich die darin enthalte­ nen ggf. ladungsbehafteten Teilchen werden durch das mechanische und/oder elektrische Potential beeinflußt. Bei geladenen bzw. polarisierbaren Teilchen in ei­ ner ansonsten neutralen Flüssigkeit wirkt das elektrische Potential, das in einem piezoelektrischen Kristall eine Oberflächenwelle begleitet, hauptsächlich auf diese Teilchen.

Bei einer größenordnungsmäßigen Ausdehnung der Flüssigkeitsmenge kleiner als die halbe Wellenlänge der Oberflächenschallwellen wird sich im allgemeinen die gesamte Flüssigkeitsmenge im Stehwellenfeld bewegen. Bei größeren Flüssig­ keitsmengen mit einer Ausdehnung größer als die halbe Wellenlänge bewegen sich mehrheitlich nur die Teilchen innerhalb der Flüssigkeitsmenge.

Mit zwei Oberflächenwellen, die gegeneinander laufen, kann eine Beschränkung der Bewegung in einer Raumrichtung erzeugt werden. Durch Einsatz mehrerer Oberflächenwellenpaare dieser Art, die in verschiedene Richtungen laufen, kann auch eine Beschränkung in mehreren Raumrichtungen erreicht werden. Dazu sind z. B. mehrere Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen paarweise vorgesehen, die um einen aktiven Bereich der Festkörperoberfläche angeordnet sind.

Eine Festkörperoberfläche kann auch eine größere Anzahl von Oberflächenwellen­ erzeugungseinrichtungen umfassen, die für verschiedene Wellenlängen zuständig sind. Je nach gewünschtem Knotenabstand werden die entsprechenden Paare zur Erzeugung der Stehwelle eingesetzt. Auf diese Weise können Flüssigkeitsmengen bzw. Teilchenanhäufungen in verschiedenen Abständen auf der Festkörperoberflä­ che realisiert werden.

Die erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort der Knoten der Stehwelle bewirkt eine akustisch getriebene Durchmischung der in den Knotenlinien der Stehwelle gefangenen Flüssigkeit und der darin ggf. befindlichen Teilchen. Die Reaktionsge­ schwindigkeit von verschiedenen Bestandteilen in der Flüssigkeit bzw. die Reakti­ onsgeschwindigkeit mit entsprechend funktionalisierten Oberflächenbereichen wird auf diese Weise gegenüber rein diffusiver Durchmischung ohne die erfindungsge­ mäße lokale Anreicherung stark erhöht.

Akustische Oberflächenschallwellen lassen sich auf piezoelektrischen Substraten oder Substraten mit piezoelektrischen Bereichen, z. B. piezoelektrischen Be­ schichtungen, erzeugen. Dabei ist es ausreichend, wenn das Substrat bzw. die ent­ sprechende Beschichtung nur in dem Bereich vorliegt, in dem sich die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung befindet. Die Oberflächenschallwelle breitet sich auch außerhalb des piezoelektrischen Bereiches aus.

Zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen werden vorteilhaft an sich bekannte Interdigitaltransducer eingesetzt. Ein solcher Interdigitaltransducer hat zwei Elekt­ roden, die fingerartig ineinander greifen. Der Fingerabstand ist z. B. in der Größen­ ordnung von Mikrometern. Durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes, z. B. in der Größenordnung von einigen MHz bis einigen 100 MHz wird in einem piezoelektrischen Substrat bzw. in einem piezoelektrischen Bereich des Substrates eine Oberflächenschallwelle angeregt. Die Kristalldeformation hat die räumliche Periodizität des interdigitalen Wandlers und die zeitliche Periodizität der hochfre­ quenten Wechselspannung. Sofern das angelegte hochfrequente Wechselspan­ nungssignal mit der Oberflächenschallgeschwindigkeit des betreffenden Substrates in Resonanz gebracht wird, wird sich die akustische Oberflächenschallwelle senk­ recht zur Achse des Interdigitaltransducers ausbreiten. In Resonanz ist die Fre­ quenz gleich dem Quotienten aus Oberflächenschallgeschwindigkeit und Fingerab­ stand. Mit Hilfe eines solchen Interdigitaltransducers läßt sich also auf sehr einfa­ che Weise eine sehr definierte Oberflächenschallwelle erzeugen. Selbstverständ­ lich sind auch andere Interdigitaltransducergeometrien möglich, wie sie z. B. aus der Oberflächenwellenfiltertechnologie bekannt sind. Die Herstellung des Interdigi­ taltransducers ist mit bekannten lithographischen Verfahren und Beschichtungs­ technologien kostengünstig und einfach. Interdigitaltransducer lassen sich z. B. durch Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes in eine mit dem In­ terdigitaltransducer verbundene Antenneneinrichtung auch drahtlos ansteuern. Ebenso können die Interdigitaltransducer auch über Leiterbahnen auf der Chip­ oberfläche kontaktiert werden.

Werden zwei Interdigitaltransducer mit im wesentlichen parallel ausgerichteten Fingerelektroden auf einer Festkörperoberfläche angeordnet, so daß ihre Abstrahl­ richtungen zumindest in einem Bereich gegeneinander gerichtet sind, so wird sich zwischen ihnen eine Stehwelle mit den oben angegebenen Wirkungen ausbilden.

Die Lage der Knotenlinien kann man durch Änderung der relativen Phase zwischen den gegeneinander laufenden Oberflächenschallwellen in für stehende Wellen be­ kannter Weise sehr definiert und langsam verschieben. So lassen sich z. B. ver­ schiedene Reaktionen und Analysen an verschiedenen Reaktions- bzw. Analyse­ punkten nacheinander durchführen.

Die oben angegebene Resonanz zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen hat in bekannter Weise eine gewisse Breite im Frequenzraum. Innerhalb dieses Fre­ quenzintervalles läßt sich durch leichte Verstimmung der Frequenzen z. B. der an­ liegenden Wechselfelder eine Schwebung erzeugen, mit der die Knotenlinien ge­ zielt über die Festkörperoberfläche verschoben werden können. Auf diese Weise läßt sich ebenfalls der Bereich, in dem die Flüssigkeit bzw. die darin enthaltenen Teilchen durch die Stehwelle konzentriert wird, über die Oberfläche verschieben.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Flüssigkeit bzw. die Bewegung darin enthaltener Teilchen auf der Fest­ körperoberfläche in eine oder mehrere Raumrichtungen in ihrer Bewegung einge­ schränkt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zumindest in dem Bereich zwischen den Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen ein Aufenthalts­ bereich definiert ist, auf dem sich die Flüssigkeit bevorzugt aufhält.

Ein solcher Aufenthaltsbereich kann z. B. bei einer vorteilhaften Ausgestaltung da­ durch gebildet sein, daß er andere Oberflächenbenetzungseigenschaften aufweist als die umgebende Festkörperoberfläche. Die Benetzungseigenschaften werden dabei so gewählt, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt auf dem so definierten Aufent­ haltsbereich aufhält. Die unterschiedlichen Benetzungseigenschaften lassen sich z. B. durch eine entsprechende Beschichtung realisieren. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß trotz des eingegrenzten Aufenthaltsbereiches der Flüssigkeit, der durch diese Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht wird, keinerlei Gräben, Ecken oder Kanten notwendig sind, an denen die Flüssigkeit hängen bleiben könnte.

Die Modulation der Benetzungseigenschaften kann z. B. durch die Definition hydrophiler bzw. hydrophober Bereiche erreicht werden. Bei der Manipulation von wäßrigen Lösungen wird der bevorzugte Aufenthaltsbereich z. B. so gewählt, daß er hydrophiler ist, als die umgebende Festkörperoberfläche. 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 Erfindung durch eine silani­ sierte Oberfläche realisiert werden.

Je nach Anwendung kann die den Aufenthaltsbereich umgebende Festkörperober­ fläche auch hydrophil, lipophob oder lipophil im Vergleich zur Oberfläche des Auf­ enthaltsbereiches gewählt werden. Zur Manipulation von nicht-wäßrigen Lösungen kann es z. B. vorteilhaft sein, wenn der bevorzugte Aufenthaltsbereich lipophil im Vergleich zur Umgebung ist.

Die Definition des bevorzugten Aufenthaltsbereiches kann auch durch eine flache Ätzung der Oberfläche erfolgen bzw. unterstützt werden, wobei die Ätztiefe klein gegenüber den lateralen Ausmaßen des Aufenthaltsbereiches ist. Zusätzlich kann z. B. im Fall einer wäßrigen Lösung die den bevorzugten Aufenthaltsbereich umge­ bende Oberfläche hydrophob beschichtet sein und die Oberfläche im Bereich des Aufenthaltsbereiches selbst einige Nanometer bis einige Mikrometer geätzt sein. Auf diese Weise ist der Kontrast bezüglich des Benetzungswinkels erhöht. Den­ noch 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 Kanales auftreten würden. Die Benetzungseigenschaften können weiterhin durch Mikrostrukturierung modu­ liert werden, wie es beim sogenannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf der unter­ schiedlichen Rauhigkeit der Oberfläche beruht. Diese kann z. B. durch Mikrostruk­ turierung der entsprechenden Oberflächenbereiche erhalten werden, z. B. durch chemische Behandlung oder Ionenbestrahlung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung kann eine Flüssigkeit und/oder darin enthaltene Teilchen in den Knotenlinien der Stehwelle lokalisiert werden. Durch die Einwirkung der stehenden Oberflä­ chenwelle wird zusätzlich auch eine Durchmischung erreicht. Eine Reaktion kann dadurch gefördert werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung sind Be­ reiche der Oberfläche funktionalisiert, so daß dort eine chemische oder biologische Reaktion stattfinden kann.

Bei einer Weiterbildung befindet sich eine Vielzahl von Aktionsbereichen auf der Festkörperoberfläche. Diese Aktionsbereiche haben in Richtung der gegeneinander laufenden Oberflächenwellen einen Abstand zueinander, der ein Vielfaches der halben Wellenlänge der Oberflächenwellen beträgt, die mit den Oberflächenwellen­ erzeugungseinrichtungen erzeugt werden können.

Mit der stehenden Oberflächenwelle lassen sich Knoten dann direkt an diesen Aktionsbereichen erzeugen.

Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung können vorteilhaft zur Analyse z. B. von Makromolekülen eingesetzt werden. Auf den verschiedenen Aktionsberei­ chen können verschiedene Arten erster Makromoleküle angeordnet werden. Flüs­ sigkeit mit einer anderen Art von Makromolekülen wird auf die Oberfläche gebracht und mit Hilfe der Stehwellen der Oberflächenwellen in die Aktionsbereiche ge­ bracht. Dieser Vorgang ist sehr schnell durchführbar und nicht durch die Diffusion in der Geschwindigkeit begrenzt. Wird die Flüssigkeit nach der Reaktionszeit wieder entfernt, bleiben Makromoleküle aus der Flüssigkeit nur dort zurück, wo die ersten Makromoleküle mit den Makromolekülen in der Flüssigkeit eine Reaktion eingegan­ gen sind. Auf diese Weise läßt sich feststellen, mit welchen der ersten Makromole­ küle die zweiten Makromoleküle eine Bindung eingegangen sind. Dies kann z. B. durch eine optische Analyse erfolgen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch besonders zum DNA-Screening (Desoxyribonukleinsäure-Screening).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch die Bindungsstärke von in den Aktionsbereichen gebundenem Material untersucht werden. Mit Hilfe des mechanischen Potentiales und/oder des elektri­ schen Potentiales, das die mechanische Deformation einer Oberflächenschallwelle in einem piezoelektrischen Substratmaterial begleitet, wird eine mechanische bzw. elektrische Kraft auf gebundene Makromoleküle ausgeübt. Durch Veränderung der Amplitude der Oberflächenschallwelle läßt sich feststellen, bei welcher äußeren Kraft die Bindung aufbricht. Bei einer entsprechenden Analyse kann die Amplitude der Oberflächenschallwellen erhöht werden und gleichzeitig, z. B. durch eine Fluo­ reszenzmessung in bekannter Weise die Anwesenheit von Makromolekülen an ei­ nem bestimmten Ort des Chips untersucht werden. Übersteigt die Amplitude einen Grenzwert, bricht die Bindung auseinander und das entsprechende Meßsignal än­ dert sich.

Die Untersuchung der Flüssigkeit bzw. darin enthaltener Teilchen oder Makromole­ küle kann bei den erfindungsgemäßen Verfahren ohne weitere Berührung der Flüs­ sigkeit mit Ausnahme der Oberfläche erfolgen und ist so sehr schonend. Es müs­ sen z. B. keine Elektroden in die Flüssigkeit eingebracht werden. Ebenso entfallen Gegenelektroden, die z. B. zum Anlegen eines elektrostatischen Potentiales an die Flüssigkeit ansonsten notwendig wären. Insofern ist die Herstellung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung einfach und kostengünstig.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist im Bereich der Aktionsbereiche eine Heizeinrichtung vor­ gesehen, die eine zusätzliche Erhitzung der auf den Aktionsbereichen befindlichen Flüssigkeit erlaubt, um z. B. die Reaktionsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Flüssigkeit und/oder die darin enthaltenen Teilchen auch zwischen verschiedenen Aktionsbereichen hin und her bewegen, indem die Knoten der sich ausbildenden Stehwelle in der zuvor be­ schriebenen Weise verschoben werden. Es können also z. B. Aktionsbereiche auf verschiedene Weise funktionalisiert werden oder für verschiedene Analysen vorbereitet sein. Eine Flüssigkeitsmenge bzw. Teilchen in einer Flüssigkeitsmenge kön­ nen von einem Analysepunkt zum anderen bewegt werden, um so nacheinander verschiedene Analysen durchführen zu können.

Sowohl bei einer Ausgestaltung mit einem Aufenthaltsbereich als auch bei einer Ausgestaltung mit einem Aktionsbereich oder einer Kombination davon lassen sich die entsprechenden Bereiche auf einfache und kostengünstige Weise mit bekann­ ten lithographischen Verfahren und Beschichtungstechnologien erzeugen.

Die gesamte Vorrichtung kann einfach oder mehrfach auf eine Chipoberfläche auf­ gebracht werden. Sie kann Bestandteil einer Anordnung von verschiedenen Analy­ se- und Synthesevorrichtungen sein, die auf derselben Chipoberfläche angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich ein "lab-on-a-chip" realisieren.

Die Flüssigkeit kann z. B. mit Pipettiergeräten zwischen die Oberflächenwellener­ zeugungseinrichtungen gebracht werden. Ebenso kann auch eine Oberflächenwelle eingesetzt werden, um durch Impulsübertrag die Flüssigkeit in den Bereich zwi­ schen den beiden erfindungsgemäßen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen zu bringen. Um diesen Vorgang sicher zu gestalten, kann eine "Zuleitung" vorgese­ hen sein, die in ähnlicher Weise wie der Aufenthaltsbereich der oben geschilderten bevorzugten Ausführungsform andere Benetzungseigenschaften aufweist als die umgebende Festkörperoberfläche. Mit Hilfe einer Oberflächenwelle kann dann die Flüssigkeit entlang dieser Zuleitung in den Bereich zwischen den erfindungsgemä­ ßen Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen gebracht werden.

Die Erfindung ist nicht auf einzelne freie Festkörperoberflächen beschränkt. Ebenso kann die Erfindung in Anordnungen realisiert werden, bei denen sich zwei Festkör­ peroberflächen gegenüberstehen, zwischen denen sich eine Flüssigkeitsmenge befindet. Bei einer solchen Ausgestaltung können sich die Oberflächenwellener­ zeugungseinrichtungen auf einer der beiden Oberflächen befinden. Auf der anderen Oberfläche kann z. B. der bevorzugte Aufenthaltsbereich angeordnet sein. Mit einer solchen Anordnung sind ebenso die erfindungsgemäßen vorteilhaften Effekte zu erreichen, wenn die kleine Flüssigkeitsmenge sich mit beiden Oberflächen in Be­ rührung befindet. Bei einer solchen Anordnung können die Präparationsschritte zur Herstellung der Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung und/oder des bevorzug­ ten Aufenthaltsbereiches unabhängig voneinander durchgeführt werden, bevor die Oberflächen gegenüber voneinander angeordnet werden.

Der notwendige Abstand der Oberflächen bestimmt sich aus der Flüssigkeitsmenge und kann z. B. vergleichbar zu der lateralen Ausdehnung eines Aufenthaltsberei­ ches sein.

Die Erfindung wird nun anhand der anliegenden Figuren und der darin gezeigten Ausgestaltungen im Detail näher erläutert. Die Figuren sind schematischer Natur und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm zur Stehwellenerzeugung, und

Fig. 3 einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Draufsicht wäh­ rend der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 bezeichnet 17 einen bevorzugten Aufenthaltsbereich. Dieser Aufenthalts­ bereich hat andere Benetzungseigenschaften als die umgebende Festkörperober­ fläche. Die Festkörperoberfläche ist z. B. die Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalles, z. B. Lithiumniobat, alternativ kann es sich um einen Festkörper handeln, auf dem eine piezoelektrische Beschichtung, z. B. Zinkoxid, aufgebracht ist.

Die Festkörperoberfläche ist in der Umgebung des bevorzugten Aufenthaltsberei­ ches 17 silanisiert und damit hydrophob. Eine wässrige Flüssigkeit wird sich bevor­ zugt dementsprechend auf dem im Vergleich dazu hydrophilen Bereich 17 aufhal­ ten.

21 bezeichnet einen Bereich, dessen Benetzungseigenschaften denen des Aufent­ haltsbereiches 17 gleichen. 21 stellt dabei schematisch eine "Zuleitung" dar, über die die Flüssigkeit in den Aufenthaltsbereich 17 gebracht werden kann. 22 bezeich­ net analog einen Abfluß.

Auf dem Aufenthaltsbereich 17 befinden sich Aktionsbereiche 19 in ggf. großer Zahl. Diese Aktionsbereiche 19 sind chemisch bzw. physikalisch funktionalisiert, so daß dort eine Reaktion mit einer Flüssigkeit bzw. den darin enthaltenen Materialien bevorzugt stattfinden kann.

1 bzw. 3 bezeichnen Interdigitaltransducer mit ineinander greifenden Fingerelektro­ den 5 bzw. 7, die über Zuleitungselektroden 9, 11 bzw. 13, 15 mit einem elektri­ schen Wechselfeld gespeist werden können. Der Abstand der Fingerelektroden beträgt d. Der Abstand der Interdigitaltransducer ist in der Figur mit D bezeichnet. Bei Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an die Interdigitaltransducer 1 bzw. 3 wird senkrecht zu den Fingerelektroden eine Oberflächenschallwelle erzeugt. U. a. entstehen also Ausbreitungsvektoren in Richtung 2 bzw. 4.

Der Abstand der Aktionsbereiche 19 ist ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der mit den Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen 1 bzw. 3 er­ zeugbaren Oberflächenwellen. Der Abstand der Aktionsbereiche 19 ist also kom­ mensurabel mit der Wellenlänge. Insofern sind auch die Interdigitaltransducer im Vergleich zum zentralen Teil der Figur nicht maßstabsgetreu dargestellt.

In Fig. 2 ist ein Diagramm gezeigt, in dem die Amplitude der Oberflächenwellen gegen den Ort X zwischen den Interdigitaltransducern aufgetragen ist. 23 bzw. 25 bezeichnen dabei beispielhaft den Amplitudenverlauf der Oberflächenschallwelle, die von den Interdigitaltransducern 1 bzw. 3 erzeugt werden. Die Interdigitaltrans­ ducer haben gleichen Fingerabstand und erzeugen damit Oberflächenwellen glei­ cher Wellenlänge λ. Es entsteht bei gegeneinander laufenden Oberflächenwellen eine stehende Welle mit einem Knotenabstand von λ/2. Die Knotenbereiche sind in Fig. 2 mit 27 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt dabei die mechanischen Auslenkungen der Oberfläche bzw. das re­ sultierende elektrische Potential, falls das Substrat in dem gezeigten Bereich pie­ zoelektrisch ist. Masse- bzw. ladungsbehaftete Teilchen werden sich in den Kno­ tenbereichen der Stehwelle bevorzugt aufhalten, da hier im zeitlichen Mittel ein kräftefreier Raum und damit ein Potentialminimum vorliegt.

Wird die Stehwelle so eingestellt, daß sich die Knotenlinien im Bereich der Aktions­ bereiche 19 befinden, entsteht ein Zustand, wie er in Fig. 3 angedeutet ist. Die Flüssigkeit und/oder die darin enthaltenen Teilchen 29 werden sich bevorzugt in den Aktionsbereichen 19 aufhalten.

Die erhöhte Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort der Aktionsbereiche 19 führt zu einer lokal angereicherten Lösung. Durch die mechanische Deformation werden die in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen in die Knotenlinienbereiche der Stehwelle getrieben. Bei geladenen Teilchen in einer Flüssigkeit wirkt das elektrische Feld, das in einem piezoelektrischen Substrat durch die Oberflächenwellenerzeugung generiert wird, zusätzlich dahingehend, daß die geladenen Teilchen innerhalb der Flüssigkeit zu den Knotenlinien getrieben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie folgt durchgeführt werden.

Die Aktionsbereiche 19 werden chemisch bzw. physikalisch funktionalisiert. Dazu können z. B. entsprechende Makromoleküle, z. B. DNA-Stränge (Desoxyribonuk­ leinsäurestränge) unterschiedlicher Art, an unterschiedlichen Aktionsbereichen 19 aufgebracht werden.

Über die "Zuleitung" 21 wird eine Flüssigkeit mit darin enthaltenen Teilchen, z. B. anderen Makromolekülen oder Sequenzen, zum Aufenthaltsbereich 17 gebracht.

Dazu wird in hier nicht näher interessierender Weise die Flüssigkeit mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenwelle entlang der Zuleitung 21 z. B. aus einem Reservoir in Richtung des Aufenthaltsbereiches 17 getrieben. Ein solches Reser­ voir kann z. B. ebenfalls ein durch Modulation der Benetzungseigenschaften er­ zeugter Oberflächenbereich sein.

Befindet sich die Flüssigkeit mit den darin enthaltenen Teilchen auf dem Aufent­ haltsbereich 17, wird ein elektrisches Wechselfeld an die beiden Interdigitaltransdu­ cer 1 bzw. 3 angelegt. Die Frequenz ist dabei etwa in der Größenordnung von ei­ nem bis einigen 100 MHz. Die dadurch entstehenden Oberflächenwellen laufen in Richtung 2 bzw. 4 gegeneinander und erzeugen ein Stehwellenfeld. Durch Einstel­ lung der relativen Phase zwischen den gegeneinander laufenden Oberflächenwel­ len, was durch Einstellen der Phasenlage der angelegten Wechselfelder zueinan­ der erreicht werden kann, lassen sich die Knoten der Stehwelle derart verschieben, daß sie mit den Aktionsbereichen 19 zur Deckung kommen. Die in der Flüssigkeit enthaltenen Teilchen werden in beschriebener Weise dann in den Knotenlinien des Stehwellenfeldes bzw. den Aktionsbereichen 19 angereichert. Die Teilchen gelan­ gen also sehr schnell zu den Aktionsbereichen 19, ohne daß die Geschwindigkeit durch die Diffusion begrenzt wäre. An den Aktionsbereichen 19 wird durch die Ein­ wirkung der Oberflächenwelle zusätzlich ein Durchmischungseffekt erzielt. Insge­ samt läßt sich also die Reaktions- bzw. Experimentzeit stark verringern.

Bei anderen Ausführungsformen sind die Aktionsbereiche dadurch definiert, daß dort z. B. eine optische Analyse der Flüssigkeit bzw. der darin enthaltenen Teilchen durchgeführt werden kann.

Durch Variation der relativen Phasenlage der beiden akustischen Oberflächen­ schallwellen oder durch leichte Veränderung deren Frequenz ist es darüber hinaus möglich, die Position der Knotenlinien relativ zur Chipoberfläche gezielt zu verän­ dern und damit die Streifen akkumulierter Teilchen in den Knotenlinien von einem funktionalisierten Bereich 19 in den nächsten zu schieben. Ein Abschalten einer oder beider Oberflächenschallwellen führt wieder zu einer Durchmischung der Teilchen über dem gesamten Aufenthaltsbereich 17, so daß man die Beladung der funktionalisierten Bereiche 19 auch zyklisch wiederholen kann.

Bei einer abweichenden, in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform werden mehrere sogenannte "getaperte" Interdigitaltransducer eingesetzt, deren Fingerab­ stand nicht konstant ist. Die Resonanzbedingung wird bei vorgegebener Frequenz dann nur in einem kleinen Bereich der ineinandergreifenden Finger erfüllt. Dadurch wird die Breite des Schallpfades der Oberflächenwelle begrenzt, und es ist auch eine Ansteuerung eines Bereiches der Festkörperoberfläche kleiner Breite möglich.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also möglich, die Reaktionszeiten und Analysezeiten signifikant zu verkürzen, da keine Beschränkung mehr auf diffusionsbestimmte Geschwindigkeiten vorliegt. Zusätzlich wird die Reaktion durch die Einwirkung der stehenden Oberflächen­ schallwelle gefördert. Die zu untersuchende Materie läßt sich gezielt durch Einstel­ len der Phasenlage auf der Oberfläche verschieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden keine hohen elektrischen Felder, wie z. B. bei elektrokinetischen bzw. elektroosmotischen Verfahren benötigt. Die Oberfläche des Festkörpers ist im wesentlichen planar und stellt dementsprechend keine Hindernisse in Form von Gräben oder Barrieren dar. Die Einwirkung der Oberflächenschallwellen führt inhä­ rent zudem noch zu einer Reinigung der Oberflächen.

Claims (20)

1. Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder Teilchen in­ nerhalb einer kleinen Flüssigkeitsmenge auf einer Festkörperoberfläche, vor­ zugsweise eines Chips, bei dem zumindest zwei Oberflächenwellen im we­ sentlichen gleicher Wellenlänge (λ) zur Ausbildung einer stehenden Welle ge­ geneinander geschickt werden, um zumindest eine Flüssigkeitsmenge und/oder darin enthaltene Teilchen im Bereich eines oder mehrerer Knoten (27) der stehenden Welle zu konzentrieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Phasen und/oder die Frequenz der gegeneinander laufenden Oberflächenwellen zur Veränderung der Lage der Knoten (27) gegeneinander verstellt werden, um die Flüssigkeitsmenge und/oder darin enthaltene Teilchen zu verschieben.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zur Erzeugung der Oberflächenwellen Interdigitaltransducer (1, 3) eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Flüssigkeit in einen Oberflächenbereich (17) zwischen Erzeugungseinrichtungen (1, 3) für die Oberflächenwellen gebracht wird, der andere Benetzungseigenschaften auf­ weist als die ihn umgebende Oberfläche, wobei die Benetzungseigenschaften dieses Oberflächenbereiches (17) derart gewählt sind, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt darauf aufhält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Phasenlage der gegeneinander laufenden Oberflächenwellen derart eingestellt wird, daß sich zumindest eine der Knotenlinien einer durch die Oberflächenwellen erzeugten Stehwelle im Bereich von chemisch, physikalisch und/oder biologisch funktio­ nalisierten Oberflächenbereichen (19) befindet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Phasenlage der gegeneinander laufenden Oberflächenwellen derart eingestellt wird, daß sich zumindest eine der Knotenlinien einer durch die Oberflächenwellen erzeugten Stehwelle im Wirkungsbereich einer Heizeinrichtung befindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bzw. 6, bei dem funktionalisierte Be­ reiche (19) bzw. Wirkungsbereiche von Heizeinrichtungen in einem Abstand voneinander vorgesehen sind, der einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (λ) der verwendeten Oberflächenwellen entspricht.

8. Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen und/oder darin ent­ haltenen Teilchen zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit

• - einem Festkörpersubstrat, vorzugsweise einem Chip, mit einer Oberfläche, und
• - zumindest einem Paar von Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen (1, 3) auf der Oberfläche, die im wesentlichen gegeneinander gerichtete Abstrahlrichtungen (2, 4) aufweisen und zumindest in einem Bereich der Oberfläche Oberflächenwellen mit im wesentlichen gleicher Wellenlänge (λ) erzeugen können, wobei die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtun­ gen (1, 3) derart angeordnet sind, daß sich bei ihrem gleichzeitigen Betrieb stehende Oberflächenwellen ausbilden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die zur Oberflächenwellenerzeugung ein piezo­ elektrisches Festkörpersubstrat bzw. ein Substrat mit mindestens einem pie­ zoelektrischen Bereich umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der das Paar von Ober­ flächenwellenerzeugungseinrichtungen Interdigitaltransducer (1, 3) umfaßt, wobei die Fingerabstände (d) der Interdigitaltransducer (1, 3) zumindest im gegenüberliegenden Bereich gleich sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, mit Interdigitaltransducern, die jeweils einen nicht-konstanten Fingerabstand aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11 mit einer Einrichtung zum Anlegen von elektrischen Wechselfeldern an die Elektroden (9, 11; 13, 15) der Interdigitaltransducer (1, 3), wobei die Phasen des an die Interdigitaltransdu­ cer jeweils angelegten Feldes relativ zueinander einstellbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 mit einem Aufenthaltsbereich (17) für die Flüssigkeitsmenge, der zumindest teilweise zwischen den Ober­ flächenwellenerzeugungseinrichtungen (1, 3) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Aufenthaltsbereich (17) und die ihn umgebende Festkörperoberfläche derart unterschiedliche Benetzungseigen­ schaften aufweisen, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt auf dem Aufenthalts­ bereich (17) aufhält.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Umgebung des Aufenthaltsberei­ ches (17) zur Erzeugung einer hydrophoben Oberfläche silanisiert ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Aufenthaltsbereich (17) durch Mik­ rostrukturierung der Oberfläche entstanden ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16 mit zumindest einem Aktions­ bereich (19) zwischen den Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen (1, 3), zur Durchführung eines chemischen, biologischen und/oder physikalischen Prozesses.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17 mit einer Vielzahl von Aktionsbereichen (19), die sich mit einem Abstand untereinander zwischen den Oberflächenwellener­ zeugungseinrichtungen (1, 3) befinden, der einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (λ) der Oberflächenwellen entspricht, die mit den Oberflächenwellenerzeugungseinrichtungen (1, 3) erzeugbar sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei der zumindest ein Ak­ tionsbereich (19) eine Heizeinrichtung umfaßt.

20. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19 zur Analyse bzw. Synthese von biologischem Material, das in einer Flüssigkeit enthalten ist.