DE102005000834B4 - Method and device for metering and mixing small quantities of liquid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum integrierten Dosieren und Durchmischen kleiner Flüssigkeitsmengen mit einem Volumen von bis zu 1 ml, bei dem wenigstens ein Dosierreservoir mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur mit einem Reaktionsreservoir in Verbindung steht, wobei die wenigstens eine Verbindungsstruktur derart ausgestaltet ist, dass der Eintritt der ersten Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir zunächst verhindert wird, und das Reaktionsreservoir mit einer zweiten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, so dass die zweite Flüssigkeit an der Verbindungsstruktur mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt. In der Flüssigkeit zumindest in bzw. auf dem Reaktionsreservoir wird ein Strömungsmuster zur Durchmischung der Flüssigkeiten erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung und einen Apparat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine Verwendung.The invention relates to a method for the integrated metering and mixing of small amounts of liquid with a volume of up to 1 ml, in which at least one metering reservoir is completely filled with a first liquid which communicates with a reaction reservoir via at least one connecting structure, wherein the at least one Connection structure is designed such that the entry of the first liquid is initially prevented in the reaction reservoir, and the reaction reservoir is completely filled with a second liquid, so that the second liquid at the connection structure with the first liquid in communication. In the liquid at least in or on the reaction reservoir, a flow pattern for mixing the liquids is generated. The invention further relates to a device and an apparatus for carrying out the method according to the invention and a use.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung und Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen, eine Vorrichtung und einen Apparat zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung.The The invention relates to a method for metering and mixing small amounts of liquid, an apparatus and an apparatus for carrying out the method and a Use.
Diagnostische Assays, insbesondere im Bereich der klinischen Chemie und Immunochemie werden heutzutage zum großen Teil automatisiert durchgeführt. In den entsprechenden Automaten werden definierte Volumina von Probenflüssigkeit und Reagenzien in eine Küvette oder in die Vertiefung einer Mikrotiterplatte pipettiert und vermischt. Anschließend wird eine erste Referenzmessung durchgeführt, bei der zum Beispiel die optische Transmission durch die Küvette bestimmt wird. Nach einer gewissen Reaktionszeit zwischen Probe und Reagenzien wird eine zweite Messung des gleichen Parameters vorgenommen. Durch den Vergleich der beiden Messwerte ergibt sich die Konzentration der Probe bezüglich eines bestimmten Inhaltsstoffes oder auch nur das Vorhandensein des Inhaltsstoffes. Typische Volumina liegen in Summe bei einigen hundert Mikrolitern, wobei notwendige Mischungsverhältnisse von Probe zu Reagenz zwischen 1:100 und 100:1 vorkommen können. Gegebenenfalls können auch mehrere Reagenzien zur Mischung mit einer Probe vorgesehen sein. Neben den eben beschriebenen Instrumenten für hohen Durchsatz, die typischerweise in speziellen Labors zu finden sind, gibt es auch Bestrebungen, Assays dezentral und ohne großen instrumentellen Aufwand durchzuführen. Dabei wäre es wünschenswert, wenn die in jüngster Zeit vorgestellte "Lab-on-a-Chip"-Technologie eingesetzt werden könnte, bei der die Prozessierung von Flüssigkeiten auf bzw. in einem Chip integriert durch geführt werden kann. Assayzeiten von weniger als einer Stunde sind wünschenswert.diagnostic Assays, in particular in the field of clinical chemistry and immunochemistry become big these days Part done automatically. In the corresponding machines are defined volumes of sample liquid and reagents in a cuvette or pipetted into the well of a microtiter plate and mixed. Subsequently a first reference measurement is carried out, in which, for example, the optical transmission through the cuvette is determined. After a certain reaction time between sample and reagents becomes a second Measurement of the same parameter made. By comparison The two measured values result in the concentration of the sample with respect to one certain ingredient or just the presence of the ingredient. Typical volumes are a few hundred microliters in total, where necessary mixing ratios from sample to reagent between 1: 100 and 100: 1. Possibly can also provided several reagents for mixing with a sample be. In addition to the instruments just described for high Throughput, typically found in specialized laboratories, There are also efforts, assays decentralized and without major instrumental To carry out effort. It would be desirable, if the most recent Time introduced "lab-on-a-chip" technology could be in the processing of liquids can be integrated on or integrated in a chip. assay times less than an hour are desirable.
Zur Bewegung der Flüssigkeiten werden dabei zum Beispiel mikrofluidische Systeme verwendet, in denen Flüssigkeit durch elektro-osmotische Potentiale bewegt wird, siehe zum Beispiel Anne Y. Fu, et al. "A micro fabricated fluorescence-activated cell sorter", Nature Biotechnology, Vol. 17, November 1999, S. 1109 – 1111to Movement of liquids For example, microfluidic systems are used here, in which liquid is moved by electro-osmotic potentials, see for example Anne Y. Fu, et al. "A micro fabricated fluorescence-activated cell sorter ", Nature Biotechnology, Vol. 17, November 1999, p. 1109-1111
Ein
Verfahren zur Flüssigkeitsdurchmischung
im Mikroliterbereich ist in
Gemäß einem
in
Problematisch ist insbesondere die Integration von Dosierung und Mischung von Probe und Reagenzien in einem kostengünstigen Lab-on-the-chip-System. Eine homogene Durchmischung unterschiedlicher derart kleiner Flüssigkeitsmengen ist schwierig zu realisieren.Problematic is in particular the integration of dosage and mixture of Sample and reagents in a low-cost lab-on-the-chip system. A homogeneous mixing of different such small amounts of liquid is difficult to realize.
Zur
Dosierung ist es notwendig, Volumina der Flüssigkeitsmengen genau zu definieren.
Dies ist zum Beispiel geometrisch durchführbar. So können zum Beispiel in einem
offenen System die Benetzungseigenschaften der Oberfläche ein
Volumen bestimmen, wie es in
Andere Ansätze benutzen Kanäle von definiertem Querschnitt, die mit Flüssigkeit kapillar befüllt werden. Ist die Flüssigkeit eine wässrige Lösung, so ist am Kanalende eine hydrophobe Barriere angebracht, die sich nicht kapillar befüllen lässt. Weiterhin gibt es an diesem Kanal einen seitlichen Abzweig mit einer ebenfalls hydrophoben Oberfläche, die sich nicht kapillar befüllen lässt. Querschnitt und Länge des Kanals zwischen der hydrophoben Barriere und dem hydrophoben Abzweig bestimmen nun ein Volumen, das durch pneumatischen Druck durch den Abzweig definiert abgetrennt und bewegt werden kann (Burns et al., An integrated nanoliter DNA analysis device, Science, Vol. 282, 1998, s. 448 – 487). Durch diese Art der Volumendefinition entstehen hohe Kosten durch die notwendige Benetzungsstrukturierung der Oberfläche (hydrophil zur Befüllung des Kanals selbst und hydrophob für die Barriere und den Abzweig). Außerdem muss mit Luftdruck gearbeitet werden, was entsprechende Vorrichtungen erfordert. Um die kapillare Befüllung des Messkanals zu ermöglichen, muss der Kanalquerschnitt klein sein. Bei großen Volumina im Bereich von einigen 100 Mikrolitern sind daher lange Kanäle erforderlich. Dies führt zwangsläufig zu großen unerwünschten Wechselwirkungen der Moleküle in der Flüssigkeit mit der Kanalwand. Eine effiziente Durchmischung mehrerer Flüssigkeitsmengen ist in dieser Geometrie nahezu unmöglich.Other approaches use channels of defined cross-section, which are filled with liquid capillary. If the liquid is an aqueous solution, then at the end of the channel a hydrophobic barrier is attached, which can not be filled capillary. Furthermore, there is a lateral branch on this channel with a likewise hydrophobic surface, which can not be capillary filled. The cross-section and length of the channel between the hydrophobic barrier and the hydrophobic branch now determine a volume which can be separated and moved by pneumatic pressure through the branch (Burns et al., An integrated nanoliter DNA analysis device, Science, Vol. 282, 1998, pp. 448-487). This type of volume definition creates high costs due to the necessary wetting structure of the surface (hydrophilic for filling the channel itself and hydrophobic for the barrier and the Ab branch). In addition, you must work with air pressure, which requires appropriate devices. In order to enable the capillary filling of the measuring channel, the channel cross-section must be small. For large volumes in the range of a few 100 microliters, therefore, long channels are required. This inevitably leads to large unwanted interactions of the molecules in the liquid with the channel wall. An efficient mixing of several quantities of liquid is almost impossible in this geometry.
Der Begriff "Flüssigkeit" umfasst im vorliegenden Text unter anderem reine Flüssigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, zum Beispiel biologisches Material, befinden. Zu dosierende und zu mischende Flüssigkeiten können zum Beispiel auch zwei oder mehrere Lösungen sein, die sich nur durch darin gelöste Inhaltsstoffe unterscheiden, die zur Reaktion gebracht werden sollen.Of the The term "liquid" as used herein Text including pure liquids, Mixtures, dispersions and suspensions and liquids, in which solid particles, for example biological material, are located. To be dosed and mixed liquids can for Example also be two or more solutions, which only through dissolved in it Differentiate ingredients that are to be reacted.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe eine präzise Dosierung von Flüssigkeitsmengen in einem großen dynamischen Bereich einfach durchführbar ist und die eine vollständige Durchmischung der Flüssigkeiten ermöglichen. Das Verfahren soll in einem kompakten Lab-on-the-chip-System durchführbar sein.task It is the object of the present invention to provide a method and an apparatus with the help of which a precise dosage of liquid quantities in a big one dynamic range is easy to perform and which requires complete mixing of liquids enable. The method should be feasible in a compact lab-on-the-chip system.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 17 oder einem Apparat mit den Merkmalen des Anspruches 35 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet. Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 41.These The object is achieved by a method having the features of the claim 1, a device with the features of claim 17 or an apparatus solved with the features of claim 35. Subclaims are directed to preferred embodiments. An advantageous use is the subject of claim 41.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur integrierten Dosierung und Durchmischung wird ein Dosierreservoir mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur mit einem Reaktionsreservoir in Verbindung steht, wobei die Verbindungsstruktur vorzugsweise derart im Verhältnis zu den Reservoirs dimensioniert ist, dass die Oberflächenspannung der ersten Flüssigkeit einen Eintritt in das Reaktionsreservoir verhindert. Insbesondere kann dazu der Querschnitt der Verbindungsstruktur kleiner gewählt sein als der Querschnitt des Reaktionsreservoirs. Das Reaktionsreservoir wird mit einer zweiten Flüssigkeit vollständig befüllt, so dass die zweite Flüssigkeit an der Verbindungsstruktur mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt. Schließlich wird in der Flüssigkeit in bzw. auf dem Reaktionsreservoir ein Strömungsmuster erzeugt, das zur Durchmischung der Flüssigkeiten führt, wobei das Strömungsmuster bis zur vollständigen Homogenisierung der Flüssigkeiten aufrecht erhalten wird. Vorzugsweise wird ein laminares Strömungsmuster erzeugt.at the method according to the invention For integrated dosing and mixing, a dosing reservoir is used with a first liquid Completely filled, the above at least one connecting structure with a reaction reservoir is in communication, wherein the connection structure is preferably such in relation to dimensioned to the reservoirs that the surface tension the first liquid prevents entry into the reaction reservoir. Especially For this purpose, the cross section of the connection structure can be chosen to be smaller as the cross section of the reaction reservoir. The reaction reservoir comes with a second liquid Completely filled, leaving the second fluid at the connection structure comes into contact with the first liquid. After all gets in the liquid in or on the reaction reservoir generates a flow pattern, the Mixing of the liquids leads, the flow pattern until the complete Homogenization of liquids is maintained. Preferably, a laminar flow pattern generated.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Menge der zu dosierenden ersten Flüssigkeit in dem Dosierreservoir festgelegt. Die erste Flüssigkeit wird am Eintritt in das Reaktionsreservoir gehindert. Bei einer bevorzugten Verfahrensführung verhindert die Oberflächenspannung, dass die Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir eintritt. Erst wenn die erste Flüssigkeit mit der zweiten Flüssigkeit in Kontakt kommt, die in bzw. auf das Reaktionsreservoir gebracht wurde, kann ein Flüssigkeitsaustausch stattfinden. Dabei ist aufgrund des kleineren Querschnitts der Verbindungskanalstruktur der Flüssigkeitsaustausch aufgrund von Diffusion vernachlässigbar. Erst durch Erzeugung eines entsprechenden Strömungsmusters in dem Reaktionsreservoir wird eine effektive Durchmischung bewirkt. Die Menge der zweiten Flüssigkeit ist durch die Größe des Reaktionsreservoirs bestimmt.at the method according to the invention is the amount of the first liquid to be metered in the metering reservoir established. The first liquid will prevented from entering the reaction reservoir. In a preferred process management prevents the surface tension, that the liquid enters the reaction reservoir. Only when the first liquid with the second liquid comes in contact, which brought into or on the reaction reservoir was, can be a fluid exchange occur. In this case, due to the smaller cross section of the connecting channel structure the fluid exchange negligible due to diffusion. Only by generating a corresponding flow pattern in the reaction reservoir an effective mixing is effected. The amount of the second liquid is due to the size of the reaction reservoir certainly.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Dosierung und Durchmischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich, also mit sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen präzise durchgeführt werden. Das Mischungsverhältnis zwischen Reagenzien und Probenflüssigkeit kann zum Beispiel zwischen 1:100 bis zu 100:1 eingestellt werden.With the method according to the invention Can be a dosage and mixing of liquids in a large dynamic Range, so with very different mixing ratios precise carried out become. The mixing ratio between Reagents and sample fluid can be set between 1: 100 and 100: 1, for example.
Das Strömungsmuster kann durch Einstrahlung von Schallwellen in die Flüssigkeit auf bzw. in dem zweiten Reservoir erzeugt werden.The flow pattern can be due to sound waves in the liquid be generated on or in the second reservoir.
Zur Erzeugung von Schallwellen können Oberflächenschallwellen eingesetzt werden, die in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Interdigitaltransducers auf einem piezoelektrischen Chip erzeugt werden können, der an der Vorrichtung angebracht ist. Es wird dabei entweder der Impulsübertrag der Oberflächenschallwellen direkt oder mit Hilfe der Oberflächenschallwelle erzeugte Schallwellen eingesetzt. Der Begriff Oberflächenschallwellen umfasst im vorliegenden Text auch Grenzflächenschallwellen an den Grenzflächen zwischen zwei Festkörpern.to Generation of sound waves can produce surface sound waves be used, in a conventional manner with the help of a Interdigitaltransducers are generated on a piezoelectric chip can, which is attached to the device. It will be either the Momentum transfer the surface acoustic waves directly or with the help of the surface acoustic wave generated sound waves used. The term surface sound waves includes in the present text also boundary sound waves at the interfaces between two solids.
Die
Reservoirs und die Verbindungsstrukturen können dreidimensional oder zweidimensional ausgestaltet
sein. So können
die Reservoirs und Verbindungsstrukturen entsprechend geformte Vertiefungen
in einer Oberfläche
sein. Bei anderen Ausgestaltungen handelt es sich um entsprechend
geformte Hohlräume.
Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung werden die Reservoirs
und Verbindungsstrukturen durch entsprechend geformte Bereiche einer
Oberfläche
gebildet, die von den Flüssigkeiten bevorzugter
benetzt werden als die umgebenden Bereiche der Oberfläche. Für wässrige Lösungen werden
für die
Reservoirs und Verbindungsstrukturen Oberflächen gewählt, die im Vergleich zu ihrer
Umgebung hydrophil sind. Solche benetzungsmodulierten Oberflächen sind
zum Beispiel in
Zur einfacheren Darstellung seien im vorliegenden Text jeweils dreidimensionale und zweidimensionale Realisierungen umfasst, wenn es nicht explizit anders angegeben ist, auch wenn Begriffe gewählt sind, die nur eine Möglichkeit zu beschreiben scheinen. So wird zum Beispiel auch für das Aufbringen einer Flüssigkeit auf eine zweidimensionale Reservoirfläche der Begriff "Einbringen in ein Reservoir" oder "Befüllen" verwendet. Ähnlich wird zum Beispiel auch für die Bewegung von Flüssigkeit auf einer zweidimensionalen Verbindungsstruktur der Begriff "Bewegung durch die Verbindungsstruktur" verwendet etc. Das "Volumen" oder die Größe eines "Querschnitts" bedeutet bei zweidimensionalen Realisierungen in analoger Weise zum Beispiel die Fläche bzw. die Breite.to simpler representation in the present text are each three-dimensional and includes two-dimensional implementations, if not explicit otherwise stated, even if terms are chosen, the only one way seem to describe. This is also the case for applying, for example a liquid on a two-dimensional reservoir surface the term "introduction into a Reservoir "or" filling "is used for example also for the movement of liquid on a two-dimensional connection structure the term "movement through the Connection structure "used etc. The "volume" or size of a "cross-section" means in two-dimensional Realizations in an analogous way, for example, the area or the width.
Bei der Verbindungsstruktur kann es sich um eine entsprechend dimensionierte Öffnung zwischen dem Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir handeln. Eine besonders präzise Verfahrensführung nutzt die Kapillarkraft in einer Verbindungskapillarstruktur aus, die von der ersten Flüssigkeit benetzt wird und durch die Kapillarkräfte aus dem Dosierreservoir befüllt wird. Am Eintrittspunkt der Verbindungskapillarstruktur in das Reaktionsreservoir nehmen aufgrund des vergrößerten Querschnittes die Kapillarkräfte schlagartig ab, so dass ein Austreten der ersten Flüssigkeit aus der Verbindungskapillarstruktur in das Reaktionsreservoir verhindert wird. Erst wenn die zweite Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir eingebracht wird bzw. auf die Reservoirfläche aufgebracht wird, tritt die zweite Flüssigkeit mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung, so dass eine Durchmischung eintreten kann.at The connection structure may be an appropriately sized opening between the Dosagereservoir and the reaction reservoir act. A special precise Process management uses the capillary force in a connecting capillary structure, the from the first liquid is wetted and by the capillary forces from the Dosierreservoir filled becomes. At the entry point of the connecting capillary structure into the reaction reservoir take due to the enlarged cross-section the capillary forces abruptly, allowing leakage of the first fluid prevented from the Verbindungskapillarstruktur in the reaction reservoir becomes. Only when the second liquid is introduced into the reaction reservoir or applied to the reservoir surface becomes, the second liquid enters with the first liquid in conjunction so that mixing can occur.
Bei einer dreidimensionalen Dosiervorrichtung werden bei einer Ausgestaltung des Dosierverfahrens die Reservoirs durch Befüllöffnungen befüllt, die sich vorzugsweise im oberen Abschluss des Reservoirs befinden.at a three-dimensional metering device are in one embodiment the metering the reservoirs filled by filling, the preferably located in the upper end of the reservoir.
Das Dosierreservoir kann durch ein entsprechend dimensioniertes Volumen gebildet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Dosierreservoir eine Reservoirkapillarstruktur eingesetzt, die entlang ihrer Ausdehnung zumindest zwei Öffnungen aufweist. Durch eine Öffnung kann die Kapillarstruktur befüllt werden. Flüssigkeit tritt durch die erste Öffnung ein und bewegt sich durch die Kapillarkraft getrieben bis zur zweiten Öffnung. Die Reservoirkapillarstruktur wird dabei derart als Kapillarstruktur ausgewählt, dass die Flüssigkeitsfront der sich bewegenden Flüssigkeit den ganzen Querschnitt der Kapillarstruktur einnimmt. Außer der Befüllöffnung und der zweiten Öffnung sind keine weiteren Öffnungen in dem System geöffnet. An der zweiten Öffnung stoppt die Flüssigkeit ihre Bewegung. Da keine weiteren Entlüftungsöffnungen vorgesehen sind, baut sich jenseits der zweiten Öffnung ein Gegendruck auf, der eine weitere Flüssigkeitsbewegung verhindert. Außerdem nimmt die Kapillarkraft an der zweiten Öffnung schlagartig ab. Eine weitere Befüllung über die zweite Öffnung hinaus ist daher bis zu einem gewissen Schwellwert des Befülldruckes nicht möglich. Auf diese Weise ist durch die Strecke zwischen den zwei Öffnungen ein genaues Volumen in der Reservoirkapillarstruktur definiert, um eine genaue Dosierung zu ermöglichen. Bei einer Abwandlung werden zwei symmetrisch zur Befüllöffnung angeordnete zweite Öffnungen verwendet. Das Flüssigkeitsvolumen der in einer solchen Reservoirkapillarstruktur dosierten Flüssigkeit entspricht dann dem Abstand dieser zwei zweiten Öffnungen.The Dosagereservoir can by an appropriately sized volume be formed. In a particularly preferred embodiment of the inventive method a reservoir capillary structure is used as the metering reservoir, which has at least two openings along its extent. Through an opening can filled the capillary structure become. liquid enters through the first opening and moves through the capillary force driven to the second opening. The Reservoirkapillarstruktur is doing so as a capillary structure selected, that the liquid front the moving liquid occupies the entire cross section of the capillary structure. Except the Filling opening and the second opening are no further openings in opened to the system. At the second opening stops the liquid her movement. Since no further vents are provided, it builds beyond the second opening a back pressure, which prevents further fluid movement. Furthermore decreases the capillary force at the second opening abruptly. A further filling over the second opening In addition, therefore, up to a certain threshold of the filling pressure not possible. This way is through the distance between the two openings defines an exact volume in the reservoir capillary structure, to allow an exact dosage. In a modification, two symmetrically arranged to the filling second openings used. The liquid volume the fluid dosed in such a reservoir capillary structure then corresponds to the distance between these two second openings.
Eine Weiterbildung verwendet eine Reservoirkapillarstruktur mit mehreren derartigen auswählbaren Öffnungen, die je nach gewünschtem Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit geöffnet werden. Werden von der als Befüllöffnung verwendeten Öffnung weiter entfernte Öffnungen geöffnet, so kann die Flüssigkeit bis zu diesen Öffnungen eintreten und ein größeres Volumen einnehmen.A Continuing uses a Reservoirkapillarstruktur with several such selectable openings, depending on the desired Dosing volume of the first liquid open become. Will continue from the opening used as the filling opening removed openings open, so can the liquid up to these openings enter and a larger volume taking.
Das Dosierreservoir entspricht bei dieser Verfahrensführung dem mit erster Flüssigkeit gefüllten Volumen der Reservoirkapillarstruktur. Der verbleibende Teil der Reservoirkapillarstruktur ist Teil des Reaktionsreservoirs.The Dosierreservoir corresponds to this process management the with first liquid filled Volume of the reservoir capillary structure. The remaining part of the Reservoir capillary structure is part of the reaction reservoir.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt mehrere vorzugsweise unterschiedlich große Dosierreservoirs ein, die über Verbindungsstrukturen mit dem Reaktionsreservoir in Verbindung stehen. Außerdem stehen die Dosierreservoirs mit einer Befüllöffnung in Verbindung. Die Verbindungsstrukturen zwischen den einzelnen Dosierreservoirs und dem Reaktionsreservoir können bei einer Ausgestaltung zunächst verschlossen sein und zur Auswahl des gewünschten Dosierreservoirs geöffnet werden. Bei einer anderen Ausgestaltung wird das gewünschte Dosierreservoir mit dem gewünschten Volumen dadurch ausgewählt, dass die übrigen Verbindungsstrukturen zu den anderen Dosierreservoirs verschlossen werden.A Another advantageous embodiment of the method according to the invention employs a plurality of preferably different sized Dosierreservoirs via connecting structures communicate with the reaction reservoir. In addition, stand the Dosierreservoirs with a filling opening in connection. The connection structures between the individual metering reservoirs and the reaction reservoir can initially closed in one embodiment his and to choose the desired one Dosing reservoirs open become. In another embodiment, the desired metering reservoir with the desired Volume selected by that the rest Connecting structures closed to the other metering reservoirs become.
Bei einer Abwandlung dieser Verfahrensführung werden erst alle Dosierreservoirs gefüllt und dann die Verbindungsstruktur des gewünschten Dosierreservoirs geöffnet. Dabei werden gegebenenfalls einzelne Dosierreservoirs durch andere Dosierreservoirs hindurch befüllt. Eine solche Verfahrensführung ermöglicht das Befüllen auch einer größeren Anzahl von Dosierreservoirs durch nur eine Befüllöffnung und damit nur einer Stel lung einer Fülleinrichtung, z. B. einer Pipettenspitze. Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, dass die entsprechende Fülleinrichtung nicht bewegt werden muss und somit der apparative Aufwand gering ist. Erst nach vollständiger Befüllung aller Dosierreservoirs wird das ausgewählte Dosierreservoir mit dem Reaktionsreservoir durch Öffnen der entsprechenden Verbindungsstruktur verbunden.In a modification of this procedure, all dosing reservoirs are first filled and then the connection structure of the desired dosing reservoir is opened. In this case, if necessary, individual dosing reservoirs by other dosing filled reservoirs. Such a process management allows the filling of a larger number of Dosierreservoirs by only one filling opening and thus only a Stel development of a filling device, eg. B. a pipette tip. This procedure has the advantage that the corresponding filling device does not have to be moved and thus the apparatus required is low. Only after complete filling of all metering reservoirs, the selected metering reservoir is connected to the reaction reservoir by opening the corresponding connection structure.
Sowohl das Öffnen als auch das Verschließen können bei geeigneter Auswahl des Materials der verwendeten Dosiervorrichtung durch einen Schmelzprozess bewirkt werden. So eignet sich zum Beispiel ein Kunststoffteil als Dosiereinrichtung. Entweder sind die Verbindungsstrukturen zunächst verschlossen, wobei vor dem Einsatz die gewünschten Verbindungsstrukturen aufgeschmolzen werden, um eine Verbindung herzustellen. Bei einer anderen Verfahrensführung werden Dosiervorrichtungen eingesetzt, bei denen die Verbindungsstrukturen zunächst offen sind und die nicht benötigten Verbindungsstrukturen vor der Anwendung durch einen Schmelzprozess geschlossen werden.Either the opening as well as the closing can with a suitable selection of the material of the dosing device used be effected by a melting process. So is suitable for example a plastic part as a metering device. Either the connection structures first sealed, with the desired connection structures before use are melted to make a connection. At a other proceedings dosing devices are used, in which the connection structures initially open are and are not needed Connecting structures before application by a melting process getting closed.
Bei einer anderen Verfahrensführung speziell für zweidimensionale Ausgestaltung wird die Verbindung zwischen den beiden Flüssigkeiten über einen kleinen "Brückentropfen" hergestellt, der zwischen die beiden Flüssigkeiten gebracht wird und eine Flüssigkeitsbrücke erzeugt. Der Brückentropfen hat dabei ein kleineres Volumen sowohl als die erste als auch die zweite Flüssigkeitsmenge.at another procedure especially for two-dimensional design will be the connection between the two liquids over one made small "bridgehead", the between the two liquids is brought and generates a liquid bridge. The bridge drop has doing a smaller volume than both the first and the second Amount of liquid.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der zwischen einem Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir mehr als eine Verbindungsstruktur vorliegt. Hier kann der Flüssigkeitsaustausch – zum Beispiel durch Schallwellen getrieben – in einem Kreislauf stattfinden, bis eine vollständige Homogenisierung der Flüssigkeiten eingetreten ist.Especially advantageous is an embodiment in which between a Dosierreservoir and the reaction reservoir is more than one connection structure. Here can be the fluid exchange - for example driven by sound waves - in take place a cycle until complete homogenization of the liquids occurred.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Zudosieren von einer Flüssigkeitsmenge zu einer zweiten Flüssigkeitsmenge beschränkt. Mit einer entsprechenden Anzahl von Dosierreservoirs und Verbindungsstrukturen, die diese Dosierreservoirs mit dem Reaktionsreservoir verbinden, können mehrere Flüssigkeitsmengen gleichzeitig oder sukzessive zur Zudosierung zu der Flüssigkeit im Reaktionsreservoir vorgesehen sein.The inventive method is not on the metered addition of one fluid to a second amount of liquid limited. With a corresponding number of metering reservoirs and connection structures, which connect these metering reservoirs with the reaction reservoir, can several amounts of liquid at the same time or successively for addition to the liquid be provided in the reaction reservoir.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, weist wenigstens ein Dosierreservoir für eine erste Flüssigkeitsmenge auf. Weiterhin ist ein Reaktionsreservoir für eine zweite Flüssigkeitsmenge und wenigstens eine Verbindungsstruktur zwischen den beiden Reservoirs vorgesehen. Die Verbindungsstruktur ist vorzugsweise derart im Verhältnis zu den Reservoirs dimensioniert, dass die erste Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung nicht in das Reaktionsreservoir eintreten kann. Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung vorzugsweise eines laminaren Strömungsmusters zur Durchmischung von Flüssigkeit im Reaktionsreservoir auf.A device according to the invention, with the inventive method carried out can has at least one Dosierreservoir for a first amount of liquid on. Furthermore, a reaction reservoir for a second amount of liquid and at least one connection structure between the two reservoirs intended. The connection structure is preferably in proportion to the reservoirs dimensioned that the first liquid is not due to their surface tension can enter the reaction reservoir. Finally, the device according to the invention has a Device for generating preferably a laminar flow pattern for mixing of liquid in the reaction reservoir.
Zur Erzeugung des Strömungsmusters weist eine bevorzugte Ausführungsform wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zur Einstrahlung von Schallwellen in das Reaktionsreservoir auf. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung durch eine Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtung gebildet, insbesondere durch einen Interdigitaltransducer auf einem piezoelektrischen Chip.to Generation of the flow pattern shows a preferred embodiment at least one sound wave generating device for irradiation of Sound waves in the reaction reservoir on. Preferably, the at least one sound wave generating device by a surface acoustic wave generating device formed, in particular by an interdigital transducer on a piezoelectric chip.
Die
Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur können als
Vertiefungen oder Hohlräume
in einem Festkörper
ausgebildet sein. Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrich tung
werden die Reservoirs und Verbindungsstrukturen durch entsprechend
geformte Bereiche einer Oberfläche
gebildet, die von den Flüssigkeiten
bevorzugter benetzt werden als die umgebenden Bereiche der Oberfläche. Solche
benetzungsmodulierten Oberflächen
sind zum Beispiel in
Eine dreidimensionale Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung kann zum Beispiel Vertiefungen in einem Festkörper umfassen, die durch einen Deckel abgeschlossen sind, um die Reservoirs bzw. Verbindungsstruktur zu bilden. Der Deckel kann auf einfache Weise aus einer Folie hergestellt werden, vorzugsweise aus Kunststoff.A three-dimensional embodiment the metering device according to the invention For example, it may include pits in a solid that are filled by a Lids are completed to the reservoirs or connecting structure to build. The lid can be easily made from a foil be, preferably made of plastic.
Ein erfindungsgemäßer Apparat, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann, umfasst eine Aufnahme für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Bei eingelegter Vorrichtung ist die wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Strömungsmusters elektrisch kontaktiert. Der erfindungsgemäße Apparat weist weiterhin ansteuerbare Fülleinrichtungen, z. B. Pipetten oder Dispenser auf, die bei in der Aufnahme eingelegter Vorrichtung oberhalb der Befüllstrukturen angeordnet sind. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Genauigkeitsanforderungen an die Fülleinrichtungen nicht sehr hoch, da die Dosierung erst innerhalb der Vorrichtung selbst geschieht. Schließlich weist der Apparat eine Steuerung zur Steuerung des zeitlichen Ablaufes eines Protokolls auf, die die Ansteuerung der Einrichtung zur Erzeugung des Strömungsmusters und der Fülleinrichtungen vornimmt. Bevorzugte Ausführungsformen umfassen Öffnungseinrichtungen zum Öffnen einzelner Befüllstrukturen, Entlüftungsöffnungen oder Barrierenstrukturen oder Einrichtungen zum Verschließen einzelner Barrierenstrukturen.An apparatus according to the invention with which the method according to the invention can be carried out using a device according to the invention comprises a receptacle for a device according to the invention. When the device is inserted, the at least one device for generating a flow pattern is electrically contacted. The apparatus of the invention further comprises controllable filling devices, for. As pipettes or dispensers, which are arranged in the receptacle inserted device above the filling structures. By using a device according to the invention or carrying out the method according to the invention, the accuracy requirements for the filling devices are not very high, since the dosage only takes place within the device itself. Finally, the apparatus has a control for controlling the timing of a protocol, which controls the device to generate the flow pattern and the filling facilities. Preferred embodiments include opening means for opening individual filling structures, vents or barrier structures or means for closing individual barrier structures.
Der erfindungsgemäße Apparat kann bei entsprechender Ausrüstung auch andere Funktionen erfüllen, wenn z. B. eine Heizvorrichtung zur Temperierung vorgesehen ist. Schließlich kann auch die z. B. elektrische oder optische Auswertung mit integriert sein.Of the inventive apparatus can with appropriate equipment also fulfill other functions, if z. B. a heater is provided for temperature control. After all can also z. B. electrical or optical evaluation with integrated.
Mit einem erfindungsgemäßen Apparat kann das erfindungsgemäße Verfahren einfach und automatisiert durchgeführt werden. Dabei können als erfindungsgemäße Vorrichtungen zur integrierten Dosierung und Durchmischung problemlos Einwegteile eingesetzt werden.With an apparatus according to the invention can the inventive method be carried out easily and automatically. It can as inventive devices disposable parts are easily used for integrated dosing and mixing become.
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des erfindungsgemäßen Apparates und bevorzugte Ausführungsformen der Unteransprüche ergeben sich aus der obigen Beschreibung der Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.advantages the device according to the invention, the Apparatus according to the invention and preferred embodiments the dependent claims result from the above description of the advantages and preferred Embodiments of the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung und der erfindungsgemäße Apparat können besonders effektiv zur Dosierung und Durchmischung biologischer Flüssigkeiten eingesetzt werden, bei denen eine präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen notwendig ist.The inventive method, the device according to the invention and the apparatus of the invention can especially effective for dosing and mixing biological liquids be used, where a precise dosing smallest amounts of liquid necessary is.
Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der anliegenden Figuren im Detail erläutert. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und dienen der schematischen Darstellung. Es zeigt:embodiments and embodiments of the invention will be apparent from the appended Figures explained in detail. The figures are not necessarily to scale and are used to schematic representation. It shows:
In
Unterhalb
der Kammer
Der
akustische Chip
Die
Lage des akustischen Chips
Die
notwendige Größe der als
Reaktionsreservoir dienenden Kammer
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dieser Ausführungsform
wird wie folgt eingesetzt. Das Reaktionsreservoir umfasst zum Beispiel
100 μl oder 150 μl, während das
Dosierreservoir 5 μl
fasst. Solche Flüssigkeitsvolumina
sind insbesondere für
viele diagnostische Anwendungen charakteristisch. Zunächst wird
das Dosierreservoir
Die
Dosierung und Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgt also in
einer kostengünstigen
gegebenenfalls als Einwegkartusche ausgestalteten Vorrichtung
Mit
einer solchen Dosiervorrichtung lassen sich unterschiedliche Mischungsverhältnisse
einstellen. Die Befüllung
erfolgt über
das Befüllloch
Die
Kapillarstruktur
Werden
die beiden äußeren Öffnungen
In
beiden Fällen
kann das Restvolumen in Kanal
Die
charakteristischen Maße
einer Ausführungsform
gemäß der
Mit
einer solchen Ausführungsform
ist also die Einstellung unterschiedlicher Mischungsverhältnisse
auf einfache Weise möglich.
Je nachdem, wie viel der ersten Flüssigkeit der zweiten Flüssigkeit
zudosiert werden soll, werden die entsprechenden Öffnungen
Auch
bei der Darstellung der
Auch
bei der Ausführungsform
der
Zum
Einsatz der Ausführungsform
wird bei einer Verfahrensführung
zunächst
entschieden, welches der Dosierreservoirs
Das
entsprechend ausgewählte
Dosierreservoir
Aufgrund
der an der Eintrittsstelle der Verbindungskapillarstruktur
Wird
das Reservoir
Eine
andere Ausgestaltung dieser Ausführungsform
umfasst ab Werk keine Barrierenstrukturen
Auch
bei den Ausführungsformen
gemäß der
Zusätzlich zu
den Verbindungsstrukturen
Jetzt
können
die Barrierenstrukturen
Bei
einer solchen Ausgestaltung unter Ausnutzung von Kapillarkräften in
den Verbindungskapillarstrukturen
Bei
einer anderen Verfahrensführung
werden die Barrierenstrukturen
Eine
andere Verfahrensführung
unter Einsatz einer Vorrichtung gemäß
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei Dosierreservoirs mit entsprechenden Verbindungsstrukturen umfassen. Es können dann mehrere Dosierreservoirs im Kreislauf "in Serie" geschaltet werden, um das Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit zu vergrößern. Bei einer solchen Ausgestaltung können die einzelnen Dosierreservoirs unterschiedliche oder gleiche Größe haben.A inventive device can also have more than two dosing reservoirs with corresponding connection structures include. It can then several Dosierreservoirs in the circuit "in series" are switched to the dosing the first liquid to enlarge. at Such a configuration can the individual dosing reservoirs have different or the same size.
Speziell bei einer Verfahrensführung, bei der ein Kreislauf der Flüssigkeiten verwendet wird, findet eine Reaktion zwischen den Flüssigkeiten nicht nur in dem mit Reaktionsreservoir bezeichneten Teil der Vorrichtung statt.specially in a procedure, in the case of a cycle of fluids is used, finds a reaction between the liquids not only in the reaction reservoir part of the device instead of.
Zur Abgrenzung gegen die Verwendung des Begriffes "Dosierreservoir", mit dem die Dosierung der ersten Flüssigkeit vorgenommen wird, wurde im vorliegenden Text dennoch der Begriff "Reaktionsreservoir" verwendet, da insbesondere bei den gezeigten Ausführungsformen das Reaktionsreservoir auf Grund seiner Größe die Hauptstruktur ist, in der die Reaktion stattfndet. Insbesondere zum Beispiel bei einer Ausführungsform derto Differentiation against the use of the term "dosing reservoir", with which the dosage of the first liquid the term "reaction reservoir" has nevertheless been used in the present text since, in particular, in the embodiments shown the reaction reservoir is the main structure due to its size, in the reaction takes place. In particular, for example, at a embodiment of the
Die erfindungsgemäßen Dosier- bzw. Durchmischungsvorrichtungen können in einem Automaten prozessiert werden, der die Flüssigkeiten in die Vorrichtungen füllt, die Vorrichtungen temperiert, die akustischen Chips steuert und auch Befülllöcher öffnet bzw. Barrieren schließt oder öffnet. Außerdem kann ggf. mit einem solchen Automaten auch die z. B. elektrische oder optische Auswertung vorgenommen werden. Solche Automaten können sinnvoll in der Diagnostik oder allgemein in der Laborautomatisierung eingesetzt werden.The dosing or mixing devices according to the invention can be processed in an automatic machine which fills the liquids into the devices, tempering the devices, controlling the acoustic chips and also opening or opening or closing the filling holes. In addition, if necessary, with such a machine, the z. B. electrical or optical evaluation are made. Such machines can be useful in diagnostics or general laboratory automation.
Daher
kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn bei den Ausführungsformen
der
Mit den gezeigten Ausführungsformen können zum Beispiel Gesamtvolumina von bis zu 1 ml bei Einzelvolumina von z. B. nur 100nl prozessiert werden.With the embodiments shown can for example, total volumes of up to 1 ml for single volumes of z. B. only 100nl be processed.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Dosierung und Durchmischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich, also mit sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen präzise durchgeführt werden. Die Anforderungen an die Genauigkeit der verwendeten Fülleinrichtungen ist sind nicht hoch, da die Dosierung durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung bzw. Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschieht. Das Mischungsverhältnis zwischen Reagenzien und Probenflüssigkeit kann zum Beispiel zwischen 1:100 bis zu 100:1 eingestellt werden.With the method according to the invention Can be a dosage and mixing of liquids in a large dynamic Range, so with very different mixing ratios precise carried out become. The requirements for the accuracy of the filling devices used is not high, since the dosage by the process of the invention or Use of the device according to the invention happens. The mixing ratio between reagents and sample fluid can be set between 1: 100 and 100: 1, for example.
- 11
- Reaktionsreservoir, ReaktionskammerReaction reservoir, reaction chamber
- 22
- KunststofffoliePlastic film
- 33
- Dosierreservoir, Dosierkammermetering reservoir, metering
- 55
- KunststoffteilPlastic part
- 7, 97, 9
- Befüllöffnungenfilling openings
- 1010
- Vorrichtung zum integrierten Dosieren und Durchcontraption for integrated dosing and through
- mischenMix
- 1111
- Engstellenbottlenecks
- 1313
- Begrenzungswandboundary wall
- 1515
- akustischer Chipacoustic chip
- 20, 3020 30
- Vorrichtungen zum integrierten Dosieren unddevices for integrated dosing and
- Durchmischenby mixing
- 101101
- Reaktionsreservoir, ReaktionskammerReaction reservoir, reaction chamber
- 103103
- DosierkapillarstrukturDosierkapillarstruktur
- 105105
- KunststoffteilPlastic part
- 107, 109107 109
- Befüllöffnungenfilling openings
- 111111
- VerbindungskapillarstrukturVerbindungskapillarstruktur
- 115115
- akustischer Chipacoustic chip
- 121, 122121 122
- Öffnungenopenings
- 201201
- Reaktionsreservoir, ReaktionskammerReaction reservoir, reaction chamber
- 203203
- Dosierreservoir, Dosierkammermetering reservoir, metering
- 207, 209207 209
- Befüllöffnungenfilling openings
- 210, 211, 212210 211, 212
- VerbindungskapillarstrukturenVerbindungskapillarstrukturen
- 215215
- akustischer Chipacoustic chip
- 216216
- VerbindungskanalstrukturConnecting channel structure
- 217, 218, 219, 220217 218, 219, 220
- Barrierenstrukturenbarrier structures
- 221, 222221 222
- Entlüftungsöffnungenvents
- 223223
- Dosierreservoir, Dosierkammermetering reservoir, metering
- 224224
- Barrierenstrukturbarrier structure
Claims (41)
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Also Published As
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DE102005000834A1 (en) | 2006-07-27 |
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Date | Code | Title | Description |
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: BECKMANN COULTER, INC., FULLERTON, CALIF., US |
|
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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