DE102016220803A1

DE102016220803A1 - Integrierte nanofluidische Arrays für Kolloidtrennung mit hoher Kapazität

Info

Publication number: DE102016220803A1
Application number: DE102016220803.9A
Authority: DE
Inventors: Joshua T. Smith; Benjamin H. Wunsch; Cornelia Tsang Yang
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Eine Technik bezieht sich auf eine integrierte nanofluidische Einheit. Eine Beladungsschicht beinhaltet einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen. Eine Sortierschicht ist so an der Beladungsschicht angebracht, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, wobei die Sortierschicht einen Satz von Sortierelementen beinhaltet. Die Sortierschicht weist Einlasskanäle und Auslasskanäle auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind, und der Einlasskanal-Hohlraum ist durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden. Der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen ist durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden, und der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen ist durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden. Die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen sind jeweils mit den Sortierelementen verbunden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf nanofluidische Chips und im Besonderen auf integrierte nanofluidische Arrays für eine Kolloidtrennung mit hoher Kapazität.
Bei der Nanofluidik handelt es sich um die Untersuchung des Verhaltens, der Handhabung und der Steuerung von Fluiden, die auf Strukturen mit charakteristischen Abmessungen im Nanometerbereich (üblicherweise 1 bis 100 Nanometer (nm)) beschränkt sind. Fluide, die auf diese Nanometerstrukturen beschränkt sind, zeigen physikalische Verhaltensweisen, die bei größeren Strukturen wie zum Beispiel solchen mit Abmessungen im Mikrometerbereich und darüber nicht zu beobachten sind, da die charakteristischen physikalischen Skalierungslängen des Fluids (z. B. die Debye-Länge, der hydrodynamische Radius) sehr eng mit den Abmessungen der Nanostruktur selbst zusammenfallen. In der Nanofluidik werden Fluide bewegt, vermischt, getrennt oder auf andere Weise verarbeitet. In zahlreichen Anwendungen werden passive Fluidsteuerungstechniken wie Kapillarkräfte eingesetzt. Bei einigen Anwendungen werden zusätzlich äußere Antriebsmittel für einen gezielten Transport der Fluide verwendet.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird eine integrierte nanofluidische Einheit bereitgestellt. Die integrierte nanofluidische Einheit beinhaltet eine Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet. Die integrierte nanofluidische Einheit beinhaltet eine Sortierschicht, die so an der Beladungsschicht angebracht ist, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, und die Sortierschicht beinhaltet einen Satz von Sortierelementen. Die Sortierschicht weist Einlasskanäle und Auslasskanäle auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind, und der Einlasskanal-Hohlraum ist durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden. Der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen ist durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden, und der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen ist durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden. Die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen sind jeweils mit den Sortierelementen verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine integrierte nanofluidische Einheit bereitgestellt. Die integrierte nanofluidische Einheit beinhaltet eine Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Einlassbohrungs-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet. Die integrierte nanofluidische Einheit beinhaltet eine Sortierschicht, die so an der Beladungsschicht angebracht ist, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, und die Sortierschicht beinhaltet einen Satz von Sortierelementen. Die Sortierschicht weist Einlasskanäle und Auslasskanäle auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind, und der Einlasskanal-Hohlraum ist durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden. Der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen ist durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden, und der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen ist durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden. Die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen sind jeweils mit den Sortierelementen verbunden, und der Einlassbohrungs-Hohlraum ist durch Einlassbohrungslöcher mit den Sortierelementen verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Bereitstellen einer Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet, und ein Anbringen einer Sortierschicht an der Beladungsschicht so, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird. Die Sortierschicht beinhaltet einen Satz von Sortierelementen, und die Sortierschicht weist Einlasskanäle und Auslasskanäle auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind. Der Einlasskanal-Hohlraum ist durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden, und der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen ist durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden. Der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen ist durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden, und die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen sind jeweils mit den Sortierelementen verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Einspeisekanäle jeweils mit den Sortierelementen verbunden, wobei die Einspeisekanäle jeweils mit den Einlasskanälen verbunden sind; und sonstige Einspeisekanäle sind mit den Sortierelementen verbunden, wobei die sonstigen Einspeisekanäle mit den Einlassbohrungslöchern verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Auslässe für abgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden, wobei die Auslässe für abgeleitete Fraktionen jeweils mit den Auslasskanälen verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Auslässe für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden, wobei die Auslässe für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Speiselöchern für durchgeleitete Fraktionen verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Einlasskanal-Hohlraum eine äußere Bohrung für einen Zugang zu dem Einlasskanal-Hohlraum auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen eine äußere Bohrung für einen Zugang zu dem Hohlraum für abgeleitete Fraktionen auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen eine äußere Bohrung für einen Zugang zu dem Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen auf.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Sortierschicht sonstige Sätze der Sortierelemente zusätzlich zu dem Satz der Sortierelemente.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet die Sortierschicht Reihen aus dem Satz und den sonstigen Sätzen der Sortierelemente.
Gemäß einer Ausführungsform beinhalten die Sortierelemente jeweils ein Nanosäulen-Array, das so gestaltet ist, dass es Teilchen sortiert.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet ein Bereitstellen einer Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Einlassbohrungs-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet, und ein Anordnen einer Sortierschicht, die so an der Beladungsschicht angebracht ist, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird. Die Sortierschicht beinhaltet einen Satz von Sortierelementen, und die Sortierschicht weist Einlasskanäle und Auslasskanäle auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind. Der Einlasskanal-Hohlraum ist durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden, und der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen ist durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden. Der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen ist durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden, und die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen sind jeweils mit den Sortierelementen verbunden. Der Einlassbohrungs-Hohlraum ist durch Einlassbohrungslöcher mit den Sortierelementen verbunden Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden durch die Techniken der vorliegenden Erfindung umgesetzt. Sonstige Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung werden hierin ausführlich beschrieben und werden als Teil der beanspruchten Erfindung betrachtet. Zum besseren Verständnis der Erfindung mit den Vorteilen und Merkmalen sei auf die Beschreibung und auf die Zeichnungen verwiesen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf Nanosäulen-Arrays, die durch ihre Eingangs- und Ausgangsströme so verbunden sind, dass sie ein einzelnes Sortierelement ausbilden, gemäß einer Ausführungsform.
1B ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen einzelnen Satz von Sortierelementen, die so miteinander verbunden sind, dass sie parallel arbeiten, um ein Fluid zu verarbeiten, gemäß einer Ausführungsform.
1C ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine einzelne Sortierschicht mit Reihen von Sätzen, die für ein paralleles Verarbeiten eines Fluids miteinander verbunden sind, gemäß einer Ausführungsform.
2A ist eine schematische Darstellung einer integrierten nanofluidischen Einheit, die eine mikrofluidische Beladungs-/Entladungsschicht und eine nanofluidische Sortierschicht aufweist, gemäß einer Ausführungsform.
2B ist eine vereinfachte Ansicht eines Querschnitts durch die integrierte nanofluidische Einheit gemäß einer Ausführungsform.
3A ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht, die eine Einzelbeladungseinrichtung als Sortierelement gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
3B ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht, die eine Doppelbeladungseinrichtung als Sortierelement gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
3C ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht, die eine Dreifach-Ringbeladungseinrichtung als Sortierelement gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
3D ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht, die eine Dreifachbeladungseinrichtung als Sortierelement gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
3E ist eine Teilansicht von parallelen Doppelbeladungseinrichtungen als Sortierelemente gemäß einer Ausführungsform.
4A ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen einzelnen Satz von Doppelbeladungseinrichtungen, die als Sortierelemente so miteinander verbunden sind, dass sie parallel arbeiten, gemäß einer Ausführungsform.
4B ist eine schematische Darstellung einer integrierten nanofluidischen Einheit, die eine mikrofluidische Beladungs-/Entladungsschicht und eine nanofluidische Sortierschicht aufweist, gemäß einer weiteren Ausführungsform.
5 ist eine schematische Darstellung einer integrierten nanofluidischen Einheit, die eine mikrofluidische Beladungs-/Entladungsschicht und eine nanofluidische Sortierschicht aufweist, gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.
6 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit gemäß einer Ausführungsform.
7 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
8A ist eine schematische Darstellung einer dreischichtigen integrierten nanofluidischen Einheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
8B ist eine schematische Strömungsdarstellung, die die Richtung jeder Fluidprobe gemäß der weiteren Ausführungsform veranschaulicht.
9A ist eine schematische Darstellung einer dreischichtigen integrierten nanofluidischen Einheit gemäß einer noch weiteren Ausführungsform.
9B ist eine schematische Strömungsdarstellung, die die Richtung jeder Fluidprobe gemäß der weiteren Ausführungsform veranschaulicht.
10 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Bohrungslochs, das dazu verwendet wird, Strömungselemente zwischen zwei Silicium-Chip-Schichten zu verbinden, gemäß einer Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Nanofluidik ist ein Gebiet der Nanotechnologie und des Ingenieurwesens, auf dem Fluide mithilfe von Einheiten gehandhabt werden, bei denen die kritischen Strukturabmessungen im Nanometerbereich liegen. Ihre Bedeutung ist auf die Fähigkeit zurückzuführen, Proben in winzigen Mengen zu handhaben, was die Miniaturisierung von analytischen und präparativen Verfahren ermöglicht, die üblicherweise im Milliliterbereich oder darüber ausgeführt werden. Zahlreiche bedeutende biologische, chemische und Materialeinheiten wie zum Beispiel Proteine, Organellen, supramolekulare Komplexe und Kolloide wirken in Fluiden, und ihre Handhabung und Analyse kann mit nanofluidischen Einheiten vereinfacht werden, die geringe Probengrößen verarbeiten können.
Die Trennung von kolloidalen Teilchen ist in der Industrie von Bedeutung und wird zum Beispiel in der Pharmazeutik, der medizinischen Diagnostik, der Lebensmittelverarbeitung, der Molekularbiologie, der Polymerherstellung, der Wasseraufbereitung, der Ölraffinerie und der in großem Umfang durchgeführten chemischen Synthese verwendet. Von Bedeutung ist die Fähigkeit, Teilchen einer bestimmten Größe zu entfernen oder aufzufangen, entweder um ein Verstopfen oder eine Verunreinigung zu verhindern oder aufgrund der positiven Eigenschaften des jeweiligen Kolloids. Dies ist von besonderem Interesse bei komplexen Kolloiden wie zum Beispiel Biokolloiden (wie etwa Nukleinsäuren, Proteinen, RNA-Protein-Komplexen, Vesikeln usw.), bei denen die Reinheit der Probe von höchster Bedeutung ist. Es sind verschiedene Verfahren zum Ausführen dieses Trennungsprozesses vorhanden, wobei die vorherrschenden die Größenausschluss-Chromatographie und Abwandlungen, die Gelelektrophorese und Abwandlungen und größenselektive Membranen sind. Chromatographiesäulen und -gele sind in Industrie und Forschung weit verbreitet, wo sie großvolumig skaliert werden können (im Besonderen Säulen); sie weisen jedoch den Nachteil auf, dass es sich um Chargenverfahren handelt, die Standzeiten zum neuen Beladen und Aufarbeiten erfordern. Darüber hinaus erfordern Steigerungen bei der Trennung, der Selektivität und der Leistungsfähigkeit größere Säulen/Gele und belastendere Betriebsbedingungen, was unerschwinglich sein kann. Trennmembranen können hohe Trennleistungen erzielen, sie dienen jedoch als Filter, die ein Durchströmen von Teilchen nur bis zu einer selektiven Obergrenze zulassen. Die verbleibenden größeren Teilchen werden in dem Filter festgehalten. Insofern erfordert dies regelmäßige Instandhaltung und einen Austausch der Membran und kann im Allgemeinen die wirksame Rückgewinnung des gefilterten Materials verhindern.
Mit Silicium-Nanotechnologie hergestellte Nanosäulen-Arrays können diese Probleme der herkömmlichen Trennung von Teilchen lösen, indem sie ein kontinuierliches Strömen ermöglichen, bei dem sämtliche Teilchenzugaben aufgefangen werden können und dabei ein hoher Wirkungsgrad und ein geringer Energieeinsatz erhalten bleibt. Die geringe Ausgangsgröße eines einzelnen Arrays erfordert, dass eine größere Probe in kleinere Aliquoten aufgeteilt und in einer großen Zahl von Arrays gleichzeitig verarbeitet wird. Nanosäulen-Arrays ermöglichen eine Trennung von kolloidalem Material im Bereich von 10 bis 100 nm, was einen Vorteil gegenüber den beherrschenderen Mikrosäulen-Arrays bedeutet, die im Mikrometerbereich arbeiten. Es sind hochintegrierte Mikrofluidiksysteme vorhanden und vorgeführt worden, es ist jedoch keine vergleichbare Lösung für die Nanofluidik vorhanden, teilweise deshalb, weil die meisten Mikrofluidelemente aus flexiblem Kunststoff hergestellt werden, wohingegen Nanofluidelemente wie zum Beispiel Nanosäulen-Arrays im Allgemeinen wirksamer aus Silicium hergestellt werden. Daher besteht ein Bedarf darin, sich mit der Fähigkeit, nanofluidische Einheiten wie zum Beispiel Nanosäulen-Arrays zu integrieren, und damit zu befassen, wie mit dem Eingang und Ausgang jedes Elements zu verfahren ist, wie es in einer oder mehreren Ausführungsformen geschieht.
Ausführungsformen lösen mehrere Probleme im Hinblick auf die Verwendung von Nanosäulensortier-Arrays (d. h. auch als Arrays und/oder als Sortier-Arrays bezeichnet) für großvolumige Teilchentrennungen (wie z. B. ein Durchleiten von mehr als 1 Mikroliter Fluid pro Sekunde (μLs^–1)). Nach dem Stand der Technik werden Nanosäulen-Arrays, die zum Trennen von Teilchen nach der Größe verwendet werden, im Allgemeinen in einer Größenordnung von 10 × 100 Quadratmikrometern (μm²) hergestellt und erfordern zumindest eine Eingangs- und Ausgangsfluidverbindung, um zu funktionieren. Die Fluidströmung durch ein einzelnes Nanosäulen-Array weist üblicherweise eine Größenordnung von 1 bis 10 Nanolitern pro Sekunde (nLs^–1) auf. Um auch nur geringe Volumen wie zum Beispiel 100 bis 1.000 μL, die für biologische und chemische Analysenpräparate typisch sind, zeitgerecht zu verarbeiten, ist daher ein geeignetes Skalieren der Nanosäulen-Arrays in Kombination mit einem parallelen Betrieb erforderlich.
Ausführungsformen enthalten Nanosäulensortier-Arrays als ein bestimmtes Element bei der Gestaltung einer größeren Kolloidsortiereinheit. Nanosäulen-Arrays, die aus aufeinanderfolgenden Reihen von lithographisch definierten Säulen (mit einer Größenordnung von 100-en nm im Durchmesser) bestehen, die in einem Winkel zu der Richtung der Array-Achse abgeschrägt sind, können kolloidale Objekte nach Größe und Form trennen, wenn die kritische Teilchengröße des Arrays die Durchleitungsgröße bestimmt. Teilchen (Kolloide) mit geringerer Größe als der kritischen Größe werden unbeeinflusst durch das Array geleitet, wohingegen Teilchen, die größer als die kritische Größe sind, zu einer Seite des Arrays (entsprechend der Strömungsrichtung der abgeleiteten Fraktion) verdrängt werden, wo die größeren Teilchen in einem Strom gegen die Kanalwand aufgefangen werden. Mithilfe dieser Einheit als Baustein kann gemäß Ausführungsformen eine komplexere Sortiereinheit durch Integrieren der Arrays und der erforderlichen verbindenden Fluidkanäle zu einer einzelnen Chip-Stapelarchitektur gefertigt werden.
Nanosäulen-Arrays trennen Teilchen mithilfe eines periodischen Gitters aus 2D-Säulen innerhalb eines Fluidkanals räumlich ab, in dem aufeinanderfolgende Reihen von Säulen so versetzt sind, dass sie eine Achse ausbilden, die geringfügig von der Kanalachse versetzt ist. Bei dem Winkel zwischen dem Säulenversatz und der Kanalachse handelt es sich um den kritischen Migrationswinkel, θ_c. Teilchen mit einem größeren Durchmesser d_p als der kritische Durchmesser, der durch das Array festgelegt wird, d_c, werden zum Rand des Arrays in einem Winkel θ_c abgeleitet, wohingegen Teilchen mit einem kleineren d_p als d_c mit einem Winkel von quasi null den Kanal entlang strömen und aus dem Array ausgeleitet werden. Wenn ein konzentrierter Strahl eines Gemisches von Teilchen mit einem schmalen Verteilungsquerschnitt an einem Rand eines Arrays mit einer Breite W eingebracht wird, durchqueren diese Teilchen mit d_p ≥ d_c W, nachdem sie eine Länge
zurückgelegt haben. Die Auflösung, R, der Trennung hängt von den Querschnittsbreiten, w, der abgeleiteten (1) und durchgeleiteten (2) Teilchenfraktionen und den Massenmittelpunkten u:
ihrer Verteilungen ab. Für eine geeignete Trennung sollte R gleich ~1 sein, was bedeutet, dass, wenn die abgeleiteten und durchgeleiteten Verteilungen eine etwa gleiche Querschnittsbreite aufweisen, gilt: w = |u₁ – u₂| = Δu. Die Verteilungstrennung Δu legt folglich die Mindestbreite fest, die für das Nanosäulen-Array erforderlich ist: W = Δu. Dadurch wird wiederum die Länge, L_c, festgelegt, die eine Mindestnanosäulenfläche definiert, die für eine gewählte Auflösung erforderlich ist: A = WL_c. Durch ein Erhöhen der Breite W wird die Auflösung erhöht, jedoch auch ein längeres Nanosäulen-Array erforderlich gemacht. Ein längeres Array erhöht den hydrodynamischen Widerstand, wodurch die maximale praktikable Strömungsgeschwindigkeit verringert wird, die erzielt werden kann, wie auch die Diffusionsdauer erhöht wird, was wiederum die Verteilungsbreiten w erhöht und zu einer verringerten Auflösung führt. In der Praxis können schmale Verteilungen von Teilchen mit w ~ 5 bis 10 μm ohne Weiteres in Nanosäulen-Arrays eingespeist werden; eine Diffusion verbreitert jedoch üblicherweise die Verteilungen, im Besonderen für Teilchen mit d_p < 50 nm, wodurch W ~ 50 bis 100 μm erforderlich ist, um R ~ 1 zu erzielen. Bei θ_c = 5,7° bedeutet dies L_c ~ 500 bis 1.000 μm, wodurch eine praktische Array-Fläche von A ~ 0,025 bis 0,1 mm² festgelegt wird. Diese Einheitenfläche bedeutet bei einem Chip von 1 cm², dass die Dichte von Nanosäulen-Arrays eine Größenordnung von ~1.000 Einheiten/cm² aufweisen kann.
Um eine beliebige Nanosäuleneinheit zu betreiben, ist ein Satz von Eingangs- und Ausgangskanälen erforderlich, die eine Flüssigkeit und Proben einspeisen und die Produkte und Abfälle abführen. Wenn diese Kanäle mit mehreren Einheiten verbunden sind, bilden sie ein Netzwerk aus, dessen Fläche beim Bestimmen der Packdichte berücksichtigt werden muss. Dies bedeutet praktisch, dass die Packdichte aufgrund des Vorhandenseins der Nanokanäle abnimmt. Um die Packdichte zu erhöhen, ist daher eine sorgfältige Berücksichtigung der Geometrie und der Konnektivität des Nanokanal-Netzwerks mit den Nanosäuleneinheiten erforderlich.
Das Problem beim Erhöhen der Strömungsmenge wird folglich zu einem solchen, höhere Dichten von Nanosäulen-Arrays innerhalb eines einzelnen Einheiten-Chips mit großen Zahlen von Arrays zum Aufteilen und parallelen Verarbeiten des Probenfluids zu erzeugen. Um eine hohe Dichte von Nanosäulen-Arrays auf einem Chip zu erzielen, müssen die Fluidverbindungen so gestaltet werden, dass eine Probe in das Array strömen gelassen werden kann und die beiden Ausgänge (abgeleitet und durchgeleitet) räumlich getrennt und getrennt aufgefangen werden können (wie bei Ausführungsformen erörtert). Praktisch erfordert dies ein Verteilen eines einzigen Eingangsstroms von Teilchen auf sämtliche Eingangskanäle der einzelnen Nanosäulen-Arrays, wobei gleichzeitig sämtliche Ausgangskanäle sämtlicher Nanosäulen-Arrays zu einem einzigen Ausgangsstrom miteinander verbunden werden. Für komplexere Kombinationen von Eingangs- und Ausgangsströmen wird jeder einzelne Strom auf jedes Nanosäulen-Array verteilt, und jeder Ausgang wird anschließend zu einem einzigen Strom zusammengeführt. Dies erweist sich innerhalb der Ebene eines einzelnen Chips als geometrisch undurchführbar oder unmöglich, es ist jedoch möglich bei einem Ansatz mit mehreren Ebenen, bei dem einige der Eingangs- und Ausgangsströme gemäß Ausführungsformen zu einer Chip-Zwischenschicht oberhalb/unterhalb der Nanosäulen-Arrays abgeleitet werden. Dementsprechend beschreiben Ausführungsformen eine solche integrierte Array-Einheit mit gestapelten Ebenen und ihre Vorteile bei einem Sortieren mit hoher Kapazität.
Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen, wobei 1A eine schematische Darstellung eines allgemeinen Aufbaus ist, bei dem zwei Nanosäulen-Arrays 102A und 102B durch ihre Eingangs- und Ausgangsströme so verbunden sind, dass ein einziges Sortierelement 100 (d. h. eine Beladungseinrichtung) gemäß einer Ausführungsform ausgebildet wird. Die Nanosäulen-Arrays 102A und 102B können allgemein als Nanosäulen-Arrays 102 bezeichnet werden. Das Sortierelement 100 weist zwei Einzelbeladungseinrichtungen auf, deren Eingänge und Ausgänge verbunden sind. Das Sortierelement 100 beinhaltet Einspeisekanäle 104A und 104B, die jeweils mit den Nanosäulen-Arrays 102A und 102B verbunden sind. Wie einem Fachmann ersichtlich ist, sind die Nanosäulen-Arrays 102A und 102B so gestaltet, dass sie Fraktionen (d. h. größere Teilchen) entsprechend der Strömungsrichtung für abgeleitete Fraktionen (auch als kritischer Winkel des Nanosäulen-Arrays bezeichnet) so ableiten, dass sie entlang der jeweiligen Auslässe 110A und 110B für abgeleitete Fraktionen austreten. Die Auslässe 110A und 110B für abgeleitete Fraktionen können allgemein als Auslässe 110 für abgeleitete Fraktionen bezeichnet werden.
Demgegenüber wird die durchgeleitete Fraktion, die durch Auslässe 108A und 108B für durchgeleitete Fraktionen strömt, zu einem Bohrungsloch 106 geleitet, und das Bohrungsloch 106 ermöglicht der durchgeleiteten Fraktion, eine Beladungsschicht zu erreichen. Die Auslässe 108A und 108B für durchgeleitete Fraktionen können allgemein als Auslässe 108 für durchgeleitete Fraktionen bezeichnet werden. Bei der durchgeleiteten Fraktion kann es sich um kleinere Teilchen handeln, die von den jeweiligen Strömungsrichtungen der abgeleiteten Fraktion (d. h. den kritischen Winkeln) der Nanosäulen-Arrays 102A und 102B nicht betroffen sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Strömungsrichtung der abgeleiteten Fraktion in den Nanosäulen-Arrays 102 mit einem bestimmten Winkel zum Auffangen der abgeleiteten Fraktion (z. B. von größeren Teilchen) nach außen (durch die Auslässe 110A und 110B für abgeleitete Fraktionen) dargestellt werden, wohingegen die durchgeleitete Fraktion (z. B. kleinere Teilchen) (über das Bohrungsloch 106) nach innen aufgefangen wird. Es ist zu beachten, dass die Strömungsrichtung der abgeleiteten Fraktion so umgekehrt werden kann, dass die abgeleiteten Fraktionen (z. B. größere Teilchen) nach innen in den Sortierelementen 100 aufgefangen werden, wohingegen die durchgeleiteten Fraktionen (z. B. kleinere Teilchen) nach außen aufgefangen werden.
1B und 1C sind schematische Darstellungen, die veranschaulichen, wie einzelne Sortierelemente 100 so miteinander verbunden sein können, dass sie Sätze von Sortierelementen 100 zum parallelen Verarbeiten gemäß einer Ausführungsform erzeugen. 1B ist eine schematische Darstellung eines einzelnen Satzes 150 von Sortierelementen 100, die so miteinander verbunden sind, dass sie parallel arbeiten, wobei ihre Nanosäulen-Arrays 102 gleichzeitig (d. h. parallel) ein Fluid von dem Einlasskanal 112 verarbeiten, der in die Einspeisekanäle 104 einspeist. Die abgeleitete Fraktion (d. h. größere Teilchen, die von dem kritischen Winkel der Nanosäulen-Arrays 102 betroffen sind) strömt durch die Auslässe 110 für abgeleitete Fraktionen zu dem Auslasskanal 114. Umgekehrt strömt die durchgeleitete Fraktion (d. h. kleinere Teilchen, die von dem kritischen Winkel der Nanosäulen-Arrays 102 nicht betroffen sind) durch die Auslässe 108 für durchgeleitete Fraktionen zu den Bohrungslöchern 106. Der Satz 150 von miteinander verbundenen Sortierelementen 100 ermöglicht ein paralleles Verarbeiten einer größeren Menge eines Fluids (das zu sortierende Teilchen aufweist) als ein einzelnes Sortierelement 100.
Des Weiteren ist 1C eine schematische Darstellung einer Sortierschicht (L2) 202, die Reihen von Sätzen 150 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, die für ein paralleles Verarbeiten eines Fluids durch die Sortierelemente 100 miteinander verbunden sind. Bei dieser beispielhaften Gestaltung stellt die Sortierschicht 202 fünf Reihen von Sätzen 150 in zwei Spalten dar. Es ist zu beachten, dass die Sortierschicht 202 so modifiziert werden kann, dass sie mehr oder weniger Reihen von Sätzen 150 und/oder Spalten von Sätzen 150 aufweist.
In 1C sind die Einspeisekanäle 104 der Sortierelemente 100 jedes Satzes 150 mit Verzweigungen desselben Einlasskanals 112 verbunden, sodass jeder der Sätze 150 gleichzeitig Fluid zum parallelen Sortieren durch die Sortierelemente 100 von den Einlasskanälen 112 empfängt. Die Einlasskanäle 112 empfangen ein Fluid, das durch das Einlassspeiseloch 120 eingebracht wird, von einer Beladungsschicht (L1) 201 (in 2A dargestellt). In ähnlicher Weise sind in 1C die Auslässe 110 für abgeleitete Fraktionen der Sortierelemente 100 jedes Satzes 150 mit Verzweigungen desselben Auslasskanals 114 verbunden, sodass jeder der Sätze 150 nach dem parallelen Sortieren durch die Sortierelemente 100 gleichzeitig Fluid (z. B. größere Teilchen) in die Auslasskanäle 114 austrägt. Die Auslasskanäle 110 für abgeleitete Fraktionen tragen Fluid an das Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen aus, das mit der Beladungsschicht (L1) 201 in Verbindung steht. Darüber hinaus sind die Sortierelemente 100 jedes Satzes 150 so gestaltet, dass sie die durchgeleiteten Fraktionen (z. B. kleinere Teilchen) durch die Auslässe 108 für durchgeleitete Fraktionen hinunter in die Bohrungslöcher 106 für durchgeleitete Fraktionen und in die Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen in der Beladungsschicht 201 von 2A austragen.
1A, 1B und 1C veranschaulichen den Verlauf eines Verbindens von Sortierelementen 100 miteinander so, dass Sätze 150 ausgebildet werden, und die Sätze 150 werden so miteinander verbunden, dass sie die Sortierschicht 202 mit erhöhter Fluidströmung ausbilden. Bei der Sortierschicht 202 handelt es sich um einen Chip, der auf der Beladungsschicht 201 (d. h. einem weiteren Chip) gestapelt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist 2A eine schematische Darstellung einer integrierten nanofluidischen Einheit 200, die den zweischichtigen Stapel von Chips aufweist, bei denen es sich um die mikrofluidische Beladungs-/Entladungsschicht 201 und um die nanofluidische Sortierschicht 202 handelt. Die Beladungs- und Entladungsschicht 201 kann allgemein als Beladungsschicht bezeichnet werden, und die Beladungsschicht 201 ist dazu gestaltet, mit dem Fluid beladen zu werden, das die Probe enthält, und das Fluid aufzufangen, dessen Probe durch die Sortierelemente 100 sortiert wird. In 2A wird die integrierte nanofluidische Einheit 200 durch Stapeln der Sortierschicht 202 (Chip) auf der Oberseite der Beladungsschicht 201 so ausgebildet, dass das Fluid zwischen der Beladungsschicht 201 und der Sortierschicht 202 strömen kann, wie hierin erörtert.
Die mikrofluidische Beladungsschicht 201 beinhaltet einen (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270, der durch ein äußeres Bohrungsloch 260 direkt mit einer äußeren Antriebspumpe verbunden ist. Das äußere Bohrungsloch 260 ermöglicht eine äußere Verbindung mit der integrierten nanofluidischen Einheit 200.
Eine Flüssigkeitsprobe kann durch die Einlassbohrungslöcher 120 durch den (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270 zu der Sortierschicht 202 strömen. Es ist zu beachten, dass das gestrichelte Loch 120 in der Beladungsschicht 201 und der Sortierschicht 202 so übereinstimmt, dass einem Fluid ermöglicht wird zu strömen. Ein Netzwerk von verzweigenden Einlasskanälen 112 erstreckt sich von den Einlassspeiselöchern 120 zu den Sätzen 150 von Sortierelementen 100 (d. h. nanofluidischen Einheiten) hinaus, die in der Sortierschicht 202 gefertigt sind. Verschiedene Gestaltungen von Einlasskanälen 112 sind möglich. Bei einer Umsetzung kann es sich bei den Einlasskanälen 112 um eine verzweigende Anordnung vom Typ eines „Baumes” handeln, die die Fähigkeit, mehrere Nanosäulen-Arrays 102 (in den Sortierelementen 100) mithilfe einer Mindestzahl von Durchgangsbohrungen 120 (Einlassspeiselöchern) anzusprechen, größtmöglich erhöht, wie in 1C, 2A und 4B dargestellt. Bei einer weiteren Umsetzung kann ein Array von parallelen Einlasskanälen 112 (ohne dass sämtliche Verzweigungen mit einem einzigen Stamm verbunden sind) eingesetzt werden, bei der für jeden Satz 150 ein Einlassspeiseloch 120 benötigt wird, wie in 5 dargestellt.
Die Beladungsschicht 201 beinhaltet Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen, und jeder der Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen ist mit Bohrungslöchern 106 in einer Reihe von Sätzen 150 so ausgerichtet (und verbunden), dass die Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen die durchgeleiteten Fraktionen (z. B. kleinere Teilchen) empfangen, die durch die Bohrungslöcher 106 ausgetragen werden. Die durchgeleiteten Fraktionen werden in dem Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen aufgefangen, und eine äußere Bohrung 262 kann dazu verwendet werden, die durchgeleiteten Fraktionen z. B. mithilfe eines Vakuums oder eines Unterdrucks aus dem Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen auszuleiten. In 2A sind fünf Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen in der Beladungsschicht 201 mit Löchern (die nicht dargestellt werden, um die Figur nicht unklar werden zu lassen) ausgebildet, die mit jedem der Bohrungslöcher 106 in den fünf Reihen von Sätzen 150 übereinstimmen. Dementsprechend ist die Anzahl von Auslasskanälen 276 für durchgeleitete Fraktionen so gestaltet, dass sie der Anzahl von Reihen von Sätzen 150 entspricht.
Die Beladungsschicht 201 beinhaltet einen Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen, und der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen ist an dem Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen der Sortierschicht 202 geöffnet. Der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen ist so gestaltet, dass er die abgeleiteten Fraktionen (z. B. größere Teilchen) über das Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen von den Auslasskanälen 114 empfängt.
Der Betrieb der integrierten nanofluidischen Einheit 200 wird umgekehrt zu der Stapelreihenfolge der Beladungsschicht 201 und der Sortierschicht 202 geführt. Es wird darauf hingewiesen, dass die integrierte nanofluidische Einheit 200 (d. h. die gestapelten Chips) umgedreht wie auch mit der rechten Seite nach oben betrieben werden kann. 2B ist eine vereinfachte Ansicht eines Querschnitts durch die integrierte nanofluidische Einheit 200 gemäß einer Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass Einzelheiten für jedes der Nanosäulen-Arrays 102, die Einlasskanäle 112 und die Auslasskanäle 114 nicht dargestellt werden, um die Figur nicht unklar werden zu lassen. 2B stellt eine allgemeine Strömung des Fluids zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht 201 und 202 dar.
Ein zu trennendes Probenfluid, das z. B. kleine und große Teilchen aufweist, wird in die äußere Bohrung 260 der Beladungsschicht 201 geladen. Das Probenfluid strömt hinauf in den (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270 und hinauf in das Einlassspeiseloch 120 der Sortierschicht 202. Von dem Einlassspeiseloch 120 strömt das Probenfluid durch die Einlasskanäle 112 (Speisekanäle) in die einzelnen Sortierelemente 100 (d. h. in die einzelnen Nanosäulen-Arrays 102). Die Sortierelemente 100 trennen die Probenlösung in zwei Fraktionen, verdrängte/abgeleitete (d. h. große Teilchen) und durchgeleitete (d. h. kleine Teilchen), auf Grundlage der Teilchengröße und der kritischen Sortiergröße der Nanosäulen-Arrays 102. Die räumlich getrennten Fraktionen werden in getrennte Auslasskanäle 108 und 110 (in 2B nicht dargestellt) abgeleitet. Wie zu erkennen ist, besteht einer der Vorteile der integrierten nanofluidischen Einheit 200 in der Fähigkeit, einen der Auslasskanäle (z. B. die Auslasskanäle 108 für durchgeleitete Fraktionen) durch die Bohrungslöcher 106 zurück hinunter zu der Beladungsschicht 201 abzuleiten. Die Bohrungslöcher 106 der Sortierschicht 202 speisen den Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen der Beladungsschicht 201. Dadurch wird die geometrische Unmöglichkeit vermieden, die beiden einzelnen Fraktionsströme auf derselben Ebene (d. h. sowohl den abgeleiteten als auch den durchgeleiteten Fraktionsstrom auf der Sortierschicht 202) wieder zusammenzuführen, ohne dass sich die Ströme überkreuzen. Die andere Fraktion (d. h. die abgeleitete Fraktion) verbleibt in den Auslasskanälen 114 auf der Sortierschicht 202. Die abgeleitete Fraktion strömt durch die Auslasskanäle 114 und wird in das Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen geleitet. Von dem Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen auf der Beladungsschicht 201 aus mündet die abgeleitete Fraktion in den Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen auf dem Chip der Sortierschicht 202 und sammelt sich in diesem. Bei einer Umsetzung kann die Sortierschicht 201 die abgeleitete Fraktion durch das äußere Bohrungsloch 264 in der Oxidversiegelung an eine äußere Auffangeinrichtung weiterleiten.
3A, 3B, 3C, 3D und 3E veranschaulichen unterschiedliche Gestaltungen der Nanosäulen-Arrays 102 gemäß einer Ausführungsform. Unterschiedliche Gestaltungen der Nanosäulen-Arrays 102 können abhängig von Probenanforderungen, der zu verarbeitenden Kapazität und der Durchlaufzeit verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform ist 3A eine schematische Darstellung eines Einzelkanal-Nanosäulen-Arrays 102 mit einem einzelnen Eingang und zwei Ausgängen, das als Einzelbeladungseinrichtung 302 bezeichnet wird. Die Einzelbeladungseinrichtung 302 kann als einfachste Nanosäulen-Sortiereinheit betrachtet werden. Die Einzelbeladungseinrichtung 302 hat einen geringen Flächenbedarf und kann daher dicht gepackt werden. Darüber hinaus kann das Nanosäulen-Array 102 auf eine beliebige Länge so über den Chip ausgeweitet werden, dass eine Kapazität mit hohem Volumen ermöglicht wird. Die Einzelbeladungseinrichtung 302 kann dazu verwendet werden, eine Probe mit einem einzigen Teilchen zu konzentrieren oder ein einzelnes Teilchen in einer Mehrteilchenlösung anzureichern. Möglicherweise sind aufgrund der Beladung der Einheit über die volle Breite einige der unerwünschten Teilchen in der Lage, in den angereicherten, verdrängten Strom überzugehen.
Gemäß einer Ausführungsform ist 3B eine schematische Darstellung eines Einzelkanal-Arrays mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen, das als Doppelbeladungseinrichtung 304 bezeichnet wird. Die Doppelbeladung 304 ermöglicht eine vollständige Trennung von Teilchen (z. B. kleinen und großen Teilchen) in einer Mehrteilchenlösung. Der Eingangsteilchenstrom wird durch einen Eingangspufferstrom von einem Einlassbohrungsloch 303 in einen schmalen Strahl gepresst, was zu einem Übergangsbereich führt, durch den abgeleitete Teilchen geleitet werden können und in dem sie von dem Probenstrahl getrennt werden können. Die sortierten Teilchen treten durch einen Ausgang aus, wohingegen die verbleibenden Teilchen aus dem anderen (dem Bohrungsloch 106) ausströmen. Für ein Packen mit hoher Dichte muss zumindest entweder der Speiseeingang oder der Speiseausgang der Doppelbeladungseinrichtung 304 ein Einlassbohrungsloch 303 von einem Beladungsschicht-Hohlraum 401 sein (wie in 4A und 4B dargestellt).
Gemäß einer Ausführungsform veranschaulichen 3A und 3B zwei Gestaltungen für Dreifachbeladungseinrichtungen 306 und 308. Bei einer Dreifachbeladungseinrichtung handelt es sich um ein Einzelkanal-Array mit drei Eingängen und zwei Ausgängen. 3C veranschaulicht die Dreifachbeladungseinrichtung 306, die bei einer Umsetzung mit einer Ringeinspeisung für die Pufferlösung aufgebaut ist.
3D veranschaulicht die Dreifachbeladungseinrichtung 308, die bei einer weiteren Umsetzung mit drei unabhängig gespeisten Eingängen aufgebaut ist. In 3D kann die Dreifachbeladungseinrichtung 308 dazu verwendet werden, mithilfe zweier einhüllender Pufferströme einen schmalen Teilchenstrahl zu erzeugen. Ein schmaler Eingangsteilchenstrahl ermöglicht einen höheren Auflösungsgrad für die Trennung von Teilchen verschiedener Größen. Bei der Einzelbeladungseinrichtung 302, der Doppelbeladungseinrichtung 304, der Dreifachbeladungseinrichtung 306 und der Dreifachbeladungseinrichtung 308 handelt es sich jeweils um ein Sortierelement.
3E ist eine Teilansicht einer schematischen Darstellung von parallelen Doppelbeladungseinrichtungen 304 als Sortierelementen 300 gemäß einer Ausführungsform. Die parallelen Doppelbeladungseinrichtungen 304 weisen verbundene Eingänge wie zum Beispiel verbundene Einspeise-Einlassbohrungslocher 303 zum Austragen eines Fluids durch Einspeisekanäle 305 auf. Darüber hinaus weisen die parallelen Doppelbeladungseinrichtungen 304 verbundene Ausgänge wie zum Beispiel verbundene Auslasskanäle 110 für abgeleitete Fraktionen und verbundene Bohrungslöcher für durchgeleitete Fraktionen auf. Die parallelen Doppelbeladungseinrichtungen 304 ermöglichen ein verstärktes Packen der Nanosäulen-Arrays 102.
Gemäß einer Ausführungsform ist 4A eine schematische Darstellung eines einzelnen Satzes 450 von Doppelbeladungseinrichtungen 304 (als miteinander verbundenen Sortierelementen 300), die so miteinander verbunden sind, dass sie parallel arbeiten, wobei ihre Nanosäulen-Arrays 102 gleichzeitig (d. h. parallel) ein Fluid von dem Einlasskanal 112 verarbeiten, das in die Einspeisekanäle 104 eingespeist wird, und ein Fluid von den Einlassbohrungslöchern 303 verarbeiten, das in die Einspeisekanäle 305 eingespeist wird. Die abgeleiteten Fraktionen (d. h. größere Teilchen, die von dem kritischen Winkel der Nanosäulen-Arrays 102 betroffen sind) strömen durch die Auslässe 110 für abgeleitete Fraktionen zu dem Auslasskanal 114. Umgekehrt strömen die durchgeleiteten Fraktionen (d. h. kleinere Teilchen, die von dem kritischen Winkel der Nanosäulen-Arrays 102 nicht betroffen sind) durch die Auslässe 108 für durchgeleitete Fraktionen zu den Bohrungslöchern 106. Der Satz 150 von miteinander verbundenen Doppelbeladungseinrichtungen 304 (als miteinander verbundenen Sortierelementen 300) ermöglicht ein paralleles Verarbeiten einer größeren Menge eines Fluids (das zu sortierende Teilchen aufweist) als ein einzelnes Sortierelement.
Gemäß einer Ausführungsform ist 4B eine schematische Darstellung einer integrierten nanofluidischen Einheit 400, die einen zweischichtigen Stapel von Chips aufweist, bei denen es sich um die mikrofluidische Beladungs-/Entladungsschicht 401 und um die nanofluidische Sortierschicht 402 handelt. Die Beladungs- und Entladungsschicht 401 ist dazu gestaltet, mit dem Fluid beladen zu werden, das die Probe enthält, und das Fluid aufzufangen, dessen Probe durch die Nanosäulen-Arrays 102 in den Sätzen 450 sortiert worden ist. In 4B wird die integrierte nanofluidische Einheit 400 durch Stapeln der Sortierschicht 402 (Chip) auf der Oberseite der Beladungsschicht 401 so ausgebildet, dass das Fluid zwischen der Beladungsschicht 401 und der Sortierschicht 402 strömen kann, wie hierin erörtert.
Die Beladungsschicht 401 beinhaltet den (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270, der durch ein äußeres Bohrungsloch 260 direkt mit einer äußeren Antriebspumpe verbunden ist. Das äußere Bohrungsloch 260 ermöglicht eine äußere Verbindung mit der integrierten nanofluidischen Einheit 400 (wie in 1 und 2 erörtert).
Eine Flüssigkeitsprobe kann durch das Bohrungsloch 120 durch den (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270 zu der Chip-Sortierschicht 402 strömen. Das gestrichelte Loch 120 zeigt die Position in der Beladungsschicht 401, die so mit dem Einlassspeiseloch 120 in der Sortierschicht 202 übereinstimmt, dass einem Fluid ermöglicht wird zu strömen. Ein Netzwerk von verzweigenden Einlasskanälen 112 erstreckt sich von dem Einlassspeiseloch 120 zu den Sätzen 450 von Doppelbeladungseinrichtungen 304 hinaus, die in der Sortierschicht 402 gefertigt sind.
Die Beladungsschicht 401 beinhaltet Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen, und jeder der Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen ist mit Bohrungslöchern 106 (unterhalb) in einer Reihe von Sätzen 450 (auf der Sortierschicht 402) so ausgerichtet, dass die Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen die durchgeleiteten Fraktionen (z. B. kleinere Teilchen) empfangen. Die durchgeleiteten Fraktionen werden in dem Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen aufgefangen, und eine äußere Bohrung 262 kann dazu verwendet werden, die durchgeleiteten Fraktionen z. B. mithilfe eines Vakuums oder eines Unterdrucks aus dem Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen auszuleiten. In 4B sind vier horizontale Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen in der Beladungsschicht 401 mit Löchern (die nicht dargestellt werden, um die Figur nicht unklar werden zu lassen) ausgebildet, die mit jedem der Bohrungslöcher 106 in den vier Reihen von Sätzen 450 übereinstimmen. Dementsprechend ist die Anzahl von horizontalen Auslasskanälen 276 für durchgeleitete Fraktionen so gestaltet, dass sie der Anzahl von Reihen von Sätzen 450 entspricht.
Die Beladungsschicht 401 beinhaltet einen Auslasskanal-Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen, und der Auslasskanal-Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen ist an dem Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen der Sortierschicht 402 geöffnet. Der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen ist so gestaltet, dass er die abgeleitete Fraktion (z. B. größere Teilchen) empfängt, die über das Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen von den Auslasskanälen 114 hinunter ausgetragen wird.
Darüber hinaus beinhaltet die Beladungsschicht 401 vier horizontale Einlassbohrungskanäle 460, und jeder der Einlassbohrungskanäle 460 ist so mit Einlassbohrungslöchern 303 (d. h. unterhalb) in einer Reihe von Sätzen 450 (auf der Sortierschicht 402) ausgerichtet, dass die Einlasskanäle 460 ein Fluid (z. B. einen Puffer) hinauf in die Einlassbohrungslöcher 303 einbringen. Das Fluid von den Einlassbohrungskanälen 460 wird in die Einspeisekanäle 305 durchgeleitet, damit es durch die Nanosäulen-Arrays 102 verarbeitet wird. In 4B sind vier horizontale Einlassbohrungskanäle 460 in der Beladungsschicht 401 mit Löchern (die nicht dargestellt werden, um die Figur nicht unklar werden zu lassen) ausgebildet, die mit jedem der Einlassbohrungslöcher 303 in den vier Reihen von Sätzen 450 übereinstimmen. Den Einlassbohrungskanälen 460 wird von einem Einlassbohrungs-Hohlraum 462 ein Fluid zugeführt. Ein äußeres Bohrungsloch 464 ermöglicht eine äußere Verbindung mit dem Einlassbohrungs-Hohlraum 462 zum Zuführen eines Fluids.
Die Beladungsschicht 401 beinhaltet einen Auslasskanal-Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen, und der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen ist an dem Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen der Sortierschicht 202 geöffnet. Der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen ist so gestaltet, dass er die abgeleiteten Fraktionen (z. B. größere Teilchen) über das Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen der Sortierschicht 402 von den Auslasskanälen 114 empfängt.
Gemäß Ausführungsformen ist zu beachten, dass Arrays mit größeren Zahlen von Eingängen und Ausgängen konstruiert werden können. Durch Erhöhen der Anzahl von Eingangsströmen wird jedoch der Flächenbedarf einer einzelnen Sortiereinheit erhöht, wodurch die Packdichte verringert wird. Mehrere aufeinanderfolgende Ausgänge können wünschenswert sein, wenn mehr als ein einzelnes Teilchen in einer einzelnen Sortiereinheit auszusortieren ist. Gemäß Ausführungsformen kann jeder Ausgang durch eine andere Speisung/Bohrung geführt werden und in der Beladungsschicht aufgefangen werden.
Mehrere Modifizierungen der integrierten nanofluidischen Einheiten 200, 400 können vorgenommen werden. Beispielsweise können durch Hinzufügen zusätzlicher mikrofluidischer Chips zu dem Stapel zusätzliche Hohlräume hinzugefügt werden. Größere Hohlräume können durch Bohrungslöcher in dem Chip in kleinere Hohlräume gespeist werden, und dies ermöglicht eine präzisere räumliche Verteilung einer Probe auf die erforderlichen nanofluidischen Einheiten auf oberen Sortierschichten. Ein Beispiel dafür wird in 8A und 8B dargestellt. 8A und 8B veranschaulichen eine schematische Darstellung einer dreischichtigen integrierten nanofluidischen Einheit 800 mit verbundenen Doppelbeladungseinrichtungs-Sortierelementen. Bei dieser Gestaltung ist die Sortierschicht (L3) 803 aus Sätzen von Doppelbeladungseinrichtungen gebildet, deren Speiseeingänge und -ausgänge sämtlich über Bohrungslöcher mit kleineren Hohlräumen in einer Zwischenschicht (Verteilungs- & Auffangschicht L2) 802 verbunden sind. Diese Zwischenschicht 802 wird anschließend durch Bohrungen durch größere Hohlräume in der Beladungsschicht (L1) 801 gespeist. 813 ist eine schematische Strömungsdarstellung, die die Richtung jeder Fluidprobe veranschaulicht, während das Fluid während des Betriebs den Chip-Stapel durchläuft.
Ein weiteres Beispiel wird in 9A und 9B dargestellt, in denen eine dreischichtige integrierte nanofluidische Einheit 900 verwendet wird. 9A und 9B veranschaulichen eine schematische Darstellung der integrierten nanofluidischen Einheit 900, in der eine Kombination von Hohlräumen und Bohrungslöchern auf allen drei Ebenen 901, 902, 903 verbundene Doppelbeladungseinrichtungs-Sortierelemente speist. Die schematische Strömungsdarstellung in 9B stellt die Richtung jeder Fluidprobe dar, während sie während des Betriebs den Chip-Stapel durchläuft. Darüber hinaus können mehrere Hohlräume pro Schicht und innerhalb mehrerer Schichten hinzugefügt werden. Insofern können mehrere Hohlräume Hilfslösungen wie zum Beispiel Puffer, Markierungsreagenzien, Lyselösungen usw. bereitstellen, die nach Bedarf in Sortierschichten geleitet werden können.
Zusätzliche Sortierschichten können hinzugefügt werden, sodass ein mehrstufiges Sortieren in einer integrierten nanofluidischen Einheit erzielt werden kann. Beispielsweise kann die aufgefangene abgeleitete Fraktion einer Sortierschicht zu einem zweiten Chip hinauf geleitet werden, wo die aufgefangene abgeleitete Fraktion neu zu einem zweiten Satz von Nanosäulen-Arrays verteilt werden kann, wodurch ein zweistufiger Sortierprozess ermöglicht wird. Alternativ kann der Ausgang aus jedem Nanosäulen-Array direkt hinauf in Nanosäulen-Arrays auf einer zweiten Sortierschicht gespeist werden. Dies ist besonders nützlich, wenn der Prozessablauf eines typischen Sortiervorgangs betrachtet wird, bei dem zuerst größere Objekte (z. B. Zellen, Verunreinigungen, Staub) aus einer Probe aussortiert werden sollen, bevor kleinere Objekte (z. B. Organellen, Ribosome, DNA, Vesikel, Proteine) sortiert werden. Auf diese Weise kann ein größeres Sortier-Array im Mikromaßstab auf einer Schicht direkt hinauf in mehrere Sortier-Arrays im Nanomaßstab auf einer zweiten Ebene einspeisen. Mehrere Fluidfraktionen können auch zu angrenzenden Schichten in dem Stapel abgeleitet werden, was ermöglicht, dass unterschiedliche Fraktionen zum Auffangen oder Entsorgen in mehreren Hohlräumen aufgefangen werden. Die Anzahl der Sortierebenen kann gemäß Ausführungsformen wie gewünscht erhöht werden, und der Begrenzungsfaktor ist die Fähigkeit, die Fluidströmung gegen den zunehmenden hydrodynamischen Widerstand des vollständigen Netzwerks der Einheit aufrechtzuerhalten.
Ausführungsformen können mit einer Umhüllung oder einem Gehäuse gekoppelt werden, die/das als Fluidzelle bezeichnet wird, sodass eine Verbindung mit der Außenwelt ermöglicht wird. Die Funktion der Fluidzelle besteht darin, Verbindungen zwischen makroskopischen Quellen (z. B. Pumpen, Hohlräumen, Computern, Ätzungen) und den Chip-Eingängen/-Ausgängen zu ermöglichen. Diese Verbindungen ermöglichen, dass ein Fluid (eine Probe), elektrische Signale, optische Signale usw. an den und von dem Chip weitergegeben und gemessen werden. Der Chip und die Fluidzelle werden zusammen als Einheit bezeichnet. Verschiedene Verfahren können dazu verwendet werden, die Fluidströmung in die Einheit zu lenken, und zu einigen Beispielen zählen: äußere Pumpen, Elektrophorese, elektrische Felder auf einem Chip, Oszillatoren oder Membranen auf einem Chip, direkte Kapillarbenetzung, ein chemo-kapillarer Antrieb, ausgelöste Veränderungen von Oberflächenspannungen, Magnetfelder usw. Diese Antriebsmechanismen können in die Basiseinheit oder in ein äußeres Gehäuse oder eine äußere Steuereinheit eingebaut werden.
Gemäß einer Ausführungsform können mehrere Fluids (Proben, Teilchen, Analyten usw.) parallel auf einem Chip verarbeitet werden, wie in 5 dargestellt. 5 ist eine schematische Darstellung einer integrierten nanofluidischen Einheit 500, die den zweischichtigen Stapel von Chips aufweist, bei denen es sich um die mikrofluidische Beladungs-/Entladungsschicht 501 und um die nanofluidische Sortierschicht 502 handelt.
Mehrere Einlasskanal-Hohlräume 562A, 562B, 562C, 562D, 562E in der Beladungsschicht 501, die (durch ihre jeweiligen äußeren Bohrungslöcher 260) jeweils mit einer äußeren Quelle mit einem unterschiedlichen Fluid/Analyten verbunden sind, können parallel geladen werden. Jedes Fluid kann in verschiedene Sätze 450 von Nanosäulen-Arrays 102 geleitet werden, wodurch ein gleichzeitiges Verarbeiten ermöglicht wird. Ein Mischen verschiedener Analytenlösungen kann mit Verbindungsstellen entweder bei der Beladungsschicht 501 oder der Sortierschicht 502 vereinfacht werden.
Als Beispiel für ein Hin- und Herführen eines Fluids zu dem oberen Satz 450 kann ein Fluid in den Einlasskanal-Hohlraum 562A auf der Beladungsschicht 501 eingebracht werden, und die Einlassbohrung 580, die mit dem Einlasskanal 112A verbunden ist, empfängt das Fluid in der Sortierschicht 502. Das Fluid wird durch den Einlasskanal 112A geleitet und auf die Nanosäulen-Arrays 102 verteilt, die mit dem Einlasskanal 112A in dem Satz 450 verbunden sind. Darüber hinaus empfängt jedes Nanosäulen-Array 102 ein Fluid in seinem jeweiligen Einlassbohrungsloch 303 von dem ausgerichteten Einlassbohrungskanal 460, und die Einlassbohrungskanäle 460 sind so mit einem Einlassbohrungs-Hohlraum 462 verbunden, dass sie ein Fluid durch die äußere Bohrung 464 empfangen. Nach dem Sortieren der Proben in dem empfangenen Fluid durch die Nanosäulen-Arrays 102 in dem oberen Satz 450 führt jedes Nanosäulen-Array 102 seine durchgeleitete Fraktion (z. B. kleinere Teilchen) durch seine Auslassbohrungslöcher 106 für durchgeleitete Fraktionen dem oberen Auslasskanal 276 für durchgeleitete Fraktionen (der mit dem oberen Satz 450 ausgerichtet ist) zu. Der obere Auslasskanal 276 für durchgeleitete Fraktionen führt die durchgeleitete Fraktion durch die äußere Bohrung 262 dem Auslassbohrungs-Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen zum Auffangen zu. In ähnlicher Weise führt nach dem Sortieren der Proben in dem empfangenen Fluid durch die Nanosäulen-Arrays 102 in dem oberen Satz 450 jedes Nanosäulen-Array 102 seine abgeleitete Fraktion seinem Auslasskanal 114A zu. Der Auslasskanal 114A ist so mit seinem Speiseauslass 582 verbunden, dass er die abgeleitete Fraktion dem entsprechenden Auslasskanal-Hohlraum 274A für abgeleitete Fraktionen so zuführt, dass die aufgefangene abgeleitete Fraktion durch die entsprechende äußere Bohrung 264 ausgeleitet werden kann.
Anders als bei den integrierten nanofluldischen Einheiten 200 und 400 weist die integrierte nanofluidische Einheit 500 vier unabhängige Sätze 450 von Nanosäulen-Arrays 102 auf, und jeder Satz 450 kann ein Fluid getrennt empfangen, verarbeiten und austragen. In 5 sind die Einlasskanal-Hohlräume 562A, 562B, 562C, 562D, 562E in der Beladungsschicht 501 durch Einlasslöcher 580 jeweils mit Einlasskanälen 112A, 112B, 112C, 112D, 112E auf der Sortierschicht 502 so verbunden, dass ein Fluid von den Einlasskanal-Hohlräumen 562A bis 562E unabhängig den Einlasskanälen 112A bis 112E zugeführt werden kann. In ähnlicher Weise sind die Auslasskanal-Hohlräume 274A, 274B, 274C, 274D, 274E für abgeleitete Fraktionen in der Beladungsschicht 501 durch jeweilige Einlasslöcher 582 jeweils mit Auslasskanälen 114A, 114B, 114C, 114D, 114E auf der Sortierschicht 502 so verbunden, dass ein Fluid (d. h. eine abgeleitete Fraktion) von den Auslasskanälen 114A bis 114E unabhängig den jeweiligen Auslasskanal-Hohlräumen 274A bis 274E für abgeleitete Fraktionen zugeführt werden kann. Wie hierin erörtert, ist jeder der horizontalen Einlassbohrungskanäle 460 jeweils so mit einer Reihe von Einlassbohrungslöchern 303 für jeden Satz 405 ausgerichtet, dass ein Fluid von dem Einlassbohrungs-Hohlraum 462 in alle Reihen von Einlassbohrungslöchern 303 eingebracht wird. Darüber hinaus ist jeder der horizontalen Auslasskanäle 276 für durchgeleitete Fraktionen jeweils so mit einer Reihe von Auslassbohrungslöchern 106 für jeden Satz 450 ausgerichtet, dass ein Fluid (z. B. eine durchgeleitete Fraktion) von sämtlichen Reihen von Auslassbohrungslöchern 106 in den Auslassbohrungs-Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen eingebracht wird.
Die Anzahl von Analyten ist unbegrenzt und hängt nur von den Grenzen der Einheitendichte ab (z. B. könnten bei einem Chip mit 1.000 Reihen von unabhängigen Sätzen (Einheiten) 1.000 unabhängige Analyten gleichzeitig geladen und verarbeitet werden). Das Laden jedes Analyten kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden; eine einzelne äußere Verbindung (z. B. ein Schlauch, eine Spritze, eine Pipette, eine Kapsel usw.) kann direkt mit der Beladungsschicht 501 verbunden werden, sodass eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen Analyt und Eingang entsteht. In Fällen, in denen dies aufgrund einer zu großen Verdichtung von Verbindungen räumlich unmöglich ist, kann eine einzelne oder ein Satz von Verbindungen (z. B. Schläuche, Düsen) hergestellt werden, um jeden Hohlraum 274A bis 274E für abgeleitete Fraktionen nacheinander zu überprüfen und zu beladen.
Unterschiedliche Analyten werden über einen Satz von makroskopischen äußeren Ventilen und Pumpen/Treibern, die nacheinander zum Laden auf einen Chip neue Analyten einspeisen, abführen, reinigen und erneut in die Verbindung einspeisen, in die Verbindungen geladen. Die Eingaben und Ausgaben, die aus der Basiseinheit stammen, wie zum Beispiel Fluidströmungsmengen, der Probengehalt, elektrische Signale usw. können gelesen werden, um den Zustand der integrierten nanofluidischen Einheit und den Grad der Betätigung zu ermitteln. Dies kann besonders bei einer hochdichten Integration von fluidischen Einheiten zutreffen, bei der eine Steuerung von Antriebskräften und ein Überwachen einer Ausgangsströmungsmenge für eine erfolgreiche Trennung eingesetzt werden.
Es ist zu beachten, dass Ausführungsformen auch eine Leseeinheit zum Überwachen der Eingaben/Ausgaben der Basiseinheit (d. h. der integrierten nanofluidischen Einheit) umfassen können. Die Leseeinheit kann Instrumente beinhalten, die zum Überwachen des Zustands des Fluids und seiner Strömung erforderlich sind, um die Probenteilchen zu zählen, die in die Basiseinheit eintreten und diese verlassen, z. B. durch optische Erkennung (direkte Bildgebung, Fluoreszenz, Absorbierung, Zwei-Photonen-Anregung usw.), elektrische Erkennung (Kapazität, piezoelektrisch usw.), Magnetfelder, Radioaktivität usw., oder um jegliche elektrischen Signale zu erfassen, die auf dem Chip erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform kann ein Chip ein Deckglas beinhalten, sodass der gesamte Satz von nanofluidischen Einheiten durch Hellfeld- oder Fluoreszenzmikroskopie direkt abgebildet werden kann, um die Teilchenströmung (die Fluidgeschwindigkeit) in situ zu untersuchen. Eine automatisierte elektronische Kamera und ein Computersystem können dazu verwendet werden, den Zustand jedes Arrays zu überprüfen und auszuwerten, was eine Qualitätssteuerung und eine Echtzeitüberwachung des Trennprozesses ermöglicht. Bei diesem Beispiel für eine Ausführungsform kann die Leseeinheit die Basiseinheit (z. B. die integrierte nanofluidische Einheit) und zusätzlich die Kamera, den Computer und jegliche Hilfskomponenten oder ein Gehäuse beinhalten, die erforderlich sind, um die Gruppe zu betreiben.
Die Art der zu sortierenden Probe gibt im Allgemeinen die erforderlichen Größen der Kanalbreiten und der Nanosäulen-Arrays vor. Im Allgemeinen wird eine chemische Modifizierung der Oberflächen innerhalb jeder Schicht durchgeführt, da sich die meisten Kolloide und Moleküle, im Besonderen biologische Materialien, auf den bloßen Siliciumdioxidflächen anlagern und zusammenballen. Eine Oberflächenmodifizierung kann eine Abscheidung von Materialien vor einem Versiegeln des Stapels, ein Ausbilden von ionischen Komplexen zwischen der geladenen Siliciumdioxidfläche und entsprechend geladenen Teilchen, eine Anlagerung von kleinen Molekülen oder Polymeren so, dass eine physisorbierte Oberflächenschicht ausgebildet wird, und/oder chemisches Binden (d. h. durch Siloxan-Bindungen) von organischen und anorganischen Molekülen an die Siliciumdioxidfläche beinhalten. Eine chemische Modifizierung kann durchgeführt werden, nachdem der Stapel verbunden worden ist (d. h. nachdem die Beladungs- und die Sortierschicht miteinander verbunden worden sind). Eine Abscheidung von dünnen Schichten des Materials, im Besonderen von Metallen oder Oxiden, auf den Flächen einer einzelnen Schicht ermöglicht eine eigene Funktionalisierung einer bestimmten Schicht wie zum Beispiel einer Beladungsschicht mit einer durch eine Hydrosilan- oder Thiol-Monoschicht modifizierten Platinoberflächenbeschichtung, eine Einspeisung in eine Sortierschicht mit einer durch eine Halosilan-Monoschicht modifizierten Siliciumdioxidoberfläche. Dies bietet die Möglichkeit, das chemische Umfeld jeder Schicht so anzupassen, dass optimierte Sortierungsbedingungen ermöglicht werden.
Ausführungsformen können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Zu einigen der Anwendungen für Ausführungsformen können Reinigung, Extraktion, Konzentration, Anreicherung und Diagnostik zählen. Bei der Reinigung handelt es sich um die Entfernung eines oder mehrerer Teilchen aus dem Hauptprobenstrom. Die Nanosäulen-Arrays sind so gestaltet, dass sie die/das zu entfernende(n) Teilchen verdrängen und die durchgeleiteten Teilchen aufgefangen werden. Bei der Extraktion handelt es sich um das Aussortieren und Auffangen eines oder mehrerer erwünschter Teilchen aus dem Hauptprobenstrom. Das Nanosäulen-Array verdrängt die erwünschten Teilchen, die in einem getrennten Hohlraum aufgefangen werden. Bei der Konzentration handelt es sich um die Verwendung der Nanosäulen dazu, die Teilchen aus einem breiten Strom in einen schmalen Strom zu verdrängen, wodurch die Teilchendichte wirksam erhöht wird.
Die Anreicherung ist dasselbe wie die Konzentration; der eingebrachte Teilchenstrom enthält jedoch Teilchen, die nicht verdrängt werden, und so nimmt die Dichte des erwünschten Teilchens im Hinblick auf die unsortierten zu. Die Diagnostik beinhaltet die Erkennung eines bestimmten Teilchens durch Nachverfolgen, ob es in Nanosäulen-Arrays sortiert wird. Das gewünschte Teilchen kann verdrängt werden und der resultierende sortierte Strom mithilfe von Fluoreszenz, elektrischer Erkennung, Sichtprüfung usw. erkannt werden. Alternativ können unerwünschte Teilchen verdrängt werden und der durchgeleitete Strom erwünschter Teilchen auf dieselbe Weise gelesen werden. Bei der Reinigung, Extraktion, Konzentration und Anreicherung handelt es sich in erster Linie um präparative Anwendungen, die ausreichende Volumen einer zu verarbeitenden und von dem Chip aufzufangenden Probe erfordern. Die Diagnostik kann abhängig von der Anwendung auf einem Chip oder außerhalb eines Chips durchgeführt werden und erfordert zum Verarbeiten keine großen Volumen.
Es ist zu berücksichtigen, dass Ausführungsformen Strukturen und Techniken für die Integration großer Zahlen von Nanosäulensortier-Arrays in einer einzelnen integrierten nanofluidischen Einheit mithilfe von mehrschichtigen, verbundenen Chip-Stapeln bereitstellen. Die resultierende integrierte nanofluidische Einheit ist so gestaltet, dass sie Flüssigkeitsproben, die aus verschieden großen Teilchen bestehen, in Bestandteilaliquoten mit individuellen Teilchengrößen sortiert.
Die Proben können biologisch sein, z. B. DNA, RNA, Polysaccharide, Proteinkomplexe, Viren, Vesikel, Liposome, Exosome, Plättchen, Organellen, Sporen, Zellen usw. Darüber hinaus kann die Probe materiell/chemisch sein, z. B.: synthetische Kolloide, Nanodrähte, Polymere und/oder Kristalliten. Eine integrierte nanofluidische Einheit beinhaltet einen mikrofluidischen Basis-Chip (d. h. eine Beladungsschicht) mit einem großen Hohlraum, in den die Probe geladen wird, und einen zweiten Chip (d. h. eine Sortierschicht), der an die mikrofluidische Schicht gebunden ist, wobei der zweite Chip Sätze von Nanosäulensortier-Arrays aufweist, die durch Bohrungslöcher, die durch die Chips geätzt sind, mit dem mikrofluidischen Hohlraum verbunden sind. Anschließend wird die Flüssigkeitsprobe auf die Nanosäulen-Arrays gepresst, wo die Flüssigkeitsprobe in Ausgangsströme von sortierten und unsortierten Teilchen getrennt wird.
Bei Ausführungsformen ist ein bestimmter Aspekt die Möglichkeit, einen Ausgangsstrom zu einer angrenzenden Schicht in dem Chip-Stapel (entweder aufwärts oder abwärts) zu leiten, wodurch die geometrische Einschränkung beseitigt wird, von einem Typ eines Ausgangsstroms sämtliche innerhalb der Ebene eines einzelnen Chips miteinander zu verbinden. Dies ermöglicht, dass große Sätze paralleler Sortier-Arrays gleichzeitig arbeiten und ihre Ausgangsströme in einem abschließenden Hohlraum neu zusammenzuführen, sodass eine Flüssigkeit in dem abschließenden Hohlraum auf praktische Weise aufgefangen werden kann (z. B. durch Pipettieren, Zentrifugieren, Blotten, Kapillare usw.). Dementsprechend bieten Ausführungsformen ein praktisches Mittel, um Nanosäulen-Arrays zum Trennen größerer Mengen einer Flüssigkeitsprobe durch verteilte Verarbeitung zu verwenden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Nanosäulen-Arrays zur Veranschaulichung als beispielhafter Typ für ein Sortier-Array erörtert worden sind. Es ist zu beachten, dass die Sortier-Arrays nicht auf Nanosäulensortier-Arrays beschränkt sind und dass gemäß Ausführungsformen sonstige Typen von Sortier-Arrays eingesetzt werden können.
In der Praxis kann die Fläche der integrierten nanofluidischen Einheit auf die praktischen Grenzen der Silicium-Lithographie-Nanotechnologie skaliert werden. Beispielsweise können Chip-Sätze mit Wafer-Größen von 8'' (Zoll) mit aktuellen Fertigungsmöglichkeiten gefertigt und verbunden werden, was eine Massenfertigung von integrierten nanofluidischen Sortiereinheiten mit hoher Dichte und hohem Durchsatz ermöglicht. Dies bedeutet, dass ohne Weiteres Einheiten im Bereich von Hunderten von Mikrometern über Millimeter bis zu einigen zehn Zentimetern hergestellt werden können. Bei einer Packdichte von ~500 Einheiten/cm², die bei einer praktischen Strömungsmenge von 1 nL·s^–1 verarbeitet, bedeutet dies, dass eine Einheit von 1 cm² ~ 1 bis 2 Milliliter pro Stunde (mL·h^–1) verarbeiten kann. Bei einem typischen Layout auf einem Silicium-Wafer von 8'', das etwa 50 cm² ergibt, bedeutet dies eine Kapazität von ~100 mL·h^–1.
10 stellt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Bohrungslochs, das dazu verwendet werden kann, Strömungselemente zwischen zwei Silicium-Chip-Schichten zu verbinden, gemäß einer Ausführungsform dar. 10 veranschaulicht eine Overhead-Projektion der Durchgangsbohrung in den Schichten 1 und 2 zusammen mit einer Explosionsansicht der Durchgangsbohrung. Eine Durchgangsbohrung wird so geätzt, dass ein Fluidraum auf der Oberseite des Chips (in diesem Fall auf der Schicht 1) mit einem zweiten Raum auf einem Chip darunter (Schicht 2) verbunden wird. Das Bohrungsloch befindet sich in der Überdeckung der Schicht 2, die durch die Rückseite der Schicht 1 ausgebildet wird. Bohrungen stellen die Verbindung zwischen fluidischen Netzwerken auf unterschiedlichen Chips bereit und ermöglichen die Verkleinerung der Geometrie, die für Nanosäulensortier-Arrays mit hoher Dichte erforderlich ist. Die schematischen Symbole, die zum Veranschaulichen der Ausführungsformen verwendet worden sind, sind an die Geometrie der Bohrungen in 10 angepasst. Wenngleich zwei Schichten mit einer einzigen Durchgangsbohrung dargestellt werden, versteht es sich, dass mehr Schichten und mehr Durchgangsbohrungen verwendet werden können.
6 ist ein Ablaufplan 600 eines Verfahrens zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit 200 gemäß einer Ausführungsform.
in Block 605 beinhaltet eine Beladungsschicht 201 einen (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270, einen Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen, wie in 2A dargestellt.
In Block 610 wird eine Sortierschicht 202 so an der Beladungsschicht 201 angebracht, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird.
In Block 615 beinhaltet die Sortierschicht 202 einen Satz 150 von Sortierelementen 100.
In Block 620 weist die Sortierschicht 202 Einlasskanäle 112 und Auslasskanäle 114 auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei der (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270 durch ein Einlassspeiseloch 120 mit den Einlasskanälen 112 verbunden ist, wobei der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen durch ein Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen 114 verbunden ist und wobei der Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen durch Speiselöcher 106 für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen 100 verbunden ist und die Speiselöcher 106 für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen 100 verbunden sind.
7 ist ein Ablaufplan 700 eines Verfahrens zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit 400 gemäß einer Ausführungsform.
In Block 705 beinhaltet eine Beladungsschicht 401 einen (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270, einen Einlassbohrungs-Hohlraum 462, einen Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen.
In Block 710 wird eine Sortierschicht 402 so an der Beladungsschicht 401 angebracht, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird.
In Block 715 beinhaltet die Sortierschicht 402 einen Satz 150 von Sortierelementen (z. B. wie etwa die Doppelbeladungseinrichtung 304).
In Block 720 weist die Sortierschicht 402 Einlasskanäle 112 und Auslasskanäle 114 auf, die mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei der (Probenbeladungs-)Einlasskanal-Hohlraum 270 durch ein Einlassspeiseloch 120 mit den Einlasskanälen 112 verbunden ist, wobei der Hohlraum 274 für abgeleitete Fraktionen durch ein Auslassspeiseloch 122 für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen 114 verbunden ist, wobei der Hohlraum 272 für durchgeleitete Fraktionen durch Speiselöcher 106 für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden ist, die Speiselöcher 106 für durchgeleitete Fraktionen Jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind, und wobei der Einlassbohrungs-Hohlraum 462 durch Einlassbohrungslocher 303 mit den Sortierelementen verbunden ist.
Es Ist zu beachten, dass verschiedene Fertigungsverfahren für mikroelektronische Einheiten zum Fertigen der hierin erörterten Komponenten/Elemente eingesetzt werden können, wie für einen Fachmann ersichtlich ist. Bei der Fertigung von Halbleitereinheiten fallen die verschiedenen Verarbeitungsschritte in vier allgemeine Kategorien: Abscheiden, Entfernen, Strukturieren und Modifizieren von elektrischen Eigenschaften.
Die Abscheidung ist ein beliebiger Prozess, in dem ein Material aufgewachsen, beschichtet oder auf andere Weise auf den Wafer übertragen wird. Zu den verfügbaren Technologien zählen unter anderem physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD), chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD), elektrochemische Abscheidung (electrochemical deposition, ECD), Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) und in jüngerer Zeit Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD).
Die Entfernung ist ein beliebiger Prozess, in dem Material von dem Wafer entfernt wird: Zu Beispielen zählen Ätzprozesse (nass oder trocken) und chemisch-mechanisches Planarisieren (CMP) usw.
Strukturieren ist das Formen und Modifizieren von abgeschiedenen Materialien, und es wird allgemein als Lithographie bezeichnet. Beispielsweise wird bei der herkömmlichen Lithographie der Wafer mit einer Chemikalie beschichtet, die als Photolack bezeichnet wird; anschließend wird eine Maske durch eine Maschine, die als Stepper bezeichnet wird, fokussiert, ausgerichtet und verschoben, wobei ausgewählte Abschnitte des Wafers darunter mit einem kurzwelligen Licht belichtet werden; und die belichteten Bereiche werden durch eine Entwicklerlösung weggespült. Nach einem Ätzen oder einer sonstigen Bearbeitung wird der verbleibende Photolack entfernt. Zu einem Strukturieren zählt auch eine Elektronenstrahllithographie.
Die Modifizierung von elektrischen Eigenschaften kann ein Dotieren wie zum Beispiel ein Dotieren von Sources und Drains von Transistoren im Allgemeinen durch Diffusion und/oder durch Ionenimplantation beinhalten. Auf diese Dotierungsprozesse folgt eine Ofentemperung oder eine schnelle thermische Temperung (rapid thermal annealing, RTA). Das Tempern dient dazu, die implantierten Dotierstoffe zu aktivieren.
Die Ablaufpläne und Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Arbeitsweise möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt von Anweisungen darstellen, der eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zum Implementieren der angegebenen logischen Funktion(en) aufweist. Bei einigen alternativen Implementierungen können die in dem Block vermerkten Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren vermerkt auftreten. Beispielsweise können je nach einbezogener Funktionalität zwei nacheinander dargestellte Blöcke sogar im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können bisweilen in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ferner zu beachten, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder der Ablaufpläne und Kombinationen von Blöcken in den Blockschaubildern und/oder in den Ablaufplänen durch Spezialsysteme auf Grundlage von Hardware implementiert werden können, die die angegebenen Funktionen oder Vorgänge ausführen oder Kombinationen von Spezial-Hardware und Computeranweisungen ausführen.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgten zur Veranschaulichung, sind jedoch nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt gemeint. Viele Modifizierungen und Varianten sind für Fachleute ersichtlich, ohne vom Umfang und Gedanken der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erläutern oder um anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Integrierte nanofluidische Einheit, die aufweist: eine Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet; und eine Sortierschicht, die so an der Beladungsschicht angebracht ist, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, wobei die Sortierschicht einen Satz von Sortierelementen beinhaltet, wobei die Sortierschicht Einlasskanäle und Auslasskanäle aufweist, die mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei der Einlasskanal-Hohlraum durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden ist, wobei der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden ist und wobei der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden ist, wobei die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind.
Einheit nach Anspruch 1, wobei Einspeisekanäle jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei die Einspeisekanäle jeweils mit den Einlasskanälen verbunden sind.
Einheit nach Anspruch 1, wobei Auslässe für abgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei die Auslässe für abgeleitete Fraktionen jeweils mit den Auslasskanälen verbunden sind.
Einheit nach Anspruch 1, wobei Auslässe für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei die Auslässe für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Speiselöchern für durchgeleitete Fraktionen verbunden sind.
Einheit nach Anspruch 1, wobei der Einlasskanal-Hohlraum eine äußere Bohrung für einen Zugang zu dem Einlasskanal-Hohlraum aufweist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen eine äußere Bohrung für einen Zugang zu dem Hohlraum für abgeleitete Fraktionen aufweist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen eine äußere Bohrung für einen Zugang zu dem Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen aufweist.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Sortierschicht sonstige Sätze der Sortierelemente zusätzlich zu dem Satz der Sortierelemente beinhaltet.
Einheit nach Anspruch 8, wobei die Sortierschicht Reihen aus dem Satz und den sonstigen Sätzen der Sortierelemente beinhaltet.
Einheit nach Anspruch 1, wobei die Sortierelemente jeweils ein Nanosäulen-Array beinhalten, das so gestaltet ist, dass es Teilchen sortiert.
Integrierte nanofluidische Einheit, die aufweist: eine Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Einlassbohrungs-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet, und eine Sortierschicht, die so an der Beladungsschicht angebracht ist, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, wobei die Sortierschicht einen Satz von Sortierelementen beinhaltet, wobei die Sortierschicht Einlasskanäle und Auslasskanäle aufweist, die mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei der Einlasskanal-Hohlraum durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden ist, wobei der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden ist, wobei der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden ist, wobei die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind und wobei der Einlassbohrungs-Hohlraum durch Einlassbohrungslöcher mit den Sortierelementen verbunden ist.
Verfahren zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet; und Anbringen einer Sortierschicht an der Beladungsschicht so, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, wobei die Sortierschicht einen Satz von Sortierelementen beinhaltet, wobei die Sortierschicht Einlasskanäle und Auslasskanäle aufweist, die mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei der Einlasskanal-Hohlraum durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden ist, wobei der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden ist und wobei der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden ist, wobei die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind.
Verfahren zum Gestalten einer integrierten nanofluidischen Einheit, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Beladungsschicht, die einen Einlasskanal-Hohlraum, einen Einlassbohrungs-Hohlraum, einen Hohlraum für abgeleitete Fraktionen und einen Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen beinhaltet; und Anordnen einer Sortierschicht, die so an der Beladungsschicht angebracht ist, dass eine Fluidverbindung zwischen der Beladungs- und der Sortierschicht zugelassen wird, wobei die Sortierschicht einen Satz von Sortierelementen beinhaltet, wobei die Sortierschicht Einlasskanäle und Auslasskanäle aufweist, die mit den Sortierelementen verbunden sind, wobei der Einlasskanal-Hohlraum durch ein Einlassspeiseloch mit den Einlasskanälen verbunden ist, wobei der Hohlraum für abgeleitete Fraktionen durch ein Auslassspeiseloch für abgeleitete Fraktionen mit den Auslasskanälen verbunden ist, wobei der Hohlraum für durchgeleitete Fraktionen durch Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen mit den Sortierelementen verbunden ist, wobei die Speiselöcher für durchgeleitete Fraktionen jeweils mit den Sortierelementen verbunden sind und wobei der Einlassbohrungs-Hohlraum durch Einlassbohrungslöcher mit den Sortierelementen verbunden ist.