DE102019009203A1

DE102019009203A1 - Reaktionsgefäße aus Glas, Herstellungsverfahren und Verfahren zu Analyse

Info

Publication number: DE102019009203A1
Application number: DE102019009203.1A
Authority: DE
Inventors: Robin Krüger; Malte Schulz-Ruhtenberg; Jan van Aalst; Moritz Woller
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics SE
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reaktionsgefäßen aus Glas sowie den mit dem Verfahren erhältlichen Reaktionsgefäße aus Glas. Das Verfahren weist die Schritte
1. Einstrahlen eines Laserstrahls einer Wellenlänge, für die eine erste Glasplatte durchlässig ist, auf die Oberfläche der ersten Glasplatte,
2. Ätzen der ersten Glasplatte zur Ausbildung von Ausnehmungen, die sich über die vollständige Dicke der ersten Glasplatte erstrecken,
3. Verbinden einer zweiten Platte mit einer Oberfläche der ersten Glasplatte, auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reaktionsgefäßen aus Glas, die in Form von Ausnehmungen in Glas geformt sind. Das Glas, in dem die Reaktionsgefäße in einer Anordnung eingeformt sind, besteht aus zwei oder mehr als zwei miteinander verbundenen Glaselementen, optional unmittelbar miteinander verbunden oder mittels einer zwischen den Glaselementen angeordneten Verbindungsschicht. Das Verfahren erzeugt eine Anordnung einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen, die in Glas eingeformt ist, z.B. eine Anordnung von 25 x 25 Feldern von jeweils 8 x 12 Reaktionsgefäßen. Die Reaktionsgefäße sind in einer Vielzahl in einer Glasplatte ausgebildet, die aus einer ersten und einer damit dicht verbundenen zweiten Glasplatte oder weiteren in gleicher Weise verbundenen Glasplatten bestehen kann.
Das Verfahren hat den Vorteil, ohne mechanische Einwirkung auf ein massives Glas Ausnehmungen zu formen, die Reaktionsgefäße bilden, die daher keine mechanischen Beschädigungen aufweisen, z.B. keine Mikrorisse. Die Reaktionsgefäße weisen ein großes Streckungsverhältnis von Tiefe zu Durchmesser auf. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren zur Herstellung der Reaktionsgefäße zumindest ohne selektive Beschichtung der Glasoberfläche ablaufen kann, in der die Querschnittsöffnungen der Reaktionsgefäße gebildet sind, optional ohne jede Beschichtung der Oberflächen des Glases, in dem die Reaktionsgefäße gebildet werden.
Stand der Technik
Deutsch et al., Lab Chip, 2006, 69, 995-1000, beschreiben die Herstellung von Reaktionsgefäßen eines Durchmessers von 20 µm bei 8 µm Tiefe in einer Glasplatte durch Ätzen nach dem Auftragen einer Maske aus Chrom und darauf Photoresist.
Die US 2003/0211014 A1 beschreibt die Herstellung von Reaktionsgefäßen in Glas mittels eines mit Ultraschall beaufschlagten Werkzeugs und Schleifmittel zwischen dem Werkzeug und dem Glas.
Die EP 1 867 612 A1 beschreibt Mikrotiterplatten mit 96 Näpfen aus einem Boden aus Glas, das für UV durchlässig ist und durch Glasfritte mit einer Glasplatte verbunden ist, in der durchgehende Ausnehmungen die Seitenwände der Näpfe bilden.
Die EP 2 011 857 A1 beschreibt das Erzeugen von Oberflächenstrukturen am Boden von Mikrotiterplatten mittels eines photolithographischen Verfahrens.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein alternatives Herstellungsverfahren bereitzustellen, das insbesondere geeignet ist, Reaktionsgefäße mit einem großen Streckungsverhältnis bei insgesamt kleinem Volumen in Glas herzustellen, sowie eine Anordnung einer Vielzahl solcher Reaktionsgefäße in Glas bereitzustellen. Bevorzugt soll das Verfahren geeignet sein, eine Anordnung solcher Reaktionsgefäße bereitzustellen, bei der das Glas bei Bestrahlung mit Licht einen hohen optischen Kontrast zu Zellen in den Reaktionsgefäßen bildet.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche und insbesondere mit einem Verfahren zur Herstellung von Reaktionsgefäßen aus Glas sowie den mit dem Verfahren erhältlichen Reaktionsgefäßen aus Glas. Das Verfahren weist die Schritte

1. Einstrahlen, bevorzugt punktförmiges Einstrahlen eines Laserstrahls einer Wellenlänge, für die die erste Glasplatte durchlässig ist, auf die Stellen der Oberfläche einer ersten Glasplatte, an denen jeweils eine Ausnehmung als Reaktionsgefäß erzeugt werden soll,
2. Ätzen der ersten Glasplatte, bevorzugt für eine Zeitdauer, die zum Erzeugen von Ausnehmungen einer Tiefe, bevorzugt von zumindest 40 µm oder zumindest 30 µm, bevorzugt mit einem Streckungsverhältnis von zumindest 2, zumindest 4, zumindest 5 oder zumindest 6 von Tiefe zu Durchmesser, der in der Ebene der ersten Oberfläche gemessen ist, entlang der Stellen ausreicht, um die Ausnehmungen zu erzeugen,
3. bei Ätzen der ersten Glasplatte zur Ausbildung von Ausnehmungen, die sich über die vollständige Dicke der ersten Glasplatte erstrecken, Verbinden einer zweiten Platte mit einer Oberfläche der ersten Glasplatte,

Jede Glasplatte kann hierbei ein Gegenstand aus Glas mit einer lateralen Ausdehnung sein, die größer ist als die Dicke. Glasplatten können also einen rechteckigen, runden oder anders geformten Umfang aufweisen, der ihre gegenüberliegenden Oberflächen begrenzt.
Die Reaktionsgefäße werden durch Ausnehmungen in einer ersten Glasplatte gebildet, wobei die Ausnehmungen genau eine Öffnung aufweisen, die in der Ebene einer ersten Oberfläche der ersten Glasplatte liegt. Anwendungen der Reaktionsgefäße sind nicht auf chemische Reaktionen beschränkt, sondern schließen biochemische, biologische und physikalische Prozesse ein. Dies können Prozesse mit einzelnen Zellen, die tierische oder pflanzliche Zellen oder Hefezellen sein können, Bakterien, Viren, Proteinen etc. oder mit Clustern dieser sein.
Das punktförmige Einstrahlen wird durch Fokussieren der Laserstrahlung auf einen Punkt mit einer Größe von wenigen Mikrometern, z.B. 1 bis 10 µm oder bis 5 µm, erzielt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Fokus der Laserstrahlung sich über eine Länge entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erstreckt, die wesentlich größer ist als die Rayleigh-Länge eines entsprechenden Laserstrahls mit Gauß-Profil. Dies kann durch geeignete optische Einrichtungen, z.B. diffraktiv-optische Elemente, erreicht werden. Das Einstrahlen kann ein Durchstrahlen sein, oder ein Einstrahlen weniger tief bis in einen an die erste Oberfläche angrenzenden ersten Dickenabschnitt der ersten Glasplatte erfolgen, z.B. dadurch dass sich der Fokus der Laserstrahlung in Richtung der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung nicht über die gesamte Dicke der Glasplatte erstreckt. Da eine Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Material der Glasplatte nur im Fokus stattfindet, ist es so möglich, den Wechselwirkungsbereich innerhalb der ersten Glasplatte enden zu lassen. Bevorzugt besteht die Laserstrahlung aus Laserpulsen.
Dabei kann beim Verbinden einer zweiten Glasplatte mit einer Oberfläche der ersten Glasplatte die Oberfläche der ersten Glasplatte die erste Oberfläche der ersten Glasplatte sein, auf die der Laserstrahl eingestrahlt wurde, oder die dieser ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche.
Die erste Oberfläche der ersten Glasplatte, sowie in Abwesenheit einer Beschichtung aus Ätzresist auch die dieser gegenüberliegende zweite Oberfläche, wird beim Ätzen an den Stellen, auf die der Laser auf die erste Glasplatte eingestrahlt wurde und an denen der Laserstrahl gegenüber ausgetreten ist, deutlich schneller abgetragen, als die benachbarten Bereiche. Die Bereiche der ersten Oberfläche und ggf. der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte werden daher wegen der Abwesenheit einer Beschichtung, z.B. aus Ätzresist, im Abstand von den Stellen der punktförmigen Laserbestrahlung langsamer und gleichförmig abgetragen. Daher wird die erste Oberfläche mit Ausnahme der Ausnehmungen von Oberflächenabschnitten gebildet, die in einer Ebene angeordnet sind, aus der sich die Ausnehmungen in das Glasvolumen der ersten Glasplatte erstrecken. Die Oberflächenabschnitte, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und die erste Oberfläche bilden, von der die Ausnehmungen ausgenommen sind, werden von den Stirnflächen der Wandungen gebildet, die zwischen den Ausnehmungen liegen. Bei Abwesenheit einer Beschichtung von der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche können sich die Ausnehmungen auch ausgehend von der zweiten Oberfläche entlang der Stellen, an denen der Laserstrahl punktförmig eingestrahlt bzw. durchgestrahlt wurde, in das Glasvolumen erstrecken. Dabei können Ausnehmungen gebildet werden, die einen sanduhrförmigen Längsschnitt durch die Dicke der Glasplatte aufweisen.
In Schritt 2 kann das Ätzen für eine Zeitdauer erfolgen, die zur Ausbildung von Ausnehmungen ausreicht, die sich über die vollständige Dicke der ersten Glasplatte erstrecken, so dass die Tiefe der Ausnehmungen der Dicke der ersten Glasplatte entspricht.
Optional sind die in Schritt 1 punktförmig eingestrahlten Laserstrahlen, an denen in Schritt 2 eine Ausnehmung, die ein Reaktionsgefäß bilden soll, geätzt wird, in der Ebene der ersten Oberfläche der ersten Glasplatte in einem Abstand von zumindest oder genau dem Durchmesser eines der Reaktionsgefäße zuzüglich der Dicke einer Wand zwischen den Reaktionsgefäßen angeordnet. Der Durchmesser der Reaktionsgefäße ist durch die Reaktionsbedingungen und die Dauer des Ätzens einstellbar, da das Ätzen konzentrisch um den linearen Pfad erfolgt, den der eingestrahlte Laserstrahl durch die erste Glasplatte genommen hat. Die Wände, die zwischen den Reaktionsgefäßen angeordnet sind, enden in einer gemeinsamen Ebene. Die Endflächen dieser Wände liegen in einer gemeinsamen Ebene und bilden die erste Oberfläche bzw. bilden in einer gemeinsamen Ebene die erste Oberfläche, wobei die erste Oberfläche von den Ausnehmungen unterbrochen ist. Die erste Oberfläche wird bevorzugt nur von den Querschnitten der Ausnehmungen unterbrochen.
Der Laserstrahl ist bevorzugt an jeder der Stellen, an denen er auf die erste Glasplatte eingestrahlt wird, gepulst, z.B. mit einer Wellenlänge von 1064 nm, bevorzugt mit Pulslängen von maximal 100 ps oder maximal 50 ps, bevorzugt maximal 10 ps. Generell ist der Laser eingerichtet, dass der Laserstrahl zwischen den Stellen nicht auf die erste Glasplatte trifft. Bevorzugt wird der Laserstrahl punktförmig und senkrecht auf die Oberfläche der ersten Glasplatte eingestrahlt. Bevorzugt bildet diese Oberfläche, auf die der erste Laserstrahl eingestrahlt wurde, die erste Oberfläche der ersten Glasplatte.
Das Ätzen erfolgt z.B. mit Flusssäure, z.B. 1 bis 48 Gew.-%, und/oder Schwefelsäure und/oder Salzsäure und/oder Phosphorsäure und/oder Salpetersäure, oder Kalilauge, bei z.B. bis zu 140°C.
Die erste Glasplatte kann z.B. eine Dicke vor dem Ätzen von bis zu 1000 µm, bevorzugt 100 bis 1000 µm, z.B. bis 800 µm, z.B. 300 bis 500 µm aufweisen, nach dem Ätzen eine um 50 bis 700 µm geringere Dicke, z.B. eine bis 200 µm geringere Dicke.
Die Ausnehmungen erstrecken sich bevorzugt in einem Winkel von z.B. 0° bis 15° kegel- oder kegelstumpfförmig zulaufend und von der Oberfläche der ersten Glasplatte ausgehend in deren Volumen.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform, in der die Ausnehmungen durch die erste Glasplatte hindurchragen und eine zweite Glasplatte mit der ersten Glasplatte verbunden ist, kann optional die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte mit Ätzresist beschichtet sein. Dabei liegt die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte ihrer ersten Oberfläche gegenüber, auf die der Laserstrahl gerichtet war, bzw. durch die der Laserstrahl in die erste Glasplatte eingewirkt hat. Optional kann das Ätzresist nach oder vor dem Einstrahlen des Laserstrahls vollflächig auf die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte aufgebracht sein.
Optional kann generell die erste Glasplatte ohne eine Beschichtung, z.B. ohne Maske und/oder ohne Ätzresist, dem Ätzen unterzogen werden, so dass das Verfahren den Vorteil hat, ohne Auftragen und ohne Entfernen von Ätzresist von einer Glasplatte durchgeführt zu werden. Generell bleibt zumindest die erste Oberfläche der ersten Glasplatte ohne Ätzresist und ohne Maske und wird ohne Ätzresist geätzt.
Generell optional wird jede Stelle der ersten Glasplatte, an denen eine Ausnehmung erzeugt werden soll, an mehreren voneinander beabstandeten Positionen, z.B. an zumindest 3 oder zumindest 10 oder zumindest 30 Positionen, mit Laserstrahlen punktförmig bestrahlt, wobei die Laserstrahlen bevorzugt parallel zueinander und senkrecht auf die erste Glasplatte eingestrahlt werden, nacheinander oder gleichzeitig. Die Positionen bilden die Stelle, an der das Ätzen die erste Glasplatte schneller abträgt, als an davon entfernten Oberflächenbereichen. Die Positionen, an denen der Laser eingestrahlt wurde, führen beim Ätzen zu einem gleichmäßig schnellen Abtrag des Glases und bilden gemeinsam eine Ausnehmung. Die Positionen, die im Bereich einer Stelle eingestrahlt werden und eine Stelle bilden, sind z.B. in einem Abstand von 1 bis 10 µm angeordnet. Bevorzugt sind die Positionen innerhalb des Bereichs um jede Stelle angeordnet, in dem jeweils eine Ausnehmung gebildet werden soll. Bevorzugt sind die Positionen, an denen Laserstrahlen um eine Stelle oder zur Ausbildung einer Stelle eingestrahlt werden, in einem Abstand von 1 bis 10 µm, z.B. 2 bis 5 µm oder bis 3 µm, der insbesondere in der Ebene der ersten Oberfläche der ersten Glasplatte bestimmt ist.
Generell kann eine Ausnehmung durch einen einzelnen Laserpuls oder mehrere Laserpulse erzeugt werden. Bei einem einzelnen Laserpuls wird der Durchmesser der Ausnehmung vornehmlich durch die Ätzdauer bestimmt. Bei der Erzeugung einer Ausnehmung mit mehreren Laserpulsen wird der Durchmesser der Ausnehmung von Anzahl und Abstand der Positionen bestimmt, an denen Laserstrahlen für eine Stelle eingestrahlt werden und in die erste Glasplatte eindringen. Die Tiefe der Ausnehmung in das Volumen der ersten Glasplatte kann durch die Zeitdauer des Ätzens bestimmt werden und dadurch, dass der Laserstrahl nur zu einem Anteil in die erste Glasplatte eindringt bzw. die erste Glasplatte nicht vollständig durchstrahlt.
Optional wird um jede Stelle, an der eine Ausnehmung gebildet werden soll, auf einem umfänglich geschlossenen Weg, der bevorzugt ringförmig, rechteckig oder hexagonal ist, ein Laserstrahl eingestrahlt, der z.B. durch nebeneinander eingestrahlte Laserstrahlpulse gebildet wird. Dabei können Laserstrahlpulse auf dem umfänglich geschlossenen Weg auf die erste Glasoberfläche eingestrahlt werden, z.B. in einem auf der ersten Oberfläche der ersten Glasplatte bestimmten Abstand der Laserstrahlpulse von 3 µm nebeneinander. Optional kann daher die erste Glasplatte an jeder Stelle an mehreren voneinander beabstandeten Positionen mit Laserstrahlen jeweils punktförmig bestrahlt werden und um diese Positionen herum ein Laserstrahl, z.B. durch nebeneinander eingestrahlte Laserstrahlpulse gebildet, entlang eines umfänglich geschlossenen Wegs eingestrahlt werden. Das Einstrahlen eines Laserstrahls entlang eines umfänglich geschlossenen Wegs hat den Vorteil, dass beim anschließenden Ätzen Ausnehmungen mit einer Wandung gebildet werden, die sich von der ersten Oberfläche erstreckt und einen Querschnitt aufweist, der den umfänglich geschlossenen Weg einschließt.
Daher kann die erste Glasplatte einstückig die Reaktionsgefäße als Ausnehmungen aufweisen. In dieser Ausführungsform wird der Boden der Reaktionsgefäße vom Material der ersten Glasplatte gebildet. Dabei kann der Boden der Reaktionsgefäße von einer Vielzahl aneinander angrenzender Ausnehmungen gebildet sein, die nebeneinander etwa in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zur ersten Oberfläche und parallel zur Ebene der zweiten Oberfläche liegt.
Generell können Laserpulse an Positionen, die eine Stelle bilden, an der durch Ätzen eine Ausnehmung gebildet wird, bis in unterschiedliche Tiefen in die erste Glasplatte eingestrahlt werden. So können z.B. Laserpulse an Positionen tiefer in die Dicke der ersten Glasplatte eingestrahlt werden und tiefer eindringen und andere Laserpulse an Positionen weniger tief in die Dicke der ersten Glasplatte eingestrahlt werden. Beim anschließenden Ätzen werden an den Positionen, an denen Laserpulse tiefer in die Glasplatte eingestrahlt wurden, tiefere bzw. weitere Ausnehmungen gebildet, und an den Positionen, an denen Laserpulse weniger tief in die Glasplatte eingestrahlt wurden, wird der Boden der Ausnehmung in geringerer Tiefe gebildet. Generell kann, abhängig vom Abstand der Positionen, an jeder Position eine konkave Vertiefung im Boden gebildet werden. Eine Ausnehmung, die einen Boden und darin weitere tiefere Ausnehmungen aufweist, kann durch Einstrahlen von Laserpulsen in dem Teil der Positionen, die den Boden bilden sollen, bis weniger tief in die erste Glasplatte und Einstrahlen von Laserpulsen in dem Teil der Positionen, die weitere Ausnehmungen, die sich ausgehend von dem Boden tiefer in die erste Glasplatte erstrecken sollen, bis tiefer in die erste Glasplatte und anschließendes Ätzen hergestellt werden. Für einen größeren Durchmesser weiterer Ausnehmungen, die sich ausgehend vom Boden einer Ausnehmung tiefer in die erste Glasplatte erstrecken, können Laserpulse, die tiefer in die erste Glasplatte eingestrahlt werden, an benachbarten Positionen, z.B. in einem Abstand von 1 bis 10 µm, z.B. 2 bis 5 oder bis 3 µm angeordnet sein, so dass an diesen Positionen das Ätzen tiefer in die erste Glasplatte eindringt. So können an einem Teil der Positionen Laserpulse weniger tief in die erste Glasplatte eingestrahlt werden, und an einem Teil der Positionen Laserpulse tiefer in die erste Glasplatte eingestrahlt werden, so dass beim Ätzen an den Positionen, an denen die Laserpulse weniger tief eingestrahlt wurden, ein Boden mit konkaven Vertiefungen in geringerer Tiefe erzeugt wird und an den Positionen, an denen Laserpulse tiefer eingestrahlt wurden, weitere Ausnehmungen erzeugt werden, die sich tiefer in die erste Glasplatte erstrecken.
In einer weiteren Ausführungsform, insbesondere bei einem Verfahren, das aus den Schritten 1, 2 und 3 besteht, werden die Reaktionsgefäße von Ausnehmungen gebildet, die sich durch die vollständige Dicke der ersten Glasplatte erstrecken, wobei eine zweite Platte mit einer Oberfläche der ersten Glasplatte verbunden ist. Die zweite Platte bildet den Boden der Reaktionsgefäße. Dabei kann die zweite Platte mit der ersten Oberfläche, bevorzugt mit der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte verbunden sein. Die Anordnung der zweiten Platte an der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte bildet Reaktionsgefäße aus, die von ihrer Öffnung, die in der Ebene der ersten Oberfläche der ersten Glasplatte liegt, kegelförmig zur zweiten Glasplatte zulaufen und daher optional keine Hinterschneidung bilden. Die zweite Platte ist bevorzugt eine zweite Glasplatte und wird daher stellvertretend für zweite Platten aus anderem Material wahlweise generell auch als zweite Glasplatte bezeichnet. Die zweite Platte kann eine Glasplatte sein oder Silizium, Saphir, Keramik, Metall oder zumindest zwei Schichten aus diesen aufweisen oder daraus bestehen.
Dabei ist bevorzugt, dass die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte vollflächig mit Ätzresist beschichtet ist, um das Ätzen nur von der ersten Oberfläche einwirken zu lassen. Die Beschichtung der zweiten Oberfläche führt zur Ausbildung von Ausnehmungen, die von der ersten Oberfläche zylindrisch oder kegelförmig in Richtung auf die zweite Oberfläche zulaufen und verhindert den Ätzabtrag von der zweiten Oberfläche. In dieser Ausführungsform kann generell das Ätzen ausschließlich auf die erste Oberfläche der ersten Glasplatte einwirken gelassen werden, bis sich die Ausnehmung in die Ebene der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte erstreckt. Es hat sich gezeigt, dass bei Beschichtung der zweiten Oberfläche mit Ätzresist das Ätzen Ausnehmungen durch die vollständige Dicke der ersten Glasplatte erzeugt, deren Wandung senkrecht bzw. im Winkel der Kegelform bzw. Kegelstumpfform zur Ebene der zweiten Oberfläche steht, bevorzugt ohne einen Übergangsbogen oder ohne Fase von der Wandung der Ausnehmung zur zweiten Oberfläche. In dieser Ausführungsform führt das Ätzen dazu, dass die Ausnehmung bis in die Ebene der zweiten Oberfläche zylindrisch bzw. mit dem gleichen Winkel zuläuft.
Die Reaktionsgefäße weisen z.B. eine Tiefe von zumindest 40 µm, zumindest 50 µm oder zumindest 100 µm oder zumindest 150 µm auf, z.B. bis 250 µm oder bis 200 µm. Die Reaktionsgefäße weisen z.B. einen Durchmesser von zumindest 10 µm oder zumindest 30 µm auf, z.B. bis 200 µm oder bis 1 mm, generell bevorzugt mit eine Streckungsverhältnis von Tiefe zu Durchmesser von zumindest 2, zumindest 4, zumindest 5 oder zumindest 6 auf. Die Ausnehmungen der ersten Glasplatte haben z.B. ein Innenvolumen innerhalb der ersten Glasplatte von 1 pL bis 1 µL.
Das Verbinden einer zweiten Platte, die insbesondere eine zweite Glasplatte ist, mit der ersten Glasplatte, bevorzugt mit der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte, kann durch Aufeinanderlegen der ersten und zweiten Platten unmittelbar aufeinander mit anschließendem Erwärmen erfolgen, z.B. bei Quarzglas auf 400 bis 1200 °C. Dabei kann das Verbinden bei längerer Dauer und niedrigerer Temperatur, bzw. höherer Temperatur und kürzerer Dauer des Verbindungsprozesses erfolgen, wobei die Temperatur von der Maximaltemperatur abhängt, bei der die erste Glasplatte und die zweite Platte noch ausreichend formstabil sind. Alternativ wird Glasfritte, eine Paste mit einem Anteil Glaspartikel, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die erste Glasplatte und als die zweite Platte hat, zwischen erster und zweiter Glasplatte angeordnet und die Glasplatten werden durch Erwärmen bis auf eine Temperatur verbunden, bei der die Glasfritte erweicht oder schmilzt. Dabei wird die Glasfritte bevorzugt auf die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte oder die erste Oberfläche der zweiten Glasplatte aufgetragen, z.B. mittels Siebdruck oder Dispensdruck mit anschließendem Anordnen der zweiten Glasplatte an die erste Glasplatte und Erwärmen.
Optional ist die Glasfritte gefärbt, z.B. mit einem Gehalt an Glaspartikeln, die bei Verwendung bei der Einstrahlung von Licht in einem Wellenlängenbereich des Lichts eine geringere Transmission aufweisen, als die zweite Glasplatte. Z.B. kann die Glasfritte, insbesondere die darin enthaltenen Glaspartikel, Metalloxide wie Eisenoxid, Magnetit, Titandioxid, Mischoxide, z.B. Cobaltaluminat, Spinell, z.B. Eisenchromspinell oder eine Mischung von zumindest zweien dieser enthalten. Reaktionsgefäße, die in einer ersten Glasplatte eingeformt sind und deren Böden unmittelbar von einer zweiten Glasplatte gebildet werden, die durch gefärbte Glasfritte mit der ersten Glasplatte verbunden ist, haben den Vorteil, dass bei Einstrahlung von Licht und Detektion von Licht zur Analyse Wechselwirkungen durch Strahlung, die durch den Bereich der ersten und zweiten Glasplatte neben den Reaktionsgefäßen verringert werden.
Wird die erste Glasplatte nach Laserbestrahlung mit einem Ätzresist auf der zweiten Oberfläche beschichtet und anschließend geätzt, so bilden sich in der Regel Ausnehmungen mit einem kegelförmigen Querschnitt. Der Ätzprozess wird für die Ausführungsform, bei der die Ausnehmungen durchgehend ausgebildet sind, typischerweise dann abgebrochen, wenn durch die erste Glasplatte durchgehende Ausnehmungen mit einem gewünschten Durchmesser entstanden sind. Je nach Wahl des Materials des Ätzresists kann es dabei zu einem Ablösen des Ätzresists und einem sogenannten Unterätzen kommen. Dabei wird der Bereich der zweiten Oberfläche um die Ausnehmung herum ebenfalls durch das Ätzmedium angegriffen, wodurch sich der Ätzprozess entlang der Berührungsfläche von Glasplatte und Ätzresist fortsetzt und der Ätzresist weiter abgelöst wird. Um die Ausnehmung herum wird also die Dicke der ersten Glasplatte verringert und es wird eine umlaufende Fase, auch als Übergangsbogen, Unterätzung oder Hinterschneidung bezeichnet, an der Ausnehmung angrenzend an die zweite Oberfläche erzeugt. Beim anschließenden Verbindungsprozess kann dies zur Ausbildung von Lücken zwischen der ersten Glasplatte und der zweiten Platte führen. Diese Lücken können durch Aufbringen von Pasten, die Glasfritte enthalten, und anschließendes Aufschmelzen der Glasfritte geschlossen werden. Daher ist in solchen Fällen das Verbinden der Glasplatten mit Glasfritten besonders vorteilhaft. Eine solche Fase kann bei Anordnung von Glasfritte vollflächig auf die Oberfläche einer zweiten Glasplatte, die gegen die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte angeordnet und mit dieser verbunden wird, durch Glasfritte aufgefüllt werden. Es kann auch bei einer Fase, die sich von der Ausnehmung zur zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte erstreckt, Glasfritte auf diese zweite Oberfläche aufgetragen werden, z.B. gleichmäßig, insbesondere mittels Siebdrucks, und eine zweite Glasplatte dagegen angeordnet werden. In dieser Ausführungsform kann die Fase Glasfritte aufnehmen, so dass der Boden der Reaktionsgefäßes, der den lichten Querschnitt der Ausnehmung überdeckt, nur von der zweiten Platte gebildet wird. Daher kann der Boden der Ausnehmung von Glasfritt-Paste ausgespart bleiben, so dass der Boden weiterhin von der Oberfläche der zweiten Platte gebildet wird. Alternativ kann die Glasfritte den Boden ebenfalls bedecken. Dies kann vorteilhaft sein, weil beim Verbindungsverfahren die Glasfritte geschmolzen wird und dann eine Oberflächenspannung aufweist, die zur Bildung einer Glaslinse führen kann, die auf der zweiten Platte angeordnet ist und jeweils den Boden einzelner Reaktionsgefäße bildet. Dieser Effekt kann vorteilhaft bei der Beleuchtung des Reaktionsgefäßes sein.
Alternativ kann die zweite Glasplatte durch anodisches Bonding mit der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte verbunden werden. Dabei wird die zweite Oberfläche der ersten Glasplatte und/oder die der ersten Glasplatte zugewandte Oberfläche der zweiten Glasplatte mit Silizium beschichtet, z.B. mittels Kathodenzerstäubung, auch Sputtern genannt, die erste Glasplatte wird an der zweiten Platte angeordnet und es wird eine Spannung von, z.B.300 - 500 V, angelegt und optional erwärmt, z.B. auf 400 °C. Dadurch werden die beiden Glasplatten mittels Diffusion von im Glas enthaltenen Ionen (z.B. Na, K) und Sauerstoffanionen miteinander verbunden.
Alternativ können die Glasplatten durch Fusion-Bonding vorzugsweise ohne Zwischenschicht durch Inkontaktbringen einer der Oberflächen der ersten Glasplatte mit einer der Oberflächen der zweiten Glasplatte und Erwärmen und Druckausüben verbunden werden.
Die gleichen Verbindungsverfahren oder Kombinationen der Verfahren können genutzt werden, um weitere Glasplatten mit der ersten und/oder zweiten Glasplatte zu verbinden.
Generell kann das Erwärmen in einem Ofen erfolgen.
Weiter generell kann die zweite Glasplatte aus Glas bestehen, das für eine chemische Oberflächenmodifizierung reaktiver ist als das Glas der ersten Glasplatte. Z.B. kann die zweite Glasplatte aus Kalk-Natron-Glas bestehen, die erste Glasplatte aus Borosilikatglas, so dass in die Reaktionsgefäße eingefüllte wässrige oder organische Reagenzien vornehmlich an das Glas der zweiten Glasplatte binden, die den Boden der Reaktionsgefäße bildet. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Glasplatte aus einer anderen Glaszusammensetzung bestehen als die erste Glasplatte, z.B. die zweite Glasplatte aus Quarzglas oder Fused Silica, die erste Glasplatte aus Borosilikatglas.
Optional können auf die Oberfläche einer zweiten Platte, die mit einer ersten Glasplatte verbunden wird, Leiterbahnen aufgebracht sein, z.B. Leiterbahnen, die getrennt nebeneinander angeordnet sind und die mit getrennten Anschlussflächen verbunden sind und daher voneinander getrennt kontaktierbar sind. Bevorzugt wird zur Verbindung der Glasplatten pastenförmige Glasfritte mittels Siebdrucks auf eine Oberfläche der ersten Glasplatte aufgebracht und die zweite Glasplatte an die Oberfläche angeordnet, auf die die Glasfritte aufgebracht wurde, mit anschließendem Erwärmen.
In Ausführungsformen, in denen eine erste Glasplatte mit einer zweiten Glasplatte mittels einer zwischen diesen liegenden Schicht aus geschmolzener Glasfritte verbunden ist, kann optional auf der ersten Glasplatte eine erste Leiterbahn und auf der Oberfläche der zweiten Glasplatte, die der ersten Glasplatte zugewandt ist, eine zweite Leiterbahn aufgebracht sein. Die erste Leiterbahn bedeckt bevorzugt zumindest einen Abschnitt der Ausnehmungen, die in der ersten Glasplatte erzeugt sind, optional überdeckt die erste Leiterbahn die erste Oberfläche vollflächig und zumindest einen Anteil der Ausnehmungen. Die zweite Leiterbahn verläuft entlang des Bereichs, der den Boden eines Reaktionsgefäßes bildet und ist bevorzugt mit einer Kontaktfläche verbunden, die auf einem Abschnitt der zweiten Glasplatte angeordnet ist, der die erste Glasplatte überragt. Die erste und die zweite Leiterbahn können durch Aufsputtern oder Drucken aufgebracht werden, die erste Leiterbahn z.B. nach dem Ätzen, und die zweite Leiterbahn vor dem Verbinden der zweiten Glasplatte mit der ersten Glasplatte. Eine Isolierung zwischen ersten und zweiten Leiterbahnen wird durch die Schicht aus geschmolzener Glasfritte gebildet, die zwischen der ersten und der zweiten Glasplatte angeordnet ist, insbesondere nur in dem Bereich, in dem die erste und die zweite Glasplatte aneinander angrenzen, bzw. ausgenommen die Bereiche, in denen Ausnehmungen in der ersten Glasplatte gebildet sind. Optional können in der zweiten Glasplatte Vertiefungen gebildet sein, in denen die zweiten Leiterbahnen angeordnet sind. Solche Vertiefungen können entlang der Oberfläche der zweiten Glasplatte verlaufen, die der ersten Glasplatte zugewandt ist. Solche Vertiefungen können z.B. durch Ätzen in der zweiten Glasplatte erzeugt sein, z.B. nach Bestrahlung der zweiten Glasplatte entlang des Wegs solcher Vertiefungen, z.B. mit nebeneinander eingestrahlten gepulsten Laserstrahlen vor dem Ätzen. Alternativ können Vertiefungen nach photolithographischem Erzeugen einer Ätzmaske mit anschließendem Ätzen und nachfolgendem Entfernen der Ätzmaske erzeugt werden. Solche Vertiefungen können z.B. als Gräben ausgebildet sein, die einen V-förmigen oder U-förmigen Querschnitt aufweisen. Material für Leiterbahnen kann z.B. in Vertiefungen eingebracht werden, z.B. mittels eines Druckverfahrens. Bevorzugt bestehen Leiterbahnen aus Metall, z.B. Gold, Silber, Kupfer oder Mischungen aus zumindest zweien dieser.
Die in der ersten Glasplatte gebildeten Ausnehmungen können in einem oberen Dickenabschnitt einen größeren Querschnitt aufweisen, als in einem daran angrenzenden unteren Dickenabschnitt, der in zumindest zwei Teilausnehmungen unterteilt ist, wobei der untere Dickenabschnitt an die zweite Platte angrenzt, z.B. mit dieser unmittelbar oder mittels einer Schicht aus geschmolzener und erstarrter Glasfritte verbunden ist. In dieser Ausführungsform werden die endständigen Querschnittsöffnungen der zumindest zwei Teilausnehmungen, die an die zweite Platte angrenzen, von der zweiten Platte überdeckt. Die Ausnehmungen, die sich über den oberen Dickenabschnitt erstrecken, überdecken zumindest zwei Teilausnehmungen. Zwischen den Teilausnehmungen, die sich über den unteren Dickenabschnitt erstrecken, sind einstückig aus der ersten Glasplatte über den unteren Dickenabschnitt gebildete Teilwände angeordnet. Diese Teilwände sind voneinander um die Teilausnehmungen beabstandet. Diese Teilwände werden durch Einstrahlen von Laserpulsen, die im Bereich der Teilwände nur maximal in den oberen Dickenabschnitt der ersten Glasplatte eindringen, und Einstrahlen von Laserpulsen im Bereich der Teilausnehmungen, die die erste Glasplatte vollständig durchdringen, und anschließendes Ätzen der ersten Glasplatte erzeugt. Beim Ätzen bildet sich die im oberen Dickenabschnitt, der an die erste Oberfläche der ersten Glasplatte angrenzt, eine Ausnehmung, die sich über den Bereich von zumindest zwei Teilausnehmungen erstreckt. Die Längsmittelachsen der Teilausnehmungen können z.B. in einem Abstand von 10 bis 100 µm angeordnet sein. Die Teilwände erstrecken sich über den unteren Dickenabschnitt zwischen den Teilausnehmungen, wobei die Teilausnehmungen in der Ebene der an die zweite Platte angrenzenden zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte z.B. einen Durchmesser von 1 bis 50 aufweisen können. Der obere Dickenabschnitt wird vorliegend auch als erster Dickenabschnitt bezeichnet, der untere Dickenabschnitt wird auch als zweiter Dickenabschnitt bezeichnet. Der obere Dickenabschnitt und der untere Dickenabschnitt erstrecken sich ausgehend von der ersten Oberfläche der ersten Glasplatte, unabhängig voneinander z.B. bis in zumindest 20 % oder zumindest 30% oder zumindest 40 oder zumindest 50 %, z.B. bis zu 80 % oder bis zu 70 % oder bis zu 60% der Dicke der ursprünglichen ersten Glasplatte. Dabei erstreckt sich der untere Dickenabschnitt in größerem Ausmaß in die Dicke der ersten Glasplatte als der obere Dickenabschnitt. Generell erstrecken sich die Dickenabschnitte nicht über die ganze Dicke der ersten Glasplatte. Z.B. können der erste und insbesondere der zweite Dickenabschnitt so vorbestimmt sein, dass nach dem Ätzen im Bereich der Ausnehmung eine Dicke der ersten Glasplatte, bzw. zwischen der Ausnehmung und der zweiten Oberfläche, von zumindest 5%, zumindest 10 % oder zumindest 15 % oder zumindest 20 % bestehen bleibt.
Auf der der zweiten Platte gegenüberliegenden ersten Oberfläche der ersten Glasplatte kann eine dritte Platte angeordnet und mit der ersten Glasplatte verbunden sein. Die dritte Platte weist dritte Ausnehmungen auf, die sich durch die vollständige Dicke der dritten Platte erstrecken und passend, insbesondere fluchtend, über den Ausnehmungen der ersten Glasplatte angeordnet sind. Dabei können die dritten Ausnehmungen einen Durchmesser aufweisen, der gleich oder größer als der Durchmesser der Ausnehmungen der ersten Glasplatte ist. Optional können sich die dritten Ausnehmungen über jeweils zwei oder mehr Ausnehmungen der ersten Glasplatte erstrecken. Die dritten Ausnehmungen sind z.B. zur Verwendung als Einfülltrichter zum Befüllen der Ausnehmungen in der ersten Glasplatte geeignet. Die dritten Ausnehmungen können z.B. innerhalb der dritten Platte ein Volumen von 0,01 bis 10 µL, z.B. 0,1 bis 3 µL aufweisen.
Generell, insbesondere bei Anordnung einer dritten Platte an der ersten Glasplatte, können die Ausnehmungen in der ersten Glasplatte jeweils in einem Abstand ihrer Längsmittelachsen von 20 bis 200 µm angeordnet sein. Bei der Herstellung werden generell die durch die erste Glasplatte durchgehenden Laserpulse in dem Abstand der Längsmittelachsen der Ausnehmungen bzw. Teilausnehmungen eingestrahlt. Die Ausnehmungen in der ersten Glasplatte können in der Ebene der zweiten Oberfläche der ersten Glasplatte z.B. einen Durchmesser von 5 bis 200 µm aufweisen.
Die dritte Platte kann eine Glasplatte sein, z.B. einer Dicke von zumindest 100 µm oder zumindest 300 µm, z.B. bis 2000 µm oder bis 1000 µm. Die dritten Ausnehmungen können einen Innendurchmesser von z.B. zumindest 0,2 mm oder zumindest 0,5 mm aufweisen, z.B. bis 3 mm oder bis 2 mm oder bis 1 mm. Die dritte Platte kann mittels anodischem Bonding, mittels einer geschmolzenen und erstarrten Schicht aus Glasfritte zwischen erster Glasplatte und dritter Platte, z.B. mittels Siebdruck aufgetragen, oder mittels Fusion-Bonding mit der ersten Glasplatte verbunden werden.
Optional kann die zweite Platte, insbesondere in der Ausführungsform einer zweiten Glasplatte, in dem Bereich, in dem sie die in der ersten Glasplatte gebildeten Ausnehmungen überdeckt, zweite Ausnehmungen aufweisen, die einen kleineren Durchmesser haben als die Ausnehmungen der ersten Glasplatte. Zweite Ausnehmungen können zur ersten Glasplatte offene Sacklöcher sein oder sich durch die vollständige Dicke der zweiten Platte erstrecken, so dass sie eine Rückhalteeinrichtung für größere Partikel bilden. Zweite Ausnehmungen können in der zweiten Platte durch die Verfahren gebildet werden, die mit Bezug auf die Ausbildung von Ausnehmungen in der ersten Glasplatte beschrieben sind. Die zweiten Ausnehmungen können kegelförmig ausgebildet sein, wobei bevorzugt ihr kleinerer Durchmesser in der Ebene der Oberfläche der zweiten Platte liegt, die der ersten Glasplatte zugewandt und mit dieser verbunden ist. Die zweiten Ausnehmungen können z.B. Durchmesser von 1 µm bis 50 µm in der Ebene der der ersten Glasplatte zugewandten Oberfläche der zweiten Platte aufweisen. Bevorzugt weisen die Ausnehmungen der zweiten Platte einen Durchmesser auf, der um einen Faktor 5 bis 10 kleiner ist als der Durchmesser einer Zelle, die in dem Reaktionsgefäß enthalten ist, z.B. Ausnehmungen mit einem Durchmesser von 1 bis 3 µm, insbesondere von 1 oder von 1,5 µm bis 2 µm, z.B. für einen Zelldurchmesser von 7 bis 15 µm. Z.B. können die Längsmittelachsen der zweiten Ausnehmungen in einem Abstand von 10 bis 100 µm angeordnet sein. Eine zweite Platte, die bevorzugt eine zweite Glasplatte ist, hat bevorzugt eine Dicke im Bereich von 50 bis 500 µm, z.B. bis 150 µm oder bis 100 µm.
Die Ausführungsform, in der die zweite Platte zweite Ausnehmungen aufweist, ist insbesondere zur Verwendung der Ausnehmungen in der ersten Platte als Kulturgefäße für Zellen, insbesondere menschliche bzw. tierische Zellen, geeignet. Bei einem Verfahren zur Kultivierung von Zellen in den Ausnehmungen kann eine Flüssigkeit, z.B. Kultivierungsmedium und/oder zu testende Reagenzien, durch die zweiten Ausnehmungen bewegt werden, z.B. in die Ausnehmungen der ersten Glasplatte eingebracht oder daraus abgeführt werden. Z.B. kann eine Zellsuspension in Medium aus einer Richtung gegenüber der zweiten Platte bzw. in die offenen Querschnittsöffnungen der Ausnehmungen in die Ausnehmungen der ersten Glasplatte gefüllt werden, wobei Medium durch die zweiten Ausnehmungen austritt. Die Zellsuspension in Medium kann z.B. Vollblut sein, oder kultivierte Zellen in Puffer oder Kulturmedium. Diese Ausführungsform ist zur Verwendung als Filter, z.B. für eine Zellsuspension in Medium geeignet. Dabei kann im Verfahren ein Medium, z.B. Kulturmedium oder Puffer, die freie Oberfläche der zweiten Platte kontaktieren oder an dieser entlang strömen gelassen werden, um einen Medienwechsel durch die zweiten Ausnehmungen zu erzeugen, z.B. um Stoffwechselprodukte abzuführen, die durch die zweiten Ausnehmungen treten.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Analyse, bei dem die Reaktionsgefäße in Glas mit Licht bestrahlt werden und von den Reaktionsgefäßen ausgehendes Licht detektiert wird, sowie die Verwendung der Reaktionsgefäße aus Glas in dem Analyseverfahren.
Dabei kann Licht zur Analyse bevorzugt etwa senkrecht auf die zweite Platte eingestrahlt werden, auf die Oberfläche der zweiten Glasplatte, die der ersten Glasplatte gegenüberliegt, oder auf die Oberfläche der zweiten Glasplatte, die der ersten Glasplatte zugewandt ist.
Es hat sich gezeigt, dass Ausnehmungen, insbesondere Ausnehmungen, die sich kegelförmig von der ersten Oberfläche in das Volumen der ersten Glasplatte erstrecken, bei Bestrahlung mit z.B. sichtbarem Licht mit ihrer Wandung einen deutlichen Kontrast zum Boden der Ausnehmungen bilden. Bei optischer Detektion kann daher der Umfang der Ausnehmungen aufgenommen und dargestellt werden, insbesondere als dunkler Ring im Kontrast zum Boden der Ausnehmungen.
Weiter betrifft die Erfindung Verfahren zur Analyse mit dem Schritt des Bereitstellens von Reaktionsgefäßen, die nach einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt sind, oder die erfindungsgemäße Reaktionsgefäße sind, dem Einbringen von Probe, z.B. Patientenprobe, die zellfrei, z.B. Blutplasma, oder zellhaltig, z.B. Vollblut oder aus Vollblut abgetrennte Zellen, oder Gewebematerial sein kann, in Reaktionsgefäße, vorher, gleichzeitig oder anschließend, Zugeben zumindest eines Reagenzes in Reaktionsgefäße, und Analysieren.
Optional kann das zumindest eine Reagenz, einfach oder nacheinander mehrfach, in unterschiedlichen Mengen in mehrere Reaktionsgefäße zugegeben werden. Das Reagenz kann z.B. ein pharmazeutischer Wirkstoff sein, und das Analysieren kann die Messung der Wirkung des Wirkstoffs auf die Probe umfassen. Optional kann das Verfahren einen oder mehrere Inkubationsschritte umfassen, z.B. unter Zellkulturbedingungen (37°C, 5% CO₂ Atmosphäre, ruhend oder mit Bewegung).
Das Analysieren kann eine optische Messung der Reaktionsgefäße sein, z.B. während oder nach Sequenzierung von DNA und/oder RNA und/oder von Protein in den Reaktionsgefäßen nach Zugabe von Reagenzien zur Sequenzierung, optional nach Lyse von Zellen, oder die Bestimmung von Proteinen, z.B. nach Reaktion mit einem als Reagenz zugegebenen Bindemolekül, z.B. einem Antikörper, der bevorzugt mit einem Farbstoff markiert ist. Bevorzugt umfasst das Analysieren z.B. bei zellhaltigen Proben die Bestimmung der transkribierten RNAs und/oder der translatierten Proteine, insbesondere für Proben, denen kein Wirkstoff zugegeben wurde im Vergleich mit Proben, denen Wirkstoff zugegeben wurde. Optional kann das Verfahren zur Analyse die Entnahme eines Anteils der Probe aus einem Reaktionsgefäß umfassen, weiter optional das Einfüllen des entnommenen Probeanteils in ein weiteres erfindungsgemäßes oder erfindungsgemäß hergestelltes Reaktionsgefäß.
Das Zugeben von Probe und/oder von Reagenz in die Reaktionsgefäße kann z.B. durch Bewegen von Flüssigkeitstropfen der Probe und/oder von Flüssigkeitstropfen des Reagenzes erfolgen, wobei die Flüssigkeitstropfen z.B. als Teil eines Flüssigkeitsstrahls erzeugt und bewegt werden, wie dies z.B. durch Einwirken elektromagnetischer Strahlung, durch Beaufschlagung mit Schall oder Ultraschall, durch Anlegen eines elektrischen Felds oder durch Druckbeaufschlagung erfolgen. Das Erzeugen von Flüssigkeitstropfen ist als Tintenstrahldruckverfahren oder Pipettieren bekannt. Alternativ können laserbasierte Druckverfahren, z.B. Laser-Transfer-Druck, eingesetzt werden. Bevorzugt erfolgt das Zugeben von Probe und/oder von Reagenz ohne Kontakt der Dosiervorrichtung mit dem Reakti onsgefäß.
In Ausführungsformen, in denen Leiterbahnen an den Ausnehmungen angeordnet sind, kann bei Verfahren zur Analyse das Innenvolumen der Ausnehmungen mit Spannung beaufschlagt werden und zwischen den Leiterbahnen können elektrische Parameter gemessen werden, die im Innenvolumen vorliegen.
Die Figuren zeigen schematisch in

- 1 im Querschnitt senkrecht zur Oberfläche der ersten Glasplatte eine Ausführungsform der Reaktionsgefäße in Glas aus zwei Glasplatten,
- 2 in Aufsicht auf die erste Oberfläche der ersten Glasplatte die optische Analyse eines erfindungsgemäß hergestellten Reaktionsgefäßes,
- 3 a) und b) eine weitere Ausführungsform im Querschnitt senkrecht zur Oberfläche der ersten Glasplatte,
- 4 a) - b) Ausführungsformen mit Leiterbahnen im Querschnitt senkrecht zur Oberfläche der ersten Glasplatte,
- 5 a) - c) weitere mehrteilige Ausführungsformen im Querschnitt senkrecht zur Oberfläche der ersten Glasplatte und in
- 6 eine weitere Ausführungsform im Querschnitt senkrecht zur Oberfläche der ersten Glasplatte.

Die 1 zeigt eine erste Glasplatte 1, in der sich die Ausnehmung 2 durch die vollständige Dicke erstreckt und der Boden 3 durch eine zweite Glasplatte 6 gebildet wird, die dicht mit der zweiten Oberfläche 5 der ersten Glasplatte 1 verbunden ist.
Die 2 zeigt in Aufsicht auf eine erste Glasplatte 1 eine Ausnehmung 2, deren Wandung einen starken optischen Kontrast zum Boden 3 bildet, so dass die Wandung als umfängliche Begrenzung des Bodens 3 deutlich dargestellt wird. Ein Partikel, z.B. eine biologische Zelle Z, kann bei einer durch den Boden 3 gerichteten Beleuchtung mit gutem Kontrast gegen den Boden 3 gesehen werden, insbesondere bei Markierung der Zelle Z durch einen Farbstoff, z.B. einen Fluoreszenzfarbstoff.
Die 3 a) zeigt eine erste Glasplatte 1, deren zweite Oberfläche 5 vollflächig mit Ätzresist, z.B. einer Kunststofffolie mit einem UV-löslichen Kleber, beschichtet ist, nach Einstrahlen eines Laserpulses senkrecht zur Glasplatte 1 und anschließendem Ätzen. Das Ätzen erzeugt die Ausnehmung 2 symmetrisch um den Lichtpfad des Laserpulses, so dass die Längsmittelachse 7 entlang des ursprünglichen Lichtpfads des Laserpulses liegt. Das Ätzen geht von der ersten Oberfläche 4 aus und erzeugt eine kegelstumpfförmige Ausnehmung 2, die sich bis an das Ätzresist 8 erstreckt. Dabei wird eine um die Ausnehmung 2 umlaufende Fase oder Unterätzung 9 entlang der zweiten Oberfläche bzw. zwischen der zweiten Oberfläche 5 und dem Ätzresist 8 erzeugt.
Die 3 b) zeigt Glasgefäße, die als Ausnehmungen 2 in einer ersten Glasplatte 1 gebildet sind und sich durch die vollständige Dicke der ersten Glasplatte 1 erstrecken. Der Boden 3 der Ausnehmung wird von Glasfritte 10 gebildet, die vollflächig auf die Oberfläche der zweiten Platte 6 aufgetragen ist und auch den Bereich der Fase 9 ausfüllt.
Die 4 a) und b) zeigen Ausführungsformen, bei denen auf der ersten Glasplatte, hier auf deren erster Oberfläche 4, eine erste Leiterbahn 15 aufgebracht ist und die zweite Platte auf ihrer Oberfläche, die eben ist und die der ersten Glasplatte 1 zugewandt ist, eine darauf aufliegende zweite Leiterbahn 16 aufweist. Die erste Leiterbahn 15 und die zweite Leiterbahn 16 können z.B. durch Aufsputtern, Aufdrucken oder durch chemisches oder galvanisches Abscheiden oder Kombinationen davon aufgebracht sein. Eine von erster und zweiter Leiterbahn 15, 16 kann vollflächig aufgetragen sein, und die jeweils andere Leiterbahn 15, 16 kann in Form beabstandeter Bahnen ausgebildet sein, die den Querschnitt der Ausnehmung 2 queren. Die zwischen der ersten Glasplatte 1 und der zweiten Platte 6 angeordnete, nach Erweichen erstarrte Schicht aus Glasfritte 10 verbindet diese beiden Platten 1, 6 und beabstandet die erste Leiterbahn 15 von der zweiten Leiterbahn 16, so dass diese Leiterbahnen eine Flüssigkeit, die in der Ausnehmung 2 enthalten ist, in einem Abstand voneinander kontaktieren. Optional kann generell die Schicht aus Glasfritte 10 ausschließlich zwischen der ersten Glasplatte 1 und der zweiten Platte 6 angeordnet sein und den Bereich der Ausnehmungen 2 freilassen, oder die Schicht aus Glasfritte 10 kann sich über die Schichtdicke der ersten Leiterbahn 15 in die Ausnehmung 2 bis in einen Abstand von der zweiten Leiterbahn 16 oder bis angrenzend an die zweite Leiterbahn 16 erstrecken.
Die 4 a) zeigt eine Ausführungsform, in der die zweite Leiterbahn 16 in Gräben 17 verläuft, die als Vertiefungen in der zweiten Platte 6 ausgebildet sind, bevorzugt durch Bestrahlen mit Laserpulsen entlang des Verlaufs der Gräben mit anschließendem Ätzen.
Die 4 b) zeigt eine Ausführungsform, in der die zweite Leiterbahn 16 auf der ebenen Oberfläche der zweiten Platte 6 angeordnet ist.
Die 5 a) zeigt die Anordnung von zumindest zwei, vorliegend dargestellt zehn, Ausnehmungen 2, deren Längsmittelachsen 7 in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Ausnehmungen 2 sind von Wandungen eingefasst, die sich durch die vollständige Dicke der ersten Glasplatte 1 erstrecken. Dabei laufen die Ausnehmungen 2 kegelförmig von der ersten Oberfläche 4 zur zweiten Oberfläche 5 der ersten Glasplatte 1 zu. Die Querschnittsöffnungen der Ausnehmungen 2 werden in der Ebene der zweiten Oberfläche 5 von der zweiten Platte 6 überdeckt.
Die 5 b) zeigt eine Ausführungsform, bei der eine dritte Platte 18 mit der ersten Oberfläche 4 der ersten Glasplatte 1 verbunden ist, wobei die dritte Platte 18 durch ihre Dicke durchgehende dritte Ausnehmungen 23 aufweist, die zumindest zwei, in der 5 b) zehn, Ausnehmungen 2, die in der ersten Glasplatte ausgebildet sind, überdecken. Der Abstand der Längsmittelachsen der Ausnehmungen 2 in der ersten Glasplatte kann z.B. 10 bis 100 µm betragen.
Die 5 c) zeigt eine Ausführungsform, in der in der ersten Glasplatte 1 eine Ausnehmung durch Ätzen erzeugt ist, nachdem die erste Glasplatte 1 an den Stellen, an denen Teilausnehmungen 2' gebildet werden, mit durch ihre vollständige Dicke durchgehenden Laserpulsen bestrahlt wurde und dazwischen mit Laserpulsen bestrahlt wurde, die sich maximal über einen oberen Dickenabschnitt 20 erstrecken. Der obere Dickenabschnitt 20 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 4 der ersten Glasplatte 1 bis angrenzend an die Teilausnehmungen 2', wobei zwischen den Teilausnehmungen 2' an den Orten, an denen Laserpulse maximal bis in die Tiefe des oberen Dickenabschnitts 20 eingestrahlt wurden, Teilwände 22 zurückbleiben. Die endständigen Querschnittsöffnungen der Teilausnehmungen 2', die dem ersten Dickenabschnitt 20 gegenüberliegen, sind von einer zweiten Platte 6 überdeckt, die mit der ersten Platte 1 verbunden ist.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die zweite Platte 6 zweite Ausnehmungen 19 im Bereich der Ausnehmungen 2 aufweist, die in der ersten Glasplatte 1 gebildet sind. Die zweiten Ausnehmungen 19 können sich optional nur bis in einen Anteil der Dicke der zweiten Platte 6 erstrecken, oder sich durch die vollständige Dicke der zweiten Platte 6 erstrecken, wie hier dargestellt. Die zweiten Ausnehmungen weisen in der Ebene der Oberfläche der zweiten Platte 6, die mit der ersten Glasplatte 1 verbunden ist, Durchmesser auf, der z.B. um den Faktor 5 bis 10 kleiner ist als der Durchmesser einer Zelle Z. Eine zweite Platte 6 mit durch ihre vollständige Dicke durchgehenden zweiten Ausnehmungen 19 bilden eine Rückhaltevorrichtung für größere Partikel, z.B. eine Zelle Z.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform laufen in 6 die zweiten Ausnehmungen 19 kegelförmig zu und weisen ihren kleineren Durchmesser in der Ebene der der ersten Glasplatte zugewandten Oberfläche der zweiten Platte 6 auf.
Bezugszeichenliste

1: erste Glasplatte
2: Ausnehmung
2': Teilausnehmung
3: Boden
4: erste Oberfläche
5: zweite Oberfläche
6: zweite Platte
7: Längsmittelachse
8: Ätzresist
9: Fase, Unterätzung
10: Glasfritte
11: Glasspitze
12: Position eingestrahlter Laserpuls
13: Position tiefer eingestrahlter Laserpuls
14: weitere Ausnehmung
15: erste Leiterbahn
16: zweite Leiterbahn
17: Graben
18: dritte Platte
19: zweite Ausnehmung
20: oberer Dickenabschnitt
21: unterer Dickenabschnitt
22: Teilwände
23: dritte Ausnehmung
Z: Zelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2003/0211014 A1 [0004]
EP 1867612 A1 [0005]
EP 2011857 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Deutsch et al., Lab Chip, 2006, 69, 995-1000 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen aus Glas, die als Ausnehmungen (2) in einer ersten Glasplatte (1) gebildet sind, mit den Schritten 1. Einstrahlen von Laserpulsen einer Wellenlänge, für die die erste Glasplatte (1) durchlässig ist, auf die Stellen der ersten Glasplatte (1), an denen jeweils eine Ausnehmung (2) als Reaktionsgefäß erzeugt werden soll, 2. Ätzen der ersten Glasplatte (1), für eine Zeitdauer, die zum Erzeugen von Ausnehmungen (2) entlang der Stellen ausreicht, wobei das Ätzen bis zur Ausbildung von Ausnehmungen (2) mit einer Tiefe, die sich über die vollständige Dicke der ersten Glasplatte (1) erstreckt, erfolgt, und Verbinden einer zweiten Platte (6) mit einer Oberfläche der ersten Glasplatte (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Auftragen von Glasfritte (10) auf eine Oberfläche (4, 5) der ersten Glasplatte (1) oder auf eine Oberfläche der zweiten Platte (6) und anschließendes Erwärmen oder durch anodisches Bonding oder allein durch Anordnen der ersten Glasplatte (1) gegen die zweite Platte (6) mit anschließendem Erwärmen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ausnehmungen (2) mindestens 30 µm beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (2) ein Streckungsverhältnis von zumindest 2 von Tiefe zu Durchmesser, der in der Ebene der ersten Oberfläche (4) gemessen ist, aufweisen
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt 1 und vor Schritt 2 eine Oberfläche (4, 5) der ersten Glasplatte (1) mit Ätzresist (8) beschichtet wird und das Ätzresist (8) nach dem Ätzen und vor dem Verbinden mit der zweiten Platte (6) entfernt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (6) aus Glas, Silizium, Saphir, Keramik, Metall oder aus zumindest zwei Schichten dieser besteht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Auftragen von Glasfritte (10) auf eine Oberfläche (4, 5) der ersten Glasplatte (1) oder auf eine Oberfläche der zweiten Platte (6) und anschließendes Erwärmen oder durch anodisches Bonding oder allein durch Anordnen der ersten Glasplatte (1) gegen die zweite Platte (6) mit anschließendem Erwärmen erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Glasplatte (1) an den Stellen, an denen eine Ausnehmung (2) erzeugt werden soll, an mehreren voneinander beabstandeten Positionen mit Laserpulsen bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen in einem Abstand von maximal 10 µm angeordnet sind, wobei zumindest drei Positionen zumindest 20 µm voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stellen der ersten Glasplatte (1), an denen eine Ausnehmung (2) erzeugt werden soll, ein Laserstrahl auf einem umfänglich geschlossenen Weg eingestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl, der auf einem umfänglich geschlossenen Weg eingestrahlt wird, durch nebeneinander eingestrahlte Laserstrahlpulse gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seite der ersten Glasplatte (1) vor Schritt 2 mit einem Ätzresist (10) beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen erfolgt, bis sich angrenzend an die mit Ätzresist (10) beschichtete Oberfläche eine um die Ausnehmung umlaufende Fase (9) bildet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch Auftragen pastenförmiger Glasfritte (10) mittels eines Druckverfahrens auf die Oberfläche (4, 5) der ersten Glasplatte (1), Anordnen der zweiten Platte (6) gegen die aufgetragene Glasfritte (10) und Erwärmen der Anordnung der ersten Glasplatte (1) und zweiten Platte (6) mit der dazwischen aufgetragenen Glasfritte (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Leiterbahn (15) auf der der zweiten Platte (6) gegenüberliegenden ersten Oberfläche (4) der ersten Glasplatte (1) aufgebracht wird, und zweite Leiterbahnen (16) auf die der ersten Glasplatte (1) zugewandte Oberfläche der zweiten Platte (6) aufgebracht werden, die anschließend mit der ersten Glasplatte (1) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Leiterbahnen (16) innerhalb von Gräben, die in der zweiten Platte (6) erzeugt sind, erzeugt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen auf der ersten Glasplatte (1) aufgebracht sind, die zumindest einen Anteil der inneren Wandung der Ausnehmungen (2) überdecken.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl auf eine erste Oberfläche (4) der ersten Glasplatte (1) eingestrahlt wird und beim Verbinden die zweite Platte (6) gegen die der ersten Oberfläche (4) gegenüberliegende zweite Oberfläche (5) der ersten Glasplatte (1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Platte (18), die dritte, sich durch ihre vollständige Dicke erstreckende dritte Ausnehmungen (23) aufweist, mit den dritten Ausnehmungen (23) passend zu den Ausnehmungen (2, 2') der ersten Glasplatte (1) mit der ersten Oberfläche (4) der ersten Glasplatte (1) verbunden wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Platte (6) zweite Ausnehmungen (19) erzeugt werden und die zweite Platte (6) mit ihren zweiten Ausnehmungen (19) angrenzend an die Ausnehmungen (2) der ersten Glasplatte (1) mit der ersten Glasplatte (1) verbunden wird.
Reaktionsgefäße, die als Ausnehmungen aus Glas gebildet sind, insbesondere erhältlich nach einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit einer Tiefe der Ausnehmungen von zumindest 30 µm in einer ersten Glasplatte (1) und einem Streckungsverhältnis von zumindest 2 von Tiefe zu Durchmesser, der in der Ebene einer ersten Oberfläche (4) der ersten Glasplatte (1) gemessen ist, wobei die Ausnehmungen (2) von Wandungen eingefasst sind, deren Stirnflächen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und die erste Oberfläche (4) der ersten Glasplatte (1) bilden, von der die Ausnehmungen (2) ausgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmungen (2) durch die vollständige Dicke der ersten Glasplatte (1) erstrecken und eine zweite Platte (6), die den Boden (3) der Reaktionsgefäße bildet, durch Auftragen von Glasfritte (10) auf eine Oberfläche (4, 5) der ersten Glasplatte (1) oder auf eine Oberfläche der zweiten Platte (6) und anschließendes Erwärmen oder durch anodisches Bonding oder allein durch Anordnen der ersten Glasplatte (1) gegen die zweite Platte (6) mit anschließendem Erwärmen mit einer Oberfläche (4, 5) der ersten Glasplatte (1) verbunden ist.
Reaktionsgefäße nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (6) auf ihrer Oberfläche, die der ersten Glasplatte (1) zugewandt ist, Leiterbahnen aufweist, die sich bis in den von den Ausnehmungen (2) umfassten Bereich erstrecken und zwischen der ersten Glasplatte (1) und der zweiten Platte (6) nach Aufschmelzen erstarrte Glasfritte (10) angeordnet ist.
Reaktionsgefäße nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen innerhalb von Gräben angeordnet sind, die in der Oberfläche der zweiten Platte (6) erzeugt sind, die mit der ersten Glasplatte (1) verbunden ist.
Reaktionsgefäße nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der ersten Glasplatte (1) und der zweiten Platte (6) nach Aufschmelzen angeordnete erstarrte Glasfritte (10) eine Färbung aufweist, die für Wellenlängen von 300 bis 800 nm undurchlässig ist.
Reaktionsgefäße nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Böden (3) der Ausnehmungen (2) von erstarrter Glasfritte (10), die eine Glaslinse bildet, gebildet ist, wobei die Glasfritte (10) vollflächig auf der Oberfläche der zweiten Platte (6) angeordnet ist, die mit der ersten Glasplatte (1) verbunden ist.
Reaktionsgefäße nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Platte (18), die dritte, sich durch ihre vollständige Dicke erstreckende dritte Ausnehmungen (23) aufweist, mit den dritten Ausnehmungen (23) passend zu den Ausnehmungen (2, 2') der ersten Glasplatte (1) mit der ersten Oberfläche (4) der ersten Glasplatte (1) verbunden ist.
Reaktionsgefäße nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (6) zweite Ausnehmungen (19) aufweist, die sich über die vollständige Dicke der zweiten Platte (6) erstrecken, und die zweite Platte (6) mit ihren zweiten Ausnehmungen (19) angrenzend an die Ausnehmungen (2) der ersten Glasplatte (1) mit der ersten Glasplatte (1) verbunden ist.
Reaktionsgefäße nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Ausnehmungen (19) der zweiten Platte (6) einen Durchmesser, gemessen in der Ebene der an die erste Glasplatte (1) angrenzenden Oberfläche, von 1 bis 5 µm aufweisen.
Verfahren zur Analyse einer Probe mit dem Schritt des Bereitstellens von Reaktionsgefäßen, die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 hergestellt sind oder die Reaktionsgefäße nach einem der Ansprüche 20 bis 27 sind, mit dem Einbringen von Probe, die zellfrei oder zellhaltig ist, in die Reaktionsgefäße, Zugeben zumindest eines Reagenzes in Reaktionsgefäße, und dem optischen Messen der Reaktionsgefäße.