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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheiten sowie damit in Verbindung stehende Verfahren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Mikrofluidik betrifft im Allgemeinen im Mikromaßstab hergestellte Einheiten, welche zum Pumpen, Probennehmen, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Hervorstechende Eigenschaften dieser stammen aus dem besonderen Verhalten, welches Flüssigkeiten im Mikrometer-Längenmaßstab zeigen. Flüssigkeiten fließen in der Mikrofluidik typischerweise laminar. Durch Herstellung von Strukturen mit seitlichen Abmessungen im Mikrometerbereich können Volumina deutlich unter einem Nanoliter erreicht werden. Reaktionen, welche in großen Maßstäben (durch Diffusion der Reaktionspartner) beschränkt sind, können beschleunigt werden. Schließlich können möglicherweise parallele Ströme von Flüssigkeiten genau und reproduzierbar gesteuert werden, wodurch ermöglicht wird, dass an Flüssig/Flüssig-Grenzflächen und Flüssig/Fest-Grenzflächen chemische Reaktionen und Gradienten hervorgerufen werden können. Die Mikrofluidik wird deswegen für verschiedene Anwendungen in den Biowissenschaften verwendet.
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Es wurden zum Beispiel Tintenstrahle entwickelt, welche Tinte in einem kontaktlosen Modus, aber ohne Vorliegen einer Flüssigkeit abgeben können. Ferner können durch andere Techniken Oberflächen mit höherer Auflösung bemustert werden, die Techniken sind jedoch in ihrer Fähigkeit beschränkt, in einer flüssigen Umgebung eingesetzt zu werden. Durch flüssige Umgebungen werden Trocknungsartefakte, die Denaturierung von Biomolekülen auf ein Mindestmaß beschränkt und es wird ein Arbeiten mit biologischen Proben wie Zellen oder Gewebe ermöglicht.
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Zum Bemustern von Oberflächen und Analysieren von Proben auf einer Oberfläche in Gegenwart einer flüssigen Umgebung wurden verschiedene Strategien entwickelt, um Beschränkungen der geschlossenen Mikrofluidik zu überwinden. Einige Strategien beruhen auf der Eingrenzung von Flüssigkeiten in der Nähe einer Oberfläche oder auf dem Abgeben einer genauen Menge an Biomolekülen in einer wohldefinierten Region einer Flüssigkeit. Abtast-Nanopipetten und Hohlsonden (die Sonden ähneln, die in der Rasterkraftmikroskopie benutzt werden) zum Bemustern von Oberflächen mit Biomolekülen mit einer Genauigkeit im Mikrometer-Maßstab wurden ebenfalls entwickelt.
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Als ein anderes Beispiel wurde eine kontaktlose Mikrofluidik-Sondentechnologie (oder „MFP” (Microfluidic Probe)) entwickelt (vgl. z. B.
US 2005/0247673 A1 ), welche neben anderen Anwendungen ermöglicht, Oberflächen durch Hinzufügen oder Entfernen von Biomolekülen zu bemustern, Oberflächendichtegradienten von Proteinen zu erzeugen, die auf Oberflächen abgeschieden werden, Reaktionen an flüssigen Zwischenphasen in der Nähe einer Oberfläche zu lokalisieren, anhaftende Zellen auf einer Oberfläche zu färben und zu entfernen.
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Auf einem anderen technischen Gebiet wurde mit der Erfindung des Rastertunnel- und des Rasterkraftmikroskops die Rastersondenmikroskopie (oder SPM (Scanning Probe Microscopy) ins Leben gerufen. Kurz beschrieben, zielt sie darauf ab, Bilder von Probenoberflächen unter Verwendung einer physikalischen Sonde zu bilden. Techniken der Rastersondenmikroskopie beruhen auf einem Abtasten einer solchen Sonde, z. B. einer scharfen Spitze, direkt über oder in Kontakt mit einer Probenoberfläche, während eine Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Oberfläche überwacht wird. Dadurch kann ein Bild der Probenoberfläche erhalten werden. Typischerweise wird eine Rasterabtastung der Probe durchgeführt und die Sonden-Oberflächen-Wechselwirkung wird als eine Funktion der Position aufgezeichnet. So werden typischerweise Daten als ein zweidimensionales Gitter von Datenpunkten erhalten. Die erzielte Auflösung variiert in Abhängigkeit von der zugrunde liegenden Technik: in einigen Fällen kann eine atomare Auflösung erhalten werden. Typischerweise werden entweder piezoelektrische Antriebselemente oder ein elektrostatischer Antrieb verwendet, um genaue Bewegungen der Sonde auszuführen.
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Zwei Haupttypen der SPM sind die Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy, STM) und die Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM). Der Erfindung der STM folgte schnell die Entwicklung einer Familie anderer ähnlicher Techniken (einschließlich der AFM), welche zusammen mit der STM die SPM-Techniken bilden. Übrigens sollte die „Sonde” oder „Sondenspitze”, die in SPM-Techniken verwendet wird, von der „Sonde” unterschieden Werden, welche in MFP gemeint ist; die beiden Sondentypen unterscheiden sich voneinander funktionell, strukturell und in den Abmessungen.
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Unter den SPM-Techniken sind Techniken auf der Grundlage von Wärmesonden bekannt, welche in Luft funktionieren, aber nicht für einen Betrieb in Flüssigkeiten geeignet sind. Sie sind ferner auf eine thermische Aktivierung existierender funktioneller Einheiten an der verarbeiteten Oberfläche beschränkt. Für die AFM-Techniken kann man zum Beispiel zitieren:
- – „Dip-pen nanolithography” (K. Salaita u. a., Nature Nanotech., 2007, 2, S. 145 bis 155) und
- – „Nanofountain probe” (Loh, O., u. a., Small, 2009, S: S. 1667 bis 1674).
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Der Dip-Pen arbeitet in Luft und erzeugt Trocknungsartefakte. Die Nanofountain-Sonde arbeitet in einer Flüssigkeit. Sie kann im Grundsatz als eine Pipette im Mikromaßstab angesehen werden. Die Prozessflüssigkeit kann von dem interessierenden Punkt wegdiffundieren und kann die umgebende Flüssigkeit verunreinigen. Somit ist zu erkennen, dass mit den obigen Techniken kein In-situ-Betrieb mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrometer-Maßstab in Pufferlösungen möglich ist. Dementsprechend besteht ein Bedarf für hochauflösende Oberflächenverarbeitungseinheiten, welche einfach in einer flüssigen Umgebung betrieben werden können.
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In der
US 2010/0306887 A1 ist ein Mikrofluid-Sondenkopf gezeigt, der eine Auslassöffnung und eine Einlassöffnung aufweist, sowie einen Hebel, der in den Fließweg zwischen der Auslassöffnung und der Einlassöffnung ragen und den Fließweg teilweise sperren kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer ersten Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als eine Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheit verkörpert, aufweisend:
einen Mikrofluidik-Sondenkopf, welcher an einer Stirnseite mindestens eine Öffnung aufweist, wobei diese mindestens eine Auslassöffnung umfasst; und
eine Oberflächen-Verarbeitungsstruktur, welche sich nach außen und senkrecht zu der Stirnseite erstreckt, wobei die Verarbeitungsstruktur ferner so abgemessen und in Bezug auf die Auslassöffnung angeordnet ist, dass sie im Betrieb einen Fließweg einer Flüssigkeit abschneiden kann, die über die Auslassöffnung abgegeben wird,
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Die Einheit weist ferner einen Kragarm auf, der mechanisch mit dem Kopf verbunden ist, und wobei die Verarbeitungsstruktur eine Sondenspitze ist, wobei letztere den Kragarm abschließt.
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Der Kragarm ist über einen festen Abschnitt an der Stirnseite befestigt, wobei der feste Abschnitt einen Abstand von der Sondenspitze aufweist, und der Kragarm weist ferner einen freien Abschnitt auf, wobei sich letzterer in Bezug auf eine Hauptachse des Kragarms gegenüber der Sondenspitze erstreckt und so konfiguriert ist, dass er eine der Öffnungen abdichtet, wenn er gegen sie gezwungen wird.
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In Ausführungsformen weist der Mikrofluidik-Sondenkopf ferner mindestens eine Einlassöffnung an der Stirnseite auf, wobei: die Auslassöffnung und die Einlassöffnung so abgemessen und angeordnet sind, dass ermöglicht wird, dass über die Einlassöffnung eine Flüssigkeit aufgenommen wird, die über die Auslassöffnung abgegeben wird; und die Verarbeitungsstruktur so abgemessen und in Bezug auf die Einlassöffnung und die Auslassöffnung angeordnet ist, dass ein Fließweg von Flüssigkeit, die über die Auslassöffnung abgegeben und über die Einlassöffnung aufgenommen wird, im Betrieb abgeschnitten wird.
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In Varianten weist die Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheit ferner auf: eine elektrische Schaltung, welche so konfiguriert ist, dass eine elektrische Reaktion gemessen wird, z. B. eine elektrische Leitfähigkeit, eine elektrische Kapazität oder ein elektrochemisches Potential einer Flüssigkeit, die über die Einlassöffnung aufgenommen wird; und vorzugsweise ein Rückkopplungs-Steuermittel, welches mit der elektrischen Schaltung verbunden ist, welches vorzugsweise so konfiguriert ist, dass eine Rate einer Prozessflüssigkeit, die über die Auslassöffnung abgegeben wird, im Betrieb auf der Grundlage einer elektrischen Reaktion gesteuert wird, die über die elektrische Schaltung gemessen wird. Ein solches Rückkopplungs-Steuermittel könnte auch verwendet werden, um den Abstand zwischen der Einheit und der Oberfläche zu bestimmen. Auch könnten, falls erforderlich, Kombinationen verschiedener Typen elektrischer Reaktionen gleichzeitig gemessen werden.
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Vorzugsweise beträgt ein mittlerer Durchmesser der Auslassöffnung auf dem Niveau der Stirnfläche 0,5 Mikrometer bis 1.000 Mikrometer; ein Abstand zwischen der Verarbeitungsstruktur und der Auslassöffnung beträgt 5 Mikrometer bis 2.000 Mikrometer; und vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen der Auslassöffnung und einer Einlassöffnung des Mikrofluidik-Sondenkopfs, falls vorhanden, 5 Mikrometer bis 2.000 Mikrometer.
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Vorzugsweise ist der Kragarm ein Kragarm eines Rastersondenmikroskops, wobei der Kragarm vorzugsweise an dem Kopf verankert ist, insbesondere an nur einem Punkt an dem Kopf verankert ist. Der Kragarm ist zum Beispiel ein AFM-Kragarm. Er kann zum Beispiel auch an einer anderen Halterung montiert sein, zumindest teilweise unabhängig von dem MFP-Kopf.
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In Ausführungsformen: befindet sich der feste Abschnitt in Bezug auf den freien Abschnitt gegenüber der Sondenspitze; oder der freie Abschnitt befindet sich in Bezug auf den festen Abschnitt gegenüber der Sondenspitze.
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Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist die Erfindung als ein Verfahren zur Oberflächenverarbeitung verkörpert, aufweisend: Versehen der Einheit einer der vorstehenden Ausführungsformen mit der Verarbeitungsstruktur, welche einer zu verarbeitenden Oberfläche zugewandt ist; Abgeben einer Prozessflüssigkeit über die Auslassöffnung, wobei die Verarbeitungsstruktur einen Fließweg der abgegebenen Prozessflüssigkeit abschneidet; und Übertragen von Teilchen in der Flüssigkeit über die Verarbeitungsstruktur auf die Oberfläche durch In-Kontakt-Bringen der Verarbeitungsstruktur mit der Oberfläche, wobei vorzugsweise eine Oberfläche der Verarbeitungsstruktur so funktionalisiert ist, dass ein Transport der Teilchen zu einem Scheitelpunkt der Verarbeitungsstruktur ermöglicht wird. Die Teilchen können so klein wie Moleküle sein. Die Prozessflüssigkeit muss nicht mit der Oberfläche in Kontakt kommen, so dass die Auflösung verbessert werden kann.
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Vorzugsweise wird die Verarbeitungsstruktur ferner außer Kontakt mit der Oberfläche gebracht, um darauf ein Muster zu erzeugen.
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Der Mikrofluidik-Sondenkopf der bereitgestellten Einheit weist ferner eine Einlassöffnung an der Stirnseite auf, wobei die Auslassöffnung und die Einlassöffnung so abgemessen und angeordnet sind, dass über die Einlassöffnung ein Aufnehmen von Flüssigkeit ermöglicht wird, die über die Auslassöffnung abgegeben wird, und die Verarbeitungsstruktur so angeordnet ist, dass ein Fließweg von Flüssigkeit, die über die Auslassöffnung abgegeben und über die Einlassöffnung aufgenommen wird, abgeschnitten wird, wobei das Verfahren ferner aufweist: Aufnehmen von Prozessflüssigkeit, die über die Auslassöffnung abgegeben wird, über die Einlassöffnung.
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Zwischen der Stirnseite und der Oberfläche wird ferner eine Tauchflüssigkeit bereitgestellt, wobei die Prozessflüssigkeit innerhalb der Tauchflüssigkeit abgegeben wird, und vorzugsweise, um eine laminare Strömung von Prozessflüssigkeit zu bilden, welche in der Tauchflüssigkeit eingegrenzt ist.
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Das Verfahren weist ferner ein Messen einer elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeit auf, die über die Einlassöffnung aufgenommen wird, und vorzugsweise weist das Verfahren ferner ein Steuern einer Rate einer Prozessflüssigkeit, die über die Auslassöffnung abgegeben wird, auf der Grundlage der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit auf.
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Gemäß Ausführungsformen weist das Übertragen von Teilchen ferner auf: Erzeugen einer Lipid-Bischicht an einer Oberfläche der Verarbeitungsstruktur; und vorzugsweise weist das Übertragen von Teilchen ferner ein Transportieren von molekularen Teilchen über die Lipid-Bischicht auf, um die molekularen Teilchen auf die Oberfläche zu übertragen. Es sei angemerkt, dass allgemeiner statt einer Lipid-Bischicht ein „Fließbandsystem” verwendet werden kann.
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Vorzugsweise weist die bereitgestellte Einheit ferner einen Kragarm auf, der mechanisch mit dem Kopf verbunden ist, und die Verarbeitungsstruktur ist eine Sondenspitze, welche den Kragarm abschließt, und das Übertragen von Teilchen weist ferner ein Einschalten der Verarbeitungsstruktur auf, vorzugsweise thermisch oder elektrisch, um zu ermöglichen, dass an der Oberfläche eine chemische Reaktion stattfindet. Die Reaktion könnte auch eine katalytische Reaktion mit z. B. Platin oder anderen Metallen sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist der Kragarm der bereitgestellten Einheit über einen festen Abschnitt an der Stirnseite befestigt, wobei der feste Abschnitt einen Abstand von der Sondenspitze aufweist, und der Kragarm weist ferner einen freien Abschnitt auf, wobei sich letzterer in Bezug auf eine Hauptachse des Kragarms gegenüber der Sondenspitze erstreckt und so konfiguriert ist, dass er die Auslassöffnung abdichtet, wenn er gegen sie gezwungen wird, und wobei das Abgeben ferner ein Einstellen einer Rate einer Prozessflüssigkeit in Richtung des freien Abschnitts aufweist, um den Abschnitt zu kippen oder zu biegen und Flüssigkeit durch die Auslassöffnung fließen zu lassen.
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Im Folgenden werden Einheiten, Vorrichtungen und Verfahren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, mittels nicht beschränkender Beispiele und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG VERSCHIEDENER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine 3D-Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheit gemäß Ausführungsformen;
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2 ist eine andere 3D-Ansicht der Einheit der 1 im Betrieb: die Einheit weist gemäß Ausführungsformen eine Sondenspitze auf, welche einen Fließweg von Flüssigkeit abschneidet, die über eine Auslassöffnung abgegeben und über eine Einlassöffnung aufgenommen wird;
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3 bis 4.B veranschaulichen Varianten der 1;
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5 bis 6 sind eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht (vereinfachte Darstellung) der Einheit der 1;
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7 ist eine Seitenansicht (vereinfachte Darstellung) einer Variante zu der Einheit der 1 und 5, wobei gemäß Ausführungsformen statt einer Sondenspitze eine abgerundete Verarbeitungsstruktur verwendet wird;
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8 bis 13 sind Seitenansichten von Varianten zu der Einheit der 1, welche einen Kragarm mit einem freien Abschnitt umfassen, der gegen eine Auslassöffnung gezwungen werden kann. Die Einheiten der 10 bis 11 umfassen ferner eine elektrische Schaltung zum Messen einer elektrischen Reaktion, z. B. der Leitfähigkeit, der elektrischen Kapazität, des elektrochemischen Potentials, in einer Einlassleitung und ein Rückkopplungs-Steuermittel, wie in Ausführungsformen;
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14 veranschaulicht einen Schritt eines Verfahrens der Oberflächenverarbeitung, wobei eine Sondenspitze, die durchgängig mit einer Prozessflüssigkeit beladen wird, mit einer zu verarbeitenden Oberfläche in Kontakt gebracht wird, gemäß Ausführungsformen;
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15 bis 19 veranschaulichen jeweils einen ähnlichen Schritt, jedoch gemäß anderen Ausführungsformen. Und zwar:
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In 15: die Prozessflüssigkeit ist ferner in einer Tauchflüssigkeit eingegrenzt. Teilchen der Flüssigkeit werden über eine Sondenspitze auf die Oberfläche übertragen;
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In 16: an einer Oberfläche der Verarbeitungsstruktur (einer Sondenspitze) wird eine Lipid-Bischicht erzeugt;
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In 17: über eine solche Lipid-Bischicht werden ferner molekulare Teilchen transportiert;
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In 18: die Sondenspitze wird eingeschaltet, um zu ermöglichen, dass an der verarbeiteten Oberfläche eine Katalyse oder eine chemische Reaktion stattfindet; und
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In 19: statt einer Sondenspitze wie in 7 wird eine abgerundete Verarbeitungsstruktur verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist wie folgt strukturiert. Zuerst werden allgemeine Erscheinungsformen, Hauptausführungsformen der Erfindung und Varianten beschrieben (Abschn. 1). Der nächste Abschnitt befasst sich mit spezielleren Ausführungsformen und technischen Einzelheiten der Realisierung (Abschn. 2).
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1. Allgemeine Erscheinungsformen, Hauptausführungsformen und Varianten
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Eine einfache Idee, welche der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Oberflächen-Verarbeitungsstruktur, z. B. eine SPM-artige Sondenspitze, an einen Mikrofluidik-Sondenkopf (oder MFP-Kopf) anzufügen, günstig angeordnet in Bezug auf Flüssigkeits-Auslass/Einlass-Öffnungen des MFP-Kopfs, so dass ein In-situ-Betrieb in Pufferlösungen möglich wird. Die Verarbeitungsstruktur muss nicht vollständig von der Prozesslösung benetzt sein, die von der MFP abgegeben wird: Moleküle bewegen sich/diffundieren entlang der Verarbeitungsstruktur, so dass eine SPM-artige Bemusterungsauflösung ohne Verunreinigung des umgebenden Bereichs erzielt werden kann.
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Nun werden unter Bezugnahme auf 1 bis 19 Haupterscheinungsformen der Erfindung allgemein beschrieben. Jede dieser Figuren zeigt eine Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheit 10a bis 10h oder einen Abschnitt davon. In jedem Fall weist diese Einheit einen MFP-Kopf 16 auf, welcher mindestens eine Auslassöffnung 11 an einer Stirnseite 17 des MFP-Kopfs aufweist. Typischerweise ist die Stirnseite 17 die Oberflächenverarbeitungsseite, d. h., sie soll der Oberfläche 40 zugewandt sein, die zu verarbeiten ist. Es können jedoch auch andere Konfigurationen vorgesehen sein, wie in 4.A zu sehen. Die Oberflächen-Verarbeitungseinheit 10a bis 10h weist ferner eine Verarbeitungsstruktur 21, 21a, 22 auf. Letztere ist vorzugsweise eine SPM-artige Sonde, welche von einer Sondenspitze abgeschlossen wird (wie z. B. in 1, 2, 4 bis 6). Sie kann anderenfalls als eine abgerundete Struktur verkörpert sein (vgl. z. B. 7) oder immer noch als eine vorspringende, spitzenförmige Struktur (3). Es können andere geeignete Formen und Abmessungen vorherzusehen sein, die für Zwecke wie die nachfolgend beschriebenen geeignet sind, wie der Fachmann erkennen kann. In allen Fällen muss sich diese Verarbeitungsstruktur nach außen und senkrecht zu einer Stirnseite 17 des MFP-Kopfs erstrecken. Dies bedeutet genau gesagt, dass sich eine Projektion dieser Verarbeitungsstruktur auf eine Achse senkrecht zu der Stirnseite 17 von Null unterscheidet. Die Verarbeitungsstruktur ist ferner so abgemessen und in Bezug auf die Auslassöffnung 11 angeordnet, dass sie einen Fließweg (z. B. laminar) einer Flüssigkeit 15, die über die Auslassöffnung abgegeben wird, im Betrieb abschneiden kann. Somit muss die Projektion der Verarbeitungsstruktur auf eine Achse senkrecht zur Stirnseite 17 deutlich größer als Null sein, damit die Verarbeitungsstruktur den Fließweg der abgegebenen Flüssigkeit im Betrieb abschneiden kann.
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Eine solche Einheit vereinfacht die Oberflächen-Nanoverarbeitung unter einer Flüssigkeit. Im Betrieb wird diese Einheit in der Nähe einer zu verarbeitenden Oberfläche 40 bereitgestellt und so ausgerichtet, dass die Verarbeitungsstruktur 21, 21a der Oberfläche 40 zugewandt ist. Dann wird über die Auslassöffnung 11 eine Prozessflüssigkeit 15 abgegeben, vgl. z. B. 2, 5 oder 6; die Verarbeitungsstruktur 21, 21a schneidet den Fließweg der abgegebenen Flüssigkeit 15 ab. Teilchen 151, 153, 155 in der Flüssigkeit 15 können so über die Verarbeitungsstruktur 21, 21a einfach zu der Oberfläche 40 geführt werden, indem die Verarbeitungsstruktur mit der Oberfläche 40 in Kontakt gebracht wird. Durch Bringen der Verarbeitungsstruktur 21, 21a in und außer Kontakt mit der Oberfläche 40 wird ermöglicht, spezielle Muster zu erzeugen, wie in 15 bis 19 veranschaulicht. Die letzteren Schritte werden wiederholt, wie erforderlich, um betreffende Muster auf der Oberfläche zu erzeugen, etwas, was vorteilhaft eine Anzahl von Anwendungen findet, wie der Fachmann auf dem Gebiet der Oberflächen-Nanoverarbeitung erkennen kann.
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Vorzugsweise weist der MFP-Kopf 16 ferner mindestens eine Einlassöffnung 12 an der Stirnseite auf, wie in 1 bis 4.A dargestellt. Die Auslassöffnung 11 und die Einlassöffnung 12 sind so abgemessen und angeordnet, dass ein Aufnehmen von Flüssigkeit 15 über die Einlassöffnung ermöglicht wird, die über die Auslassöffnung 11 abgegeben wird, typischerweise in einem laminaren Regime (wie es per se bekannt ist). Die Verarbeitungsstruktur 21, 21a ist zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung angeordnet und so abgemessen, dass sie den Fließweg der Flüssigkeit 15, die über die Öffnung 11 abgegeben und über die Öffnung 12 aufgenommen wird, im Betrieb abschneidet. Im Betrieb wird die Flüssigkeit, die an der Öffnung 11 abgegeben wird, (zumindest teilweise) über die Einlassöffnung 12 aufgenommen. Die Öffnungen können auch als Öffnungen definiert werden, die entsprechende Leitungen/Kanäle abschließen, die geeignet in dem MFP-Kopf und dahinter angeordnet sind, um in geeigneter Weise mit Hilfe von Pumpen und/oder einem beliebigen geeigneten Mechanismus Flüssigkeit abzugeben und anzusaugen. MFP-Köpfe, die mit Einlass-/Auslassöffnungen, Leitungen, Pumpen usw. ausgestattet sind, sind per se bekannt.
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Eine bessere Steuerung der Teilchenabscheidung wird erreicht, wenn eine Kombination von Auslass-/Einlassöffnungen verwendet wird, da Teilchen, die auf die Oberfläche zu übertragen sind, in der Flüssigkeit 15 eingegrenzt bleiben (ein kleines Volumen an Prozesslösung kann von dem MFP-Kopf abgegeben werden, wie in 2 veranschaulicht). Allgemeiner kann ein wohl definiertes Volumen an Prozesslösung von der MFP bereitgestellt werden. Eine Oberflächen-Verarbeitungsstruktur wie z. B. eine Sondenspitze eines AFM-artigen Kragarms kann somit in der Flüssigkeitshülle 15 angeordnet und kontinuierlich mit Chemikalien beladen werden, welche in der Flüssigkeit 15 vorhanden sind. Die Chemikalien sollen zum Beispiel entlang der Oberflächen-Verarbeitungsstruktur diffundieren, z. B. in Richtung des Scheitelpunkts der AFM-Sonde, und entsprechend auf der Substratoberfläche 40 abgeschieden werden. Eine geeignete Oberflächenfunktionalisierung der Oberflächenverarbeitungsstruktur kann realisiert werden, falls erforderlich, um einen effizienten Transport der Chemikalien zu dem Scheitelpunkt der Struktur sicherzustellen.
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In der Praxis beträgt der mittlere Durchmesser der Auslassöffnung 11 (und der Einlassöffnung, falls vorhanden) auf dem Niveau der Stirnseite 17 typischerweise 0,5 Mikrometer bis 1.000 Mikrometer. Wie dem Fachmann ersichtlich sein sollte, sollte die Auslassöffnung vorzugsweise klein genug sein, um eine lokale Eingrenzung, z. B. geringfügig größer als die Spitze, zu erreichen. Eine solche Eingrenzung von z. B. 150 Mikrometern kann mit Auslassöffnungen von etwa 20 bis 50 Mikrometern erreicht werden. Sie kann jedoch kleiner sein, z. B. können 0,5 Mikrometer einfach hergestellt werden. Die Einlassöffnung ist in einigen Fällen viel größer, insbesondere wo man versucht, ein Verstopfen durch Teilchen/Staub zu verhindern. Dies hängt stark von der vorgesehenen Anwendung ab. Die Öffnungen 11, 12 beenden jeweils eine entsprechende Auslass-/Einlassleitung, welche vorzugsweise denselben Durchmesser wie die entsprechende Öffnung aufweist. Die Größen des Einlasses und des Auslasses können sich jedoch deutlich unterscheiden, z. B. „kleiner” Auslass, „großer” Einlass. Die Fließeigenschaften, die durch solche Abmessungen ermöglicht werden, sind typischerweise für einen Bereich von Anwendungen geeignet, wie hierin vorgesehen. Außerdem wird der Abstand zwischen der Verarbeitungsstruktur 21, 21a und der Auslassöffnung 11 vorzugsweise auf 5 Mikrometer bis 2.000 Mikrometer eingestellt. Dieser Abstand sollte merklich von dem Arbeitsabstand, der Krümmung und den Abmessungen der Verarbeitungsstruktur, z. B. eines AFM-Kragarms, abhängen. Eine MFP kann einfach eine Strömungseingrenzung einer Dicke von 500 Mikrometern bereitstellen. Wenn das AFM zu weit entfernt ist, löst es den Kontakt zu der Eingrenzung. Die Verarbeitungsstruktur befindet sich typischerweise „zwischen” der Einlass- und Auslassöffnung (z. B. befindet sich ihre Projektion auf die Stirnseite 17 typischerweise in der Mitte der Öffnungen, obwohl eine geringe Versetzung vorgesehen werden kann). Somit beträgt ein Abstand zwischen der Auslassöffnung 11 und der Einlassöffnung 12 typischerweise mehr als 5 Mikrometer, aber auch weniger als 2.000 Mikrometer. Mit solchen Abmessungen kann eine stabile Eingrenzung erreicht werden. Kleinere Abmessungen sind unpraktisch hinsichtlich der Herstellung, während größere Abmessungen zu einer instabilen Eingrenzung führen können. Wie bereits erwähnt, sind vorzugsweise laminare Strömungen der Flüssigkeit 15 vorgesehen.
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Die bevorzugten Materialien sind typischerweise diejenigen, die für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) verwendet werden, Silicium, Glas, Keramik, Polymere, Metallbeschichtungen und natürlich eine chemische Oberflächenfunktionalisierung. In Abhängigkeit von der Anwendung sollten sie biokompatibel und/oder widerstandsfähig gegen die verwendeten Lösungsmittel/Lösungen sein. Die Fließraten betragen vorzugsweise 0,01 Mikroliter je Minute bis 100 Mikroliter je Minute.
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Wie oben angerissen, ist die Verarbeitungsstruktur vorzugsweise als eine Sondenspitze 21 geformt und abgemessen, wie in 1 bis 4.B dargestellt. Die Oberflächen-Verarbeitungseinheit kann ferner einen Kragarm 22 aufweisen, der mechanisch mit dem MFP-Kopf 16 verbunden ist, z. B. senkrecht vorspringt oder sich parallel zu einer Stirnseite 17 davon, z. B. der Verarbeitungsseite, erstreckt. Die Sondenspitze 21 schließt den Kragarm 22 in diesem Fall ab, wie allgemein in SPM-Sonden, wie in 1, 2, 4.A bis 4.B dargestellt. In solchen Ausführungsformen werden die Auflösungsfähigkeiten, die mit Sondenspitzen 21 erreichbar sind, mit der flexiblen Flüssigkeitshandhabbarkeit von MFP-Köpfen kombiniert.
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Man beachte, dass in den Fällen der 3 die Verarbeitungsstruktur 21 direkt an der Stirnseite 17 bereitgestellt wird, d. h. aus der Stirnseite vorspringt, während in den Ausführungsformen der 1, 2, 4.A bis 4.B die Sondenspitze 21 einen Kragarm 22 abschließt. Jedoch ist in 1, 2 die Sonde 20 (21 bis 23) über einen festen Punkt 23 indirekt mit dem MFP-Kopf 16 verbunden. In 4.A bis 4.B springt der Kragarm direkt aus einer Endseite des MFP-Kopfs vor. Dank der Ausrichtung der Spitze 21 in 4.A bis 4.B bleibt die Verarbeitungsseite parallel zu der mittleren Ebene des dargestellten MFP-Kopfs und die Verarbeitungsseite unterscheidet sich von der Fläche, welche die Öffnungen 11, 12 aufweist. Die Einheit 10c2 der 4.B weist nur eine Auslassöffnung 12 auf (keine Einlassöffnung), wie in einer minimalen Konfiguration einer Oberflächen-Verarbeitungseinheit gemäß Ausführungsformen erforderlich. Die Strukturen der 4.A bis 4.B bieten einen größeren physischen Schutz für die Sonde 21, 22, können aber schwieriger herzustellen sein als die Einheiten der 1 bis 3.
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In dieser Hinsicht können die Abschnitte der Einheiten 10c1 und 10c2 der 4.A bis 4.B einteilig hergestellt werden, wobei gewöhnliche Herstellungstechniken angewendet werden, die auf dem Fachgebiet der MFPs bekannt sind. Stattdessen können für die Einheiten der 1, 2 Herstellungstechniken genutzt werden, die auf beiden Gebieten der MFP und SPM bekannt sind: für den MFP-Kopf 16 können typische MFP-Herstellungstechniken angewendet werden, während die Sondenspitze und der Kragarm unter Anwendung beliebiger geeigneter SPM-Herstellungstechniken hergestellt werden können. Der Kragarm 22 kann zum Beispiel an einem oder mehreren Punkten 23 in dem MFP-Kopf 16 verankert sein, z. B. in einem Teil oder einer Oberfläche 16b, welche(r) mit einer Mesa 16a zusammenhängt, welche die Öffnungen 11, 12 aufweist, und dies unter Anwendung von Techniken, die aus der Herstellung von SPM-Einheiten bekannt sind. Es sei angemerkt, dass die Mesa 16a, obwohl sie zum Einstellen des Abstands zwischen den MFP-Öffnungen und der Sondenspitze zum Bereitstellen einer richtigen Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und Spitze hilfreich ist, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist; sie kann zum Beispiel weggelassen werden, wie in 5 bis 13 dargestellt. In der Tat hängt die Notwendigkeit einer Mesa von der Montagegeometrie des SPM an dem MFP-Kopf ab.
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Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist dennoch nicht auf Einheiten beschränkt, in welchen SPM-artige Sondenspitzen verwendet werden. Für den Zweck der Übertragung, z. B. eine lokale Abgabe der Reaktionspartner, kann eine beliebige geometrische Führungsstruktur 21a verwendet werden, z. B. eine abgerundete oder spitzenförmige Struktur, welche aus der Stirnseite 17 vorspringt, wie in 3, 7 oder 19 dargestellt. Natürlich muss die Verarbeitungsstruktur geeignete Abmessungen aufweisen und richtig in Bezug auf die Öffnungen 11, 12 und einen resultierenden Flüssigkeitsstrom angeordnet sein. Wie bereits angeführt, könnten die Fließraten 0,01 Mikroliter je Minute bis 100 Mikroliter je Minute betragen. Die eingegrenzten Volumina (ohne Volumina in den Rohren und dem Kopf) betragen typischerweise 200 Pikoliter bis 1 Mikroliter.
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Einheiten wie jene, die in 7 oder 19 dargestellt sind, können außerdem ein Reservoir 20a in Fluidkommunikation mit der Oberfläche der Verarbeitungsstruktur 21a aufweisen, um zum Beispiel diese Oberfläche geeignet in Bezug auf Chemikalien zu funktionalisieren, die in der Flüssigkeit 15 enthalten sind, wie später noch zu erörtern ist.
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Wieder Bezug nehmend auf 1 bis 2, ist hier die SPM-Sonde 20 an einem Punkt 23 in dem MFP-Kopf 16 verankert. Anders herum kann der MFP-Kopf an einer gesamten SPM-Vorrichtung (nicht dargestellt) montiert sein, wobei der MFP-Kopf integriert mit der SPM-Sondenspitze montiert ist. Somit sind die vorliegenden Ausführungsformen zu SPM-Vorrichtungen erweitert, welche mit einem MFP-Kopf ausgerüstet sind, der in Bezug auf die Sondenspitze geeignet angeordnet ist. Solche Vorrichtungen profitieren von genauen SPM-Positioniermitteln (nicht dargestellt), welche vorteilhaft in Anwendungen verwendet werden können, die hierin vorgesehen werden. Beispiele werden später unter Bezugnahme auf 14 bis 19 beschrieben.
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Bezug nehmend auf 8 bis 13: in Ausführungsformen ist die Sonde 20b über einen festen Abschnitt 23, 23a auf derselben Seite wie die Seite der Stirnseite 17, welche die Öffnungen 11, 12 aufweist, an dem MFP-Kopf befestigt. Der feste Abschnitt weist einen Abstand von der Sondenspitze 21 auf. Die Sonde 20b weist ferner einen freien Abschnitt 24, 24a auf, welcher sich in Bezug auf eine Hauptachse (d. h. die mittlere Richtung) des Kragarms 22 gegenüber der Sondenspitze 21 erstreckt. Mit anderen Worten, der freie Abschnitt springt in Richtung der Verarbeitungsseite des MFP-Kopfs vor, während die Spitze im Betrieb in Richtung der zu verarbeitenden Oberfläche vorspringt. Wie ferner in 8 bis 13 zu sehen ist, kann der freie Abschnitt (und allgemeiner der Kragarm) so konfiguriert sein, dass er eine der Öffnungen 11, 12 (typischerweise die Auslassöffnung 11) abdichtet, wenn er gegen sie gezwungen wird. Entsprechend können verschiedene Wege für Strömungssteuermechanismen einfach ermöglicht werden, wie nun zu erörtern ist.
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Es könnten verschiedene Fälle ins Auge gefasst werden. Ein erster Fall betrifft das „normalerweise” offene Ventil, d. h. das standardmäßig offene, wie in 8 dargestellt. Hier liegt der feste Abschnitt 23 in Bezug auf den freien Abschnitt 24 der Sondenspitze 21 gegenüber. Dank der erhaltenen Kragarmkonfiguration gilt: wenn die Spitze die Oberfläche berührt (9), drückt die auf die Spitze wirkende Kraft auf den sie tragenden Kragarm und bringt im Gegenzug den freien Abschnitt 24 mit der Auslassöffnung 11 in Kontakt. Dieser Mechanismus ermöglicht eine Steuerung des Flusses der Prozessflüssigkeit, die über den MFP-Kopf abgegeben wird.
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Ein zweiter Fall ist der des „normalerweise” geschlossenen Ventils, wie in 12 bis 13 abgebildet. Hier liegt der freie Abschnitt 24a in Bezug auf den festen Abschnitt 23a der Spitze gegenüber. Wenn die Spitze die Oberfläche berührt (13), kippt der Kragarm, was den freien Abschnitt 24 außer Kontakt mit der Auslassöffnung 11 bringt, so dass Prozessflüssigkeit 15 freigesetzt werden kann.
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Wiederum kann der MFP-Kopf eine Anzahl zusätzlicher Merkmale aufweisen, die dafür ausgestaltet sind, die Flüssigkeit 15 geeignet abzugeben und aufzunehmen, wie per se bekannt ist. Dies können zum Beispiel ein oder mehrere Reservoirs (nicht dargestellt), Fluidkanäle und Schaltungssysteme (nicht dargestellt), Pumpen (nicht dargestellt), elektrische Schaltungen usw. sein, wie auf dem Fachgebiet der MFP bekannt.
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Als Nächstes, Bezug nehmend auf 10 bis 11: kann die Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheit 10f bis 10g in Ausführungsformen ferner eine elektrische Schaltung 70, 70a aufweisen, wobei letztere so konfiguriert ist, dass eine elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit gemessen wird, die über die Einlassöffnung 12 aufgenommen wird. Die Messung wird typischerweise auf dem Niveau einer Leitung (oder eines Kanals) über der Einlassöffnung 12 durchgeführt. Diese kann verwendet werden, um die Menge an Flüssigkeit zu überwachen, die über die Öffnung 12 aufgenommen wird.
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Hierdurch wird ferner ein Mittel zum Erfassen der Abgabe der Prozessflüssigkeit bereitgestellt. In dieser Hinsicht kann diese Schaltung 70, 70a ferner mit einem Rückkopplungs-Steuermittel 72, 72a verbunden sein. Letzteres kann zum Beispiel einem Ventil (nicht dargestellt) befehlen, auf der Grundlage der elektrischen Reaktion, z. B. der Leitfähigkeit, der elektrischen Kapazität, des elektrochemischen Potentials, die über die elektrische Schaltung 70, 70a gemessen werden, im Betrieb eine Rate einer Flüssigkeit 15 zu steuern, die über die Auslassöffnung 11 abgegeben wird. In der Schaltung 70 wird die Leitfähigkeit zwischen der Tauchflüssigkeit und der angesaugten Flüssigkeit in dem Kanal gemessen. Die Schaltung 70a misst die Zusammensetzung der Flüssigkeit direkt in dem Kanal. Beide Schaltungen geben einen Einblick in die Zusammensetzung der Flüssigkeit. Aus diesem können die Ventilposition sowie die Spalthöhe bestimmt werden. So können sie für die Abstands- oder Fluidsteuerung verwendet werden. Somit wird durch das Messen einer elektrischen Reaktion in der Ansaugleitung ein Mittel zum Erfassen der Abgabe der Prozessflüssigkeit bereitgestellt, welches mit einem Ventilsteuerungsmechanismus kombiniert werden kann. Hierdurch wird es wiederum möglich, die Wechselwirkung der Spitze mit der Probe zu erfassen.
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Wie oben bereits angerissen, betrifft eine andere Erscheinungsform der Erfindung Verfahren zur Oberflächenverarbeitung. Beispiele für solche Verfahren sollen nun unter Bezugnahme auf 14 bis 19 beschrieben werden. Wie bereits erläutert, ist ein solches Verfahren grundsätzlich in drei Schritte gegliedert:
- – Erstens wird eine Oberflächen-Verarbeitungseinheit wie oben beschrieben bereitgestellt, wobei die Verarbeitungsstruktur 21, 21a der zu verarbeitenden Oberfläche 40 zugewandt ist (oder auf irgendeine Weise günstig in Bezug auf die Oberfläche ausgerichtet ist, um eine Oberflächenverarbeitung/-bemusterung zu ermöglichen);
- – Zweitens wird über die Auslassöffnung 11 eine Prozessflüssigkeit abgegeben, wobei die Verarbeitungsstruktur 21, 21a einen Fließweg der abgegebenen Prozessflüssigkeit 15 abschneidet; und
- – Drittens können Teilchen/molekulare Teilchen 151, 153, 155 in der Flüssigkeit 15 über die Verarbeitungsstruktur 21, 21a auf die Oberfläche 40 übertragen werden, indem die Verarbeitungsstruktur 21, 21a mit der Oberfläche 40 in (und außer) Kontakt gebracht wird.
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Bezug nehmend auf 14 (und auch auf 5 bis 6): wird ein wohldefiniertes Volumen an Prozesslösung durch den MFP-Kopf 16 bereitgestellt. Die Sondenspitze 21 (und auch teilweise der Kragarm 22) einer AFM-Sonde 20 durchdringt die resultierende Flüssigkeitshülle 15. Die Sondenspitze wird dadurch kontinuierlich mit Chemikalien „beladen”, die in der Flüssigkeit 15 enthalten sind. Die Chemikalien diffundieren (kriechen) entlang der Spitze der AFM-Sonde in Richtung des Scheitelpunkts und werden auf dem Substrat abgeschieden. Es kann eine richtige Oberflächenfunktionalisierung der Spitze erforderlich sein, um einen effizienten Transport der Chemikalien zu dem Scheitelpunkt der Spitze sicherzustellen.
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Außerdem kann das Verfahren ferner ein Bereitstellen einer Tauchflüssigkeit 50 zwischen der Stirnseite 17 und der Oberfläche 40 aufweisen, wie in 15 dargestellt. Die Prozessflüssigkeit 15 wird somit innerhalb der Tauchflüssigkeit 50 abgegeben und bildet vorzugsweise eine laminare Strömung der Prozessflüssigkeit, die in der Tauchflüssigkeit 50 eingegrenzt ist. Chemikalien 151 bleiben in dem kleinen Volumen der Prozessflüssigkeit 15 eingegrenzt, die von dem MFP-Kopf abgegeben wird. Die Sondenspitze wird deswegen kontinuierlich mit Chemikalien „beladen”, die in der Flüssigkeit 15 enthalten sind, wobei die Chemikalien anderenfalls in der Prozessflüssigkeit bleiben (deswegen wird eine sorgfältige Auswahl der Prozessflüssigkeit ggü. der Tauchflüssigkeit bevorzugt: eine Anzahl von Kombinationen kann vorgesehen werden, wobei die ausgewählten Moleküle „gerne” auf dem Spitzenmaterial kriechen und sich nicht von dem Spitzenmaterial ablösen, sobald sie der Tauchflüssigkeitsumgebung begegnen). Wiederum diffundieren die Chemikalien 151 in Richtung des Scheitelpunkts der Sonde und werden auf dem Substrat abgeschieden, jedoch mit einer besseren Steuerung des Diffusionsvolumens. Auf der Oberfläche 40 wird ein Muster 155 gebildet. Wiederum kann eine richtige Oberflächenfunktionalisierung erforderlich sein. Man beachte, dass in 15 die Spitze nicht vollständig in die eingegrenzte Flüssigkeit 15 getaucht ist. Das scharfe Ende wird nur durch Kriechen der Moleküle auf der Oberfläche der Spitze „beladen”, wodurch eine hohe Auflösung bereitgestellt wird. Dies ist in 14 nicht der Fall, wo die Spitze vollständig von der eingegrenzten Flüssigkeit 15 umgeben ist.
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Außerdem kann eine chemische Reaktion beteiligt sein, welche lokal gesteuert wird, indem die Spitze mit der Oberfläche 40 des Substrats in und außer Kontakt gebracht wird. Die hier erörterte Methodik ist jedoch nicht auf chemische Reaktionen beschränkt. Material kann auch über spezielle Oberflächenwechselwirkungen, z. B. Van-der-Waals-, Wasserstoffbindungs- und/oder sterische Wechselwirkungen, auf das Substrat übertragen werden.
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In dem Beispiel der 18: ist die AFM-Spitze vollständig von der Prozesslösung 15 umgeben. An der Oberfläche findet aufgrund einer Aktivierungsenergie, die durch die AFM-Spitze bereitgestellt wird (zum Beispiel mittels einer elektrischen, mechanischen oder thermischen Stimulierung), eine chemische Reaktion statt. Deswegen können Verfahren der Oberflächenverarbeitung ferner ein Einschalten der Verarbeitungsstruktur 21 aufweisen, vorzugsweise thermisch oder elektrisch, um zu ermöglichen, dass eine chemische Reaktion an der Oberfläche 40 stattfindet. In Varianten kann eine katalytische Wirkung der richtig präparierten Spitze, z. B. durch Platin, Enzyme, diesem Zweck dienen.
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Nun Bezug nehmend auf 16, 17 und 19: kann der Schritt der Teilchenübertragung ein Erzeugen einer Lipid-Bischicht (oder von Ähnlichem) 154 an der Oberfläche der Verarbeitungsstruktur, d. h. der Oberfläche der Sondenspitze 21 (16 bis 17) oder der Oberfläche einer abgerundeten Verarbeitungsstruktur 21a (19), aufweisen. Wie in 16 bis 17 veranschaulicht, können von der Prozessflüssigkeit 15 amphiphile Moleküle 151 bereitgestellt werden. In der Tauchflüssigkeit 50 bildet sich die Lipid-Bischicht 154, welche die Spitze 21 umgibt. Solche Bischichten wirken wegen der hohen Mobilität der amphiphilen Moleküle in der Bischicht wie ein Fließband. Die Substratoberfläche 40 kann deswegen mit Lipidsträngen bemustert werden 161, indem die Spitze 21 damit in Kontakt gebracht wird, wobei hydrophile Endgruppen mit der Oberfläche 40 in Wechselwirkung treten.
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Als Nächstes kann das Verfahren ferner ein Transportieren von molekularen Teilchen 153 über eine Lipid-Bischicht 154 aufweisen, die auf der Spitzenoberfläche gebildet wird, um die molekularen Teilchen 153 auf die Oberfläche 40 zu übertragen, wie in 17 veranschaulicht. Hier wird das Fließband verwendet, um die molekularen Teilchen 153 zu transportieren, welche aus der Strömungseingrenzung des MFP-Kopfs in die Lipid-Doppelschicht integriert werden. Die molekularen Teilchen 153 werden am Scheitelpunkt der Spitze über spezielle Oberflächenwechselwirkungen, z. B. Membran-Rezeptor-Bindung, auf das Substrat übertragen, um spezielle Muster 163 darauf zu bilden.
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In dem Beispiel der 19 wird von einem vorspringenden Element 21a (z. B. einer abgerundeten Spitze/einem Höcker) Gebrauch gemacht, welches mit einer mobilen Reagenzschicht beschichtet ist. Diese könnte zum Beispiel eine Lipid-Doppelschicht sein (wie in 16 oder 17), welche Membranproteine 153 zum Abtasten nach Rezeptoren auf Zellen aufweist.
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Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen kurz beschrieben worden und können eine Anzahl von Varianten umfassen. In Ausführungsformen können verschiedene Kombinationen der obigen Merkmale (wie in Bezug auf die eine oder andere Erscheinungsform der Erfindung angeführt) vorgesehen sein. Ausführliche Beispiele werden in den nächsten Abschnitten gegeben.
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2. Spezielle Ausführungsformen/Technische Einzelheiten der Realisierung
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Bevorzugte Ausführungsformen machen grundsätzlich von einer mehrschichtigen MFP und einem AFM-artigen Kragarm Gebrauch.
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Wie allgemein in Mikrofluidik-Einheiten können die vorliegenden Oberflächen-Verarbeitungseinheiten mit Benutzer-Chip-Schnittstellen und geschlossenen Fließwegen ausgestattet sein. Geschlossene Fließwege ermöglichen die Integration funktioneller Elemente (z. B. Heizvorrichtungen, Mischvorrichtungen, Pumpen, UV-Detektor, Ventile usw.), welche in vorhandene Oberflächen-Verarbeitungseinheiten integriert werden können, während Probleme in Bezug auf Lecks und Verdampfen auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
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Ein Beispiel für eine MFP-Kopf-Komponente ist in 1 oder 3 dargestellt. Dieser MFP-Kopf wird vorzugsweise als eine mehrschichtige Einheit hergestellt, um die Herstellung innerer Mikrokanäle 11c, 12c (wie in 3 zu sehen) zu vereinfachen. Solche MFP-Köpfe können im Mikromaßstab unter Verwendung von Si-Wafern hergestellt werden, obwohl auch andere Materialien verwendet werden können. Zum Beispiel kann eine obere Schicht (Si), d. h. eine Si-Abdeckung, oben auf einem HFC-Chip bereitgestellt werden. Ein einseitiger und doppelseitige polierte Si-Wafer können für den Si- bzw. den HFC-Chip verwendet werden. Beide Wafer weisen z. B. einen Durchmesser von 4 Inch auf und sind 400 μm dick (Siltronix, Genf, Schweiz). Die Mikrostrukturen können unter Anwendung einer Standard-Photolithographie unter Verwendung von Photoplotting-Polymermasken (Zitzmann GmbH, Eching, Deutschland) und mit DRIE hergestellt werden, vgl. z. B. STS ICP, Surface Technology Systems, Newport, UK. Die Mikrokanäle der HFC-Chips können 50 μm tief in die Oberseite des HFC-Wafers geätzt werden. Die Unterseite des Wafers kann verarbeitet werden, um Mesas und Stifte bis zu einer Höhe von 50 μm zu bilden, falls erforderlich. Das Öffnen der Öffnungen kann durch DRIE-Ätzen von der Unterseite des HFC-Wafers durchgeführt werden. Dadurch können gut definierte Öffnungen mit seitlichen Abmessungen von weniger als 10 μm erhalten werden. Die Öffnungen können genauer hergestellt werden, wenn für den HFC-Chip ein dünner Si-Wafer verwendet wird, während der Abdeckungs-Wafer dick bleiben kann, um für eine mechanische Festigkeit des Kopfs zu sorgen.
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Die Si-Abdeckung kann durch Ätzen von Durchgangslöchern mit einem Durchmesser von 800 μm durch einen einseitigen polierten Wafer hergestellt werden. Als Nächstes wird der Zusammenbau beider Wafer durch Aufschleudern von ~3 μm eines Polyimid-Klebstoffs (HD Microsystems GmbH, Neu-Isenburg, Deutschland) auf die polierte Seite des Abdeckungs-Wafers und durch anschließendes Ausrichten und Verbinden beider Wafer erreicht. Das Verbinden kann 10 Minuten lang bei 320°C mit einem Druck von 2 Bar stattfinden (PRESSYS LE, Paul-Otto Weber GmbH, Remshalden, Deutschland). Die obere Abdeckung kann mit einer beliebigen geeigneten Schicht zum Ermöglichen des Erfassens abgeschlossen werden, falls erforderlich. Die MFP-Köpfe können dann abgeteilt und gelagert werden. Die Montage der Anschlüsse kann unter Verwendung von Epoxid-Klebstoffringen durchgeführt werden (NanoportTM-Baugruppen von Upchurch Scientific, Ercatech, Bern, Schweiz, Epoxid-Klebstoffringe werden mitgeliefert). Durch die Verwendung von Standardanschlüssen und Einbauteilen statt z. B. eines PDMS-Formblocks wird die Arbeit verringert, die zum Zusammenbauen eines Kopfs erforderlich ist. MFP-Köpfe werden vorzugsweise auf Lecken und Verstopfen getestet, bevor tatsächlich die Anschlüsse montiert werden, da ein Eindringen von Klebstoff in die Mikrokanäle nicht ausgeschlossen werden kann. Hierfür kann eine Spitze einer Wegwerfpipette so zurechtgeschnitten werden, dass sie auf die Größe der Durchgangslöcher passt, und Flüssigkeit kann durch die Kanäle gedrückt werden, während mit einem Vergrößerungsglas beobachtet wird, ob Tröpfchen aus den Öffnungen austreten können, ohne woanders zu lecken. Eine Ausrichtung der Anschlüsse an den Durchgangslöchern kann schließlich manuell erfolgen. Eine anschließende Verbindung kann z. B. bei 140°C für ~1 Stunde auf einer heißen Platte oder in einem Ofen stattfinden.
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MFP-Köpfe wie oben beschrieben sind besonders nützlich für Oberflächenverarbeitungsanwendungen. Letztere betreffen, anders als biologische Anwendungen, möglicherweise kleinere Muster und einen breiteren Bereich von Flüssigkeiten und Chemikalien. Bei Verwendung eines dünnen Si-Wafers (z. B. 100 μm dick) zur Herstellung des HFC-Chips kann man gut definierte Öffnungen mit seitlichen Abmessungen von weniger als 10 μm herstellen, wobei ein herkömmliches DRIE oder ein fokussierter Ionenstrahl angewendet werden. Für die mechanische Festigkeit des Kopfs sorgt lediglich die Si-Abdeckung.
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Übrigens sind mehrschichtige Köpfe wie oben beschrieben ebenfalls besser geeignet für eine Verwendung von vielen Prozessflüssigkeiten, da die Öffnungen klein und nah beieinander sein können, wobei horizontale Mikrokanäle in ausreichendem Maße ausfächern, um genügend Raum zum Hinzufügen von vielen Anschlüssen auf der Si-Abdeckung zu lassen. Ausführungsformen der Erfindung erstrecken sich daher auf mehrere Prozessflüssigkeiten 15, die in Verbindung mit einer oder mehreren Verarbeitungsstrukturen 21 verwendet werden (wobei mehrere Verarbeitungsstrukturen je Strom oder eine oder mehrere Verarbeitungsstrukturen je Flüssigkeitsstrom möglich sind).
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Betreffend nun die AFM-Komponenten: kann eine genaue Positionierung von Oberflächen-Verarbeitungseinheiten, wie hierin vorgesehen, mittels beliebiger geeigneter Positioniersysteme erreicht werden, wie sie gewöhnlich zusammen mit MFPs oder SPM verwendet werden. Bei Verwendung SPM-artiger Positioniersysteme kann die Position der hinzugefügten Spitze in Bezug auf die Oberfläche daher mit verbesserter Genauigkeit (z. B. bis zu innerhalb von etwa 0,1 nm) gesteuert werden, indem entweder die Probe oder die Einheit 10a bis 10h bewegt werden.
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Die Spitze ist vorzugsweise sehr scharf; in einer Größenordnung des Nanomaßstabs. Für einige Anwendungen können metallische Sondenspitzen verwendet werden, die typischerweise aus Platin/Iridium oder Gold hergestellt sind.
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Der Kragarm ist ansonsten typischerweise aus Silicium oder Siliciumnitrid hergestellt, mit einem Krümmungsradius der Spitze in der Größenordnung von Nanometern. Allgemeiner werden Silicium-Sondenspitzen bevorzugt, wie sie typischerweise für nicht leitfähige AFM-Messungen verwendet werden, welche z. B. durch isotropes Ätzen einer Silicium-Säulenstruktur, bis die erforderliche Schärfe erreicht ist, erhalten werden können.
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Der AFM-artige Kragarm kann an einer unteren Seite des MFP-Kopfs befestigt werden, integriert mit dieser montiert oder an diese geklebt werden. In 1 ist der Kragarm einfach an einem Endpunkt 23 an die Verarbeitungsseite 17 der MFP geklebt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Veränderungen und Ersetzungen durch Äquivalente vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, welche unter den Umfang der anhängenden Patentansprüche fallen. In dieser Hinsicht müssen in Abhängigkeit von den gewählten Ausführungsformen nicht alle Komponenten/Schritte, die in den begleitenden Zeichnungen abgebildet sind, angewendet werden. Außerdem können viele andere Varianten als die oben ausdrücklich angeführten vorgesehen werden. Zum Beispiel können typische SPM-Zubehöre verwendet werden, z. B. Grob- und Fein-Positioniersysteme zum In-Kontakt-Bringen des Verarbeitungselements mit der verarbeiteten Oberfläche. Schließlich kann der Fachmann jenseits der oben erwähnten Anwendungen erkennen, dass die vorliegende Erfindung andere Anwendungen auf den folgenden technischen Gebieten finden kann:
- – Elektrochemisches Abscheiden von Metall zum direkten Schreiben von Verbindungen und zur Maskenreparatur;
- – Biobemusterung;
- – Stimulation und Erfassen von lebenden Zellen;
- – Abtasten biologischer Bibliotheken (Erfassen von Bindungswechselwirkungen);
- – multiplexierte lokale Chemie;
- – multiplexierte chemische Kontrastabbildung;
- – chemisch induzierte Lithographie, z. B. Protonenabgabe zum Auslösen von Zersetzungsreaktionen in chemischen Resists; und
- – lokale Aktivierung von Vernetzungsreaktionen durch Bereitstellen katalytischer Reagenzien.
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Bezugszeichenliste
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- 10a bis 10h
- Mikrofluidik-Oberflächen-Verarbeitungseinheit
- 11
- Auslassöffnung
- 12
- Einlassöffnung
- 15
- Prozessflüssigkeit
- 151, 153, 155
- Teilchen, die in der Flüssigkeit 15 enthalten sind
- 153
- Molekulare Teilchen
- 154
- Lipid-Bischicht
- 16
- Mikrofluidik-Sonden-Kopf (oder MFP-Kopf)
- 16a
- Mesa
- 16b
- MFP-Teil/Abschnitt, zusammenhängend mit der oder in Nachbarschaft zur Mesa 16a
- 17
- Verarbeitungsseite (oder Seite) des Mikrofluidik-Sonden-Kopfs
- 20
- Sonde
- 21, 21a
- Verarbeitungsstruktur
- 21
- Sondenspitze
- 21a
- Abgerundete Verarbeitungsstruktur
- 22
- Kragarm
- 23, 23a
- Verankerungspunkt
- 23, 23a
- Fester Abschnitt des Kragarms
- 24, 24a
- Freier Abschnitt des Kragarms
- 40
- Zu verarbeitende (Substrat-)Oberfläche
- 50
- Tauchflüssigkeit
- 70, 70a
- Elektrische Schaltung
- 72, 72a
- Rückkopplungs-Steuermittel
