DE112015000920B4 - Mikrofluid-Chip mit pyramidenförmigen, Perlen einfangenden Hohlräumen sowie Herstellungsverfahren desselben - Google Patents

Abstract

Mikrofluid-Chip (100), der eine Schicht (10, 60) mit einer Anordnung (30) von Perlen (50) einfangenden Hohlräumen (20) aufweist, die in jener Schicht (10, 60) bereitgestellt sind, wobei die Schicht (10) ein oder mehrere Halbleiterelemente aufweist, wie beispielsweise Silicium, wobei jeder der Hohlräume (20) eine pyramidenförmige Gestalt aufweist, die durch wenigstens vier laterale Wände (21 bis 24) definiert ist, die jeweils hydrophil sind, wobei die pyramidenförmig gestalteten Hohlräume (20) eine Geometrie zeigen, die konsistent mit einem anisotropen Ätzprozess für eine Herstellung der Hohlräume (20) in der Schicht (10) ist, und wobei sich jeder der Hohlräume (20) als ein Blindloch in der Dicke der Schicht (10, 60) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Untergruppen (32) aus wenigstens einem der Hohlräume (20), wobei die Untergruppen (32) bevorzugt Reihen oder Spalten der Anordnung (30) von Hohlräumen (20) sind, durch wenigstens einen Mikrokanal (14) verbunden sind, und wobei die eine oder die mehreren der Untergruppen (32) bevorzugter in einem Mikrokanal-Abschnitt (12a) definiert sind, dessen untere Wand oder dessen obere Wand von einer Oberfläche der Schicht (10) gebildet wird.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Mikrofluid-Chips und im Besonderen auf Mikrofluid-Chips, die mit Perlen einfangenden Hohlräumen ausgestattet sind, z.B. für Bioanalyse-Anwendungen, ebenso wie auf zugehörige Herstellungsverfahren.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die Mikrofluidik bezieht sich allgemein auf mikrostrukturierte Einheiten, die zum Pumpen, zur Probennahme, zum Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Herausragende Merkmale derselben rühren von dem besonderen Verhalten her, das Flüssigkeiten auf der Längenskala im Mikrometerbereich zeigen. Eine Strömung von Flüssigkeiten in der Mikrofluidik kann typischerweise laminar sein. Durch Herstellen von Strukturen mit lateralen Abmessungen im Mikrometerbereich können Volumina deutlich unter einem Nanoliter erreicht werden. Reaktionen, die bei großen Maßstäben begrenzt sind (durch Diffusion von Reaktanden), können so beschleunigt werden. Die Mikrofluidik kann dementsprechend für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.
• Viele Mikrofluid-Einheiten weisen Anwender-Chip-Schnittstellen und geschlossene Strömungspfade auf. Geschlossene Strömungspfade erleichtern die Integration von funktionellen Elementen (z.B. Heizeinrichtungen, Mischeinrichtungen, Pumpen, UV-Detektoren, Ventilen etc.) in eine Einheit, während Probleme in Bezug auf Lecks und Verdampfung minimiert werden.
• Häufig werden Rezeptoren auf Oberflächen dazu verwendet, spezifische Analyte zu binden, die in Proben erkannt werden sollen. Nach dem Binden können die Probe und störende Spezies abgespült werden. Der Rezeptor-Analyt-Komplex kann dann direkt (z.B. über eine Änderung der Masse, des Brechungsindex etc.) oder indirekt (Fluoroszenz-Immunoassays etc.) erkannt werden. Während Mikrofluide vielversprechende Einheiten für die Analyse sind, ist es gegenwärtig eine große Herausforderung, Rezeptoren im Inneren von Mikrofluid-Chips zu integrieren.
• Es wurden Lösungen vorgeschlagen, bei denen Rezeptoren auf der Oberfläche eines Mikrofluid-Chips strukturiert werden. Detaillierter kann ein Mikrofluid-Chip mit einer Schicht aus PDMS abgedichtet werden, auf der Linien von Einfang-Antikörpern strukturiert werden. In diesem Fall erfolgt ein Strukturieren der Einfang-Antikörper mittels Adsorbieren der Antikörper aus einer Lösung unter Verwendung einer Schablone. Eine derartige Vorgehensweise ist jedoch aufwändig, weist einen geringen Durchsatz auf, erfordert eine Schablone und ist im Übrigen aufgrund des Adsorptionsprozesses langsam. Darüber hinaus ist PDMS kostenintensiv und kontaminiert Oberflächen (macht hydrophile Oberflächen nach einer Kontaktzeit von ~ 20 Minuten hydrophob).
• Weitere Lösungen, die seit langem bekannt sind, beruhen auf Mikroperlen, die für Assays eingesetzt werden. Hierbei sind die Perlen typischerweise mit einem Rezeptor beschichtet. Die Perlen können in Lösung (z.B. magnetische Perlen oder eine einzelne Perle in einer Kapillare) oder nach einer Ablagerung/Lokalisierung in einem spezifischen Gebiet eines Mikrofluid-Chips verwendet werden. Es können zwei Fälle unterschieden werden:
• • magnetische Perlen: die Trennung der Perlen von störenden Spezies und der Probe wird erreicht, indem ein Magnet und ein Abspülvorgang verwendet werden. Magnetische Perlen sind jedoch kostenintensiver und schwieriger herzustellen als nicht-magnetische Perlen. Darüber hinaus sind diese Perlen undurchsichtig und für optische Assays/Assays auf der Grundlage von Fluoreszenz wenig geeignet; und
• • nicht-magnetische Perlen, für die viele Techniken entwickelt wurden, um Perlen in Mikrofluiden zu lokalisieren/zu handhaben.
• Derartige Techniken weisen jedoch die folgenden Nachteile auf. Sie erfordern entweder
• - spezifische Betätigungsmittel (Elektroden, magnetische Strukturen, fokussiertes Licht, Transducer, piezoelektrische Strukturen etc.) und sind daher kompliziert und kostenintensiv; oder
• - spezifische Geometrien der Mikrofluid-Strömungspfade (spezielle Krümmungsradien, Einengungen), wobei anzumerken ist, dass der hydraulische Widerstand des Chips mit und ohne Perlen deutlich unterschiedlich sein kann und dass die Stabilität von eingefangenen Perlen systematisch ein Problem darstellt). Außerdem kann die Viskosität von spezifischen Proben/Flüssigkeiten ein Problem sein.
• Wie vorstehend angemerkt, verwenden einige Lösungen Einengungen oder „Filter“, die in einem Mikrofluid-Chip direkt Teil des Strömungspfades für ein Einfangen von Perlen sind. Derartige Lösungen führen jedoch zu einem Ziel-Konflikt zwischen der Signalintensität und der Signalqualität. Erst recht stellt die Stabilität der Perlen ein Problem dar.
• Die vorliegende Erfindung schlägt eine endgültige Lösung für das Problem der Perlen-Stabilität vor.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung als ein Mikrofluid-Chip ausgeführt, der eine Schicht mit einer Anordnung von Perlen einfangenden Hohlräumen aufweist, die in jener Schicht bereitgestellt sind. Die Schicht weist bevorzugt ein oder mehrere Halbleiterelemente auf, wie beispielsweise Silicium. Jeder der Hohlräume weist eine pyramidenförmige Gestalt auf, die durch wenigstens vier laterale Wände definiert ist, die jeweils hydrophil sind, wobei die pyramidenförmigen Gestalten der Hohlräume eine Geometrie zeigen, die konsistent mit anisotropen Ätzprozessen für eine Herstellung der Hohlräume in der Schicht ist, und wobei sich jeder der Hohlräume als ein Blindloch in der Dicke der Schicht erstreckt. Hierbei sind zwei oder mehr Untergruppen von wenigstens einem der Hohlräume, wobei Untergruppen bevorzugt aus Reihen oder Spalten der Anordnung von Hohlräumen bestehen, mittels wenigstens eines Mikrokanals verbunden, und wobei bevorzugter die eine Untergruppe oder die mehreren Untergruppen in einem Mikrokanal-Abschnitt definiert ist oder sind, dessen untere Wand oder dessen obere Wand von einer Oberfläche der Schicht gebildet wird.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen ist wenigstens einer der Hohlräume und sind bevorzugt die meisten der Hohlräume jeweils mit einer Perle gefüllt, bevorzugt einer Mikroperle, die im Mittel einen Durchmesser zwischen 1 und 40 µm aufweist, bevorzugt zwischen 2 und 20 µm und bevorzugter zwischen 2 und 10 µm.
• Eine Mehrheit der Hohlräume der Anordnung ist bevorzugt jeweils mit nur einer Perle gefüllt, die vorzugsweise eine Mikroperle mit einem mittleren Durchmesser zwischen 1 und 40 µm ist, bevorzugt zwischen 2 und 20 µm und bevorzugter zwischen 2 und 10 µm.
• Das Verhältnis einer mittleren Abmessung einer Öffnung der Hohlräume zu einem mittleren Durchmesser der Perlen in den Hohlräumen beträgt bei Ausführungsformen zwischen 1,0 und 2,4 und bevorzugt zwischen 1,4 und 2,0.
• Bevorzugt beträgt das Verhältnis einer mittleren Tiefe der Hohlräume zu einem mittleren Durchmesser von Perlen in den Hohlräumen wenigstens 0,5, beträgt bevorzugt 1,0 und bevorzugter 1,3.
• Die Anordnung ist bevorzugt durch eine Deckschicht abgedichtet, die sich vis-à-vis der Anordnung von Hohlräumen erstreckt.
• Der Chip weist bei Ausführungsformen mehrere Anordnungen von einem oder mehreren Perlen einfangenden Hohlräumen auf, wobei die Anordnungen bevorzugt zwischen einzelnen Paaren von Mikrokanal-Abschnitten eingefügt sind.
• Der Chip weist bevorzugt wenigstens zwei verschiedene Arten von Perlen auf, die sich jeweils in einem oder mehreren Hohlräumen der wenigstens zwei der mehreren Anordnungen befinden, wobei sich die Perlen der verschiedenen Arten bevorzugt in Bezug auf Abmessung, Beschichtung, Material und/oder Färbung unterscheiden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung als ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrofluid-Chips gemäß irgendeiner der vorstehenden Ausführungsformen ausgeführt, wobei das Verfahren aufweist:
• Bereitstellen eines Mikrofluid-Chip-Körpers mit einer Schicht; und
• Herstellen einer Anordnung von Perlen einfangenden Hohlräumen in jener Schicht, wobei jeder der Hohlräume eine pyramidenförmige Gestalt aufweist, die durch wenigstens vier laterale Wände definiert ist, die jeweils hydrophil sind, und wobei sich jeder der Hohlräume als ein Blindloch in der Dicke der Schicht erstreckt, wobei das Herstellen der Anordnung ein anisotropes Ätzen der Schicht aufweist, um die Hohlräume zu erhalten, bevorzugt unter Verwendung eines selbstbegrenzten anisotropen Ätzprozesses.
• Das Verfahren weist bei Ausführungsformen des Weiteren auf: Ablagern von Perlen in die Hohlräume der Anordnung, indem ein Tröpfchen einer Perlen-Lösung platziert wird; sowie Abdichten der Anordnung mit einer Deckschicht, die derart angeordnet wird, dass sie sich vis-à-visder Anordnung von Hohlräumen erstreckt, wobei das Abdichten der Anordnung bevorzugt ein Laminieren der Deckschicht aufweist.
• Das Verfahren weist nach dem Ablagern von Perlen und vor dem Abdichten bevorzugt in dieser Reihenfolge auf: Trocknen der Anordnung von Hohlräumen mit den darin befindlichen Perlen; Entfernen von überschüssigen Perlen, die nicht im Inneren der Hohlräume eingefangen sind, bevorzugt mittels Spülen der Anordnung mit einer Spüllösung und/oder mittels Anbringen eines Streifens, an dem überschüssige Perlen haften; sowie erneutes Trocknen der Anordnung von Hohlräumen mit den darin befindlichen Perlen, wenn notwendig.
• Nunmehr werden Einheiten und Verfahren, welche die vorliegende Erfindung ausführen, mittels nicht beschränkender Beispiele und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Technische Elemente sind in den Zeichnungen nicht zwangsläufig maßstabsgetreu abgebildet.
• Figurenliste
• 1, 2, 12 und 13 zeigen jeweils eine 2D-(Drauf)-Sicht auf eine vereinfachte Darstellung eines Mikrofluid-Chips gemäß einzelnen Ausführungsformen der Erfindung;
• 3 zeigt eine Schnittansicht (obere Figur); sowie eine Draufsicht (untere Figur) einer vereinfachten Darstellung einer Perle, die in einem pyramidenförmigen Hohlraum eingefangen ist, wie er in Ausführungsformen beinhaltet ist;
• 4 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von Perlen, die in pyramidenförmigen Hohlräumen eingefangen sind, wie sie in Ausführungsformen beinhaltet sind;
• 5A bis 5l stellen schematisch detaillierte Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Mikrofluid-Chips gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar;
• 6 stellt schematisch ausgewählte Schritte des Herstellungsverfahrens von 5 dar, wobei die obere Reihe Schnittansichten von Mikrofluid-Chips zeigt, während die untere Reihe die entsprechenden Draufsichten zeigt;
• 7 bis 9 stellen in einer ähnlichen Weise schematisch ausgewählte Schritte von Varianten des Herstellungsverfahrens von 5 dar;
• 10 ist ein Ablaufplan, der 5 entspricht;
• 11 zeigt 2D-Ansichten von vereinfachten Darstellungen verbesserter pyramidenförmiger Hohlräume, wie sie in Ausführungsformen beinhaltet sind. Die am weitesten links gelegene Figur ist eine Draufsicht, während die anderen Figuren Schnittansichten sind;
• 14 zeigt ein Negativ einer Fluoreszenz-Aufnahme von Perlen, die in Anordnungen von Hohlräumen eingefangen sind, die gemäß Ausführungsformen der Erfindung erhalten wurden; und
• 15 ist eine Schnittansicht einer vereinfachten Darstellung einer Perle, die in einem kegelstumpfförmigen Hohlraum eingefangen ist, wie er in Ausführungsformen beinhaltet ist.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Zunächst und allgemein auf die 1 bis 4 sowie 11 bis 13 bezugnehmend wird ein Aspekt der Erfindung beschrieben, der einen Mikrofluid-Chip 100 betrifft. Der Chip weist insbesondere eine Funktionsschicht 10, 60 auf, wobei die Schicht eine Anordnung 30 von Perlen einfangenden Hohlräumen 20 aufweist (die auch als Einfangstellen bezeichnet werden), die in dieser bereitgestellt sind. Bemerkenswerterweise weist jeder der Hohlräume 20 eine kegelförmige Gestalt mit einer oder mehreren entgegengesetzten lateralen Wänden 21 bis 24 auf. Von großer Bedeutung ist, dass diese laterale Wand oder diese lateralen Wände hydrophil sind und sich jeder der Hohlräume 20 als ein Blindloch in der Dicke der Funktionsschicht 10, 60 erstreckt.
• Bei der Funktionsschicht 10, 60 kann es sich um eine Substratschicht 10 oder eine Abdeckkappe 60 handeln. Die Hohlräume sind bevorzugt in der Dicke einer Schicht bereitgestellt, deren Oberfläche die untere Wand oder die obere Wand eines Mikrofluid-Kanals oder eines Kanalabschnitts 12a ist, wie in 2 dargestellt.
• Bei der vorliegenden Anmeldung bedeutet „kegelförmig“ auch „kegelstumpfförmig“, d.h. die Form eines Kegels aufweisend oder diesem gleichend. Mit „kegelförmige Gestalt“ und konsistent mit einer allgemeinen Definition eines Kegels (http://en.wikipedia.org/wiki/Cone) ist eine dreidimensionale geometrische Gestalt gemeint, die sich von einer ebenen Grundfläche aus (die der Öffnung 28 des Hohlraums entspricht), wobei die ebene Grundfläche nicht zwangsläufig kreisförmig ist, gleichmäßig zu einem entgegengesetzten Ende hin verjüngt, das eine Schnittfläche aufweist, die kleiner als jene der Grundfläche 28 ist, z.B. einem Apex oder einer Stumpfoberfläche. Weitere Definitionen nehmen an, dass ein Kegel ein spezieller Fall einer Pyramide ist, d.h. sie definieren einen Kegel als eine Pyramide mit einem kreisförmigen Querschnitt, siehe z.B.
  http://mathworld.wolfram.com/Cone.html. Hierbei wird angenommen, dass kegelförmige Gestalten Pyramiden (mit polygonalen Grundflächen) als einen speziellen Fall beinhalten. Das heißt, vorliegende kegelförmige Gestalten weisen nicht zwangsläufig einen kreisförmigen Querschnitt auf.
• Aufgrund von Herstellungsbeschränkungen ist die kegelförmige Gestalt dessen ungeachtet wahrscheinlich abgestumpft oder endet zumindest nicht als ein perfekter, punktförmiger Apex. Tatsächlich kann sogar aus einem abgestumpften Kegel ein Vorteil gezogen werden, wie später zu erörtern ist. Wie gerade vorstehend in Erinnerung gerufen wurde und in Ausführungsformen nachstehend weiter dargestellt ist, weist das kegelförmige Loch bevorzugt eine polygonale Grundfläche auf (wobei die Grundfläche der Öffnung des Hohlraums 20 entspricht) und ist daher pyramidenförmig (mit einer polygonalen Grundfläche). Die kegelförmige Gestalt kann in einem derartigen Fall als eine umgekehrte pyramidenförmige Gestalt bezeichnet werden, da die Perlen 50 wahrscheinlich aus Flüssigkeitströpfchen eingefangen werden, die direkt oben auf einer unteren Anordnung 30 von Einfangstellen für Perlen platziert werden (mittels Techniken zum Platzieren von Flüssigkeiten), wobei es sich bei den Einfangstellen um die Hohlräume 20 handelt, die an der Oberseite offen sind, d.h. die nach innen vertieft sind. Diese Konfiguration kann jedoch umgedreht werden, so dass Hohlräume beispielsweise in einer Abdeckkappe bereitgestellt sind, siehe 7.
• Kegelförmige Hohlräume in der Art von Blindlöchern für die Perlen-Einfangstellen zu verwenden, stellte sich in Bezug auf die Stabilität der Perlen im Vergleich zu anderen Lösungen, welche die gegenwärtigen Erfinder ebenfalls prüften, z.B. Verwenden von Hohlräumen in der Art von Säulen oder Durchgangslöchern für die Einfangstellen, als überraschend vorteilhaft heraus. Und zwar zeigten die resultierenden Einfangstellen eine noch nie dagewesene Neigung, die Perlen 50 nach einem Spülvorgang zu halten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich auf Mikroperlen anwenden (z.B. Perlen mit Rezeptoren auf ihren Oberflächen, wobei derartige Rezeptoren dazu verwendet werden können, Liganden in Lösungen zu bilden, wie es bei biologischen Assays üblicherweise erfolgt), weisen eine moderate Komplexität auf und erfordern keine zusätzlichen Mittel (wie ein Vakuum, ein magnetisches Feld oder ein elektrisches Feld), um die Perlen an Ort und Stelle zu halten.
• Der Ursprung für die bemerkenswerte Verbesserung der Perlen-Stabilität ist noch nicht klar; die verbesserte Stabilität kann in einem Grenzflächen-Phänomen und/oder einem mechanischen Phänomen begründet sein, das lateral von der Perle (kegelförmige Hohlräume schützen Perlen besser vor einer lateralen Bewegung von Fluiden (Gasen oder Flüssigkeiten) in der Ebene bei einem Spülvorgang) und/oder unterhalb der Perle auftritt, wenn die letztere in einem Hohlraum eingefangen ist, d.h. auf der Ebene des spitzen Endes des kegelförmigen Lochs. Die laterale(n) Wand (Wände) der kegelförmigen Hohlräume müssen für ein Funktionieren nach wie vor hydrophil sein.
• Die vorliegenden Auslegungen und die entsprechenden Herstellungsverfahren ermöglichen des Weiteren, die Perlen vor einem Bedecken der Einfangstellen zu platzieren, abweichend von den meisten, wenn nicht sämtlichen bekannten Lösungen.
• In Bezug auf eine Herstellung haben die gegenwärtigen Erfinder festgestellt, dass ein Trocknen der Perlen 50 und der Einfangstellen 20 nach einem Platzieren der Perlen-Lösung und vor einem Abspülen der überschüssigen Perlen die Stabilität der eingefangenen Perlen noch erheblich verbessert. Dies wird später im Detail kommentiert.
• Bei einigen bekannten Lösungen des Standes der Technik (siehe z.B. Sohn et al. biosensors and bioelectronics, Bd. 21, 2005, Seiten 303 bis 312) wurden pyramidenförmige Hohlräume in der Art von Durchgangslöchern hergestellt, um „Riesen“-Perlen einzufangen, d.h. Perlen, deren Durchmesser wenigstens eine Größenordnung größer als jener der Perlen ist, wie sie hierin ins Auge gefasst werden. Da die hergestellten pyramidenförmigen Hohlräume in diesem Fall jedoch Durchgangslöcher sind, müssen sie eine minimale Tiefe aufweisen, die bei weitem zu groß für die vorliegenden Anwendungen ist. Außerdem erfordern derartige Lösungen Pick-and-Place-Hilfsmittel sowie die Anwendung eines Hintergrund-Vakuums, was auf kleinere Perlen nicht angewendet werden kann, wie beispielsweise Mikroperlen, wie sie hier ins Auge gefasst werden, bei denen es sich typischerweise um Polymer-Perlen handelt, die einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 40 µm aufweisen (derartige Perlen werden typischerweise aus einer flüssigen Suspension erhalten).
• Wenngleich es die vorliegende Erfindung ermöglicht, stabile Perlen in den Hohlräumen 20 zu erhalten, schließt dies jedoch eine zusätzliche Verwendung von dielektrophoretischen DEP-Elektroden oder dergleichen nicht aus. DEP-Elektroden können sich tatsächlich in den Einfangstellen oder in der Nähe derselben befinden, z.B. um die Perlen 50 schweben zu lassen, zum Beispiel um Perlen zurückzugewinnen, wenn gewünscht, oder um die Perlen einer Lösung stärker auszusetzen, die in dem Mikrokanal strömt, in dem sich eine Anordnung 30 von Einfangstellen befindet. Darüber hinaus kann die Oberfläche der Hohlräume bei Ausführungsformen metallisiert sein, z.B. unter Verwendung von Al, um das Fluoreszenz-Signal durch Reflexion zu verstärken.
• Nunmehr spezieller bezugnehmend auf die 3, 4, 11 und 15 kann einigen oder sämtlichen der Hohlräume 20 eine pyramidenförmige Gestalt verliehen sein, d.h. ein kegelförmiges Volumen mit einer polygonalen Grundfläche, das heißt, ein Hohlraum, der von mehreren einzelnen lateralen Wänden 21 bis 24 gebildet wird, wobei die Wände in dem vorliegenden Fall jeweils hydrophil sind. Bei der pyramidenförmigen Gestalt kann es sich zum Beispiel um ein Tetraeder, eine quadratische Pyramide handeln, oder sie kann komplexer sein. Diese Gestalt ist jedoch bevorzugt im Wesentlichen durch (wenigstens) vier laterale Wände 21 bis 24 definiert. Somit weist ein derartiger Hohlraum 20 typischerweise dreieckige Wände 21 bis 24 auf, die idealerweise zu einem Punkt, wahrscheinlicher jedoch zu einer Stumpfoberfläche 29 konvergieren. Die ebene Grundfläche, welche die Öffnung 28 des Hohlraums definiert, weist die Form eines Polygons auf, das zumindest dreiseitig ist und bevorzugt vierseitig ist. In dem letzteren Fall ist die pyramidenförmige Gestalt im Wesentlichen durch wenigstens vier laterale Wände 21 bis 24 definiert.
• Es ist anzumerken, dass die Wände nicht vollständig ebene Wände sein müssen, sei es aufgrund von Risiken bei den Herstellungsprozessen. Es ist jedoch anzumerken, dass bevorzugte Herstellungstechniken, die hierin offenbart sind (siehe nachstehend), dies im Wesentlichen verhindern. Es können einige restliche Defekte vorhanden sein, z.B. aufgrund der photolithographischen Prozesse, dies ist jedoch tatsächlich selten. Im Gegenteil sind die lateralen Wände typischerweise eben, da das anisotrope Ätzen kristallographischen Ebenen folgt. Es ist zum Beispiel möglich, Formen zu steuern, wie beispielsweise in 11 dargestellt, indem die Maske (das Layout) modifiziert wird, daher können die endgültigen Formen zumindest in Ausführungsformen steuerbar und vorhersagbar sein. Eine oder mehrere der lateralen Wände kann oder können zum Beispiel strukturiert oder geformt sein, wie in 11 dargestellt (in der eine der Wände als 23a bis d strukturiert ist, wie beispielsweise um eine lokale Injektion einer Flüssigkeit ebenso wie eine Freisetzung von Perlen und ein Ansaugen zu ermöglichen, insbesondere für jene Ausführungsformen, bei denen keine Deckschicht verwendet wird.
• Es wurde festgestellt, dass das Verwenden einer pyramidenförmigen Gestalt im Vergleich zu „in höherem Maße“ kreisförmigen kegelförmigen Hohlräumen in Bezug auf die Stabilität der Perlen zu noch besseren Resultaten führt. Der Grund dafür ist noch nicht völlig verstanden. Dies kann in den freien Räumen begründet sein, die in den Ecken um eine kugelförmige Perle herum verbleiben, was es ermöglicht, dass die restliche Flüssigkeit verdampft, siehe 3, im Unterschied zu kreisförmigen Kegelformen.
• 4 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme, die Perlen zeigt, die in pyramidenförmigen Hohlräumen eingefangen sind. In dieser Aufnahme:
• - steht „EHT“ für Electron High Tension (Elektronen-Hochspannung) in Kilovolt, kV;
• - bezeichnet „WD“ den Arbeitsabstand zwischen der Probenoberfläche und dem unteren Abschnitt der Linse;
• - steht „Mag“ für Vergrößerung;
• - bezeichnet „Neigungswinkel“ den Winkel der Normalen des Probentischs in Bezug auf die Achse der Elektronenkanone; und
• - zeigt „Signal A = SE2“ an, dass ein Detektor für Sekundärelektronen verwendet wird.
• Bezugnehmend auf 4 weist die Funktionsschicht 10 in Ausführungsformen ein oder mehrere Halbleiterelemente auf, wie beispielsweise Silicium, und die pyramidenförmigen Gestalten der Hohlräume 20 zeigen eine Geometrie, die konsistent mit dem Herstellungsprozess ist, der dazu verwendet wird, die Hohlräume zu erhalten, wobei der Prozess in vorteilhafter Weise einen anisotropen Ätzprozess verwendet (typischerweise werden Silicium-Wafer verwendet, die eine <100>-Kristallorientierung zeigen, da andere Orientierungen, z.B. <111>, nicht die gewünschten Pyramidenformen ergeben). Wenngleich Silicium bevorzugt ist, gelten die folgenden Überlegungen für weitere Halbleiter, z.B. Elemente der Gruppe IV, z.B. Ge, oder Verbindungshalbleiter, z.B. SiGe, weitere Materialien aus III-V- oder II-VI-Verbindungen sowie deren jeweilige Oxide oder Nitride. Zum Beispiel können GaAs und Ge anisotrop geätzt werden. Außerdem können Grundgedanken, die den vorliegenden Verfahren zugrunde liegen, auf einige metallische Schichten und jeweilige Oxide angewendet werden. Metallische Schichten sind jedoch weniger zweckmäßig. Insbesondere ist es möglich, dass sie keine vergleichbare kristallographische Gleichmäßigkeit der Schichtdicke zeigen. Weiterhin kann zum Beispiel in Betracht gezogen werden, Al2O3-Oberflächen zu verwenden. Al2O3 kann als ein Dünnschicht-Dielektrikum mit bis zu 100 bis 200 nm verwendet werden und kann entweder mittels Sputtern oder mittels atomarer Schichtabscheidung ALD abgeschieden werden. Bei der letzteren handelt es sich um eine kostenintensive, jedoch qualitativ hochwertige Technik. Weiterhin macht die Dicke der Schicht, die für ein Einfangen von Mikroperlen erforderlich ist, ein Verwenden von ALD schwierig.
• Pyramidenformen sind zufällig kompatibel mit anisotropen Ätzprozessen. Ein anisotroper Ätzprozess für eine Herstellung der Hohlräume resultiert für Si oder ähnliche Halbleiterelemente in einem Winkel von idealerweise 54,7 ° zwischen der ebenen Grundfläche der Pyramide (d.h. der Öffnung 28) und einer anliegenden Wand, der wiederum ein Verhältnis von Tiefe zu Breite der Pyramide bestimmt. Derartige Prozesse ermöglichen eine problemlose und saubere Herstellung der Hohlräume, wie aus 4 ersichtlich. Dieser ideale Winkel kann jedoch aufgrund von kleinen Defekten geringfügig variieren.
• Bei Varianten können trockene Dünnschicht-Resiste verwendet werden, und allgemeiner können einige Polymere, Kunststoffe sowie Metalle ins Auge gefasst werden. Bevorzugt werden trockene Dünnschicht-Resiste auf der Grundlage von Epoxid verwendet, die mittels Heißprägen strukturiert werden können. Heißprägen kann auch auf andere Kunststoffmaterialien angewendet werden (z.B. PMMA, COC, Polycarbonat), für welche die üblichen Verfahren zum Strukturieren von Kunststoff für ein Erzeugen von pyramidenförmigen Mikrohohlräumen wahrscheinlich nicht geeignet sind. Nach der Herstellung einer Anordnung von Hohlräumen unter Verwendung eines anisotropen Ätzvorgangs für Si können die Hohlräume zum Beispiel mittels Elektroplattieren von Ni gefüllt werden. Die elektroplattierte Ni-Schicht wird dann gelöst, wobei eine Form oder ein Stempel gebildet wird, die/der bei einem nachfolgenden Heißpräge-Prozess zu verwenden ist. Auf der Kunststoffschicht können die exakten Repliken von Hohlräumen in Si erzeugt werden, indem Druck und Temperatur auf den Stempel in Kontakt mit dem Kunststoff angewendet werden und anschließend eine Abkühlung und Entformung durchgeführt werden.
• Nunmehr spezifischer auf 14 bezugnehmend, wird der Chip bei Ausführungsformen derart hergestellt, dass seine Hohlräume (d.h. wenigstens einige der Hohlräume 20 und bevorzugt die meisten der Hohlräume 20) jeweils mit einer Perle 50, 51, 52 gefüllt sind. Wie zuvor angemerkt, handelt es sich bei derartigen Perlen bevorzugt um Mikroperlen, d.h. Perlen, die im Mittel einen Durchmesser zwischen 1 und 40 µm aufweisen. Für Anwendungen, wie sie hierin ins Auge gefasst werden, ist ein Durchmesser zwischen 2 und 20 µm bevorzugt, und bevorzugter zwischen 2 und 10 µm. Bei den Perlen handelt es sich bevorzugt um Polymer-Perlen, z.B. aus Polystyrol, wenngleich Perlen aus Siliciumdioxid oder Latex grundsätzlich auch verwendet werden können.
• Wie in den begleitenden Figuren dargestellt, sind die Abmessungen der Querschnittsflächen der Hohlräume vergleichbar mit den Abmessungen der Perlen. Perlen einfangende Hohlräume sind Einfangstellen, die spezifisch dafür ausgelegt sind, einzelne Perlen einzufangen. Als ein Ergebnis kann sich eine Perle typischerweise an zwei (oder mehr) Punkten mit den Wänden des Hohlraums in Kontakt befinden, oder kann auch auf der Ebene eines spitz zulaufenden Endes eines Hohlraums festsitzen. „Hohlräume“ werden hierin als Objekte betrachtet, die sich von den Mikrokanälen oder anderen Mikrofluid-Elementen unterscheiden. Aufgrund der hierin vorgeschlagenen Lösungen ist es möglich, dass die Mehrzahl der Hohlräume 20 der Anordnung 30 jeweils nur mit einer Perle 50, 51, 52 gefüllt ist, wie aus 14 ersichtlich.
• Jetzt werden Details hinsichtlich der relativen Abmessungen der Hohlräume in Bezug auf die Perlen angegeben, die ein Optimieren der Stabilität der eingefangenen Perlen und der Belegung der Einfangstellen ermöglichen. Spezieller bezugnehmend auf die 3, 11 und 15 sollte das Verhältnis einer mittleren (linearen) Abmessung einer Hohlraum-Öffnung 28 zu dem mittleren Perlendurchmesser bevorzugt zwischen 1,0 und 2,4 liegen. Weiterhin wurden die besten Resultate (in Bezug auf die Belegung) für ein Verhältnis zwischen 1,4 und 2,4 beobachtet (und zwar im Mittel eine Belegung von 40 bis 60 %). Diese Resultate werden noch verbessert, wenn das Verhältnis innerhalb von 1,4 bis 2,0 liegt (nach einem Spülvorgang kann im Mittel eine Belegung von bis zu 60 % beobachtet werden). In einigen Fällen konnte eine Belegung von bis zu 90 % erreicht werden. Wird dabei das vorstehende Verhältnis unter 2,0 oder bevorzugt unter 1,8 gehalten, ermöglicht dies, die mehrfache Belegung eines gleichen Hohlraums im Wesentlichen zu verhindern.
• Die maximale Abmessung der ebenen Grundfläche, welche die Öffnung 28 der Hohlräume 20 definiert, sollte zum Beispiel und gemäß den verschiedenen Resultaten, die von den Erfindern erarbeitet wurden, für eine Perle von 10 µm (Durchmesser) bevorzugt weniger als 24 µm und bevorzugter weniger als 18 µm betragen. Diese bevorzugten Werte werden zum Beispiel durch die in 14 gezeigte Fluoreszenz-Aufnahme bestätigt. Die letztere zeigt genau genommen ein Negativ einer Fluoreszenz-Aufnahme von Perlen, die in Anordnungen von Hohlräumen eingefangen sind, die gemäß dem Verfahren erhalten werden, das später unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wird. Die Hohlräume des Chips wurden genau genommen erhalten, indem ein TMAH-Ätzvorgang eines Si-Substrats mit einer Tiefe von 13 µm durchgeführt wurde; es wurde eine Anordnung von 200 µm x 500 µm verwendet. Perlen wurden mittels Pipettieren von ungefähr 200 nl einer Perlen-Lösung aus 10 µm Fluoro-MAX (von Thermo Scientific™) (nicht verdünnt) auf jede Anordnung integriert. Somit werden bei jeder der Aufnahmen von 14 Perlen mit einem Durchmesser von 10 µm verwendet. Die lateralen Abmessungen der Öffnungen der Hohlräume (in den Aufnahmen nicht sichtbar) variieren von 8 bis 24 µm, während die entsprechenden endgültigen Belegungen von 5 auf 63 % ansteigen, mit einem Spitzenwert bei 80 bis 90 %, der für Öffnungen von 18 bis 20 µm erkennbar ist. Für diesen speziellen Fall sind die genauen Prozentsätze, die erhalten werden: 8 µm: 5,4 %; 10 µm: 24,4 %; 12 µm: 32,5 %; 14 µm: 46,3 %; 16 µm: 51,6 %; 18 µm: 80,1 %; 20 µm: 89,9 %; 22 µm: 72,2 %; und 24 µm: 63,2 %. Bei 18 µm treten jedoch mehrfache Belegungen auf und nehmen darüber zu. Somit kann der Bereich von Abmessungen der Öffnungen dementsprechend (für Perlen mit einem Durchmesser von 10 µm) auf z.B. 14 bis 18 µm oder sogar 16 bis 18 µm eingeschränkt werden. Konsequenterweise kann das Verhältnis der mittleren Abmessung einer Hohlraum-Öffnung 28 zu dem mittleren Perlen-Durchmesser auf 1,4 bis 1,8 oder 1,6 bis 1,8 eingeschränkt werden. Es ist anzumerken, dass sich die Werte für den Prozentsatz, die von dem speziellen vorstehenden Fall herrühren, von den Mittelwerten unterscheiden, die zuvor erwähnt wurden, da die letzteren aus verschiedenen Erfahrungswerten zusammengetragen wurden.
• Nunmehr bezugnehmend auf die 3 und 15 beträgt das Verhältnis einer mittleren Tiefe der Hohlräume 20 zu einem mittleren Durchmesser der Perlen 50 bevorzugt wenigstens 0,5, bevorzugter 1,0 und noch bevorzugter 1,3. Experimente, die von den gegenwärtigen Erfindern durchgeführt wurden, haben zum Beispiel gezeigt, dass Perlen mit einem Durchmesser von 10 µm in der Lage waren, in Öffnungen von 8 µm x 8 µm stabil zu bleiben, wenngleich festgestellt wurde, dass die endgültige Belegung durch die Perlen/die Stabilität der Perlen in diesem Fall suboptimal war. Derartige Abmessungen implizieren bei Verwenden eines selbstbegrenzten anisotropen Ätzprozesses eine Tiefe von ungefähr 5 µm. Dementsprechend kann ein Verhältnis der mittleren Tiefe des Hohlraums zu dem mittleren Durchmesser der Perle bis hinunter zu 0,5 betragen. Nun ist für eine anisotrop geätzte Pyramide eine Tiefe von wenigstens (ungefähr) 1,0 d notwendig (wobei d der Durchmesser der Perle ist), wenn angestrebt wird, dass Perlen erhalten werden, die in dem Hohlraum vollständig verborgen (d.h. eingebettet) sind, vorausgesetzt, dass der kegelförmige Hohlraum abgestumpft ist und dass die Stumpfoberfläche 29 groß genug für eine Aufnahme der Perle ist, wie in 15 dargestellt. Eine Perle von 10 µm kann zum Beispiel vollständig in dem Hohlraum verborgen sein, wenn die Öffnung wenigstens 19,33 µm x 19,33 µm aufweist und die Tiefe wenigstens ein Minimum von 10 µm aufweist, wobei ein Ätzvorgang auf der Grundlage der Zeit verwendet wird, bei dem das Ätzen gestoppt wird, bevor sämtliche Ebenen bei dem Apex zusammenlaufen. Wenn Hohlräume nicht abgestumpft sind (wenn sie einen punktartigen Apex aufweisen, d.h. bei einem selbstbegrenzten Ätzvorgang) muss das Verhältnis dann wenigstens ungefähr 1,3 betragen, wie in 3 dargestellt.
• Dabei haben die gegenwärtigen Erfinder des Weiteren erkannt, dass die Perlen nicht zwangsläufig insgesamt in den Hohlräumen verborgen sein müssen. Das heißt, ein Anteil der Perlen kann oberhalb der Ebene der Öffnung 28 in Erscheinung treten, d.h. aus dieser herausragen, um eine zufriedenstellende Stabilität aufrechtzuerhalten, wie in 5 dargestellt (nicht maßstabsgetreu). Das vorstehende Verhältnis kann daher entsprechend verringert werden.
• Nunmehr bezugnehmend auf die 1, 2, 6 bis 9 sowie 12 bis 13 kann der Mikrofluid-Chip 100 bei Ausführungsformen zwei oder mehr Untergruppen 32 von Hohlräumen 20 aufweisen, z.B. Reihen oder Spalten einer Anordnung 30, wobei zwei Untergruppen durch wenigstens einen Mikrokanal 14 verbunden sind. Eine oder mehrere dieser Untergruppen sind bevorzugt in einem Mikrokanal-Abschnitt 12a definiert, dessen untere Wand oder dessen obere Wand durch die Funktionsschicht 10 definiert ist. Eine derartige Konfiguration ermöglicht ein Multiplexing, während eine Kreuz-Kontamination unter den Untergruppen 32 verhindert wird. Daher ist es bevorzugt, die Anordnung 30 in Untergruppen 32 von Perlen 50 aufzuteilen, um die Untergruppen teilweise zu isolieren. Die Anordnung von Hohlräumen kann zum Beispiel so angeordnet sein, dass sie an typische Koordinaten von Mikrotiter-Mulden angepasst ist: Auf einer Mikrotiter-Platte sind Mulden auf einem quadratischen Gitter mit einem Abstand von 9, 4,5 oder 2,25 mm positioniert. Dies kann ein Verteilen von Lösungen mit Perlen unter Verwendung von Roboter-Geräten erleichtern. Für eine erhöhte Integration der Anordnungen von Hohlräumen kann auch ein hexagonales Gitter gewählt werden. Die Chip-Auslegung, die in den in 14 gezeigten Experimenten verwendet wurde, weist zum Beispiel Anordnungen auf, die entlang eines serpentinenförmigen Mikrofluid-Kanals (200 µm breit und 14 µm tief) in einer hexagonalen Gitteranordnung verteilt sind, wobei ein Abstand von Ecke zu Ecke von einer Anordnung zu der anderen etwa 1,1 mm beträgt. Diese Anordnung erlaubt die Platzierung von 10 einzelnen Anordnungen (die jeweils eine Fläche von 200 µm × 500 µm belegen) innerhalb einer Gesamtfläche von 3 mm x 5 mm und erlaubt ein Verteilen von 200 nl Tröpfchen einer Perlen-Lösung auf jede Anordnung, ohne dass Tröpfchen zusammenlaufen oder eine Kreuz-Kontamination auftritt.
• Als nächstes wird die Anordnung 30 von Hohlräumen 20 des Mikrofluid-Chips 100 bevorzugt mit einer Deckschicht 60 abgedeckt, die sich vis-à-visder Anordnung 30 erstreckt, wie in den in den 5 bis 9 gezeigten „endgültigen“ Einheiten zu sehen. Die Deckschicht schützt die Hohlräume und deren Inhalte und dichtet diese ab. Über die einzelnen Hohlräume 20 hinaus dichtet die Deckschicht 60 wahrscheinlich weitere Mikrofluid-Strukturen ab, die typischerweise auf dem Chip 100 vorhanden sind. Beispiele für derartige Mikrostrukturen sind: ein Loading-Pad 11, eine Erkennungs-Antikörper(oder dAb)-Ablagerungszone 70, eine Kapillar-Pumpe 16 oder Lüftungsöffnungen 18, wie in den 1 und 2 dargestellt.
• Es ist anzumerken, dass sich die Deckschicht 60, wenngleich sie sich vis-à-visder Anordnung 30 erstreckt, nicht zwangsläufig in Kontakt mit den Hohlräumen befindet, da üblicherweise ein Zwischenraum notwendig ist, um den Mikrofluid-Kanal zu bilden. Bei dem Herstellungsprozess von 9 werden die Hohlräume mittels der Deckschicht abgedichtet, da die Mikrokanäle zwischen den Hohlräumen angeordnet sind. Dabei befindet sich die Deckschicht 60 bei den anderen, hierin erörterten Herstellungstechniken faktisch nicht direkt in Kontakt mit den Hohlräumen, es ist stets ein Zwischenraum vorhanden, der durch die Abscheidung der Kanal-Schicht (6) oder durch den Ätzvorgang (7 und 8) eingebracht wird. Die Tiefe des Kanals beträgt typischerweise zwischen 1 und 20 µm. Flachere Kanäle ergeben einen höheren hydraulischen Widerstand und eine geringere Gleichmäßigkeit der Dicke, während die Herstellung von tieferen Kanälen schwieriger und/oder zeitaufwändiger ist. Im Allgemeinen nehmen die minimalen lateralen Abmessungen der Elemente, die hergestellt werden können, mit der Tiefe des Kanals aufgrund der Beschränkungen des Aspekt-Verhältnisses bei den Techniken zur Herstellung von Kanälen zu. Gegenwärtige Herstellungstechniken (Nass- oder Trockenätzen oder Strukturierung eines trockenen Dünnschicht-Resists) stellen ohne umfangreiche Anstrengungen hinsichtlich einer Optimierung der Parameter problemlos Strukturen mit einem Aspekt-Verhältnis bereit, das höher als 1 ist (z.B. Elemente mit einer Breite von 20 µm in Kanälen mit einer Tiefe von 20 µm).
• Im Hinblick darauf kann die Höhe (oder die Tiefe) eines Kanals eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die Perlen während des Strömens nicht entweichen. Infolge der vorliegenden Lösungen wird die Stabilität der Perlen deutlich verbessert. Dennoch kann stets ein Restrisiko bestehen, einige Perlen zu verlieren, wenn in dem Mikrokanal eine starke Fluidströmung vorliegt. Wenn nun die Höhe des Mikrofluid-Kanals etwas geringer als der Durchmesser der Perle ist (z.B. in den vorherigen Beispielen geringer als 10 µm), können die Perlen während des Strömens zu keiner Zeit entweichen. Zu geringe Kanal-Tiefen (z.B. 1 µm) erhöhen jedoch den hydraulischen Widerstand und verringern die Gesamtflüssigkeitskapazität (das Volumen) des Chips; zu große Tiefen (z.B. mehr als 10 µm) erhöhen die Wahrscheinlichkeit, einige Perlen zu verlieren. Liegt eine Tiefe des Kanals von etwas weniger als dem Durchmesser der Perle vor, ist dies ebenfalls vorteilhaft in dem Fall, dass der Überschuss an Perlen unter Verwendung eines Streifens entfernt wird (d.h. die Perlen im Inneren der Hohlräume verbleiben, und der Überschuss im Inneren des Kanals haftet an dem Streifen).
• Nunmehr spezifischer bezugnehmend auf die 12 und 13, kann der Chip 100 faktisch mehrere Anordnungen 30 aufweisen (die jeweils einen oder mehrere Perlen einfangende Hohlräume 20 aufweisen). Diese Anordnungen 30 sind bevorzugt zwischen einzelne Paare von Mikrokanal-Abschnitten, d.h. parallel oder in Reihe, in einem gegebenen Strömungspfad eingefügt. Diese Kanal-Abschnitte können zum Beispiel insbesondere aus parallelen aufgeteilten Kanälen bestehen, wie in 13 gezeigt, um eine Kreuz-Kontamination von einem Abschnitt zu dem anderen zu vermeiden, oder sie können in Reihe angeordnet sein (wie in 12). Sie können auch in Kanal-Abschnitten eines serpentinenförmigen Kanals angeordnet sein (nicht gezeigt).
• Als nächstes können außerdem in vorteilhafter Weise unterschiedliche Arten 51, 52 von Perlen verwendet werden, die sich in den Hohlräumen 20 der Anordnung(en) 30 befinden. Infolge der bevorzugten Ablagerungstechniken werden die Perlen 51, 52 typischerweise in verschiedenen Anordnungen 30 abgelagert. Es können zum Beispiel zwei unterschiedliche Arten von Perlen verwendet werden: eine Art 51 von Perlen wird für die Erkennung von Analyten verwendet, während die andere Art 52 von Perlen zur Kontrolle verwendet wird, wie in den 12, 13 dargestellt. Wie zuvor angegeben, können die Anordnungen 30 in Abhängigkeit von der tatsächlichen angestrebten Anwendung in Reihe oder parallel angeordnet sein. Bei den meisten hierin ins Auge gefassten Anwendungen (z.B. Bioanalysen) unterscheiden sich die Perlen in Bezug auf eine Beschichtung. Die Perlen können sich dessen ungeachtet allgemeiner in Bezug auf Abmessung, Beschichtung, Material und/oder Färbung unterscheiden.
• Es ist anzumerken, dass die Lösungen des Standes der Technik zum Großteil ein Abdichten der Einheit vor einer Beschickung mit den Perlen (über einen Strom einer Perlen-Lösung) einführen. Dies macht es schwierig, wenn nicht unmöglich, zu erreichen, dass sich unterschiedliche Arten von Perlen an vorgegebenen Positionen in der Einheit befinden. Als eine Konsequenz impliziert dies in der Praxis für eine Bioanalyse mehr Schritte.
• Gemäß einem weiteren Aspekt kann die vorliegende Erfindung als ein Verfahren für die Herstellung eines Chips 100, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt sein. Nunmehr werden Herstellungsverfahren unter Bezugnahme auf die 5 bis 10 beschrieben. Ganz grundsätzlich drehen sich derartige Verfahren um einen grundlegenden Schritt (Schritt S20) zur Herstellung einer Anordnung 30 von Perlen einfangenden Hohlräumen 20 in einer Funktionsschicht 10, 60 der Einheit 100. Konsistent mit den zuvor beschriebenen Einheiten 100 stellt die Herstellung sicher, dass jeder der Hohlräume 20 eine kegelförmige Gestalt aufweist, die durch eine oder mehrere laterale Wände 21 bis 24 definiert ist, die jeweils hydrophil sind. Die Hohlräume 20 erstrecken sich jeweils als ein Blindloch in der Dicke der Funktionsschicht 10, 60.
• In Abhängigkeit von den gewählten Materialien 10, 60 sind unterschiedliche Vorgehensweisen möglich. Die Hohlräume können in einer Substratschicht 10 oder in einer Deckschicht oder Dünnschicht 60 bereitgestellt werden. Wie des Weiteren zuvor in Erinnerung gerufen wurde, können die Herstellungsverfahren anisotrope Ätzprozesse, Heißpräge-Prozesse oder irgendeinen anderen geeigneten Prozess beinhalten, um die Hohlräume 20 zu erzielen. Bislang scheinen anisotrope Ätzprozesse in Bezug auf die für die Hohlräume erreichte Qualität die vielversprechendsten zu sein. Selbstbegrenzte anisotrope Ätzprozesse sind gegenüber Ätzprozessen auf der Grundlage der Zeit bevorzugt, da die ersteren gegenüber Schwankungen der Ätzrate weniger empfindlich sind und es ermöglichen, dass die Tiefe im Fall eines Überätzens nahezu konstant bleibt (die endgültige Tiefe ist durch die Abmessung der Hohlraum-Öffnung 28 definiert).
• Wie zuvor in Erinnerung gerufen wurde, wird der anisotrope Ätzprozess bevorzugt mit <100>-Wafern ausgeführt, die eine Fläche in der <110>-Richtung aufweisen; somit weist die Oberseite eine Normale in der <100>-Richtung auf. Die freiliegende Seite des Wafers ist dementsprechend parallel zu (100)-Ebenen, d.h. orthogonal zu der (100)-Richtung in der Basis der reziproken Gittervektoren (Diamantstruktur für Si). Außer für die Herstellung von Hohlräumen können anisotrope Ätzprozesse auch für eine Herstellung von Mikrofluid-Strukturen verwendet werden (z.B. 8 und 9). Wenn es für die Mikrofluid-Strukturen, z.B. die Kanäle, nicht nachteilig ist, geneigte Seitenwände aufzuweisen, dann ist ein Nass-Ätzvorgang des Si-Wafers mit einer <100>-Kristallorientierung gegenüber Trockenätz-Techniken bevorzugt, da Nassätzen kompatibel mit Batch-Prozessabläufen ist und daher allgemein schneller sein kann, abhängig von der Anzahl an Wafern, die bearbeitet werden. Es ist anzumerken, dass Nassätzen üblicherweise langsamer als Trockenätzen ist, das pro Wafer viel schneller sein kann. Der gesamte Durchsatz ist somit von der Anzahl an Wafern abhängig, die insgesamt bearbeitet werden.
• Die Anordnung(en) 30 kann (können) bei Bedarf gereinigt werden (z.B. unter Verwendung von Ethanol, Wasser etc.) und/oder mit einem Plasma behandelt werden (z.B. Luft, Sauerstoff oder Helium). In sämtlichen Fällen können die Perlen 50, 51, 52 in den Hohlräumen 20 abgelagert werden S30, indem lediglich ein Tröpfchen einer Perlen-Lösung 55 z.B. auf einer Oberseite der Anordnung(en) 30 platziert wird S32. An der Anordnung (den Anordnungen) 30 können zum Beispiel ungefähr 2 µl einer Vorratslösung mit Perlen angebracht werden (die typischerweise als eine Suspension mit 1 % Feststoffen bereitgestellt wird).
• Nach dem Ablagern S30 der Perlen (und vor einem Abdichten S40 des Chips) ist es pfehlenswert,
• - die Hohlräume 20 zu trocknen S34 (die Perlen 50 verbleiben in dem Hohlraum oder in der Nähe); und danach
• - überschüssige Perlen (d.h. jene Perlen, die nicht im Inneren der Hohlräume 20 eingefangen sind) zu entfernen S36, z.B. mittels Spülen S36a der Anordnung(en) 30 mit einer Spüllösung und/oder mittels Anbringen eines Streifens, an dem überschüssige Perlen haften S36b; bevor
• - die Anordnung 30 von Hohlräumen 20 mit den darin verbliebenen Perlen bei Bedarf erneut getrocknet wird S38, d.h. der letzte Trocknungsschritt ist nicht immer erforderlich, z.B. wenn nur ein Streifen angebracht wird, um überschüssige Perlen zu entfernen.
• Die gegenwärtigen Erfinder haben festgestellt, dass ein Trocknen der Anordnung 30 vor einem Entfernen der überschüssigen Perlen zu überraschend stabileren Perlen 50 geführt hat. Es wurde dementsprechend festgestellt, dass der Einfluss auf endgültige Belegungen beträchtlich ist: die Belegung kann in Abhängigkeit von weiteren Bedingungen dank des vorherigen Trocknungsschritts S34 um 20 bis 60 % oder sogar mehr verbessert werden. Es kann spekuliert werden, dass kegelförmige Hohlräume die Perlen bei einem Spülvorgang oder einem Trocknungsvorgang (z.B. einem N2-Strom) besser vor einer lateralen Bewegung von Fluiden (Gasen oder Flüssigkeiten) in der Ebene schützen. Bevorzugte Spüllösungen sind z.B. Pufferlösungen oder deionisiertes Wasser. Allgemeiner kann es irgendeine Lösung sein, welche die Perlen oder die Proteine, mit denen diese beschichtet sind, nicht nachteilig beeinflusst.
• Schließlich kann die Anordnung 30 und allgemeiner ein Teil des Chips 100 oder der gesamte Chip 100 mit einer Deckschicht 60, z.B. einer trockenen Dünnschicht, abgedichtet werden S40, die bevorzugt laminiert wird, um eine gute Abdichtung sicherzustellen. Wenn die Hohlräume in der Schicht 10 bereitgestellt sind, wird die Abdeckung 60 derart angeordnet, dass sie sich vis-à-visder Anordnung 30 von Hohlräumen 20 erstreckt, um dadurch geschlossene Mikrofluid-Kanäle 12, 12a, 14 sowie Strukturen 16, 18 zu bilden.
• Nunmehr werden vier verschiedene Herstellungsbeispiele im Detail erörtert. Ein erstes Herstellungsbeispiel ist in 5 im Detail dargestellt. Die detaillierten Schritte von 5 sind in dem Ablaufplan von 10 auf eine andere Weise erfasst. 6 stellt lediglich ausgewählte Schritte dieses ersten Herstellungsverfahrens dar, während die 7 bis 9 ausgewählte Schritte weiterer möglicher Herstellungsverfahren darstellen. In jeder von den 6 bis 9 handelt es sich bei der oberen Reihe von Figuren um Schnittansichten des Mikrofluid-Chips in verschiedenen Herstellungsstufen, während die untere Reihe die entsprechenden Draufsichten zeigt.
• Zunächst bezugnehmend auf die 5, 6 und 10, verwendet das erste Herstellungsbeispiel einen anisotropen Ätzvorgang für die Hohlräume, gefolgt von einer Herstellung der Kanäle mit einem trockenen Dünnschicht-Resist. Im Detail:
• - Schritt S10: Es wird ein Mikrofluid-Chip-Körper bereitgestellt, der eine Schicht (oder ein Substrat) 10 aufweist.
• - Block S20: Herstellung der Hohlräume und Kanäle:
  • o S21, 5A: Die Schicht 10 wird oxidiert, z.B. wird Silicium mittels einer thermischen Oxidation oxidiert, um eine SiO2-Schicht 10o zu erhalten. Die erhaltene elektrisch isolierende Schicht 10o bedeckt typischerweise das gesamte Substrat 10. Es kann auch angestrebt werden, anstelle eines Oxids ein Nitrid zu erhalten, wie beispielsweise Si3N4.
  • o Bei Schritt S22, 5B: Das Oxid wird strukturiert, z.B. unter Verwendung eines Trocken- oder Nass-Ätzvorgangs. Zu diesem Zweck wird typischerweise ein Photoresist als eine Maske verwendet (5B stellt den Chip nach einem Ätzen des Oxids und einem Ablösen des Photoresists schematisch dar);
  • o dann wird die Substratschicht 10 anisotrop geätzt, Schritt S24, 5C, um Hohlräume 20 und andere Ablagerungszonen 70 zu erhalten. Bevorzugt wird ein Nass-Ätzmittel verwendet, bei dem es sich typischerweise um TMAH oder KOH handelt. Vor einem Ätzen des Si wird typischerweise ein kurzer Oxid-Ätzvorgang (z.B. BHF) durchgeführt, um das native Oxid auf der Si-Oberfläche zu entfernen;
  • o dann wird das Oxid abgelöst, Schritt S25, 5D. Dies ist jedoch optional, da das Oxid auf der Oberfläche belassen werden kann, wenn gewünscht. Typischerweise wird zu diesem Zweck ein gepufferter Oxid-Ätzvorgang (z.B. BHF) verwendet; und die lateralen Wände 62 der Kanäle werden bevorzugt mittels Abscheiden, Belichten und danach Entwickeln eines trockenen Dünnschicht-Resists (eines negativen Photoresists) oder eines negativen Photoresists auf der Grundlage von Epoxid (z.B. SU-8) strukturiert, Schritt S26, 5D;
• - Block S30: Ablagerung von Perlen (die auch als Integration von Reagenzien bezeichnet wird):
  • o Schritt S32, 5E: Auf einer Hohlraum-Anordnung 20 (auf jeweiligen Anordnungen können verschiedene Arten von Perlen abgelagert werden, wie in den 12 bis 13 dargestellt) wird ein Tröpfchen einer Perlen-Lösung aufgebracht;
  • o Schritt S34, 5F: Die Anordnungen 30 und die Perlen werden getrocknet (bevorzugt durch eine natürliche Verdampfung, mittels eines N2-Stroms oder durch Anordnen des Chips in einer kontrollierten Umgebung oder auf einer warmen Platte etc.);
  • o Schritt S36: Überschüssige Perlen werden entfernt, bevorzugt durch: (i) Abspülen, z.B. unter Verwendung eines Stroms von deionisiertem Wasser oder einer gepufferten Lösung, Schritt S36a, 5G; und/oder (ii) Anbringen eines Streifens, wie beispielsweise eines Haftstreifens oder PDMS, an dem überschüssige Perlen haften, Schritt S36b, 5H. Wenn notwendig, kann der Streifen mehrere Male angebracht werden; und
• - S40, 51: Schließlich wird der Chip 100 (und im Besonderen die Anordnung(en) 30 von Hohlräumen) mit einer Deckschicht 60 (z.B. einem trockenen Dünnschicht-Resist) abgedichtet, die bevorzugt laminiert wird, Schritt S42. Zu diesem Zweck wird die Deckschicht 60 typischerweise moderat erwärmt, z.B. auf 45 bis 50 °C. Die Deckschicht kann auf der Ebene eines Loading-Pad für die Pipettierung einer Flüssigkeit eine Öffnung aufweisen (wie in Schritt S40, 6 zu sehen). Eine derartige Öffnung kann mittels Schneiden oder Stanzen strukturiert werden.
• Das vorstehende Beispiel eines Herstellungsverfahrens ermöglicht flexible Auslegungen, da die Herstellung von Hohlräumen und Kanälen entkoppelt ist. Es kann des Weiteren realisiert werden, dass ein derartiges Verfahren kreisförmige Kanalstrukturen ermöglicht. Die Nachteile eines derartigen Verfahrens bestehen jedoch darin, dass es zwei Masken erfordert und dass es möglich ist, dass die abgespülten Perlen im Inneren der Kanäle verbleiben.
• Nunmehr bezugnehmend auf 7 wird ein zweites Herstellungsbeispiel beschrieben, bei dem die Perlen in die Deckschicht 60 (d.h. ein trockenes Dünnschicht-Resist) anstatt in die Schicht 10 integriert werden. In Kürze:
• - Schritt S20a: eine Form 65 wird dazu verwendet, Hohlräume in die Schicht 60 zu strukturieren (z.B. mittels Heißprägen);
• - Schritt S20b: die strukturierte Schicht 60 wird abgelöst;
• - Schritt S30: in den Hohlräumen der strukturierten Schicht 60 werden Perlen abgelagert, wiederum indem ein Tröpfchen einer Perlen-Lösung pipettiert, getrocknet, gespült und erneut getrocknet wird;
• - Schritt S40: schließlich wird der MF-Chip abgedichtet, indem die Deckschicht 60 auf dem Chip angeordnet wird, bevorzugt mittels Laminieren der Deckschicht 60 auf diesen.
• Bei diesem Verfahren ist die Integration der Perlen unabhängig von dem Substrat und den Kanälen, was eine höhere Flexibilität bei der Auslegung des Substrats 10 und der Kanäle ermöglicht. Der MF-Chip kann Mikrofluid-Strukturen aufweisen, die geätzt werden (durch anisotropes Ätzen oder tiefes reaktives Ätzen) oder abgeschieden werden (trockenes Dünnschicht-Resist, SU-8 etc.) oder mittels Heißprägen oder Formen strukturiert werden. Die Deckschicht kann auf irgendein kompatibles Substrat mit oder ohne eine vorherige Oberflächenmodifikation oder - Behandlung laminiert werden. Es ist jedoch möglich, dass bei diesem Verfahren für eine effizientere Fluoreszenz-Detektion ein transparentes Substrat erforderlich ist. Außerdem können sich die Perlen unter Umständen im Vergleich zu Perlen, die in einem Substrat integriert sind, leichter aus der Dünnschicht lösen.
• Als nächstes bezugnehmend auf 8 wird ein drittes Herstellungsbeispiel in Kürze beschrieben, das eine Photolithographie und einen anisotropen Si-Ätzvorgang in zwei Stufen verwendet:
• - Schritt S20c: Mittels eines anisotropen Si-Ätzvorgangs werden Kanäle geätzt. Es folgt eine thermische Oxidation (nicht gezeigt); danach
• - Schritt S20d: Mittels eines anisotropen Si-Ätzvorgangs werden nach einem Strukturieren des Oxids Hohlräume geätzt;
• - Schritt S30: Perlen werden integriert; und
• - Schritt S40: Der Chip wird abgedichtet.
• Ein derartiges Herstellungsverfahren ermöglicht eine flexible Auslegung, da die Herstellung von Einfangstelle und Kanal entkoppelt ist. Es sind jedoch mehrere Herstellungsschritte (es werden zwei Masken benötigt) ebenso wie eine zusätzliche thermische Oxidation zwischen den zwei Ätzschritten erforderlich. Darüber hinaus ist es bei diesem Verfahren möglich, dass abgespülte Perlen im Inneren der Kanäle verbleiben.
• Schließlich und bezugnehmend auf 9 wird ein letztes Herstellungsbeispiel beschrieben, das auf einer Photolithographie und einem anisotropen Si-Ätzvorgang in einem einzigen Schritt beruht. Bei Schritt S20e: Unter Verwendung eines anisotropen Ätzvorgangs werden in einem einzigen photolithographischen Schritt gleichzeitig Kanäle und Hohlräume geätzt. Danach werden die Perlen bei Schritt S30 integriert, und der Chip wird abgedichtet, Schritt S40. Mit einem derartigen Verfahren werden sowohl die Kanäle als auch die Einfangstellen in einem einzigen Ätzschritt hergestellt, was hinsichtlich der Kosten effizienter ist. Außerdem kann die Tiefe des Kanals mittels Einstellen der Breite des Kanals eingestellt werden, da bei dem selbstbegrenzten Ätzprozess breitere Öffnungen zu tieferen Kanälen führen und umgekehrt. Die Hohlräume können über Mikrofluid-Kanäle, deren Breiten geringer als jene der Hohlräume sind, jeweils miteinander und mit dem Mikrofluid-Netzwerk verbunden werden, wie in S20e (9) dargestellt. Ein derartiges Herstellungsverfahren impliziert jedoch strengere Regeln für die Auslegung, führt aufgrund der kleineren Abmessungen der Mikrofluid-Kanäle, welche die Hohlräume verbinden, zu höheren hydraulischen Widerständen. Es besteht außerdem ein Risiko hinsichtlich der Bildung von Luftblasen im Inneren der Hohlräume.
• Nun wird ein Beispiel für eine Anwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erörtert. Und zwar wird ein einfaches Liganden-Rezeptor-Assay in einem System mit offenen Kanälen veranschaulicht (der Chip ist der Einfachheit halber nicht mit einer Deckschicht abgedichtet):
• • Es werden mit „Superavidin“ beschichtete Perlen (Durchmesser von 10 µm) in Polystyrol von Bangs Laboratories Inc.™ verwendet: Polystyrol-Perlen mit 10 µm sind mit Avidin beschichtet, einem Protein, von dem bekannt ist, dass es eine sehr starke Bindung mit Biotin eingeht. Die kommerzielle Vorratslösung enthält die Perlen als Feststoffe mit 1 %;
• • die Vorratslösung wird 1/5 mit PBS + 0,5 % Tween 20 verdünnt (es können auch höhere Verdünnungen verwendet werden);
• • es wird eine Anordnung von Hohlräumen verwendet, wie sie gemäß den 5A bis 5C erhalten wird (Schritte S10 bis S24 in 10): Es werden ungefähr 2 µl der Perlen-Lösung auf der Anordnung platziert und getrocknet (für ein vollständiges Trocknen sind 1 bis 2 Minuten ausreichend);
• • die Anordnung und die Perlen werden unter einem Strom von PBS + 0,5 % Tween 20 gespült (ungefähr 30 ml während 10 s);
• • danach werden die Anordnung und die Perlen unter einem Strom von DI-Wasser gespült (ungefähr 30 ml während 10 s);
• • danach wird die Anordnung unter einem Strom von Stickstoff getrocknet;
• • die Anordnung und die Perlen werden mit einem Tröpfchen 1 % BSA in PBS + 0,5 % Tween 20 während 15 min bedeckt;
• • die Anordnung und die Perlen werden mit PBS + 0,5 % Tween 20, Wasser gespült und unter einem Strom von Stickstoff getrocknet.
• • Schließlich kann der Chip abgedichtet und aufbewahrt werden.
• Für ein typisches Assay führt ein Nutzer die folgenden nächsten drei Schritte durch, wobei ein Analyt von einem fluoreszierend gekennzeichneten Biotin-Molekül repräsentiert wird.
• • Die Anordnung und die Perlen werden während 15 Min. einer 50 µg/ml Lösung Biotin-590-Atto (Sigma-Aldrich®) ausgesetzt, während sie vor Licht geschützt sind. Während dieses Schritts bindet das Biotin-590-Atto an das Avidin auf den Perlen.
• • Die Anordnung und die Perlen werden mit PBS + 0,5 % Tween 20 und Wasser gespült. Diese Spül-Schritte sind optional, können jedoch für eine Erhöhung der Sensitivität des Assays angewendet werden.
• • Das Binden von Biotin-Atto-590 (Ligand) an Avidin auf den Perlen (Rezeptor) wird unter Verwendung eines Fluoreszenz-Mikroskops überwacht. Die Hohlräume mit einer einzigen Perle ermöglichten ein einfaches Lesen und Interpretieren des Signals ohne irgendeinen optischen Artefakt.
• Die hierin beschriebenen Verfahren und Einheiten können bei der Herstellung von Mikrofluid-Chips verwendet werden. Die resultierenden Chips können von dem Hersteller in Rohform (z.B. als eine strukturierte Doppelschicht-Einheit) oder in einer gepackten Form vertrieben werden. Im letzteren Fall kann der Chip in einer Einzelchip-Packung montiert sein. In jedem Fall kann der Chip dann mit anderen Elementen als Teil von entweder (a) einem Zwischenprodukt oder (b) einem Endprodukt integriert werden.
• Um abzuschließen, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile bereit. Zum Beispiel:
• - Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen ein Halten der Perlen in einer besonders und überraschend stabilen Weise, insbesondere wenn die Anordnungen mit Perlen und Hohlräumen vor einem Entfernen von überschüssigen Perlen getrocknet werden. Während einer nachfolgenden Einwirkung von Flüssigkeiten und einem Trocknen gehen nur einige wenige Perlen verloren. Nach vielen Jahren globaler Forschungen bezüglich Mikrofluiden und einem Strukturieren von Rezeptoren für Assays wurde zuletzt ein sehr effizientes Verfahren für ein Integrieren von Perlen (oder Rezeptoren) mit Mikrofluiden gefunden;
• - die vorliegenden Auslegungen und die entsprechenden Herstellungsverfahren ermöglichen des Weiteren ein Platzieren der Perlen vor einem Abdecken der Einfangstellen;
• - die Anordnungen von Hohlräumen können relativ zu den Perlen dimensioniert werden, um so eine einzige Perle pro Hohlraum einzufangen. Hohlräume mit einer einzigen Perle ermöglichen ein einfacheres Lesen und Interpretieren eines Signals, es ist eine einzige Schicht erforderlich, um die Perlen aufzunehmen, und sie führen zu weniger (oder sogar keinen) optischen Artefakten; und
• - hierin vorgeschlagene Herstellungsverfahren ermöglichen eine Fertigung mit einem hohen Durchsatz. Es wurden verschiedene Strategien für eine Integration von Perlen vorgeschlagen, die flexible Auslegungen von Mikrofluiden und Strömungspfaden ermöglichen. Die Konzepte, die den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, sind im Übrigen kompatibel mit mehreren Mikrofluid-Elementen (Spiegeln, Kunststoff-Chip-Herstellung etc.).
• Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen, Varianten und die begleitenden Zeichnungen beschrieben wurde, versteht es sich für einen Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente substituiert werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein Element (als eine Einheit oder als ein Verfahren), das in einer gegebenen Ausführungsform, Variante angegeben oder in einer Zeichnung gezeigt ist, mit einem weiteren Element in einer weiteren Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert werden oder dieses ersetzen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es können dementsprechend verschiedene Kombinationen der in Bezug auf irgendeine der vorstehenden Ausführungsformen oder Varianten beschriebenen Elemente ins Auge gefasst werden, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bleiben. Darüber hinaus können viele geringfügige Modifikationen durchgeführt werden, um eine spezielle Gegebenheit oder ein spezielles 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 die vorliegende Erfindung soll sämtliche Ausführungsformen einschließen, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus können viele weitere Varianten außer den vorstehend explizit angerissenen ins Auge gefasst werden. Zum Beispiel können für jede der Schichten 10, 60 andere Materialien außer jenen hierin explizit erwähnten verwendet werden. Darüber hinaus können die Kanäle, Loading-Pads, Lüftungsöffnungen, Hohlräume etc. mit verschiedenen Abmessungen bereitgestellt werden.
• Bezugszeichenliste

10

Basisschicht

100

Oxidschicht

11

Loading-Pad

12

Mikrofluid-Kanäle (Mikrokanäle)

12a

Mikrokanal-Abschnitt

14

Multiplexing-Mikrokanäle

16

Kapillar-Pumpe

18

Lüftungsöffnungen

20

Perlen einfangende Hohlräume

21 - 24

laterale Wände der Hohlräume

24a - d

strukturierte Wand (mit mehreren Facetten)

28

Hohlraum-Öffnung/Kegel-Grundfläche

29

Bodenfläche des Hohlraums

30

Anordnung von Perlen einfangenden Hohlräumen

32

Hohlraum-Untergruppe (Reihe/Spalte)

50

Perlen

51

Analyt-Erkennungs-Perlen

52

Kontroll-Perlen

55

Perlen-Lösung (Flüssigkeits-Tröpfchen)

60

Deckschicht (trockene Dünnschicht), Kappe

62

Kanalwände

65

Form für ein Prägen von Hohlräumen in der Deckschicht 60

70

Hohlraum für Ablagerung von Erkennungs-Antikörpern (dAb)

72

abgelagerter Erkennungs-Antikörper (dAb)

100

Mikrofluid-Chip

Claims (11)

1. Mikrofluid-Chip (100), der eine Schicht (10, 60) mit einer Anordnung (30) von Perlen (50) einfangenden Hohlräumen (20) aufweist, die in jener Schicht (10, 60) bereitgestellt sind, wobei die Schicht (10) ein oder mehrere Halbleiterelemente aufweist, wie beispielsweise Silicium, wobei jeder der Hohlräume (20) eine pyramidenförmige Gestalt aufweist, die durch wenigstens vier laterale Wände (21 bis 24) definiert ist, die jeweils hydrophil sind, wobei die pyramidenförmig gestalteten Hohlräume (20) eine Geometrie zeigen, die konsistent mit einem anisotropen Ätzprozess für eine Herstellung der Hohlräume (20) in der Schicht (10) ist, und wobei sich jeder der Hohlräume (20) als ein Blindloch in der Dicke der Schicht (10, 60) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Untergruppen (32) aus wenigstens einem der Hohlräume (20), wobei die Untergruppen (32) bevorzugt Reihen oder Spalten der Anordnung (30) von Hohlräumen (20) sind, durch wenigstens einen Mikrokanal (14) verbunden sind, und wobei die eine oder die mehreren der Untergruppen (32) bevorzugter in einem Mikrokanal-Abschnitt (12a) definiert sind, dessen untere Wand oder dessen obere Wand von einer Oberfläche der Schicht (10) gebildet wird.
2. Mikrofluid-Chip (100) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer und bevorzugt die meisten der Hohlräume (20) jeweils mit einer Perle (50) gefüllt sind, bevorzugt mit einer Mikroperle, die im Mittel einen Durchmesser zwischen 1 und 40 µm aufweist, bevorzugt zwischen 2 und 20 µm und bevorzugter zwischen 2 und 10 µm.
3. Mikrofluid-Chip (100) nach Anspruch 2, wobei eine Mehrzahl der Hohlräume (20) der Anordnung (30) jeweils mit nur einer Perle (50) gefüllt ist, bei der es sich bevorzugt um eine Mikroperle handelt, die im Mittel einen Durchmesser zwischen 1 und 40 µm aufweist, bevorzugt zwischen 2 und 20 µm und bevorzugter zwischen 2 und 10 µm.
4. Mikrofluid-Chip (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Verhältnis einer mittleren Abmessung einer Öffnung (28) der Hohlräume (20) zu einem mittleren Durchmesser der Perlen (50) in den Hohlräumen (20) zwischen 1,0 und 2,4 und bevorzugt zwischen 1,4 und 2,0 liegt.
5. Mikrofluid-Chip (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Verhältnis einer mittleren Tiefe der Hohlräume (20) zu einem mittleren Durchmesser der Perlen (50) in den Hohlräumen (20) wenigstens 0,5, bevorzugt 1,0 und bevorzugter 1,3 beträgt.
6. Mikrofluid-Chip (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anordnung (30) mittels einer Deckschicht (60) abgedichtet ist, die sich vis-à-visder Anordnung (30) von Hohlräumen (20) erstreckt.
7. Mikrofluid-Chip (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der mehrere Anordnungen (30) aus einem oder mehreren Perlen (50) einfangenden Hohlräumen (20) aufweist, wobei die Anordnungen (30) bevorzugt zwischen einzelnen Paaren von Mikrokanal-Abschnitten (14) eingefügt sind.
8. Mikrofluid-Chip (100) nach Anspruch 7, der wenigstens zwei unterschiedliche Arten (51, 52) von Perlen (50) aufweist, die sich jeweils in einem oder mehreren Hohlräumen (20) von wenigstens zwei der mehreren Anordnungen (30) befinden, wobei sich die Perlen (50) der unterschiedlichen Arten (51, 52) bevorzugt in Bezug auf Abmessung, Beschichtung, Material und/oder Färbung unterscheiden.
9. Verfahren zur Herstellung eines Mikrofluid-Chips (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das aufweist: Bereitstellen (S10) eines Mikrofluid-Chip-Körpers mit einer Schicht (10, 60); Herstellen (S20) einer Anordnung (30) von Perlen (50) einfangenden Hohlräumen (20) in jener Schicht (10, 60), wobei jeder der Hohlräume (20) eine pyramidenförmige Gestalt aufweist, die durch wenigstens vier laterale Wände (21 bis 24) definiert ist, die jeweils hydrophil sind, und wobei sich jeder der Hohlräume (20) als ein Blindloch in der Dicke der Schicht (10, 60) erstreckt, wobei das Herstellen (S20) der Anordnung (30) ein anisotropes Ätzen (S24) der Schicht (10) aufweist, um die Hohlräume (20) zu erhalten, bevorzugt unter Verwendung eines selbstbegrenzten anisotropen Ätzprozesses.
10. Verfahren nach Anspruch 9, das des Weiteren aufweist: Ablagern (S30) von Perlen (50) in die Hohlräume (20) der Anordnung (30) mittels Platzieren (S32) eines Tröpfchens einer Perlen-Lösung (55); und Abdichten (S40) der Anordnung (30) mit einer Deckschicht (60), die derart angeordnet wird, dass sie sich vis-à-visder Anordnung (30) von Hohlräumen (20) erstreckt, wobei das Abdichten (S40) der Anordnung (30) bevorzugt ein Laminieren (S42) der Deckschicht (60) aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren nach dem Ablagern (S30) der Perlen (50) und vor dem Abdichten (S40) des Weiteren in dieser Reihenfolge aufweist: Trocknen (S34) der Anordnung (30) von Hohlräumen (20) mit den darin befindlichen Perlen (50), Entfernen (S36) von überschüssigen Perlen (50), die nicht im Inneren der Hohlräume (20) eingefangen sind, bevorzugt mittels Spülen (S36a) der Anordnung (30) mit einer Spüllösung und/oder mittels Anbringen eines Streifens, an dem überschüssige Perlen (50) haften (S36b); und erneutes Trocknen (S38) der Anordnung (30) von Hohlräumen (20) mit den darin befindlichen Perlen (50), wenn notwendig.

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