DE19948087A1 - Strukturierter Probenträger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Probenträger (20) besteht aus einer flexiblen Kompartimentschicht (21) aus einem Polymermaterial mit vorbestimmten Kompartimentstrukturen (30) zur Bildung von Probenkammern, wobei das Polymermaterial eine viskoelastische Polymerzusammensetzung (z. B. Silikonkautschuk) ist, die in bezug auf Glas-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleitersubstraten eine inhärente Haftfähigkeit besitzt. Zur Bildung eines Reaktionssubstrats (100) ist der Probenträger auf einem Bodenteil (10) angebracht. Es wird auch ein Werkzeug zur Herstellung des Probenträgers beschrieben (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenträger zur Aufnahme und/oder Manipulierung einer Vielzahl voneinander getrennter Proben, ins­ besondere einen strukturierten Probenträger für mikroskopisch kleine Probenmengen, ein Verfahren und ein Werkzeug zu dessen Herstellung und auch Verwendungen des Probenträgers.

In der Biochemie, Medizin und Gentechnik besteht ein breiter Be­ darf an Verfahren zur Manipulierung, Beobachtung und/oder Analy­ se einer Vielzahl von Proben. Es wurden Testverfahren mit hohem Probendurchsatz (sogenanntes high throughput screening, HTS) entwickelt, bei denen Tausende von Proben hochparallel bei­ spielsweise isoliert, kultiviert oder bestimmten Behandlungen unterzogen werden. Diese Verfahren werden in speziell angepaßten Reaktionssubstraten oder -behältern mit vielen Probenkomparti­ menten durchgeführt, die eine Vielzahl von Anforderungen erfül­ len müssen. Die Reaktionssubstrate müssen beispielsweise eine schnelle und parallele Probenbeschickung, eine Beobachtung der Probe während der Reaktion und eine weitere Verfügbarkeit der Probe nach einer Reaktion sicherstellen und gegenüber der jewei­ ligen Reaktion inert sein. Mit dem Fortschreiten des biochemi­ schen Kenntnisstandes und Verbesserungen der Methoden aus Bio­ technologie und kombinatorischer Chemie geht das Bedürfnis ein­ her, eine möglichst große Anzahl von möglichst kleinen Proben­ volumina parallel verarbeiten, das heißt handhaben, kontrollie­ ren und vermessen zu können. In jüngster Zeit können auf der Grundlage moderner (Fluoreszenz-)Screeningtechniken pro Tag 10 ⁵ bis 10 ⁷ Proben bei benötigten Volumina von 10^-6 bis 10^-14 l cha­ rakterisiert werden. Zur Erhöhung des Probendurchsatzes, Redu­ zierung des Substanzverbrauchs und auch aus Platzgründen wird eine Miniaturisierung der Probenkompartimente angestrebt. Damit steigen unmittelbar auch die Anforderungen an Probenträger mit Kompartimentierung für einzelne Proben stark an. Dies gilt ins­ besondere in Bezug auf die Anzahl verfügbarer Kompartimente, das Miniaturisierungspotential, die einfache Handhabung und die Ko­ sten bzw. Wiederverwendbarkeit.

Probenträger mit mikroskopisch kleinen Strukturen für den Ein­ satz bei Fluoreszenz-, Lumineszenz- oder Szintillationsmessun­ gen, z. B. zur Lösung chemischer oder molekular-biologischer Fra­ gestellungen, sind an sich bekannt. In DE-OS 197 12 484, EP 131 934, US 54 17 923 und US 54 87 872 werden Reaktionssub­ strate in Form strukturierter Mikroplatten beschrieben, die je­ weils eine Vielzahl flächlich angeordneter, einseitig offener Probenkompartimente bilden. Eine Mikroplatte mit einer Filter­ membran ist in EP 408 940 beschrieben. Diese Mikroplatte ist wegen ihres komplizierten Aufbaus sowohl für die Herstellung als auch für die Reinigung nachteilig. Die Anzahl verfügbarer Kom­ partimente ist beschränkt.

Ein weiterer mikrostrukturierter Probenträger wird in WO 95/01559 beschrieben. Auf der Oberseite des Probenträgers aus einem Halbleitermaterial oder einem Kunststoff sind durch Ätzen Ausnehmungen gebildet, deren Böden hin zur Unterseite zumindest teilweise porös sind. Diese Probenträger erlauben zwar Unter­ suchungen von beiden Seiten her. Sie besitzen jedoch Nachteile in Bezug auf die Reproduzierbarkeit der Herstellung der einzel­ nen Ausnehmungen und auf die Handhabbarkeit des Probenträgers. Wenn eine Abdeckung der Ausnehmungen vorgesehen ist, so muß die­ se gesondert mechanisch festgeklemmt, geklebt oder gebondet wer­ den.

Aus DE-OS 197 52 085 ist ein vereinfacht herstellbarer Proben­ träger für mikroskopische Untersuchungen einer Vielzahl von Pro­ ben bekannt, der ein Substrat mit durch Spritzgußtechnik und/ oder Heißprägen gebildeten Probenkompartimenten aufweist. Ein Nachteil dieses Probenträgers ist, daß die mikroskopischen Un­ tersuchungen nur von einer Seite des Substrats, auf der die Pro­ benkompartimente offen sind, durchgeführt werden können. Außer­ dem ist dieser Probenträger nicht allgemein für HTS-Verfahren einsetzbar.

Aus WO 99/19717 ist der Aufbau eines Mikrosystems bekannt, bei dem mindestens ein flexibler, mikrostrukturierter Film als Lami­ nat zwischen festen Trägern angeordnet ist. Der Film besitzt an­ wendungsabhängig gebildete Mikrostrukturen, in die gegebenen­ falls Elektroden integriert sind und die in Zusammenwirkung mit den Trägern Kompartimente für fluidische Proben bilden. Diese Stapeltechnik ist wiederum nachteilig, da gesonderte Maßnahmen zum Verbinden der Träger mit dem Film getroffen werden müssen, die die Handhabung der Proben oder die Proben selbst beeinflus­ sen.

Ein ähnlicher Aufbau ist in EP 324 153 beschrieben. Dabei wird insbesondere ein mit bestimmten Mikrostrukturen versehenes Photopolymer schichtförmig auf einen festen Träger auflaminiert. Der Nachteil dieser Technik besteht darin, daß die Polymer­ schicht nicht ohne Beschädigung vom Träger entfernt werden kann. Es besteht aber Interesse an Probenträgern, die zur Wiederver­ wendung oder für weitere Verfahrensschritte zur Probenbearbei­ tung beispielsweise ohne Beschädigung aus einem Substratverbund lösbar sind.

Ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen auf einer Metalloberfläche ist in WO 97/29223 beschrieben. Die Metallober­ fläche wird durch eine photolithographisch strukturierte Poly­ merschicht hindurch bearbeitet. Mit dieser Technik wird das Pro­ blem der Abdeckung von Mikrostrukturen jedoch auch nicht gelöst. Weitere Strukturierungstechniken für Materialien aus Metall oder Halbleitern sind in EP 869 556, WO 97/13633 und WO 98/09745 be­ schrieben.

Ein genereller Nachteil der herkömmlichen Probenträger für den Einsatz in der Mikroskopie betrifft deren relativ dicke, un­ regelmäßige und/oder durchhängende Probenträgerböden. Typische Glasstärken betragen rund 500 µm. Es können aber auch ausgepräg­ te, unreproduzierbare Variationen des Trägerbodens (z. B. über 400 µm) auftreten. Die fokale Länge von Immersionsobjektiven ist jedoch typischerweise auf 250 bis 300 µm begrenzt. Bei Abzug der Deckglasstärke von rund 150 µm verbleibt noch eine zulässige Varianz des Bodens von rund 100 bis 150 µm, um reproduzierbare, kontinuierliche Messungen an dem Probenträger ohne ständige Nachjustierungen der z-Position des Objektivs durchführen zu können.

In den meisten der obengenannten Anforderungen, aber auch hin­ sichtlich der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit, können die bisher verfügbaren Reaktionssubstrate oder -behälter oder Pro­ benträger mit der Entwicklung der Screeningtechnik nicht stand­ halten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Probenträ­ ger bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Probenträger vermieden werden und der insbesondere einen einfa­ chen Aufbau besitzt, unter den interessierenden Reaktionsbedin­ gungen inert ist sowie leicht mit beliebigen Strukturen her­ stellbar und einfach handhabbar ist. Der neue Probenträger soll insbesondere auch mehrfach wiederverwendbar bzw. recyclebar sein. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Reaktionssubstrat bereitzustellen, bei dessen Verwendung die Probenhandhabung und -untersuchung, z. B. mit einem Mikroskop, vereinfacht werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung des Probenträgers und ein Werkzeug zu dessen Durchführung bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch einen Probenträger, ein Reaktions­ substrat, ein Verfahren und ein Werkzeug mit den Merkmalen in den Patentansprüchen 1, 9, 19 bzw. 23 gelöst. Vorteilhafte Aus­ führungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Proben­ träger in Form einer flexiblen Kompartimentschicht mit Ausneh­ mungen zur Bildung einer vorbestimmten Kompartimentstruktur be­ reitgestellt, bei dem die Kompartimentschicht aus einer visko­ elastischen Polymerzusammensetzung besteht, die selbständig auf Glas-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleitersubstraten haftfähig ist. Die Kompartimentschicht ist eine mit Hilfe eines einfachen Abdruckverfahrens herstellbare formstabile Matte, deren Material schon bei einem leichten manuellen Anpreßdruck von wenigen Gramm pro cm² eine Adhäsionsverbindung mit einem der genannten Substra­ te eingeht. Die Kompartimentschicht besteht vorzugsweise aus im wesentlichen lösungsmittelfreien Natur- oder Synthese-Kautschu­ ken oder Zusammensetzungen aus diesen. Die Kompartimentsschicht ist vorzugsweise frei von Zusatzstoffen wie Harzen, Weichmachern und/oder Antioxidantien. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kompartimentschicht des erfindungsgemäßen Probenträ­ gers aus Silikonkautschuk.

Die Ausnehmungen zur Bildung der Kompartimentstrukturen sind durch die Kompartimentschicht durchgehende Löcher oder einseitig in die Kompartimentschicht eingearbeitete Vertiefungen. Es wer­ den geschlossene Kompartimentstrukturen in Form von Probenreser­ voiren oder Vorratstöpfen und/oder offene Kompartimentstrukturen in Form von in der Schichtebene des Probenträgers verlaufenden Kanälen gebildet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Kompartimentstrukturen eine Vielzahl von matrixartig in geraden Reihen und Spalten angeordneten Ausnehmungen, wobei das Rastermaß der Matrixanordnung der Anordnung von Probenreser­ voiren (sogenannte Wells) von Mikro- und Nanotiterplatten ent­ spricht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Probenträgers ist die Kompartimentschicht mit Manipula­ tions- und Untersuchungseinrichtungen ausgestattet. Zu diesen zählen insbesondere Fluidleitungen zur Beschickung der durch die Kompartimentstrukturen gebildeten Probenkammern bzw. zur Sub­ stanzableitung aus diesen, Sensoreinrichtungen zur Erfassung vorbestimmmter Probeneigenschaften in den Probenkammern, Piezo­ pumpen zur Förderung von Fluidströmen und/oder Elektrodenein­ richtungen, die zur Beaufschlagung der Proben in den Probenkam­ mern mit elektrischen Feldern ausgelegt sind. Eine Fluidleitung wird beispielsweise durch eine in der Schichtebene der Komparti­ mentschicht verlaufende Kapillare gebildet, die sich vom Rand des Probenträgers in diesen hinein zu einer bestimmten Proben­ kammer erstreckt. Sensoreinrichtungen umfassen beispielsweise Temperatur-, pH- oder Leitfähigkeitssensoren. Die Elektrodenein­ richtungen werden vorzugsweise durch Elektrodenstreifen gebil­ det, die sich an den Wänden der Probenkammern erstrecken.

Die Kompartimentstrukturen in einem erfindungsgemäßen Probenträ­ ger bilden gemäß bevorzugter Ausführungsformen Mikrostrukturen mit charakteristischen Dimensionen im Bereich von 500 nm bis 1,5 mm.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein struk­ turiertes Reaktionssubstrat bereitgestellt, das durch eine Zu­ sammensetzung des erfindungsgemäßen Probenträgers mit einem festen Bodenteil gebildet wird, auf dem der Probenträger selb­ ständig haftet. Das Bodenteil besteht vorzugsweise aus Glas, Kunststoff, Metall oder einem Halbleitermaterial. Es bildet eine ebene, glatte Oberfläche, an der der Probenträger adhäriert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Reaktionssubstrat für mikroskopische Untersuchungen ausgelegt. Das Bodenteil besteht aus einem transparenten Material (z. B. Glas) mit anwendungsabhängig gewählter Dicke. Es wird die Auf­ bringung des Probenträgers auf einem an sich bekannten Deckglas für die Mikroskopie bevorzugt.

Der Stapelaufbau aus Bodenteil und Probenträger kann erfindungs­ gemäß dahingehend modifiziert sein, daß auf dem Probenträger auf der zum Bodenteil entgegengesetzten Seite eine Abdeckung ange­ bracht wird, die wiederum durch selbständiges Anhaften relativ zum Probenträger fixiert ist. Die Abdeckung kann aus einem star­ ren Material wie das Bodenteil oder durch eine flexible Folie gebildet sein. Die Abdeckung kann ferner vorbestimmte Öffnungen zum Zugriff auf die Kompartimentstrukturen aufweisen. Der Sta­ pelaufbau in. Sandwich-Form verleiht dem Reaktionssubstrat zu­ sätzliche Stabilität. Die Abdeckung dient zum Unterbinden der Verdunstung von eingebrachten Flüssigkeiten.

Anwendungsabhängig kann auch vorgesehen sein, daß mehrere der oben beschriebenen Probenträger auf einem gemeinsamen Bodenteil zur Bildung eines erfindungsgemäßen Reaktionssubstrats angeord­ net sind. Es können auch mehrere Probenträger aneinander haftend als Stapel verbunden sein, um ein dreidimensionales fluidisches System aufzubauen.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Ver­ fahren zur Herstellung des oben beschriebenen Probenträgers be­ reitgestellt. Hierzu wird ein Abdruckwerkzeug mit dem jeweils gewünschten Kunstoffmaterial der Kompartimentschicht im gelösten Zustand gefüllt und anschließend das Lösungsmittel durch Tempern oder Trocknen bei Raumtemperatur aus der Füllung entzogen. Das Abdruckwerkzeug besteht insbesondere aus einer strukturierten Grundplatte und einer Gegenplatte, die flüssigkeitsdicht zusam­ mengehalten werden. Die Grundplatte trägt vorspringende Struktu­ ren entsprechend den gewünschten Kompartimentstrukturen im Pro­ benträger. Diese vorspringenden Strukturen ragen von der Grund­ platte je nach Anwendungsfall bis zur oder in die Gegenplatte (Ausbildung durchgehender Löcher) oder bis zu einer Höhe mit Ab­ stand von der Gegenplatte (Ausbildung von Vertiefungen). Zur reproduzierbaren Herstellung von Strukturen in Form durchgehen­ der Löcher ist die Gegenplatte vorzugsweise mit einer zur Grund­ platte weisenden Beschichtung, zum Beispiel aus PTFE, versehen. Die einzelnen Komponenten der Abdruckvorrichtung sind über lös­ bare Steck- oder Schraubverbindungen zusammengefügt. Nach dem Lösungsmittelentzug werden diese Verbindungen gelöst und die ge­ trocknete feste, formstabile Kompartimentschicht als Probenträ­ ger dem Abdruckwerkzeug entnommen. Gegenstand der Erfindung ist auch der Aufbau des Abdruckwerkzeugs an sich.

Der Probenträger bzw. das Reaktionssubstrat gemäß der Erfindung sind zur Manipulierung und/oder Untersuchung beliebiger flüssi­ ger Proben mit charakteristischen Probenvolumina z. B. im Bereich von 1 nl bis 10 µl ausgelegt. Die flüssigen Proben können insbe­ sondere Lösungen vorbestimmter Reaktionspartner und/oder Suspen­ sionen umfassen, die in einer Suspensionsflüssigkeit synthetische oder biologische Objekte enthalten. Zu den in einem Probenträger manipulierten Objekten zählen insbesondere Fest­ stoffpartikel (sogenannte Beads) als synthetische Objekte und biologische Zellen oder Zellbestandteile, Mikroorganismen, Viren und biologisch relevante Makromoleküle als biologische Objekte.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die erfindungsge­ mäßen Probenträger können mit einfachen Mitteln mit einem druck­ los arbeitenden Werkzeug in Massenproduktion hergestellt werden. Über die Gestaltung der Maske oder Abdruckform des Werkzeugs ist ein beliebiges Formatdesign der Probenkammern von Makro- bis zu Nanogrößen einfach möglich. Zur Herstellung von Masken für mikroskopisch kleine Kompartimentstrukturen stehen an sich be­ kannte Bearbeitungstechniken für Glas oder Halbleiter, wie z. B. das LIGA-Verfahren oder konventionelles Ätzen, zur Verfügung. Die Kompartimentstrukturen lassen sich hochpräzise über die ge­ samte Dicke der Kompartimentschicht herstellen. Die Strukturen können in der Schichtebene charakteristische Dimensionen im Sub- Mikrometer-Bereich und senkrecht dazu im mm-Bereich besitzen.

Die Kompartimentstrukturen können mit beliebigen Formaten, z. B. rund, quadratisch, rechteckig oder mit komplizierteren geometri­ schen Formen, ausgebildet werden. Die Herstellung der Komparti­ mentschicht aus einem viskoelastischen Polymer besitzt einen mehrfachen Vorteil. Einerseits wird die Anbringung des Proben­ trägers auf einem Bodenteil durch einfaches Andrücken erheblich gegenüber herkömmlichen Sandwich-Konstruktionen mit mechanischen Klemm-Mitteln oder Laminatverbindungen vereinfacht. Andererseits zeichnet sich das Material der Kompartimentschicht, insbesondere bei Verwendung von Silikonkautschuk, durch exzellente Eigen­ schaften in der Form aus, daß unspezifische Adsorptionen aus­ bleiben. Dies ist vor allem bei miniaturisierten Proben von Be­ deutung. Der Probenträger ist unter den interessierenden Reakti­ onsbedingungen bei Anwendungen in der Medizin, Biochemie und mo­ lekularen Biotechnologie inert. Das biologisch inerte Material ermöglicht das Anziehen, Kultivieren und Messen biologischer Proben oder Substrate in den Probenträgern. Schließlich erlaubt das Material des Probenträgers auch nach dem eigentlichen Ein­ satz eine Reinigung in einem Bad oder einer Spülmaschine mit herkömmlichen Reinigungs- oder Lösungsmitteln, ohne daß die Form oder Stabilität des Probenträgers nachteilig beeinflußt werden. Der Probenträger ist ohne Formverlust und ohne Beinflußung sei­ ner Hafteigenschaften autoklavier- und sterilisierbar. Durch einfaches Abziehen vom Bodenteil sind die Probenträger wieder­ verwendbar.

Das erfindungsgemäße Reaktionssubstrat aus Bodenteil mit aufge­ setztem Probenträger besitzt besondere Vorteile in Bezug auf den Aufbau des Reaktionssubstrats, die Abdichtung der Probenkammern und die gegenseitige Ausrichtung der Probenkammern. Der Proben­ träger wird durch gleichmäßiges Andrücken mit einem definierten, z. B. manuell ausgeübten Druck, mit dem Bodenteil verbunden. Der Probenträger ist ohne Rahmen verwendbar und erlaubt dennoch, bei Aufbringung von Justiermarkierungen, eine exakte räumliche Orientierung und Positionierung, beispielsweise in Bezug auf ein Mikroskop oder eine Probenbeschickungseinrichtung. Die Abdich­ tung der Probenkammern, die durch durchgehende Ausnehmungen in der Kompartimentschicht gebildet werden, gegenüber dem Bodenteil erfolgt ohne zusätzliche Dicht- oder Klebemittel. Eine Beein­ flussung der biochemischen Reaktionen in den Kompartimenten durch derartige Mittel wird ausgeschlossen.

Die Adhäsionsverbindung zwischen dem Probenträger und dem Bo­ denteil und der Abdeckung ermöglicht die Planarität auch von großflächigeren Probenträgern mit charakteristischen Dimen­ sionen bis zu 118 mm . 82 mm. Über die gesamte Fläche des Bodenteils hinweg können Variationen der Probenkammerposi­ tionen in z-Richtung (senkrecht zur Probenträgerebene) auf Werte kleiner als 100 µm gehalten werden. Dies ist von beson­ derem Vorteil für mikroskopische Untersuchungen. Während der Vermessung eines Reaktionssubstrats ist es nicht erforder­ lich, die z-Position des Mikroskopobjektivs laufend nachzu­ justieren.

Die Stabilität des Reaktionssubstrats ist so hoch wie bei herkömmlichen Probenkammerstrukturen, wobei jedoch erfin­ dungsgemäß auf zusätzliche Kleb- oder Klemmittel verzichtet werden kann. Die Stabilität wird bei Aufbringung der Abdec­ kung noch wesentlich erhöht.

Das Reaktionssubstrat besitzt einen breiten Anwendungsbe­ reich, da je nach den Anforderungen ein passendes Bodenteil als Unterlage für den Probenträger verwendet werden kann. Das Bodenteil ist in Bezug auf Material und Dicke frei variier­ bar. Als transparentes Bodenteil dient vorzugsweise Glas be­ liebiger Stärke, z. B. mit Deckglasstärke, für den Einsatz in der Mikroskopie. Das Bodenteil kann aus UV-durchlässigem Quarzglas bestehen. Es besitzt hervorragende optische Eigen­ schaften und wird durch den Probenträger weder chemisch modi­ fiziert noch physikalisch belastet.

Das erfindungsgemäße Abdruckwerkzeug besitzt den Vorteil ei­ nes einfachen, modularen Aufbaus. Das Werkzeug kann durch Wechsel der Maske oder Abdruckform einfach an die jeweils ge­ wünschten Anforderungen angepaßt werden. Es ist gleichermaßen für Anwendungen im Laborbereich oder in der Massenproduktion geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebi­ ge Strukturen ohne besonderen Aufwand hergestellt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber den herkömmlichen Techniken zur Strukturierung von Glas oder Halbleitern.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Reak­ tionssubstrats mit einem Probenträger gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Probenträgers,

Fig. 3, 4 und 5 Illustrationen eines erfindungsgemäßen Abdruck­ werkzeugs im zusammengesetzten bzw. auseinan­ dergenommenen Zustand,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Mikroprobenträger und auf eine herkömmliche Halbleiterstruktur,

Fig. 7 eine vergrößerte Ausschnittsansicht eines Mikroprobenträgers gemäß Fig. 6,

Fig. 8 eine Illustration von Einzelheiten der Kompar­ timentstrukturen bei einem Probenträger gemäß den Fig. 6 und 7,

Fig. 9 eine Draufsicht auf weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Probenträgers mit Mikrokanälen, und

Fig. 10 ein erfindungsgemäßer Probenträger in Form ei­ ner schichtförmigen Fluoreszenzküvette.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf einen mikro­ strukturierten Probenträger zur Handhabung biologischer Pro­ ben beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Anwendun­ gen beschränkt, bei denen mikroskopisch kleine Probenmengen in Mikrostrukturen manipuliert werden. Des weiteren ist die Erfindung nicht auf die illustrierten Formen von Probenkam­ mern beschränkt. Anwendungsabhängig können auch beliebige an­ dere Formen mit geraden oder gekrümmten Wänden der Probenkam­ mern realisiert werden.

Fig. 1 illustriert in schematischer Perspektivansicht ein Reaktionssubstrat mit einem Probenträger gemäß der Erfindung. Auf dem Probenträger sind verschiedene Kompartimentstrukturen und Zusatzeinrichtungen gezeigt, die anwendungsabhängig ein­ zeln oder simultan vorgesehen sein können. Das Reaktionssub­ strat 100 umfaßt das Bodenteil 10 und den Probenträger 20. Das Bodenteil 10 ist beispielsweise eine ebene Glasplatte mit einer Dicke entsprechend der Stärke von Deckgläsern zum Ein­ satz in der Mikroskopie (rund 150 µm) und einer Fläche von rund 120 mm . 70 mm. Das Bodenteil 10 kann auch durch einen beliebigen anderen Körper mit einer glatten, ebenen oder ge­ krümmten Oberfläche gebildet werden.

Der Probenträger 20 umfaßt eine Kompartimentschicht 21 (Mat­ te) mit Kompartimentstrukturen 30. Die Kompartimentschicht 21 besteht vorzugsweise aus Silikonkautschuk und besitzt eine Dicke von rund 0,5 mm bis 4 mm. An einer oder mehreren Seiten der Matte können eine Lasche 22 zum Abziehen des Probenträ­ gers 20 vom Bodenteil 10 und/oder Justiermarkierungen 23 zum Positionieren des Probenträgers 20 relativ zu einer Meß- oder Probenbeschickungseinrichtung vorgesehen sein. Die Justier­ markierungen 23 sind beispielsweise punkt- oder kreuzförmige Ausnehmungen in der Oberfläche des Probenträgers 20, die ge­ gebenenfalls mit einer zusätzlichen Markierungssubstanz (z. B. Fluoreszenzfarbstoff) versehen sind. Die Justiermarkierungen besitzen charakteristische Dimensionen, die erheblich gerin­ ger als die Dimensionen der Kompartimentstrukturen 30 sein können.

Die Kompartimentstrukturen 30 umfassen im einzelnen geschlos­ sene Probenreservoire 31 in Form durchgehender Löcher 31a oder in der Oberfläche des Probenträgers abgesenkter Vertie­ fungen 31b (Durchmesser z. B. rd. 200 µm bis 1,5 mm) oder in der Schichtebene des Probenträgers verlaufende gerade, ge­ krümmte oder sich verzweigende Kanäle 32. Das Bezugszeichen 33 verweist auf sogenannte Vorratstöpfe, die wie die Proben­ reservoire 31 zur Probenaufnahme und -abgabe, allerdings mit größeren Volumina, ausgelegt sind.

Die Manipulations- und Untersuchungseinrichtungen 40 umfassen beispielsweise eine Fluidleitung in Form mindestens einer Kapillare 41, mindestens einer Elektrode 42 und/oder minde­ stens eines Sensors 43, die in der Schichtebene des Proben­ trägers 20, an den Wänden der Kompartimentstrukturen 30 oder in den Kompartimentstrukturen 30 angeordnet sind. Die Kapil­ lare 41 kann beispielsweise mit einem Proben- oder Reagenzi­ enzufuhrsystem (nicht dargestellt) verbunden sein. Sie wird während der Herstellung des Probenträgers 20 (siehe unten) in diesen eingebettet oder nachträglich in den Probenträger 20 eingestochen. Die Elektroden sind so aufgebaut, wie es an sich aus der Mikrosystemtechnik von Mikroelektroden für elek­ troosmotische Pumpvorgänge, Manipulationen an Partikeln unter Ausnutzung negativer Dielektrophorese oder Partikelbearbei­ tungen, wie z. B. Elektroporation an biologischen Zellen, be­ kannt ist. Die Elektroden bzw. ihre Zuleitungen werden vor­ zugsweise während der Herstellung des Probenträgers 20 in diesen eingebettet bzw. auf dessen inneren Oberflächen (Wände der Kompartimente) angeordnet.

Fig. 1 zeigt ferner die Abdeckung 50. Die Abdeckung 50 ist kein zwingendes Merkmal des erfindungsgemäßen Reaktionssub­ strats. Sie ist anwendungsabhängig vorgesehen und besteht wie das Bodenteil 10 aus einer festen Platte (z. B. aus Glas) oder aus einer flexiblen Abdeckfolie. Es kann vorgesehen sein, daß die Abdeckung 50 Öffnungen 51 entsprechend den Positionen der Kompartimentstrukturen 30 aufweist. Die Öffnungen 51 dienen der Beschickung von Probenreservoiren 31 oder Vorratstöpfen 33 oder dem Probeneintrag in die Kanäle 32. Sie können mit einer zusätzlichen (nicht dargestellten) Folie als Verdun­ stungsschutz verschlossen sein.

Eine für praktische Anwendungen in der Biochemie interessie­ rende Ausführungsform einer Kompartimentschicht 21 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Kompartimentschicht 21 ist eine flexible Matte aus Silikonkautschuk (z. B. Elastosil M4600 A + B, Hersteller Wacker, Deutschland). Sie besitzt eine Fläche von 118 mm . 82 mm und eine Dicke von 4 mm. Die Probenreser­ voire 31 (teilweise dargestellt) sind matrixartig in geraden Reihen und Spalten im Format 48 . 32 angeordnet und besitzen jeweils einen Mittelpunktabstand von 2,25 mm. Dies entspricht dem Standardformat für Mikrotiterplatten mit 1536 Wells. Der Durchmesser jedes Probenreservoirs 31 beträgt 1,5 mm. Das Be­ zugszeichen 23 verweist auf eine Justiermarkierung, die bei dieser Ausführungsform ebenfalls durch eine Ausnehmung wie die Probenreservoire gebildet wird und eine Referenzprobe aufnehmen kann.

Der in Fig. 2 illustrierte Probenträger 20 wird mit einem Bo­ denteil (nicht dargestellt) verbunden, das vorzugsweise die gleichen Flächenmaße wie die Kompartimentschicht 21 besitzt. Das Bodenteil ist vorzugsweise ein Deckglas mit einer Dicke von rund 150 µm.

Im folgenden wird unter Bezug auf die Fig. 3 bis 5 die Herstellung eines erfindungsgemäßen Probenträgers durch Gie­ ßen der Kompartimentschicht in einem Abdruckwerkzeug erläu­ tert. Die Figuren zeigen das Abdruckwerkzeug in perspektivi­ scher Phantomansicht bzw. auseinandergezogen in Perspektiv- bzw. Seitenansicht. Das Abdruckwerkzeug 200 besteht grund­ sätzlich aus einem geschlossenen Behältnis mit einem inneren Hohlraum entsprechend der äußeren Form der gewünschten Kom­ partimentschicht bzw. mit inneren Oberflächen, die Vorsprünge entsprechend den gewünschten Kompartimentstrukturen aufwei­ sen. Für einen möglichst universellen Einsatz ist das Behält­ nis modular aus einer Grundplatte 60, einer Zwischenplatte 70 und einer Gegenplatte 80 aufgebaut, die flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden können.

Die Grundplatte 60 trägt auf ihrer zum Inneren des Abdruck­ werkzeugs 200 weisenden Seite Vorsprünge zur Strukturbildung in der Kompartimentschicht. Abgesehen von den Vorsprüngen ist die Oberfläche dieser inneren Seite gleichförmig und glatt ausgebildet. Beim dargestellten Beispiel umfassen die Vor­ sprünge matrixartig angeordnete Stifte 61 (teilweise darge­ stellt) mit einem Durchmesser entsprechend dem gewünschten Durchmesser der Probenreservoire 31 (siehe Fig. 2). Die Stif­ te 61 sind in entsprechende Ausnehmungen auf der Innenseite der Grundplatte 60 eingesteckt. Die Grundplatte und die Stif­ te bestehen vorzugsweise aus Metall (z. B. Edelstahl oder Alu­ minium). Für die Vorsprünge zur Strukturbildung können aber auch andere Materialien wie z. B. Silizium oder Glas verwendet werden. Diese Materialien lassen sich mit an sich bekannten, speziellen Ausformungstechniken (z. B. LIGA-Verfahren oder Ätzen) hochpräzise bis in den Sub-Mikrometer-Bereich bearbei­ ten, wobei die entstehenden Vorsprünge Höhen von bis zu 1 mm aufweisen können. Zur Halterung der Vorsprünge (Metallstifte oder andere Strukturen) kann die Grundplatte 60 einen geson­ derten Maskeneinsatz aufweisen. Fig. 4 zeigt auch den Metall­ stift 61a, der zur Bildung der Justiermarkierung 23 (siehe Fig. 2) vorgesehen ist.

Die Zwischenplatte 70 ist ein Abstandhalter, der die Dicke der Kompartimentschicht (Silikonmatte) bestimmt und dessen Innenmaße, die Außenmaße der Kompartimentschicht festlegen. Die Zwischenplatte 70 ist mit einer Einfüllöffnung 71, die mit dem Einfüllstutzen 90 (siehe unten) zusammenwirkt, und Austrittsöffnungen 72 ausgestattet. Die Austrittsöffnungen 72 dienen dem Austritt von verdrängter Luft bzw. überschüssigem Schichtmaterial aus dem Abdruckwerkzeug 200. Die Zwischen­ platte 70 ist kein zwingendes Merkmal eines erfindungsgemäßen Abdruckwerkzeugs. Die Funktion des Abstandhalters kann alter­ nativ auch durch entsprechende Strukturen (umlaufende Stufen) an der Grundplatte und/oder der Gegenplatte erfüllt werden.

Die Gegenplatte 80 stellt den Abschluß des Abdruckwerkzeugs 200 gegenüber zur Grundplatte 60 dar. Sie ist ebenfalls eine Metallplatte. Zur Innenseite des Abdruckwerkzeugs 200 hinwei­ send ist in der Gegenplatte 80 ein Rahmen 81 mit einem Kunst­ stoffeinsatz 82 angeordnet. Der Kunststoffeinsatz 82 ist eine Schicht aus elastisch verformbarem Kunststoff mit einer Dicke von rd. 10 mm. Er besteht vorzugsweise aus PTFE. Der Kunst­ stoffeinsatz 82 besitzt Ausnehmungen 83, die zu den Vorsprün­ gen auf der Grundplatte 60 komplementär sind. Im dargestell­ ten Beispiel sind im Kunststoffeinsatz 82 1536 Bohrungen (teilweise dargestellt) zum Aufnehmen der Metallstifte 61 im zusammengesetzten Zustand des Abdruckwerkzeugs 200 vorgese­ hen. Die Einbringung der komplementären Ausnehmungen ist nicht zwingend erforderlich. Wenn die Vorsprünge auf der Grundplatte 60 genügend stabil oder der Kunststoffeinsatz 82 genügend leicht deformierbar ist, damit im zusammengesetzten Zustand des Abdruckwerkzeugs 200 die Vorsprünge nicht beschä­ digt werden, so kann auf gesonderte Ausnehmungen im Kunst­ stoffeinsatz 82 verzichtet werden.

Das Bezugszeichen 20 verweist auf den fertigen Probenträger (gemäß Fig. 2), der mit einem Abdruckwerkzeug 200 gemäß den Fig. 3 bis 5 hergestellt wird.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Ausnehmungen 83 im Kunststoffeinsatz 82 durch diesen vollständig durchgebohrt sind und sich auch in entsprechenden Ausnehmungen 84 in der Gegenplatte 80 fortsetzen. Diese Öffnungen dienen dem Aus­ tritt von verdrängter Luft bzw. überschüssigem Schicht­ material.

Der Einfüllstutzen 90 ist außen am zusammengesetzten Abdruck­ werkzeug 200 an der Einfüllöffnung 71 befestigt. Er dient dem Einbringen der gelösten flüssigen Polymermasse in die zusam­ mengesetzte Werkzeugform.

Das Abdruckwerkzeug 200 wird mit Halterungsstiften 62, 63, 64, 65 zusammengehalten, die durch entsprechende Bohrungen an den Ecken der Grund-, Zwischen- und Gegenplatten führen. Zur Fixierung der Teile ist eine Schraubverbindung (im einzelnen nicht dargestellt) vorgesehen. Alternativ können auch äußere Klemmeinrichtungen oder ein gesonderter Rahmen zum Zusammen­ halten der Platten vorgesehen sein.

Das Abdruckwerkzeug 200 kann wie folgt modifiziert sein. Im Innern der Zwischenplatte 70 kann zusätzlich ein Metallrahmen angebracht sein, der die gewünschten Außenmaße der Komparti­ mentschicht besitzt und mit dieser auch beim späteren Einsatz verbunden bleibt. Die Stifte 61 können an ihren Enden zur Er­ leichterung in die Einführung in die entsprechenden Ausneh­ mungen in der Grund- bzw. Gegenplatte abgerundet sein. Zur Integration der unter Bezug auf Fig. 1 genannten Manipula­ tions- und Untersuchungseinrichtungen in den Probenträger 20 kann vorgesehen sein, die Zwischenplatte 70 entsprechend mit Halterungen für diese zusätzlichen Einrichtungen zu versehen. Diese Halterungen umfassen beispielsweise Durchtrittsöffnun­ gen im durch die Zwischenplatte 70 gebildeten Rahmen vom In­ neren des Abdruckwerkzeugs 200 nach außen, die jeweils mit Fixierungen (z. B. Klemmen) für die jeweiligen zusätzlichen Einrichtungen ausgestattet sind. Schließlich ist es nicht zwingend erforderlich, daß sämtliche Strukturen der gewünsch­ ten Kompartimentschicht tatsächlich als Vorsprünge auf der Grundplatte 60 ausgebildet sind. Der fertige Probenträger kann ohne weiteres noch mit zusätzlichen Strukturen versehen werden (z. B. Einbohren der Vorratstöpfe 33).

Zur Herstellung des Probenträgers wird zunächst das Abdruck­ werkzeug 200 zusammengesetzt. Die Stifte 61 werden in die Grundplatte 60 gesteckt. Die Grund-, Zwischen- und Gegenplat­ ten werden zusammengesetzt, so daß die Stifte 61 in die Aus­ nehmungen 83 im Kunststoffeinsatz 82 ragen. Auf diese Weise entsteht ein nach allen Seiten im wesentlichen geschlossenes Behältnis, zwischen dessen seitlichen Platten (Grund- und Ge­ genplatten) sich die Stifte 61 erstrecken. Die Führungsstifte 62 bis 65 werden z. B. mit Flügelmuttern festgezogen. Das zu­ sammengesetzte Werkzeug wird mit vertikal ausgerichteten Platten aufrecht aufgestellt. Die Einfüllöffnung 71 weist nach oben.

Anschließend wird das Abdruckwerkzeug 200 durch die Einfüll­ öffnung 71 mit einer Lösung der jeweils gewünschten Polymer­ zusammensetzung gefüllt. Dies erfolgt vorzugsweise mit einer Spritze direkt in die Einfüllöffnung 71 oder unter Verwendung des Einfüllstutzens 90. Das Einfüllen erfolgt als langsames Einlaufen unter Vermeidung von Spritzern oder Wirbeln, damit das Innere des Abdruckwerkzeugs 200 möglichst gleichförmig gefüllt wird. Das Einfüllen erfolgt solange, bis die gelöste Polymerzusammensetzung aus den Austrittsöffnungen 72 heraus­ quillt. Diese werden dann beispielsweise mit einem Klebeband verschlossen. Nach dem Verschließen wird noch geringfügig weiteres Material nachgefüllt.

Anschließend erfolgt das Trocknen der Polymerzusammensetzung bei Raumtemperatur. Dies kann beispielsweise rd. 8 bis 12 Stunden dauern. Der Lösungsmittelentzug bzw. das Vernetzen der Polymerzusammensetzung kann durch eine Temperierung be­ schleunigt werden. Schließlich werden die Verbindungen der Platten über die Führungsstifte 62 bis 65 gelöst, die Platten voneinander getrennt und die elastische Kompartimentschicht von der Maske bzw. Abdruckform gezogen. Ein besonderer Vor­ teil des Einsatzes von Silikonkautschuk besteht hier darin, daß dieses Abziehen ohne Probleme und ohne Beschädigungen des Probenträgers erfolgen kann.

Es kann sich eine Abschlußbehandlung zum nachträglichen Ein­ bringen von Kompartimentstrukturen (z. B. Vorratstöpfe) oder zur Anpassung bzw. Ausrichtung der zusätzlichen Manipula­ tions- und Untersuchungseinrichtungen anschließen. Auch eine chemische Nachbehandlung der Oberfläche des Probenträgers ist möglich. Der fertige Probenträger wird dann auf ein Bodenteil aufgelegt und mit diesem durch einfaches manuelles Andrücken verbunden.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist am Beispiel eines Mikroprobenträgers für kleinste Flüssigkeitsmengen in den Fig. 6 bis 8 illustriert. Fig. 6 zeigt zunächst einen Größenvergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Probenträger 20 (linker Teil der Abbildung) und einem herkömmlichen Pro­ benträger 20', der aus Silizium hergestellt ist. Auf einer Grundfläche von rd. 10 mm . 15 mm trägt der Probenträger 20 eine Matrixanordnung aus insgesamt rd. 600 trichterförmig ge­ bildeten Kompartimenten (siehe unten). Jedes Kompartiment be­ sitzt eine charakteristische Querschnittsdimension von rd. 0,5 mm. Der herkömmliche Siliziumprobenträger 20' hingegen besitzt ein erheblich groberes Raster, das darüber hinaus mit aufwendigen Prozessierungstechniken hergestellt wurde.

Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Probenträgers 20. Diese Abbildung wurde mit einem inversen Mikroskop mit einer CCD-Kamera aufgenommen. Der Probenträger 20 trägt die in geraden Reihen und Spalten angeordneten Kompartimente 34. Diese besitzen eine sich von der Oberfläche des Probenträgers 20 in die Kompartimentschicht hinein verjüngende Quer­ schnittsform wie eine umgekehrte, abgeschnittene Pyramide. Am Boden besitzen die Kompartimente eine charakteristische Sei­ tenlänge, die ungefähr 1/3 der oberen Kantenlänge beträgt. Der jeweils hell gezeigte Boden wird durch das gemeinsame Bo­ denteil 10 (siehe Fig. 1) gebildet. Die Kompartimentschicht 21 des Probenträgers 20 wird von den Kompartimenten vollstän­ dig durchstoßen.

Ein Probenträger gemäß den Fig. 6 bis 8 wird mit einem ent­ sprechend angepaßten Abdruckwerkzeug analog zu dem unter Be­ zug auf die Fig. 3 bis 5 beschriebenen Verfahren herge­ stellt. Im Abdruckwerkzeug sind die Vorsprünge auf der Grund­ platte dann nicht durch eingesteckte Stifte, sondern pyrami­ denförmig durch mechanisches Fräsen gebildet. Nach Herstel­ lung der Kompartimentschicht 21 wird diese auf ein Glas- Bodenteil haftend aufgebracht. Dann werden die Kompartimente gefüllt und anschließend gegebenenfalls mit einem weiteren Glas als Abdeckung oder mit einer Folie verschlossen. Die mikroskopische Vermessung der Proben in den Kompartimenten erfolgt von der Seite des Bodenteils 10 her durch die unteren kleineren Öffnungen der Kompartimentschicht 21. Die Kanten­ länge der unteren Öffnungen beträgt jeweils rd. 150 µm.

Fig. 8 zeigt Einzelheiten der zwischen den Kompartimenten ge­ bildeten Stege. Wie auch aus Fig. 7 ersichtlich, ist die Kom­ partimentschicht so geformt, daß die Wände zwischen den Kom­ partimenten 34 in Reihenrichtung durchgehende Stege 35 und in Spaltenrichtung unterbrochene Stege 36 bilden. Zwischen den Enden der unterbrochenen Stege 36 und dem jeweils angrenzen­ den durchgehenden Steg 35 bildet sich ein Überlauf 37. Der Überlauf 37 erlaubt die Herstellung einer Flüssigkeitsverbin­ dung zwischen benachbarten Kompartimenten, ohne ein Übertre­ ten über die obere Oberfläche des Probenträgers 20. Die An­ ordnung der Überläufe kann anwendungsabhängig modifiziert sein.

In Fig. 9 sind verschiedene Gestaltungen von Kanalstrukturen in einem erfindungsgemäßen Probenträger vergrößert darge­ stellt. Die Kanäle 32 sind allgemein in der Schichtebene offene Probenkammern oder Kompartimentstrukturen, deren Aus­ dehnung in einer Richtung erheblich größer als in einer dazu senkrechten Richtung sind. Kanäle werden im Probenträger ge­ formt, indem zu dessen Herstellung eine Maskenform mit steg­ förmigen Vorsprüngen auf der Grundplatte des Abdruckwerkzeugs verwendet werden. Die Kanäle können beliebig gerade oder ge­ krümmt einzeln oder sich verzweigend oder miteinander verbun­ den verlaufen. Je nach Gestaltung des Probenträgers können sogar in sich geschlossene Kanäle gebildet werden, falls der Kanalboden selbst Teil des Probenträgers ist, die entspre­ chenden Kompartimentstrukturen also nicht vollständig durch die Kompartimentschicht hindurchgehen.

Fig. 9A zeigt eine Kanalstruktur mit mehreren Kanälen 32a bis 32c, die an einem Mischungskreuz 32d verbunden sind. An den Kanalenden befinden sich jeweils Vorratstöpfe 33a bis 33d. Das Bezugszeichen 32e weist auf eine Verengungsstelle. Die Verengungsstelle 32e kann strömungsmechanisch durch Barrieren (ausgewölbte Kanalwand) oder auch elektrisch durch elektri­ sche Feldbarrieren gebildet werden, beispielsweise um die Fluidströmung vor diesem Bereich zu verzögern und dort Mes­ sungen an suspendierten Partikeln in der Fluidströmung durch­ zuführen.

Eine Abwandlung ist in Fig. 9B gezeigt. Zwei Teilkanäle 32a, 32b verbinden sich in einem gemeinsamen Kanal 32c. Diese Struktur dient dem Vermischen von zwei Fluidströmen in einen einzigen Fluidstrom. Der Winkel α zwischen den Teilkanälen 32a, 32b ist anwendungsabhängig zur Erzielung eines gleich­ förmigen Strömens an dem Mischungspunkt 32d eingestellt. Eine weitere Abwandlung von Strukturen zum Vermischen der Fluid­ strömungen ist in Fig. 9C als Doppelkreuzanordnung mit mehre­ ren Teilkanälen illustriert, die in zwei Mischungspunkte 32d münden.

Die Mäanderform 32f gemäß Fig. 9D dient der Schaffung einer besonders langen Meß-Strecke. Zwischen den Vorratstöpfen 33a bis 33c einerseits und dem Vorratstopf 33d erstreckt sich ein langer, gewundener Kanal in einem Flächenbereich, der bei­ spielsweise ein Target zur Beleuchtung für Fluoreszenzmessun­ gen bildet.

Die erfindungsgemäßen Probenträger besitzen besondere Vortei­ le in bezug auf die Ausbildung der Kanalstrukturen. Zur Her­ stellung der Maske für das Abdruckwerkzeug können mit her­ kömmlichen feinmechanischen Werkzeugen (z. B. CNC-Maschinen) aus gebräuchlichem Werkstoff, vorzugsweise Aluminium oder an­ dere metallische Werkstoffe, beliebige Kanalverläufe vorbe­ reitet werden. Sie können insbesondere in bezug auf die Län­ ge, die relative Orientierung (Winkel), die Biegungen und Wendungen, Mischungsstrukturen und Teilkanäle anwendungsab­ hängig in vorbestimmter Weise gestaltet werden. Kanäle dieser Art lassen sich bis hinab zu Kanalbreiten von rd. 6 µm mit herkömmlichen feinmechanischen Werkzeugen präzise und repro­ duzierbar fertigen. In die Kanäle können Vorsprünge oder Kan­ ten eingearbeitet werden, die ein verbessertes Vermischen mehrerer Fluidströmungen bei der Zusammenführung mehrerer Ka­ näle ermöglichen. Die Kanäle können mit Elektroden zum Messen der Eigenschaften der Fluidströmungen oder zu deren Manipu­ lierung auf der Grundlage der Elektroosmose, mit Sensoren oder Temperierelementen und auch mit Sperr- oder Ventilele­ menten sowie Piezopumpen ausgestattet sein.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer makro­ skopischen Kompartimentstruktur ist in Fig. 10 in Drauf- und Schnittansicht illustriert.

Ein erfindungsgemäßer Probenträger 20 kann auch mit einem einzigen Kammerkompartiment 38 ausgestattet sein. Die Kompar­ timentschicht 21 ist lediglich ein Ring aus der jeweils ver­ wendeten Polymerzusammensetzung, z. B. Silikonkautschuk. Die­ ser Ring haftet zwischen einem Bodenteil 10 und einer Abdec­ kung 50, so daß eine geschlossene, schichtförmige Küvette z. B. für die Fluoreszenzspektroskopie gebildet wird. Wegen des flüssigkeitsdichten Anhaftens des Probenträgers 20 an den Glasmaterialien des Bodenteils 10 bzw. der Abdeckung 50 kann diese Küvette dauerhaft mit Lösungsmitteln oder Probelösungen beschickt und wie eine Festschichtprobe Fluoreszenzmessungen unterzogen werden.

Die erfindungsgemäßen Probenträger bzw. Reaktionssubstrate können allgemein in allen Gebieten der Biochemie, Biologie oder molekularen Biotechnologie angewendet werden, bei denen eine oder mehrere Proben in definierter Form gehaltert, mani­ puliert oder verändert werden sollen. Bevorzugte Anwendungen liegen in der Bearbeitung von Suspensionen mit bestimmten Partikelgemischen. Mit erfindungsgemäßen Reaktionssubstraten können beispielsweise Zellsortierer, Molekülsortierer oder anderweitige Zellmanipulatoren aufgebaut werden. Es sind sämtliche Anwendungen der fluidischen Mikrosystemtechnik implementierbar.

Claims (28)

1. Probenträger (20), der aus einer flexiblen Komparti­ mentschicht (21) aus einem Polymermaterial mit vorbestimmten Kompartimentstrukturen (30) zur Bildung von Probenkammern be­ steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial eine viskoelastische Polymerzusammenset­ zung ist, die in bezug auf Glas-, Kunststoff-, Metall- oder Halbleitersubstrate eine inhärente Haftfähigkeit besitzt.

2. Probenträger gemäß Anspruch 1, bei dem die Polymerzu­ sammensetzung durch klebstoff- und lösungsmittelfreie Natur- oder Synthesekautschuke gebildet wird.

3. Probenträger gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Poly­ merzusammensetzung aus Silikonkautschuk besteht.

4. Probenträger gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kompartimentstrukturen (30) Probenreservoire (31), Kanäle (32) und/oder Vorratstöpfe (33) umfassen.

5. Probenträger gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kompartimentstrukturen (30) Probenreservoire (31) umfassen, die matrixartig in geraden Reihen und Spalten ange­ ordnet sind.

6. Probenträger gemäß Anspruch 5, bei dem die Probenreser­ voire (31) mit einer Anordnung ausgerichtet sind, die der An­ ordnung von Probenvolumina einer Mikrotiterplatte entspricht.

7. Probenträger gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Kompartimentschicht (21) Manipulations- und Un­ tersuchungseinrichtungen (40) vorgesehen sind, die Fluidlei­ tungen (41), Elektroden (42) und/oder Sensoren (43) umfassen.

8. Probenträger gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, auf dessen Oberfläche mindestens eine Justiermarkierung (23) vorgesehen ist.

9. Reaktionssubstrat (100), das ein Bodenteil (10) und mindestens einen Probenträger (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 umfaßt.

10. Reaktionssubstrat gemäß Anspruch 9, bei dem der Pro­ benträger (20) klebstofffrei auf dem Bodenteil (10) haftet.

11. Reaktionssubstrat gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem der Probenträger (20) beschädigungsfrei vom Bodenteil (10) trennbar ist, ohne dabei seine Form oder Funktion zu verlie­ ren.

12. Reaktionssubstrat gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der Probenträger (20) auf der zum Bodenteil (10) ent­ gegengesetzten Seite eine Abdeckung (50) trägt.

13. Reaktionssubstrat gemäß Anspruch 12, bei dem die Ab­ deckung (50) Durchtrittsöffnungen (51) zur Beschickung der Kompartimentstrukturen (30) mit flüssigen Proben oder zur Ent­ nahme solcher Proben aufweist.

14. Reaktionssubstrat gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Bodenteil (10) eine ebene Glasplatte ist.

15. Reaktionssubstrat gemäß Anspruch 14, bei dem die Glasplatte die Dicke eines Deckglases besitzt, das in der Mi­ kroskopie eingesetzt wird.

16. Reaktionssubstrat gemäß Anspruch 15, bei der die Dicke des Deckglases rd. 150 µm beträgt.

17. Reaktionssubstrat gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem mehrere Bodenteile bzw. Probenträger abwechselnd in Form eines Stapels angeordnet sind.

18. Reaktionssubstrat gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem mehrere Probenträger übereinander in Form eines Sta­ pels angeordnet sind, wobei die Kompartimentstrukturen in dem Probenträger so zusammenwirken, daß ein 3-dimensionales fluidisches Mikrosystem gebildet wird.

19. Verfahren zur Herstellung eines Probenträgers (20) oder eines Reaktionssubstrats (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, mit den Schritten:

• - Bereitstellen einer flüssigen Lösung der Polymerzusammen­ setzung,
• - Einfüllen der Lösung der Polymerzusammensetzung in ein Ab­ druckwerkzeug (200) in Form eines Behältnis, dessen Innen­ raum der äußeren Gestalt des Probenträgers entspricht,
• - Vernetzen der Lösung der Polymerzusammensetzung, und
• - Abtrennen des Probenträgers aus dem Abdruckwerkzeug (200).

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die Lösung der Polymerzusammensetzung druckfrei in das Abdruckwerkzeug (200) eingefüllt wird.

21. Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem am ferti­ gen Probenträger (20) mit Stanz- oder Fräseinrichtungen zu­ sätzliche Strukturen eingefügt werden.

22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem der Probenträger (20) auf ein festes Bodenteil (10) aufgelegt und manuell angedrückt wird.

23. Abdruckwerkzeug (200) zur Herstellung eines Probenträ­ gers (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Grund­ platte (60) und einer Gegenplatte (80), die flüssigkeitsdicht zusammengefügt einen Hohlraum bilden, auf dessen innerer Ober­ fläche Vorsprünge komplementär zu den vorbestimmten Komparti­ mentstrukturen (30) ausgebildet sind.

24. Abdruckwerkzeug gemäß Anspruch 23, bei dem zwischen der Grundplatte (60) und der Gegenplatte (80) mit einer Zwi­ schenplatte (70) ein Abstand zur Bildung des Hohlraums gebil­ det wird.

25. Abdruckwerkzeug gemäß Anspruch 23 oder 24, bei dem die Grund-, Zwischen- und Gegenplatten (60, 70, 80) lösbar miteinan­ der verbunden sind.

26. Abdruckwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem die Gegenplatte (80) einen Kunststoffeinsatz (82) zur Aufnahme der Vorsprünge zur Bildung der Kompartimentstrukturen (30) aufweist.

27. Abdruckwerkzeug gemäß einem der Ansprüche 23 bis 26, bei dem die Vorsprünge durch eine Vielzahl von matrixartig in geraden Reihen und Spalten angeordneten Stiften (61) gebildet werden.

28. Verwendung eines Probenträgers oder eines Reaktions­ substrats gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18:

• - zum Aufbau eines fluidischen Mikrosystems zur Manipulie­ rung von Suspensionen synthetischer und/oder biologischer Teilchen,
• - als Mikroprobenaufnahme für eine Vielzahl kleinster Lösungsvolumina im nl- bis µl-Bereich,
• - als Probenaufnahme für konfokalmikroskopische Untersuchun­ gen, und
• - zum Aufbau einer Fluoreszenzküvette in Schichtform.