DE60203507T2

DE60203507T2 - Mehrkanalfluidspender

Info

Publication number: DE60203507T2
Application number: DE60203507T
Authority: DE
Inventors: Marc Boillat; Bart Van Der Schoot; Andreas Kuoni; Roeland Papen; Nico De Rooij
Original assignee: Seyonic SA
Current assignee: Seyonic SA
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: US6904945B2; US20040238064A1; EP1401581B1; WO2003004163A1; DE60203507D1; EP1401581A1; CA2452184A1; ATE291965T1; EP1273346A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von miniaturisierten, aus Proben von biologischen Substanzen (Oligonukleotide, DNS, ...) bestehenden Matrizen hoher Packungsdichte, oft <<Biochips>> genannt, im Hinblick auf deren Behandlung.
Solche Mikromatrizen sind besonders nützliche Werkzeuge auf dem Gebiet der Molekularbiologie, wie dies insbesondere durch die Publikationen "High-density oligonucleotides arrays" (A. P. Blanchard et Al. – Biosensors & Biolectronics, Vol. 11, N° 6/7, pp. 686–690, 1996) und "Array of hope" (E. S. Lander-Nature Genetics Supplement, Vol. 21, January 1999) belegt wird.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Mehrkanal-Flüssigkeitsgeber, der es gestattet, Flüssigkeit aus einer Mehrzahl von Kavitäten zu entnehmen, die auf einer Speicherplatte angeordnet sind, und sodann eine Matrix aus Mikrotröpfchen in solcher Weise auf eine Empfangsplatte abzusetzen, dass ein "Biochip" entsteht.
Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsgeber umfasst typisch:

– eine Mehrzahl von flexiblen, in einem konvergierenden Bündel angeordneten Kanälen, deren ersten Enden zum Eintauchen in die Kavitäten der Speicherplatte bestimmt, respektive deren zweiten Enden zu einer Mikromatrix zusammengefasst sind;
– Mittel zum Auffüllen der Kanäle, von deren ersten Enden aus, mit der in den Kavitäten enthaltenen Flüssigkeit, und
– Mittel zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens aus dem zweiten Ende jedes Kanals in Richtung der Empfangsplatte.

Eine Vorrichtung dieses Typs ist im Dokument WO 98/29736 beschrieben. Die Kanäle werden durch ein Bündel von Kapillarfäden gebildet, die auf einem Druckkopf zusammengeführt sind und gemeinsam gesteuert werden.
Die Dokumente US 4 058 146 und EP 0 955 084 schlagen ähnliche Lösungen vor, wobei jedoch der Flüssigkeitsausstoß durch einfachen Kontakt mit der Empfangsplatte erfolgt. Das gleiche gilt für die im Dokument US 4 621 665 beschriebene Vorrichtung, wobei in diesem Fall zwischen der Vorrats- und der Empfangsplatte kein Formatwechsel vorliegt.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Bereitstellung eines Flüssigkeitsgebers, der eine verbesserte Version der obgenannten Systeme des bisherigen Standes der Technik darstellt.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist der erfindungsgemäße Flüssigkeitsgeber dadurch gekennzeichnet, dass:

– die Kanäle in einer Mehrzahl von flexiblen Platten so ausgebildet sind, dass sie von ihren ersten Enden zu ihren zweiten Enden hin konvergieren;
– diese Platten durch ihren, die zweiten Kanalenden umfassenden Teil miteinander verbunden sind;
– jede Platte aus zwei zusammengeschweißten Polymerfolien gebildet wird und mindestens eine davon mit einem System von konvergent verlaufenden, die Kanäle bildenden Rinnen versehen ist;
– jeder Kanal nahe bei seinem zweiten Ende eine erste Verengung, und an diesem Ende selbst eine zweite Verengung aufweist; und
– die besagten Ausstoßmittel einen zwischen den beiden Kanalverengungen auf einer Außenwand des Kanals angeordneten piezoelektrischen Aktuator umfassen, der die Aufgabe hat, die Außenwand an dieser Stelle zu verformen, um den Kanalquerschnitt zu verringern.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung noch die folgenden Haupteigenschaften auf.

– Die Speicherplatte wird durch einen von den Kanälen durchstoßenen Deckel auf dichte Weise verschlossen, und die Auffüllmittel sind so gestaltet, dass sie einen Überdruck im Zwischenraum zwischen dem Deckel und den Kavitäten aufbauen.
– Die Auffüllmittel umfassen einen den Deckel und die Speicherplatte an deren Umfang verbindenden Balg.
– Die Ausstoßmittel umfassen einen zweiten, mit dem ersten identischen und diesem gegenüber auf der anderen Außenwand des Kanals angeordneten piezoelektrischen Aktuator.
– Der piezoelektrische Aktuator wird aus einem Stapel gebildet, der, ausgehend von der Außenwand des Kanals, eine untere Metallelektrode, eine Isolierschicht, eine Schicht piezoelektrischen Materials, eine weitere Isolierschicht und eine obere Metallelektrode umfasst.
– Die Ausstoßmittel sind so gestaltet, dass sie auf jeden Kanal individuell einwirken können.

Weitere Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu den beigefügten Zeichnungen hervor, auf welchen:
die 1 und 2 die Ansicht von vorne, respektive die Draufsicht eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsgebers,
die 3 eine Vorrats- und eine Empfangsplatte, Seite an Seite und unter Wahrung des gegenseitigen Größenverhältnisses,
die 4 die Ansicht im Schnitt eines Kanals, und
die 5 die Ansicht im Schnitt des Schichtaufbaus des jedem Kanal zugeordneten Aktuators darstellen.
Die 1 und 2 stellen unter 10 eine aus Glas oder starrem Kunststoff bestehende Speicherplatte dar, die mit einer Mehrzahl von matrixförmig angeordneten Kavitäten 12 versehen ist, in denen jeweils eine biologische Flüssigkeit 14 eingelagert ist, von welcher Proben in Form vom Mikrotröpfchen auf eine miniaturisierte, ebenfalls aus Glas oder Plastik bestehende Empfangsplatte 16 abgesetzt werden müssen.
Was in den 1 und 2 aus offensichtlichen Gründen nicht ersichtlich ist, fällt bei der Betrachtung der 3 sofort auf, nämlich dass die beiden Platten sehr unterschiedliche Abmessungen haben. Die Speicherplatte 10 hat typisch eine Fläche von ca. 100 cm² (12,5 × 8,5 cm) und weist 384 matrixförmig in 16 Spalten und 24 Reihen angeordnete Kavitäten 12 mit je einem Volumen von ca. 100 μl auf, deren Abstand zueinander von Zentrum zu Zentrum ca. 4,5 mm beträgt. Im Gegensatz dazu hat die Empfangsplatte keine Kavitäten, und eine Fläche von nur ca. 1 cm² (1,2 × 0,8 cm).
Um aus den Kavitäten Flüssigkeit zu entnehmen und diese als Matrix von Mikrotröpfchen auf die Empfangsplatte 16 zu spritzen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Mehrzahl von aneinandergefügten flexiblen Übertragungsplatten 18. Diese Platten sind z.B. aus Polyimid gefertigt und haben eine Dicke in der Größenordnung von 50 bis 150 μm.
Jede Platte 18 umfasst einen unteren Teil in Form eines gleichschenkligen, eine Fluidik-Schnittstelle bildenden Trapezes 20, dessen große Basis ziemlich genau die gleiche Länge wie die Breite I₁ der Speicherplatte 10 hat und mit soviel Zinnen 22 versehen ist, wie die Speicherplatte Spalten von Kavitäten 12 aufweist, nämlich 16 im beschriebenen Beispiel.
Die Zinnen 22 sind so bemessen, dass sie in die Kavitäten 12 eindringen können.
Die trapezförmige Fluidik-Schnittstelle 20 wird, von ihrer kleinen Basis aus, durch einen rechteckigen Teil 24 verlängert, dessen Länge ziemlich genau der Breite I₂ der Empfangsplatte 16 entspricht.
Jede flexible Platte 18 ist mit einer strahlenförmig angeordneten Gruppe von Kanälen 26 versehen, die, von jeder der Zinnen 22 ausgehend, parallel zueinander in den oberen Teil 24 einmünden. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel liegen dann die Kanäle 26 typisch, von Zentrum zu Zentrum, um 0,5 mm auseinander.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst soviele identische Platten 18 wie die Speicherplatte 10 an Reihen zählt, nämlich 24 im beschriebenen Beispiel, wobei die Zinnen 22 jeder Platte dazu bestimmt sind, in einer der Spalten der Platten Platz zu nehmen.
Die flexiblen Platten 18 sind in ihrem Oberteil parallel zueinander in einem Rahmen 28 zusammengefasst, um einen Druckkopf zu bilden, dessen Länge ziemlich genau der Länge L₂ der Empfangsplatte 16 entspricht und dessen Breite, wie bereits erwähnt, ziemlich genau deren Breite I₂ entspricht.
Die Platten könnten selbstverständlich auch eine Basis mit einer der Länge L₁ der Speicherplatte entsprechenden Länge haben.
Wie in den 1 und 2 ersichtlich, wird die Speicherplatte 10 auf dichte Weise von einem Deckel 30 verschlossen, der von den Platten 18 auf ebenfalls dichte Weise durchstoßen wird. Die Abdichtung am Umfang wird durch einen Balg 32 gewährleistet, dessen Aufgabe an weiterer Stelle dargelegt wird.
Es wird nunmehr auf die 4 verwiesen, die in einem größeren Maßstab die Herstellungsweise der flexiblen Platten 18 und derer Kanäle 26 aufzeigt. Dabei ist ersichtlich, dass diese Platten durch zwei dünne Plastikfolien 34 und 36 gebildet werden, deren eine, in der Abbildung obere Platte 34, vorangehend durch irgendein dem Fachmann wohlbekanntes Verfahren graviert wurde, um die Kontur der Kanäle 26 einzuzeichnen, worauf die beiden Platten durch ein dem Fachmann ebenfalls wohlbekanntes Laminierverfahren zusammengefügt werden.
Die Folien 34 und 36 haben typisch eine Dicke von 25 bis 50 μm, und das Gesamtvolumen eines Kanals beträgt typisch ca. 0,5 bis 3 μl.
In ihrem rechteckigen Teil 24 umfassen die Platten 18 einen auf ihrer oberen Folie 34 gegenüber jedem Kanal 26 befestigten piezoelektrischen Aktuator 38, der die Aufgabe hat, die Folie an dieser Stelle zu verformen, um den Kanalquerschnitt zu verringern.
Oberhalb des Aktuators 38 mündet der Kanal 26 durch eine Verengung in Form einer Düse 40 aus der Platte aus, während er unterhalb des Aktuators eine Verengung 42 aufweist. Im beschriebenen Beispiel haben die Düse 40 und die Verengung 42 die gleiche Tiefe von 10 bis 40 μm und die gleiche Breite von 40 bis 90 μm. Die Abmessungen der Verengung können sogar kleiner als die der Düse sein.
Die 5 zeigt, dass der Aktuator 38 durch einen Stapel gebildet wird, der, ausgehend von der Folie 34, eine untere Metallelektrode 44, eine Isolierschicht 46, eine Schicht piezoelektrischen Materials 48, eine weitere Isolierschicht 50 und eine obere Metallelektrode 52 umfasst. Die beiden Elektroden sind mit elektrischen Leitern 54 verbunden, über die der Aktuator steuerbar ist.
Die Elektroden 44 und 52 werden aufgedampft, während die Isolierschichten 46 und 50 im Plasmaverfahren aufgetragen, bzw. die piezoelektrische Schicht 48 mithilfe eines Magnetrons aufgedampft wird.
Wie in der 1 dargestellt, werden die elektrischen Leiter zur Speisung der verschiedenen Aktuatoren 38 auf einen Steuerkreis 56 geführt, der die Ansteuerung der Aktuatoren unter der Befehlsgewalt eines Rechners gewährleistet.
Im Betrieb wird die von den zusammengebauten Übertragungsplatten 18 gebildete Einheit über der Speicherplatte 10 platziert, deren Kavitäten 12 die auf die Empfangsplatte 16 zu übertragenden Flüssigkeiten 14 enthalten. Die Ausrichtung erfolgt solchermaßen, dass jede der Zinnen 22 der Übertragungsplatten 18 nach deren Durchstoßen des Deckels 30 sich senkrecht über einer der Kavitäten 12 befindet. Beim Eintauchen der Zinnen der Platten in die Flüssigkeit, wird diese durch Kapillarwirkung in die verschiedenen Kanäle 26 aufgesogen.
Hierauf muss auf den Deckel 30 gedrückt werden, um den Balg 32 zu komprimieren und dadurch im Hohlraum einen Überdruck von einigen Millibar zu erzeugen, wobei der entsprechende Wert auf einem Manometer 60 abgelesen wird. Infolge dieses Überdrucks steigt die Flüssigkeit in den Kanälen 26 weiter an, durchläuft die Verengungen 42 und wird auf Höhe der Düsen 40 unter der Wirkung der Oberflächenspannung angehalten.
Zum Ausstoßen der Flüssigkeit in Richtung der Empfangsplatte 16 genügt es sodann, dem Rechner 58 den Befehl zu erteilen, an die Anschlüsse der Elektroden 44 und 52 jedes Aktuators 38 einen Stromimpuls abzugeben, der eine Querschnittsverengung des entsprechenden Kanals 26 bewirkt. Ein durch die Verengung 42 am Zurückfließen gehinderter Teil der im Kanal enthaltenen Flüssigkeit wird dadurch von der Düse 40 ausgestoßen und an einer wohl bestimmten Stelle auf die Empfangsplatte 16 gespritzt.
Die Empfangsplatte 16 kann somit eine, durch die gleiche Anzahl Reihen und Spalten wie die Speicherplatte gebildete, matrixförmige Auftragung von Mikrotröpfchen erhalten, jedoch, wie bereits erwähnt, in einem stark verkleinerten Maßstab.
Im beschriebenen Beispiel können die Mikrotröpfchen typisch ein Volumen von 20 pL bis 1 nL haben.
Da die Platten 18 ein weit größeres Flüssigkeitsvolumen als die ausgestoßenen Mikrotröpfchen enthalten, können in der Folge mehrere Empfangsplatten 16 nacheinander eingesetzt werden.
In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante könnten die Kanäle 26 der Wirkung von 2 identischen, in Gegenüberstellung an der Außenseite jeder der die flexiblen Platten bildenden Folien angeordneten Aktuatoren 38 ausgesetzt sein. Eine solche Anordnung gestattet eine bessere Kontrolle der Ausstoßrichtung der Tröpfchen.
Die vorliegende Beschreibung wurde mit Bezugnahme auf eine flexible Platte verfasst, die durch zwei zusammengeschweißte Folien gebildet wird. Als Variante könnte die Platte durch drei Folien gebildet werden, deren mittlere kanalförmige Aussparungen aufweisen würde.
So wird ein Flüssigkeitsgeber verwirklicht, der die folgenden Hauptvorteile aufweist:

– Da der Druckkopf 24 und die Fluidik-Schnittstelle 20 in einem einzigen Teil, den Platten 18, vereint sind, ist der Kanal- bzw. der Flüssigkeitsverlauf vollkommen homogen und es verbleibt nur ein minimales totes Volumen.
– Da die Platten 18 flexibel sind, wird die Anpassung an Speicherplatten 10 und Empfangsplatten 16 verschiedener Abmessungen erleichtert.
– Da die flexiblen Platten 18 durch zwei Polymerfolien gebildet werden, die im Laminierverfahren zusammengeschweißt, und nicht zusammengeklebt werden, ist jegliche Kontamination der die Kanäle durchlaufenden Flüssigkeiten mit Klebstoff ausgeschlossen.
– Da jeder Kanal 26 individuell durch einen Impuls ansteuerbar ist, der das Ausstoßen eines einzigen Mikrotröpfchens bewirkt, kann die volumenmäßige Homogenität der Mikrotröpfchen gewährleistet werden.

Claims

Mehrkanal-Flüssigkeitsgeber, der die Entnahme von Flüssigkeit (14) aus einer Mehrzahl von auf einer Speicherplatte (10) angeordneten Kavitäten (12), beziehungsweise das Abspritzen der Flüssigkeit auf eine Vorratsplatte (16) gestattet, welche: – eine Mehrzahl von geschmeidigen, konvergent gebündelt angeordneten Kanälen (26), deren erste Enden zum Eintauchen in die besagten Kavitäten vorgesehen und deren zweite Enden zu einem miniaturisierten Netzwerk zusammengefasst sind, sowie – Mittel zum Auffüllen der besagten Kanäle, von deren ersten Enden aus, durch die in den Kanälen enthaltene Flüssigkeit, und – Mittel zum Ausstoßen eines Tropfens Flüssigkeit aus dem zweiten Ende jedes Kanals in Richtung der Vorratsplatte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass: – die besagten Kanäle (26) in einer Mehrzahl von geschmeidigen Platten (18) so ausgebildet sind, dass sie von ihren ersten Enden aus gegen ihre zweiten Enden hin konvergieren; – die besagten Platten (18) über ihren Teil (24), der die zweiten Enden der Kanäle umfasst, miteinander verbunden sind; – jede Platte aus zwei zusammen versiegelten Polymerfolien (34, 36) gebildet wird, wobei mindestens eine der Folien mit einem aus konvergierenden, die besagten Kanäle bildenden Nuten bestehenden Netzwerk versehen ist; – jeder Kanal (26) eine erste, nahe bei seinem zweiten Ende gelegene Verengung (42) sowie eine zweite am besagten Ende angeordnete Verengung (40) aufweist, und – die besagten Ausstoßmittel einen piezoelektrischen Aktuator (38) umfassen, der auf einer Außenwand des Kanals, zwischen dessen beiden Verengungen angeordnet ist und zur Aufgabe hat, die besagte Außenwand an dieser Stelle zu verformen, um die Weite des Kanals zu verringern.
Geber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratsplatte (10) auf dichte Weise durch einen Deckel (30) verschlossen ist, der von den Kanälen durchstoßen wird, und dass die Anordnung der besagten Auffüllmittel daraufhin ausgelegt ist, in dem zwischen dem Deckel und den Kavitäten vorhandenen Raum einen Überdruck aufzubauen.
Geber nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Auffüllmittel einen den Deckel (30) und dessen Platte (10) an ihrem gemeinsamen Umfang miteinander verbindenden Balg (32) umfassen.
Geber nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Ausstoßmittel einen zweiten, dem ersten identischen und auf der diesem gegenüber liegenden Außenwand des Kanals angeordneten piezoelektrischen Aktuator (38) umfassen.
Geber nach einem der Patentansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Aktuator aus einem Stapel besteht, der, ausgehend von der Außenwand des Kanals, aus einer unteren Metallelektrode (44), einer Isolierschicht (46), einer Pastille aus piezoelektrischem Material (48), einer weiteren Isolierschicht (50) und einer oberen Metallelektrode (52) besteht.
Geber nach einem der Patentansprüche 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Ausstoßmittel (38) so angeordnet sind, dass sie auf jeden Kanal individuell einzuwirken vermögen.