DE60313017T2

DE60313017T2 - Mikrobehälter für mikrokugeln und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE60313017T2
Application number: DE60313017T
Authority: DE
Inventors: Philippe Combette; Frederique Mittler; Patrice Caillat
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: FR2846957A1; EP1560785B1; FR2846957B1; EP1560785A2; DE60313017D1; US20060068450A1; WO2004046020A3; ATE358651T1; WO2004046020A2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrosystem, das zur Aufnahme von Kugeln mit einem definierten Durchmesser bestimmt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung sowie ein Verfahren zum Füllen eines derartigen Mikrosystems unter Erhalten eines Mikroreaktors.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zum Durchführen einer biochemischen oder biologischen Reaktion, bei der das mit Kugeln gefüllte Mikrosystem eingesetzt wird.
Das Gebiet der Erfindung kann als das miniaturisierter Systeme oder Mikrosysteme definiert werden, die im wesentlichen zur chemischen Analyse und Synthese verwendet werden.
Die Einbeziehung von Kugeln in Mikrosysteme wird im Rahmen der Analyse oder biochemischer Reaktionen vielfach angewendet: die Verwendung dieser vorfunktionalisierten Kugeln. deren Durchmesser zwischen etwa zehn Nanometer bis etwa hundert Nanometer beträgt, gestattet es, chemische Funktionen zu erhalten, ohne Schritte des Funktionalisierens der unterschiedlichen Komponenten eines Mikrosystems zu durchlaufen.
Diese Kugeln werden auch in chromatographischen Trennsystemen verwendet, wobei sie in Kapillaren mit unterschiedlichem Durchmesser gestapelt werden.
Mehrere andere Anwendungen zeigen die Verwendung von Kugeln in Mikrosystemen (dann unter dem Ausdruck Mikroreaktoren bekannte Vorrichtungen), insbesondere zur Vorkonzentration von Proteinen und für Reaktionen, die auf Antigen-Antigen-Erkennungen beruhen. Ihre Anwendungen können sich auch auf das Gebiet der Chemie erstrecken.
Stand der Technik
Beispiele von Mikrosystemen, die diese Kugeln verwenden, werden in den folgenden Dokumenten genauer beschrieben.
Im am Ende der vorliegenden Beschreibung zitierten Dokument [1] stellen die Autoren ein Mikrosystem vor, das für eine chromatographische Trennung bestimmt ist: zwei Sperren begrenzen einen Hohlraum und gestatten die Aufnahme von Kugeln, die auf ihrer Oberfläche eine hydrophobe Phase des Octadecylsilantyps aufweisen. Die Kugeln werden durch Elektroosmose in den Hohlraum eingebracht.
Ein Unterschied in den Abmessungen zwischen der Tiefe des Hohlraums und der Höhe der Sperren bewirkt, daß Kugeln mit einem Durchmesser oberhalb dieses Werts blockiert werden. Sobald bei dieser Vorrichtung die Kugeln in den Hohlraum eingebracht worden sind, können sie theoretisch durch Anwenden einer Strömung, die umgekehrt zu der bei ihrem Einbringen angewendeten ist, entweder durch Elektroosmose oder durch eine herkömmliche Pumpe wieder daraus entnommen werden. Das Entnehmen der Kugeln nach dem Gebrauch aus dem Hohlraum ist jedoch kompliziert. Weiterhin zeigen unterschiedliche Bilder des Hohlraums während des Füllens Bereiche, die Heterogenitäten aufweisen, obschon die Füllung homogen ist.
In dem am Ende der vorliegenden Beschreibung zitierten Dokument [2] verwenden die Autoren eine quasi identische Vorrichtung zum Durchführen einer enzymatischen Reaktion, gefolgt von der Analyse der aus dieser Reaktion entstehenden Produkte. Dieses Mal werden Kugeln mit einem Durchmesser zwischen 40 und 60 Mikrometer mit Hilfe einer herkömmlichen Pumpe in einen Hohlraum eingebracht. In diesem Fall ruft das Stapeln der Kugeln innerhalb des Hohlraums in Anbetracht ihrer unterschiedlichen Durchmesser Heterogenitäten hervor.
In dem am Ende der vorliegenden Beschreibung zitierten Dokument [3] stellen die Autoren ein weiteres System vor, das das Blockieren von Mikrokugeln gestattet. Eine Reaktionskammer setzt sich aus Stäben zusammen, die beim Herstellen der Vorrichtung hergestellt werden, wobei der Abstand zwischen ihnen kleiner als der Durchmesser der zu blockierenden Kugeln ist. Die Kugeln werden wiederum dann eingebracht, wenn das System geschlossen ist. Die durch diesen Satz Stäbe vorgeschlagene Lösung gestattet wie bei den vorherigen Vorrichtungen keine Garantie eines von Heterogenitäten freien Füllen. In diesem Fall erlaubt die Anordnung der die Kugeln einschließenden Kammer, daß sie daraus durch Anwenden einer Flüssigkeitsströmung, die zu der zum Füllen angewendeten entgegengesetzt ist, besser entnommen werden. Es ist jedoch bei diesem System zu befürchten, daß umfassende Kugelhaufen die Kanäle blockieren und entweder verhindern, daß die Kammer gefüllt wird, oder daß sie entleert wird. Weiterhin wird durch nichts ein konstanter Abstand zwischen den Kugeln überall in dem Mikrosystem sichergestellt.
Die Autoren des am Ende der vorliegenden Beschreibung zitierten Dokuments [4] stellen ein Verfahren zum Aufbau unterschiedlicher Mikrokugeltypen an Ort und Stelle vor. Das Prinzip beruht auf der Erzeugung einer Matrix aus Scheiben, die durch eine hydrophobe Oberfläche von einander getrennt sind. Die Oberfläche jeder dieser Scheiben wird anschließend durch eine Beschichtung des Typs "Mikrokontaktdruck", bei der eine zuvor mit den abzuscheidenden Produkten imprägnierte Matrix verwendet wird, chemisch modifiziert. Der mit diesen Scheiben mit reaktionsfähigen Gruppen versehene Chip wird anschließend in eine Lösung getaucht, die Mikrokugeln in Lösung enthält. Diese Mikrokugeln werden an der Oberfläche der Scheiben mit einer Affinität adsorbiert, die für die Natur der auf der Oberfläche der Mikrokugeln und auf der Oberfläche der Scheiben vorhandenen reaktionsfähigen Gruppen kennzeichnend ist. Angesichts der Ausführungsform der Vorrichtung kann in diesem Fall aber nur eine einzige Schicht aus Kugeln in dem Mikrosystem erhalten werden.
Das Dokument WO-A-9909042 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren, die das Trennen von Elementen wie etwa Nukleinsäuren von anderen, in einer Flüssigkeit enthaltenen Elementen gestatten. Die in der Vorrichtung verwendeten Kugeln (14) sind in einem Raum (Kammer 26) lose aufgehäuft, der eine Sperre 52 umfaßt, die an die Öffnung des Ausgangs 30 angrenzend angeordnet ist, um die Kugeln am Verlassen der Kammer 26 zu hindern. Die Kugeln sind nicht geordnet und geregelt und bilden Stapel, bei denen jede Kugel über einer anderen liegt und wo die Kugeln eines Stapels nicht mit den Kugeln eines anderen Stapels in Kontakt stehen.
Das Dokument US-A-5 942 443 betrifft Vorrichtungen und Verfahren, die das Trennen und Durchmustern einer großen Anzahl unterschiedlicher, in einer Flüssigkeitsprobe vorhandener Verbindungen gestattet. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfaßt keinen mit Blockierelementen in Säulenform versehenen Hohlraum. Außerdem sind die Kugeln nicht gestapelt: nur eine Kugel kann sich in den Zwischenräumen festsetzen, wie aus 4A zu erkennen ist. Die Kugeln sammeln sich lose über einer Membran an. Die Kugeln sind nicht geordnet eine über der anderen gestapelt, so daß jede Kugel höchstens mit zwei Kugeln in Kontakt steht.
Die vorstehend zitierten Arbeiten heben die Vorteile dieser Mikrokugeln sowohl hinsichtlich der Leichtigkeit der Verwendung als auch der großen Auswahl biochemischer Funktionen, die sie bieten können, hervor. Diese Vorrichtungen weisen jedoch noch immer Nachteile auf, insbe sondere der Füllvorgang der Mikrosysteme mittels funktionalisierter Kugeln, der ein komplizierter Vorgang bleibt. Insbesondere bezüglich dieses Punkts ist es wichtig anzumerken, daß die Mikrokugeln in die zuvor angeführten Vorrichtungen nur dann eingebracht werden können, nachdem die Behälter mit einer Abdeckung verschlossen worden sind. Dies setzt insbesondere voraus, daß das angewendete System die Kugeln an einem bestimmten Ort blockieren kann, aber auch, daß einerseits die die Kugeln mitführende Flüssigkeit und andererseits die damit verbundene Pumpvorrichtung gesteuert werden. Diese Schritte könnten stark vereinfacht werden, wenn es möglich wäre, die Kugeln in die Behälter einzubringen, bevor sie verschlossen werden. In diesem Fall wäre das Befüllen der Behälter mit Mikrokugeln viel leichter, da die Zugänglichkeit stark verbessert wäre. Parallel zu dieser Füllweise sollte die Geometrie des Behälters so definiert sein, daß er als Mikrosieb wirksam sein kann und sicherstellen kann, daß die Mikrokugeln gleichmäßig gestapelt und genau positioniert sind. Sobald die Mikrokugeln dem Behälter zugefügt worden sind, kann dessen Dichtheit durch das Verschließen mit einer Abdeckung sichergestellt werden. Wenn weiterhin gewünscht wird, Kugeln mit unterschiedlichen Funktionen einzuführen, wäre es vorteilhaft, diese Kugeln an vorgegebenen Stellen zu plazieren und auf diese Weise die Orte, an denen chemische Reaktionen stattfinden, zu steuern.
Aus dem Voranstehenden geht hervor, daß ein Bedarf an einem Mikrosystem besteht, das leicht mit Mikrokugeln gefüllt werden kann und das es auch gestattet, daß die Kugeln innerhalb des Mikrosystems genau und reproduzierbar positioniert sind.
Offenbarung der Erfindung
Zweck der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Mikrosystems, das unter anderem diese Bedürfnisse erfüllt.
Dieser Zweck und auch andere werden erfindungsgemäß durch ein Mikrosystem erreicht, das zur Aufnahme von Kugeln und zum Erzielen einer genauen Lokalisierung der Kugeln an vorgegebenen Stellen in dem Mikrosystem bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Behälter, der einen Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum mit blockierenden Elementen ausgestattet ist, die das Anordnen und Stapeln der Kugeln in den Zwischenräumen zwischen den blockierenden Elementen gestatten und die Zwischenräume die genannten vorgegebenen Stellen darstellen, eine Abdeckung, die den Behälter hermetisch abschließt, und Einführungseinrichtungen und Auslaßeinrichtungen aufweist, die die Zirkulation einer Flüssigkeit in dem Hohlraum erlauben.
Vorteilhafterweise können die blockierenden Elemente des besagten Mikrosystems aus Kolonnen bestehen, die mit dem Boden des Hohlraums oder der Abdeckung fest verbunden sind. Das Material der Kugeln kann gemäß der Anwendung aus Mineralmaterialien, Metallen oder organischen Verbindungen in Abhängigkeit von der Funktion, die sie zu erfüllen haben, ausgewählt werden.
Falls das besagte Mikrosystem Kugeln aufnehmen soll, die alle denselben Durchmesser aufweisen, können die blockierenden Elemente gleichmäßig in einem zweidimensionalen Netzwerk angebracht werden. In diesem Fall wird das Netzwerk zum Anordnen der blockierenden Elemente in dem Hohlraum als Funktion des Verhältnisses des Volumens der Kugeln zur verfügbaren Oberfläche, das man bei dem Mikrosystem zu erreichen wünscht, und dem Durchmesser der darin einzubringenden Kugeln gewählt. Die in demselben Zwischenraum angeordneten Kugeln weisen denselben Durchmesser auf.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann das zweidimensionale Netzwerk ein hexagonales Gitter sein.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann das zweidimensionale Netzwerk ein quadratisches Gitter sein.
Falls das Mikrosystem zur Aufnahme von Kugeln mit unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen ist, sind die blockierenden Elemente so verteilt, daß eine Positionierung der Kugeln als Funktion ihrer Durchmesser erreicht wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die blockierenden Elemente so verteilt, daß sie zum Aufnehmen von Kugeln mit einem ersten gegebenen Durchmesser bestimmte Schächte und zum Aufnehmen von Kugeln mit einem zweiten gegebenen Durchmesser bestimmte Zwischenräume zwischen den Schächten bilden.
Gleich welche Ausführungsform weisen die blockierenden Elemente des erfindungsgemäßen Mikrosystems einen Querschnitt jedweder Form auf. Vorteilhafterweise weist ihr Querschnitt jedoch eine aus Scheiben, Ellipsen und Polygonen ausgewählte Form auf.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weisen die blockierenden Elemente einen Quer schnitt in Gestalt eines Hexagons auf.
Vorteilhafterweise sind die blockierenden Elemente von einer Höhe, die das Stapeln wenigstens zweier Kugeln erlaubt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Mikroreaktor.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann der besagte Mikroreaktor ein mit Kugeln mit gleichem Durchmesser und gleicher Funktion gefülltes Mikrosystem umfassen, die zwischen die blockierenden Elemente passen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der besagte Mikroreaktor ein mit Kugeln mit gleichem Durchmesser, jedoch mit unterschiedlichen Funktionen gefülltes Mikrosystem umfassen, die zwischen die blockierenden Elemente passen, wobei das Verhältnis zwischen den Mengen der verschiedene Funktionen erfüllenden Kugeln als Funktion der geforderten Wirkung gewählt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt der besagte Mikroreaktor ein mit Kugeln mit unterschiedlichem Durchmesser gefülltes Mikrosystem, wobei jeder Durchmesser einer unterschiedlichen Funktion entspricht und die Kugeln zwischen die blockierenden Elemente passen. Bei dieser letzten Ausführungsform stellen Kugeln mit demselben Durchmesser lokalisierte, funktionalisierte Bereiche dar. Unter „funktionalisierten Kugeln" werden „eine Funktion oder mehrere unterschiedliche Funktionen erfüllende Kugeln" verstanden.
Der Zweck der Erfindung ist ferner das Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Mikrosystems, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfaßt:

– Bilden des Behälters, der den Hohlraum mit den darin befindlichen blockierenden Elementen darstellt, durch Mikrobearbeitung eines Substrats,
– Anbringen einer Abdeckung, die für den hermetischen Verschluß des Hohlraums des Behälters bestimmt ist und
– Bilden von Eintrittseinrichtungen und Austrittseinrichtungen für eine Flüssigkeit durch Mikrobearbeitung des Behälters und/oder der Abdeckung.

Gemäß einer Ausführungsform wird die besagte Mikrobearbeitung durch ein Verfahren zum trockenen oder nassen Gravieren eines Materials durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die besagte Mikrobearbeitung durch ein Prägeformverfahren durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Mikrobearbeitung durch ein photolithographisches Verfahren durchgeführt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen verschiedener Mikroreaktoren.
Erstens ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroreaktors, der ein mit Kugeln mit dem gleichen Durchmesser und mit derselben Funktion gefülltes Mikrosystem einschließt, wobei das Verfahren eine Stufe des Füllens durch Sedimentation mit funktionalisierten Kugeln in Suspension in einer Flüssigkeit umfaßt.
Anders gesagt schließt das Verfahren die folgenden Stufen ein:

– das Anbringen des Behälters des Mikrosystems auf dem Boden eines Behälters,
– das Einbringen einer die funktionalisierten Kugeln in Suspension enthaltenden Lösung in den Behälter und Füllen der Hohlraumzwischenräume durch Sedimentation der Kugeln, und
– das Verschließen des Behälters mit der Abdeckung.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines multifunktionellen Mikroreaktors durch Füllen eines Mikrosystems mit funktionalisierten Kugeln mit dem gleichen Durchmesser, jedoch mit unterschiedlichen Funktionen, wobei das Verfahren Folgendes umfaßt:

– für die funktionalisierten Kugeln gemäß einer ersten Funktion die folgenden Stufen:
a) das Anbringen einer Abdeckung auf dem Behälter des Mikrosystems, die den Abschnitt zugänglich läßt, in dem man die Kugeln einer ersten Funktion anordnen will,
b) das Füllen durch Sedimentation und
c) das Entfernen der Abdeckung und
– für funktionalisierte Kugeln gemäß einer anderen Funktion die Wiederholung der Stufen a) bis c) mit Kugeln mit der genannten anderen Funktion so oft es noch verbleibende Funktionen gibt und
– das Verschließen des Behälters mit der Abdeckung.

Schließlich das Verfahren zur Herstellung eines multifunktionellen Mikroreaktors durch Füllen des Mikrosystems mit Kugeln, deren Funktion mit dem Durchmesser der besagten Kugeln in Verbindung steht, wobei das Verfahren mindestens zwei Füllungsstufen umfaßt und die Reihenfolge der Füllungsstufen der Reihenfolge der Abnahme des Durchmessers der Kugeln entspricht.
Anders gesagt umfaßt das besagte Verfahren

– für Kugeln mit einem größeren Durchmesser die folgenden Stufen:
a) Anbringen des Behälters des Mikrosystems auf dem Boden eines Behälters,
b) das Einbringen einer die Kugeln enthaltenden Lösung in den Behälter und Füllen der Hohlraumzwischenräume durch Sedimentation der Kugeln,
– für Kugeln mit einem kleineren Durchmesser die Wiederholung der Stufen a) bis b) so oft wie notwendig und in der Reihenfolge der Abnahme des Durchmessers, und
– das Verschließen des Behälters mit der Abdeckung.

Ein erfindungsgemäß ausgelegtes Mikrosystem zum Füllen mit funktionalisierten Kugeln weist eine Anzahl Vorteile auf.
Die Vorrichtung gestattet das Ausbilden einer sehr bedeutenden Reaktionsoberfläche mit zusätzlich einer dreidimensionalen Geometrie.
Da es das erfindungsgemäße Mikrosystem und seine Füllweise weiterhin erlauben, daß die Kugeln innerhalb des Mikrosystems gestapelt und genau positioniert sind, erlaubt es auch eine Multifunktionalisierung dem Volumen nach durch Ablegen von Mikrokugeln mit verschiedenen Funktionen. Wie zuvor ersichtlich ist können Mikrokugeln unterschiedlicher Natur in dieselbe Vorrichtung aufgenommen werden.
Weiterhin besteht durch das Garantieren eines kontrollierten Abstands zwischen den Kugeln überall in dem Mikrosystem kein weiteres Risiko von Kugelanhäufungen, die bei dem Mikrosystem eine Blockade hervorrufen.
Diese Vorrichtung gestattet auch eine leichte Füllstufe.
In ähnlicher Weise wird auch das Austragen der Kugeln erleichtert. Tatsächlich kann die Abdeckung entfernt werden, wenn der Reaktor nicht endgültig verschlossen ist. In diesem Fall erlaubt das Führen des Mikroreaktors durch eine Spüllösung, verbunden mit einer Bewegung durch Ultraschall das Austragen der Mikrokugeln aus ihrem Gehäuse. Zum erneuten Erhalten einer Vorrichtung ist noch einmal alles, was zu tun ist, die Wiederaufnahme des Füllvorgangs. Dieses Verfahren ermöglicht es dann, die durch die Kugeln sich bietende Funktion, die sich im Lauf der Zeit verschlechtern kann, neu zu aktivieren oder die durch den Mikroreaktor ausgeführte Funktion zu ändern, während seine Geometrie aufrecht erhalten wird.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Durchführen einer chemischen, elektrochemischen, biochemischen oder biologischen Reaktion, bei dem man einen Flüssigkeitsstrom in einem erfindungsgemäßen Mikroreaktor zirkulieren läßt, so daß mindestens ein Bestandteil des Flüssigkeitsstroms mit den vorfunktionalisierten Kugeln reagiert, die eine chemische, elektrochemische, biologische oder biochemische Reaktion eingehen können, und daß man an dem (den) Ausgang (Ausgängen) des Mikroreaktors einen Flüssigkeitsstrom abtrennt, der das (die) Produkt(e) der besagten Reaktion umfaßt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die besagte Reaktion eine Reaktion vom Enzym-Substrat-Typ und die besagten vorfunktionalisierten Kugeln, die eine biologische oder biochemische Reaktion eingehen können, stellen Enzyme dar, wobei der besagte Bestandteil des Flüssigkeitsstroms ein Enzymsubstrat ist und die Reaktionsprodukte die Produkte sind, die bei der Reaktion des Enzyms mit dem Substrat entstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die besagte Reaktion eine enzymatische Digerierungsreaktion durch eine Protease, wobei die besagten vorfunktionalisierten Kugeln, die eine biologische oder biochemische Reaktion eingehen können, Proteasen sind und die besagten Bestandteile des Flüssigkeitsstroms Peptide oder Proteine sind und die Reaktionsprodukte Peptidsegmente sind.
Vorteilhafterweise ist das besagte Enzym Trypsin.
Diese Ausführungsweisen der Erfindung veranschaulichen Anwendungen auf biologischem Gebiet, aber viele andere Anwendungen können die Gebiete der Chemie (zum Beispiel Feinchemie), Elektrochemie und Biochemie umfassen, insbesondere in all den Fällen, wo die Reaktionen die Verwendung seltener und/oder teurer Reagenzien umfassen, um nur geringe Reagenzmengen daran zu beteiligen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird durch die angefügten Zeichnungen besser verstanden und andere Vorteile und Besonderheiten stellen sich nach dem Lesen der folgenden Beschreibung heraus, die als nicht einschränkendes Beispiel angegeben wird, worin
1 eine perspektivische Ansicht des Mikrosystems von oben ist,
2 eine Teilansicht des mit Kugeln gefüllten Mikrosystems der 1 von oben ist,
3 ein Querschnitt von 2 entlang der Achse III/III ist,
4, 5 und 6 Teilansichten des mit Kugeln gefüllten Mikrosystems von oben sind, die verschiedene mögliche Anordnungen der blockierenden Elemente und der besagten Kugeln veranschaulichen,
7A bis 7F die Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrosystems durch Trockengravur veranschaulichen.
Genaue Beschreibung der Ausführungsweisen der Erfindung
Unter Bezug auf 1 ist das erfindungsgemäße, zum Aufnehmen von Kugeln bestimmte Mikrosystem 1 zu erkennen, das Folgendes umfaßt:

– einen Behälter 3, der einen Hohlraum 4 aufweist, wobei der Hohlraum 4 mit blockierenden Elementen 5 versehen ist, die das Anordnen und Stapeln der Kugeln in den Zwischenräumen zwischen den blockierenden Elementen 5 erlauben,
– eine Abdeckung 7, die an dem Behälter 3 hermetisch befestigt ist, und
– eine Einführungseinrichtung 8 und eine Auslaßeinrichtung 9, die die Zirkulation einer Flüssigkeit in dem Hohlraum erlauben.

In Abhängigkeit von der Art, in der die blockierenden Elemente in dem Behälter verteilt wer den, liegt nicht dieselbe Dichte an Kugeln vor. Es ist die räumliche Anordnung und die Höhe der blockierenden Elemente, was die zugängliche Oberfläche beziehungsweise das durch die Kugeln einzunehmende Volumen definiert.
Bei einer besonderen Ausführungsform, bei der das Einführen von Kugeln mit dem gleichen Durchmesser erwünscht ist, sind die die blockierenden Elemente in einem besonderen zweidimensionalen Netzwerk regelmäßig angebracht. Auf diese Weise werden aus einer Anordnung hexagonaler Säulen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, die Mikrokugeln 2 in den Zwischenräumen 6 zwischen den Säulen 5 wie in 2 dargestellt gestapelt. Aus dieser Figur ist zu erkennen, daß die Kugeln 2 in den Teilen der Zwischenräume 6 positioniert sind, die durch die Kanten der drei angrenzenden Säulen begrenzt werden.
Die Querschnittsansicht in 2 entlang der Achse III/III (3) gestattet eine gute Ansicht der Stapelung der Mikrokugeln 2 zwischen den Säulen 5.
In 4 sind die Säulen 15 auch in einem hexagonalen Gitter angeordnet, aber der Abstand dazwischen wurde absichtlich kleiner gewählt: nur Kugeln 12 mit kleinerem Durchmesser als die Kugeln in 2 oder 3 können in die Zwischenräume 16 eingeführt werden.
Aus demselben Grund sind mehrere Grundgerüsttypen vorstellbar, falls die räumliche Anordnung der Säulen modifiziert werden kann. So wird durch Anbringen der Säulen 25 mit hexagonalem Querschnitt in einem quadratischen Netzwerk die in 5 beschriebene Anordnung erhalten: Kugeln 22 mit einem bestimmten Durchmesser werden in die Teile der Zwischenräume 26 eingeführt, die durch die Oberflächen vier benachbarter Säulen begrenzt werden.
Kugeln mit unterschiedlichem Durchmesser können ebenfalls in das Mikrosystem eingeführt werden. In 6 sind die blockierenden Elemente 35 so verteilt, daß sie zum Aufnehmen der Kugeln 32a mit einem großen Durchmesser vorgesehene Schächte darstellen und die Kugeln 32b mit einem kleinen Durchmesser werden in den Räumen 36 zwischen den Schächten untergebracht. Es ist zu erkennen, daß es in diesem Fall nicht die blockierenden Elemente selbst sind, sondern vielmehr ein Satz von blockierenden Elementen (die Schächte) ist, die in einem besonderen zweidimensionalen Netzwerk verteilt sind, das hier hexagonal ist. Diese Schächte können auch aus hohlen Säulen bestehen, deren Hülle die blockierenden Elemente 35 ersetzt.
Während des Herstellens des Mikroreaktors können zwei Stufen unterschieden werden:

– die erste Stufe besteht aus dem Herstellen des Mikrosystems an sich, anders gesagt dem Anordnen des Satzes Elemente, die zum Blockieren der Kugeln innerhalb des Behälters verwendet werden,
– die zweite Stufe bezieht sich auf das Anordnen der besagten Kugeln zwischen den besagten blockierenden Elementen.

Die erste Stufe, anders gesagt, die Stufe der Mikrobearbeitung des Mikrosystems, kann auf mehreren verschiedenen Wegen erreicht werden: entweder durch trockenes oder nasses Gravieren eines Materials, durch Prägeformen oder durch Photolithographie.
Als nicht einschränkendes Beispiel, das ein Verfahren der Mikrobearbeitung veranschaulicht, wurde das Verdeutlichen der Herstellung eines Mikroreaktors aus Silizium durch trockenes Gravieren unter Bezug auf die angefügten 7A bis 7F gewählt. Andere Materialien sind jedoch verwendbar: zum Beispiel Glas, Siliziumoxid, Harze, Polymere oder sogar Metalle. Die Materialwahl hängt von der Anwendung ab.
Zuerst wird eine Schicht aus einem positiv lichtempfindlichen Harz 40 auf einem Siliziumsubstrat 41 mit 4 Zoll (d. h. 10,16 cm) des Typs <100> und mit einer Dicke von 525 μm durch „Schleuderbeschichtung" (Auftrag mit einer Schleuder) und unter Verwenden des Produkts HMDS als Haftvermittler abgeschieden, die 60 Sekunden auf 150 °C erhitzt wird (siehe 7A). Das Harz wird 30 Sekunden mit einer Geschwindigkeit von 4000 Upm und einer Beschleunigung von 1500 Upm/s ausgestrichen.
Anschließend wird das harzbeschichtete Substrat 60 Sekunden bei 115 °C getrocknet.
Die Lithographie wird anschließend mittels eines UV-Belichtungsstrahls 42 ausgeführt, der durch eine Maske 43 hindurchgeht, die mit n, die Geometrie des Mikrosystembehälters definierenden Muster versehen ist (siehe 7B).
Gemäß 7C wird anschließend 60 Sekunden eine spurgetreue Entwicklung (SHIPLEY^® MF 319) ausgeführt, anschließend wird das mit dem Harz versehene Substrat 2 Minuten auf 115 °C erhitzt. Als nächstes wird das Muster 1 Minute einer Deoxidation der Mustertiefen mit tels eines Nextral-NE110-RIE-Geräts in einer Atmosphäre aus CHF₃/O₂ bei einem Strömungsverhältnis von 50/10 Normal-cm³/Minute (50/10 sccm) unter einem Druck von 13,332 Pa (100 mT) mit 30 W Leistung unterzogen.
Als nächstes werden gemäß 7D die durch das Harz nicht geschützten Bereiche mittels einer Tiefätzvorrichtung des Typs DRIE ICP geätzt. Die blockierenden Elemente 45 werden auf diese Weise erhalten. Zu den Ätzzyklen wird SF₆ und die folgenden Parameter angewendet: 129 Normal-cm³/Minute (129 sccm), 5,133 Pa (38,5 mT) und 600 W. Zu den Passivierungszyklen wird C₄F₈ und die folgenden Parameter angewendet: 85 Normal-cm³/Minute (85 sccm), 3,733 Pa (28 mT) und 600 W. Es ist vorgeschrieben, daß das Verhältnis der Ätzzeiten bezogen auf die Passivierungszeiten so eingestellt wird, daß gerade Seiten erhalten werden.
Der nächste Schritt besteht in 5 Minuten Abtragen der Harzmaske mittels rauchender Salpetersäure, HNO₃, unter Ultraschall.
Die Seiten der Gravur werden anschließend durch 50 Minuten Oxidation in einem Röhrenofen unter Sauerstoff bei 1000 °C und anschließend durch einige Sekunden chemische Deoxidation mittels HF gereinigt (7E).
Eine dicke Oxidation 44 der Muster wird anschließend über eine Dicke von 3 μm 18 Stunden und 50 Minuten in einem Röhrenofen unter Wasserdampf bei 1000 °C angewendet (7F).
Wenn eines dieser Mikrobearbeitungsverfahren angewendet wird, ist es ebenfalls notwendig, die Einführungseinrichtungen und die Auslaßvorrichtungen für eine Flüssigkeit in dem Mikrosystem auszubohren. Diese Einführungseinrichtungen und Auslaßvorrichtungen für eine Flüssigkeit können in dem Behälter und/oder in der Abdeckung ausgeführt sein.
Nach dieser Reihe von Stufen wird eine zu der in 1 dargestellten ähnliche Vorrichtung erhalten, bei der die Einführungseinrichtungen und die Auslaßvorrichtungen für eine Flüssigkeit in dem Behälter ausgebohrt sind.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante können sich die Einführungseinrichtungen und Auslaßvorrichtungen in der Abdeckung oder genausogut in der Abdeckung und in dem Behälter befinden.
Es muß nun die zweite Stufe begonnen werden: die Stufe des Einführens der Kugeln in das Mikrosystem.
Der leichteste Zugangsweg zum Füllen mit Mikrokugeln ist über die blockierenden Elemente. Dies kann leicht durch Anbringen des zu füllenden Mikrosystems auf dem Boden eines Behälters erreicht werden. Eine bestimmte Menge Mikrokugeln mit einem gegebenen Durchmesser wird in einer Flüssigkeit mit bekannter Viskosität und Dichte suspendiert. Die Homogenität der Lösung kann erhöht werden, wenn Ultraschall dazu verwendet wird, irgendeine Anhäufung von Mikrokugeln zu vermeiden oder außerdem, wenn der Lösung ein Tensid zugesetzt wird. Diese Lösung wird anschließend in den die zu füllende Vorrichtung enthaltenden Behälter gegossen. Die Mikrokugeln in Suspension sedimentieren und füllen den freien Raum oder die Zwischenräume zwischen den blockierenden Elementen.
Die Mindestzeit, an deren Ende die Vorrichtung der Suspension entnommen werden kann, steht mit dem Stokesschen Gesetz in Zusammenhang, das die Sedimentationszeit einer Kugel in einem flüssigen Medium gemäß der Gleichung
bestimmt, worin

n:: der Viskositätskoeffizient des flüssigen Mediums (g/cm·s),
d:: die maximale Flüssigkeitshöhe (cm),
g:: eine Konstante (cm/s²),
a:: der Radius der Mikrokugeln (cm),
ρ₁:: die Dichte der Mikrokugeln (g/cm³) und
ρ₂:: die Dichte des flüssigen Mediums (g/cm³) ist.

Zum Beispiel ist die Sedimentationszeit einer Polystyrolkugel mit einem Durchmesser von 5 Mikrometer und bei einer Höhe von 1 cm etwa 4 Stunden.
Schließlich ist es notwendig, die Kugeln am Verlassen des Mikrosystems zu hindern. Dazu wird die Abdeckung 7 hermetisch an dem Behälter 3 befestigt (siehe 1).
Es gibt mehrere Befestigungsweisen für diese Abdeckung. Zum Beispiel kann der Mikroreaktorbehälter durch eine Polydimethylsiloxanplatte (PDMS) verschlossen werden, die Einführungseinrichtungen und/oder Auslaßeinrichtungen umfaßt oder nicht, nachdem die besagte Abdeckung und der besagte Behälter durch ein Sauerstoffplasma wie in der Literatur beschrieben behandelt wurden. In diesem Fall ist von PDMS bekannt, daß es Eigenschaften einer Spontanhaftung an den meisten festen Medien aufweist. Im Falle eines Mikroreaktors mit einer abnehmbaren Abdeckung wird die PDMS-Platte einfach auf den Behälter gedrückt, wobei dies zum Erreichen einer guten Abdichtung ausreicht, während die Möglichkeit des erneuten Öffnens des Mikroreaktors nach der Verwendung durch einfaches Entfernen der PDMS-Platte erhalten bleibt. PDMS wird als Beispiel angeführt, aber andere Polymermaterialien sind ebenfalls möglich.
Der Mikroreaktorbehälter kann auch zum Beispiel durch eine Molekularversiegelung mit einer Siliziumoxidplatte oder einer Glasplatte verschlossen werden, die Einführungseinrichtungen und/oder Auslaßeinrichtungen umfaßt oder nicht, nachdem die beiden hydroxylierten Substrate (SiO₂-Substrat auf Silizium/Glas- oder Siliziumoxidabdeckung) gesäubert und chemisch vorbereitet wurden. Das Vorliegen von Silanolstellen (SiOH) auf der Oberfläche zieht Wassermoleküle spontan an und die beiden Teile der Mikrokomponente, und zwar die Abdeckung 7 und der Behälter 3, binden durch die Wassermoleküle miteinander. Durch Erhitzen wird ein Teil des zwischen den beiden Oberflächen enthaltenen Wassers entfernt, bis etwa drei Schichten Wassermoleküle erhalten sind, die eine Haftung ermöglichen.
Oder der Mikroreaktorbehälter kann zum Beispiel durch anodisches Versiegeln einer Glasplatte, die Einführungseinrichtungen und/oder Auslaßeinrichtungen umfaßt oder nicht, verschlossen werden.
Oder der Mikroreaktorbehälter kann zum Beispiel durch Binden einer vom Anwender ausgewählten Polymerplatte, die Einführungseinrichtungen und/oder Auslaßeinrichtungen umfaßt oder nicht, durch zum Beispiel Verwenden einer Klebstoffbeschichtung durch Siebdruck verschlossen werden.
Dieser Bindungstyp besteht aus drei Hauptstufen: Siebdruck, der aus dem Aufbringen des Klebstoffs nur auf bestimmte Bereiche des Substrats besteht, Binden, das aus dem In-Kontakt-Bringen des stellenweise mit Klebstoff beschichteten Substrats und der Abdeckung und schließlich dem Erhitzen besteht, das die Polymerisation des Klebstoffs bewirkt. Die Polymerisation kann photochemisch durchgeführt werden, falls der Klebstoff unter UV polymerisiert werden kann.
Schließlich kann der Mikroreaktorbehälter zum Beispiel durch eine direkte Silizium-Silizium-Bindung (englisch SDB: Silicon Direct Bonding) an eine Siliziumplatte, die Einführungseinrichtungen und/oder Auslaßeinrichtungen umfaßt oder nicht, verschlossen werden.
Gemäß der Erfindung ist es ferner möglich, durch Anbringen von Mikrokugeln, die verschiedene Funktionen aufweisen, in dem Mikrosystembehälter einen im Volumen multifunktionellen Mikroreaktor herzustellen. Tatsächlich ist es bei derselben Vorrichtung möglich, Mikrokugeln unterschiedlicher Natur gemäß einer Anzahl von Verfahren einzubringen.
Das erste Verfahren erfordert die Verwendung funktionalisierter Kugeln mit demselben Durchmesser, aber mit verschiedenen Funktionen und umfaßt das Maskieren des nicht durch Sedimentation zu füllenden Bereichs.
Der zweite Weg des Erhaltens von Mikrokugeln, die verschiedene Funktionen in demselben Mikrosystem aufweisen, kann durch Anbringen der blockierenden Elemente in dem Behälter mit unterschiedlichen Zwischenräumen erreicht werden. Die Selektivität der Hohlraumbereiche, die unterschiedliche Funktionen aufweisen, wird anschließend mit dem Durchmesser der diese Funktionen umfassenden Mikrokugeln in Beziehung gesetzt. Das Füllen durch Sedimentation muß dann immer mit den größten Mikrokugeln beginnen.
Ein Beispiel des erhaltenen Ergebnisses ist in 6 zu sehen, wo zwei Durchmesser der Kugeln 32a und 32b und blockierende Elemente 35 verwendet wurden, die so verteilt sind, daß sie Schächte bilden.
Einige Anwendungsbeispiele:
Der erfindungsgemäße Mikroreaktor kann bei einer Anzahl verschiedener Anwendungen auf dem Gebiet chemischer, elektrochemischer, biochemischer oder biologischer Reaktionen verwendet werden.
Der erfindungsgemäße Mikroreaktor kann somit auf dem Gebiet der Biochemie, insbesondere zum Beispiel bei einer enzymatischen Verdauungsreaktion verwendet werden. Dazu können poröse oder unporöse, mit Trypsin funktionalisierte Mikrokugeln verwendet werden, die dann in das erfindungsgemäße Mikrosystem eingebracht werden. Anschließend läßt man einen Flüssigkeitsstrom so in dem Mikroreaktor fließen, daß wenigstens ein Bestandteil des Flüssigkeitsstroms mit den vorfunktionalisierten Kugeln reagiert, die eine biologische oder biochemi sche Reaktion erzeugen können, und an dem Auslaß (den Auslässen) 9 des Mikroreaktors wird ein Flüssigkeitsstrom abgenommen, der das (die) Reaktionsprodukt(e) der besagten Reaktion enthält.
Der erfindungsgemäße Mikroreaktor kann auch zur Analyse verwendet werden.
Zum Beispiel kann das erfindungsgemäße, mit Kugeln gefüllte Mikrosystem bei einer chromatographischen Trennung verwendet werden. Dazu werden poröse oder unporöse, polare Pfropfphasen (-CN, -NH₂) tragende Mikrokugeln verwendet, die in das Mikrosystem eingebracht wurden.
Poröse oder unporöse Mikrokugeln, die polare Pfropfphasen tragen und zum Durchführen einer Ionenaustauschchromatographie in das Mikrosystem eingebracht werden, können ebenfalls verwendet werden.
Das erfindungsgemäße, mit Kugeln gefüllte Mikrosystem kann auch zum Durchführen einer Ausschlußchromatographie verwendet werden.
Dazu werden poröse Kugeln mit Porendurchmessern verwendet, die an das Ausmaß des gewünschten Ausschlusses angepaßt sind.
Das erfindungsgemäße, mit Kugeln gefüllte Mikrosystem kann auch zum Durchführen einer Affinitätschromatographie verwendet werden. Es werden dann poröse oder unporöse Mikrokugeln verwendet, die einen Effektor mit einer biologischen Affinität (Enzym-Substrat, Ligand-Rezeptor, Antigen-Antikörper) für einen gelösten Stoff einer Analysenprobe tragen.
Zum Durchführen einer Enzym-Substrat-Affinitätschromatographie können insbesondere Substrate oder dergleichen, reversible Inhibitoren, allostere Effektoren oder Coenzyme als Effektoren verwendet werden.
Darüberhinaus werden zum Durchführen einer Ligand-Rezeptor-Affinitätschromatographie Haptene, Antigene oder Antikörper verwendet.
Zum Durchführen einer Antigen-Antikörper-Affinitätschromatographie werden zum Beispiel Hormone, Peptide oder Peptidanaloga verwendet.
Der erfindungsgemäße Mikroreaktor kann auch bei chemischen Reaktionen verwendet werden.
Der Mikroreaktor gestattet es tatsächlich, daß ein System geschaffen wird, das ein perfektes katalytisches Medium erzeugt, während es das Anordnen poröser, mit einem Katalysator imprägnierter Mikrokugeln erlaubt. Diese geometrische Anordnung der Mikrokugeln ermöglicht einerseits das sehr wesentliche Erhöhen des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen und andererseits das Erhalten einer homogenen Verteilung der Strömung innerhalb des Reaktors.
Weiterhin können die verwendeten porösen Kugeln ein Gemisch verschiedener Katalysatortypen (zum Beispiel Pd, Pt, Rh ...) tragender Kugeln sein.
Die innere Oberfläche des Mikroreaktors kann selbst mit einer katalytischen Schicht, insbesondere durch chemische Oberflächenbehandlung, durch Bedampfung oder Co-Verdampfung beschichtet sein.
Eine große Anzahl katalytischer Flüssigphasenreaktionen wie zum Beispiel die Suzuki-Kupplungsreaktion kann in einen Mikroreaktor übertragen werden:
Es kann auch die Kupplung zwischen 4-Brombenzonitril und Phenylboronsäure angeführt werden, die in einer elektroosmotischen Strömung erreicht werden kann:
Der Wirkungsgrad des Mikroreaktors bezüglich der Zunahme der Reaktionsausbeuten im mikroskopischen Maßstab ist in Dokument [5] gezeigt worden.
LITERATURZITATE

[1] R.D. OLESCHUK, L.L. SHULTZ-LOCKYEAR, Y. NING, D.J. HARRISON, Analytical Chemistry 72, 585-590 (2000).
[2] C. WANG, R. OLESCHUK, F. OUCHEN, J. LI, P. THIBAULT, D.J. HARRISON, Rapid Communications In Mass Spectrometry 14, 1377-1383 (2000).
[3] H. ANDERSSON, W. van der WIJNGAART, P. ENOKSSON, G. STEMME, Sensors and Actuators B 67, 203-208 (2000).
[4] H. ANDERSSON, C. JONSSON, C. MOBERG, G. STEMME, Micro Total Analysis Systems, J.M. RAMSEY and Van den BERG (eds.), (Kluwer academic Publishers, 2001).
[5] G.M. GREENWAY, S.J. HASWELL, D.O. MORGAN, V. SKELTON and P. STYRING, Sensors & Actuators B 63, 153 (2000).

Claims

Mikrosystem für die Aufnahme von Kugeln und für die Erzielung einer genauen Lokalisierung der genannten Kugeln an vorgegebenen Stellen in dem Mikrosystem, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: – einen Behälter (Reservoir) (3), der eine Vertiefung (Hohlraum) (4) aufweist, in der (dem) blockierende Elemente (5, 15, 25, 35) angeordnet sind, wobei die genannten blockierenden Elemente die Blockierung der Kugeln (2, 12, 22, 32a, 32b) in den Zwischenräumen (6, 16, 26, 36) zwischen den blockierenden Elementen (5, 15, 25, 35) in geordneter Weise und in Form von Stapeln erlauben, wobei die Zwischenräume (6, 16, 26, 36) die genannten vorgegebenen Stellen darstellen, – eine Abdeckung (7), die an dem Behälter (Reservoir) (3) hermetisch fixiert ist, und – Einführungseinrichtungen (8) und Auslasseinrichtungen (9), welche die Zirkulation einer Flüssigkeit (eines Fluids) in dem Hohlraum (4) erlauben, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) die Form einer Kolonne haben und dass jede vorgegebene Stelle einen einzigen Stapel von Kugeln umfasst, wobei die Kugeln in jedem Stapel aufeinanderliegend so angeordnet sind, dass jede Kugel im Kontakt mit höchstens zwei Kugeln steht und die Stapel so angeordnet sind, dass die Kugeln eines Stapels nicht mit den Kugeln eines anderen Stapels in Kontakt stehen.
Mikrosystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) mit dem Boden des Hohlraums oder mit der Abdeckung eine Einheit bilden (fest verbunden sind).
Mikrosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (2, 12, 22) alle den gleichen Durchmesser haben und die blockierenden Elemente (5, 15, 25) in Form eines Raster- bzw. Flächengitters regelmäßig angeordnet sind.
Mikrosystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (1) vor der Aufnahme der Kugeln (32a, 32b) mit unterschiedlichen Durchmessern die blockierenden Elemente (35) so verteilt sind, dass eine Lokalisierung der Kugeln (32a, 32b) als Funktion ihrer Durchmesser erzielt wird.
Mikrosystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die blockierenden Elemente (35) so verteilt sind, dass sie einen Schacht für die Aufnahme von Kugeln (32a) mit einem ersten gegebenen Durchmesser und Zwischenräume zwischen den Schächten für die Aufnahme von Kugeln (32b) mit einem zweiten festgelegten Durchmesser bilden.
Mikrosystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster- bzw. Flächengitter ein hexagonales Gitter ist.
Mikrosystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Raster- bzw. Flächengitter ein quadratisches Gitter ist.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) einen Querschnitt mit einer Form haben, die ausgewählt ist aus der Gruppe der Scheiben, Ellipsen und Polygone.
Mikrosystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) einen Querschnitt in Form eines Hexagons haben.
Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) eine Höhe haben, welche die Aufeinanderstapelung von mindestens zwei Kugeln erlaubt.
Mikroreaktor, der ein Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6 bis 10 und Kugeln (2, 12, 22) mit gleichem Durchmesser und gleicher Funktion umfasst, die zwischen die blockierenden Elemente (5, 15, 25) passen.
Mikroreaktor, der ein Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6 bis 10 und Kugeln (2, 12, 22) mit gleichem Durchmesser, jedoch mit unterschiedli chen Funktionen umfasst, die zwischen die blockierenden Elemente (5, 15, 25) passen.
Mikroreaktor, der ein Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 8 bis 10 und Kugeln (32a, 32b) mit gleicher Funktion, jedoch mit unterschiedlichen Durchmessern umfasst, die zwischen die blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) passen.
Mikroreaktor, der ein Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, 8 bis 10 und Kugeln (32a, 32b) mit unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlichen Funktionen umfasst, die zwischen die blockierenden Elemente (5, 15, 25, 35) passen.
Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfasst: – Bildung (Formung) des Behälters (Reservoirs), der den Hohlraum mit den darin befindlichen blockierenden Elementen (45) darstellt, durch Mikrobearbeitung eines Substrats (41), – Anbringen einer Abdeckung (7), die bestimmt ist für den hermetischen Verschluss des Hohlraums (4) des Behälters (3) und – Bildung (Formung) von Eintrittseinrichtungen (8) und Austrittseinrichtungen (9) für eine Flüssigkeit (ein Fluid) durch Mikrobearbeitung des Behälters (3) und/oder der Abdeckung (7).
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Mikrobearbeitung durchgeführt wird durch Anwendung eines Verfahrens zum trockenen oder nassen Gravieren (Ätzen) eines Materials.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Mikrobearbeitung durchgeführt wird durch Anwendung eines Prägeform-Verfahrens.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Mikrobearbeitung durchgeführt wird durch Anwendung eines photolithographischen Verfahrens.
Verfahren zur Herstellung des Mikroreaktors nach Anspruch 11, das umfasst das Einfüllen von funktionalisierten Kugeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, durch Sedimentation.
Verfahren zur Herstellung eines multifunktionellen Mikroreaktors durch Füllen des Mikrosystems nach Anspruch 3 mit funktionalisierten Kugeln mit dem glei chen Durchmesser, jedoch unterschiedlichen Funktionen, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren umfasst: – für die funktionalisierten Kugeln gemäß einer ersten Funktion die folgenden Stufen: a) das Anbringen einer Abdeckung auf dem Behälter (3) des Mikrosystems, die den Abschnitt zugänglich lässt, in dem man die Kugeln einer ersten Funktion anordnen will, b) das Füllen durch Sedimentation und c) die Entfernung der Abdeckung (7), und – für funktionalisierte Kugeln gemäß einer anderen Funktion die Wiederholung der Stufen (a) bis (c) mit Kugeln mit der genannten anderen Funktion so oft es noch verbleibende Funktionen gibt, und – das Verschließen des Behälters (3) mit der Abdeckung (7).
Verfahren zur Herstellung eines multifunktionellen Mikroreaktors durch Füllen des Mikrosystems nach einem der Ansprüche 4 oder 5 mit Kugeln, deren Funktion mit dem Durchmesser der genannten Kugeln in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren mindestens zwei Füllungsstufen umfasst, wobei die Reihenfolge der Füllungsstufen der Reihenfolge der Abnahme des Durchmessers der Kugeln entspricht.
Verfahren zur Durchführung einer biochemischen oder biologischen Reaktion, bei dem man einen Flüssigkeits- bzw. Fluidstrom in einem Mikroreaktor nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zirkulieren lässt, sodass mindestens ein Bestandteil des genannten Flüssigkeits- bzw. Fluidstroms mit den vorfunktionalisierten Kugeln (2, 12, 22, 32a, 32b) reagiert, die eine chemische, elektrochemische, biologische oder biochemische Reaktion eingehen können, und dass man an dem (den) Ausgang (Ausgängen) (9) des Mikroreaktors einen Flüssigkeits- bzw. Fluidstrom abtrennt, der das (die) Produkt(e) der genannten Reaktion umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die genannte Reaktion eine Reaktion vom Enzym-Substrat-Typ ist, wobei die genannten vorfunktionalisierten Kugeln (2, 12, 22, 32a, 32b), die eine biologische oder biochemische Reaktion eingehen können, Enzyme darstellen, der genannte Bestandteil des Flüssigkeits- bzw. Flu idstroms ein Enzymsubstrat ist und die Reaktionsprodukte die Produkte sind, die bei der Reaktion des genannten Enzyms mit dem genannten Substrat entstehen.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die genannte Reaktion eine enzymatische Digerierungsreaktion durch eine Protease ist, wobei die genannten vorfunktionalisierten Kugeln (2, 12, 22, 32a, 32b), die eine biologische oder biochemische Reaktion eingehen können, Proteasen sind und die genannten Bestandteile des Flüssigkeits- bzw. Fluidstroms Peptide oder Proteine sind und die Reaktionsprodukte Peptidsegmente sind.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Enzym das Trypsin ist.