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Diese
Anmeldung betrifft ein Verfahren und System zur Handhabung von Fluiden,
welches bei einer Anzahl von Kontexten brauchbar ist, einschließlich der
Durchführung
verschiedener synthetischer, diagnostischer und Arzneimittelausschlußreaktionen.
Spezieller betrifft diese Erfindung ein System und ein Verfahren, die
eine geschichtete Anordnung zur Verteilung von Reagenzflüssigkeiten
enthalten, während
die Verunreinigung oder wechselweise Verunreinigung dieser Flüssigkeiten
gehemmt wird.
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Die
US-A-4,908,112 beschreibt eine analytische Trennvorrichtung, bei
welcher eine Leitung in Kapillargröße durch einen Kanal in einer
Halbleitervorrichtung gebildet wird und der Kanal durch eine Glasplatte
verschlossen ist. Elektroden werden in dem Kanal positioniert, um
die Flüssigkeitsbewegung
durch die Leitung durch Elektro-Osmose zu aktivieren.
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Die
US-A-5,250,263 beschreibt eine Apparatur zur Bearbeitung oder Herstellung
von Flüssigkeitsproben
für chemische
Analyse, die einen Satz von plattenartigen Komponenten umfaßt, von
denen jede Kanäle und/oder
Verzweigungen mit Öffnungen,
Ventilen oder Pumpen zum Beschicken mit einer Trägerflüssigkeit und Proben in einer
erwünschten
Weise hat. Die Komponenten können
in variierender Anzahl und Aufeinanderfolge gestapelt werden.
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In
jüngster
Zeit konzentrierte sich eine Anzahl von akademischen Artikeln auf
die Probleme, die mit der Durchführung
chemischer Reaktionen in einem Mikromaßstab verbunden sind. Diese
Literatur diskutierte die Möglichkeit
der Lenkung solcher Reaktionen auf kompakten Trägern von Plättchengröße, die geätzt wurden, um Mikrokanäle zu erzeugen.
Reaktorsysteme dieses Maßstabs
könnten
die Durchführung
von mehrfachdiagnostischen oder Arzneimittelaussonderungs-Assays
in einer transportablen Vorrichtung erlauben, die kleine Mengen
von Reagenzien verwendet und damit die Anlieferungs- und Entsorgungskosten
vermindert.
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Ein
Mechanismus zur Entwicklung neuer Arzneimittel, der nicht durch
die Natur vorgesehen war, wurde zu einer „rationalen" Arzneimittelgestaltung
kopiert. Dieses Verfahren zielt auf die Strukturen biologischer Makromoleküle, wie
durch Kristallographie und die Strukturen pharmakologischer Mittel,
die bekanntermaßen in
Wechselwirkung mit diesen Makromolekülen treten. Mit der Verwendung
von Computer-Arbeitsstationen hoffte man, daß neue pharmakologische Mittel
gestaltet werden könnten,
die geeignet positionierte Funktionalitäten für starke Wechselwirkung mit
dem Makromolekül
haben. Eine Schwierigkeit mit diesem Lösungsweg ist jene, daß wachsende
Kristalle, die geeignet für
kristallographische Strukturbestimmungen sind, eine uninteressante
empirische Technik ergeben. In vielen Fällen ist es unklar, ob geeignete
Kristalle gezüchtet
werden können
(beispielsweise die Glycoproteinhormone, wie Choriongonadotrapin
oder andere Glycoproteine). Eine andere Schwierigkeit ist die, daß die Chemie
nicht die verformbaren Konstruktionswerkzeuge liefert, die durch den
Begriff „Design" hervorgerufen werden.
Statt dessen liefern chemische Baublöcke nur eine begrenzte Anzahl
von Bindungswinkeln und -längen.
Beispielweise können
die strukturellen Wege, durch welche eine Chlorgruppe in einem besonderen
Teil einer Arzneimittelbindungstasche in dem Makromolekül positioniert
werden könnte,
viele sein, während
die Vorteile oder Nachteile der ergänzenden Strukturen, die benötigt werden,
um diese Gruppe zu positionieren, schwerlich „rational" zu bewerten sind.
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Kombinatorische
Chemie sucht ihr eigenes „evolutionäres" Verfahren zu erzeugen,
das Verbindungen mit der erwünschten
pharmakologischen Aktivität
auswählt.
Der Schlüssel
dazu, das Verfahren evolutionär
zu machen, ist jenes, große
Familien von Mutanten" zu
erzeugen, in diesem Fall Familien von Verbindungen mit einiger chemischer
Verwandtschaft, aber mit klaren Unterschieden. Die Konzepte von
rationalem Design können
bei der Auswahl der Familien von Verbindungen, die durch die kombinatorische
Methode erforscht werden sollen, mit Vorteil herangezogen werden.
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Kombinatorische
Chemie sucht danach, neue Kanäle
zu Verbindungsklassen, die potentiell pharmakologische Aktivität besitzen,
zu erzeugen. Solche Extrakte sind uninteressant zu erhalten, können sehr
kleine Konzentrationen an potentiell brauchbaren Verbindungen haben
und enthalten bestenfalls nur Verbindungen, die durch evolutionäre Drücke ausgewählt wurden,
die aber nichts mit der Krankheit zu tun haben, die behandelt werden
soll. Nachdem ein Extrakt identifiziert wurde, liefert das Verfahren
wenig Information über
die Identität
des aktiven Bestandteils.
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Kombinatorische
Chemie bemüht
sich, die große
unterschiedliche Verbindungsfamilie durch Permutation eines relativ
beschränkten
Satzes von Baublockchemikalien zu suchen. Vorzugsweise wird die
kombinatorische Methode identifizierbare Ansammlungen erzeugen,
die eine oder mehrere synthetische Verbindungen enthalten. Diese
Ansammlungen brauchen nicht durch die chemische Struktur der Komponentenverbindungen identifizierbar
zu sein, sollten aber durch die chemische Rezeptur identifizierbar
sein, welche die Verbindungen erzeugte. Diese Ansammlungen werden
dann in einem Assay einer Vorauswahl überprüft, von der angenommen wird,
daß sie
in Wechselbeziehung zu der pharmakologischen Aktivität steht.
Jene Ansammlungen, die vielversprechende Ergebnisse erzielen, werden
weiter geprüft,
um die Komponentenverbindungen zu identifizieren und zu klären, welche
der Komponentenverbindungen für
die Ergebnisse verantwortlich sind.
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Die
Abfolge der Bedingungen, die verwendet wurde, um die aktiven Verbindungen
in einer kombinatorischen Ansammlung zu identifizieren, kann auch
eine kombinatorische Methode einschließen. Beispielsweise könnte die
vielversprechende Ansammlung aus der Umsetzung resultieren, in der
zunächst
ein Gemisch von Verbindungen A, B und C, die nicht miteinander reagieren,
mit Verbindungen D, E und F, die nicht miteinander, aber mit den
Verbindungen A, B oder C reagieren, umgesetzt werden. Zweitens werden
die resultierenden Verbindungen mit Verbindungen G, N und I umgesetzt.
Um die mögliche
Identität
der aktiven Verbindungen in der Ansammlung zu identifizieren, können die
Produkte A-D, A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E und C-F separat
durch kombinatorische Chemie erzeugt werden und separat mit einem
Gemisch von G, N und I umgesetzt werden. Nach dieser Stufe ist die
Unteransammlung aktiv in dem Vorauswahl-Assay, der allgemein eine
begrenztere Familie von Verbindungen enthält.
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Wenn
vielversprechende Moleküle
durch kombinatorische Chemie identifiziert sind, liefern die identifizierten
Moleküle
Informationen, die das Design weiterer kombinatorischer Experimente
unterstützt.
Die vollständige
Anordnung vielversprechender Verbindungen, die durch kombinatorische
Chemie identifiziert wurden, kann wertvolle Information liefern,
um traditionelle pharmazeutische Chemieerfolge zu bewerten.
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Ein
populäres
Werkzeug in dem auftauchenden Gebiet kombinatorischer Chemie ist
jenes, die ersten chemischen Baublöcke an kompaktem Träger, typischerweise
einem Glas- oder Polymerträger,
anzuheften, wie bei den Trägern,
die in der bekannten Merrifield-Methode zum Synthetisieren von Polypeptiden
verwendet werden. Diese Befestigung ergibt einen Mechanismus für rasches
Isolieren von Produkt durch einfaches Wegwaschen von Reaktionspartnern
und verwandten Verunreinigungen sowie Entkopplung des Produktes
von dem Träger.
In einigen Fällen
kann das Trägergekoppelte
Produkt auf pharmakologische Aktivität getestet werden.
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Miniaturisierung
wird gewöhnlich
in der kombinatorischen Chemie verwendet, da: (i) Arbeiter allgemein
Verbindungen suchen, die in kleinen Konzentrationen pharmakologisch
aktiv sind, (ii) bei der Erzeugung einer gewaltigen „evolutionären" Auswahl von Kandidatenmolekülen es bevorzugt
ist, die zahlreichen Reaktionen gut dokumentiert zu haben und vorzugsweise
unter der Regie einer begrenzten Anzahl von Arbeitern Reproduzierbarkeit
der Technik zu erzielen, (ii) es teuer ist, einen ausgedehnten,
synthetischen Chemiekomplex in traditionellem Maßstab zu erzeugen, um eine
ausreichend mannigfaltige Familien von Kandidatenverbindungen zu
erzeugen, und (iv) wesentliche Unruhe entsteht durch die Aussicht,
Assays der Produkte kombinatorischer Chemie in stärker standardisierten
Maßstäben durchzuführen. Miniaturisierung
erlaubt die wirtschaftliche Verwendung von Robotersteuerung und
damit erhöhte
Reproduzierbarkeit.
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Die
oben beschriebenen Einrichtungen von Plättchengröße können ideal für kombinatorische
Chemie sein, die im wesentlichen die Durchführung zahlreicher Chemiereaktionen
einschließt,
verwenden im wesentlichen unter Computersteuerung nur kleine Reagenzmengen
für ihre
Durchführung.
Die akademische Literatur jedoch, die solche Vorrichtungen im Mikromaßstab vertritt,
hat keine geeignet gezogene fundamentale Ergebnisse bei der Durchführung kombinatorischer
Chemie in diesem Maßstab:
beispielsweise, wie handhabt man den Vorgang, Reagenzien durch eine
komplexe Vorrichtung im Mikromaßstab
hin- und herzuführen
und dies ohne wesentliche gegenseitige Verunreinigung, während man
eine komplexe Klasse unterschiedlicher Synthesen gestattet, um in
einer großen
Zahl von Mikromaßstab-Reaktionsbehältern (zum
Beispiel 100 bis 10000) in der Vorrichtung hat? Die vorliegende
Erfindung liefert eine Vorrichtung im Mikromaßstab, die diese Probleme löst.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Nach
einem Aspekt liefert die Erfindung ein Flüssigkeitsverteilungssystem
mit:
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- (a) einer Hindurchführungsplatte (300)
mit Flüssigkeitsquellen
darin,
- (b) einer Verteilungsplatte, die ein Netz von Fluidkanälen mit
Kapillarabmessungen zum Leiten von Flüssigkeit von den Flüssigkeitsquellen
aus zu einer Mehrzahl von Auslässen
an einem oder an mehreren Schächten
hat, wobei gegebenenfalls einer dieser Kanäle mit Kapillarabmessungen,
der durch die Flüssigkeitsquelle
ansprechbar ist, wenigstens einen Auslaß zu einem der Schächte und
für jeden
Auslaß eine
Kapillarbarriere zur Hemmung des Flusses aus dem Auslaß hat, und
- (c) Pumpen für
jeden Auslaß,
in das Substrat eingearbeitet, für
selektives Pumpen von Flüssigkeit
von einer Flüssigkeitsquelle
und aus dem Auslaß heraus,
wobei die Pumpen selektiv arbeiten und wenigstens einer der Schächte Flüssigkeit
von einer ersten der Flüssigkeitsquellen
oder einer zweiten der Flüssigkeitsquellen
in Abhängigkeit
vom Betrieb der Pumpen aufnehmen kann, wobei die Pumpen beispielsweise
zwei Elektrodenansätze
umfassen,
- (d) einer Schachtplatte mit einem oder mehreren Schächten (350),
die lösbar
unter der Verteilungsplatte angeordnet sein können, um jeden Schacht mit
einem Auslaß auszurichten,
- (e) wobei die Verteilungsplatte eine an die Bodenfläche der
Hindurchführungsplatte
dichtend angebrachte obere Oberfläche hat und das zweite Substrat
elektrische Leitungen umfaßt,
die sich durch das zweite Substrat erstrecken, um mit den Pumpen
verbunden zu sein und sie mit Energie zu versorgen.
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Bei
einem anderen Aspekt liefert die Erfindung ein Verteilungssystem,
das in einem Substrat ausgebildet ist, mit In einem Substrat ausgebildetem
Vereilungssystem mit einer Hindurchführungsplatte mit einer alpha-Flüssigkeitsquelle,
einer beta-Flüssigkeitsquelle
und einer Verteilungsplatte mit einem System von Kanälen mit
Kapillarabmessungen, wobei die Verteilungsplatte einen ersten Satz
paralleler und benachbarter erster und zweiter Kapillarzubringerkanäle und einen
zweiten Satz paralleler und benachbarter dritter und vierter Kapillarzubringerkanäle umfaßt, die
gegenüber
den ersten und zweiten Zubringerkanälen versetzt sind, wobei (a)
die ersten und dritten Zubringerkanäle mit der alpha-Flüssigkeitsquelle
durch einen ersten Kapillarverbindungskanal, der oberhalb oder unterhalb
der zweiten und vierten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von
der beta-Flüssigkeitsquelle
sind, und (b) die zweiten und vierten Zubringerkanäle mit der
beta-Flüssigkeitsquelle
durch einen zweiten Kapillarverbindungskanal verbunden sind, der
oberhalb oder unterhalb der ersten und dritten Zubringerkanäle liegt,
und unabhängig
von der alpha-Flüssigkeitsquelle
sind, worin beim Füllen
mit alpha-Flüssigkeitsquelle
mit einer Flüssigkeit
die ersten und zweiten Zubringerkanäle durch Kapillarwirkung über den
ersten Verbindungskanal gefüllt
werden und worin beim Füllen
der beta-Flüssigkeitsquelle mit
einer Flüssigkeit
die dritten und vierten Zubringerkanäle durch Kapillarwirkung über den
zweiten Verbindungskanal gefüllt
weiden.
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Nach
einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Flüssigkeitsverteilungssystem
zum Leiten von Flüssigkeiten
zu zwei oder mehr Schächten
mit:
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- (a) drei oder mehr Platten, von denen jede
eine Deckplatte und eine Bodenplatte hat, einschließlich (i)
einer ersten Platte und einer zweiten Platte mit einem oder mehreren
Schächten
und (ii) eine oder mehrere Verteilungsplatten, die ein Verteilungssubstrat
begrenzen, hat, jede Verteilungsplatte Spitze an Boden verbunden
ist, wobei die Spitze des Verteilungssubstrats mit dem Boden der
ersten Platte verbunden ist und der Boden des Verteilungssubstrats
mit der Spitze der zweiten Platte verbunden ist, und worin das Verteilungssubstrat
wenigstens zwei erste Flüssigkeitsquellen
umfaßt,
- wenigstens ein erstes Zubringerkanalsegment mit Kapillarabmessungen
mit jeder ersten Quellen verbunden ist, jedes erste Zubringerkanalsegment
entlang einer ersten Verbindung von zweien dieser Platten gebildet
wird, und wenigstens ein Verteilungskanal mit Kapillarabmessungen
mit jedem Zubringerkanal verbunden ist und entlang einer zweiten
Verbindung, von der ersten unterscheidbar, von zweien dieser Platten gebildet
ist, wobei jeder Verteilungskanal mit einem Zubringerkanal verbunden
ist und eine Projektion wenigstens eines Verteilungskanals auf der
ersten Verbindung einen anderen Zubringerkanal schneidet,
- worin das Füllen
jeder ersten Quelle mit einer Flüssigkeit
dazu führt,
daß durch
Kapillarwirkung die verbundenen ersten Zubringerkanalsegmente und
verbundenen Verteilungskanäle
gefüllt
werden, und worin die Schächte
durch die Flüssigkeitsquellen über die
ersten Zubringerkanalsegmente, die Ausdehnungskanäle und die
verbundenen Verteilungskanäle
gelenkt werden und worin wenigstens ein Schacht auf der zweiten Platte
durch zwei oder mehrere der Flüssigkeitsquellen über separate
Zubringerkanäle
und Verteilungskanäle
lenkbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Flüssigkeitsverteilungssystem,
das in einer Reihe von Kontexten brauchbar ist, einschließlich der
Durchführung
verschiedener synthetischer, diagnostischer und Arzneimittelvorprüfreaktionen.
Das Verteilungssystem kann ein alpha-Reservoir und ein beta-Reservoir,
einen ersten Satz paralleler und benachbarter erster und zweiter
Zubringerkanäle
sowie einen zweiten Satz paralleler und benachbarter dritter und
vierter Zubringerkanäle
umfassen, worin (a) die ersten und dritten Zubringerkanäle mit dem
alpha-Reservoir über
einen ersten Verbindungskanal verbunden sind, der oberhalb oder
unterhalb der zweiten und vierten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von
dem beta-Reservoir sind, und worin (b) die zweiten und vierten Zubringerkanäle mit dem
beta-Reservoir über
einen zweiten Verbindungskanal verbunden sind, der oberhalb oder
unterhalb der ersten und dritten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von
dem alpha-Reservoir sind. Das Verteilungssystem ist vorzugsweise
ein Verteilungssystem im Mikromaßstab.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt ein System von Kanälen für eine von
hundert Reaktionszellen mit einer von vier Fluiden.
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2 zeigt eine Verteilungsplatte
nach der Erfindung.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung
eines Teils der Verteilungsplatte von 1.
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4A zeigt eine Kapillarbarriere
zwischen einem ersten Verteilungskanal und einem Pufferkanal.
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4B zeigt eine Kapillarbarriere
zwischen einem ersten Verteilungskanal und einem Pufferkanal und eine
andere Kapillarbarriere zwischen einem Pufferkanal und einem vertikalen
Kanal.
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5 zeigt in drei Dimensionen
verschiedene weggebrochene Darstellungen der Hindurchführungsplatte,
der Verteilungsplatte und der Reaktionszellenplatte eines Verteilungssystems
nach der Erfindung.
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6A zeigt einen Querschnitt
entlang einer EW-Achse durch einen Verteilungskanal.
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6B zeigt einen Querschnitt
entlang einer EW-Achse durch ein erstes Reservoir.
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7 ist eine Draufsicht auf
einen Teil einer Verteilungsplatte.
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8 zeigt ein Spannungs-Impulsbild,
das verwendet wird, um eine Pumpe auf Elektrodenbasis mit Energie
zu versorgen, die in dem Flüssigkeitsverteilungssystem
der Erfindung brauchbar ist.
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9 erläutert schematisch ein Flüssigkeitsverteilungssystem
des bevorzugten Flüssigkeitsfluß-Verteilungssystems.
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10A und 10B zeigen Querschnittsdarstellungen
eines Flüssigkeitsverteilungssystems
des bevorzugten Flüssigkeitsfluß-Verteilungssystems.
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11 zeigt eine schematische
Draufsicht auf ein Flüssigkeitsverteilungssystem
des bevorzugten Flüssigkeitsfluß-Verteilungssystems.
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12 zeigt eine Draufsicht
auf ein Flüssigkeitsverteilungssystem
des Ausdehnungsventil-Flüssigkeitsverteilungssystems.
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13A bis 13C zeigen Querschnittdarstellungen verschiedener
Ausführungsformen
des Ausdehnungsventil-Flüssigkeitsverteilungssystems.
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14 zeigt eine Draufsicht
auf einen Teil eines Flüssigkeitsverteilungssystems
auf Elektrodenbasis.
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15A und 15B erläutern Reaktionszellengestaltungen.
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16A bis 16D zeigen verschiedene Kapillarbarrierengestaltungen.
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17 zeigt eine Vorrichtung
zur Durchführung
von feldunterstützter
Plattenbindung.
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18A und 18B zeigen eine Kanalvorrichtung mit
Pumpen auf Elektrodenbasis.
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19 zeigt die Gestaltung
eines Flüssigkeitsverteilungssystems
gemäß dem hydrologischen
Flüssigkeitsverteilungssystem.
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20 zeigt eine Reaktionszelle
mit einem Erhitzer und einem Thermoelement. 21A und 21B zeigen
eine Ventilgestaltung.
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Definitionen
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Die
folgenden Begriffe sollen die nachfolgend angegebene Bedeutung haben:
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– Adressierbar
-
eine
Reaktionszelle oder ein Kanal ist „adressierbar" durch ein Reservoir
oder einen anderen Kanal, wenn Flüssigkeit von dem Reservoir
oder anderen Kanal zu der Reaktionszelle oder dem Kanal gelenkt
werden kann.
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– Benachbart
-
„benachbart", wie in diesen Situationen
vennrendet: (i) eine erste Struktur in einer der Platten ist benachbart
zu einer zweiten Struktur in der gleichen oder einer anderen Platte,
wenn die vertikale Projektion der ersten Struktur auf die Platte
der zweiten Struktur über
der ersten Struktur auf der zweiten liegt oder sie innerhalb etwa
250 µm
von der zweiten plaziert und (ii) Gruppierungen zweier oder mehrerer
Kanäle
sind benachbart zueinander, wenn jeder Kanal in im wesentlichen
derselben horizontalen Ebene liegt und alle bis auf die äußeren beiden
Kanäle
in der Gruppierung (im gleichen Sinne wie oben in (i) definiert)
zu den Nachbarkanälen in
der Gruppierung benachbart sind. Vorzugsweise ist unter (i) eine
erste Struktur benachbart zu einer zweiten Struktur, wenn die vertikale
Projektion der ersten Struktur auf die Platte der zweiten Struktur über der
ersten Struktur auf der zweiten liegt oder sie innerhalb etwa 150 µm der zweiten
plaziert ist.
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– Kapillarabmessungen
-
Abmessungen,
die Kapillarfluß einer
Flüssigkeit
begünstigen.
Typischerweise sind Kanäle
von Kapillarabmessungen nicht breiter als etwa 1,5 mm. Bevorzugt
sind Kanäle
nicht breiter als etwa 500 µm,
doch noch stärker
bevorzugt nicht breiter als etwa 250 µm, noch stärker bevorzugt nicht breiter
als etwa 150 µm.
-
– Kapillarbarriere
-
eine
Barriere für
Fluidfluß in
einem Kanal mit einer Öffnung
des Kanals in einen größeren Raum,
der dazu bestimmt ist, die Bildung zu begünstigen durch Flüssigkeit
in dem Kanal mit einer Energie minimierenden Flüssigkeitsoberfläche, wie
einem Meniskus an der Öffnung.
Vorzugsweise schließen
Kapillarbarrieren einen Stau ein, der sich in der vertikalen Höhe des Kanals
unmittelbar vor der Öffnung
in den größeren Raum
erhebt.
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– Verbunden
-
die
Kanäle,
Reservoirs und Reaktionszellen der Erfindung sind „verbunden", wenn es einen Weg
gibt, der Fluid zwischen ihnen gestattet, wobei dieser Weg nicht
die Verwendung einer Reaktionszelle als Teil des Verbindungsgliedes
einschließt.
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– Kanal
mit kontinuierlichem Fluß
-
ein
Kanal mit einem Überlaufauslaß, der erlaubt,
daß Fluid
kontinuierlich durch den Kanal fließt.
-
– Direkt
verbunden
-
Reservoirs
und horizontale Kanäle
sind „direkt
verbunden", wenn
sie verbunden sind und entweder (1) einen anderen Kanal zwischen
sich haben oder (2) nur ein einzelner vertikaler Kanal zwischen
ihnen eingeschaltet ist.
-
– Ausdehnungsventil
-
eine
expandierbare Kammer, verbunden mit einem Fluidkanal, wobei die
Kammer (a) mit einem Gas oder einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt
innerhalb von etwa 10°C
der beabsichtigten Arbeitstemperatur des Flüssigkeitsverteilungssystems
und (b) mit einem verbundenen Heizelement zum Erhitzen der ausdehnbaren
Kammer, um die Flüssigkeit
zum Sieden zu bringen oder das Gas so zu expandieren, daß genügend Expansion
der expandierbaren Kammer bewirkt, daß ein Querschnitt des Fluidkanals
gefüllt
wird.
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– Lochdurchmesser
-
da
Techniken zur Herstellung kleiner Löcher oftmals Löcher erzeugen,
die an einem Ende größer als am
anderen Ende sind (beispielsweise etwa 50 Mikron breiter), betreffen
Lochdurchmesserwerte hier den engsten Durchmesser.
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– horizontal,
vertikal EW, NS
-
Anzeichen
der Orientierung eines Teils des Verteilungssystems beziehen sich
auf die Orientierung, wenn die Vorrichtung in Verwendung ist. Die
Angaben „EW-Achse" und „NS-Achse" sind Bezugszeichen
von 1, 2, 3 und 7, wo eine EW-Achse von rechts
nach links geht und senkrecht zu der Längsachse der Seite ist und
eine NS-Achse vom Boden parallel zu der langen Achse der Seite geht.
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– Unabhängig
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Kanäle, Reservoirs
und Reaktionszellen, die nicht verbunden sind.
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– Versetzt
-
zwei
Sätze von
Kanälen
sind „versetzt", wenn keiner der
Kanäle
in dem ersten benachbart zu einem der Kanäle in dem zweiten Satz sich
befindet.
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– Offene
Zone
-
ein
Bereich eines Kanals, der sich erweitert, um den Fluß-induzierten
Druck eines Fluids zu senken, das durch den Kanal fließt.
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– Senkrecht
-
Kanäle in der
Verteilungsplatte sind senkrecht, selbst wenn sie primär auf getrennten
horizontalen Ebenen liegen, wenn ihre vertikalen Vorsprünge auf
der gleichen horizontalen Ebene senkrecht sind.
-
– Reservoir
-
wenn
nicht eine andere Bedeutung aus dem Kontext ersichtlich ist, schließen die
Begriffe „Reservoir" und „Fluidreservoir" Kanäle mit horizontaler
Erstreckung (manchmal einfach als „Erstreckung" bezeichnet), direkt
mit dem Reservoir oder Fluidreservoir verbunden, ein.
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– Erstreckungskanäle des zweiten
Reservoirs
-
diese
Erstreckungskanäle
schließen
die Verteilungskanäle
ein, die von diesen Erstreckungskanälen abzweigen können.
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– Im wesentlichen
die Länge
einer der horizontalen Abmessungen
-
wenigstens
etwa 70% der größeren (zum
Bei- spiel die EW-
oder NS-Abmessungen, die in den Figuren erläutert sind) horizontalen Abmes-
der Verteilungsplatte sungen
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– U-auslotender
Kanal
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ein
Kanal, der dazu bestimmt ist, wenigstens zwei Kanäle oder
Reservoirs derart zu verbinden, daß der Flüssigkeitsspiegel in einem der
verbundenen Kanäle
oder Reservoirs sich mit dem Flüssigkeitsspiegel
in den anderen verbundenen Kanälen
oder Reservoirs infolge der hydrologischen Kräfte ausgleicht. U-auslotende
Kanäle
haben typischerweise vertikale Kanäle, die Kanäle oder Reservoirs, die in
einer höheren
vertikalen Ebene liegen, mit einem im wesentlichen horizontalen
Kanalsegment des U -Auslotkanals verbinden, welcher letzterer in
einer unteren Ebene liegt und diese vertikalen und horizontalen
Segmente zusammen den U-Auslotungskanal umfassen. Die Zubringerkanäle nach
der Erfindung sind typischeiweise U-Auslotungskanäle.
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Detaillierte
Beschreibung
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Eine
Version der Erfindung ist ein hydrologisches Flüssigkeitsverteilungssystem
mit einer Verteilungsplatte, die wenigstens zwei erste Reservoirs
mit einem gemeinsamen ersten Füll-Level,
wenigstens einem Zubringerkanal, der mit jedem der ersten Reservoirs
verbunden ist und sich von dort aus erstreckt, wobei jeder Zubringerkanal
ein horizontales Zubringerkanalsegment hat, worin das obere Ende
des horizontalen Zubringerkanalsegments unter dem ersten Füll-Level
sich befindet, wenigstens einem Verteilungskanal, der mit jedem
Zubringerkanal mit einem zweiten Füll-Level bei im wesentlichen
der gleichen Höhe
wie der erste Füll-Level,
und einer ersten Flüssigkeitslevelhaltenden
Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitslevels bei dem ersten
Füll-Level,
worin das Befüllen
eines jeden ersten Reservoirs bis zu dem ersten Füll-Level
zum Füllen
des verbundenen Zubringerkanals und zum Befüllen der verbundenen Verteilungskanäle bis zu
dem zweiten Füll-Level führt. Die
Verteilungskanäle
haben vorzugsweise wenigstens eine Kapillarbarriere.
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Die
Verteilungsplatte ist vorzugsweise mit einer Hindurchführungsplatte
gekoppelt, die auf die Verteilungsplatte paßt und Kanäle oder Leitungen bereitstellt,
die den Durchgang von Flüssigkeiten
oder elektrischen Leitungen durch sie bis zu der Verteilungsplatte
erlauben. Eine lösbare
Reak tionszellenplatte ist vorzugsweise unter der Verteilungsplatte
angekoppelt und beinhaltet eine oder mehrere, stärker bevorzugt zwei oder mehr,
Reaktionszellen, in welche Flüssigkeiten
aus wenigstens zwei Reservoirs über
die Verteilungsplatte verteilt werden können. Die Reaktionszellenplatte
enthält
vorzugsweise etwa 100 oder mehr Reaktionszellen, von denen jede
durch wenigstens zwei Reservoirs adressierbar ist. Stärker bevorzugt
enthält
die Reaktionszellenplatte etwa 1000 oder mehr Reaktionszellen, von
denen jede durch wenigstens zwei Reservoirs adressierbar ist. Noch
stärker
bevorzugt enthält
die Reaktionszellenplatte etwa 10.000 oder mehr Reaktionszellen, von
denen jede durch wenigstens zwei Reservoirs adressierbar ist.
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Die
Verteilungsplatte hat vorzugsweise mehrere erste Reservoirs. Die
ersten Reservoirs können
einen Reservoirprimäranteil
und ein oder mehrere Reservoirerstreckungskanäle haben, die vorzugsweise
zusammen sich entlang im wesentlichen der Länge einer der horizontalen
Abmessungen der Verteilungsplatte erstrecken. Zwei oder mehr solcher
erstreckten ersten Reservoirs sind vorzugsweise entlang einer Seite
der Verteilungsplatte benachbart und parallel angeordnet. Bei einigen
Ausführungsformen
ist es erwünscht,
Flüssigkeit aus
zwei oder mehreren solcher paralleler Reservoirs zu jeder der beiden
oder mehreren Reaktionszellen zu überführen, die entlang einer im
wesentlichen geraden Linie („linearen" Reaktionszelle)
angeordnet sind. Um diese Überführung der
Flüssigkeit
durchzuführen,
erstreckt sich vorzugsweise ein erster Zubringerkanal von dem parallelen
ersten Reservoir aus, welches der Kante der Verteilungsplatte am
nächsten
liegt, und unter den im Inneren liegenden parallelen ersten Reservoirs,
während
getrennte Zubringerkanäle,
die in Nachbarschaft zu dem ersten Zubringerkanal und parallel zu
ihm sich von den im Inneren liegenden parallelen ersten Reservoirs
und unter anderen ersten Reservoirs verlaufen, wenn es erforderlich
ist, die Entmischung der Flüssigkeiten
in den Reservoirs beizubehalten. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
sind benachbart zu der Lage einer jeden der linearen Reaktionszellen
ein Verteilungskanal für
ein jedes derartiges erstes Reservoir vorhanden, wobei ein solcher
Verteilungskanal mit einem separaten der parallelen Zubringerkanäle verbunden
ist. So bilden die Verteilungskanäle, die in Nachbarschaft zu
einer Reaktionszelle liegen, ein „Bündel" von Verteilungskanälen. Bei Verwendung von Pumpen,
die in jedem der gebündelten
Verteilungskanäle
angeordnet sind, und von Leitungen von jedem gebündelten Verteilungskanal aus
zu der benachbarten Reaktionszelle kann Flüssigkeit von jedem der getrennten
ersten Reservoirs zu irgendeiner der linearen Reaktionszellen verteilt
werden.
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Jeder
Verteilungskanal enthält
vorzugsweise wenigstens eine Pumpe, die vorzugsweise zwei oder drei Elektroden
umfaßt.
Um die Pumpen in einer geeigneten Sequenz zu betätigen, ist das Verteilungssystem
der Erfindung vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung verbunden,
die jede der Pumpen steuert. Bevorzugte Pumpen mit zwei Elektroden
arbeiten be3vorzugt durch Anlegen eines gepulsten Spannungsprogramms,
das zum Bewegen der Flüssigkeit,
die gepumpt werden soll, geeignet ist. Vorzugsweise enthält die Steuereinrichtung
einen Datenspeicher, der eine Datenbank von Pumpprogrammen umfaßt, die
Parameter erkennen lassen, wie die Impulslänge, die Spannungsamplitude,
die Impulsform und die Spannungspolarität, die zur Bewegung jeder von
einer Mehrzahl von Flüssigkeiten
geeignet sind.
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Die
Erfindung betrifft ein bevorzugtes System zur Verteilung von fließender Flüssigkeit,
und dieses ist beispielsweise zur Durchführung von Reaktionen für chemische
Synthesen oder chemische Reaktionen in einem Assay geeignet, wobei
das Verteilungssystem zwei oder mehr kontinuierliche Fließkanäle umfaßt, von
denen jeder ein Aufstromende und ein Abstromende hat, wobei die
kontinuierlichen Fließkanäle eine
offene Zone an dem Abstromende haben, für jeden kontinuierlichen Fließkanal einen
Verzweigungskanal, der sich von jenem kontinuierlichen Fließkanal in
der offenen Zone erstreckt, und für jeden kontinuierlichen Fließkanal eine alpha-Verengungseinrichtung
zum Verengen des Flusses in der offenen Zone, wobei die alpha-Verengungseinrichtung
abstromwärts
von dem Verzweigungskanaleinlaß liegt,
wobei, wenn eine Flüssigkeit
durch einen der kontinuierlichen Fließkanäle von dem ersten zu dem zweiten
Ende fließt,
eine erste Verhältnismenge
an Fluid in den Verzweigungskanal umgelenkt wird, wenn die alpha-Verengungseinrichtung
nicht arbeitet, und eine zweite Verhältnismenge, die größer als
die erste Verhältnismenge
ist, in den Verzweigungskanal fließt, wenn die alpha-Verengungseinrichtung
in Betrieb ist. Vorzugsweise sind die Verzweigungskanaleinlässe innerhalb
von etwa 300 Mikron des Aufstrompunktes, an welchem die offene Zone
beginnt. Vorzugsweise hat das Verteilungssystem für wenigstens
einen Verzweigungskanal eine beta-Einengungseinrichtung, wobei das Verteilungssystem
einen Pufferkanal hat, der durch wenigstens zwei kontinuierliche
Fließkanäle über ihre
verbundenen Verzweigungskanäle
adressierbar ist.
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Die
Erfindung betrifft zusätzlich
ein Flüssigkeitsverteilungssystem
mit Expansionsventil, das aus einer Reaktionszelle, zwei oder mehr
Zubringerkanälen,
einer getrennten Leitung für
jeden Zubringerkanal, der jenen Zubringerkanal mit der Reaktionszelle
verbindet, und einem Expansionsventil für jede Leitung, worin das Expansionsventil
einen expandierten Zustand hat, der einen Querschnitt der Leitung
füllt und
Fluidfluß durch die
Leitung verhindert, sowie einen kontrahierten Zustand hat, der Fluidfluß durch
die Leitung zuläßt. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
haben Leitungen zwei oder mehr, vorzugsweise drei oder mehr, Expansionsventile,
die im Konzert arbeiten können,
um Flüssigkeit
aus dem verbundenen Zubringerkanal in die Reaktionszelle zu pumpen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Flüssigkeitsverteilungssystem
auf Elektrodenbasis, das aus (a) einem oder mehreren, vorzugsweise
zwei oder mehreren, Zubringerkanälen
besteht, von denen jeder aus einem Zubringerkanaleinlaß und einem
Zubringerkanalauslaß sowie,
verbunden mit jedem dieser Zubringerkanäle, einem Verteilungskanal
besteht, wobei jeder Verteilungskanal eine Dreiwegverbindung hat,
die einen Zubringerkanaleinlaß,
einen Zubringerkanalauslaß und
den verbundenen Verteilungskanal miteinander verbindet, wobei der
Verteilungskanal mit einer Reaktionszelle verbunden ist, (b) für jede derartige
Dreiwegverbindung eine erste Pumpe auf Elektrodenbasis in dem Zubringerkanal,
der mit dem Zubringerkanaleinlaß oder
-auslaß und
(c) für
jede derartige Dreiwegverbindung eine zweite Pumpe auf Elektrodenbasis
in dem Verteilungskanal, wobei die an die erste Pumpe auf Elektrodenbasis
und die zweiten Pumpen auf Elektrodenbasis angelegten Spannungen
so gewählt
werden können
(i), daß Fluid
in einem der Zubringerkanäle
von dem Zubringerkanaleinlaß zu
dem Zubringerkanalauslaß des
Zubringerkanals ohne wesentlichen Fluß in den verbundenen Verteilungskanal
oder (ii) derart bewegt werden können,
daß die
wesetliche Flußmenge über den
verbundenen Verteilungskanal geht.
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A. Grundlegendes Flüssigkeitsverteilungssystem
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Die
Erfindung betrifft Verfahren, die eine große Zahl von Reaktionszellen 350 mit
einer Mehrzahl von Fluidreservoirs 200 (siehe 1 und 2) adressieren. In 1 sind Reservoirs 200A – 200D mit
Reservoir-Ausdehnungskanälen 212A – 212D über erste
Verbindungskanäle 211A bzw. 211
D verbunden. Die Decken von ersten Verbindungskanälen 211A – 211
D sind in einer niedrigeren horizontalen Ebene als die Böden von
Ausdehnungskanälen 212A – 212D angeordnet,
wodurch man beispielsweise gewährleistet,
daß Fluid
aus dem Reservoir 200B nicht in den Ausdehnungskanal 212A ausleckt,
welcher mit dem Reservoir 200A verbunden ist. Jeder erste
Verbindungskanal 211A – 211D verbindet
seine jeweilige Reservoirausdehnung 212A – 212D über vertikale
Kanäle
(nicht gezeigt). Verbunden mit Ausdehnungskanälen 212A – 212D sind
erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Sätze über vertikale Kanäle (nicht
erläutert).
Verbunden mit Ausdehnungskanälen 212A – 212D sind
erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Sätze 213A – 213E von
ersten, zweiten, dritten und vierten Zubringerkanälen 212A – 212D. Über diese
Ausdehnungskanäle
kann Fluid aus jedem der vier ersten Fluidreservoirs 200A – 200D zu
einer Stelle in Nachbarschaft zu irgendeiner der 100 Reaktionszellen 350 gebracht werden,
in welche das Fluid unter der Steuerung von Pumpen oder Ventilen,
wie nachfolgend beschrieben, bewegt werden kann. Man bemerke, daß Reaktionszellen 350 in
einer niedrigeren horizontalen Ebene als erste, zweite, dritte und
vierte Zubringerkanäle 216A – 216D angeordnet
sind. Andere Geometrien, durch welche eine große Anzahl von Reaktionszellen
durch abgetrennte Flüssigkeitsreservoirs
adressiert werden können, sind
nachfolgend beschrieben.
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Merkmale
anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben
sind, können
auf diese Ausführungsform
angewendet werden, ungeachtet, unter welcher Überschrift sie beschrieben
sind. Es wird verständlich
sein für
den Fachmann, daß,
obwohl die Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf Kanäle beschrieben sind, die in
orthogonalen Winkeln verbunden sind, auch andere Winkel möglich sind. In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung beträgt
die Arbeitsfließgeschwindigkeit
(d.h. die Fließgeschwindigkeit,
wenn die geeigneten flußinduzierenden
Mechanismen aktiviert sind) von einem bestimmten Reservoir (zum
Beispiel dem ersten Fluidreservoir 200) zu einer bestimmten
Reaktionszelle 350 etwa 0,01 µl/Min. bis etwa 10 µl/Min in,
stärker
bevorzugt von etwa 0,1 µl/Min.
bis etwa 0,3 µl/Min.
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B. Hydrologisches Flüssigkeitsverteilungssystem
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i. Verteilungs-, Hindurchführungs-
und Reaktionszellenglatten
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Typischerweise
werden die Flüssigkeitsverteilersysteme
nach der Efindung von wenigstens drei Platten gebildet, einer Hindurchführungsplatte 300,
einer Verteilungsplatte 310 und einer Reak tionszellenplatte 320.
Die Hindurchführungsplatte 300 ist
typischerweise an die Verteilungsplatte 310 unter Verwendung
einer der nachfolgend beschriebenen Methoden gebunden. Die Reaktionszellenplatte 320 wird
typischerweise entfernbar auf die Unterseite der Verteilungsplatte 310 oder
die Unterseite einer Zwischenplatte 330 (nicht erläutert) zwischen
die Verteilungsplatte 310 und die Reaktionszellenplatte 320 zwischengeschaltet.
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2 zeigt das Layout einer
Verteilungsplatte 310 nach der Erfindung. 3 zeigt eine auseinandergedehnte Darstellung
eines Teils einer Verteilungsplatte 310, die besser einige
der Merkmale erläutert,
welche durch den Maßstab
von 2 verdunkelt werden.
Typischerweise werden die Strukturen, die in durchgezogenen Linien
angegeben sind, in der Deckschicht der Verteilungsplatte 310 gebildet,
während
die Strukturen, die mit gestrichelten Linien angegeben sind, in
der Bodenschicht der Verteilungsplatte 310 gebildet werden,
ausgenommen, daß in 2 die Reaktionszellen 350 durch
Kästchen
mit durchgezogenen Linien angegeben sind, obwohl diese Strukturen
in einer unteren Ebene angeordnet sind. Wenn geeignet, verbinden
vertikale Kanäle
die Strukturen in der Spitze der Verteilungsplatte 310 mit
jenen im Boden. Bequemlichkeitshalber ist die Achse von der Spitze
der Darstellung zum Boden als die NS-Achse bezeichnet, während die
Achse von rechts nach links die EW-Achse ist.
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An
der Spitze von 2 sind
vier erste Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000 und 200D,
wobei jedes eine definierte Füllhöhe hat.
Jedes dieser ersten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000 und 200D hat
zwei erste Reservoirfortsätze 212,
die sich entlang im wesentlichen der gesamten EW-Achse der Verteilungsplatte 310 erstrecken.
Die Decken der ersten Reservoirfortsätze 212 sind vorzugsweise
bei im wesentlichen der gleichen Höhe wie der erste Füll-Level.
Bei fünf übereinandergestapelten
Stellen, A1, B1, C1, D1 und E1, entlang der EW-Achse der ersten
Reservoirfortsätze 212 gibt
es vier erste Vertikalkanäle 214 (siehe 5 und 6B), die die ersten Reservoirfortsätze 212 mit
vier ersten horizontalen Zubringerkanalsegmenten 216 verbinden,
welche in der Bodenschicht der Verteilerplatte 310 ausgebildet
sind. An jedem übereinanderliegenden
Platz erstrecken sich A1, B1, C1, D1 oder E1, vier benachbarte erste
horizontale Zubringerkanalsegmente 216, die verbunden sind,
um erste Reservoirfortsätze 212 zu
trennen, entlang einer NS-Achse zu zehn Positionen, A2, B2, C2,
D2, E2, F2, G2, N2, I2 und J2. Jede Position A2, B2, C2, D2, E2,
F2, G2, I2oder J2 entlang dem Weg eines jeden solchen Satzes von
vier benachbarten horizontalen Zubringerkanalsegmenten 216 ist
in Nachbarschaft zu einem Paar von Reaktionszellen 350 (siehe 5 und 6B). In diesen Positionen A2, B2, C2,
D2, E2, F2, G2, N2, I2 oder J2 sind die vier benachbarten ersten
horizontalen Zubringerkanalsegmente 216 getrennt über separate
zweite Vertikalkanäle 225 (siehe 4A, 4B, 5 und 6A) mit jeweils vier senkrechten
ersten Verteilungskanälen 222 verbunden,
die in der Deckschicht der Verteilungsplatte 310 ausgebildet
sind. Die Decken der ersten Verteilungskanäle 222 definieren
einen zweiten Füll-Level,
der typischerweise im wesentlichen die Höhe des ersten Füll-Levels
hat. Der Füll-Level
eines Verteilerkanals (zum Beispiel der zweite Füll-Level) ist im „wesentlichen" der Füll-Level
des verbundenen Reservoirs (zum Beispiel der erste Füll-Level),
wenn sie vertikal um nicht mehr als etwa 10% der Tiefe des Kanals
versetzt sind. Selbst wenn die Füllhöhen weiter
vertikal versetzt sind, sind sie noch im wesentlichen die gleichen
beim Füllen
des Reservoirs, bis seine Füllhöhe beim Füllen des
verbundenen Verteilungskanals und der Rückhaltung von Fluid in dem
verbundenen Verteilungskanal resultiert (zum Beispiel Rückhaltung
infolge der Kapillarbarrieren, die weiter unten unter Bezugnahme
auf 4A beschrieben sind).
Die Kombination eines ersten vertikalen Kanals 214, der
mit einem horizontalen Zubringerkanalsegment 216 verbunden
ist, welches seinerseits mit einem zweiten vertikalen Kanal 225 verbunden
ist, bildet einen ersten Zubringerkanal 217 (nicht in den
Figuren identifiziert).
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Wenn
Flüssigkeiten
bei einem definierten ersten Level in einem ersten Fluidreservoir 200 gehalten werden,
dann wird im wesentlichen der gleiche Level in den ersten Verteilungskanälen 222 beibehalten,
die mit jenem ersten Fluidreservoir 200 über erste
Zubringerkanäle 217 verbunden
sind. Diese Angleichung erfolgt infolge des Prinzips, daß zwei verbundene
Flüssigkeitskörper die
Neigung haben, den gleichen Level zu finden, und wenn die Größe der Kanäle es erlaubt,
infolge des Kapillarflusses. Flüssigkeiten
werden auf einem definierten Level in den ersten Fluidreservoirs
definiert. In der dargestellten Ausführungsform wird Flüssigkeit in
das Fluidreservoir 200 durch Kanäle in der Hindurchführungsplatte 300 eingespeist,
und solche Flüssigkeit, die
nicht benötigt
wird, um die Fluidreservoirs auf den definierten Level zu füllen, wird
durch Abläufe 380 ablaufen
gelassen. Erste Öffnungen 381 (nicht
gezeigt) werden in der Bodenschicht der Hindurchführungsplatte 300 gebildet,
um eine Flüssigkeitsverbindung
oder eine Schleuse zwischen den ersten Fluidreservoirs 300 und den
Abläufen 380 zu
erzeugen. Flüssigkeiten
werden konstant in die ersten Fluidreservoirs 200 eingespeist (und
als die zweiten Fluidreservoirs 210 und die dritten Fluidreservoirs 220)
typischerweise durch die Verwendung einer äußeren Pumpe 15 (nicht
gezeigt), wie das Modell Nummer 205U einer Multikanalkassettenpumpe, die
bei Watson-Marlow, Inc. erhältlich
ist.
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Alternativ
kann ein definierter Level aufrechterhalten werden, indem man den
Flüssigkeitslevel
in den ersten Fluidreservoirs 200 (oder zweiten Fluidreservoirs 210 oder
dritten Fluidreservoirs 220) durch Überwachung aufrechterhält und nur
die Flüssigkeit
an ein bestimmtes Fluidreservoir liefernden Pumpen aktiviert, wenn
sie benötigt
werden, den definierten Level beizubehalten.
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Jeder
Satz von vier benachbarten ersten Verteilungskanälen 222 ist zwei Pufferkanälen 218 benachbart,
die an jeder Seite der ersten Verteilungskanäle 222 entlang der
EW-Achse angeordnet sind. Flüssigkeit kann
von einem ersten Verteilungskanal 222 in den benachbarten
Pufferkanal 218 durch Aktivierung der ersten Pumpe 360 (in 3 durch zwei angegeben,
welche die Elektroden einer Pumpentype repräsentieren) des ersten Verteilungskanals 222 gepumpt
werden. Dieses Pumpen erzeugt zusätzlichen Druck, der die Flüssigkeit über die
Kapillarbarriere 370 (siehe 4A, 4B und 5) bewegt, wobei der erste Verteilungskanal 222 und der
Pufferkanal 218 getrennt werden. Zwischen jedem ersten
Verteilungskanal 222, zweiten Verteilungskanal 224 oder
dritten Verteilungskanal 226 und dem jeweils benachbarten
dritten vertikalen Kanal 390 (nachfolgend beschrieben),
ist eine solche Kapillarbarriere 370, die den Flüssigkeitstluß hemmt,
wenn die Pumpen nicht aktiviert sind. Zweite Öffnungen 362 (siehe 4A und 4B) werden in der Bodenschicht der Hindurchführungsplatte 300 gebildet,
um eine Flüssigkeitsverbindung
oder Schleuse zwischen den ersten Verteilungskanälen 222 und den Pufferkanälen 218 zu
erzeugen. Aus einem Pufferkanal 218 kann Flüssigkeit
unter Verwendung einer zweiten Pumpe 361 (in 3 durch zwei Kreischen an gegeben,
welche die Elektroden einer Pumpentype repräsentieren) zu einem dritten
vertikalen Kanal 390 gepumpt werden, der mit einer Reaktionszelle
in der Reaktionszellenplatte 320 verbunden ist. Dritte Öffnungen 363 (siehe 4A und 4B) in der Bodenschicht der Hindurchführungsplatte 300 oder
der Verteilungsplatte 310 dienen dazu, eine Flüssigkeitsverbindung
oder Schleuse zwischen den Pufferkanälen 218 und dritten
vertikalen Kanälen 390 zu
erzeugen.
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4A erläutert eine Kapillarbarriere 370,
bei der ein Meniskus 371 gebildet ist an der Verbindung
zwischen einem ersten Verteilungskanal 222, der Flüssigkeit 11 enthält, und
einem Pufferkanal 218 oder einem dritten vertikalen Kanal 390.
Der Meniskus 317, der an dem Auslaß des ersten Verteilungskanals 222 in
dem Pufferkanal 218 gebildet ist, wird dazu neigen, ein
Versickern aus dem ersten Verteilungskanal 222 zu verhindern.
Ein solches Versickern kann die Folge von Kapillarkräften sein. 4B zeigt in einer Abwandlung
des Verteilungssystems, welches in den 2und 3 erläutert ist,
Kapillarbarrieren 370 an der Verbindung zwischen erstem
Verteilungskanal 222 und Pufferkanal 218 und an
der Verbindung zwischen Pufferkanal 218 und drittem vertikalem
Kanal 390. Gezeigt sind auch die erste Elektrode 360A und
die zweite Elektrode 360B, welche die erste Pumpe 360 vervollständigen,
und die dritte Elektrode 361A und die vierte Elektrode 361B,
welche die Pumpe 361 vervollständigen. In einigen Ausführungsformen
gibt es Öffnungen
(nicht erläutert),
die sich durch die Hindurchführungsplatte 300 an
den oberen Enden des Pufferkanals 218 oder dritter vertikaler
Kanäle 390 erstrecken.
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Man
bemerke, daß nur
eine kleine Entfernung von NS-orientierten horizontalen Zubringerkanalsegmenten 216 in
den 4A und 4B gezeigt ist. Typischerweise
erstrecken sich diese Kanäle
einwärts
und auswärts
von der erläuterten
Entfernung und stehen mit zusätzlichen
ersten Verteilungskanälen 222 in
Verbindung, die so angeordnet sind, daß sie Flüssigkeit zu anderen Reaktionszellen 350 verteilen.
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Entlang
der rechten Seite der Verteilungsplatte 310 sind zehn zweite
Fluidreservoirs an der EW-Achse. Zweite Verteilungskanäle 224 bilden „L"-Fortsätze von
zweiten Reservoirfortsätzen 240 und
sind jeweils in Nachbarschaft zu einem separaten Pufferkanal 218 positioniert,
so daß es
zehn zweite Verteilungskanäle 224 gibt,
die sich jeweils von der Ausdehnung 240 eines jeden zweiten
Reservoirs erstrecken. Jeder zweite Verteilungskanal 224 hat
eine Pumpe 360, die Flüssigkeit
von einem zweiten Verteilungskanal 224 zu dem benachbarten
Pufferkanal 218 bewegen kann. Zweite Öffnungen 362 (nicht
gezeigt) im Boden der Hindurchführungsplatte 300 dienen
dazu, eine Schleuse oder eine Flüssigkeitswegverbindung
zwischen den zweiten Verteilungskanälen 224 und den Pufferkanälen 218 auszubilden.
Flüssigkeit
bewegt sich von den Pufferkanälen 218 zu
den Reaktionszellen, wie oben beschrieben ist. In Nachbarschaft
zu jedem zweiten Reservoir 210 gibt einen Ablauf 380 (nicht
gezeigt), der so arbeitet, daß ein
definierter dritter Füll-Level,
wie oben beschrieben, aufrechterhalten wird.
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Wie
nachfolgend im Abschnitt N unter Bezugnahme auf die 16A – 16D beschrieben wird, wirken die
Kapillarbarrieren 370 und Schleusen, die durch die zweiten Öffnungen 362 oder
dritten Öffnungen 363 erzeugt
werden, als eine Kombination von Ventil und Pumpe. Kapillarbarrieren 370 verhindern
einen Fluß zu
der Reaktionszelle, der durch Kapillarkräfte begünstigt würde, bis die ersten Pumpen 360 oder
zweiten Pumpen 361 den Extradruck tiefem, der erforderlich
ist, um die Kapillarbarrieren 370 zu überwinden. Eine Verengung der
Schleusen kann die Kapillarkräfte
steigern, die den Fluß begünstigen,
dabei die Menge an zugeführtem Druck
vermindern, der benötigt
wird, um die Kapillarbarrteren 370 zu überwinden. Die Verwendung der
Kapillarbarrieren 370 erlaubt eine Flußsteuerung, die durch die ersten
Pumpen 360 oder zweiten Pumpen 361, die typischerweise
durch eine Steuereinrichtung 10 gesteuert werden, bestimmt
wird.
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Entlang
der Bodenkante der in 1 erläuterten
Verteilungsplatte gibt es zehn dritte Fluidreservoirs 220.
Horizontale Zubringerkanalsegmente 230 sind mit den dritten
Fluidreservoirs 220 und dritten Verteilungskanälen 226 über vierte
vertikale Kanäle 227 verbunden.
Die dritten Verteilungskanäle 226 haben
erste Pumpen 360, die Flüssigkeit in benachbarte Pufferkanäle 218 über Öffnungen 362 (nicht
gezeigt) in der Hindurchführungsplatte 300 bewegen
können.
In Nachbarschaft zu jedem dritten Fluidreservoir 220 angeordnet
ist ein Ablauf 380 (nicht gezeigt), der so arbeitet, daß er einen
definierten vierten Füll-Level,
wie oben beschrieben, aufrechterhält. Dritte Fluidreservoirs 220 und
verbundene dritte Verteilungskanäle 226 arbeiten
auf die gleiche Weise wie erste Fluidreservoirs 200 und
erste Verteilungskanäle 222.
Fachleute werden leicht alternative Geometrien herausfinden, worin
eine Anzahl von getrennten dritten Fluidreservoirs 220 mit
einem bestimmten Pufferkanal 218 über eine Anzahl dritter Verteilungskanäle 226,
die in Nachbarschaft zu dem Pufferkanal 218 positioniert
sind, in Wechselwirkung treten. Benachbart angeordnet zu jedem dritten
Reservoir 220 ist ein Ablauf 380 (nicht gezeigt),
der so arbeitet, daß er
eine definierte dritte Füllhöhe aufrechterhält, wie
oben beschrieben wurde.
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5 zeigt perspektivische
Darstellungen von Abschnitten einer Hindurchführungsplatte 300,
einer Verteilungsplatte 310 und einer Reaktionszellenplatte 320.
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6A zeigt einen vertikalen
Querschnitt entlang einer EW-Achse, die einen ersten Verteilungskanal 222 durchschneidet.
Unter dem ersten Verteilungskanal 222 kann man vier horizontale
Zubringerkanalsegmente 216 sehen, von denen nur eines mit
dem ersten Verteilungskanal über
einen sichtbaren zweiten vertikalen Kanal 225 verbunden
ist. Leitung 303 und 304, die die Elektroden der
ersten Pumpen 360 und zweiten Pumpen 361 verbinden,
sind erläutert.
Ein dritter vertikaler Kanal 390 verbindet den Pufferkanal 218 mit
der Reaktionszelle 350, die einen Ablauf 355 hat.
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6B zeigt einen vertikalen
Querschnitt entlang einer EW-Achse, die ein erstes Fluidreservoir 200 schneidet.
Von ersten Fluidreservoirfortsätzen 212 kann
man zwei erste vertikale Kanäle 214 sehen,
die jeweils mit einem getrennten horizontalen Zubringerkanalsegment 216 verbunden
sind. Der Ablauf 380 für
ein erstes Fluidreservoir 200 ist durch gestrichelte Linien
gezeigt. In dem erläuterten
Verteilungssystem mündet ein
erstes Fluidreservoir 200 an dem oberen Ende der Hindurchführungsplatte 300 über vierte Öffnungen 302.
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Das
Arbeiten des Flüssigkeitsverteilungssystems
kann unter Bezugnahme auf 7 beschrieben werden.
Flüssigkeit
kann zu der ersten Reaktionszelle 350AA (nicht gezeigt)
verteilt werden, die mit einem dritten vertikalen Kanal 390A von
ersten, zweiten oder dritten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000, 200D, 210A oder 220A verbunden
ist. Wenn „Flüssigkeit
A" auf einem ersten
Fluidlevel in dem Fluidreservoir gehalten wird, wird Flüssigkeit
A durch die verbundenen vertikalen Kanäle in die verbundenen horizontalen
Zubringerkanalsegmente 216A, 216A2, 216A3, 216A4 und 216A5 und
in die verbundenen Verteilungskanäle 222A1, 222A2 usw. fließen. Von
dem ersten Verteilungskanal 222A1 wird Flüssigkeit
A in den ersten Pufferkanal 218AA unter Verwendung der
Pumpe 360A und unter Steuerung durch die Steuereinrichtung 10 (nicht
gezeigt) gepumpt. Von dem ersten Pufferkanal 218AA wird
Flüssigkeit
A in die erste Reaktionszelle 350AA über einen dritten vertikalen
Kanal 390A unter Vennrwendung der Pumpe 361A unter
Steuerung durch die Steuerungseinrichtung 10 gepumpt.
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Wenn
eine Verteilungsplatte 310 nach der Erfindung sich einen
Pufferkanal 218 zunutze macht und dem Pufferkanal 218 eine
Entlüftung
zu der Außenatmosphäre fehlt,
kann die Beziehung zwischen der Pumpgeschwindigkeit einer ersten
Pumpe 360, die Flüssigkeit
in den Pufferkanal 218 pumpt, und der Pumpgeschwindigkeit
einer zweiten Pumpe 361, die Flüssigkeit von dem Pufterkanal 218 zu
einer Reaktionszelle 350 pumpt vorteilhaft manipuliert
werden. Wenn eine erste Pumpe 360 Flüssigkeit von beispielsweise
dem Verteilungskanal 222A1 (7)
bewegt, wird ein Druckanstieg in dem Pufferkanal 218 erzeugt,
welcher einen Fluß über die
Kapillarbarriere für
Verteilungskanäle 222B1, 22C1, 222D1, 224AA und 226AA erzeugt.
Eine Verzögerung
in der entsprechenden Aktivierung einer zweiten Pumpe 361 wird
dazu führen,
daß dieser
Querverunreinigungen hemmende Druck beibehalten wird. Der Pufferkanal 218 dient
außerdem
dazu, gelegentlich auftretenden Überlauf
aus Verteilungskanälen
mit einem für
die benachbarte Reaktionszelle 350 unbeabsichtigtem Reagenzgehalt
zu verdünnen.
Diese Verdünnung
wird typischerweise die Konzentration reaktiver Reagenzien unter
die Konzentration senken, die in dem Reaktionsverfahren, das für die benachbarte
Reaktionszelle 350 beabsichtigt ist, wirksam ist.
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Man
beachte, daß in
der erläuterten
Ausführungsform
jede der sechs Lösungen
oder jedes der Lösungsmittel
auf hundert Reaktionszellen 350 von ersten, zweiten und
dritten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000, 200D, 210 und 220 verteilt
werden kann. Jedes der zehn zweiten Fluidreservoirs 210 oder
jedes der zehn dritten Fluidreservoirs 220 kann eine getrennte
Lösung
oder Lösungsmittel,
das für
die Verwendung in den zehn verbundenen Reaktionszellen bestimmt
ist, die durch das Fluidreservoir entsprechend adressiert sind,
enthalten. Die vier ersten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000 und 200D können jeweils
eine der hundert Reaktionszellen 350 adressieren. Weitere
Flexibilität
ist verfügbar
durch ein Durchspülen
eines bestimmten Fluidreservoirs mit neuer Lösung oder Lösungsmittel, wenn dies während eines
Versuchablaufs geeignet ist.
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Man
bemerke, daß die
Pufferkanäle 218 fakultativ
sind. Pufferkanäle 218 können vermieden
werden, wenn man direkte Leitungen von den Verteilungskanalauslässen (diese
Auslässe
sind vorzugsweise Kapillarbarrieren 370) zu der geeigneten
Reaktionszelle 350 vorsieht.
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Die
Fluidreservoirs (zum Beispiel das erste, zweite und dritte Fluidreservoir 200, 210 und 220)
sind typischerweise einfach (d.h. breiter) expandierte Abschnitte
der befestigten Dehnungskanäle.
Vorzugsweise wird die Flüssigkeit
in den Fluidreservoirs innerhalb von ± 10% des Unterschieds zwischen
dem Boden des Fluidreservoirs und dessen Füllhöhe gehalten. Ersatz der Flüssigkeit
in den Reservoirs kann kontinuierlich, stufenweise nach einem definierten
Plan oder basierend aufgrund von Sensordateneinspeisung in der Steuereinrichtung 10 erfolgen.
Die Abläufe 380 sind
dazu bestimmt, überschüssiges Fluid
zu entfernen, das im Reservoir durch Verwendung der äußeren Pumpe 15 zugeführt wurde.
Die Fluidreservoirs, die bis zu der betreffenden Füllhöhe gefüllt sind,
haben vorzugsweise ein Volumen von etwa 1 µl bis etwa 5 µl, stärker bevorzugt von
etwa 2,5 µl.
So wird in der stärker
bevorzugten Ausführungsform
das Volumen in den Fluidreservoirs vorzugsweise 2,5 µl ± 0,25 µl sein.
Geeignete penstaltische Pumpen, wie das Modell Nummer 205U einer
Mehrkanalkassettenpumpe, die bei Watson-Marlow, Inc. erhältlich ist,
kann Flüssigkeit
mit Geschwindigkeiten wie 1 µl
pro Sekunde abgeben. Solche Pumpen brauchen nur für einen
Bruchteil einer Sekunde aktiviert zu werden, um ein Fluidreservoir
adäquat
nachzufüllen.
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Die
obige Diskussion beschreibt das Verteilungssystem als mit einer
Hindurchführungsplatte 300,
einer Verteilungsplatte 310 und einer Reaktionszellenplatte 320 gebildet.
Es wird aber klar sein, daß weitere
Platten bequem in das Verteilungssystem eingebaut werden können. Beispielsweise
ist eine Zwischenplatte 330 bei einer bevorzugten Ausführungsform
dauerhaft unter der Verteilungsplatte 310 befestigt und
zwischen die Verteilungsplatte 310 und die Reaktionszellenplatte 320 zwischengeschaltet.
Die Verwendung der Zwischenplatte 330 erlaubt viel größere Flexibilität in der
Ausbildung der Kanäle
des Verteilungssystems.
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ii. Die Pumpen
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Irgendeine
Pumpeinrichtung geeigneter Abmessungen kann als innere erste Pumpen 360 oder
zweite Pumpen 361 in dem Flüssigkeitsverteilungssystem
nach der Erfindung verwendet werden. Solche Pumpen können mikroelektromechanische
Systeme (MEMS) einschließen,
wie von Shoji et al., „Herstellung
einer Pumpe für
integrierte chemische Analysesysteme", Elektronik und Kommunikationen in
Japan, Teil 2, 70:52-59, 1998 oder Esashi et al., „Normal
geschlossenes Mikroventil und Pumpe, hergestellt auf einem Siliziumplättchen", Sensoren und Aktuatoren,
20:163-169, 1989,
oder piezo-elektrische Pumpen, wie in Moroney et al., „Ultraschall-induzierte
Mikrotransporte",
Proc. MEMS, 91:277-282, 1991 beschrieben wurde. Vorzugsweise haben
jedoch die ersten Pumpen 360 und die zweiten Pumpen 361 keine
beweglichen Teile. Solche ersten Pumpen 360 oder zweite
Pumpen 361 können
Pumpen auf Elektrodenbasis umfassen. Wenigstens zwei Typen solcher
Pumpen auf Elektrodenbasis wurden beschrieben, typischerweise unter
den Namen „elektrohydrodynamische
Pumpen" (EHD) und „Elektroosmose" (EO). EHD-Pumpen
wurden von Bart et al. beschrieben: „Mikrofabrizierte elektrohydrodynamische
Pumpen", Sensoren
und Aktuatoren, A21-A-23:
193-197, 1990 und Richter et al., „Eine mikrofabrizierte elektrohydrodynamische
Pumpe", Sensoren
und Aktuatoren A29:159-168, 1991. EO-Pumpen wurden von Dasgupta
et al. in „Elektroosmose:
Ein zuverlässiges
Fluid Antriebssystem für Strömungseinspritzanalyse", Anal. Chem., 66:1792-1798,
1994 beschrieben.
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Es
wird angenommen, daß EO-Pumpen
sich das Prinzip zunutze macht, daß die Oberflächen vieler Feststoffe,
einschließlich
Quarz, Glas und dergleichen, in Gegenwart von ionischen Materialien,
wie Salzen, Säuren
oder Basen, negativ oder positiv geladen werden. Die geladenen Oberflächen ziehen
entgegengesetzt geladene Gegenionen in Lösungen geeigneter Leitfähigkeit
an. Die Anwendung einer Spannung zu einer solchen Lösung führt zu einer
Wanderung der Gegenionen zu der entgegengesetzt geladenen Elektrode
und bewegt auch die Masse des Fluids. Die Volumenflußgeschwindigkeit
ist proportional zu dem Strom, und der in dem Fluid erzeugte Volumenfluß ist auch
proportional zu der angelegten Spannung. Typischerweise können bei
Kanälen
von Kapillarabmessungen die einen Fluß bewirkenden Elektroden weiter
voneinander beabstandet sein als in EHD-Pumpen, da die Elektroden
nur bei Kraftzuführung
involviert sind und nicht, wie in EHD, beim Erzeugen von Ladungen,
auf welche die Kräfte
einwirken. EO-Pumpen erfolgt allgemein als eine Methode, die für das Pumpen
leitfähiger
Lösungen
geeignet ist.
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EHD-Pumpen
wurden typischerweise als geeignet für die Bewegung von Fluid von
extrem niedriger Leitfähigkeit,
zum Beispiel 10–14 bis 10–9 S/cm,
angesehen. Es wurde nun hier demonstriert, daß ein breiter Bereich von Lösungsmitteln
und Lösungen
unter Verwendung geeigneter Lösungen
dann das Pumpen erleichtert, wenn man Elektrodenabstände und
-geometrien verwendet oder geeignet gepulste oder Gleichstromspannungen
verwendet, um den Elektroden Energie zuzuführen, wie weiter unten beschrieben
ist.
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Die
Elektroden von ersten Pumpen 360 und zweiten Pumpen 361,
die in dem Flüssigkeitsverteilungssystem
verwendet werden, haben vorzugsweise einen Durchmesser von etwa
25 Mikron bis etwa 100 Mikron, stärker bevorzugt von etwa 50
Mikron bis etwa 75 Mikron. Vorzugsweise ragen die Elektroden am
oberen Ende eines Kanals bis zu einer Tiefe von etwa 5% bis etwa
95% der Tiefe des Kanals, stärker
bevorzugt von etwa 25% bis etwa 50% der Tiefe des Kanals hervor.
Gewöhnlich
sind als ein Ergebnis der Elektroden, definiert als die Elemente,
die mit Fluid in Wechselwirkung treten, etwa 5 Mikron bis etwa 95
Mikron lang, vorzugsweise etwa 25 Mikron bis etwa 50 Mikron. Vorzugsweise
enthält
eine Pumpe eine alpha-Elektrode 364 (wie eine erste Elektrode 360A oder
eine dritte Elektrode 361A) sowie eine beta-Elektrode 365
(wie eine dritte Elektrode 360B und eine vierte Elektrode 361B),
die vorzugsweise etwa 100 Mikron bis etwa 2500 Mikron voneinander
entfernt sind, stärker
bevorzugt etwa 250 Mikron bis etwa 1000 Mikron und noch stärker bevorzugt
etwa 150 Mikron bis etwa 205 Mikron. Die Trennung von Elektroden
wird von den Mittelpunkten der Elektroden, wie sie zunächst in
ihren verbundenen Fluidkanal hervorragen, gemessen. Bei einer besonders
bevorzugten Ausführungsform ist
eine gamma-Elektrode 366 (nicht gezeigt) von etwa 200 Mikron
bis etwa 500 Mikron, stärker
bevorzugt von etwa 500 Mikron bis etwa 1500 Mikron, und noch stärker bevorzugt
etwa 1000 Mikron von der weiteren Elektrode, der alpha-Elektrode 364 oder
der beta-Elektrode 365, beabstandet. In einer alternativen
bevorzugten Ausführungsform
hat die Pumpe zwei zusätzliche
Elektroden, die eine gamma-Elektrode 366 (nicht gezeigt) und
eine delta-Elektrode 367 umfassen, die etwa 200 Mikron
bis etwa 5000 Mikron voneinander beabstandet sind, stärker bevorzugt
etwa 500 Mikron bis etwa 1500 Mikron, noch stärker bevorzugt etwa 1000 Mikron. Wenn
die Elektroden in Fluidkanälen
angeordnet sind, die Biegungen haben, werden die Abstände entlang
einer Linie gemessen, welche die Mittellinie des Fluidkanals ist.
In Kontexten, wo relativ gering leitfähige Fluide gepumpt werden,
werden Spannungen an der alpha-Elektrode 364 und der beta-Elektrode 365 angelegt,
während
in Kontexten, wo relativ höher
leitfähige
Fluide gepumpt werden, die Spannung zwischen der gamma-Elektrode 366 und
einer alpha-Elektrode 364, beta-Elektrode 365 oder delta-Elektrode 367 induziert
wird. Der letztere Umstand gilt typischerweise für Lösungs mittel, die traditionell
mit EO-Pumpen gepumpt werden, obwohl diese Erfindung nicht auf irgendeine
Theorie beschränkt
sein soll, die um die Konzepte von EHD- oder EO-Pumpen entwickelt
wurde. Keine festen Gesetzmäßigkeiten
diktieren, welche Elektrodenkombination geeignet für ein bestimmtes
Lösungsmittel
oder eine bestimmte Lösung
ist. Statt dessen kann eine geeignete Kombination empirisch im Licht
der hier gegebenen Beschreibung bestimmt werden.
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Die
zwischen der alpha- zur beta-Elektrode 364 und 365 angelegten
Spannungen liegen typischerweise, wenn das Pumpen in Gleichstromweise
durchgeführt
wird, bei etwa 50 V bis etwa 2000V, vorzugsweise von etwa 100V bis
etwa 750V, stärker
bevorzugt von etwa 200V bis etwa 300V. Die über den alpha- und beta-Elektroden 366 und 365 angelegten
Spannungen sind, wenn die Pumpe in gepulster Weise arbeitet, rypischerweise
etwa 50V bis etwa 1000V, vorzugsweise etwa 100V bis etwa 400V, stärker bevorzugt
bei etwa 200V bis etwa 300V. Die an gamma-Elektrode 366 und
alpha-, beta- oder gamma-Elektrode 364, 365 oder 367 angelegten
Spannungen sind rypischerweise, wenn das Pumpen in gepulster Weise
durchgeführt
wird, von etwa 50V bis etwa 1000V, vorzugsweise von etwa 100V bis
etwa 400V, stärker
bevorzugt von etwa 200V bis etwa 300V. Vorzugsweise wird das Verhältnis von
Pumpen zu Strom derart sein, daß nicht
mehr als etwa ein Elektron in die Lösung in Nachbarschaft zu einer
ersten Pumpe 360 oder zweiten Pumpe 361 je tausend
Moleküle
fließt,
die über
die Pumpe 360 oder 361 hinausgehen, vorzugsweise
je 10.000 Moleküle,
die sich über die
Pumpe 360 oder 361 hinwegbewegen, noch stärker bevorzugt
100.000 Moleküle,
die sich über
die Pumpe 360 oder 361 hinaus bewegen.
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Es
wird angenommen, daß ein
inneres Pumpsystem auf Elektrodenbasis am besten in das Flüssigkeitsverteilungssystem
nach der Erfindung mit Fließgeschwindigkeitssteuerung
bei Mehrfachpumpenstellen und mit relativ weniger komplexer Elektronik
integriert werden kann, wenn die Pumpen durch Anlegen von gepulsten
Spannungen quer zu den Elektroden arbeiten. 8 zeigt ein Beispiel eines gepulsten
Protokolls, wo die Impulsbreite der Spannung Τ2 und
das Pulsintervall Τ2 ist. Typischerweise ist Τ1 zwischen
etwa 1 µs
und etwa 1 ms, vorzugsweise zwischen etwa 0,1 ms und etwa 1 ms.
Typischerweise liegt Τ2 zwischen etwa 0,1 µs und etwa 10 ms, vorzugsweise
zwischen etwa 1 ms und etwa 10 ms. Ein gepulstes Spannungsprotokoll
dürfte andere
Vorteile ergeben, einschließlich
leichter Integration in sehr dichte Elektronik (was Hunderten und
Tausenden von Pumpen erlaubt, diese auf einer Einrichtung von Siliziumplättchengröße eingebettet
zu werden), Reduktionen in der Menge von Elektrolyse, die an den
Elektroden auftritt, Reduktionen der thermischen Konvektion nahe
den Elektroden, sowie die Fähigkeit,
einfachere Antriebsysteme zu verwenden. Das Impulsprotokoll kann
auch Impulswellengeometrien verwenden, die komplizierter als das
Blockbild sind, das in 8 wiedergegeben
ist.
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Ein
anderes Verfahren, das angewendet werden kann, ist jenes, eine Anzahl
von Elektroden, rypischerweise in gleichem Abstand zu verwenden
und ein Wanderwelleprotokoll zu benutzen, das bei jedem Paar benachbarter
Elektroden in einer Zeit, die erst beginnt Spannung zu den ersten
und zweiten Elektroden hin zu bringen und dann zu den zweiten und
dritten Elektroden usw. Solche Methoden sind in Fuhr et al., J.
Microelectrical Systems, 1:141-145, 1992, beschrieben. Es wird angenommen,
daß Wanderwellenprotokolle
Temperaturgradienten und entsprechende Leitfähigkeitsgra dienten induzieren
können,
die durch elektrisches Feld induzierten Fluidfluß erleichtern. Solche Temperaturgradienten
können
auch induziert werden, indem man elektrische Heizungen in Verbindung
mit ersten Pumpen 360 auf Elektrodenbasis und zweiten Pumpen 361 bringt.
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Obwohl
nicht beabsichtigt ist, sich auf eine Theorie zu beschränken, unterstellen
doch mehrere theoretische Konzepte, in der Mechanik von EHD-Pumpen
eine Rolle zu spielen. Die auf ein dielektrisches Fluid einwirkendenden
Kräfte
dürften
durch die folgende Formel zu beschreiben sein:
worin F die Kraftdichte ist,
q die Ladungsdichte ist, E das angelegte Feld ist, P der Polarisierungsvektor
ist, ε die
Permittivität
und ρ die
Massendichte ist. Von den Begriffen der Gleichung dürften der
erste und der dritte die im Kontext von EHD-Fluidpumpen der signifikanteste
sein. Der erste Begriff (qE) betrifft die Coulomb-Wechselwirkung
mit einem Raum-Ladungsbereich. Der dritte Begriff (1/2E
2∇ ε) betrifft
die dielektrische Kraft, die dem Gradienten in der Permittivität proportional
ist.
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In
geringen Feldern, d.h. dem Ohmschen Bereich, wo Strom linear proportional
zur Spannung ist, wird angenommen, daß die primäre Ladungsquelle, die durch
das elektrische Feld aktiviert wird, primär auf Ionen aus Additiven,
Ionen aus Verunreinigungen und Ionen, die durch Autodissoziation
von Molekülen
in dem Fluid gebildet werden, beruht. In Zwischenfeldern, d.h. jenseits
des Ohmschen Bereiches bis etwa 2V/µm, wird angenommen, daß die Ladungen
primär
durch Dissoziieren und elektrolytische Verfahren in dem Fluid gebildet werden.
Bei stärkeren
Feldern wird angenommen, daß die
Ladungen, durch Einspritzverfahren an den Elektroden bestimmt werden,
wobei diese Elektroden Homoladungen einspritzen.
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Für die Zwecke
dieser Anmeldung soll positiver (+) Fluß in der Richtung der negativen
Elektrode fließen,
und negativer (-) Fluß soll
in der Richtung der positiven Elektrode fließen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat die Steuereinrichtung 10 eine Vorrichtung zum
Speichern von Daten und speichert die Werte von Spannung und Polarität, die für das Pumpen
einer Reihe von Lösungsmitteln
geeignet sind.
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Experimentelle
Ergebnisse zeigen, daß die
Eigenschaften von Fluidfluß (gleich
Fließrichtung)
in guter Wechselbeziehung mit der Fähigkeit des Lösungsmittels,
den geladenen Stoff, der injiziert oder von den Elektroden induziert
wird, zu stabilisieren und zu solvatisieren. Die Fließrichtung
dürfte
durch die Präferenz
für das Lösungsmittel
bestimmt werden, um entweder positive Ladungen oder negative Ionen
zu solvatisieren. Diese Präferenz
für Solvatisierung
dürfte
eine größere Schale
von Lösungsmittelmolekülen zur
Folge haben, die in einem elektrischen Feld mitgeschleppt werden,
was Fluidbewegung erzeugt, wenn ein Feld an die Elektroden einer
ersten Pumpe 360 oder einer zweiten Pumpe 361 angelegt
wird. Beispielsweise steht eine bevorzugte Solvatisierung positiver
Ladungen in Wechselbeziehung mit einer Präferenz von Fluidfluß von der
Anode zu der Kathode (d.h. die positive Richtung). Der Grad einer
solchen Präferenz
für Solvatisierung
eines Lösungsmittels
dürfte
von der Fähigkeit
der Moleküle
abhängen,
in dem Lösungsmittel
Wasserstoffbindungen zu akzeptieren oder abzugeben. Nach einem Aspekt
der Erfindung wird die Steuereinrichtung für Flüssigkeiten, deren Pumpverhalten
noch nicht gekennzeichnet wurde, geschätzte Anfangspumpparameter speichern,
unter Annahme von linearen Solvatisierungsenergiebeziehungen, die
von R. W. Taft und Mitarbeitern aufgestellt wurden. Siehe Kamlet
et al., J. Org. Chem., 48:2877-2887, 1983 und Kamlet et al., Prog.
Phys. Org. Chem., 13:485, 1981. Diese Arbeiten kategorisierten Lösungsmittel
nach den folgenden Parametern: π,
die Fähigkeit des
Lösungsmittels,
eine Ladung oder einen Dipol aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften
zu stabilisieren, α,
die Donorfähigkeit
des Lösungsmittels
für Wasserstoffbindungen
und β, die
Fähigkeit
des Lösungsmittels Wasserstoffbindungen
anzunehmen. Diese Parameter werden vollständiger in den oben zitierten
Publikationen von Kamlet et al. definiert.
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Bei
Verwendung einer Kapillare von 1 mm und rundem Querschnitt wurde
für mehrere
Lösungsmittel ein
Paar von 50 Mikron stabförmigen
Platinelektroden senkrecht bis zu einer Tiefe von 500 Mikron in
die Kapillare mit einer 500 Mikron-Trennung eingesetzt und durch
ein Feld von 400V mit Energie versorgt, die Fließrichtung bestimmt. Die Fließrichtung
und die α, β, π, ε und die
Dipolmomentwerte sind folgende:
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Es
wird angenommen, daß die α- und β-Werte die
Fähigkeit
des Lösungsmittels,
unter einem elektrischen Feld ein negativ oder positiv geladenes
Material zu solvatisieren, wobei die Stärke von α – β in Wechselbeziehung mit (-)-Fluß und die
Stärke
von β – α mit (-)-Fluß in Wechselbeziehung
steht. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung kann die bevorzugte Fließrichtung einer Flüssigkeit
gegenüber
dem oben Gesagten umgekehrt werden, wenn das Fluid einen Unterschied
in den α-
und β-Werten
hat, der klein, aber nicht ul ist und das verwendete Elektrodenpaar
ein asymmetrisches Feld erzeugt, so daß die entweder auf positiv
oder auf negativ geladene Stoffe einwirkende Kraft erhöht wird.
Ein solches Elektrodenpaar hat eine alpha-Elektrode 364 mit einem
scharten Punkt in der Richtung des beabsichtigten Flusses und eine
beta-Elektrode 365, welche die Wände des Ka nals, in welchem
sie liegt, verkleidet. Eine solche Pumpe auf Elektrodenbasis, hergestellt
in einer 1 mm-Kapillare, erwies sich als wirksam, um 2-Propanol
in der Richtung zu pumpen, die durch die alpha-Elektrode 364 angegeben
wird, und zwar entweder wenn die an die Elektroden angelegte Spannung
eine (-)-Fließrichtung
ergab oder mit etwas schwächerem
Fluß,
wenn die an die Elektroden angelegte Spannung eine (+)-Fließrichtung
ergab.
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Die
Pumpparameter einer Flüssigkeit
können
unter Verwendung eines Pfropfens der Flüssigkeit in einer Kapillare
kalibriert werden, die eine Pumpe auf Elektrodenbasis hat und ansteigend
gewinkelt ist. Wenn optische Einrichtungen mit der Kapillare zur Überwachung
der Position des Pfropfens verbunden sind, kann die Geschwindigkeit
des gepumpten Flusses ansteigend und die Geschwindigkeit der unter
der Schwerkraft angetriebenen Abwärtsbewegung gemessen werden.
Mit diesen Geschwindigkeiten und dem Winkel der Kapillare kann der
an die Flüssigkeit
angelegte Druck berechnet werden. (Fluid-Widerstand R = (8 · µ · I)/ πr4, worin µ die Viskosität definiert
und / = die Länge
des Fluidpfropfens; Druck P = RA(vup – vddown), worin A = Querschnittsfläche). Die
Effizienz der Pumpe kann auch berechnet werden (η = (q · ρ • Q · NA)/m · I, worin
q die Ladung von e– ist, ρ die Flüssigkeitsdichte
ist, Q die Fließgeschwindigkeit
= vup · A
ist, m die Flüssigkeitsmasse ist
und 1 = Strom ist). Die Geschwindigkeiten können mit mehrfachen Einzelpunktbeobachtungen
der Lage entweder der vorderen oder der hinteren Grenzflächen des
Pfropfens unter Verwendung feststehender LEDs und optischer Detektoren
oder in kontinuierlicher Weise unter Verwendung eines Licht- und
eines Silizium-Photodiodenpositionssensors gemessen werden, wie
mit einem Positionssensor SL15 oder SC10, der bei der UDT Sensors,
Inc., Hawthorne, Kanada, erhältlich
ist. Mit der letzteren Methode muß die Wechselbeziehung zwischen
dem an dem Differenzverstärker
in Verbindung mit dem Positionssensor erzeugten Signal vor der experimentellen
Verwendung kalibriert weiden.
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Die
Pumpparameter für
eine Anzahl von Lösungsmitteln
wurde in der 1 mm-Kapillare, die oben beschrieben wurde, folgendermaßen bestimmt:
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Ein
anderer Aspekt des Pumpens ist die Beobachtung, daß Fluide,
die widerstandsfähig
gegen Pumpen bei einer akzeptablen Feldstärke sind, empfänglicher
für Pumpen
auf Elektrodenbasis gemacht werden können, indem man ein geeignetes
flußverbesserndes
Additiv zugibt. Vorzugsweise ist das flußverbessernde Additiv mischbar
mit dem resistenten Fluid und kann mit hohem Druck P, hoher Fließgeschwindigkeit
Q und guter elektrischer Effizienz η (d.h. je Elektron des Stromes gepumpte
Moleküle)
gepumpt werden. Allgemein umfaßt
das flußverbessernde
Additiv etwa 0,05% w/w bis etwa 10% w/w des resistenten Fluids,
vorzugsweise zwischen 0,1% w/w und etwa 5% w/w, stärker bevorzugt
zwischen etwa 0,1 % w/w und etwa 1 % w/w. Tetrachlorkohlenstoff
und Cyclohexan pumpen unter Verwendung der Elektrodenpumpe, die
in einer oben beschriebenen Kapillare bei einer Spannung von 2000V
sitzt, nicht. Durch Zugabe von 0,5% w/w Aceton oder Methanol als
flußverbesserndes
Additiv können
diese beiden Fluide bei einer Spannung von 1000V gepumpt werden.
In einigen Fällen
ist es erwünscht,
die bevorzugte Fließrichtung
einer Flüssigkeit
umzukehren, indem man sie mit einem flußverbessernden Additiv vermischt,
welches stark in der erwünschten
Richtung pumpt. In allen Fällen werden
Additive auf der Basis ihrer Pumpcharakteristiken und ihrer Verträglichkeit
mit der Chemie oder anderen Verfahren, die in dem Flüssigkeitsverteilungssystem
erhalten werden sollen, ausgewählt.
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Die
Pumpen auf Elektrodenbasis nach der Erfindung können als ein Ventil arbeiten,
um einem Fluß in einer
bestimmten Richtung zu widerstehen, indem die Pumpen so arbeiten,
daß sie
dem unerwünschten
Fluß entgegentreten.
Um die Pumpen auf Elektrodenbasis mit Energie zu versorgen, erlauben
ein oder mehrere digitale Antriebe, beispielsweise bestehend aus
einem Schieberegister, einem Schnappschloß, einer Absperrschieber- und
Schaltvorrichtung, wie einem DMOS-Transistor, vereinfachte Elektronik,
so daß der
Fluidfluß in jedem
der Kanäle
unabhängig
gesteuert werden kann. Vorzugsweise ist jede digitale Antriebseinrichtung
mit mehreren Schalteinrichtungen verbunden, die jeweils verwendet
werden können,
um die Pumpgeschwindigkeit einer separaten Pumpe auf Elektrodenbasis
zu steuern.
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Merkmale
anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben
sind, können
auf diese Ausführungsform
angewandt werden, unabhängig
davon, unter welcher Überschrift
sie beschrieben werden.
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C. Bevorzugter Fluß des Flüssigkeitsverteilungssystems
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Eine
andere Ausführungsform
des Verteilungssystems, worin eine Mehrzahl von Reaktionszellen
im Mikromaßstab
getrennt durch eine Anzahl von Reagenzflüssigkeiten adressiert werden
können,
verwendet ein kontinuierliches Fließsystem, das in 9 schematisch erläutert ist.
Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben
sind, können
auf diese Ausführungsform
angewendet werden, ungeachtet unter welchen Überschriften sie beschrieben
sind.
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9 erläutert einen ersten kontinuierlichen
Fließkanal 400A,
einen zweiten kontinuierlichen Fließkanal 400B, einen
dritten kontinuierlichen Fließkanal 4000 und
einen vierten kontinuierlichen Fließkanal 400D, wobei
jeder kontinuierliche Fließkanal
ein Aufstromende U und ein Abstromende D hat. Fließmittel
kann durch die ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanale 400A – 400D mit
der Unterstützung
einer oder mehrerer äußerer Pumpen 171 gestoßen werden.
Dritte Pumpen 460 (nicht gezeigt), die Pumpen auf Elektrodenbasis
sein können,
können
weiter in den ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanälen 400A – 400D pumpen.
Begrenzte Zonen 401A – 401D am
Aufstromende der ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 400A – 400D haben
eine erste Querschnittsfläche.
Offene Zonen 402A – 402D am
Abstromende der ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 400A – 400D haben
eine zweite Querschnittsfläche,
die größer als
die erste Querschnittsfläche
ist. Am Aufstromende der offenen Zonen 402A – 402D sind
erste Verzweigungskanäle 410A, zweite
Verzweigungskanäle 410B,
dritte Verzweigungskanäle 410CF und
vierte Verzweigungskanäle 410D. Jeder
dieser Verzweigungskanäle 410A – 410D hat
vorzugsweise eine kleinere Querschnittsfläche als jene der offenen Zonen 402A – 402D,
und jeder fließt
in einen Pufferkanal 440. In den offenen Zonen 402A – 402D gibt es
eine erste alpha-Verengung 420AA, eine zweite alpha-Verengung 420AB,
eine dritte alpha-Verengung 420AC und eine vierte alpha-Verengung 420AD.
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Eine
Verengung, wie eine alpha-Verengung, kann ein mikrobearbeitetes
Ventil oder ein Wandler sein, die thermisch, elektro-magnetisch
oder druckbetätigt
eine Pumpe auf Elektrodenbasis, die in flußblockierender Weise oder anderer
Einschränkung
nach dem Stand der Technik arbeitet. Einschränkungen arbeiten so, daß sie den
Fluß an
einem Abschnitt eines Kanals reduzieren oder vorzugsweise den Fluß abschalten.
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Die
abstromwärts
gelegenen Auslässe
der kontinuierlichen Flußkanäle 400A – 400D sind
mit einem gemeinsamen Bypass 430 verbunden, der den ersten
Ablauf 431A und den zweiten Ablauf 431B verbindet.
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Verzweigungskanäle 410A – 410C haben
eine erste beta-Einschnürung 420BA,
eine zweite beta-Einschnürung 420BB,
eine dritte beta-Einschnürung 420BC und
eine vierte beta-Einschnürung 420BD.
Von dem Pufferkanal 440 aus erstreckt sich eine Reaktionszellenleitung 442,
ein erster Pufferüberlauf 441A und
ein zweiter Pufferüberlauf 441B.
Die Reaktionszellenleitung 442 hat eine gamma-Einschränkung 420C.
die ersten und zweiten Pufferüberlaufe 441A und 441B haben
eine erste delta-Einschnürung 420DA und
eine zweite delta-Einschnürung 420DB.
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Wenn
eine „Flüssigkeit
A" durch den ersten
kontinuierlichen Fließkanal 400A und
eine erste alpha-Einengung 420AA ist nicht in Betrieb,
wird die Flüssigkeit
A dazu neigen, zu dem gemeinsamen Bypass 430 über den
offenen Zonenabschnitt des ersten kontinuierlichen Fließkanals 400A mit
einer relativ großen
Querschnittsfläche
zu fließen,
statt dann durch einen relativ engen Verzweigungskanal 410A zu
fließen.
Zuerst kann eine beta-Einengung 420BA so arbeiten, daß der Fluß in dem
Abzweigungskanal 410A eingeengt oder blockiert wird, um
stärkeren
Fluß durch
den gemeinsamen Bypass 430 zu gewährleisten. Um Flüssigkeit
A zu der Reaktionszelle 350 zu lenken, wird die erste alpha-Einengung 420AA in
Betrieb genommen, während
die erste beta-Einengung 420BA nicht in Betrieb genommen
wird, was zu einem stärkeren
Fluß in
dem ersten Verzweigungskanal 410A führt. Der Eintritt der Gesamtheit
von Flüssigkeit
A in den Pufferkanal 440 kann zu der Anwendung von nach
oben gerichtetem Druck an den zweiten bis vierten Verzweigungskanälen 410B – 410D führen, abhängig von
der Ausflußgeschwindigkeit
durch die Reaktionszellenleitung 442 oder erste oder zweite Pufferüberläufe 441A oder 441B.
Dieser Druck kann benutzt werden, um Querverunreinigungen mit Fluiden aus
zweiten, dritten oder vierten kontinuierlichen Fließkanälen 400B – 400D zu
hemmen.
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Alle
Einengungen 420 können
vorzugsweise so arbeiten, daß der
Flüssigkeitsfluß, insbesondere durch
erste bis vierte beta-Einengungen 420BA – 420BD und
gamma-Einengungen 420C, in die betreffenden Kanäle angehalten
wird.
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10A zeigt eine Querschnittsdarstellung
des kontinuierlichen Fließkanals 400A,
der so arbeitet, daß der
Fluß in
den Verzweigungskanal 410A gelenkt wird, während 10B den kontinuierlichen
Fließkanal 400A erläutert, der
so arbeitet, daß der
Fluß in
den gemeinsamen Bypass 430 gelenkt wird. Eine Reaktionszelle 350 und
ein Reaktionszellenablauf 355 sind auch erläutert.
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11 zeigt, wie die ersten
bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 400A – 400D zu
einem größeren Gitter
mit ersten bis vierten primären
Beschickungskanälen 470A – 470D verbunden
werden können.
Erste bis vierte primäre
Beschickungskanäle 470A – 470D sind
auf einer höheren
oder niedrigeren horizontalen Ebene als die ersten bis vierten kontinuierlichen
Fließkanäle 4004A – 400D angeordnet,
was erlaubt, daß die
beiden Kanalsätze
untereinander verbunden werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
haben die Einlässe
jedes ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanals 400A – 400D dritte
Pumpen 460 (nicht erläutert),
die das Abziehen von Fluid aus den ersten bis vierten primären Beschickungskanälen 470A – 470D erleichtert.
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D. Flüssiukeitsverteilungssystem
mit Ausdehnungsventilen
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Das
Flüssigkeitsverteilungssystem
mit Ausdehnungsventil hat eine Reaktionszelle, zwei oder mehr Beschickungskanäle, eine
getrennte Leitung, die jeden Beschickungskanal mit der Reaktionszelle
verbindet, und ein Ausdehnungsventil für jede Leitung, worin das Ausdehnungsventil
einen ausgedehnten Zustand hat, der einen Querschnitt der Leitung
füllt und
einen Fluidfluß durch
die Leitung verhindert, und einen kontrahierten Zustand hat, der
gestattet, daß Fluid
durch die Leitung fließt.
Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von anderen Ausführungsformen dadurch, daß das Verteilungssystem
vorzugsweise aus Kunststoff statt aus Glas oder einem Material auf
Siliziumbasis besteht. Bevorzugte Kunststoffe sind beispielsweise
Polyethylen, Polypropylen, Flüssigkristall-Kunststoffe, Polyvinylidinfluorid
und Polytetrafluorethylen. Kunststoffe mit niedrigen Überführungsgeschwindigkeiten
von Feuchtigkeitsdampf (zum Beispiel Polyethylen, Polyvinylidinfluorid
und Polytetrafluorethylen) sind besonders bevorzugt. Laminate, wie
ein Laminat von Polyethylen und eines Polyesters, wie Polyethylenterephthalat
sind auch bevorzugt wegen ihrer Dampfbarriereeigenschaften. Die
Kanäle oder
Leitungen dieser Ausführungsform
sind vorzugsweise, wie unter Abschnitt I. beschrieben, welcher Fabrikationsmethoden
beschreibt. Diese Ausführungsform
kann jedoch leichter in größerem Maßstab verwendet werden,
wie mit größeren Kanälen und
Reaktionszellen. Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung
beschrieben sind, können
in dieser Ausführungsform
angewendet werden, ungeachtet dessen, unter welcher Überschrift
sie beschrieben sind.
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12 zeigt ein Schema mit
fünf bis
acht primären
Zufuhrkanälen 580A – 580D.
Der fünfte
primäre Zufuhrkanal 580A ist
verbunden mit dem ersten alpha-Zubringerkanal 570A1, dem
zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2 usw. Die sechsten bis
achten primären
Zufuhrkanäle 580B – 580D sind
auch mit Zubringerkanälen
verbunden. Eine Konzentrierung auf den zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2,
den zweiten beta-Zubringerkanal 570B2, den zweiten gamma-Kanal 570C2 und
den zweiten delta-Zubringerkanal 570D2, sind diese jeweils
mit einer Anzahl von alpha-Verteilungskanälen 500A, beta-Verteilungskanälen 500B,
gamma-Verteilungskanälen 500C und
delta-Verteilungskanälen 500D verbunden.
Beispielsweise wird der zweite alpha-Zubringerkanal 570A2 mit
dem elften alpha-Verteilungskanal 500A11,
dem zwölften
alpha-Verteilungskanal 500A12 usw. verbunden. Sätze von
vier Verteilungskanälen 500,
zum Beispiel der elfte alpha-Verteilungskanal 500A11, der
elfte beta-Verteilungskanal 500B11,
der elfte gamma-Verteilungskanal 500C11 und der elfte delta-Verteilungskanal 500D11 werden
mit einer bestimmten Reaktionszelle 350, zum Beispiel der
Reaktionszelle 350, verbunden.
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Wie
nachfolgend erläutert,
hat jeder Verteilungskanal 500 ein Ausdehnungsventil, welches
aktiviert werden kann, den Blockfluß von den Zubringerkanälen 570 in
die Reaktionszelle 350 fließen zu lassen, welche über den
Verteilungskanal 500 verbunden ist. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
wird Fluid in dem primären
Zufuhrkanal 580 und Zubringerkanal 570 auf konstantem
Druck unter Verwendung von Aufstrompumpen und Abstromdruckentlastungsventilen
gehalten.
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13A zeigt einen Querschnitt
durch den elften alpha-Verteilungskanal 500A11. Drei der
Platten, die das Verteilersystem bilden, eine erste Platte 591,
eine zweite Platte 592 und eine dritte Platte 593,
werden gezeigt. Der zweite alpha-Zubringerkanal 570A2,
der zweite beta-Zubringerkanal 570B2, der zweite gamma-Zubringerkanal 570A2 und
der zweite delta-Zubringerkanal 570D2 können in einem Formverfahren
gebildet werden, das zur Bildung der ersten Platte 591 dient.
Der elfte alpha-Verteilungskanal 500A11 wird primär mit Teilen der
ersten Platte 591 und der zweiten Platte 592 gebildet
und können
während
des Formverfahrens benutzt werden, diese Platten zu bilden. Der
Abschnitt 501A11 des elften alpha-Verteilungskanals 500A11,
der mit dem zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2 verbunden
ist, kann unter Verwendung eines Bohrverfahrens, wie eines Laserbohrverfahrens,
gebildet werden. Der Abschnitt 502A11 (siehe 13B) des elften alpha-Verteilungskanals 500A11,
der mit der Reaktionszelle 350B1 verbunden ist, wird typischerweise
während
des Formens der zweiten Platte 592 gebildet. Das Ausdehnungsventil 580 schließt einen
Elastomerfilm 581 mit niedrigem Modul, wie ein Kohlenwasserstoffelastomer,
ein Elastomer auf Acrylnitrilbasis oder Polyurethanfilme ein, die
Naturkautschukfilme, Ethylen-Propylen-Kautschuk und Acrylnitril-Butadienstyren
Copolymerfilme einschließen.
Der Elastomerfilm kann beispielsweise an das Substrat unter Verwendung
eines Klebstoffes, wie eines abbindenden Arynl-, Polyharnstoff- oder Polysulfitklebestoffes,
gebunden werden oder kann durch Wärmekompressionsbindung oder
Ultraschallschweißen
gebunden werden. Der Elastomerfilm 518 bedeckt eine Fluidkammer 582,
die mit einem Gas gefüllt
ist, wobei ein solches Gas Luft oder Argon ist, oder mit einer niedrigsiedenden
Flüssigkeit,
wie Freon oder einem anderen Kältemittel.
Die Fluidkammer i582 ist ausreichend nahe bei einem Heizelement 583 positioniert,
das vorzugsweise durch die Steuerung 10 gesteuert wird. Das
Heizelement 583 funktioniert so, daß es das Gas oder die Flüssigkeit
in der Fluidkammer 582 erhitzt, um die Ausdehnung des Ausdehnungsventils 580 zu
bewirken. Die Reaktionszelle 350B1 hat einen Ablauf 355B1.
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Heizelemente 583 können irgendeine
Anzahl von Heizeinrichtungen sein, die in der Technik bekannt sind,
wie elektrische Widerstandsheizungen und Infrarotlichtquellen einschließlich Infrarotdiodenlasern,
wie kantenemittierende Diodenlaseranordnungen, die bei David Samoff
Research Center, Princeton, NY oder die 1300 nm oder 1590 nm Laser,
verfügbar
von LaserMax Inc., Rochester, NY. Wenn das Heizelement 583 eine Infrarotlichtquelle
wäre, würde das
sich zwischen dem Heizelement 583 und der Fluidkammer bewegende
Material vorzugsweise wenigstens etwa 50%, stärker bevorzugt 80% des Infrarotlichts
des Heizelements 583 betragen.
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13 zeigt eine vergleichbare
Version einer Schnittansicht des elften alpha-Verteilungskanals 500A11,
wo das Ausdehnungsventil 580 unterschiedlich positioniert
ist.
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13C zeigt eine Schnittansicht
einer bevorzugten Ausführungsform,
bei welcher der elfte alpha-Verteilungskanal ein erstes Ausdehnungsventil 580A,
ein zweites Ausdehnungsventil 580B und ein drittes Ausdehnungsventil 580C hat.
Diese drei Ventile können
nacheinander betätigt
werden, um eine Pumpkraft zu erzeugen, die Flüssigkeit in die Reaktionszelle 350B1 bewegt.
Beispielsweise wird zum Zeitpunkt eins der elfte Verteilungskanal 500A11 mit
einer Flüssigkeit
gefüllt
und das erste Ausdehnungsventil 580A expandiert. Zum Zeitpunkt
zwei bleibt das erste Ausdehnungsventil 580A expandiert,
und das zweite Ausdehnungsventil 580C beginnt zu expandieren,
wobei Flüssigkeit
in die Reaktionszelle 350B1 gedrückt wird. Zum Zeitpunkt drei
bleibt das zweite Ausdehnungsventil 580B expandiert, und
das erste Ausdehnungsventil 58βA beginnt, sich zu kontrahieren
und zieht dabei Flüssigkeit
aus dem zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2, um das Volumen,
das vorher von dem expandierten Ventil eingenommen wurde, aufzufüllen. Ebenfalls
zum Zeitpunkt drei beginnt das dritte Ausdehnungsventil 580C zu
expandieren, um Flüssigkeit
zu zwingen, in die Reaktionszelle 350B1 zu fließen. Zum
Zeitpunkt vier bleibt das dritte Ausdehnungsventil 580C expandiert,
und ein zweites Ausdehnungsventil 580B beginnt, sich zusammenzuziehen,
während
gleichzeitig das erste Ausdehnungsventil 580A beginnt,
sich auszudehnen. Zum Zeitpunkt 5 ist das erste Ausdehnungsventil 580A expandiert,
während
die anderen beiden Ausdehnungsventile 580B und 580C sich
zusammenziehen und die Stufe für
einen neuen Pumpzyklus freimachen.
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E. Flüssigkeitsverteilungssystem
auf Elektrodenbasis
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14 zeigt eine Draufsicht
auf ein Flüssigkeitsverteilungssystem
auf Elektrodenbasis und zeigt, wie Kanäle von Zubringerkanälen, zum
Beispiel alpha- bis delta-Zubringerkanäle 670A – 670D,
einen fünften
vertikalen Kanal 628 verbinden können, der in Verbindung mit
einer bestimmten Reaktionszelle 350 steht.
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In 14 verbindet ein alpha-Zubringerkanal 670A einen
beta-Zubringerkanal 670B, einen gamma-Zubringerkanal 622A,
einen zweiten alpha-Verteilungskanal 624A, einen zweiten
beta-Verteilungskanal 624B und einen ersten beta-Verteilungskanal 622B.
Der erste alpha-Verteilungskanal 622A, der zweite alpha-Verteilungskanal 624A,
der zweite beta-Verteilungskanal 624B und der erste beta-Verteilungskanal 622B haben
eine erste alpha-Pumpe 660A auf Elektrodenbasis, eine erste
beta-Pumpe 660B auf Elektrodenbasis, eine erste gamma-Pumpe 660C auf
Elektrodenbasis und eine erste delta-Pumpe 660D auf Elektrodenbasis. Der
erste alpha-Verteilungskanal 622A verbindet den fünften vertikalen
Kanal 628 über
den zweiten Verbindungskanal 623A mit dem im dritten alpha-Verbindungskanal 625A.
Der erste beta-Verteilungskanal 622B verbindet mit dem
fünften
vertikalen Kanal 628 über
den zweiten beta-Verbindungskanal 623B den dritten beta-Verbindungskanal 625B.
Man bemerke, daß die
zweiten alpha- und die zweiten beta-Verbindungskanäle 623A und 623B in
einer tieferen Ebene als ihr verbundener erster alpha-Verteilungskanal 622A und
ihr erster beta-Verteilungskanal 622B liegen.
Der zweite alpha-Verteilungskanal 624A und der zweite beta-Verteilungskanal 624B sind
jeweils direkt mit dem fünften
vertikalen Kanal 628 verbunden.
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Man
bemerke, daß die
Abschnitte „N" (in der Figur angegeben)
der alpha-, beta-, gamma- und
Delta Zubringerkanäle 670A – 670D als
die „Zubringerkanaleinlässe" bezeichnet sind,
während
die „S"-Anteile als die „Zubringerkanalauslässe" bezeichnet werden.
Die Einlässe
von alpha-, beta-, gamma- und delta-Zubringerkanälen 670A – 670
D haben eine zweite alpha-Pumpe 667A auf Elektrodenbasis,
eine zweite beta-Pumpe 667B auf Elektrodenbasis, eine zweite
gamma-Pumpe 667C auf Elektrodenbasis und eine zweite delta-Pumpe 667D auf
Elektrodenbasis. Die Auslässe
der alpha-, beta-, gamma- und delta-Zubnngerkanäle 670A – 670D haben
eine dritte alpha-Pumpe 668A auf Elektrodenbasis, eine
dritte beta-Pumpe 668B auf Elektrodenbasis, eine dritte
gamma-Pumpe 668CF auf Elektrodenbasis und eine dritte delta-Pumpe 668D auf
Elektrodenbasis. Die angewendeten Spannungen zum Betreiben der Pumpen
auf Elektrodenbasis in den Kanälen,
welche die Dreiwegeverbindung bilden (aus einem Zubringerkanaleinlaß, einem
Zubringerkanalauslaß und
einem Verteilungskanal) können
so eingestellt werden, daß sie
entweder einen Fluß in
den Verteilungskanal erlauben oder den Fluß in den Verteilungskanal blockieren.
Vorzugsweise ist bei jeder Dreiwegeverbindung jede Elektrode der
ersten Pumpe 660 auf Elektrodenbasis, der zweiten Pumpe 667 auf
Elektrodenbasis und der dritten Pumpe 668 auf Elektrodenbasis
am nächsten
der Verbindung, die mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden
oder geerdet ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
können
die Kapillarbarrieren, wie beispielsweise an den vier Verbindungen
(unnumeriert), mit dem fünften
vertikalen Kanal 628 verwendet werden, um unbeabsichtigten Fluß in den
fünften
vertikalen Kanal 628 zu beschränken. Bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
haben die ersten alpha- und beta-Verteilungskanäle 622A und 622B sowie
die zweiten alpha- und beta-Verteilungskanäle 624A und 624B engere
Kanalweiten als ihre verbundenen Zubringerkanäle 670, so daß der Fluß durch
die Verteilungskanäle 622 oder 624 weniger
begünstigt
als der Fluß durch
die Zubringerkanäle 670 ist, besonders
wenn die erste Pumpe 660 auf Elektrodenbasis in den Verteilungskanälen so arbeitet,
daß gegen den
unerwünschten
Fluß gepumpt
wird. Vorzugsweise haben eine oder mehrere der Verteilungskanäle (zum Beispiel
der erste alpha-Verteilungskanal 622A) eine Kanalbreite
an der Öffnung
mit der Dreiwegeverbindung, die etwa 50% oder weniger der Breite
des verbundenen Zubringerkanals 570 ist, stärker bevorzugt
die Breite etwa 40% oder weniger der Breite des verbundenen Zubringerkanals 670 beträgt.
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Merkmale
anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben
sind, können
auch auf diese Ausführungsform
angewendet werden, ungeachtet der Tatsache, unter welcher Überschrift
sie beschrieben sind.
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F. Steuereinrichtung
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Die
Steuereinrichtung 10 wird typischerweise ein elektronischer
Prozessor sein. Sie kann jedoch auch eine einfachere Vorrichtung
mit Zeitgebern, Schaltern, Solenoiden oder dergleichen sein. Das
wesentliche Merkmal der Steuereinrichtung 10 ist jenes,
daß sie
die Aktivität
der ersten Pumpen 360 und der zweiten Pumpen 361 und
gegebenenfalls die Aktivität äußerer Pumpen 171 steuert.
Ein Schaltkreis dünner
Filmtransistoren (nicht gezeigt) kann auf dem Flüssigkeitsverteilungssystem
gebildet werden, um Energie an die Vertiefungen über Leitungen und Elektroden
zu liefern und sie mit den Antriebsmitteln, wie der Steuereinrichtung 10,
zu verbinden, um so Flüssigkeiten
durch die Anordnung zu bewegen. Stifte können auch zum Substrat gebildet
werden und sind durch logische Schaltkreise adressierbar, die mit
der Steuereinrichtung 10 beispielsweise verbunden sind.
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G. Reaktionszellen und Reaktionszellenplatte
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Reaktionszellen 350 sind
typischerweise Vertiefungen, die in den oberen Schichten einer Reaktionszellenplatte 320 ausgebildet
sind. Der Ablauf 355 einer Reaktionszelle 350 kann
am Boden der Reaktionszelle 350 offen sein, in welchem
Fall die Drainage kinetisch und durch Negativdruck von den verbundenen
Kanälen gesteuert
wird. Alternativ kann der Ablauf 355 in Nachbarschaft zu
der Reaktionszelle 350 sein und sich in größerer Höhe als die
Höhe des
Bodens der Reaktionszelle 350 öffnen, wie in 15A erläutert ist. In 15A ist der Ablauf 355 mit der
Reaktionszelle 350 durch eine Schleuse 351 verbunden.
In diesem Fall werden die Spülvolumina,
die wesentliche Volumina in Bezug auf das Volumen der Reaktionszelle
sind, aber in absoluter Menge winzig sind, durch die Reaktionszelle 350 geführt, um
die Gesamtheit eines bestimmten Reaktionspartners zu entfernen,
der vorher in die Reaktionszelle 350 geschickt wurde. Bei
einer anderen Alternative wird die Reaktionszelle 350 mit
einem ersten horizontalen alpha-Ablaufkanal 356A und einem
ersten horizontalen beta-Ablaufkanal 356B verbunden, die
eine erste alpha-Ablaufpumpe 356A bzw. eine erste beta-Ablaufpunkte 357B haben,
die Pumpen auf Elektrodenbasis sein können, wie in 15B erläutert ist. Die ersten horizontalen
alpha- und beta-Ablaufkanäle 356A und 356B können mit
einem vertikalen alpha-Ablaufkanal 358A und einem vertikalen
Beta-Ablaufkanal 358B verbunden werden, die ihrerseits
mit einem zweiten horizontalen alpha- und beta-Ablaufkanal 359A bzw. 359B verbunden
sind. Die zweiten horizontalen alpha- und beta-Ablaufkanäle 359A und 359B öffnen sich
in den alpha-Ablaufkanal 355A und den beta-Ablaufkanal 355B.
Die alpha- und beta-Pumpen 357 arbeiten
unter der Steuerung der Steuereinrichtung 10, welche die
Pumpen betätigt, wenn
es angebracht ist, die Reaktionszelle 355 ablaufen zu lassen.
Man bemerke, daß diese
letztere Ablaufstruktur einer Form einer Kapillarbarriere 370 einschließt. Wo alpha-
und beta-Pumpen 357A und 357B Pumpen auf Elektrodenbasis
sind, kann man so arbeiten, daß ein
+-Fluß die
Reaktionszelle 350 durchspülen würde und ein +Fluß die Reaktionszelle 350 durchspülen würde. Auf
diese Weise würde
ungeachtet dessen, was die Fließpräferenz der
Flüssigkeit
in der Reaktionszelle 350 ist, ein Ablaufmechanismus das
Fluid aus der Reaktionszelle 350 verdrängen, während das andere nur ein begrenztes
Volumen von Fluid in die Reaktionszelle 350 schieben würde, was
einen Nettoablaufeffekt ergäbe.
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Ein
anderer Weg, auf dem die Reaktionszelle 350 steuerbar ablaufen
kann, ist der, einen Bodenablauf 355 mit einem Auslaßkanal zu
verwenden, der eine Einengung hat, wie beispielsweise eine der Einengungen, die
oben unter Bezugnahme auf die bevorzugte zweite Ausführungsform
beschrieben ist.
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Abläufe sind
fakultativ, da bei einigen Anwendungen die Flüssigkeitsmenge, die in eine
Reaktionszelle 350 bewegt wird, geringer als das Reaktionszellenvolumen
ist. Wenn Abläufe
jedoch nicht vorliegen, sind Entlüftungen erforderlich. Entlüftungen
für die
Reaktionszellen 350 sind in anderen Kontexten ausreichend
beschrieben.
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Die
Reaktionszellenplatte kann umkehrbar an die nächst höhere Platte beispielsweise
durch Gewährleistung,
daß die
beiden Oberflächen
glatt bearbeitet sind, und Zusammenpressen der beiden Platten gebunden
werden. Statt dessen wird beispielsweise eine deformierbare Dichtung,
wie aus Teflon, Polyethylen oder einem elastomeren Film (wie aus
Naturkautschuk, ABS-Gummi oder Polyurethan-Elastomerfilm) als Dichtung zwischen
die Platten gelegt. Ein Weg, eine Kraft aufrechtzuerhalten, welche
die Platten an der Dichtung haften läßt, ist der, eine Anzahl von
Vakuumlöchern
zu haben, die durch die Bodenplatte und die Dichtung geschnitten sind,
und ein Vakuum an diese Stellen anzulegen. Allgemein sollte die
Dichtung ausreichen, damit die zur Bildung des Vakuums verwendete
Pumpe nach anfänglicher
Bildung des Vakuums abgeschaltet werden kann. Die Dichtung ist vorzugsweise
etwa 0,05 mil bis etwa 1 mil und stärker bevorzugt etwa 0,1mil × etwa 0,3
mil in der Dicke.
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Aus
dem Boden der Reaktionszellenplatte 320 austretendes Fluid
kann beispielsweise einfach in einem Schmutzfänger aufgefangen werden oder
kann in ein poröses
Substrat, wie ein gesintertes Glas, Glaswolle oder ein Gewebematerial,
diffundiert werden. Alternativ ist eine fünfte Platte 340 an
der Unterseite der Reaktionszelle angebracht und hat Kanäle, welche
die Auslässe
der Reaktionszellen 350 mit individuellen Sammelreservoirs
verbinden, aus welchen Proben des Fluids entnommen werden können. Beispielsweise
ist die fünfte
Platte 340 breiter als die Reaktionszellenplatte 320,
und die Sammelreservoirs liegen über
der Oberfläche
der fünften
Platte 340 im Bereich, der nicht von der Reaktionszellenplatte 320 bedeckt
ist.
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Vorzugsweise
werden Syntheseverfahren, die in den Reaktionszellen 350 des
Flüssigkeitsverteilungssystems
durchgeführt
werden, auf unlöslichen
Trägern
stattfinden, die typischerweise als „Perlen" bezeichnet werden, wie die Styrol-Divinylbenzol-Copolimerisate,
die von Merrifield benutzt wurden, wenn er synthetisch technische
Peptide in fester Phase einführte.
Merrifield, J. Am Chem. Soc. 85:3149, 1963. Siehe auch Barany et
al., „Jüngste Fortschritte
bei der Festphasensynthese" in
Innovation and Perspectives in Solid Phase Synthesis: Peptides,
Polypeptides, and Oligonucleotides, Roger Epton, Herausgeber, gesammelte
Papiere des zweiten Internationalen Symposiums, 27-31 August 1991, Canterbury,
England, Seite 29. Diese Träger
werden typischerweise derivatisiert, um einen „Handgriff" zu bekommen, an den der erste Baublock
eines erwarteten Produkts reversibel befestigt werden kann. Auf
dem Gebiet der Peptidsynthese schließen geeignete Träger beispielsweise
p-Alkoxybenzylalkoholharz („Wang" oder PAM-Hair),
das bei Bachel Bioscience, Inc., King of Prussia, PA erhältlich ist)
substituierte 2-Chlortritylharze, die bei Advanced Chemtech, Louisville,
KY erhältlich sind,
und Polyethylenglycol-gepfropfte Polystyrolharze (PEG-PS- Harze)
sind erhältlich
bei PerSeptive Biosystems, Framingham, MA oder unter der Handelsbezeichnung
TentaGel bei Rapp Polymer in Deutschland. Ähnliche Festphasenträger, wie
Polystyrolperlen, werden auch bei der Synthese von Oligonukleotiden
auf dem Phosphotriesterweg verwendet (siehe Dhris'iodoulou, „Oligonukleotid-Synthese:
Phosphotriestennreg" in
den Protokollen für
Oligonukleotid-Konjugate, S. Agrawal, Herausgeber, Humana Press,
N.J. 1994) auf dem Phosphoramidit-Weg (siehe Beaucage, „Oligodeoxynukleotid
Synthese: Phosphoramidit-Weg" in
Protokolle für
Olegonukleotid-Konjugate, S. Agrawal, Herausgeber, Humana Press,
N.J. 1994), auf dem H-Phosphonatweg (siehe Froehler, Oligodeoxynukleotid-Synthese:
H-Phosponatweg" in
Protokolle für
Oligonukleotid-Konjugate, S, Agrawal, Herausgeber, Humana Press,
N.J. 1994) oder nach der Silyl-Phosphoramidit-Methode (siehe Damha und
Ogilvie, Oligodeoxynukleotid-Synthese: „Silyl-phospharamidit-Methode" in Protokolle für Oligonukleotid-Konjugate,
S. Agrawal, Herausgeber, Humana Press, N. J. 1994). (geeignete Träger für die Oligonukleotid-Synthese
sind etwa die Glas- (cpg) und Polystyrol-Träger mit kontrollierter Porengröße, erhältlich bei
der Applied Biosystems, Foster City, CA. Feste Träger werden
auch bei anderen kleinen Molekülen
und Polymeren organischer Synthese verwendet, wie in der Oligocarbamat-Synthese
für organische
Polymeranwendung, beschrieben von Gordon et al., J. Medicinal Chem.
37:1385-1401, 1994 beschrieben ist.
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Vorzugweise
sind die Reaktionszellen 350 rechteckig mit horizontalen
Abmessungen von etwa 400 Mikron bis etwa 1200 Mikron, stärker bevorzugt
etwa 500 Mikron bis etwa 1000 Mikron, noch stärker bevorzugt etwa 640 Mikron
und einer Tiefe von etwa 200 Mikron bis etwa 400 Mikron. Wo Perlen
in den Reaktionszellen 350 verwendet werden, ist die Tiefe
der Reaktionszellen 350 vorzugsweise wenigstens etwa 50
Mikron größer als
der gequollene Durchmesser der Perlen. Die Trägerperlen, die typischerweise
wie in Synthesen in feste Phase verwendet werden, haben Durchmesser
zwischen etwa 50 Mikron und etwa 250 Mikron, und die Kapazitäten reaktiver
Stellen liegen zwischen etwa 0,1 mMol/g und etwa 1,6 mMol/g. Typischerweise
werden zwischen etwa 1 und etwa 10 solcher Perlen in einer Reaktionszelle 350 eingeführt, um
eine erwünschte
Kapazität zwischen
etwa 1 nMol und etwa 10 nMol je Reaktionszelle 350 zu ergeben.
In jüngerer
Zeit wurden Perlen verfügbar,
die einen Durchmesser haben, welcher im Bereich zwischen etwa 200
Mikron und etwa 400 Mikron liegen, je nach dem Lösungsmittel, das verwendet
wurde, um die Perlen zu quellen, und je nach dem Größenunterschied
zwischen den einzelnen Perlen, und es wurde eine Kapazität der reaktiven
Stellen zwischen 5 nMol und etwa 20 nMol je Perle verfügbar. Diese
großen
Perlen schließen
die Perlen ein, die von Polymer Laboratories, Amhearst, MA verkauft
werden. Erwünschte
Funktionalitäten
der reaktiven Stellen beinhalten Halogen-, Alkohol-, Amin- und Carbonsäuregruppen.
Mit diesen großen
Perlen wird vorzugsweise jede Reaktionszelle 350 nur mit
einer Perle beladen.
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Eine
andere Option für
das Erzeugen eines festen Trägers
ist die, den Boden der Reaktionszelle 350 direkt derart
zu derivatisieren, daß es
reversibel an den ersten Baublock: der Verbindung, die synthetisiert
werden solle, gekoppelt werden kann. Die hierzu verwendete Chemie
kann die gleiche oder ähnlich
wie jene sein, die verwendet wird, um Glasperlen (cpg) und Polymerperlen
mit ge steuerter Porengröße zu derivatisieren.
Typischerweise ist die erste Stufe in diesem Verfahren die, Hydroxylgruppen
zu erzeugen (wenn sie nicht bereits auf dem Träger existieren) oder Aminogruppen
auf dem Träger
zu bekommen. Wenn Nydroxylgruppen vorliegen oder erzeugt werden,
werden sie typischerweise in Aminogruppen umgewandelt, beispielsweise
durch Umsetzung mit gamma-Aminopropyltriethoxysilan.
Flexible Seile können
den Aminogruppen mit zyklischen Säureanhydriden, Reaktionen mit
polymerisierten Alkylenoxiden und anderen Methoden, die in der Technik
bekannt sind, zugefügt
werden. Beispiele solcher Methoden sind in Fields et al., „Synthetische
Peptide: Ein Führerfür Benutzer", W. N: Freeman und
Co., Salt Lake Ciry, UT, 1991, beschrieben.
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Methoden
zur Erzeugung reaktiver Stellen sind etwa für den Fall, wo die Reaktionszellenplatte 320 aus Kunststoff
besteht, daß man
den Boden der Reaktionszelten 350 einem reaktiven Plasma aussetzt,
so daß durch
eine Glimmentladung in Gegenwart von Ammoniak oder Wasser NN2-Gruppen erzeugt werden. Solche Verfahren
sind in „Modification
of Polymers", Carraher
und Tsuda, Herausgeber, American Chem. Soc,. Washington, DC, 1980,
beschrieben. Eine andere Methode, die mit Glas-, Keramik- oder Polymersubstraten brauchbar
ist, ist die Abscheidung eines Films von Siliziummonoxid durch Dampfabscheidung
bei niedriger Temperatur, um Hydroxyl-Funktionalitäten zu erzeugen.
Glasoberflächen
können
mit Alkali behandelt werden, beispielsweise mit KOH- oder NaOH-Lösungen in
Wasser oder Wasser/Alkohol-Gemischen, um Hydroxyl-funktionelle Gruppen
freizulegen. Nicht-geglühte
Borsilikat-Glasoberflächen,
einschließlich Überzügen von nichtgeglühtem Borsilikatglas,
erzeugt durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase können geätzt werden,
beispielsweise mit Fluorwasserstoffsäure, gelöst in Wasser, um die Bereiche,
die reich an Bor sind, aufzulösen,
und dieses Verfahren erzeugt eine poröse Struktur mit einer großen Oberfläche. Diese
poröse Struktur
kann mit Alkali behandelt werden, um Hydroxylgruppen freizulegen.
Der Substitutionsgrad reaktiver Stellen auf solchen Oberflächen ist
vorzugsweise wenigstens etwa 83 nMol je cm², stärker bevorzugt wenigstens etwa
124 nMol je cm² (unter
der Annahme einer Substitution in 500 Mikron mal 500 Mikron Reaktionszelle 350 von
wenigstens etwa 0,31 nMol), noch mehr bevorzugt wenigstens etwa
256 nMol je cm².
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Die
oben beschriebenen Verfahren zur Verwendung des Bodens der Reaktionszellen 350 als
einen festen Träger
können
durch Methoden ergänzt
werden, welche die Oberfläche
des Bodens der Reaktionszellen 350 vergrößern. Eine
Methode ist die, säulenförmige Strukturen
von Siliziummonoxid, wie beispielsweise durch thermische Verdampfung
von SiOX zu vergrößern. Eine andere derartige
Methode ist die, in die Reaktionszellen Stoffe zuzugeben, wie nicht-gewebtes
Glas oder nicht-gewebten Kunststoff (vorzugsweise Faserglas oder
Polypropylenfaser)-Gewebe und Plasmabehandlung des Gewebes, um reaktive
Stellen zu erzeugen.
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Eine
andere Methode verwendet Aufspinnglas, das einen dünnen Film
von nahezu stöchiometrischem SiO2 von einer Sil-Sesquioxan-Leiter-Polymerstruktur
durch thermische Oxidation erzeugt. Sol-Gel-Behandlung erzeugt dünne Filme
von glasartiger Zusammensetzung aus Organo-Metall-Ausgangsmaterialien, indem man
zunächst
eine polymere Organometallstruktur in Gemisch von Alkohol plus Wasser
bildet und dann sorgfältig
trocknet und erhitzt. Wenn das Sol-Gel-System über der kritischen Temperatur
und dem kritischen Druck der Lösung
getrocknet wird, bekommt man ein Aerogel. Aerogele haben chemische
Zusammensetzungen, die den Gläsern ähnlich sind
(zum Beispiel SiO2), doch haben sie extrem
poröse
Mikrostrukturen. Ihre Dichten sind vergleichsweise gering, in einigen
Fällen
mit nur etwa ein bis etwa drei Prozent Feststoffzusammensetzung, wobei
der Rest Luft ist.
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H. Kapillarbarrieren
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Kapillarbarrieren
wurden oben unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben. Kompliziertere Gestaltungsbetrachtungen
jedoch, als oben diskutiert wurden, beeinflussen in einigen Fällen die
Gestalt der Kapillarbarriere. In einigen Fällen ist es erwünscht, die
durch die zweite Öffnung 362 oder
eine dritte Öffnung 363 gebildete
Schleuse zu verengen, um die Impedanz zu erhöhen und so (d.h. den Reibungswiderstand
zu fließen)
fließen
zu lassen, wie geeignet ist, um eine geeignete Fließgeschwindigkeit
zu erreichen, wenn die verbundene erste Pumpe 360 oder
die zweite Pumpe 361 aktiviert wird. Eine solche Verengung
wird durch Vergleich der Schleuse von 16A mit
der verengten Schleuse von 16D gezeigt.
Das Problem, das diese Gestaltungsänderung erzeugen kann, besteht
darin, daß engere
Kanäle
Kapillarkräfte
erhöhen
können
und dabei die Wirksamkeit von Kanalbrüchen begrenzen.
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So
schließt
bei einer bevorzugten Ausführungsform
ein Kanalbruch eine oder mehrere aufwärts orientierte scharfe Kanten 369 ein,
wie in den 16B und 16C erläutert ist. Stärker bevorzugt
enthält
ein Kanalbruch zwei oder mehr aufwärts gerichtete scharfe Kanten 369.
In 16B wird der Abschnitt 362A der Öffnung 362 tiefer
in die erste Platte 300 geschnitten, um einen offenen Raum
zu erzeugen, der für
die Operation der aufwärts
gerichteten scharfen Kanten 369 brauchbar ist.
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I. Herstellung von Platten,
Kanälen,
Reservoirs und Reaktionszellen
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Die
Flüssigkeitsverteüungssysteme
nach der Erfindung können
aus einem Trägermaterial
aufgebaut sein, das resistent gegen die Chemikalien ist oder gemacht
sein kann, die bei den chemischen Verfahren verwendet werden sollen,
die in der Vorrichtung durchzuführen
sind. Für
alle der oben beschriebenen Ausführungsformen
wird das bevorzugte Trägermaterial
ein solches sein, das sich selbst als passend für die Methoden der Mikrofabrikation
erwiesen hat, die Kanäle
bilden können,
die Querschnittsabmessungen zwischen etwa 50 Mikron und etwa 250
Mikron haben, wie Glas, geschmolzene Kieselsäure, Quarz, Siliziumplättchen oder
geeignete Kunststoffe. Glas-, Quarz-, Silizium- und Kunststoffträgermaterialien
sind bevorzugte Oberflächen,
die mit einem geeigneten Behandlungsmittel behandelt wurden, wie
mit einem silikonisierenden Mittel, das die reaktiven Stel-len auf dem Material
minimiert, einschließlich
reaktiver Stelien, die an biologische Moleküle, wie Proteine oder Nukleinsäuren binden.
Wie oben diskutiert, ist das Ausdehnungsventil des Flüssigkeitsverteilungssystems
vorzugsweise aus einem Kunststoff konstruiert. Bei Ausführungsformen,
die relativ dicht gepackte elektrische Einrichtungen erfordern,
ist ein nicht-leitendes Trägermaterial,
wie ein geeignetes Glas, bevorzugt. Corning-Borsilikatglas und Corning
7740-Borsilikatglas, erhältlich
bei Corning Glass Co., Corning, NY, sind unter den bevorzugten Gläsern.
-
Das
Flüssigkeitsverteilungssystem
nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus getrennten Platten von
Materialien, auf welchen Kanäle,
Reservoirs und Reaktionszellen gebildet werden, und diese Platten
werden später
unter Bildung des Flüssigkeitsverteilungssystems
verbunden. Dieser Aspekt der Erfindung ist in einigen Details in
Bezug auf das hydrologische Flüssigkeitsverteilungssystem
beschrieben. Vorzugsweise ist die Reaktionszellplatte, zum Beispiel
die Reaktionszellplatte 320, die Bodenplatte und ist reversibel
mit der nächsten
Platte in dem Stapel verbunden. Die anderen Platten, die das Verteilungssystem
bilden, welches vorzugsweise zwei bis drei Platten umfaßt, sind
vorzugsweise permanent verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise
unter Verwendung von Klebstoffen oder von Techniken, wie thermischer
Bindung von Glas auf Glas, erhalten werden.
-
Ein
bevorzugtes Verfahren zur permanenten Verbindung der Platten ist
jenes, bei dem man zunächst die
Platte mit einer Schicht von Glasglasur allgemein mit einer Dicke
zwischen etwa 50 Mikron und etwa 500 Mikron, stärker bevorzugt zwischen etwa
75 Mikron und etwa 125 Mikron überzieht.
Die obigen Dicken ziehen in Betracht, daß wesentliche Mengen von Kanalstruktur
in der Glasurschicht gebildet werden. Sonst hat die Glasur allgemein
eine Dicke zwischen etwa 1 Mikron und etwa 100 Mikron, stärker bevorzugt
zwischen etwa 10 Mikron und etwa 25 Mikron. Diese Methoden werden
vorzugsweise angewendet, um Glasplatten zu verbinden. Geeignete
Glasuren sind bei der Ferro Corp., Cincinnati, OH, eihältlich.
Die glasierte Platte wird behandelt, um Kanäle, Reservoirs oder Reaktionszellen,
wie nachfolgend beschrieben, zu erzeugen. Die glasierte Platte wird
gegen eine andere Platte positioniert, die vorzugsweise nicht glasiert
ist, und die beiden Platten werden auf eine Temperatur von etwa
der Erweichungstemperatur der Glasur oder höher, aber geringer als die Erweichungstemperatur
für den
Nicht-Glasurbereich dieser Platten erhitzt.
-
Eine
andere bevorzugte Methode zur permanenten Verbindung von Glasplatten
verwendet ein feldunterstütztes
Verfahren zur thermischen Bindung. Es wurde nun festgestellt, daß Glas-auf-Glas-Dichtung unter Verwendung
einer feldunterstützten
thermischen Bindung möglich
ist trotz der niedrigen Leitfähigkeit
von Glas, wenn ein feldunterstütztes
Bindungsmaterial zwischen die zu verbindenden Platten zwischengeschaltet
wird.
-
Auf
die obere oder Bodenoberfläche
einer Glasplatte wird eine Schicht eines feldunterstützten Bindematerials
aufgebracht. Vorzugsweise hat eine Bindematerialschicht mit Feldunterstützung eine
Dicke zwischen etwa 50 nm und etwa 1000 nm, stärker bevorzugt zwischen etwa
150 nm und etwa 500 nm. Das feldunterstützte Bindematerial kann ein
Material sein, das Glassubstrate unter Verwendung der oben beschribenen
Methode bindet. Vorzugsweise ist das feldunterstützte Bindematerial Silizium
oder Kieselsäure.
Stärker
bevorzugt ist das feldunterstützte
Bindematerial Silizium.
-
Das
feldunterstützte
Bindematerial kann auf eine Platte beispielsweise durch chemische
Abscheidung aus der Dampfphase oder durch ein Sputterverfahren aufgebracht
werden, bei dem Oberflächenmoleküle von einer
Kathode emittiert werden, wenn die Kathode mit positiven Ionen aus
einer Edelgasentladung bombardiert wird und die Oberflächenmoleküle mit einem
nahegelegenen Substrat kollidieren und dann daran binden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wurden Siliziumschichten von 150 nm bis etwa 500 nm Dicke
an Glasplatten unter Bedingungen gebunden, von denen man erwarten
kann, daß sie
eine äußere Oberflächenschicht
von Siliziumdioxid erzeugen, wie eine solche von etwa 20 Å, obwohl
das Dichtungsverfahren wirksam in Abwesenheit dieser Schicht sein
dürfte.
Die beschichtete Platte wird behandelt, wenn erforderlich, um Kanäle, Reservoirs
oder Reaktionszellen zu erzeugen, wobei die nachfolgend beschriebene
Methode verwendet wird. Alternativ wurde die Platte so vor dem Beschichten
mit dem feldunterstützten
Bindematerial behandelt. Die beschichtete Platte wird dann gegen
eine andere Platte gestellt, die vorzugsweise nicht beschichtet
ist, und in eine feldunterstützte
Bindungseinrichtung 700 eingesetzt, wie die, welche in 17 erläutert ist. Die feldunterstützte Bindungseinrichtung 700 hat
eine Heizeinrichtung 710, sowie eine Heizplatte. Die feldunterstützte Bindungseinrichtung 700 hat
weiterhin eine Elektrode 720 und eine Erdung 730,
die das Anlegen einer Spannung quer zur ersten Platte 740 und
der zweiten Platte 750, auf welche eine Siliziumschicht 760 aufgebracht
wurde, erlaubt. Pfeile 770 zeigen die elektrische Feldausrichtung.
Allgemein wird die feldunterstützte
Bindung unter einer normalen Atmosphäre durchgeführt.
-
Die
Platten werden auf eine Temperatur gebracht, die wirksam ist, wenn
ein geeignetes elektrisches Feld quer zu den Platten angelegt wird,
um das Bindungsverfahren zu beschleunigen. Obwohl keine Bindung an
eine Theorie erfolgen soll, wird doch angenommen, daß die Kombination
einer auf der ersten Glasplatte 740 aufgebrachte Kathode
und die größere Ionen-Mobilität der Austauschstelle
(wie Natriumionen), verursacht durch die erhöhte Temperatur, eine Ionenverarmung
auf der Fläche
der ersten Glasplatte 740 gegenüber jener, an der die Kathode
aufgebracht wird, verursacht. Die lonenverarmung dürfte eine
Oberflächenladung
bewirken, bei der die Bodenoberfläche des ersten Glassubstrats 740 bewirken,
die in Wechselbeziehung mit der Erzeugung einer starken lokalisierten
elektrostatischen Anziehung für
das zweite Substrat 750 steht. Es ist klar, daß dieses
Verfahren starke Bindung zwischen den Substraten erzeugt, und es
wird angenommen, daß dies infolge
der Bildung chemischer Bindungen zwischen der Kieselsäure des
ersten Glassubstrats 740 und der Kieselsäure im Überzug auf
dem zweiten Glassubstrat 750 erfolgt. Vorzugsweise wird
die Siliziumbeschichtung auf etwa 200°C bis etwa 600°C, stärker bevorzugt
auf etwa 300°C
bis etwa 450°C
gebracht. Während des
Verfahrens wird typischerweise eine Spannung von etwa 200V bis etwa
2500V, vorzugsweise von etwa 500V bis etwa1500V quer über die
erste Glasplatte 740 und die zweite Glasplatte 750 angelegt.
Die am zweckmäßigsten
angelegte Spannung variiert mit der Dicke der Glasplatten. Die Spannung
zieht die erste Glasplatte 740 und die zweite Glasplatte 750 einschließlich der
Siliziumschicht 760, die auf eine der Platten aufgebracht wurde,
in innigen Kontakt zueinander. Typischerweise erreicht man eine
hermetische Bindung innerhalb von Minuten bis etwa zu einer Stunde,
je nach den ebenen Abmessungen der Glasplatten. Die erforderliche
Zeit, um eine ausreichende Dichtung zu bekommen, variiert unter
anderen Dingen mit der Glattheft der Platten, der elektrischen Feldstärke, der
Temperatur und den Abmessungen der Platten. Eine Bindung zwischen
den Platten ist visuell typischerweise ersichtlich, da sie von dem
begleitenden Verschwinden der Grenzfläche zwischen den Platten und
der Bildung von grauer Farbe auf den gebundenen Bereichen begleitet
ist, was zu sehen ist, wenn ein Betrachter durch die dünneren Abmessungen
der beiden Platten blickt.
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Die
oben beschriebene Methode kann verwendet werden, um ein Glassubstrat
an ein anderes Glassubstrat und natürlich auch gleichzeitig an
ein drittes Glassubstrat zu binden.
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Die
Fachleute werden erkennen, daß,
obwohl eine heiße
Platte erläutert
ist, die das Erhitzen während der
thermisch unterstützten
Bindung liefert, auch andere Heizeinrichtungen, wie Öfen, verwendet
werden können.
Es wird auch zu realisieren sein, daß es erwünscht ist, wenn möglich, die
Wärmeausdehnungskoeffizienten
der zu bindenden Substrate aneinander anzupassen.
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Die
Reservoirs, Reaktionszellen, horizontalen Kanäle und anderen Strukturen des
Fluidverteilungssystems können
nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Eine Platte, die
beispielsweise eine Hindurchführungsplatte 300,
Verteilungsplatte 310, Reaktionszellenplatte 320 oder
Zwischenplatte 330 ist, wird nacheinander auf beiden Seiten
zunächst
mit einer dünnen
Chromschicht von etwa 500 Å Dicke
und einem zweiten Goldfilm von etwa 2000Å Dicke in bekannter Weise
beschichtet, wie durch Aufdampfen oder Sputtern, um die Platte gegen
nachfolgende Ätrmittel
zu schützen.
Eine zwei-Mikron-Schicht eines Photoresists, wie Dynakem EPA von
Hoechst Celanese Corp., Bridgewater, NJ, wird auf den Photoresist
gesponnen, und dieser wird freigelegt, entweder unter Verwendung
einer Maske oder unter Verwendung quadratischer oder rechteckiger
Bilder, zweckmäßig unter
Verwendung des MRS 4500 Panelenstufengeräts, das bei der MRS Technology,
Inc. Acton, MA, erhältlich
ist. Nach Entwicklung unter Bilddung von Öffnungen in der Resistschicht
und Einbrennen des Rückstandes
unter Entfernen des Lösungsmittels
wird die Goldschicht in den Öffnungen
unter Verwendung einer Standardätrlösung von
4 Gramm Kaliumjodid und 1 Gram Jod (I2)
in 25 ml Wasser weggeätzt.
Die darunterliegende Chromschicht wird dann getrennt unter Verwendung
eines Säure-Chrom-Ätrmittels, wie
KTI Chrome Etch von KTI Chemicals, Inc., Sunnyvale, CA, weggeätzt. Die
Platte wird dann in einem Ultraschallbad von HF-HNO3-H2O in einem Volumenverhältnis 14:20:66 geätzt. Die
Verwendung dieses Ätzmittels
in einem Ultraschallbad erzeugt vertikale Seitenwände für die verschiedenen
Strukturen. Das Ätren
wird fortgesetzt, bis die erwünschte Ätztiefe
erhalten wurde. Vertikale Kanäle
werden typischerweise durch Laserablation gebildet.
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Die
verschiedenen horizontalen Kanäle
der Ausführungsformen
des Verteilungssystems haben typischerweise Tiefen von etwa 50 Mikron
bis etwa 250 Mikron, vorzugsweise von etwa 50 Mikron bis etwa 100 Mikron,
noch stärker
bevorzugt von etwa 50Mikron bis etwa 80 Mikron. Die Breiten der
horizontalen Kanäle und
die Durchmesser der vertikalen Kanäle sind typischerweise etwa
50 Mikron bis etwa 20 Mikron, vorzugsweise etwa 100 Mikron bis etwa
200 Mikron, stärker
bevorzugt etwa 120 Mikron bis etwa 150 Mikron.
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J. Herstellung von Pumpen
auf Elektrodenbasis
-
In
vielen Ausführungsformen
erfordern die Flüssigkeitsverteilungssysteme
nach der Erfindung zahlreiche Elektroden für Pumpfluide durch das Flüssigkeitsverteilungssystem.
Diese Elektroden werden allgemein in der oberen Glasplatte des Flüssigkeitsverteilungssystems
hergestellt. Typischerweise ist jedes Paar von Elektroden eng beabstandet
(zum Beispiel 50 bis 250 Mikron Trennung). Die Elektroden werden
mit Durchmessern von vorzugsweise etwa 25 Mikron bis zu etwa 150
Mikron hergestellt, stärker
bevorzugt etwa 50 Mikron bis etwa 75 Mikron. In bevorzugten Ausfüh rungsformen
hat das Flüssigkeitsverteilungssystem 10.000
Reaktionszellen 350, wobei jede Reaktionszelle 350 sechs
bis zehn verbundene Pumpen auf Elektrodenbasis hat. So kann ein
Flüssigkeitsverteilungssystem
etwa 200.000 bis etwa 300.000 Elektroden erfordern. Um solche Strukturen
unter Verwendung von Massenproduktionstechniken herzustellen, ist
die Bildung der Elektroden in paralleler Weise statt nacheinander
erforderlich. Eine bevorzugte Methode zur Bildung der Elektroden schließt ein,
daß man
die Löcher
in der Platte (zum Beispiel Hindurchführungsplatte 300),
durch welche die Elektroden hervorragen werden, bildet, die Löcher mit
einer metallischen dicken Filmdruckfarbe (d.h. einer sogenannten „via ink", die ein Fluidmaterial
ist, welches bei einer bestimmten Temperatur sintert, um eine Masse zu
bilden, die beim Abkühlen
unter die Sintertemperatur ein elektrisch leitender Feststoff ist)
füllt und
dann die Platte und Druckfarbenfüllung
erhitzt, um die Druckfarbe in einen guten Leiter umzuwandeln, der
auch die Löcher
gegen Fluidleckage abdichtet. Das Verfahren erzeugt auch Teile der
Elektroden, die durch die Platte ragen, um auf einer Seite die Elektroden
zu bilden, die in die Flüssigkeiten
in Fluidkanälen
ragen und auf der anderen Seite Kontaktpunkte für die Befestigung elektrischer
Steuerungen liefern.
-
Beispielsweise
werden Löcher
in 500 Mikron dicke Platten aus Borsilikatglas unter Verwendung
eines Excimer-Lasers gebohrt. Löcher
mit Durchmessern zwischen 50 und 150 Mikron werden dann mit dicken
Filmdruckfarben gefüllt,
wobei man eine handelsübliche
Einspritzmaschine „Vial-fill-Maschine" (Pacific Trinetics Modell,
VF-1000, San Marcos, CA) verwendet. Es wurde überraschenderweise gefunden,
daß nur
ausgewählte
Zusammensetzungen von via-Druckfarben ausreichend funktionieren,
um hohe Breiten-zu-Längen-Verhältnisse
zu füllen,
so daß die
erhitzte Farbe an Seiten der Löcher
anhaftet und nicht während
des Erhitzens bricht und die Löcher
gegen den Fluidfluß abdichtet.
Ein Parameter, der wichtig für
das Herstellen abgedichteter, leitfähiger Leitungen durch Löcher mit
hohem Längen-zu-Breiten-Verhältnis ist,
ist die Auswahl von Metallpulver- und Glaspulverkomponenten für die via-Druckfarbe,
die ausreichend feine Abmessungen hat. Eine geeignete Formulierung
verwendet 12-507 Au-Pulver (Technic Inc., Woonsocket, RI) 89,3%
w/w, F-92 Glas (O. Hommel Co., Carnegie, PA), 5,7% w/w, 15% w/w
Ethylcellulose N-300 (N-300, Aqualon, Wilmington, DE) in Texanol ® (Monoisobutaratester
von 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol, Eastman Chemical Products, Kingsport,
TN), 2,4% w/w, 15% w/w Elvacite 2045® (Polyisobutylmethacrylat)
in Terpineol T-31^8
(gemischte tertiäre
Terpenalkohole, Hercules Inc., Wilmington, DE), 2,1% w/w und Duomeen
TDO® (N-Talgalkyltrimethylendiaminoleat,
Akzo Chemicals, Chicago, IL). Das Goldpulver von Technic, Inc. hat
eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,9 Mikron. Eine andere
geeignete Formulierung verwendet: Ag-Pulver Q-Pulver (Metz, South
Plainfield, NJ), 80,8% w/w, F-92 Glas (O. Hommel Co. Carnegie, PA),
5,2% w/w, VX-1 Harz (37% w/w Terpineol T-318, 55,5% w/w Butylcarbitol,
7,5% w/w Ethylcellulose N-300, Aqualon, Wilmington, DE), 3,7% w/w,
15% w/w und Ethylcellulose N-300 in Texanol®, 4,4%
w/w, 15% w/w Elvacite 2045® (Polyisobutylmethacrylat)
in Terpineol T-318 , 4,1 % w/w, Duomeen TDO®, 0,6%
w/w und Terpineol 1,6%w/w. Diese Formulierungen werden bei 550°C erhitzt um
leitfähige
Leitungen mit hohem Langen-zu-Breiten-Verhältnis zu erzeugen.
-
Wenn
die Größe des Glas-
oder Metallpulvers zunimmt, können
oftmals gute Fülleigenschaften
(Fehlen von Rissen, gute Dichteigenschaften gegen Flüssigkeiten,
gute Anhaftung an Seiten der Löcher)
noch erhalten werden, indem man die Menge an organischen Stoffen
in der via-ink vermindert.
-
Die
Einrichtungen, die benutzt werden, um via-inks in die Löcher einer
Platte einzufügen,
beinhalten typischerweise eine Metallmatrize mit Öffnungen,
die den Öffnungen
in der Platte entsprechen. Die via-ink wird über die Matrize aufgebracht,
welche auf der Platte ruht, und eine Blaseneinrichtung wird verwendet,
um die Druckfarbe unter Druck zu setzen und sie so zu zwingen, die
Löcher
auszufüllen.
Nach dem Füllen
wird die Platte mit den mit via-ink gefüllten Löchern zur weiteren Verarbeitung
entfernt, wie nachfolgend beschrieben ist.
-
Vor
dem Erhitzen wird viel von der organischen Komponente wegverdampft,
beispielsweise, indem man die mit Druckfarbe gefüllte Platte in einen Ofen (zum
Beispiel bei 100°C)
für eine
bis fünf
Minuten gibt. Vorzugsweise wird das Erhitzen bei einer Temperatur
von etwa 450°C
bis etwa 700°C,
stärker
bevorzugt bei etwa 500°C
bis etwa 550°C
durchgeführt.
Das obere Ende des geeigneten Erhitzungstemperaturbereichs wird primär durch
die Temperatur bestimmt, bei welcher die Platte bei der Behandlung
sich zu verwerfen beginnt. Demnach konnten bei einigen Plattentypen
viel höhere
Temperaturen in Betracht gezogen werden.
-
Um
zu gewährleisten,
daß es
leitfähiges
Material ist, das über
und unter der Glasplatte nach dem Erhitzen hervorragt, können die
obere und die Bodenoberfläche
der Platte mit einer Kupferschicht einer Dicke, die der Länge der
erwünschten
Vorsprünge
entspricht, beschichtet werden. Die Opferschichten können aufgebracht
werden, bevor oder nachdem die Löcher
in der Platte gebildet werden. Wenn vorher, dann werden die Löcher sowohl
durch die Glasplatte als auch durch die Opferschichten hindurch
gebildet. Wenn später,
dann (a) können
entsprechende Öffnungen
durch die Opferschichten erzeugt werden, indem man einen Gasdruckunterschied
von einer Seite der Platte zur anderen erzeugt, und diese Druckdifferenz
bläst klar
das Opfermaterial weg, welches die Löcher bedeckt, oder (b) solche Öffnungen
durch wenigstens die obere Opferschicht werden erzeugt, wenn der
Druck der Druckfarbe durch die Opferschicht und in die Löcher drückt (eine
unschädliche
Menge an Opferschichtmaterial in den Löchern zurückläßt). Eine geeignete Opferschicht
brennt während
des Erhitzungsvertahrens weg. Opferschichten können aus einer Beschichtung
einer Platte mit beispielsweise 5 – 25 % w/w Gemischen von Ethylcelluloseharz
(zum Beispiel Ethylcellulose N-300, Aqualon, Wilmington, DE), gelöst in Terpineol
T-318® oder
Texanol® oder
5 – 50%
w/w von Gemischen von Elvacite 2045® in
Terpineol T-318® bestehen.
Nach dem Erhitzen können
die Oberflächen
der Elektrode durch Metallisieren, wie Vernickeln, Versilbern, Vergolden,
mit Platin oder mit Rhodium usw. verbessert werden. Die Abscheidungen
können
unter Verwendung von elektrolytischen und/oder galvanischen Standardplattierbädern und
-techniken durchgeführt
werden.
-
Vorzugsweise
wird eine Platte, wenn sie geätzte Öffnungen
enthält,
so verarbeitet, daß sie
Elektroden einschließt,
wobei das Ätzen
als Erstes erfolgt, gefolgt von einem Beschichten mit der Opferschicht
und Bildung der Elektrodenlöcher.
-
In
einer alternativen Methode zur Herstellung werden für jede Pumpe
zwei oder mehr Metalldrähte, wie
beispielsweise Gold- oder Platindrähte mit einem Durchmesser von
etwa 1 – 10
mil in die Öffnungen
in den Kanalwänden,
um beispielsweise 150 Mikron auseinander, eingeführt. Die Drähte werden in die Kanäle mit Hilfe
einer herkömmlichen
Gold- oder Platin-via-fill-ink abgedichtet, die aus fein verteilten
Metallteilchen in einer Glasmatrix besteht. Nach Aufbringung der
via-fill-ink um die Basis des Drahtes auf der Außenseite der Öffnung wird
der Kanal auf eine Temperatur oberhalb der Fließtemperatur des via-fill-ink
Glases erhitzt, wobei man eine ausgezeichnete Dichtung zwischen
den Drähten
und dem Kanal erhält.
Die via-ink, die verwendet wird, um die Löcher zu dichten, kann beispielsweise
durch Lot oder einen Klebstoff ersetzt werden.
-
1.
Verschiedene Merkmale Im Fall, daß die Temperatur einer bestimmten
Vertiefung überwacht
oder verändert
werden soll, wird ein Mittel zum Erhitzen oder Kühlen der Vertiefung in die
Vertiefung eingebaut, wie weiterhin nachfolgend unter Bezugnahme
auf 20 erläutert wird.
Die erste Vertiefung 36 in diesem Beispiel wurde auf der
Bodenoberfläche
als dünner
Film 57 eines geeigneten Metalloxids, wie Zinnoxid oder
Indiumzinnoxid, abgeschieden. Der dünne Film 57 wird mit
Hilfe einer elektrisch leitenden Metallverbindung 58 mit dem
Ende oder der Außenkante
der Vertiefung 36 verbunden. Der Zinnoxidüberzug 57 dient
als ein Erhitzungselement für
die Vertiefung 36. Die Seiten der Vertiefung 36 haben
einen Bimetallfilm 59 und Leitungen 60, die zweckmäßig aus
Chromel-/Alumel-Legierungen bestehen, auf der Oberfläche, und
diese bilden ein Thermoelement zur Messung der Temperatur in der
Vertiefung, wenn eine Stromquelle an den Zinnoxidüberzug 57 und
die Leitungen 58 angelegt wird. Eine an die Vertiefung 36 über Elektroden 56 angelegte
Spannung, wobei diese Elektroden auf der Rückseite aufgebracht wurden,
wie gezeigt ist, reguliert die Temperatur in der Vertiefung. Die
Menge an Strom, die zugeführt
wird, kann durch die Steuereinrichtung 10 als Antwort auf
durch die Leitungen 60 gemessene Temperatur gesteuert werden.
-
Bei
einigen Anwendungen des Flüssigkeitsverteilungssystems
kann ein signifikanter Dampfdruck in der Reaktionszelle 350 entwickelt
werden, was einen Rückdruck
in die Verteilerplatte 310 bewirkt. So können vorgeformte
Ventile 70 (siehe 21A),
die aus Bimetallmaterialien geformt sind, wie von Jerman et al., „Understanding
Microvalve Technology",
Sensors, September 1994, Seiten 26-36 beschrieben ist., in dem dritten vertikalen
Kanal 390 plaziert werden. Diese Materialien haben eine
Wärmeausdehnung,
die nicht paßt.
Wenn die Temperatur in der Reaktionszelle 350 niedrig ist,
befindet sich das Kugelventil 62 in seiner normalen Position
und erlaub einen freien Fluß von
Fluiden in die Vertiefung 36 (siehe 21A). Wenn die Temperatur in der Vertiefung 36 zunimmt,
bewegt sich das Kugelventil 62 zu einer kühleren Position
(21 B) und blockiert
den dritten vertikalen Kanal 390, um die Reaktionszelle 350 zu
isolieren und dabei zu verhindern, daß Fluide in die erste Vertiefung 36 und
aus ihr gelangen. Alternativ kann ein herkömmliches Rückschlagventil mit einem Lager,
wie einem Lager aus Quarz oder Polytetrafluorethylenpolymer, verwendet
werden, um die Reaktionszelle 350 zu isolieren. Wo es wichtig
ist, die Fähigkeit
zu haben, Fluid entgegen der Richtung fließen zu lassen, die durch das
Rückschlagventil
erzielt wird, kann das Rückschlagventil
eine Isolierung oder ein magnetisches Lager haben, die bewegt werden
können,
um einen solchen Gegenstrom mit äußerlich
angelegten elektrostatischen oder magnetischen Feldern zu erlauben.
-
Beispieie
-
Beispiel 1 – Mit einer
einfachen Pumpe auf Elektrodenbasis gepumpte Flüssigkeiten
-
Unter
Verwendung der 1 mm Kapillare mit einer Pumpe mit zwei Elektroden,
die oben in Abschnitt B II beschrieben wurde, wurde eine Reihe von
Flüssigkeiten
einschließlich
der folgenden Lösungsmittel
getestet:
-
-
Die
folgenden Lösungen
in NMP bei 0,1 M, wenn nichts anderes angegeben ist, wurden getestet:
-
-
Die
folgenden Lösungen
in DMF, alle bei 0,1 M mit Ausnahme von Piperidin, welches 20% v/v
besaß, wurden
getestet.
-
-
-
-
Die
folgenden Lösungen
in DCM bei 0,1M, wenn nichts anderen angegeben ist, wurden getestet:
-
Die
folgenden Lösungen
in Methanol, alle bei 0,1M, wurden getestet:
-
-
Beissiel 2 – Bevorzugtes
Fließsystem
mit Elektrodenpumpe
-
Ein
Kanalsystem wurde auf Platten von zwei Inch mal zwei Inch mal 20
mil von 211-Corning Glas (Corning Glass Co., Corning, NY) hergestellt,
um zu bestätigen,
daß Flüssigkeiten
zu einem enrwünschten
Fließweg
geschaltet werden können,
indem man die angelegten Spannung zu bestimmten Punkten auf Elektrodenbasis
steuert. Wie in den 18A und 18B erläutert, wurde auf der Kanalplatte 810 (nicht
gezeigt) ein erster Kanal 804 (2.600 µm lang mal 150 µm breit × 100 µm tief),
ein zweiter Kanal 805 (550 µm lang mal 100 µm breit
mal 100 µm
tief), ein dritter Kanal 806 (800 µm lang mal 275 µm breit
mal 100 µm
tief), ein vierter Kanal 807 (200 µm lang mal 100 µm breit
mal 100 µm
tief), ein fünfter
Kanal 808 (550 µm
lang mal 100 µm
breit mal 100 µm
tief) und ein sechster Kanal 809 (2.600 µm lang
mal 150 µm
breit mal 100 µm
tief) hergestellt. Auf der Kanalplat te 810 wurden eine
erste Vertiefung 800A, eine zweite Vertiefung 800B und
eine dritte Vertiefung 8000 hergestellt, die durch die
Kanäle
verbunden wurden. Eine Elektrodenplatte 820 wurde durch
feldunterstützte
thermische Bindung von der Kanalplatte 810 überlagert
und abgedichtet. Die Elektrodenplatte 820 hatte Öffnungen
in die erste Vertiefung 800A und die zweite Vertiefung 800B (nicht
erläutert).
Die dritte Vertiefung 8000 enthielt einen Mittelablauf 855.
Die Elektrodenplatte 820 hatte weiterhin Platinelektroden,
die durch Einsetzen von 25 µm
Drähten
hergestellt wurde. Die Elektroden enthielten eine erste Platinelektrode 801A,
eine zweite Platinelektrode 810B, eine dritte Platinelektrode 801C,
eine vierte Platinelektrode 802A, eine fünfte Platinelektrode 802B,
wobei die dritte Platinelektrode 802C und die zwei Elektroden,
die eine gamma-Pumpe auf Elektrodenbasis umfaßten. Zunächst ergänzten eine Platinelektrode 801A,
eine zweite Platinelektrode 801B und eine dritte Platinelektrode 801C die
alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis, während die vierte Platinelektrode 802A,
die fünfte
Platinelektrode 802B und die sechste Elektrode 802C die
beta-Pumpe 802 auf Elektrodenbasis ergänzten.
-
18A zeigt Methanol, das
von der ersten Vertiefung 800A zur zweiten Vertiefung 800B fließt, während es
um die dritte Vertiefung 8000 herumgeht. Dies geschieht
durch Anlegen von 180V an die alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis. 18B zeigt Methanol, das
von der zweiten Vertiefung 800B zur dritten Vertiefung 8000 fließt, während die
erste Vertiefung 800A umgangen wird. Dies geschieht durch
Anlegen von 200V an die beta-Pumpe 802 auf Elektrodenbasis, von
100V an die gamma-Pumpe 803 auf Elektrodenbasis und 120V an die
alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis, wobei die Polarität bei beta-
und gamma-Pumpen 802 und 803 auf Elektrodenbasis den Fluß in die
dritte Vertiefung 8000 begünstigten und die Polarität bei der
alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis den Fluß weg von der ersten Vertiefung 800A begünstigte.
-
Beispiel 3 – Pumpen
auf Elektrodenbasis über
Kapillarbarrieren
-
19 zeigt einen Prototyp
eines Flüssigkeitsverteilungssystems,
das gemäß dem hydrologischen Flüssigkeitsverteilungssystem
hergestellt wurde. Das Verteilungssystem wurde aus drei Platten
aus Corning 7740-Glas, Corning Glass, Inc., Corning, NY, konstruiert,
und aus diesen Platten wurde eine Deckplatte 910, die Zwischenplatte 920 und
die Bodenplatte 930 hergestellt. Die Oberseite der Zwischenplatte 920 wurde
mit Silizium beschichtet, wie oben beschrieben ist. In der Deckplatte 910 wurden
durch Laserbohrung ein erstes Loch 901A, ein zweites Loch 901B und
ein drittes Loch 902A, ein viertes Loch 902B,
ein fünftes
Loch 903A, ein sechstes Loch 903B, ein siebtes
Loch 904A und ein achtes Loch 904B hergestellt,
und diese Löcher
hatten jeweils einen Durchmesser von 75 µm. Das erste und zweite Loch 901A und 901B wurden
verwendet, um ein erstes Modell einer Pumpe 961 auf Elektrodenbasis
zu bilden. Das dritte und vierte Loch 902A und 902B wurden
verwendet, um den zweiten Prototyp der Pumpe 962 auf Elektrodenbasis
zu bilden. Das fünfte
und sechste Loch 903A und 903B wurden verwendet,
um den dritten Prototyp der Pumpe 963 auf Elektrodenbasis
zu bilden. Das siebte und achte Loch 904A und 904B wurden
verwendet, um ein viertes Modell eines Prototyps einer Pumpe 964 auf
Elektrodenbasis zu bilden. Die Elektroden in jeder der ersten bis
vierten Prototyppumpen auf Elektrodenbasis 961 – 964 wurden
durch vierte Pro totyppumpen auf Elektrodenbasis 961 – 964 um
200 µm
getrennt. Durch Ätzen
wurden eine alpha-Öffnung 905,
eine beta-Öffnung 906 und
eine gamma-Öffnung 907 auf
der Unterseite der Deckplatte 910 gebildet. Durch Laserbohrern
wurden das neunte Loch 908 und das zehnte Loch 909,jeweils
mit einem Durchmesser von 150 µm,
durch die obere Platte 910 gebildet.
-
In
der Zwischenplatte 920 wurden der erste Prototypkanal 911 (aus
Segmenten 911A – 911
D) und der zweite Prototypkanal 912 (aus Segmenten 912A – 912D)
gebildet. Erste und zweite Prototypkanäle 911 und 912 haben
eine Tiefe von 80 µm
und eine Breite von 150 µm.
Die Eingänge
in diese beiden Prototypkanäle 911 und 912 sind
durch das neunte Loch 908 und das zehnte Loch 909 bereitgestellt.
Das Zellzugangsloch 913 für die erste Reaktion und das
Zellzugangsloch 914 für
die zweite Reaktion, beide mit einem Durchmesser von 150 um, wurden
mit Laser durch die Zwischenplatte 920 gebohrt. In der
Unterseite der Zwischenplatte 920 wurde eine delta-Öffnung 915 gebildet,
wobei diese delta-Öffnung 915 die
Reaktionszelle 950 zur ersten und zweiten Prototypablauflöchern 921 und 922 verbindet.
-
In
der Bodenplatte 930 wurde die Reaktionszelle 950 durch Ätzen gebildet.
Das erste Prototypablaufloch 921 und das zweite Prototypablaufloch 922 wurden
mit Laser durch die Bodenplatte 920 gebohrt. Die Deckplatte 910 und
die Zwischenplatte 920 wurden miteinander durch feldunterstützte thermische
Bindung verbunden.
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Wenn
Methanol in den ersten Prototypkarsal 911 eingeführt wurde,
wurde die Flüssigkeit
bezüglich des
Fließens
in das Reaktionszellenzugangsloch 913 durch Kapillarbarriere
gestoppt, die durch die Struktur bei alpha-Öffnung 905 gebildet
wurde. Entsprechend verhinderte die Kapillarbarriere, die durch
die Struktur bei beta-Öffnung 906 gebildet
wurde, den Fluß von
Methanol durch das Reaktionszellzugangsloch 913. Der Fluß in die
Reaktionszellzugangslöcher 913 und 914 konnte
auf irgendeinem Weg, der durch Aktivierung der geeigneten Pumpen
initiiert wurde, erfolgen. Um beispielsweise Methanol durch den
ersten Prototypkanal 911 zu pumpen, wurde an die erste
Prototyppumpe auf Elektrodenbasis 901 und die zweite Prototyppumpe
auf Elektronenbasis 902 eine Spannung von 200V angelegt.
Der Fluß durch
den Prototypkanal 911 wurde beobachtet.
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Beispiel 4 – Kombinationssynthese
von Oligonukleotid
-
Diese
Synthese beginnt mit einer Anzahl von Polystyrolperlen, auf welche
ein geschütztes
Oligonukleotid mit einer Sequenz (5' bis 3'): GGAGCCATAGGACGAGAG mit der Phosphoramidit-Methode synthetisiert wird:
Siehe beispielsweise Caruthers et al., Methoden der Enzymologie
211:3-20, 1992 für weitere
Diskussion von Oligonukleotid-Synthesemethoden. Die funktionalisierten
Polystyrolperlen, erhältlich
bei Bacham Bioscience (King of Prussia, PA), werden in jede der
Reaktionszellen einer Mikromaßstab-Flüssigkeitsverteilung
mit 4 x 4 Reaktionszellen aufgeteilt. Das Flüssigkeitsverteilungssystem
hat vier erste Reservoirs, Reservoir-1, Reservoir-2, Reservoir-3
und Reservoir-4, von denen jedes eine Reaktionszelle in der Anordnung
4×4 adressieren
kann. Das Flüssigkeitsverteilungssystem
hat vier zweite Reservoirs, Reservoir-5, Reservoir-6, Reservoir-7 und
Reservoir-8, von denen jedes zweite Reservoirs die vier Reaktionszellen
entlang einer bestimmten Reihe (d.h. die Reaktionszellen sind entlang
einer EW-Achse ausgerichtet) adressieren kann. Weiterhin hat das
Flüssigkeitsverteilungssystem
vier dritte Reservoirs, Reservoir -9, Reservoir-10, Reservoir-11 und Reservoir-12, von
denen jedes dritte Reseroir irgendeine der vier Reaktionszellen
in der entsprechenden Säule
adressieren kann (d.h. Reaktionszellen, ausgerichtet entlang einer
NS-Achse).
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Die
folgenden Verfahrensstufen werden durchgeführt:
- 1.
Jede der Reaktionszeilen in dem Verteilersystem wird mit Acetonitril
aus Reservoir-1 gewaschen.
- 2. 3% Trichloressigsäure
(TCA) in Dichlormethan aus Reservoir-2 werden durch alle Reaktionszellen
gepumpt. Diese Lösung
ist effektiv zur Entfernung der Dimethoxytrityl-Schutzgruppen an
dem 5'-Enden der Oligonukleotide
auf den Perlen.
- 3. Alle Reaktionszellen in dem Flüssigkeitsverteilungssystem
werden erneut mit Acetonitril aus Reservoir-1 gespült.
- 4. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-5 verbunden
sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Adeninphorsphoramidit
in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Adenosingruppen
an den 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die
mit dem Reservoir-5 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen,
die mit Reservoir-6 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1 M von
geschütztem
Cytosinphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist
wirksam, um geschützte
Cytosingruppen zu den 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die
mit dem Reservoir-6 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen,
die mit dem Reservor-7 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1
M von geschütztem
Guanosinphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist
wirksam, um geschützte
Guanosingruppen zu den 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen zu befestigen, die
mit dem Reservoir-7 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen,
die mit dem Reservoir-8 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1
M von geschütztem
Thymidinphosphoramidit in Acetonitril zugesetzt. Diese Zugabe ist
wirksam, um geschützte
Thymidingruppen an die5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die
mit dem Reservoir-7-verbunden
sind.
- 5. Die Reaktionszellen werden mit Acetonitril aus Reaktionszellen
von Reservoir 1 gewaschen.
- 6. Die Reaktionszellen werden mit Essigsäureanhydrid:2,6-Lutidinaetrahydrofuianl:1:8
aus Reservoir-3 gespült.
Diese Lösung
ist wirksam, um die Oligonukleotidketten zu schließen, die
nicht mit dem zugesetzten Monomer reagiert haben.
- 7. Die Reaktionszellen werden mit 1,1 M Tetrabutylperoxid in
Dichlormethan gewaschen. Diese Stufe ist wirksam, den Phosphittriester
zu oxidieren, der das neuerlich zugesetzte Monomer in dem Oligonukleotid unter
Bildung eines Phosphattriesters verbindet.
- 8. Die Stufen 1 – 3
werden wiederholt.
- 9. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-9 verbunden
sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Adeninphosphoramidit
in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Adenosingruppen
an die 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reakti
-
onszellen
anzuheften, die mit Reservoir-9 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen,
die mit Reservoir-10 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von
geschütztem
Cytosinphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist
wirksam, geschützte
Cytosingruppen an die 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen zu befestigen, die
mit dem Reservoir-10 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen,
die mit dem Reservoir-11 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M
von geschütztem
Guanosinphosphoramidit in Acetonitril zugesetzt. Diese Zugabe ist
wirksam, geschützte
Guanosingruppen an die 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die
mit dem Reservoir-11 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen,
die mit dem Reservoir-12
verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Thymidinphosphoramidit
in Acetonitril zugesetzt. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Thymidingruppen
an die 5'-Enden
der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen zu binden, die mit
Reservoir-12 verbunden sind.
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Das
oben ausgeführte
Verfahren ist wirksam, 16 getrennte Oligonukleotide zu erzeugen,
von denen jedes mit einer Dinukleotid-Sequenz am 5'-Ende ausgestattet
ist. Ähnlich
k6nnen synthetische Methode angewendet werden, um verschiedene Kombinationsmoleküle, einschließlich Peptiden
und anderer Moleküle,
zu erzeugen, wie jene mit potentieller pharmakologischer Aktivität oder jene,
die für
diagnostische oder andere analytische Anwendungen brauchbar sind.