DE69936768T2

DE69936768T2 - Gerät zur abgabe definierter volumina

Info

Publication number: DE69936768T2
Application number: DE69936768T
Authority: DE
Inventors: Robert Richard Cranbury DEMERS
Original assignee: Orchid Cellmark Inc
Current assignee: Orchid Cellmark Inc
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: AU2771999A; EP1058824A4; US6117396A; WO1999042805A1; CA2321495A1; DE69936768D1; EP1058824A1; ATE369551T1; EP1058824B1; JP4248746B2; WO1999042805A9; JP2002504677A; AU748500B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abgeben definierter Volumina, insbesondere definierter kleiner Volumina zur Verwendung in mikroanalytischen Verfahren oder Mikrosyntheseverfahren.
Bezüglich Flüssigkeitsabgabesystemen, die Pumpen auf Elektrodenbasis nutzen, wurde eine Anzahl einschlägiger Anmeldungen eingereicht, einschließlich US-Patent Nr. 5,585,069 (Aktenzeichen 11402), US-Patent Nr. 5,593,838 (Aktenzeichen 11402A), 08/454,771 , eingereicht am 31. Mai 1995 (Aktenzeichen 11402B), US-Patent Nr. 5,643,738 (Aktenzeichen 11402C), US-Patent Nr. 5,681,484 (Aktenzeichen 11402D), US-Patent Nr. 5,755,942 (Anmeldenummer 08/454,772, eingereicht am 31. Mai 1995, Aktenzeichen 11402E), WO-A-9615576 ) (US-Anmeldung Nr. 08/454,768, eingereicht am 31. Mai 1995 (Aktenzeichen 11402F)), US-Patent Nr. 5,846,396 (Anmeldenummer 08/556,036, eingereicht am 31. Mai 1995 (Aktenzeichen 11402G)), US-Patent Nr. 5,632,876 (Aktenzeichen 11717), US-A-6120665 (US-Anmeldung Nr. 08/556,423, 9. November 1995 (Aktenzeichen 11717A)), WO-A-974629 (US-Anmeldung Nr. 08/645,966, 10. Mai 1996 (Aktenzeichen 11717B)), US-Patent 6,033,544 (Aktenzeichen 11740) und WO-A-9816315 (US-Anmeldung Nr. 08/744,386, 7. November 1996 (Aktenzeichen 12385A)).
Die Erfindung behandelt das Problem der Verteilung dosierter Volumina von Flüssigkeiten an eine Mehrzahl von Mikrostellen, wie z.B. Reaktionsstellen. Die Erfindung stellt eine kostengünstige Vorrichtung zur Verteilung einer Mehrzahl kleiner Volumina bereit.
Es werden Systeme entwickelt, welche die Durchführung einer komplexen Chemie oder anderer Mischverfahren an einer großen Anzahl von Stellen – wie z.B. 100, 1000 oder 10000 Stellen – in einer relativ kleinen Vorrichtung ermöglichen. Einige der Anwendungen für solche Vorrichtungen mit hoher Dichte zum Abgeben von Flüssigkeiten erfordern keine genaue Dosierung der Flüssigkeiten, die in eine bestimmte Stelle abgegeben werden. Bei anderen Anwendungen wird jedoch auf ein Mischen mit genauer Dosierung ein größerer Wert gelegt. In vielen Fällen ist ein genaues Dosieren nur in beschränkten Teilen des Verfahrens erforderlich, während andere Teile des Verfahrens nur ein zuverlässiges, jedoch weniger präzises Pumpen von Flüssigkeit erfordern. Die hochpräzise Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht in einer bevorzugten Ausführungsform einem anzubringenden Empfangssubstrat das Injizieren dosierter Mengen an Flüssigkeit an definierte Positionen des Empfangssubstrats. Mehrere Reagenzien können durch diese Vorrichtung durch Leeren der verwendeten Kanäle durch eine geeignete Anwendung eines Spülgases oder eines Vakuums nacheinan der abgegeben werden. Das Empfangssubstrat kann auch zu einer anderen Vorrichtung überführt werden, wo andere Flüssigkeiten, die dosiert werden können oder nicht, den definierten Positionen zugesetzt werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung zum Abgeben definierter Volumina einer Flüssigkeit bereit, wobei die Vorrichtung umfasst: (a) einen Reagenzfüllkanal, (b) eine oder mehrere Dosierkapillare(n), die mit dem Reagenzfüllkanal verbunden ist bzw. sind und einen Ausgang aufweist bzw. aufweisen, und (c) eine oder mehrere Gasquelle(n), die mit dem Reagenzfüllkanal verbunden ist bzw. sind, wobei nach dem Füllen der Dosierkapillaren die Flüssigkeit aus dem Reagenzfüllkanal ablaufen gelassen werden kann, während die Flüssigkeit in der einen oder den mehreren Dosierkapillare(n) beibehalten werden kann, und die Gasquelle so betrieben werden kann, dass sie die Flüssigkeit in der einen oder den mehreren Dosierkapillare(n) ausstößt. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zwei oder mehr Reagenzfüllkanäle auf, die mit der einen oder den mehreren Dosierkapillare(n) verbunden sind, wobei die Flüssigkeitsabgabevorrichtung angepasst ist, zwei oder mehr verschiedene Reagenzien mittels separater Reagenzfüllkanäle abzugeben. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung in dem Reagenzfüllkanal ferner zwei oder mehr Verbindungen zu Gasquellen, wobei zwei oder mehr der Gasquellen mit separaten Gasquellen verbunden werden können. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Steuereinrichtung zum aufeinander folgenden Aktivieren der Gasquellen zum aufeinander folgenden und linearen Beaufschlagen von Segmenten des Reagenzfüllkanals mit Druck.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung eine Aliquotbildungsvorrichtung bereit, umfassend: (1) eine erste Flüssigkeitsabgabevorrichtung, wie sie in dem vorstehenden Absatz beschrieben worden ist, und eine zweite Flüssigkeitsabgabevorrichtung (die von der vorstehend beschriebenen Vorrichtung verschieden sein kann), und (2) eine Überführungsvorrichtung (vorzugsweise motorisiert) zum Bewegen eines Empfangssubstrats von der ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung zur zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung, wobei das Empfangssubstrat Flüssigkeiten empfängt, die von der ersten oder der zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung ausgestoßen worden sind. Die zweite Vorrichtung kann z.B. eine Flüssigkeitsverteilungsvorrichtung sein, wie sie in dem US-Patent 5,846,396 (Anmeldenummer 08/556,036, eingereicht am 31. Mai 1995, Aktenzeichen 11402G) beschrieben ist. Vorzugsweise umfasst die Aliquotbildungsvorrichtung, welche die erste und die zweite Flüssigkeitsabgabevorrichtung aufweist, mechanische, magnetische, elektrische oder optische Ausrichtungsmarkierungen und die Vorrichtung ist zum Zusammenwirken mit Empfangssubstraten angepasst, die mechanische, magnetische, elektrische oder optische Ausrichtungsmarkierungen aufweisen. Vorzugsweise umfasst die Aliquotbildungsvorrichtung ferner eine Ausrichtungserfassungsvorrichtung zum Bestimmen der Beziehung zwischen den Ausrichtungsmarkierungen auf entweder dem ersten oder dem zweiten Flüssigkeitsabgabesystem und den Ausrichtungsmarkierungen auf einem Empfangssubstrat und Erzeugen entsprechender Ausrichtungsdaten, und eine Steuereinrichtung zum Empfangen von Ausrichtungsdaten von der Ausrichtungserfassungsvorrichtung und zum Betreiben der motorisierten Überführungsvorrichtung zur Verbesserung der Ausrichtungsdaten.
In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Abgeben von zwei oder mehr Flüssigkeiten an zwei oder mehr Mischstellen auf einem Empfangssubstrat bereit, umfassend: (i) Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung der Erfindung, wobei das Empfangssubstrat mit der ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung ausgerichtet ist, (ii) Abgeben, von der ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung, einer ersten Flüssigkeit an die Mischstellen, (iii) Bewegen des Empfangssubstrats, so dass es mit der zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung ausgerichtet wird, und (iv) Abgeben, von der zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung, einer zweiten Flüssigkeit an die Mischstellen. In einer anderen Option stellt die Erfindung ein Verfahren zum Abgeben von zwei oder mehr Flüssigkeiten an zwei oder mehr Mischstellen auf einem Empfangssubstrat bereit, umfassend: (i) Bereitstellen einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfangssubstrat damit ausgerichtet ist, (ii) Abgeben, von der Flüssigkeitsabgabevorrichtung, einer ersten Flüssigkeit an die zwei oder mehr Mischstellen, (iii) Füllen eines Reagenzfüllkanals oder mehrerer Reagenzfüllkanäle der Flüssigkeitsabgabevorrichtung mit einer zweiten Flüssigkeit, und (iv) Abgeben, von der Flüssigkeitsabgabevorrichtung, der zweiten Flüssigkeit an die zwei oder mehr Mischstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1A zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90A, während 1B eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90B zeigt, die ferner einen Reagenzablaufkanal 17 umfasst.
Die 2A, 2B und 2C zeigen Querschnittsdarstellungen der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90 bei verschiedenen Stufen des Betriebs.
Die 3 zeigt die Abgabevorrichtung gemäß der 2, jedoch ohne Vorwölbungen an der Oberseite oder Unterseite von Dosierkapillaren.
Die 4 zeigt eine Strukturdarstellung des Inneren einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung von unten betrachtet.
5 zeigt eine Strukturdarstellung des Inneren der Flüssigkeitsabgabevorrichtung von 4 von einer Seite der langen Achse eines Reagenzfüllkanals betrachtet, wie es in der 4 gezeigt ist.
6 zeigt eine Strukturdarstellung des Inneren der Flüssigkeitsabgabevorrichtung von 4 von einer Seite der langen Achse des Gaspulskanals betrachtet, wie es in der 4 gezeigt ist.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung zum Zuführen von Reagenzien zu einer 864 Well-Platte (Well = Vertiefung).
8 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung zum Zuführen von Reagenzien zu einer 3456 Well-Platte.
9 zeigt ein Beispiel einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung.
10 zeigt ein schematisches Diagramm einer Testplatte zur Darstellung der Position von Kontrollwells und Reaktionswells und der Beziehung der Testplatte zu einer Syntheseplatte, auf der Verbindungen durch ein kombinatorisches Verfahren synthetisiert werden können.
11 zeigt eine Strukturdarstellung des Inneren einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung von einer Seite der langen Achse eines Gaspulskanals und eines Reagenzfüllkanals der Flüssigkeitsabgabevorrichtung betrachtet.
12 zeigt eine Strukturdarstellung des Inneren der Flüssigkeitsabgabevorrichtung von 11 von einer Seite in Richtung des Gaspulskanals und des Reagenzfüllkanals der Flüssigkeitsabgabevorrichtung betrachtet.
13A zeigt eine Draufsicht auf eine Vorwölbung, die einen Auslass aufweist, eines Dosierkanals. Die 13B zeigt eine Schrägansicht vier solcher Vorwölbungen. Die 13C zeigt eine Seitenansicht einer solchen Vorwölbung.
Definitionen
Die folgenden Begriffe sollen für die Zwecke dieser Anmeldung die nachstehenden Bedeutungen haben. Insbesondere sollen diese Definitionen für die Zwecke der Anspruchsauslegung ungeachtet jedweder Aussage mit einer gegenteiligen Bedeutung auf der Basis anderer, hier angegebener Textstellen, gelten.
Kapillarabmessungen
„Kapillarabmessungen" sind Abmessungen, die eine kapillare Strömung einer Flüssigkeit begünstigen. Typischerweise sind Kanäle mit Kapillarabmessungen nicht breiter als etwa 1,5 mm. Vorzugsweise sind Kanäle nicht breiter als etwa 500 μm, mehr bevorzugt nicht breiter als etwa 250 μm, noch mehr bevorzugt nicht breiter als etwa 150 μm.
Kapillarbarriere
Eine „Kapillarbarriere" ist eine Barriere für eine Fluidströmung in einem Kanal, umfassend eine Öffnung des Kanals in einen größeren Raum, die so gestaltet ist, dass sie die Bildung einer energieminimierenden Flüssigkeitsoberfläche, wie z.B. eines Meniskus, durch die Flüssigkeit in dem Kanal an der Öffnung begünstigt.
Vorwölbung
Eine „Vorwölbung" ist ein Vorsprung, auf dem sich der Eingang oder Ausgang einer Dosierkapillare befindet. Vorzugsweise dient die Vorwölbung zur Verminderung der Oberfläche angrenzend an den Eingang oder Ausgang, an dem eine Flüssigkeit durch ein Benetzungsphänomen gehalten werden kann.
Dosierkapillaren
Eine „Dosierkapillare" ist ein Kanal, der so gestaltet ist, dass er mit einer bekannten Flüssigkeitsmenge gefüllt ist, wobei diese Menge dann mittels Gasdruck abgegeben werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
An anderer Stelle sind in den gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen, wie z.B. dem US-Patent Nr. 5,846,396 (Nr. 08/556,036, eingereicht am 31. Mai 1995, Aktenzeichen 11402G) und der US-A-6033544 (US-Anmeldung Nr. 08/744,386, eingereicht am 7. November 1996 (Aktenzeichen 12385A)), kleine Flüssigkeitsabgabesysteme beschrieben, welche die Verteilung von Flüssigkeiten auf eine große Anzahl von Stellen, wie z.B. 10000 Stellen, die auf einer 4 × 4 Zoll-Glasplatte (1 Zoll = 2,54 cm) angeordnet sind, ermöglichen. Diese Vorrichtungen sind z.B. in kombinatorischen Syntheseverfahren geeignet. Die vorliegende Erfindung stellt zusätzliche Hilfsmittel zur Verteilung von Flüssigkeiten auf kleine, nahe beieinander liegende Stellen bereit.
Die 1A zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90A. Ausgefüllte Pfeile in der Veranschaulichung zeigen die Richtung der Flüssigkeitsströmung an und hohle Pfeile zeigen die Richtung der Gasströmung für eine Fluidüberführung an. Eine Flüssigkeit wird von einer Quelle (nicht gezeigt) durch einen Reagenzzuführungseinlass 11 in den Reagenzfüllkanal 12 eingebracht. Überschüssige Flüssigkeit in den Reagenzfüllkanälen läuft durch den Fluidüberschussauslass 13 ab. Der Auslass kann mit einem Reagenzablaufkanal verbunden sein, der einen Kanal mit Kapillarabmessungen bereitstellen kann, um die kapillare Strömung durch die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90A zu verstärken. Die 1B zeigt eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90B mit einem Reagenzablaufkanal 17. Die Flüssigkeitsströmung kann das Ergebnis von kapillaren Strömungsvorgängen sein oder sie kann das Ergebnis eines Pumpens sein. Beim Strömen durch den Reagenzfüllkanal 12 tritt Flüssigkeit in eine Reihe von Dosierkapillaren 14, wie z.B. eine erste Dosierkapillare 14A, eine zweite Dosierkapillare 14B und eine dritte Dosierkapillare 14C, ein und füllt diese. Kapillarbarrieren, die an den Ausgängen der Dosierkapillaren ausgebildet sind, können einen vorzeitigen Ausstoß der Flüssigkeit aus den Dosierkapillaren 14 verhindern. Die Abmessungen des Reagenzablaufkanals können so ausgewählt werden, dass eine kapillare Strömung durch den Kanal und dadurch durch den Reagenzfüllkanal 12 gefördert wird, oder die Abmessungen werden in dem Fall, bei dem die Strömung in den Reagenzfüllkanal durch eine Pumpe gefördert wird, so ausgewählt, dass überschüssiger Druck durch die Flüssigkeitsströmung von dem Reagenzfüllkanal 12 zu dem Fluidüberschussauslass 13 abgebaut wird, wobei ein solcher überschüssiger Druck ansonsten den Ausstoß von Flüssigkeit von den Dosierkapillaren verursachen könnte.
Die 2A bis 2C veranschaulichen die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90, die in einem Substrat ausgebildet ist, das aus drei Schichten von Material hergestellt ist, nämlich der ersten Schicht 21, der zweiten Schicht 22 und der dritten Schicht 23. Die erste Schicht 21 weist Gaspulskanäle 40 und Gaspulszuführungseinrichtungen 41 auf, die in die zweite Schicht führen. Die zweite Schicht 22 weist Reagenzfüllkanäle 12 auf, die in die Strukturen in der dritten Schicht 23 führen. Die dritte Schicht 23 weist Dosierkapillaren 14 mit Einlässen auf, die mit Reagenzfüllkanälen 12 in der Reagenzverteilungsplatte 22 und den Auslässen in Verbindung stehen.
Der Reagenzfüllkanal 12 weist vorzugsweise Abmessungen auf, die groß genug sind, so dass Kapillarkräfte das Ablaufen des Reagenzfüllkanals nicht hemmen. Das Ablaufen kann durch Ausbilden einer zweiten Schicht 22 aus einem Material, das bei einem Kontakt mit den Flüssigkeiten, die abgegeben werden sollen, nicht benetzt wird, verstärkt werden. Verfahren zum Bilden dünner, nicht-benetzender Beschichtungen aus Perfluoralkanen sind in Datta et al., US-Patent Nr. 4,252,848 beschrieben. Alternativ kann die Oberflächenenergie eines Reagenzfüllkanals durch Beschichten der Oberfläche mit einem Silikonharz oder einem Fluorenthaltenden Harz vermindert werden, wodurch die Benetzung vermindert wird. Solche Harze sind in Mochizuki et al., US-Patent Nr. 5,652,079 , beschrieben. Die Seite des Reagenzfüllkanals 12 kann auch z.B. durch Umsetzen der Oberflächen mit einem reaktiven Organosilanreagenz, wie z.B. SigmCote^TM (Sigma Chemical Co., St. Louis, MO), Dichloroctamethylsiloxan (C₂H₂₄Si₄O₃Cl₂, Surfa-Sil^TM, Pierce Chemical, Rockford, IL) oder einem modifizierten Organosilan, wie z.B. einem Octadecyltrialkoxysilan (Aqua-Sil^TM, Pierce Chemical, Rockford, IL), benetzungsbeständig gemacht werden.
Die 2A bis 2C veranschaulichen auch eine Testplatte 30, die sich unterhalb der Kapillardosierplatte 23 befindet, wobei Reaktionswells 31 der Testplatten mit den Auslässen der Dosierkapillaren 14 ausgerichtet sind. Die Testplatte kann mit der Kapillardosierplatte derart ausgerichtet werden, dass sich die Auslässe der Dosierkapillaren in die entsprechenden Wells in der Testplatte öffnen. Die Wells in der Testplatte können z.B. zur Durchführung von Tests, Synthesen oder anderen chemischen Verfahren verwendet werden. Die Tests können z.B. Tests bezüglich Hemmstoffen, induzierenden Stoffen oder aktivierenden Stoffen von chemischen Vorgängen, wie z.B. biologischen Signalübertragungsreaktionen, oder Tests bezüglich der Gegenwart einer Substanz, wie z.B. einen Immuntest, einen Hybridisierungstest oder einen Nukleinsäureamplifizierungstest, umfassen.
Die als Beispiel gezeigte Testplatte 30 kann reversibel und abdichtbar an die dritte Schicht 23 angebracht werden, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu bilden, z.B. unter Verwendung der Abdichtungen, die in US-A-6,033,544 (US-Anmeldung Nr. 08/744,386, eingereicht am 7. November 1996 (Aktenzeichen 12385A)) und in WO-A-9737755 (US-Anmeldung Nr. 08/630,018 , eingereicht am 9. April 1996 (Aktenzeichen 12098)) beschrieben sind. Eine Dichtung kann zwischen der dritten Schicht und der Testplatte angeordnet werden, wie es in US-A-5,840,256 (US-Anmeldung Nr. 08/556,036, eingereicht am 31. Mai 1995 (Aktenzeichen 11402G)) und WO-A-9737755 (Anmeldung Nr. 08/630,018, eingereicht am 9. April 1996 (Ak tenzeichen 12098)) beschrieben ist. In der Veranschaulichung sind Belüftungsöffnungen 32 angrenzend an Reaktionswells 31 ausgebildet. Die Belüftungsöffnungen 32 verhindern eine Störung der Abgabe von Flüssigkeiten durch einen Rückstau.
In den 2A bis 2C ist der Betrieb der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90A veranschaulicht. Gemäß der 2A ist der Reagenzfüllkanal 12 mit Flüssigkeit gefüllt worden, was dazu führt, dass auch die Dosierkapillaren 14 gefüllt werden. Die Flüssigkeit, die in den Reagenzfüllkanal 12 strömt, wird dann eingeschränkt und Flüssigkeit wird aus dem Reagenzfüllkanal 12 z.B. durch eine kapillare Strömung oder durch die Verwendung von Gasdruck, so lange der Druck geringer ist als der Druck, der zum Ausstoßen von Flüssigkeit aus den Dosierkapillaren wirksam ist, ablaufen gelassen. Das Ablaufenlassen des Reagenzfüllkanals 12 lässt die mit Flüssigkeit gefüllten Dosierkapillaren 14 zurück, wie es in der 2B veranschaulicht ist. Ein Puls von Gas kann auf einen Gaspulskanal 40 (von dem ein Abschnitt gezeigt ist) mit einem ausreichenden Druck, um Gas zu injizieren, mittels einer Gaspulszuführungseinrichtung 41 in den Reagenzfüllkanal 12 angewandt werden, um zu bewirken, dass das dosierte Fluid 50 in den Dosierkapillaren 14 in die entsprechenden Wells 31 ausgestoßen wird, wie es in der 2C veranschaulicht ist. Gegebenenfalls kann die Gasströmung durch den Fluidüberschussauslass 13 blockiert werden, um den Druck aufrechtzuerhalten, der einen Fluidausstoß aus den Dosierkapillaren 14 bewirkt. Die Gasauslasswege können jedoch ausreichend eingeschränkt sein, so dass der Aufbau eines ausreichenden Drucks ermöglicht wird. Die Abmessungen der Dosierkapillaren 14 und die Positionen der Gaspulszuführungseinrichtungen 41 werden so ausgewählt, dass das Ausstoßen von Flüssigkeit von einem Subsatz den Gasdruck nicht ausreichend vermindert, so dass der Flüssigkeitsausstoß vorzeitig endet.
In einer Ausführungsform können die Strukturen, welche die Dosierkapillaren 14 aufnehmen, wie es in den 2A bis 2C veranschaulicht ist, in den Reagenzfüllkanal 12 und weg von den flachen Oberflächen der unteren Oberfläche der dritten Schicht 23 vorragen, wodurch obere Vorwölbungen 15 und untere Vorwölbungen 16 gebildet werden. Die oberen Vorwölbungen 15 der Dosierkapillaren 14 ragen in den Reagenzfüllkanal 12 vor und minimieren dadurch die Mengen an restlicher Flüssigkeit in dem Reagenzfüllkanal, die versehentlich durch den Gasdruck ausgestoßen werden kann. Die unteren Vorwölbungen 16 minimieren die Menge an Fluid, das umgelenkt wird, so dass es entlang der Bodenfläche der dritten Schicht 23 strömt. Die oberen und unteren Vorwölbungen, wie sie in der Veranschaulichung gezeigt sind, werden nur aus Gründen der Zweckmäßigkeit als „obere" und „untere" bezeichnet. In einigen Ausführungsformen können Vorwölbungen so gestaltet sein, dass sie unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform, die in den 3A bis 3C veranschaulicht ist, weist eine Flüssigkeitsabgabevorrichtung 190 wie die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 90A, die in den 2A bis 2C gezeigt ist, die erste Schicht 121, die zweite Schicht 122 und die dritte Schicht 123 auf. Die drei Schichten der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 190 weisen auch die Komponentenstrukturen der 2A bis 2C auf, wie z.B. einen Gaspulskanal 140, eine Gaspulszuführungseinrichtung 141, einen Reagenzfüllkanal 112, Dosierkapillaren 114. Eine Testplatte 130 mit Reaktionswells 131 kann reversibel an der Flüssigkeitsabgabevorrichtung angebracht werden. Die dritte Schicht („Kapillardosierplatte") 123, in der die Dosierkapillaren 114 aufgenommen sind und die in den 3A bis 3C veranschaulicht sind, bildet jedoch keine Vorwölbungen. Die drei Darstellungen 3A, 3B und 3C veranschaulichen eine Abgabeflüssigkeit 150.
In einigen Ausführungsformen sind die Oberflächen, welche die Einlässe und Auslässe von Dosierkapillaren (z.B. 14 oder 114) umgeben, nicht bezüglich einer Benetzung empfindlich. Beispielsweise können diese Bereiche mit einem Reagenz behandelt werden, das die Oberflächenbenetzungseigenschaften des Oberflächenmaterials modifiziert.
Die 4 bis 6 stellen schematische Zeichnungen einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 mit einer angebrachten Testplatte dar, und zwar betrachtet von verschiedenen Winkeln, um relative Positionen verschiedener Strukturen und deren Beziehung zueinander zu zeigen. Die 4 ist eine schematische Zeichnung der Flüssigkeitsabgabevorrichtung mit angebrachter Testplatte, wenn diese vom Boden her betrachtet wird. Die 5 ist eine schematische Zeichnung der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 mit der Testplatte 230, die auf einer Befestigungsplatte 201 montiert ist, wenn die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 von der Seite der langen Achse des Reagenzfüllkanals 212 betrachtet wird. Die 6 ist eine schematische Zeichnung der Flüssigkeitsabgabevorrichtung mit der Testplatte 230, die auf einer Befestigungsplatte 201 montiert ist, wenn die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 von der Seite der langen Achse des Gaspulskanals 240 betrachtet wird. Die 5 und 6 zeigen auch die drei Schichten, d.h. die erste Schicht 221, die zweite Schicht 222 und die dritte Schicht 223, der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290. In einer Ausführungsform sind Gaspulskanäle 240 in einem rechten Winkel zu den Reagenzfüllkanälen 212 angeordnet. Gaspulszuführungseinrichtungen 241 verbinden die Gaspulskanäle 240 und die Reagenzfüllkanäle 212, um in die Reagenzfüllkanäle 212 Gas abzugeben.
Jeder Well 231 in der Testplatte weist eine Belüftungsöffnung 232 auf, wie es in der 6 gezeigt ist, die als ein Auslass für überschüssiges Gas oder überschüssige Flüssigkeit wäh rend des Betriebs der Flüssigkeitsabgabevorrichtung oder zur Bereitstellung eines Auslasses für Lösungen während des Spülvorgangs dient. Die Befestigungsplatte 201, auf der die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 mit der Testplatte 230 montiert ist, kann Belüftungsschlitze zum Austretenlassen von Fluiden aus den Belüftungsöffnungen 232 aufweisen.
In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Reagenzfüllkanal 212 einen oder mehrere Reagenzzuführungseinlass bzw. -einlässe 211 und einen oder mehrere Fluidüberschussauslass bzw. -auslässe 213 auf (in der 5 gezeigt). Die Fluidüberschussauslässe 213 können angepasst sein, mit einer Vakuumquelle verbunden zu werden, um Flüssigkeit in der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 mittels Vakuum zu entfernen. Beispielsweise können die Kanäle 213 zum Entfernen von Flüssigkeit mittels Vakuum, die mit einer Vakuumquelle verbunden sind, verwendet werden, um die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 nach jedem Betrieb oder Spülen der Flüssigkeitsabgabevorrichtung rasch und gleichmäßig zu trocknen. In der Veranschaulichung sind die Gaspulskanäle 240 oberhalb der Reagenzfüllkanäle 212 gruppiert, jedoch ist dies ebenso wie andere veranschaulichte Merkmale kein Erfordernis; für den Fachmann sind im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung andere Gestaltungsmöglichkeiten offensichtlich.
Die 4 und 5 umfassen auch die Abmessungen, die in einer Ausführungsform eingesetzt werden. Die Abmessungen und relativen Positionen können jedoch variiert werden, so dass eine Anpassung an ein vorgegebenes Abgabesystem und Empfangssubstrat vorgenommen werden kann. In dieser Ausführungsform sind die Abmessungen jedes Gaspulskanals 240 in der ersten Schicht 221 eine Breite von 450 μm × eine Tiefe von 150 μm. Entsprechend sind die Reagenzfüllkanäle 212 in der zweiten Schicht 222 300 μm breit × 100 μm tief. Die Dosierkapillaren 214 in der dritten Schicht 223 weisen eine einheitliche Länge von 2,0 mm und einen einheitlichen Durchmesser von 270 μm auf (z.B. mit einer Länge von 2 mm). Der Durchmesser der Gaspulszuführungseinrichtung 241 beträgt 25 μm. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Größe dieser Gaspulszuführungseinrichtung 241 so ausgewählt, dass die Flüssigkeitsströmung in die Gaspulskanäle 240 minimiert wird. Die Größe jedes der Reaktionswells 231 In der Testplatte 230 beträgt 1 mm × 1 mm × 0,3 mm und der Abstand zwischen Wells beträgt 1,5 mm. Eine weitere veranschaulichende Ausführungsform weist Reaktionswells von 1,5 mm × 1,5 mm × 0,3 mm auf. In einigen Ausführungsformen wird die Größe der Reaktionswells so ausgewählt, dass sie das Sammeln des gesamten Abflusses von einem Spaltungsschritt, der in Reaktionszellen eines Flüssigkeitsverteilungssystems, wie z.B. eines solchen, das in dem US-Patent Nr. 5,846,396 (Aktenzeichen 11402G) beschrieben ist, durchgeführt wird, sammeln kann. Solche Spaltungen spalten vorzugsweise ein synthetisches Produkt von einem festen Träger, wie z.B. Kügelchen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Aliquotbildungsvorrichtung, die zwei oder mehr Flüssigkeitsabgabevorrichtungen, die jeweils mit einem Flüssigkeitsabgabesystem mit einer spezifischen Kapazität (d.h. Volumen, das pro Ausstoß in einen Well abgegeben wird) ausgestattet sind, und ein oder mehrere Empfangssubstrat(e) aufweist. In einer Ausführungsform weist z.B. eine erste Flüssigkeitsabgabevorrichtung 390 zahlreiche Reagenzfüllkanäle 312 (durchgezogene Linien) und Gaspulskanäle 340 (gepunktete Linien) auf, die so gestaltet sind, dass sie eine Abgabe in 864 Wells bewirken, wie es in der 7 gezeigt ist. In der Figur sind spezifisch ein erster Gaspulskanal 340A, ein zweiter Gaspulskanal 340B, ein dritter Gaspulskanal 340C und ein vierter Gaspulskanal 340D angegeben. Ferner sind auch ein erster alpha-Reagenzfüllkanal 312A1, ein zweiter alpha-Reagenzfüllkanal 312A2 und ein dritter alpha-Reagenzfüllkanal 312A3 spezifisch angegeben. Jeder dieser Sätze von drei Reagenzfüllkanälen 312 wird durch einen Reagenzfülleinlass 311, wie z.B. einen ersten Reagenzfülleinlass 311A, einen zweiten Reagenzfülleinlass 311B und einen dritten Reagenzfülleinlass 311C, gefüllt. Die gleichen Tripel von Reagenzfüllkanälen 312 werden durch Fluidüberschussauslässe 313, wie z.B. einen ersten Fluidüberschussauslass 313A, einen zweiten Fluidüberschussauslass 313B und einen dritten Fluidüberschussauslass 313C, evakuiert. Es sollte beachtet werden, dass die Fluidüberschussauslässe anstelle von nach unten, wie es weiter oben veranschaulicht worden ist, eine Strömung nach oben aufweisen können, da ein negativer Druck oder ein Kapillarströmungssystem verwendet werden kann, um die überschüssige Flüssigkeit aus den Reagenzfüllkanälen zu ziehen. In dieser Ausführungsform kann z.B. der Abstand zwischen Wells etwa 3 mm betragen, so dass das veranschaulichte Flüssigkeitsabgabesystem Flüssigkeit an etwa 864 Wells in einer Testplatte abgibt, die sich auf einem 4,5 Zoll × 3 Zoll-Substrat befindet.
In einer anderen Ausführungsform weist z.B. eine zweite Flüssigkeitsabgabevorrichtung 490 zahlreiche Reagenzfüllkanäle 412 (durchgezogene Linien) und Gaspulskanäle 440 (gepunktete Linien) auf, die so gestaltet sind, dass eine Abgabe in 3456 Wells durchgeführt wird, wie es in der 8 gezeigt ist. In dieser Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen Wells z.B. 1,5 mm, so dass das veranschaulichte Flüssigkeitsabgabesystem Flüssigkeit an etwa 3456 Wells in einer Testplatte abgibt, die sich auf einem 4,5 Zoll × 3 Zoll-Substrat befindet. Die veranschaulichte Flüssigkeitsabgabevorrichtung 490 weist erste Kontrollreagenzfüllkanäle 461, zweite Kontrollreagenzfüllkanäle 462 und dritte Kontrollreagenzfüllkanäle 463 zusammen mit den noch zahlreicheren Probenreagenzfüllkanälen 412 und Gaspulskanälen 440 auf. Die Kontrollwells, in welche die Kontrollreagenzien injiziert werden, können verwendet werden, um verschiedene Reaktionskontrollen durchzuführen, wie z.B. Kontrollen ohne Testprobe. Beispielsweise können in einem Enzymtest, mit dem der Hemmeffekt potenzieller Hemmstoffe des Enzyms getestet wird, die ersten Kontrollreagenzfüllkanäle Flüssigkeiten ohne Testprobe, jedoch mit allen anderen Testreagenzien, einschließlich des Enzyms, abgeben, die zweiten Kontrollreagenzfüllkanäle keine Testprobe, jedoch alle anderen Testreagenzien plus einen bekannten Hemmstoff abgeben und die dritten Kontrollreagenzfüllkanäle keine Testprobe und kein Enzym, jedoch alle anderen Testreagenzien abgeben. Die Probenreagenzfüllkanäle können zur Abgabe von Flüssigkeiten mit allen Bestandteilen, wie z.B. der Testprobe, dem Enzym, dem Hemmstoff und allen anderen Testreagenzien, die zum Testen bezüglich einer Hemmung der Aktivität erforderlich sind, eingesetzt werden.
In einem anderen Aspekt wird Gas an Gaspulskanäle der Flüssigkeitsabgabevorrichtungen 390 und 490 in einer aufeinander folgenden Weise beginnend mit dem ersten Gaspulskanal und dann dem zweiten Gaspulskanal, usw., abgegeben, was zu einem aufeinander folgenden Erhalten eines Gasdrucks an einem Reagenzfüllkanal an einer ersten Gaspulszuführungseinrichtung, einer zweiten Gaspulszuführungseinrichtung, einer dritten Gaspulszuführungseinrichtung, usw., führt. Diese aufeinander folgende Weise kann als „linear" mit Druck beaufschlagende Segmente eines Reagenzfüllkanals bezeichnet werden. Ein lineares Beaufschlagen mit Druck kann in einer oder in beiden Richtungen von einem Startpunkt in einem Reagenzfüllkanal ablaufen. In der Flüssigkeitsabgabevorrichtung 390 wird z.B. ein Gasdruck aufeinander folgend an einen ersten Gaspulskanal 340A, dann einen zweiten Gaspulskanal 340B, einen dritten Gaspulskanal 340C, usw., abgegeben.
Zur Steuerung der Abgabe eines Gases kann eine elektronische Steuereinrichtung, wie z.B. ein elektronischer Prozessor, z.B. zusammen mit elektromechanischen Vorrichtungen, wie Schaltern, Elektromagneten und dergleichen, verwendet werden. Fernbediente elektromechanische Vorrichtungen können zum Öffnen und Schließen von Ventilen, die mit den Gasquellen verbunden sind, verwendet werden.
In der 8 weist die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 490 Gaspulskanäle auf zwei Niveaus in dem Substrat auf, so dass Gas an Probenreagenzfüllkanäle 412 und erste und zweite Kontrollreagenzfüllkanäle 461 und 462 durch Gaspulskanäle 440 (als gepunktete Linien gezeigt), die in einem Niveau der ersten Schicht ausgebildet sind, abgegeben werden kann, während ein Gas an die orthogonal ausgerichteten dritten Kontrollreagenzfüllkanäle 463 durch Gaspulskanäle, die in einem zweiten Niveau der ersten Schicht ausgebildet sind, abgegeben werden kann.
Die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 590 von 9 ist nachstehend im Beispiel 1 beschrieben.
Aus Gründen der Veranschaulichung zeigt die 10 zwei Arten von Empfangssubstraten, wie z.B. einen Reaktionsplattenverbund 600 und eine Testplatte 700. Der Reaktionsplattenverbund ist aus sechs Reaktionsplatten 601 hergestellt. Der Reaktionsplattenverbund 600 weist gleichmäßig in Sektoren aufgeteilte Reaktionswells 631 auf, wobei die Sektoren durch Verbindungsnähte 634 getrennt sind. Entsprechend weist auch die Testplatte 700 gleichmäßig in Sektoren aufgeteilte Reaktionswells 731 auf. Die Reaktionswells der Testplatte 700 stimmen direkt mit den Reaktionswells des Reaktionsplattenverbunds 600 überein, jedoch sind die Abschnitte der Testplatte 700, die mit den Verbindungsnähten 634 des Reaktionsplattenverbunds 600 übereinstimmen würden, stattdessen mit Kontrollwells 733 gefüllt.
Beispielsweise kann der Reaktionsplattenverbund 600 ein Plattenverbund sein, auf dem eine kombinatorische Gruppierung von Testverbindungen synthetisiert worden ist, wie z.B. unter Verwendung der Flüssigkeitsverteilungssysteme des US-Patents Nr. 5,846,396 (Anmeldenummer 08/556,036, eingereicht am 31. Mai 1995, Aktenzeichen 11402G) oder von US-A-6033544 (US-Anmeldung Nr. 08/744,386, eingereicht am 9. November 1996 (Aktenzeichen 12385A)). Alternativ kann der Reaktionsplattenverbund 600 eine Replikaplatte sein, die mit den Produktaustragstellen einer kombinatorischen Synthese übereinstimmt. Die Verbindungsnähte 634 stimmen z.B. mit den Bereichen eines bevorzugten Flüssigkeitsverteilungssystems überein, die für Hilfsfunktionen verwendet werden, wie z.B. Gas- oder Flüssigkeitszuführungsleitungen. Dieser zusätzliche Raum kann zur Verteilung von Kontrollwells innerhalb der Testplatte 700 vorteilhaft verwendet werden.
In einem Enzymtest können z.B. die verschiedenen Arten von Reagenzien, die in den 700 Wells der Testplatte zur Durchführung des Tests erforderlich sind, von einer einzelnen ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung zugesetzt werden. Alternativ kann die Testplatte 700 per Hand oder mit einer motorisierten Überführungsvorrichtung, wie z.B. einem Roboter, zu einer zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung transportiert werden, um verschiedene Reagenzien zuzusetzen.
In einer Ausführungsform wird eine erste Flüssigkeitsabgabevorrichtung 390 mit dem in der 7 veranschaulichten Abgabesystem zum Abgeben von Lösungsmitteln, wie z.B. DMSO (Dimethylsulfoxid) in eine alpha-Testplatte mit 864 Wells verwendet, um Chemikalien zu lösen (wie z.B. die Produkte eines kombinatorischen Verfahrens), die in einem Test mit den gelösten Chemikalien oder Reagenzien der 864 Wells verwendet werden. Stiftvorrichtungen, wie z.B. das Biomek „High Density Replicating Tool", das von Beckman Instruments, Fullerton, CA, verkauft wird, können zum Kopieren der 864 Wells auf 1/4 der Wells in einer beta- Testplatte mit 3456 Wells (die bezogen auf die alpha-Platte mit der Hälfte des Zellenabstands versehen ist) verwendet werden. Reagenzien von den drei zusätzlichen alpha-Testplatten können zum Einbringen von speziellen Reagenzien in den Rest der 3/4 der Wells der beta-Testplatte verwendet werden. Die beta-Testplatte kann zu einer zweiten Abgabevorrichtung 490 mit Proben- und Kontrollreagenzfüllkanälen überführt werden, wie sie in der 8 veranschaulicht ist, um je nach Erfordernis eine weitere Abgabe vorzunehmen, um einen Test mit verschiedenen Kontrollen zu vervollständigen.
Bei den kleinen Volumina, die bei manchen Ausführungsformen vorliegen, wird darauf geachtet, das Mischen von separaten Fluiden, die einem Well zugesetzt werden, sicherzustellen. Beispielsweise kann eine Platte 490 Ultraschallschwingungen ausgesetzt werden, um ein Mischen sicherzustellen.
Eine weitere Flüssigkeitsabgabevorrichtung 890 (11 und 12) ist der vorstehend beschriebenen Flüssigkeitsabgabevorrichtung 290 ähnlich. Die Flüssigkeitsabgabevorrichtung 890 weist ebenfalls eine erste Schicht 821, eine zweite Schicht 822 und eine dritte Schicht 823 auf. Die drei Schichten der Flüssigkeitsabgabevorrichtung weisen auch Komponentenstrukturen wie z.B. Gaspulszuführungseinrichtungen 841, welche die Gaspulskanäle 840 und die Reagenzfüllkanäle 812 verbinden, Reagenzzuführungseinlässe 811, Fluidüberschussauslässe 813 und Dosierkapillaren 214 auf. Die Komponentenstrukturen der Testplatte 830 umfassen einen oder mehrere Well(s) 831 und jeder Well weist wiederum eine Belüftungsöffnung 832 auf. Diese Merkmale, einschließlich der Befestigungsplatte 801, funktionieren analog zu denjenigen, die bezüglich der 4 bis 6 beschrieben worden sind, mit der Ausnahme, dass die Gaspulskanäle 840 und die Reagenzfüllkanäle 812 parallel ausgerichtet sind.
Die Ausführungsform, bei der die Gaspulskanäle parallel zu den Reagenzfüllkanälen sind, ist besonders bevorzugt, wenn eine Abgabe in aufeinander folgenden Reihen von den Dosierkapillaren erwünscht ist. Die Gaspulskanäle befinden sich direkt oberhalb (oder unterhalb) der Reagenzfüllkanäle. Wenn ein Gaspuls in einen der Gaspulskanäle eingeführt wird, findet die Abgabe in einer gesamten Reihe von Dosierkapillaren statt. Durch aufeinander folgendes, schrittweises Weiterführen des gepulsten Gases von einer Reihe zur nächsten erhält die Testplatte das Reagenz in einer Reihenabtastweise, bis die gesamte Platte versorgt worden ist. Diese Ausführungsform ist aus den folgenden Gründen bevorzugt: (1) Sie kann die Komplexität des „Off-Chip"-Reagenzzuführungssystems vermindern, und (2) sie kann die Komplexität des Nachweissystems vermindern, und zwar insbesondere für die Instrumentierung für kinetische Tests.
Im Betrieb kann eine Vorrichtung der Erfindung z.B. ein 8 nl-Volumen (mit einem Dosierkapillarkanal mit einem Durchmesser von 100 μm und einer Länge von 1,0 mm), ein 46 nl-Volumen (mit einem Dosierkapillarkanal mit einem Durchmesser von 200 μm und einer Länge von 1,5 mm) oder ein 42 nl-Volumen (z.B. mit einem Dosierkapillarkanal mit einem Durchmesser von 300 μm und einer Länge von 2,0 mm) an mehrere Stellen abgeben. In dem Fall des ersten Beispiels eines 8 nl-Dosierkanals wird davon ausgegangen, dass ein Zuführungsvolumen von etwa 200 μl bis etwa 300 μl eingesetzt werden kann, um dieses Volumen zu jedem von 3456 Wells abzugeben. Die Tiefe jedes Wells beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform nicht mehr als 300 μm (und nimmt z.B. ein 300 nl-Volumen auf). Wenn es für die Anwendung geeignet ist, kann die Flüssigkeit, die durch den Fluidüberschussauslass strömt, rezykliert werden.
Es sollte beachtet werden, dass die Flüssigkeitsabgabevorrichtung so hergestellt werden kann, dass sie an die Viskosität, die kapillare Strömung und andere physikochemische Eigenschaften einer Klasse von Flüssigkeiten, wie z.B. wässrigen Lösungen oder nicht-wässrigen Lösungen, angepasst ist. Beispielsweise kann eine bestimmte Gestaltung zum Abgeben von wässrigen Lösungen und Ethanollösungen geeignet sein, während eine andere Gestaltung, welche die niedrige Viskosität und Oberflächenspannung der Verteilungskanäle berücksichtigt, zum Abgeben anderer organischer Lösungen verwendet werden kann.
Materialien zur Herstellung der Flüssigkeitsabgabevorrichtung können aus einer Gruppe ausgewählt werden, die gegen die Chemikalien beständig ist, die für das Verteilen und Testen verwendet werden. Ein bevorzugtes Material kann einer Mikroherstellung, einem Mikroätzen und einer Mikroreplikation (z.B. zum Formen von Kunststoffreplikaplatten) unterzogen werden. Die Schichten der Flüssigkeitsabgabevorrichtung werden z.B. aus einem Material ausgebildet, das chemisch geätzt, reaktivionengeätzt, lasergebohrt oder von Formwerkzeugen oder Werkzeugen, die mit diesen Verfahren hergestellt worden sind, repliziert worden ist, um die erforderlichen Strukturen zu bilden, wie z.B. Glas, Quarz, Silizium, dotiertes Silizium oder Polymere in dem Fall einer Replikation. Die replizierten Schichten werden aus einem formbaren Kunststoff, wie z.B. Polypropylen, Polystyrol oder Teflon^TM (Tetrafluorethylenpolymer) gebildet. Bevorzugte Materialien, die für Testplatten verwendet werden, können Kunststoffe wie z.B. Polypropylen oder Teflon^TM sein. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Platten oder Schichten, welche die Vorrichtung bilden, etwa 1,0 mm bis etwa 6,0 mm, mehr bevorzugt etwa 1,5 mm bis etwa 3,0 mm.
Zur Herstellung einer Vorrichtung der Erfindung aus Glas können Kanäle entlang der Grenzen von Glasplatten, die aneinander angrenzen, gebildet werden. Die Kanalherstellung kann durch Ätztechniken, wie z.B. durch chemisches Ätzen oder reaktives Ionenätzen oder Laserablation erreicht werden. Kanäle, die durch Platten ausgebildet sind, werden vorzugsweise durch Laserablation gebildet. Vorzugsweise werden die Hauptoberflächen von Glasplatten vor dem Bohren solcher Kanäle durch Laserablation aufgeraut und insbesondere ist es bevorzugt, die Seite der Platte, auf der das Abtragen stattfindet, aufzurauen. Das Aufrauen unterstützt bei der Begrenzung des Ausmaßes jedweden Brechens, das an der Abtragungsstelle auftritt. Nach der Laserablation kann die raue Oberfläche geschliffen und poliert werden.
Wenn feine Merkmale erwünscht sind, sind hochgenaue Techniken, wie z.B. ein trockenchemisches Ionenätzen, bevorzugt. Das trockenchemische Ätzen wird z.B. in S.M. Sze, „Semiconductor Devices, Physics and Technology", John Wiley & Sons, New York, 1985, Seiten 457–465 diskutiert. Bei einer solchen Technik, dem plasmaunterstützten Ätzen, kann ein elektrisches Feld verwendet werden, um das Plasmaätzmittel entlang einer gegebenen Achse zu leiten, wodurch die Schärfe der Ätzgrenzen erhöht werden kann. Nach der Bildung von solchen Kanälen, welche die Platte durchziehen, können die Oberflächen der Platten geläppt und poliert werden. Wenn die Platten ausreichend glatt sind, können sie mit anderen Platten der Flüssigkeitsabgabevorrichtung permanent verbunden werden, z.B. unter Verwendung der anodischen Bindungstechnik, die in dem US-Patent 5,747,169 (Anmeldenummer 08/745,766, eingereicht am 8. November 1996, Aktenzeichen 11865) beschrieben ist. Die anodische Bindungstechnik kann z.B. zum Verbinden von Platten aus Glas, Glas und Silizium verwendet werden (vgl. das US-Patent 5,846,396 , Aktenzeichen 11402G).
Zur Herstellung einer Vorrichtung der Erfindung aus Kunststoff werden Formwerkzeuge üblicherweise aus Silizium unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Die Werkzeuge werden mit invertierten Merkmalen hergestellt, um geformte Replikationen herzustellen, die geeignete Merkmale aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Aliquotbildungsvorrichtung mit Flüssigkeitsabgabevorrichtungen vorzugsweise mit einem Ausrichtungserfassungsmechanismus ausgestattet. Der Ausrichtungserfassungsmechanismus weist vorzugsweise Ausrichtungsmarkierungen auf der Vorrichtung und dem Empfangssubstrat, wie z.B. einer Testplatte, auf. Die Ausrichtungsmarkierungen sind vorzugsweise entlang der Ränder der unteren Oberfläche der Flüssigkeitsabgabevorrichtung und der oberen Oberfläche der Testplatte ausgebildet. Die. Ausrichtungsmarkierungen können z.B. mechanische Markierungen, wie z.B. Kerben, Vorwölbungen, Grate, Furchen, Stifte oder Löcher sein. Andere Ausrichtungsmarkierungen, wie z.B. magnetische, elektrische oder optische Markierungen können ebenfalls verwendet werden. Die verschiedenen Ausrichtungsmarkierungen können entweder einzeln oder in Kombinationen verwendet werden. Vorzugsweise sind die Ausrichtungsmarkierungen der Flüssigkeitsabgabevorrichtungen angepasst, mit entsprechenden Markierungen auf den Testplatten in Eingriff zu gelangen, so dass verschiedene Testplatten, welche die Abgabe der gleichen Reagenzien oder von verschiedenen Reagenzien erfordern, genau mit einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung in einer aufeinander folgenden Weise ausgerichtet werden können, oder eine einzelne Platte zuerst mit einer ersten Vorrichtung und dann mit einer zweiten Vorrichtung genau ausgerichtet werden kann.
Der Ausrichtungserfassungsmechanismus weist ferner eine Ausrichtungserfassungsvorrichtung zum Bestimmen der relativen Positionen der Ausrichtungsmarkierungen der Flüssigkeitsabgabevorrichtungen bezüglich derjenigen der Testplatten auf. Die Ausrichtungserfassungsvorrichtung erzeugt vorzugsweise Ausrichtungsdaten und überträgt die Ausrichtungsdaten auf eine Steuereinrichtung. Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung so betrieben werden, dass sie nicht nur die Testplatten zwischen den Flüssigkeitsabgabevorrichtungen überführt, sondern auch zur Einstellung der Markierungen der Testplatten mit den entsprechenden Markierungen einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach dem Empfangen der Daten von der Ausrichtungserfassungsvorrichtung.
Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht-beschränkenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiel 1 – Herstellung einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung
Die in der 9 gezeigte Flüssigkeitsabgabevorrichtung 590 wird wie folgt hergestellt. Als erstes wird eine wärmebeständige Borosilikatglasplatte (wie z.B. Pyrex^TM-Glas) (3,5 Zoll × 5,0 Zoll × 30 mil) (1 mil = 0,0254 mm) so geätzt, dass auf deren Bodenoberfläche 10 parallele Gaspulskanäle 540 (450 μm breit × 150 μm tief) gebildet werden. Alle Ätzungen der ersten Glasplatte werden mit Chemikalien durchgeführt. Eine zweite wärmebeständige Borosilikatglasplatte (3,5 Zoll × 5,0 Zoll × 30 mil) wird auf deren Bodenoberfläche so geätzt, dass zwei parallele Reagenzfüllkanäle 512 (300 μm breit × 100 μm tief) gebildet werden. An den Enden jedes Reagenzfüllkanals werden Reagenzzuführungseinlässe 511 (300 μm Durchmesser) geätzt. Die zweite Platte ist so gestaltet, dass sie über der ersten Platte angeordnet ist. Gaspulseinlässe 542 (300 μm Durchmesser) und Gaspulszuführungseinrichtungen 541 (25 μm Durchmesser) werden durch die zweite Platte geätzt. Eine Siliziumplatte (3,5 Zoll × 5,0 Zoll × 40 mil) wird unter Verwendung eines elektrischen Felds reaktivionengeätzt, so dass scharfkantige Dosierkapillaren 514 gebildet werden (in der Veranschaulichung sind nur die Querschnitte gezeigt) (die Kapillaren weisen einen Durchmesser von 270 μm und eine Länge von 1 mm auf). Die erste Glasplatte, die zweite Glasplatte und die Siliziumplatte wurden gemäß der 9 ausgerichtet und anodisch gebunden. Zum Binden der zwei Glasplatten wird eine Siliziumschicht (300 nm dick) durch Verdampfen unter einer inerten Atmosphäre (zur Verhinderung einer Oxidation) auf die untere Verbindungsseite der zweiten Glasplatte aufgebracht. Die Silizium-beschichtete Oberfläche wird dann mit der Unterseite der ersten Glasplatte ausgerichtet und die Platten werden anodisch gebunden. Die Siliziumplatte wird direkt anodisch an die zweite Glasplatte gebunden (d.h. ohne die Verwendung einer Siliziumbeschichtung). In der Zeichnung ist für Veranschaulichungszwecke eine Angabe der Auslässe der Dosierkapillaren, die mit Reaktionswells 531 (1 mm × 1 mm × 0,3 mm tief) einer Testplatte ausgerichtet sind, gezeigt. In einem anderen Beispiel werden die Löcher, die durch die Platte verlaufen, lasergebohrt.
Beispiel 2 – Bildung von Vorwölbungen
Dosierkapillaren und Vorwölbungen wurden auf und in einer Siliziumplatte (3,5 Zoll × 5,0 Zoll × 40 mil) durch Reaktivionenätzen unter Verwendung eines elektrischen Felds gebildet. Die 13A zeigt eine Photographie einer Draufsicht auf eine 600 μm breite × 200 μm hohe Vorwölbung, in die ein 75 μm breites Loch lasergebohrt worden ist. Die 13B zeigt eine Schrägansicht von vier der Vorwölbungen, die in der 13A gezeigt sind. Die 13C zeigt eine Seitenansicht einer der Vorwölbungen. Photolithographietechniken wurden zur Erzeugung von 600 μm breiten Bereichen, die durch eine Maske (bei der es sich um eine Photolackschicht handelte) bedeckt waren, zentriert an der vorgesehenen Stelle der Vorwölbungen, verwendet. Ein elektrisches Feld wurde verwendet, um das Ätzmittel direkt nach unten auf die Siliziumplatte zu führen. Diese reaktive Ionentechnik stellte sicher, dass nur ein minimales Ausmaß eines lateralen Ätzens stattfand. Durch die Oberseiten der Vorwölbungen wurden Löcher lasergebohrt. Die resultierenden Vorwölbungen sind diejenigen, die in den 13A bis 13C gezeigt sind.
Während diese Erfindung mit einem Schwerpunkt im Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann klar, dass Variationen bei den bevorzugten Vorrichtungen und Verfahren eingesetzt werden können und dass es vorgesehen ist, dass die Erfindung auch in anderer Weise ausgeführt werden kann, als es vorstehend spezifisch beschrieben ist.

Claims

Flüssigkeitsabgabevorrichtung zum Abgeben definierter Volumina einer Flüssigkeit, umfassend: (a) einen Reagenzfüllkanal (12) mit ersten Querschnittsabmessungen, (b) eine oder mehrere Dosierkapillare(n) (14A, B, C) mit zweiten Querschnittsabmessungen, die (i) mit dem Reagenzfüllkanal verbunden ist bzw. sind und (ii) einen Ausgang aufweist bzw. aufweisen, und (c) eine oder mehrere Gasquelle(n) (40, 41), die mit dem Reagenzfüllkanal verbunden ist bzw. sind, wobei die ersten Querschnittsabmessungen derart sind, dass nach dem Füllen der einen oder mehreren Dosierkapillare(n) von dem Reagenzfüllkanal, die Flüssigkeit aus dem Reagenzfüllkanal abläuft, ohne einen Druck auszuüben, der effektiv ist, Flüssigkeit aus der einen oder den mehreren Dosierkapillare(n) ablaufen zu lassen, und wobei die Gasquelle angepasst ist, einen Druck zum Ausstoßen der Flüssigkeit in den Dosierkapillaren auszuüben, und wobei eine dosierte Flüssigkeitsmenge durch das Ausstoßen abgegeben wird.
Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Struktur, die mindestens eine der Dosierkapillaren bildet, eine Vorwölbung (15) in den Reagenzfüllkanal oder eine Vorwölbung (16) am Ausgang bildet, oder Vorwölbungen in den Reagenzfüllkanal und am Ausgang bildet.
Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1, die zwei oder mehr der Reagenzfüllkanäle umfasst, die mit einer oder mehreren Dosierkapillare(n) verbunden sind, wobei die Flüssigkeitsabgabevorrichtung zum Abgeben von zwei oder mehr verschiedenen Reagenzien über separate Reagenzfüllkanäle angepasst ist.
Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1, die ferner zwei oder mehr Verbindungen des Reagenzfüllkanals mit einer oder mehreren Gasquellen umfasst.
Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 4, bei der zwei oder mehr der Verbindung zu separaten Gasquellen führen.
Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Steuereinrichtung zum aufeinander folgenden Aktivieren der Gasquellen zum aufeinander folgenden und linearen Beaufschlagen von Segmenten des Reagenzfüllkanals mit Druck umfasst.
Aliquotbildungsvorrichtung, umfassend: (1) eine erste Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1 und eine zweite Flüssigkeitsabgabevorrichtung, und (2) eine motorisierte Überführungsvorrichtung zum Bewegen eines Empfangssubstrats von der ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung zur zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung, wobei das Empfangssubstrat Flüssigkeiten empfängt, die von der ersten oder der zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung ausgestoßen worden sind.
Aliquotbildungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste und die zweite Flüssigkeitsabgabevorrichtung Ausrichtungsmarkierungen umfassen und die Aliquotbildungsvorrichtung zum Ausrichten und Zusammenwirken mit Empfangssubstraten, die mechanische, magnetische, elektrische oder optische Ausrichtungsmarkierungen aufweisen, angepasst ist.
Aliquotbildungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Flüssigkeitsabgabevorrichtung mechanische, magnetische, elektrische oder optische Ausrichtungsmarkierungen umfassen.
Aliquotbildungsvorrichtung nach Anspruch 8, die ferner (3) eine Ausrichtungserfassungsvorrichtung zum Bestimmen der Beziehung zwischen den Ausrichtungsmarkierungen auf entweder dem ersten oder dem zweiten Flüssigkeitsabgabesystem und den Ausrichtungsmarkierungen auf einem Empfangssubstrat und Erzeugen entsprechender Ausrichtungsdaten, und (4) eine Steuereinrichtung zum Empfangen von Ausrichtungsdaten von der Ausrichtungserfassungsvorrichtung und zum Betreiben der motorisierten Überführungsvorrichtung zur Verbesserung der Ausrichtungsdaten umfasst.
Verfahren zum Abgeben von zwei oder mehr Flüssigkeiten an zwei oder mehr Mischstellen auf einem Empfangssubstrat, umfassend: (i) Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfangssubstrat mit der ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung ausgerichtet ist, (ii) Abgeben, von der ersten Flüssigkeitsabgabevorrichtung, einer ersten Flüssigkeit an die zwei oder mehr Mischstellen, (iii) Bewegen des Empfangssubstrats, so dass es mit der zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung ausgerichtet wird, und (iv) Abgeben, von der zweiten Flüssigkeitsabgabevorrichtung, einer zweiten Flüssigkeit an die zwei oder mehr Mischstellen.
Verfahren zum Abgeben von zwei oder mehr Flüssigkeiten an zwei oder mehr Mischstellen auf einem Empfangssubstrat, umfassend: (i) Bereitstellen einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfangssubstrat damit ausgerichtet ist, (ii) Abgeben, von der Flüssigkeitsabgabevorrichtung, einer ersten Flüssigkeit an die zwei oder mehr Mischstellen, (iii) Füllen eines Reagenzfüllkanals oder mehrerer Reagenzfüllkanäle der Flüssigkeitsabgabevorrichtung mit einer zweiten Flüssigkeit, und (iv) Abgeben, von der Flüssigkeitsabgabevorrichtung, der zweiten Flüssigkeit an die zwei oder mehr Mischstellen.