EP1458487A2 - Manipulierung kleinster flüssigkeitstropfen durch eine vielzahl von elektroden auf hydrophober oberfläche - Google Patents

Manipulierung kleinster flüssigkeitstropfen durch eine vielzahl von elektroden auf hydrophober oberfläche

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Publication number
EP1458487A2
EP1458487A2 EP02795212A EP02795212A EP1458487A2 EP 1458487 A2 EP1458487 A2 EP 1458487A2 EP 02795212 A EP02795212 A EP 02795212A EP 02795212 A EP02795212 A EP 02795212A EP 1458487 A2 EP1458487 A2 EP 1458487A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
drop
electrodes
drops
ultraphobic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02795212A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Reihs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qiagen GmbH
Original Assignee
Sunyx Surface Nanotechnologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sunyx Surface Nanotechnologies GmbH filed Critical Sunyx Surface Nanotechnologies GmbH
Publication of EP1458487A2 publication Critical patent/EP1458487A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
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    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B01L3/502792—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics for moving individual droplets on a plate, e.g. by locally altering surface tension
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/006—Motors
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    • B01L2300/165—Specific details about hydrophobic, oleophobic surfaces
    • B01L2300/166—Suprahydrophobic; Ultraphobic; Lotus-effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Definitions

  • the present invention relates to a device for manipulating the smallest drops of liquid with an ultraphobic surface open at the top, which has a grid in the region of the hydrophobic surface with essentially uniformly distributed electrodes, with each of which an electric field can be generated and at least one electrode at a time can be controlled individually by an automated control device for a certain period of time with an electrical voltage such that the liquid drops on the ultraphobic surface each run through a specific path at a specific speed.
  • the present invention further relates to a method for depositing liquid drops, a method for moving liquid drops, a method for locating liquid drops and a method for determining the size of a liquid drop.
  • the object of the present invention to provide a device which does not have the disadvantages of the prior art.
  • the object is achieved by a device for manipulating the smallest liquid drops with an ultraphobic surface open at the top, which has a grid in the region of the ultraphobic surface with essentially uniformly distributed electrodes, with which an electric field can be generated and at least one at a time Electrode can be controlled individually by an automated control device for a certain period of time with an electrical voltage such that the liquid drops on the ultraphobic surface each run through a very specific path at a very specific speed.
  • the device according to the invention is simple and inexpensive to manufacture.
  • Manipulating in the sense of the invention means moving a drop of liquid, holding a drop of liquid at a specific location, mixing a drop of liquid, dividing a drop of liquid and combining several drops of liquid.
  • a drop of liquid in the sense of the invention consists of any liquid and preferably has a volume of 10 "12 to 10 " 6 1, particularly preferably 10 "9 to 10 " 5 1.
  • the device has an ultraphobic surface open at the top. Open to the top in the sense of the invention does not mean that the device according to the invention cannot be temporarily covered, for example with a preferably ultraphobic lid.
  • An ultraphobic surface in the sense of the invention is characterized in that the contact angle of a Drop of water lying on the surface is more than 150 ° and the roll angle does not exceed 10 ° .
  • the roll angle is understood to be the angle of inclination of a basically planar but structured surface against the horizontal, at which a standing water drop with a volume of 10 ⁇ l is moved due to the force of gravity when the surface is inclined.
  • ultraphobic surfaces are described, for example, in WO 98/23549, WO 96/04123, WO 96/21523, WO 00/39369, WO 00/39368, WO00 / 39239, WO 00/39051, WO 00/38845 and WO 96 / 34697, which are hereby introduced as a reference and are therefore considered part of the disclosure.
  • Such an ultraphobic surface is described in international patent application WO 99/10322, which is hereby introduced as a reference and is therefore considered part of the disclosure.
  • the device according to the invention has a grid with essentially uniformly distributed electrodes with which an electric field can be generated in each case.
  • the electrodes can each be connected individually to an electrical voltage source with preferably 10 to 1000 V, particularly preferably 100 to 300 V, so that an electrical field can be generated with each electrode independently of the other electrodes.
  • the electrodes are preferably at a distance of. ⁇ 100 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 50 ⁇ m and very preferably ⁇ 10 ⁇ m. Their largest dimension is preferably ⁇ 150 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 70 ⁇ m and very particularly preferably ⁇ 20 ⁇ m.
  • the voltage source is controlled by an automated control unit, for example a computer, and the individual Electrodes are thus individually supplied with electrical voltage.
  • the computer is used to determine which electrode is subjected to electrical voltage at what time and for how long. In this way it can be determined which path on the hydrophobic surface a liquid drop travels at which speed.
  • the control of the electrodes by the automated control unit can be changed at any time, so that a device can be set up for every conceivable application.
  • not only one but a plurality of electrodes preferably at least two, particularly preferably at least four electrodes, are activated simultaneously.
  • two electrodes are actuated, these are preferably adjacent to one another and when four electrodes are actuated, they are preferably arranged in a carriage.
  • the electrodes are preferably arranged in the vicinity of the surface of a carrier.
  • This carrier is preferably covered with a film with an ultraphobic surface.
  • the device has a removable cover so that losses of the liquid drops which are located on the ultraphobic surface are reduced.
  • the device additionally has a liquid reservoir, which is preferably filled with a liquid that is as similar as possible to the liquid of the liquid drops that are located on the ultraphobic surface. With this preferred embodiment of the present invention, losses of the liquid drops due to evaporation are almost avoided.
  • Another object of the present invention is a method for depositing liquid drops with the device according to the invention, in which:. an electrical field is generated with at least one electrode,. a liquid drop is deposited on the ultraphobic surface and the liquid drop is fixed by the electrical field.
  • the method according to the invention makes it possible to permanently but reversibly store a large number of the smallest liquid drops, for example for automated analysis or even only for storage on a device with an ultraphobic surface.
  • the liquid drops are at a clearly defined point, so that it is very easy, for example, for an analysis device to control the liquid drops and to take samples or to analyze them without contact.
  • the drop is sprayed onto the ultraphobic surface by a metering pump and is attracted to the electrical field which has been generated by at least one electrode of the grid.
  • a plurality of liquid drops are preferably deposited on the ultraphobic surface at different locations.
  • the liquid drops are preferably mixed, cleaned, combined and / or separated before and / or after being deposited.
  • Another object of the present invention is a method for
  • the path and the speed of a liquid drop on the ultraphobic surface are programmed with the automated control unit,. an electric field is generated with at least one electrode,. the liquid drop is deposited on the ultraphobic surface and the electrode is driven along the predetermined path in such a way that the liquid drop is displaced at the predetermined speed and is preferably held in its desired end position.
  • This method has the advantage that a drop of liquid can be moved along any path at a very specific speed.
  • the web can be used after each application or during an application Automated control device can be reprogrammed so that the method according to the invention can be used for almost any application in which the smallest drops of liquid have to be manipulated or analyzed. If the drop of liquid leaves its desired path, the path can be corrected by changing the programming.
  • the method according to the invention is simple and inexpensive to carry out.
  • Another object of the present invention is a method for localizing liquid drops with the device according to the invention in which the electrical voltage between two electrodes in the vicinity of the liquid drop is preferably changed periodically and the different changes in the currents and the phase shift between the periodic voltage change and the change in current is measured.
  • the current will be higher than for the other electrodes, so that it is possible to use these measurements to locate the exact position of a drop of liquid.
  • the person skilled in the art recognizes that the finer the electrode grid, the more precisely the liquid drops can be localized.
  • analytical instruments By precisely determining the coordinates of a drop of liquid, analytical instruments can be positioned there quickly and precisely, or if liquid drops have to be combined, a second drop can be moved exactly to the position of the first drop.
  • Another object of the present invention is a further method for localizing liquid drops on a surface, in which light is emitted with a light source and the position of the liquid drop is determined on the basis of the reflected components.
  • the light sources are preferably optical light guides, preferably with a diameter of ⁇ 1000 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 100 ⁇ m, which are arranged in a regular grid and illuminate the drops on the surface.
  • the reflected components are also determined by the same light guides.
  • a drop of liquid can be evaporated on the device according to the invention.
  • Another object of the present invention is a method for localizing liquid drops, which uses a combination of the two above. Represents methods of locating drops of liquid.
  • the position of the liquid drop is preferably additionally determined by an optical microscope.
  • analytical instruments By precisely determining the position of a drop of liquid, analytical instruments can be positioned there quickly and precisely, or if liquid drops have to be combined, a second drop can be moved exactly to the position of the first drop.
  • the present invention additionally relates to a method for determining the size of a liquid drop using the device according to the invention, in which the electrical voltage between two electrodes in the area of the liquid drop is preferably changed periodically and the change in the currents is measured in the process.
  • the size of the change in the current between the pairs of two electrodes, as well as the phase shift between the periodic voltage change and the current change is a measure of the size of the drop, since the larger the volume of the liquid drop, the larger the currents between the electrodes during the measurement.
  • Another object of the present invention is a further method for determining the size of a liquid drop with a light source, in which at least one light source emits light and the size of the liquid drop is determined on the basis of the reflected components.
  • a drop of liquid the position of which is known, is illuminated with a light source, preferably a light guide.
  • the size of the drop can be inferred from the intensity of the reflected light, which is preferably determined by the same light guide and by comparative measurements with liquid drops of a known volume.
  • Another object of the present invention is a method for determining the size of a drop of liquid on a surface, which is a combination of the two above. Represents procedure.
  • the size of the drop is preferably additionally determined by an optical microscope.
  • Figure 1 shows the device according to the invention in plan view.
  • FIG. 1 shows the device 1 according to the invention, which in the present case has 36 electrodes 5 and a counter electrode 5 '.
  • the electrodes are arranged in a uniform grid. The distance between the electrodes is 450 ⁇ m, the edge length of the square electrodes is 150 ⁇ m.
  • four electrodes 5 are controlled simultaneously by a computer with a voltage of 85 V, so that a drop of liquid is arranged at the tips of four electrodes each.
  • the electrodes are covered by a film 4, which has an ultraphobic surface 3.
  • the ultraphobic surface is a surface on which a drop has a contact angle of 174 ° and a roll angle of 3 °.
  • FIG 2 shows a section through an electrode.
  • the electrode consists of an electrode 5 and a counter electrode 5 '. Furthermore, a dielectric material 6 and a shield 7 are arranged in the region of the electrode. In the middle, the electrode has a connection 8, with which it is connected to a voltage source (not shown) which is controlled by a computer (not shown).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Manipulieren kleinster Flüssigkeitstropfen mit einer nach oben offenen ultraphoben Oberfläche, die im Bereich der hydrophoben Oberfläche ein Raster mit im wesentlichen gleichmässig verteilten Elektroden aufweist, mit denen jeweils ein elektrisches Feld erzeugbar ist und bei der gleichzeitig jeweils mindestens eine Elektrode von einer automatisierten Steuerungseinrichtung jeweils für einen bestimmeten Zeitraum mit einer elektrischen Spannung individuell so ansteuerbar ist, dass die Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche jeweils eine ganz bestimmte Bahn mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen.

Description

Hydrophobe Oberfläche mit einer Vielzahl von Elektroden
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Manipulieren kleinster Flüssigkeitstropfen mit einer nach oben offenen ultraphoben Oberfläche, die im Bereich der hydrophoben Oberfläche ein Raster mit im wesentlichen gleichmäßig verteilten Elektroden aufweist, mit denen jeweils ein elektrisches Feld erzeugbar ist und bei der gleichzeitig jeweils mindestens eine Elektrode von einer automatisierten Steuerungseinrichtung jeweils für einen bestimmten Zeitraum mit einer elektrischen Spannung individuell so ansteuerbar ist, daß die Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche jeweils eine ganz bestimmte Bahn mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen.
Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ablegen von Flüssigkeitstropfen, ein Verfahren zum Verschieben von Flüssigkeitstropfen, ein Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen und ein Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens.
Im Bereich der Biotechnologie kommt der chemischen Analyse und dem Manipulieren kleinster Flüssigkeitstropfen, die ein Volumen in der Größenordnung von 10"12 bis 10"6 Liter bzw. einen Durchmesser in der Größenordnung von ca. 0,01 bis 1 mm aufweisen, eine immer größere Bedeutung zu. Dabei müssen die Flüssigkeitstropfen beispielsweise entlang ganz bestimmter Bahnen verschoben werden, um unterschiedliche Orte der Analyse zu durchlaufen oder um mit anderen Flüssigkeitstropfen vereinigt zu werden. Dieses Verschieben kann beispielsweise durch elektrische Felder erfolgen, die durch mehrere Elektroden, die entlang der von dem Flüssigkeitstropfen zu durchlaufenden Bahn angeordnet sind, erzeugt werden. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der WO 99/54730 offenbart, die eine hydrophobe Fläche aufweist, auf der ein Flüssigkeitstropfen durch eine bestimmte Anordnung von Elektroden entlang einer gewissen Bahn geleitet werden. Diese Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß bei einer Änderung der Bahn jeweils eine neue Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden muß.
Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Manipulieren kleinster Flüssigkeitstropfen mit einer nach oben offenen ultraphoben Oberfläche, die im Bereich der ultraphoben Oberfläche ein Raster mit im wesentlichen gleichmäßig verteilten Elektroden aufweist, mit denen jeweils ein elektrisches Feld erzeugbar ist und bei der gleichzeitig jeweils mindestens eine Elektrode von einer automatisierten Steuerungseinrichtung jeweils für einen bestimmten Zeitraum mit einer elektrischen Spannung individuell so ansteuerbar ist, daß die Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche jeweils eine ganz bestimmte Bahn mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen.
Es war für den Fachmann überaus erstaunlich und nicht zu erwarten, daß es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt, einen Flüssigkeitstropfen entlang einer beliebigen Bahn mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit zu verschieben. Die Bahn kann nach jeder Anwendung oder während einer Anwendung durch die automatisierte Steuerungseinrichtung neu einprogrammiert werden, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung für nahezu jeden Anwendungsfall, bei dem kleinste Flüssigkeitstropfen manipuliert oder analysiert werden müssen, anwendbar sind. Falls der Flüssigkeitstropfen seine gewünschte Bahn verläßt, kann durch die Änderung der Programmierung eine Korrektur der Bahn erfolgen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und günstig herzustellen.
Manipulieren im Sinne der Erfindung bedeutet Verschieben eines Flüssigkeitstropfens, Halten eines Flüssigkeitstropfens an einem ganz bestimmten Ort, Mischen eines Flüssigkeitstropfens, Teilen eines Flüssigkeitstropfens und Vereinigen von mehreren Flüssigkeitstropfen. Ein Flüssigkeitstropfen im Sinne der Erfindung besteht aus einer beliebigen Flüssigkeit und weist bevorzugt ein Volumen von 10"12 bis 10"61, insbesondere bevorzugt von 10"9 bis 10"51, auf.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine nach oben offene, ultraphobe Oberfläche auf. Nach oben offen im Sinne der Erfindung bedeutet nicht, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht temporär abgedeckt sein kann, beispielsweise mit einem vorzugsweise ultraphoben Deckel. Eine ultraphobe Oberfläche im Sinne der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Kontaktwinkel eines Wassertropfens, der an der Oberfläche liegt, mehr als 150° beträgt und der Abrollwinkel 10° nicht überschreitet. Als Abrollwinkel wird der Neigungswinkel einer grundsätzlich planaren aber strukturierten Oberfläche gegen die Horizontale verstanden, bei dem ein stehender Wassertropfen mit einem Volumen von 10 μl aufgrund der Schwerkraft bei einer Neigung der Oberfläche bewegt wird. Solche ultraphoben Oberflächen sind zum Beispiel in der WO 98/23549, WO 96/04123, WO 96/21523, WO 00/39369, WO 00/39368, WO00/39239, WO 00/39051 , WO 00/38845 und WO 96/34697 offenbart, die hiermit als Referenz eingeführt werden und somit als Teil der Offenbarung gelten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die ultraphobe Oberfläche eine Oberflächentopographie auf, bei der die Ortsfrequenz der einzelnen Fourierkomponenten und deren Amplitude a (f) ausgedrückt durch das Integral S (log(f)) = a(f) . f errechnet zwischen den Integrationsgrenzen log (tyμm"1) = -3 und log (f^μm"1) = 3 mindestens 0,3 beträgt und die aus einem hydrophoben oder insbesondere oleophoben Material oder aus einem haltbar hydrophobierten oder insbesondere haltbar oliophobierten Material besteht. Eine solche ultraphobe Oberfläche ist in der internationalen Patentanmeldung WO 99/10322 beschrieben, die hiermit als Referenz eingeführt wird und somit als Teil der Offenbarung gilt.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Raster mit im wesentlichen gleichmäßig verteilten Elektroden auf, mit denen jeweils ein elektrisches Feld erzeugbar ist. Vorzugsweise weist das Raster mindestens 16x16=256, besonders bevorzugt mindestens 64x64=4096 und ganz besonders bevorzugt mindestens 256x256=65536 Elektroden auf. Die Elektroden sind jeweils individuell an eine elektrische Spannungsquelle mit vorzugsweise 10 bis 1000 V, besonders bevorzugt 100 bis 300 V, anschließbar, so daß mit jeder Elektrode unabhängig von den anderen Elektroden ein elektrisches Feld erzeugbar ist. Vorzugsweise sind die Elektroden in einem Abstand von. <100 μm, besonders bevorzugt <50 μm und ganz bevorzugt <10 μm, angeordnet. Ihre größte Dimension beträgt vorzugsweise <150 μm, besonders bevorzugt <70 μm und ganz besonders bevorzugt <20 μm.
Erfindungsgemäß wird die Spannungsquelle von einer automatisierten Steuerungseinheit, beispielsweise einem Computer, gesteuert und die einzelnen Elektroden somit individuell mit elektrischer Spannung beaufschlagt. Mit dem Computer wird festgelegt, welche Elektrode zu welchem Zeitpunkt und über welchen Zeitraum mit elektrischer Spannung beaufschlagt wird. Dadurch kann festgelegt werden, welche Bahn auf der hydrophoben Oberfläche ein Flüssigkeitstropfen mit welcher Geschwindigkeit durchläuft. Die Ansteuerung der Elektroden durch die automatisierte Steuerungseinheit kann zu jedem Zeitpunkt verändert werden, so daß eine Vorrichtung für jeden denkbaren Anwendungsfall eingerichtet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nicht nur eine sondern mehrere Elektroden, vorzugsweise mindestens zwei, besonders bevorzugt mindestens vier Elektroden, gleichzeitig angesteuert. Bei der Ansteuerung von zwei Elektroden liegen diese vorzugsweise nebeneinander und bei einer Ansteuerung von vier Elektroden sind diese vorzugsweise in einem Carre angeordnet.
Vorzugsweise sind die Elektroden in der Nähe der Oberfläche eines Trägers angeordnet. Dieser Träger wird vorzugsweise mit einer Folie mit einer ultraphoben Oberfläche beklebt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß nach jedem Experiment die Folie ausgetauscht werden kann, ohne daß der Träger und die Elektroden ersetzt werden müssen oder die Fläche gereinigt werden muß.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung einen entfernbaren Deckel auf, so daß Verluste der Flüssigkeitstropfen, die sich auf der ultraphoben Fläche befinden, vermindert werden. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zusätzlich ein Flüssigkeitsreseπtoir auf, das vorzugsweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die der Flüssigkeit der Flüssigkeitstropfen, die sich auf der ultraphoben Fläche befinden, möglichst ähnlich ist. Durch diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Verluste der Flüssigkeitstropfen durch Verdunstung nahezu vermieden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ablegen von Flüssigkeitstropfen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem : . mit mindestens einer Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt wird, .jeweils ein Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Fläche abgesetzt wird und _ der Flüssigkeitstropfen durch das elektrische Feld fixiert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, eine Vielzahl von kleinsten Flüssigkeitstropfen beispielsweise für eine automatisierte Analyse oder auch nur zur Lagerung auf einer Vorrichtung mit einer ultraphoben Oberfläche dauerhaft jedoch reversibel zu lagern. Die Flüssigkeitstropfen befinden sich an einem eindeutig definierten Punkt, so daß es beispielsweise für eine Analysenvorrichtung sehr einfach möglich ist, die Flüssigkeitstropfen anzusteuern und Proben zu entnehmen oder diesen berührungslos zu analysieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Tropfen durch eine Dosierpumpe auf die ultraphobe Oberfläche gespritzt und von dem elektrischen Feld, das durch mindestens eine Elektrode des Rasters erzeugt worden ist, angezogen.
Vorzugsweise werden mehrere Flüssigkeitstropfen an jeweils unterschiedlichen Orten auf der ultraphoben Oberfläche abgelegt.
Vorzugsweise werden die Flüssigkeitstropfen vor und/oder nach dem Ablegen gemischt, gereinigt, vereinigt und/oder getrennt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Verschieben von Flüssigkeitstropfen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem:
. mit der automatisierten Steuerungseinheit der Weg und die Geschwindigkeit eines Flüssigkeitstropfens auf der ultraphoben Oberfläche einprogrammiert wird, . mit mindestens einer Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt wird, . der Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Fläche abgesetzt und die Elektrode entlang des vorgegebenen Weges so angesteuert werden, daß der Flüssigkeitstropfen mit der vorgegebenen Geschwindigkeit verschoben und vorzugsweise in seiner gewünschten Endposition gehalten wird.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein Flüssigkeitstropfen entlang einer beliebigen Bahn mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit verschiebbar ist. Die Bahn kann nach jeder Anwendung oder während einer Anwendung durch die automatisierte Steuerungseinrichtung neu einprogrammiert werden, so daß das erfindungsgemäße Verfahren für nahezu jeden Anwendungsfall, bei dem kleinste Flüssigkeitstropfen manipuliert oder analysiert werden müssen, anwendbar sind. Falls der Flüssigkeitstropfen seine gewünschte Bahn verläßt, kann durch die Änderung der Programmierung eine Korrektur der Bahn erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und günstig durchzuführen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei dem die elektrische Spannung zwischen jeweils zwei Elektroden in der Umgebung des Flüssigkeitstropfens vorzugsweise periodisch verändert wird und dabei die unterschiedliche Änderung der Ströme sowie die Phasenverschiebung zwischen der periodischen Spannungsänderung und der Stromänderung gemessen wird. Bei den Elektroden, die sich in der unmittelbaren Nähe eines Flüssigkeitstropfens befinden, wird der Strom höher sein als bei den übrigen Elektroden, so daß es möglich ist, anhand dieser Messungen die genaue Position eines Flüssigkeitstropfens zu lokalisieren. Der Fachmann erkennt, daß je feiner das Elektrodenraster ausgebildet ist, eine um so genauere Lokalisierung der Flüssigkeitstropfen erfolgen kann.
Durch die genaue Bestimmung der Koordinaten eines Flüssigkeitstropfens können dorthin schnell und genau Analyseninstrumente positioniert werden bzw. falls Flüssigkeitstropfen vereint werden müssen, kann ein zweiter Tropfen genau zu der Position des ersten Tropfens bewegt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche, bei dem mit einer Lichtquelle Licht ausgestrahlt wird und anhand der reflektierten Anteile die Position des Flüssigkeitstropfens bestimmt wird. Bevorzugt handelt es sich bei den Lichtquellen um optische Lichtleiter vorzugsweise mit einem Durchmesser <1000 μm, besonders bevorzugt <100 μm, die in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind und die Tropfen auf der Oberfläche anstrahlen. Durch dieselben Lichtleiter werden auch die reflektierten Anteile bestimmt.
Durch die genaue Bestimmung der Position eines Flüssigkeitstropfens können dorthin schnell und genau Analyseninstrumente positioniert werden bzw. falls Flüssigkeitstropfen vereint werden müssen, kann ein zweiter Tropfen genau zu der Position des ersten Tropfens bewegt werden. Ein Flüssigkeitstropfen kann auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingedampft werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen, das eine Kombination der beiden o. g. Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen darstellt.
Vorzugsweise wird die Position des Flüssigkeitstropfens zusätzlich noch durch ein optisches Mikroskop bestimmt.
Durch die genaue Bestimmung der Position eines Flüssigkeitstropfens können dorthin schnell und genau Analyseninstrumente positioniert werden bzw. falls Flüssigkeitstropfen vereint werden müssen, kann ein zweiter Tropfen genau zu der Position des ersten Tropfens bewegt werden.
Ein zusätzlicher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die elektrische Spannung zwischen je zwei Elektroden im Bereich des Flüssigkeitstropfens vorzugsweise periodisch verändert wird und dabei die Änderung der Ströme gemessen wird. Die Größe der Änderung des Stromes zwischen den Paaren von je zwei Elektroden, sowie die Phasenverschiebung zwischen der periodischen Spannungsänderung und der Stromänderung ist ein Maß für die Größe des Tropfens, da die Ströme um so größer sind, je größer das Volumen des Flüssigkeitstropfens ist, das zwischen den Elektroden während der Messung liegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Größe eines Tropfens und damit dessen Volumen genau zu. bestimmen. Dies kann für die Auswertung einer Analyse oder für das Mischen mehrerer Tropfen in einem ganz bestimmten Verhältnis von großer Bedeutung sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens mit einer Lichtquelle, bei dem mindestens von einer Lichtquelle Licht ausgestrahlt wird und anhand der reflektierten Anteile die Größe des Flüssigkeitstropfens bestimmt wird. Dazu wird ein Flüssigkeitstropfen, dessen Position bekannt ist mit einer Lichtquelle, bevorzugt einem Lichtleiter angestrahlt. Aus der Intensität des reflektierten Lichtes, das bevorzugt durch den gleichen Lichtleiter bestimmt wird und durch Vergleichsmessungen mit Flüssigkeitstropfen eines bekannten Volumens, kann auf die Größe des Tropfens geschlossen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Größe eines Tropfens und damit dessen Volumen genau zu bestimmen. Dies kann für die Auswertung einer Analyse oder für das Mischen mehrerer Tropfen in einem ganz bestimmten Verhältnis von großer Bedeutung sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche, das eine Kombination der beiden o. g. Verfahren darstellt.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich die Größe des Tropfens durch ein optisches Mikroskop bestimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Größe eines Tropfens und damit dessen Volumen genau zu bestimmen. Dies kann für die Auswertung einer Analyse oder für das Mischen mehrerer Tropfen in einem ganz bestimmten Verhältnis von großer Bedeutung sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 erläutert. Diese Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in Draufsicht.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Elektrode in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 , die in dem vorliegenden Fall 36 Elektroden 5 und eine Gegenelektrode 5' aufweist. Die Elektroden sind in einem gleichmäßigen Raster angeordnet. Der Abstand der Elektroden beträgt 450μm, die Kantenlänge der quadratischen Elektroden beträgt 150μm. Jeweils vier Elektroden 5 werden in dem vorliegenden Beispiel von einem Computer gleichzeitig mit einer Spannung von 85 V angesteuert, so daß sich ein Flüssigkeitstropfen an den Spitzen von jeweils vier Elektroden anordnet. Die Elektroden werden von einer Folie 4 abgedeckt, die eine ultraphobe Oberfläche 3 aufweist. Die ultraphobe Oberfläche ist in dem vorliegenden Fall eine Oberfläche, auf der ein Tropfen einen Randwinkel von 174° und einen Abrollwinkel von 3° aufweist.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Elektrode. Die Elektrode besteht aus einer Elektrode 5 und einer Gegenelektrode 5'. Des weiteren sind im Bereich der Elektrode ein dielektrisches Material 6 und eine Schirmung 7 angeordnet. In der Mitte weist die Elektrode eine Anschlußmöglichkeit 8 auf, mit der sie mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden ist, die durch einen Computer (nicht dargestellt) gesteuert wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (1) zum Manipulieren kleinster Flüssigkeitstropfen (2) mit einer nach oben offenen ultraphoben Oberfläche (3), dadurch gekennzeichnet, daß sie im Bereich der ultraphoben Oberfläche (3) ein Raster (4) mit im wesentlichen gleichmäßig verteilten Elektroden (5) aufweist, mit denen jeweils ein elektrisches Feld erzeugbar ist und daß gleichzeitig jeweils mindestens eine Elektrode (5) von einer automatisierten Steuerungseinheit jeweils für einen bestimmten Zeitraum mit einer elektrischen Spannung individuell so ansteuerbar ist, daß die Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche (3) jeweils eine ganz bestimmte Bahn mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektroden gleichzeitig ansteuerbar sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum so lang bemessen ist, daß ein Tropfen im Bereich der angesteuerten Elektrode(n) für diesen Zeitraum gehalten wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2, vorzugsweise mindestens 4 Elektroden gleichzeitig angesteuert werden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in einem Anstand von < 100 μm angeordnet sind und daß ihre größte Dimension vorzugsweise < 150 μm ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ultraphobe Oberfläche eine Oberflächentopographie aufweist, bei der die Ortsfrequenz f der einzelnen Fourierkomponenten und deren Amplituden a(f) ausgedrückt durch das Integral S(log (f)) = a(f) .f errechnet zwischen den Integrationsgrenzen log (fi/μm"1) = -3 und log (fι/μrτϊ1) = 3, mindestens 0,3 beträgt und die aus ultraphoben Polymeren oder haltbar ultraphoben Materialien besteht.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ultraphobe Oberfläche eine vorzugsweise selbstklebende Folie ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Flüssigkeitsreservoir aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen entfernbaren Deckel aufweist.
10. Verfahren zum Ablegen von Flüssigkeitstropfen mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß:
mit mindestens einer Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt wird,
jeweils ein Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche abgesetzt wird und
der Flüssigkeitstropfen durch das elektrische Feld fixiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tropfen auf die ultraphobe Oberfläche gespritzt und von dem elektrischen Feld angezogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flüssigkeitstropfen an jeweils unterschiedlichen Orten auf der ultraphoben Oberfläche abgelegt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitstropfen gemischt, vereinigt, und/oder getrennt werden.
14. Verfahren zum Verschieben von Flüssigkeitstropfen mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß
mit der automatisierten Steuerungseinheit der Weg und die Geschwindigkeit eines Flüssigkeitstropfens (2) auf der ultraphoben Oberfläche (3) einprogrammiert wird, mit mindestens einer Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt wird, der Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche (3) abgesetzt und die Elektroden entlang des vorgegebenen Weges so angesteuert werden, daß der Flüssigkeitstropfen mit der vorgegebenen Geschwindigkeit verschoben und vorzugsweise in seiner gewünschten Endposition gehalten wird.
15. Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung zwischen jeweils zwei der Elektroden in der Umgebung eines Flüssigkeitstropfens vorzugsweise periodisch geändert und dabei die unterschiedliche Änderung der Ströme und vorzugsweise die Phasenverschiebung zwischen der periodischen Spannungs- und der Stromänderung gemessen wird.
16. Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einer Lichtquelle Licht ausgestrahlt wird und anhand der reflektierten Anteile die Position des Flüssigkeitstropfens bestimmt wird.
17. Verfahren zum Lokalisieren von Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahren gemäß Anspruch 13 und 14 kombiniert werden.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitstropfen zusätzlich durch ein optisches Mikroskop lokalisiert werden.
19. Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung zwischen jeweils zwei der Elektroden in der Umgebung eines Flüssigkeitstropfens vorzugsweise periodisch geändert und dabei die unterschiedliche Änderung der Ströme und vorzugsweise die Phasenverschiebung zwischen der periodischen Spannungs- und der Stromänderung gemessen wird, die ein Maß für die Größe des Tropfens ist.
20. Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens mit einer Lichtquelle, daß mit mindestens einer Lichtquelle Licht ausgestrahlt wird und anhand der reflektierten Anteile die Größe des Flüssigkeitstropfens bestimmt wird, wobei die genaue Position der Lichtquelle bekannt sein muß.
21. Verfahren zur Bestimmung der Größe eines Flüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahren gemäß Anspruch 17 und 18 kombiniert werden.
22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitstropfen zusätzlich durch ein optisches Mikroskop vermessen werden.
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