WO2001024934A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontrollierten bewegen und plazieren von flüssigkeitstropfen - Google Patents

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WO2001024934A1
WO2001024934A1 PCT/EP2000/009272 EP0009272W WO0124934A1 WO 2001024934 A1 WO2001024934 A1 WO 2001024934A1 EP 0009272 W EP0009272 W EP 0009272W WO 0124934 A1 WO0124934 A1 WO 0124934A1
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WO
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ultraphobic
coated
manipulator
electric field
tip
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PCT/EP2000/009272
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Reihs
Burkhard KÖHLER
Dieter RÜHLE
Original Assignee
Sunyx Surface Nanotechnologies Gmbh
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Publication date
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Priority to AU76589/00A priority patent/AU779566B2/en
Priority to EP00966067A priority patent/EP1222031B1/de
Priority to DE50003758T priority patent/DE50003758D1/de
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    • 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 method and a device for moving and dosing amounts of liquid on a microscopic scale with a
  • Liquid drop is moved along a conventional surface, because even on very smooth surfaces, part of the liquid drop adheres to the surface.
  • the object is achieved according to the invention by providing a method for microdosing liquid drops, in which the liquid drops are moved loss-free with an inhomogeneous electric field on a carrier with an ultraphobic surface.
  • the invention relates to a method for moving or dosing liquid drops on a microscopic scale, characterized in that the
  • An electrically charged tip or a wire is preferably used as the manipulator.
  • a voltage of 100 to 1000 volts, preferably 400 to 600 volts, is applied between the manipulator and the carrier to generate the electric field.
  • the tension can vary widely depending on the geometry of the arrangement.
  • the invention also relates to a device for microdosing liquid drops which have at least one carrier with an ultraphobic surface, optionally at least one liquid reservoir, an electrically chargeable manipulator and a means for generating an inhomogeneous electric field.
  • This manipulator can optionally also be an ultraphobic tip / wire or the like.
  • 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 liters, particularly preferably 10 "9 to 10 " 6 liters. According to the invention, such a drop is moved losslessly with a displaceable electric field on an ultraphobic surface.
  • a drop of liquid is preferably separated from a liquid reservoir by means of the electric field.
  • Several drops of liquid can be combined and mixed on an ultraphobic surface using the electric field. All of these process steps can also be carried out in any combination with one another.
  • the electric field is any between a tip, which preferably has a diameter of 0.01 to 1 mm Has length, has an ultraphobic surface, and a preferably metallic carrier. This tip is used to move liquid drops on the ultraphobic surface. Because the tip has an ultraphobic surface, no liquid components stick to the tip.
  • the liquid reservoir has the
  • Ultraphobic surfaces in the sense of the invention are 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 here is understood to be the angle of inclination of a fundamentally planar but structured surface against the horizontal, at which a standing water drop of volume 10 ⁇ l is moved due to gravity when the surface is inclined.
  • Such an ultraphobic surface is described in international patent application WO 99/10322.
  • a hydrophobic material in the sense of the invention is a material that has a contact angle, based on water, of greater than 90 ° on a flat, non-structured surface.
  • An oleophobic material in the sense of the invention is a material which, on a flat, non-structured surface, has a contact angle of greater than 90 °, based on long-chain n-alkanes, such as n-decane.
  • the ultraphobic surface is preferably an aluminum surface which is provided with microstructures, anodized, optionally sealed, calcined, optionally coated with an adhesion promoter layer and then provided with a hydrophobic and / or oleophobic coating, as is the case in the international market
  • Patent application WO 99/10323 is described.
  • the manipulator and / or the carrier can be made entirely of aluminum or preferably has an aluminum coating, the aluminum being treated as indicated above.
  • the ultraphobic surface is also preferably an aluminum surface, which is optionally anodized, sealed with hot water or steam, optionally coated with an adhesion promoter layer and then provided with a hydrophobic and / or oleophobic coating, as described in international patent application WO 99 / 10324.
  • the dosing tip can be made entirely of aluminum or preferably has an aluminum coating, the aluminum being treated as indicated above.
  • the ultraphobic surface is furthermore preferably a surface which is coated with Ni (OH) 2 particles, optionally coated with an adhesion promoter and is finally provided with a hydrophobic and / or oleophobic coating, as described in international patent application WO 99/10111.
  • the Ni (OH) particles preferably have a diameter ds 0 of 0.5 to 20 ⁇ m.
  • the ultraphobic surface is made of
  • Tungsten carbide which is structured with a laser, optionally coated with an adhesion promoter and then provided with a hydrophobic and / or oleophobic coating, as described in international patent application WO 99/10113.
  • the dosing tip is preferably only coated with tungsten carbide, which is then treated as indicated above.
  • the tungsten carbide preferably has a layer thickness of 10 to 500 ⁇ m.
  • the surface is preferably sandblasted with an abrasive, optionally coated with an adhesion promoter layer and then provided with a hydrophobic and / or oleophobic coating, as is the case in the international
  • Patent application WO 99/10112 is described.
  • Suitable as hydrophobic and / or oleophobic coating of the surfaces mentioned are all surface-active phobicization aids with any molecular weight. These compounds are cationic, anionic, amophotere and / or non-ionic surface-active compounds, e.g. in the directory “Surfactants Europa, A Dictionary of Surface Active Agents available in Europe, Edited by Gordon L. Hollis, Royal Socity of Chemistry, Cambridge, 1995.
  • anionic phobicization aids alkyl sulfates, ether sulfates, ether carboxylates, phosphate esters, sulfosucinates, sulfosuccinatamides, paraffin sulfonates, olefin sulfonates, sarcosinates, isothionates, taurates and Linginian compounds.
  • Quaternary alkylammonium compounds and imidazoles may be mentioned as cationic phobicization aids.
  • Amphoteric phobicization aids are, for example, betaines, glycinates, propionates and imidazoles.
  • nonionic phobicization aids are: alkoxylates, alkylamides, esters, amine oxides and alkylpolyglycosides. Also suitable are: reaction products of alkylene oxides with alkylatable compounds, such as. B. fatty alcohols, fatty amines, fatty acids, phenols, alkylphenols, arylalkylphenols, such as styrene-phenol condensates, carboxamides and resin acids.
  • Phobicizing aids are particularly preferred in which 1 to 100%, particularly preferably 60 to 95%, of the hydrogen atoms are substituted by fluorine atoms.
  • Examples include perfluorinated alkyl sulfate, perfluorinated alkyl sulfonates, perfluorinated alkyl phosphonates, perfluorinated alkyl phosphinates and perfluorinated carboxylic acids.
  • polymeric phobicization aids for hydrophobic coating or as polymeric hydrophobic material for the surface.
  • These polymeric phobicization aids can be nonionic, anionic, cationic or amphoteric compounds.
  • polymeric phobicization auxiliaries can be homopolymers and copolymers, graft and graft copolymers and statistical block polymers.
  • Particularly preferred polymeric auxiliaries are those of the AB-,
  • the A segment is a hydrophilic homopolymer or copolymer and the B block is a hydrophobic homopolymer or copolymer or a salt thereof.
  • Anionic, polymeric phobing aids are also particularly preferred, in particular condensation products of aromatic sulfonic acids with formaldehyde and alkylnaphthalene sulfonic acids or from formaldehyde, naphthalene sulfonic acids and / or benzenesulfonic acids, condensation products of optionally substituted phenol with formaldehyde and sodium bisulfite.
  • condensation products which can be obtained by reacting naphthols with alkanols, additions of alkylene oxide and at least partial conversion of the terminal hydroxyl groups into sulfo groups or half esters of maleic acid and phthalic acid or succinic acid.
  • the phobicization aid is from the group of the sulfosuccinic acid esters and alkylbenzenesulfonates.
  • Sulfated, alkoxylated fatty acids or their salts are also preferred.
  • Alkoxylated fatty acid alcohols are understood in particular to be those with 5 to 120, with 6 to 60, very particularly preferably with 7 to 30 ethylene oxide units, C 6 -C 22 fatty acid alcohols which are saturated or unsaturated, in particular stearyl alcohol.
  • the sulfated alkoxylated fatty acid alcohols are preferably present as a salt, in particular as an alkali or amine salt, preferably as a diethylamine salt.
  • Preferred areas of application for the method according to the invention and the device according to the invention are biochemical or chemical methods in which microscopic volumes of liquid have to be moved, mixed or metered. Examples include:
  • the polymerase chain reaction PCR polymerase chain reaction
  • ELISA enzyme linked immunosorbent assay
  • the method according to the invention is easier to carry out than the conventional one
  • Another object of the invention is the use of the device according to the invention for metering liquids on a microscopic scale, in particular in the range from 10 "6 to 10 " 12 liters.
  • 1 shows a plastic plate 2 for moving liquid drops 4, 5 with a plurality of electrodes 3
  • Fig. 2 shows an aluminum plate 7 with an electrically charged tip 10 as
  • FIG. 3 shows a round tip 12 with a ring electrode 13 for removing small volumes of liquid 15 from a supply 14
  • FIG. 4 shows an arrangement of three tips 16 to form an almost triangular gap M, which can be used instead of the ring electrode 13 in FIG. 3 for removing small amounts of liquid from a supply.
  • FIG. 1 shows a device 1 according to the invention for the residue-free movement of liquid drops (here aqueous solutions) on solid surfaces.
  • the device consists of a substrate 2 (here plexiglass), on the surface of which round, electrically conductive electrodes 3 (diameter 1 mm, spacing 5 mm) are inserted, which are flush with the surface of the substrate.
  • a substrate 2 here plexiglass
  • electrically conductive electrodes 3 diameter 1 mm, spacing 5 mm
  • Electrodes 3 can have different voltages applied to each other.
  • the surface of the substrate 2 is provided with an approximately 5 ⁇ m thick electrically insulating ultraphobic coating.
  • an approx. 5 ⁇ m thick layer of aluminum is evaporated onto the substrate.
  • the Al layer is anodized, treated with hot steam and provided with a hydrophobic coating.
  • the substrate is immersed in a 1% strength by weight solution of Fluowet PL80 from Clariant for 5 hours at pH 7, rinsed with water and dried at 60.degree.
  • the anodic oxidation of the aluminum surface was carried out in in sulfuric acid with continuous electrolyte movement under laminar flow conditions.
  • the electrolyte temperature of 20 ° C was controlled by a thermostat.
  • the distance between the substrate material and the counter electrode made of AlMg3 was half hard 5 cm.
  • the current density during the anodic oxidation was kept constant at 10 mA / cm 2 .
  • the oxidation was continued until an approximately 2-3 ⁇ m thick oxide layer was formed.
  • the sample was 5 min. in distilled water and then 1 min. rinsed in methanol. After drying (air, room temperature), the sample was treated in a beaker, which had previously been boiled several times with distilled water, in distilled water at 100 ° C. for 15 minutes. After this treatment, it was rinsed in methanol (1 min) at 80 ° C. in a drying cabinet 1
  • the Al layer has been completely transformed into an aluminum oxide layer by this treatment.
  • a drop 5 can be moved on the surface in the direction of a directly adjacent electrode by switching this electrode to a potential of 800 V with respect to the other electrodes. The drop then lies over the relevant electrode.
  • the movement of the drop 5 on the surface can be controlled as desired within the electrode grid.
  • the droplets 4, 5 are moved on the ultraphobic surface without leaving any residue, ie without any liquid residues adhering along the movement track.
  • a drop 4 (diameter approx. 1 mm) of a solution of 4- (6-diethylamino-3-diethylimino-3H-xanthe-9-yl) - 1, 3-benzodisulfonic acid (Kiton Red, concentration 1 x 10 "2 mol / 1 in water) is on the ultraphobic surface.
  • the drop 4 is displaced along a closed path over 8 electrodes (length of the path 40 mm). This process is repeated 10 times, so that the total path is 400 mm, then the drop is removed and a drop of pure water is also moved 10 times along the previously used closed path.
  • the example shown here can also be used in a corresponding manner for liquid drops which are surrounded on all sides by solid walls, e.g. in columns or tubes. These designs thus allow the loss-free conveyance of liquids solely by changing electrical fields, i.e. without mechanically moving parts.
  • FIG. 2 shows a device 6 according to the invention for the complete transfer of liquid drops (here aqueous solutions) with the aid of a movable tip 10.
  • the device has a support plate 7 made of aluminum with an ultraphobic
  • the tip also has an ultraphobic surface.
  • the ultraphobic coating is produced in accordance with Example 1.
  • a drop 8 of a solution of 4- (6-diethylamino-3-diethylimino-2H-xanthe-9-yl) - 1,3-benzodisulfonic acid (Kiton Red, concentration 1 x 10 "2 mol / 1 in water) is located itself on the ultraphobic surface.
  • the drop 8 can be picked up with the aid of the tip 10.
  • the tip is approached up to a distance of approximately 5 mm, a voltage of 800 V being present between the tip 10 and the substrate plate 7.
  • the radius of the tip is approximately 0.5 mm.
  • the drop hanging on the tip is transferred to a vessel with 65 ⁇ l water by switching off the voltage.
  • Another example shows the dosing and complete transfer of liquid drops using the device in FIG. 2.
  • Example 2 With the help of the tip 10, the drop 8 is picked up as in Example 2.
  • the drop hanging on the tip is inserted into a recess 11 of the device by switch the voltage filed.
  • the other drop 9 is picked up with the tip and combined with the drop 8 in the depression. Then both drops are taken up with the tip and transferred into a vessel with 65 ⁇ l of water according to Example 2.
  • the dye concentrations in the water were then determined spectrophotometrically.
  • the transfer was carried out 5 times in the same way, with no loss of the transferred volumes V 3 and V 4 within the relative dosing errors of 1.5%.
  • the arrangement consists of an electrode 12 with a round tip (diameter 1 mm) and an annular one
  • Electrode 13 (inner diameter 0.5 mm). Both electrodes are provided with an ultrahydrophobic coating, the production of which is described in Example 1.
  • the assembly is immersed in an aqueous solution of 4- (6-diethylamino-3-diethylimino-3H-xanthe-9-yl) -l, 3-benzodisulfonic acid (Kiton red, concentration 10 "2 mol / 1 in water) (as in 3)
  • a voltage of 900 V is applied between the ring 13 and the electrode 12
  • a drop of liquid 15 is removed from the supply 14 and remains adhering to the electrode 12.
  • the drop By tilting and depositing the electrical field to the side, the drop can drop in The volume of the drop 15 was determined by measuring the fluorescence intensity of the dye in a known volume of water
  • Fig. 4 Arrangement as used in Fig. 4.
  • three round electrodes 16 (diameter 1 mm) are provided with an ultrahydrophobic coating, the manufacture of which Position in example 1 is described.
  • the electrodes 16 are arranged as described in FIG. 4 to form an almost triangular spade M, which has the same function as the ring electrode 13 in FIG. 3.
  • a drop of liquid is removed from a supply. If the dosage is repeated 30 times, a volume of (50.0 ⁇ 0.3) ⁇ 10 "12 liters is obtained.
  • structures round, square or arbitrarily shaped gaps in cross section or in plan view
  • structures are particularly suitable for this purpose, which can be generated by known microscructure techniques (e.g. light, X-ray or electron lithographic techniques), since small volumes to be metered require correspondingly small structures.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die zum Bewegen und Dosieren von Flüssigkeitsmengen im mikroskopischen Maßstab mit einem Volumen von insbesondere 10?-12 bis 10-6¿ Liter geeignet ist, mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Feldes unter Nutzung eines Trägers mit einer ultraphoben Oberfläche.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM KONTROLLIERTEN BEWEGEN UND PLAZIEREN VON FLÜSSIGKEITROPFEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewe- gen und Dosieren von Flüssigkeitsmengen im mikroskopischen Maßstab mit einem
Volumen von insbesondere 10" bis 10" Liter mit einem elektrischen Feld unter Nutzung eines Trägers mit einer ultraphoben Oberfläche gegebenenfalls in Verbindung mit einer ultraphoben Dosierspitze.
Das Manipulieren und insbesondere das Dosieren von kleinsten Flüssigkeitstropfen, die ein Volumen in der Größenordnung von 10"12 - 10"6 Liter bzw. einen Durchmesser in der Größenordnung von ca. 0,01 - 1 mm aufweisen, ist auch heute noch ein Problem, weil bei diesem auch als Mikrodosieren bezeichneten Vorgang selbst kleinste Flüssigkeitsverluste bereits zu erheblichen Abweichungen von der ge- wünschten Dosiermenge führen. Solche Flüssigkeitsverluste entstehen z.B., wenn der
Flüssigkeitstropfen entlang einer konventionellen Oberfläche verschoben wird, weil selbst bei sehr glatten Flächen ein Teil des Flüssigkeitstropfen an der Oberfläche haftet.
Es stellt sich deshalb die Aufgabe ein Verfahren zum Bewegen und Dosieren von
Flüssigkeitstropfen mit einem Volumen von insbesondere kleiner als 10"6 Liter ohne nennenswerten Flüssigkeitsverlust zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung eines Verfahrens zum Mikrodosieren von Flüssigkeitstropfen gelöst, bei dem die Flüssigkeitstropfen mit einem inhomogenen elektrischen Feld auf einem Träger mit einer ultraphoben Oberfläche verlustfrei bewegt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bewegen oder Dosieren von Flüssigkeitstropfen im mikroskopischen Maßstab, dadurch gekennzeichnet, dass die
Flüssigkeitstropfen auf einem Träger mir einer ultraphoben Oberfläche mit einem inhomogenen elektrischen Feld, bevorzugt mit einem inhomogenen Feld zwischen dem Träger und einem Manipulator, bewegt werden.
Vorzugsweise wird als Manipulator eine elektrisch geladene Spitze oder ein Draht, insbesondere eine Spitze oder ein Draht mit einer ultraphoben Oberfläche verwendet.
In einer bevorzugten Ausführung wird zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen dem Manipulator und dem Träger eine Spannung von 100 bis 1000 Volt, vorzugsweise von 400 bis 600 Volt angelegt. Die Spannung kann stark variieren je nach Geometrie der Anordnung.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Mikrodosieren von Flüssigkeitstropfen die wenigstens einen Träger mit einer ultraphoben Oberfläche, gegebenenfalls mindestens ein Flüssigkeitsreservoir, einen elektrisch aufladbaren Manipulator und ein Mittel zur Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes aufweisen. Dieser Manipulator kann gegebenenfalls auch eine ultraphobe Spitze/Draht oder dergleichen sein.
Ein Flüssigkeitstropfen im Sinne der Erfindung besteht aus einer beliebigen Flüssig- keit und weist bevorzugt ein Volumen von 10"12 bis 10"6 Liter, insbesondere bevorzugt von 10"9bis 10"6 Liter auf. Ein solcher Tropfen wird erfindungsgemäß mit einem verschiebbaren elektrischen Feld auf einer ultraphoben Oberfläche verlustfrei bewegt.
Weiterhin bevorzugt wird ein Flüssigkeitstropfen mittels des elektrischen Feldes aus einem Flüssigkeitsreservoir abgeteilt. Mehrere Flüssigkeitstropfen können mittels des elektrischen Feldes auf einer ultraphoben Oberfläche miteinander vereinigt und dabei vermischt werden. All diese Verfahrensschritte können auch in einer beliebigen Kombination miteinander durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das elektrische Feld zwischen einer Spitze, die vorzugsweise einen Durchmesser von 0,01 bis 1 mm hat, eine beliebige Länge aufweist, eine ultraphobe Oberfläche aufweist, und einem vorzugsweise metallischen Träger. Mit dieser Spitze werden Flüssigkeitstropfen auf der ultraphoben Oberfläche verschoben. Dadurch, dass die Spitze eine ultraphobe Oberfläche aufweist, bleiben keine Flüssigkeitsanteile an der Spitze haften.
Da die Flüssigkeitstropfen sowohl an der Spitze als auch auf der ultraphoben Oberfläche nahezu die Form einer Kugel annehmen, können deren Volumina sehr einfach aus dem, z.B. unter einem Mikroskop ermittelten Durchmesser berechnet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Flüssigkeitsreservoir der
Vorrichtung eine Anordnung zur elektrostatischen Aufladung auf.
Ultraphobe Oberflächen im Sinne der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass der Kontaktwinkel eines Wassertropfens, der auf der Oberfläche liegt, mehr als 150° beträgt und der Abrollwinkel 10° nicht überschreitet.
Als Abrollwinkel wird hier der Neigungswinkel einer grundsätzlich planaren aber strukturierten Oberfläche gegen die Horizontale verstanden, bei dem ein stehender Wassertropfen des Volumens lOμl aufgrund der Schwerkraft bewegt wird, wenn die Oberfläche geneigt wird.
Solche ultraphoben Oberflächen sind z.B. in den Offenlegungsschriften WO 98/23549, WO 96/04123, WO 96/21523 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 Ober- flächentopographie auf, bei der die Ortsfrequenz f der einzelnen Fourierkomponen- ten und deren Amplituden a(f) ausgedrückt durch das Integral der Funktion S(log f) = a(f) • f errechnet zwischen den Integrationsgrenzen log (fi/μm"1) = -3 und log (fi/μm"1) = 3, mindestens 0.5 beträgt und besteht aus einem hydrophoben oder insbesondere oleophoben Material oder aus einem haltbar hydrophobierten oder insbe- sondere haltbar oleophobierten Material. Eine solche ultraphobe Oberfläche ist in der internationalen Patentanmeldung WO 99/10322 beschrieben.
Ein hydrophobes Material im Sinne der Erfindung ist ein Material, das auf einer ebenen, nicht strukturierten Oberfläche einen Randwinkel, bezogen auf Wasser, von größer als 90° zeigt.
Ein oleophobes Material im Sinne der Erfindung ist ein Material, das auf einer ebenen, nicht strukturierten Oberfläche einen Randwinkel, bezogen auf langkettige n-Alkane, wie n-Decan, von größer als 90° zeigt.
Bevorzugt ist die ultraphobe Oberfläche eine Aluminium-Oberfläche, die mit Mikro- strukturen versehen, eloxiert, gegebenenfalls gesealt, kalziniert, gegebenenfalls mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet und anschließend mit einem hydrophoben und/oder oleophoben Überzug versehen wird, so wie es in der internationalen
Patentanmeldung WO 99/10323 beschrieben ist.
Die Manipulator und/oder der Träger kann insgesamt aus Aluminium gefertigt sein oder weist vorzugsweise einen Aluminium-Überzug auf, wobei das Aluminium, wie oben angegeben behandelt wird.
Ebenfalls bevorzugt ist die ultraphobe Oberfläche eine Aluminium-Oberfläche, die gegebenenfalls anodisch oxidiert, mit heißem Wasser oder Wasserdampf gesealt, gegebenenfalls mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet und anschließend mit einem hydrophoben und/oder oleophoben Überzug versehen wird, so wie es in der internationalen Patentanmeldung WO 99/10324 beschrieben ist. Die Dosierspitze kann insgesamt aus Aluminium gefertigt sein oder weist vorzugsweise einen Aluminium-Überzug auf, wobei das Aluminium, wie oben angegeben behandelt wird.
Weiterhin bevorzugt ist die ultraphobe Oberfläche eine Oberfläche, die mit Ni(OH)2 -Partikeln beschichtet, gegebenenfalls mit einem Haftvermittler überzogen und an- schließend mit einem hydrophoben und/oder oleophoben Überzug versehen wird, so wie es in der internationalen Patentanmeldung WO 99/10111 beschrieben ist. Vorzugsweise haben die Ni(OH) -Partikel einen Durchmesser ds0 von 0,5 bis 20 μm.
In einer weiteren vorteilhaften Anwendungsform ist die ultraphobe Oberfläche aus
Wolframcarbid, das mit einem Laser strukturiert, gegebenenfalls mit einem Haftvermittler beschichtet und anschließend mit einem hydrophoben und/oder oleophoben Überzug versehen wird, so wie es in der internationalen Patentanmeldung WO 99/10113 beschrieben ist. Vorzugsweise wird die Dosierspitze nur mit Wolframcarbid beschichtet, das dann wie oben angegeben behandelt wird. Vorzugsweise hat das Wolframcarbid eine Schichtdicke von 10 bis 500 μm.
Außerdem bevorzugt wird die Oberfläche mit einem Strahlmittel gesandstrahlt, gegebenenfalls mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet und anschließend mit einem hydrophoben und/oder oleophoben Überzug versehen, wie es in der internationalen
Patentanmeldung WO 99/10112 beschrieben ist.
Als hydrophober und/oder oleophober Überzug der genannten Oberflächen eignen sich alle grenzflächenaktiven Phobierungshilfsmittel mit beliebigen Molmassen. Bei diesen Verbindungen handelt es sich um kationische, anionische, amophotere und/oder nicht-ionische grenzflächenaktive Verbindungen, wie sie z.B. im Verzeichnis „Surfactants Europa, A Dictionary of Surface Active Agents available in Europe, Edited by Gordon L. Hollis, Royal Socity of Chemistry, Cambridge, 1995 aufgeführt werden.
Als anionische Phobierungshilfsmittel sind beispielsweise zu nennen: Alkylsulfate, Ethersulfate, Ethercarboxylate, Phosphatester, Sulfosucinate, Sulfosuccinatamide, Paraffinsulfonate, Olefϊnsulfonate, Sarcosinate, Isothionate, Taurate und Lingni- nische Verbindungen.
Als kationische Phobierungshilfsmittel sind beispielsweise quarternäre Alkylammo- niumverbindungen und Imidazole zu nennen. Amphotere Phobierungshilfsmittel sind zum Beispiel Betaine, Glycinate, Propionate und Imidazole.
Nichtionische Phobierungshilfsmittel sind beispielsweise: Alkoxylate, Alkylamide, Ester, Aminoxide und Alkylpolyglykoside. Weiterhin kommen in Frage: Umsetzungsprodukte von Alkylenoxiden mit alkyli erbaren Verbindungen, wie z. B. Fettalkoholen, Fettaminen, Fettsäuren, Phenolen, Alkylphenolen, Arylalkylphenolen, wie Styrol-Phenol-Kondensate, Carbonsäureamiden und Harzsäuren.
Besonders bevorzugt sind Phobierungshilfsmittel bei denen 1 bis 100 %, besonders bevorzugt 60 bis 95 % der Wasserstoffatome durch Fluoratome substituiert sind. Beispielhaft seien perfluoriertes Alkylsulfat, perfluorierte Alkylsulfonate, perfluorierte Alkylphosphonate, perfluorierte Alkylphosphinate und perfluorierte Carbonsäuren genannt.
Bevorzugt werden als polymere Phobierungshilfsmittel zur hydrophoben Beschichtung oder als polymeres hydrophobes Material für die Oberfläche Verbindungen mit einer Molmasse Mw>500 bis 1.000.000, bevorzugt 1.000 bis 500.000 und besonders bevorzugt 1500 bis 20.000 eingesetzt. Diese polymeren Phobierungshilfsmittel können nichtionische, anionische, kationische oder amphotere Verbindungen sein. Ferner können diese polymeren Phobierungshilfsmittel Homo- und Copoiymerisate, Pfropf- und Pfropfcopolymerisate sowie statistische Blockpolymere sein.
Besonders bevorzugte polymere Phobierungshilfsmittel sind solche vom Typ AB-,
BAB- und ABC-Blockpolymere. In den AB- oder BAB-Blockpolymeren ist das A- Segment ein hydrophiles Homopolymer oder Copolymer, und der B-Block ein hydrophobes Homopolymer oder Copolymer oder ein Salz davon.
Besonders bevorzugt sind auch anionische, polymere Phobierungshilfsmittel, insbesondere Kondensationsprodukte von aromatischen Sulfonsäuren mit Formaldehyd und Alkylnaphthalmsulfonsäuren oder aus Formaldehyd, Naphthalmsulfonsäuren und/oder Benzolsulfonsäuren, Kondensationsprodukte aus gegebenenfalls substituiertem Phenol mit Formaldehyd und Natriumbisulfit.
Weiterhin bevorzugt sind Kondensationsprodukte, die durch Umsetzung von Naphtholen mit Alkanolen, Anlagerungen von Alkylenoxid und mindestens teilweiser Überführung der terminalen Hydroxygruppen in Sulfogruppen oder Halbester der Maleinsäure und Phthalsäure oder Bernsteinsäure erhältlich sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführung ist das Phobierungshilfsmittel aus der Gruppe der Sulfobernsteinsäureester sowie Alkylbenzolsulfonate. Weiterhin bevorzugt sind sulfatierte, alkoxylierte Fettsäuren oder deren Salze. Als alkoxylierte Fettsäurealkohole werden insbesondere solche mit 5 bis 120, mit 6 bis 60, ganz besonders bevorzugt mit 7 bis 30 Ethylenoxideinheiten versehene C6-C22-Fettsäurealko- hole, die gesättigt oder ungesättigt sind, insbesondere Stearylalkohol, verstanden. Die sulfatierten alkoxylierten Fettsäurealkohole liegen vorzugsweise als Salz, insbesondere als Alkali- oder Aminsalze, vorzugsweise als Diethylaminsalz vor.
Bevorzugte Anwendungsgebiete für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin- dungsgemäße Vorrichtung sind biochemische oder chemische Verfahren, bei denen mikroskopische Flüssigkeitsvolumina bewegt, vermischt oder dosiert werden müssen. Als Beispiele seien hier erwähnt:
Die Polymerasekettenreaktion PCR (polymerase chain reaction), ELISA (enzyme linked immunosorbent assay) oder die Bestimmung von Enzymaktivitäten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacher durchzuführen als die konventionelle
Mikrodosierung mit Hilfe von Drücken. Durch die minimale Adhäsion der Flüssigkeitstropfen an den ultraphoben Oberflächen ist die Manupulation von kleinsten Flüssigkeitsmengen ohne Verluste möglich. Dadurch können Dosierfehler vermieden werden. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dosierung von Flüssigkeiten im mikroskopischen Maßstab, insbesondere im Bereich von 10"6 bis 10"12 Liter.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Figuren 1 bis 4 beispielhaft näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Kunststoffplatte 2 zum Verschieben von Flüssigkeitstropfen 4,5 mit einer Vielzahl von Elektroden 3
Fig. 2 zeigt eine Aluminiumplatte 7 mit einer elektrisch geladenen Spitze 10 als
Manipulator
Fig. 3 zeigt eine runde Spitze 12 mit Ringelektrode 13 zur Entnahme kleiner Flüssigkeitsvolumina 15 aus einem Vorrat 14
(Querschnittszeichnung) .
Fig. 4 zeigt eine Anordnung von drei Spitzen 16 zur Bildung eines nahezu dreieck- f rmigen Spaltes M, der anstelle der Ringelektrode 13 in Fig. 3 zur Entnahme kleiner Flüssigkeitsmengen aus einem Vorrat verwendet werden kann.
Beispiele
Beispiel 1
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum rückstandsfreien Bewegen von Flüssigkeitstropfen (hier wässrige Lösungen) auf festen Oberflächen.
Die Vorrichtung besteht aus einem Substrat 2 (hier Plexiglas), an dessen Oberfläche runde elektrisch leitfähige Elektroden 3 (Durchmesser 1 mm, Abstand 5 mm) einge- bracht sind, die mit der Oberfläche des Substrates bündig sind. An die einzelnen
Elektroden 3 können verschiedene Spannungen gegeneinander angelegt werden.
Die Oberfläche des Substrates 2 wird mit einem ca. 5 μm dicken elektrisch isolierenden ultraphoben Überzug versehen. Dazu wird auf das Substrat eine ca. 5 μm dicke Schicht aus Aluminium aufgedampft. Die AI-Schicht wird anodisch oxidiert, mit heißem Wasserdampf behandelt und mit einem hydrophoben Überzug versehen. Zur Herstellung des hydrophoben Überzugs wird das Substrat 5 Stunden bei pH 7 in eine 1 gew.-%ige Lösung aus Fluowet PL80 der Firma Clariant getaucht, mit Wasser gespült und bei 60°C getrocknet.
Herstellung des ultrahydrophoben Überzugs:
a. Metallisierung:
Auf das Substrat wird eine ca. 5μm dicke Aluminiumschicht thermisch aufgedampft. Die Oberfläche wurde anschließend in destilliertem Chlorform (CHC13) 3 min. entfettet.
b. Anodische Oxidation:
Die anodische Oxidation der Aluminiumoberfläche wurde in In Schwefelsäure unter kontinuierlicher Elektrolytbewegung bei laminaren Strömungsbedingungen durchgeführt. Die Elektrolyttemperatur von 20°C wurde durch einen Thermostat geregelt. Der Abstand des Substratmaterials zur Gegenelektrode aus AlMg3, halbhart betrug 5 cm. Die Stromdichte während der anodischen Oxidation wurde konstant auf 10 mA/cm2 geregelt. Die Oxidation wurde solange fortgeführt bis eine etwa 2-3 μm dicke Oxidschicht entstanden war.
c. Wasserbehandlung:
Nach der anodischen Oxidation wurde die Probe 5 min. in destilliertem Wasser und anschließend 1 min. in Methanol gespült. Nach dem Trocknen (Luft, Raumtemperatur) wurde die Probe in einem Becherglas, das zuvor mehrfach mit destilliertem Wasser gekocht wurde, in destilliertem Wasser bei 100°C 15min behandelt. Nach dieser Behandlung, wurde in Methanol gespült (1 min) bei 80°C im Trockenschrank 1
Stunde getrocknet.
Die AI-Schicht ist durch diese Behandlung vollständig in eine Aluminiumoxidschicht umgewandelt worden.
Handhabung der Vorrichtung:
Zunächst liegen alle Elektroden 3 auf dem gleichen elektrischen Potential. Ein Tropfen 5 kann auf der Oberfläche in die Richtung einer direkt benachbarten Elek- trode bewegt werden, indem diese Elektrode auf ein Potential von 800 V gegenüber den übrigen Elektroden geschaltet wird. Anschließend liegt der Tropfen über der betreffenden Elektrode.
Durch mehrfaches ausgeführtes Schalten der Elektroden 3 lässt sich die Bewegung des Tropfens 5 auf der Oberfläche beliebig innerhalb des Elektrodenrasters steuern.
Auf diese Weise können auch verschiedene Tropfen 4, 5 an dieselbe Stelle verschoben und miteinander vereinigt werden.
Die Bewegung der Tropfen 4, 5 erfolgt auf der ultraphoben Oberfläche rückstands- frei, d.h. ohne Anhaften von Flüssigkeitsresten entlang der Bewegungsspur. Dies erkennt man wie folgt: Ein Tropfen 4 (Durchmesser ca. 1 mm) einer Lösung von 4-(6-Diethylamino-3-diethylimino-3H-xanthe-9-yl)- 1 ,3-benzodisulfonsäure (Kiton Rot, Konzentration 1 x 10"2 mol/1 in Wasser) befindet sich auf der ultraphoben Oberfläche. Der Tropfen 4 wird entlang eines geschlossenen Weges über 8 Elektroden (Länge des Weges 40 mm) verschoben. Dieser Vorgang wird 10 mal wiederholt, so dass der Gesamtweg 400 mm beträgt. Anschließend wird der Tropfen entfernt und ein Tropfen reines Wasser entlang des vorher verwendeten geschlossenen Weges ebenfalls 10 mal verschoben.
Dieser Wassertropfen wird spektralphotometrisch untersucht. Bis zu der Nachweisgrenze von 10"10 mol/1 (bezogen auf das Tropfenvolumen) kann kein Farbstoff nachgewiesen werden. Die Verluste durch das Verschieben des Tropfens betragen somit weniger als 10 ppb.
Das hier gezeigte Beispiel kann in entsprechender Weise auch für Flüssigkeitstropfen verwendet werden, die von allen Seiten mit festen Wänden umgeben sind, z.B. in Spalten oder Röhren. Diese Ausführungen erlauben somit die verlustfreie Förderung von Flüssigkeiten allein durch die Änderung von elektrischen Feldern, d.h. ohne mechanisch bewegte Teile.
Beispiel 2
Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 6 zum vollständigen Übertragen von Flüssigkeitstropfen (hier wässrige Lösungen) mit Hilfe einer beweglichen Spitze 10.
Die Vorrichtung weist eine Trägeφlatte 7 aus Aluminium mit einem ultraphoben
Überzug und einer Spitze 10 auf. Die Spitze weist ebenfalls eine ultraphobe Oberfläche auf. Die Herstellung des ultraphoben Überzugs erfolgt gemäß Beispiel 1.
Handhabung der Vorrichtung:
Ein Tropfen 8 einer Lösung von 4-(6-Diethylamino-3-diethylimino-2H-xanthe-9-yl)- 1,3-benzodisulfonsäure (Kiton Rot, Konzentration 1 x 10"2 mol/1 in Wasser) befindet sich auf der ultraphoben Oberfläche. Das Volumen beträgt V = (3.00 + 0,05) x 10"9 Liter. Die Volumenbestimmung wurde anhand des Durchmessers des kugelförmigen Tropfens mit einem Messmikroskop durchgeführt.
Mit Hilfe der Spitze 10 kann der Tropfen 8 aufgenommen werden. Dazu nähert man die Spitze bis zu einem Abstand von ca. 5 mm, wobei zwischen Spitze 10 und der Substratplatte 7 eine Spannung von 800 V anliegt. Der Radius der Spitze beträgt ca. 0.5 mm. Der an der Spitze hängende Tropfen wird in eine Gefäß mit 65 μl Wasser durch Abschalten der Spannung übertragen.
Die Farbstoffkonzentration im Wasser wurde anschließend spektralphotometrisch zu 4.54 x 10" mol 1 bestimmt. Dies entspricht einem durch die Spitze übertragenen Volumen von V= 2.95 nl. Die Übertragung wurde 5 mal in gleicher Weise durchgeführt, wobei sich innerhalb des relativen Dosierfehlers von 1.5 % kein Verlust des übertragenen Volumens ergibt.
Beispiel 3
Ein weiteres Beispiel zeigt das Dosieren und vollständige Übertragen von Flüssig- keitstropfen mit Hilfe der Vorrichtung in Figur 2.
Ein Tropfen 8 einer Lösung von 4-(6-Diethylamino-3-diethylimino-3H-xanthe-9-yl)- 1,3-benzodisulfonsäure (Kiton Rot, Konzentration 1 x 10"2 mol/1 in Wasser) befindet sich auf der ultraphoben Oberfläche. Das Volumen beträgt V3=(3.00±0.05) x 10"9 Liter.
Ein weiterer Tropfen 9 einer Lösung von l, -Diethyl-4,4'-dicarbocyanin-iodid (Konzentration 1 x 10" mol/1 in Wasser) befindet sich auf der ultraphoben Oberfläche. Das Volumen beträgt V4=(3.00±0.05) x 10"9 Liter.
Mit Hilfe der Spitze 10 wird der Tropfen 8 wie im Beispiel 2 aufgenommen. Der an der Spitze hängende Tropfen wird in eine Vertiefung 11 der Vorrichtung durch Ab- schalten der Spannung abgelegt. Der andere Tropfen 9 wird mit der Spitze aufgenommen und mit dem Tropfen 8 in der Vertiefung vereint. Anschließend werden beide Tropfen mit der Spitze aufgenommen und in ein Gefäß mit 65 μl Wasser gemäß Beispiel 2 übertragen.
Die Farbstoffkonzentrationen im Wasser wurden anschließend spektralphotometrisch bestimmt. Die Übertragung wurde 5 mal in gleicher Weise durchgeführt, wobei sich innerhalb der relativen Dosierfehler von 1.5 % kein Verlust der übertragenen Volumina V3 und V4 ergibt.
Beispiel 4
Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur kontrollierten Entnahme kleiner bekannter Flüssigkeitsvolumina aus einem Vorrat (Querschnittszeichnung). Die Anordnung besteht aus einer Elektrode 12 mit runder Spitze (Durchmesser 1mm) und einer ringförmigen
Elektrode 13 (Innendurchmesser 0.5 mm). Beide Elektroden sind mit einem ultrahydrophoben Überzug versehen, dessen Herstellung in Beispiel 1 beschrieben ist. Die Anordnung wird in eine wässrige Lösung von 4-(6-Diethylamino-3-diethylimino-3H- xanthe-9-yl)-l,3-benzodisulfonsäure (Kitonrot, Konzentration 10"2 mol/1 in Wasser) getaucht (wie in Fig. 3 gezeigt). Bei Anlegen einer Spannung von 900 V zwischen dem Ring 13 und der Elektrode 12 wird ein Flüssigkeitstropfen 15 aus dem Vorrat 14 entnommen und bleibt an der Elektrode 12 haften. Durch seitliches Kippen und Ablegen des elektrischen Feldes kann der Tropfen in ein anderes Gefäß übertragen werden. Durch Messung der Fluoreszenzintensität des Farbstoffs in einem bekannten Volumen Wasser wurde das Volumen des Tropfens 15 bestimmt. Man erhält nach
30maliger Wiederholung der Entnahme ein Volumen von (65.0 ± 0.2) l0"9 Liter.
Beispiel 5
Anstelle der ringförmigen Elektrode 13 der Vorrichtung in Fig. 3 kann auch eine
Anordnung wie in Fig. 4 verwendet werden. Hier werden drei runde Elektroden 16 (Durchmesser 1 mm) mit einem ultrahydrophoben Überzug versehen, dessen Her- Stellung in Beispiel 1 beschrieben ist. Die Elektroden 16 werden wie in Fig. 4 beschrieben zur Bildung eines nahezu dreieck-förmigen Spates M angeordnet, der die gleiche Funktion der Ringelektrode 13 in Fig 3. hat. Mit dieser Anordnung wird wie in Beispiel 15 ein Flüssigkeitstropfen aus einem Vorrat entnommen. Man erhält bei 30-maliger Wiederholung der Dosierung ein Volumen von (50.0 ± 0.3)χ 10"12 Liter.
In ähnlicher Weise können andere Strukturen (im Querschnitt bzw. in Draufsicht runde, quadratische oder beliebig geformte Spalte) anstelle des Ringes 13 in Fig. 3 zur Dosierung verwendet werden. Besonders eignen sich hierzu Strukturen, die durch bekannte Mikroslruktur-Techniken (z.B. Licht-, Röntgen- oder Elektronen-lithographische Techniken) erzeugt werden können, da kleine zu dosierende Volumina entsprechend kleine Strukturen benötigen.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Bewegen oder Dosieren von Flüssigkeitstropfen im mikroskopischen Maßstab, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitstropfen (8, 9) auf einem Träger (7) mit einer ultraphoben Oberfläche mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Feldes, bevorzugt mit einem inhomogenen elektrischen Feld zwischen dem Träger (7) und einem Manipulator (10), bewegt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Manipulator
(10) eine elektrisch geladene Spitze oder ein Draht, insbesondere mit einer ultraphoben Oberfläche verwendet wird.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen Manipulator (10) und
Träger (7) eine Spannung von 100 bis 1000 Volt, vorzugsweise von 400 bis 600 Volt angelegt wird.
4. Vorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeitstropfen, aufweisend wenigstens einen Träger (7) mit ultraphober Oberfläche, gegebenenfalls mindestens ein
Flüssigkeitsreservoir, einen elektrisch aufladbaren Manipulator (10) und ein Mittel zur Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipu- lator (10) eine Spitze mit einer ultraphoben Oberfläche aufweist, insbesondere mit einem Durchmesser von 0,01 bis 1 mm.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 der Funktion S(log f) = a(f) • f errechnet zwischen den Intrgrationsgrenzen log (fi/μm"1) = -3 und log (fi/μm"1) = 3, - lo -
mindestens 0.5 beträgt und die aus ultraphoben Polymeren oder haltbar ultraphoben Materialien besteht.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraphobe Oberfläche eine strukturierte und mit einem ultraphoben
Material überzogene Aluminium Oberfläche ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraphobe Oberfläche eine mit Wasserdampf behandelte und mit einem ultraphoben Material überzogene Aluminium Oberfläche ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraphobe Oberfläche eine mit Ni(OH)2-Partikein beschichtete und mit einem ultraphoben Material überzogene Oberfläche ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraphobe Oberfläche eine gesandstrahlte und mit einem ultraphoben Material überzogene Oberfläche ist.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraphobe Oberfläche eine laserstrukturierte und mit einem ultraphoben Material überzogene Wolframcarbid Oberfläche ist.
12. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11 zur Dosierung von Flüssigkeiten im mikroskopischen Maßstab, insbesondere im
Bereich von 10"6 bis 10"12 Liter, bevorzugt von 10"9 bis 10"6 Liter.
13. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11 zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Prozessen, bevorzugt bei PCR, ELISA und/oder zur Bestimmung von Enzymaktivitäten.
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