DE60119513T2 - Vorrichtung und verfahren zum einspritzen von flüssigkeiten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum einspritzen von flüssigkeiten Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Fluidverarbeitung und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum steuerbaren Injizieren von Fluidpaketen auf eine Oberfläche. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum programmierbaren Injizieren von Fluidpaketen auf eine Oberfläche unter Anwendung dielektrophoretischer Kräfte.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Chemische Protokolle beinhalten oft eine Anzahl von Verarbeitungsschritten, die Dosieren, Mischen, Transportieren, Teilen und weitere Manipulationen von Fluiden umfassen. Beispielsweise werden Fluide oft in Teströhrchen hergestellt, unter Verwendung von Pipetten dosiert, in unterschiedliche Teströhrchen übertragen und mit anderen Fluiden gemischt, um eine oder mehrere Reaktionen zu fördern. Während derartiger Prozeduren können Reagenzien, Zwischenprodukte und/oder Endreaktionsprodukte überwacht, gemessen oder in einer analytischen Vorrichtung abgetastet werden. Eine Mikrofluid-Verarbeitung umfasst im Allgemeinen eine derartige Verarbeitung und Überwachung unter Verwendung winziger Fluidmengen. Die Mikrofluid-Verarbeitung findet Anwendungen in riesigen Gebieten von Forschung und Industrie einschließlich beispielsweise in der diagnostischen Medizin, Umwelttests, Landwirtschaft, Erkennung chemischer und biologischer Kriegsführung, Raummedizin, Molekularbiologie, Chemie, Biochemie, Lebensmittelwissenschaft, klinischen Studien und pharmazeutischen Langzeitstudien.
  • Derzeitige auf Fluidverarbeitung ausgerichtete Lösungsansätze zeigen mehrere Nachteile. Ein derzeitiger Lösungsansatz zur Mikrofluid-Verarbeitung verwendet eine Anzahl von Mikrofluidkanälen, die mit Mikroventilen, Pumpen, Verbindern, Mischern und Detektoren konfiguriert sind. Obwohl Geräte, die Implementationen dieser herkömmlichen Lösungsansätze im Mikromaßstab verwenden, wenigstens einen gewissen Grad an Nutzen zeigen können, bleibt ein großer Raum für Verbesserungen bestehen. Z.B. fehlt es derzeitigen Mikrofluidgeräten an Flexibilität, da sie auf einer festgelegten Leitungsbahn von Mikrokanälen beruhen. Mit festgelegten Leitungsbahnen sind die Vorrichtungen in der Anzahl und der Art von Aufgaben beschränkt, die sie ausführen können. Ferner macht die Verwendung von festen Leitungsbahnen viele Arten von Dosierung, Transport und Manipulation schwierig. Bei herkömmlichen Geräten ist es schwierig, einen Probentyp von einem anderen innerhalb eines Kanals abzugrenzen.
  • Das Dokument US-A-4 333 086 wird als der am nächsten kommende Stand der Technik betrachtet. Er offenbar ein Verfahren für die dosierte Injektion eines Fluidpaketes (Farbstoffes), mit den Schritten:
    Unter Druck setzen eines das Paket enthaltenden Behälters (42) unter einem Druck, der kleiner oder gleich als ein Grenzdruck (hold off pressure) (siehe Zusammenfassung dritte Zeile), wobei das Paket ein erstes dielektrisches Material (Farbstoff) enthält; Erregen einer oder mehrerer Elektroden, die mit einer Oberfläche angrenzend an den Behälter (49, 51) verbunden sind, Unterwerfen des Paketes einer Austriebskraft (siehe Spalte 3 Zeilen 46 - 63) von der einen oder den mehreren Elektroden (49, 51, 53), um das Paket aus dem Behälter auf eine Oberfläche (53) auszutreiben.
  • Weitere derzeitige Lösungsansätze beziehen elektrische Eigenschaften von Materialien mit ein. Insbesondere wurden bestimmte elektrische Eigenschaften bereits eingesetzt, um eine eingeschränkte Anzahl von Fluidverarbeitungsaufgaben durchzuführen. Beispielsweise wurde die Dielektrophorese angewendet, um die Charakterisierung und Trennung von Partikeln einschließlich biologischer Zellen zu unterstützen. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in dem U.S. Patent 5,344,535 für Betts beschrieben. Betts weist dielektrophoretische Sammelraten und Sammelratenspektren für dielektrisch polarisierbare Teilchen in einer Suspension nach. Partikelkonzentrationen an einer bestimmten Stelle stromabwärts von einer Elektrodenstruktur werden unter Verwendung einer Lichtquelle und eines Lichtdetektors gemessen, welcher die erhöhte oder verringerte Absorption oder Streuung des Lichtes misst, welche wiederum eine Zunahme oder Abnahme in der Konzentration der in dem Fluid suspendierten Teilchen anzeigt. Obwohl es für die Ermittlung von dielektrischen Eigenschaften von Partikeln nützlich ist, ist ein derartiges System in seiner Anwendung eingeschränkt. Insbesondere ermöglicht ein solches System keine allgemeine Fluidverarbeitung, welche verschiedene Wechselwirkungen beinhaltet, welche manchmal gleichzeitig durchgeführt werden, wie z.B. Dosieren, Mischen, Vereinen, Transportieren, Teilen und allgemeine Manipulation mehrerer Reagenzien und Reaktionsprodukte.
  • Ein weiteres Beispiel der Verwendung bestimmter elektrischer Eigenschaften für spezifische Verarbeitungsarten ist im U.S. Patent Nr. 5,632,957 an Heller et al. offenbart. Hier kann eine gesteuerte Hybridisierung unter Verwendung einer Matrix oder einer Anordnung elektronisch adressierbarer Mikrostellen in Verbindung mit einer Permeationsschicht, einer Anlagerungsregion und eines Reservoirs erzielt werden. Eine aktivierte Mikrostelle zieht geladene Bindeelemente zu einer Elektrode hin. Wenn das Bindeelement die Anlagerungsschicht kontaktiert, welche über der Permeationsschicht angeordnet ist, wird das funktionalisierte spezifische Bindungselement kovalent an der Anhaftungsschicht befestigt. Obwohl sie für spezifische Aufgaben, wie z.B. die DNA-Hybridisierung nützlich ist, bleibt Raum für Verbesserungen. Insbesondere ist ein derartiges System, das Befestigungsstellen für bestimmte Bindeelemente nutzt, für spezielle Anwendungen und nicht für eine allgemeine Fluidverarbeitung einer Vielzahl von Fluiden ausgelegt. Insbesondere ist ein derartiges System zur Verwendung mit geladenen Bindeelementen ausgelegt, die mit den Befestigungsstellen in Wechselwirkung treten.
  • Ein weiteres Beispiel einer Verarbeitung ist in dem U.S. Patent Nr. 5,126,022 an Soane et al. offenbart. Dort können geladene Moleküle durch ein Medium, das einen Graben füllt, in Reaktion auf von Elektroden erzeugte elektrische Felder bewegt werden. Obwohl es für Aufgaben, wie z.B. Trennung geeignet ist, bleibt Raum für eine Verbesserung dahingehend, dass derartige Vorrichtungen für die Durchführung einer großen Vielzahl von Fluidverarbeitungs-Wechselwirkungsaktionen an einer großen Vielfalt unterschiedlicher Materialien nicht gut geeignet sind.
  • Es gibt weitere Beispiele einer Anwendung von Dielektrophorese zur Durchführung spezifischer, eingeschränkter Fluidverarbeitungsaufgaben. Das U.S. Patent Nr. 5,795,457 für Pethig und Burt offenbart ein Verfahren zur Förderung von Reaktionen zwischen in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln durch Anwenden von zwei oder mehr elektrischen Feldern mit unterschiedlichen Frequenzen auf Elektrodenanordnungen. Obwohl es möglicherweise zur Erleichterung bestimmter Wechselwirkungen zwischen vielen Partikeln unterschiedlicher Arten nützlich sein kann, ist das Verfahren für eine allgemeine Fluidverarbeitung nicht gut geeignet. Das U.S. Patent Nr. 4,390,403 an Batchelder offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation chemischer Spezies durch dielektrophoretische Kräfte. Obwohl es für die Induzierung bestimmter chemischer Reaktionen nützlich ist, ist dessen Flexibilität beschränkt und erlaubt keine allgemeine programmierbare Fluidverarbeitung.
  • Methoden und Vorrichtungen, die sich mit vielen, wenn nicht allen, der eben genannten Nachteile befassen, sind in der anhängigen U.S. Patentanmeldung 09/249,955, eingereicht am 12. Februar 1999 mit dem Titel "Method And Apparatus for Programmable Fluidic Processing" offenbart. Dort sind Techniken offenbart, die sich auf die Manipulation eines Materialpaketes unter Verwendung einer Reaktionsoberfläche, einer Einlassöffnung, einer Einrichtung zum Erzeugen einer programmierbaren Manipulationskraft, eines Positionssensors und einer Steuerung beziehen. In einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird das Material auf eine Reaktionsoberfläche mit der Einlassöffnung eingeführt. Das Material wird zur Ausbildung eines Paketes aufgesplittet. Die Position des Paketes wird mit dem Positionssensor erfasst. Eine programmierbare Manipulationskraft (welche in einer Ausführungsform eine dielektrophoretische Kraft beinhalten kann) wird auf das Paket an einer bestimmten Position mit der Einrichtung für die Erzeugung einer programmierbaren Manipulationskraft aufgebracht, welche abhängig von der Position des Paketes durch die Steuerung einstellbar ist. Das Paket kann dann programmierbar gemäß der programmierbaren Manipulationskraft entlang beliebig gewählter Pfade bewegt werden.
  • Das U.S. Patent Nr. 5,858,192, mit dem Titel "Method and apparatus for manipulation using spiral electrodes", eingereicht am 18. Oktober 1996 und erteilt am 12. Januar 1999; das U.S. Patent 5,888,370 mit dem Titel "Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation", eingereicht am 23. Februar 1996 und erteilt am 30. März 1999; das U.S. Patent 5,993,630 mit dem Titel "Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation", eingereicht am 31. Januar 1996 und erteilt am 30. November 1999; das U.S.
  • Patent 5,993,632 mit dem Titel "Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation ", eingereicht am 1. Februar 1999 und erteilt am 30. November 1999; und die U.S. Patentanmeldung Seriennummer 09/395,890 mit dem Titel "Method and Apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation", eingereicht am 14. September 1999, liefern einen Überblick über den Stand der Technik, bevor die vorliegende Erfindung gemacht wurde.
  • Die U.S. Patentanmeldung mit dem Titel "Method and Apparatus for dielectrophoretic manipulation of anlyte mixtures", eingereicht am 14. Juni 2001; die U.S. Patentanmeldung mit dem Titel "Dielectrically-engineered microparticels", eingereicht am 14. Juni 2001; und die U.S. Patentanmeldung mit dem Titel "Systems and methods for cell subpopulation analysis", eingereicht am 14. Juni 2001, sind ebenfalls, jedoch nach der vorliegenden Priorität von Juni 2000, für den Stand der Technik repräsentativ.
  • In der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249,955 offenbarte Techniken offenbaren signifikante Vorteile gegenüber den vorstehend diskutierten herkömmlichen Verfahren. Beispielsweise ermöglichen sie die Fluidverarbeitung winziger Mengen von Proben und Reagenzien. Die offenbarte Vorrichtung muss keine herkömmlichen Hardwarekomponenten, wie z.B. Ventile, Mischer, Pumpen, verwenden. Die offenbarte Vorrichtung kann einfach miniaturisiert werden und ihre Prozesse können automatisiert oder programmiert werden. Die offenbarte Vorrichtung kann für viele unterschiedliche Typen von Mikrofluid-Verarbeitung und Protokolle verwendet werden, und sie kann in einem parallelen Modus betrieben werden, wodurch mehrere Fluidverarbeitungsaufgaben und Reaktionen gleichzeitig innerhalb einer einzigen Kammer durchgeführt werden. Da sie nicht auf schmalen Röhrchen oder Kanälen beruht, können Blockierungen minimiert oder beseitigt werden. Ferner können, wenn Verstopfungen vorliegen, diese Verstopfungen lokalisiert und mittels Positionserfassungstechniken vermieden werden.
  • Um die in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249,955 offenbarte Vorrichtung zu nutzen, muss ein Material auf die Reaktionsoberfläche aufgebracht werden. Wie es in der U.S. Anmeldung Nr. 09/249,955 offenbart ist, kann dieses unter Verwendung einer Einlassöffnung erfolgen. Die Einlassöffnung kann einfach irgendeine Öffnung in einer Wand oder alternativ eine Spritzennadel, eine Mikropipette, ein Röhrchen, ein Farbstrahlinjektor oder dergleichen sein.
  • Obwohl die Verwendung einer Spritze, einer Mikropipette oder dergleichen die Injektion von Material auf die Oberfläche ermöglicht, bleiben Nachteile. Beispielsweise liefert eine derartige Eingabe nicht immer eine systematische kontrollierbare Materialinjektion. Insbesondere stellt die Verwendung existierender Vorrichtungen und Techniken (einschließlich der in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249,955 offenbarten) nicht immer sicher, dass ein steuerbarer Einzeltropfen pro Zeitpunkt injiziert wird. Stattdessen führt die herkömmliche Technologie oft zu der Injektion eines Tropfens zu einem Zeitpunkt, von zwei Tropfen zusammen zu einem anderen Zeitpunkt, usw. Somit sind die Steuerbarkeit und Dosierungsfähigkeiten der existierenden Technologie nicht vollständig adäquat. Ohne steuerbare Paketinjektion kann die Genauigkeit und Wiederholbarkeit bestimmter Mikrofluid-Verarbeitungsaufgaben leiden.
  • Im Lichte des Vorstehenden wäre es vorteilhaft, eine Technologie bereitzustellen, in welcher dosierte Materialpakete systematisch auf eine Oberfläche in einer zuverlässigen, wiederholbaren Weise injiziert werden können. Es wäre ferner vorteilhaft, wenn das Injektionsverfahren automatisiert wäre, so dass die Verarbeitung mit geringem oder keinem Bedienereingriff stattfinden könnte. Derartige Vorteile würden nicht nur der in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249,955 betrachteten Mikrofluid-Verarbeitung nützen, sondern auch in allen Bereichen der Fluidverarbeitung. Insbesondere würden derartige Vorteile jedem Gebiet nutzen, in welchem eine steuerbare Art einer Injektion von Materialpaketen erwünscht ist.
  • Alle vorstehend aufgezählten Probleme und Nachteile sollen nicht erschöpfend sein, sondern sind einige von vielen, die tendenziell die Effektivität von bereits bekannten Verarbeitungs- und Fluidinjektionstechniken beeinträchtigen. Weitere bemerkenswerte Probleme können ebenfalls vorliegen; jedoch sollten die vorstehend dargestellten ausreichen, um zu demonstrieren, dass die in der Technik vorkommenden Vorrichtungen und Verfahren alle zusammen nicht zufriedenstellend waren, und dass ein Bedarf für die hierin offenbarten Techniken besteht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur dosierten Injektion eines Fluidpaketes. Ein das Paket enthaltender Behälter wird unter einem Druck kleiner als oder gleich einem Grenzdruck (hold off pressure) gesetzt. Das Paket wird einer Austriebskraft unterworfen, um das Paket aus dem Behälter auf eine Oberfläche auszutreiben.
  • In weiteren Aspekten kann der Austrieb Dielektrophorese beinhalten. Er kann auch Magnetophorese oder jede andere geeignete Kraft beinhalten. Die Austriebskraft kann durch eine Elektrode, eine Elektrodenanordnung oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung erzeugt werden. Die Austriebskraft kann aus der Reaktionsoberfläche erzeugt werden.
  • In weiteren Aspekten kann der Behälter einen Durchflussinjektor umfassen. Der Druck kann zwischen 65% und 85% des Grenzdruckes oder bevorzugter zwischen 75% und 85% des Grenzdruckes betragen. Die Größe des Paketes kann elektronisch gesteuert werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst die Entfernung des Paketes von der Oberfläche über eine Ausgangsöffnung. Es können zwei oder mehr Ausgangsöffnungen vorhanden sein, und die Ausgangsöffnungen können mit einer herkömmlichen Fluidvorrichtung verbunden sein.
  • Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren einer dosierten Injektion von zwei oder mehr Fluidpaketen aus zwei oder mehr unter Druck stehenden Behältern. Eine Wechselpumpe kann verwendet werden. Die Wechselpumpe schaltet die Austriebskraft zwischen einem ersten Paket in einem ersten unter Druck stehenden Behälter und einem zweiten Paket in einem zweiten unter Druck stehenden Behälter um.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur dosierten Injektion eines Fluidpaketes. Ein das Paket enthaltender Behälter wird auf einen Druck kleiner als oder gleich einem Grenzdruck gebracht, wobei das Paket ein erstes dielektrisches Material enthält. Eine oder mehrere mit einer Oberfläche angrenzend an dem Behälter verbundene Elektroden werden erregt, wobei die Oberfläche ein Fluid mit einem zweiten dielektrischen Material aufweist. Das Paket wird einer Auftriebskraft von einer oder mehreren Elektroden unterworfen, um das Paket aus dem Behälter auf eine Oberfläche auszutreiben.
  • So wie hierin verwendet bezeichnet "Paket" ein aufgesplittetes Material und kann ein Fluidpaket, ein eingekapseltes Paket und/oder ein festes Paket bezeichnen. Ein Fluidpaket bezeichnet ein oder mehrere Pakete von Flüssigkeiten oder Gasen. Ein Fluidpaket kann ein Paket oder eine Blase aus Flüssigkeit oder Gas bezeichnen. Ein Fluidpaket kann ein Paket aus Wasser, ein Paket eines Reagenz, ein Paket eines Lösungsmittels, ein Paket einer Lösung, ein Paket einer Probe, eine Partikel- oder Zellensuspension, ein Paket eines Zwischenproduktes, ein Paket eines Endreaktionsproduktes, oder ein Paket aus einem beliebigen Material bezeichnen. Ein Beispiel eines Fluidpaketes ist ein Paket einer in Öl suspendierten wässrigen Lösung. Ein eingekapseltes Paket bezeichnet ein von einer Materialschicht eingeschlossenes Paket. Ein eingeschlossenes Paket kann ein Bläschen oder eine andere Mikrokapsel aus Flüssigkeit oder Gas sein, die ein Reagenz, eine Probe, ein Partikel, eine Zelle, ein Zwischenprodukt, ein Endreaktionsprodukt oder ein beliebiges Material enthalten können. Die Oberfläche eines eingekapselten Paketes kann mit einem Reagenz, einer Probe, einem Partikel oder einer Zelle, einem Zwischenprodukt, einem Endreaktionsprodukt oder einem beliebigen Material beschichtet sein. Ein Beispiel eines eingekapselten Paketes ist ein Lipidbläschen, das eine in Wasser suspendierte wässrige Lösung eines Reagenz enthält. Ein festes Paket bezeichnet ein festes Material, das ein Reagenz, eine Probe, ein Partikel oder eine Zelle, ein Zwischenprodukt, ein Endreaktionsprodukt oder irgendein Material enthalten oder damit bedeckt sein kann. Ein Beispiel eines festen Paketes ist eine Latexmikrokugel mit einem Reagenz, das an seiner Oberfläche in einer wässrigen Lösung gebunden ist. Verfahren zum Erzeugen von Paketen gemäß Definition hierin sind im Fachgebiet bekannt. Pakete können stark in Größe und Form variieren, jedoch in dem hierin vorbeschriebenen Ausführungsformen können die Pakete einen Durchmesser von etwa 100 nm bis etwa 1 cm haben.
  • So wie hierin verwendet, ist eine "herkömmliche Fluidvorrichtung" eine, die Kanäle und/oder Röhrchen für einen Fluidstrom enthält. Ein "Behälter" ist hierin als ein Behälter oder Kanal definiert, welcher Fluide enthalten kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die nachstehenden Zeichnungen bilden einen Teil der vorliegenden Beschreibung und sind im Rahmen eines Beispiels und nicht als Einschränkung enthalten, um bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung deutlicher zu demonstrieren. Die Erfindung kann durch Bezugnahme auf eine oder mehrere dieser Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente angeben, in Kombination mit der detaillierten Beschreibung hierin präsentierter spezifischer Ausführungsformen verstanden werden.
  • 1 ist eine grafische Darstellung und eine Veranschaulichung, die Druck- und Volumeneigenschaften für eine Wasserpaketausbildung aus einer Mikropipette mit 5 μm Durchmesser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt. In dieser Figur tritt der Spitzendruck auf, wenn der Radius des Paketes der halbe Durchmesser der Röhrchenblende ist.
  • 2A, 2B, 2C, 2D und 2E sind jeweils eine schematische Darstellung, die Stufen der dielektrischen Paketinjektion gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die eine Allzweck-Analysevorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Vorrichtung verwendet Paketinjektionstechniken gemäß Beschreibung hierin.
  • 4 ist eine schematische Darstellung, welche eine weitere Allzweckanalysevorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt. Die Vorrichtung verwendet Paketinjektionstechniken gemäß Beschreibung hierin.
  • 5 ist ein Bild, das einen Strom von Paketen von 57 μm darstellt, die aus einer Mikropipettenspitze durch ein dielektrophoretisches Feld gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gezogen wird.
  • 6 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen Druck und Pipettendurchmesser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
  • 7A, 7B, 7C und 7D zeigen eine Darstellung, die die Meniskusventilprinzipien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • 8 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Grenzdruckverhältnis und dem eingespritzten Tröpfchendurchmesser für Trennungen von 100 μm, 200 μm und 300 μm gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
  • 9 ist eine grafische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Grenzdruckverhältnis und dem Anfangströpfchendurchmesser für Trennungen von 100 μm, 200 μm und 300 μm gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegend offenbarten Verfahren und Vorrichtungen bieten viele Vorteile. Beispielsweise ermöglichen sie eine hoch auflösende, dosierte Injektion von Fluidpaketen, die wiederum eine Fluidverarbeitung winziger Mengen von Proben und Reagenzien ermöglichen. Sie ermöglichen eine automatisierte Fluidinjektion, die gemäß einer speziellen Fluidverarbeitungsanwendung programmiert werden kann. Sie ermöglichen die Erzeugung und Injektion von Fluidpaketen mit unterschiedlichem Volumen in einer gut steuerbaren, konsistenten Weise. Die Fähigkeit, derartige dosierte Paket zu erzeugen und zu Injizieren, bietet die Möglichkeit, eine genaue, automatisierte Mikrofluid-Verarbeitung in einer Vielfalt unterschiedlicher Gebiete auszuführen. Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können leicht miniaturisiert (oder größer gemacht) werden, um den Bedarf eines Benutzers zu erfüllen. Deren Prozesse können automatisiert oder programmiert, manuell oder teilautomatisiert sein. Die hierin offenbarten Techniken können für viele unterschiedliche Arten von Mikrofluid-Verarbeitung und Protokolle verwendet werden, und sie können in Prozessen angewendet werden, die in einer parallelen Art ausgeführt werden, wodurch mehrere Fluidverarbeitungsaufgaben und Reaktionen gleichzeitig innerhalb einer einzigen Kammer durchgeführt werden. Bereiche, welche von dieser Technologie profitieren, umfassen; sind jedoch nicht darauf beschränkt: Blut- und Urin-Probenuntersuchungen bzw. Assays, Keimdetektion, Verschmutzungsüberwachung, Wasserüberwachung, Düngeranalyse, die Detektion von chemischen und biologischen Kriegführungsmitteln, Lebensmittelkeimdetektion, Qualitätskontrolle und Mischen, massiv parallele molekulare biologische Protokolle, Gen-Engineering, Krebsdetektion und pharmazeutische Entwicklung und Tests.
  • Da sich die vorliegende Offenbarung teilweise mit der Ausbildung und Injektion von Fluidpaketen befasst, ist es nützlich, die Diskussion mit einigen theoretischen Untermauerungen der hierin offenbarten Techniken zu beginnen.
  • Paket-Volumen/Druck-Eigenschaften
  • Um die Betriebsarten eines Paketinjektors zu verstehen, der dielektrophoretische Austriebskräfte verwendet, ist es nützlich, zuerst den Druck zu betrachten, der auf ein Fluid-gefülltes Röhrchen ausgeübt werden muss, um die Erzeugung eines Fluidpaketes an dem offenen Ende eines Röhrchens zu bewirken. Hier wird der Fall betrachtet, in welchem der Durchmesser der Röhrchenöffnung ausreichend klein ist, so dass die Oberflächenenergieeffekte das Fluid veranlassen, eine glatte Vorderseite zu bilden, und dass zu Beginn der aufgebrachte Druck niedrig genug ist, so dass das Fluid das Röhrchen bündig bis zu seinem Ende füllt. Sobald sich der Druck erhöht, wird angenommen, dass sich die Form des austretenden Paketes einem Segment einer Kugeloberfläche annähert. Der Druck innerhalb eines Paketes ist proportional zu der Grenzflächenspannung γ an seiner Oberfläche und umgekehrt proportional zu seinem Radius r und ist gegeben durch:
    Figure 00110001
  • Zu Beginn, wenn das Paket bündig mit dem Ende des Röhrchens ist, ist der effektive Radius unendlich, und somit ist der Druck gleich 0. Sobald die Fluidoberfläche gekrümmter wird, nimmt der Radius ab. Sobald jedoch das Paket eine Halbkugel an der Oberfläche des Röhrchens bildet, führt jede weitere Zunahme im Volumen wieder zu einer Zunahme im Paketradius. Wenn das Paket weiter wächst, nimmt dessen Innendruck ab, da r weiter zunimmt. Somit hängt der minimale Radius von dem Durchmesser der Öffnung ab und dieser bestimmt wiederum den maximalen Druck in dem Paket.
  • Dieser Effekt ist in 1 dargestellt, welcher in den Seitenabbildungen das Aussehen des von der Spitze einer Mikropipette austretenden Fluids und in der grafischen Darstellung den entsprechenden Druck innerhalb des Paketes während der Paketausbildung darstellt. Aus der 1 ist ersichtlich, dass wenn das Fluid unter Druck gesetzt wird, um ein Paket zu erzeugen, das kleiner als eine Halbkugel ist, die Paketausbildung nicht fortschreitet, da ein zusätzlicher Druck erforderlich wäre, um dieses zu erreichen. In diesem Falle kann man sagen, dass die Paketausbildung "angehalten" wird. Wenn jedoch der Druck bis zu dem Spitzenwert erhöht wird, strömt kontinuierlich Fluid in das Paket, da die Zunahme der Paketgröße über die Halbkugelbedingung hinaus leicht auftritt, da der interne Paketdruck mit zunehmendem Volumen fällt. Der Spitzendruck wird als der "Grenzdruck" bezeichnet, da die Paketausbildung nicht fortschreitet, bis dieser Druck erreicht wird.
  • In hierin beschriebenen Injektorkonstruktionen kann eine Injektorspitze mit einem Fluidreservoir verbunden sein, das entweder durch die Bohrung eines Röhrchens oder durch einen größeren Fluidbehälter gebildet wird, mit welchem das andere Ende der Bohrung verbunden ist. Ein derartiges Fluidreservoir kann auf einen Druck Pf eingestellt werden, der durch eine externe Druckwelle geliefert wird, die von einer geeigneten Quelle, wie z.B. einem Gasdruck, einer Pumpe, einer unter Druck Stehenden Membrane, einer elektroosmotischen Fluiddruckquelle oder irgendeiner anderen im Fachgebiet bekannten Vorrichtung erhalten wird. Der Druckwert Pf kann unter dem Grenzdruck für den Injektor gehalten werden, so dass die Paketausbildung gemäß Darstellung in dem linksseitigen Bild von 1 angehalten wird.
  • Auf ein Paket induzierte dielektrische Kräfte
  • In einer Ausführungsform können elektrische Kräfte genutzt werden, um die Ausbildung von Paketen wie den vorstehend beschriebenen zu beeinflussen. Da die elektrischen Gleichungen geometrieabhängig sind, ist die hier präsentierte theoretische Diskussion lediglich als veranschaulichend und nicht einschränkend gedacht. Insbesondere stellt sie die physikalischen Prinzipien dar, statt spezifische anwendbare Gleichungen auf alle unterschiedlichen geometrischen Anordnungen zu liefern. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass in jeder gegebenen Ausführungsform die exakte Form der Gleichungen sich etwas von den hier präsentierten unterscheiden kann, aber die die Paketinjektion bestimmenden physikalischen Prinzipien ähnlich, wenn nicht dieselben sind. Somit sind mit dem Vorteil der hierin angegebenen veranschaulichenden Beispiele, Gleichungen und Lösungen, die auf beliebig unterschiedliche Anordnungen anwendbar sind, für den Fachmann auf diesem Gebiet leicht ersichtlich.
  • Wenn eine kleine Kugel aus einem ersten dielektrischen Material (welche einen Festkörper, eine Flüssigkeit oder Gas beinhalten kann) in ein zweites unähnliches dielektrisches Material eingeführt wird, an welches ein elektrisches Feld angelegt wird, wird die Energie des kombinierten Systems der dielektrischen Materialien im Vergleich zu der Energie vor dem Auftreten der Einführung als Folge der Differenz in den Polarisierbarkeiten der zwei dielektrischen Materialien geändert. Diese Energieveränderung ist proportional zu W welche angenähert werden kann als:
    Figure 00130001
    wobei E das elektrische Feld ist, εs die Dielektrizitätskonstante des zweiten dielektrischen Materials, r der Radius der kleinen Kugel und E das angelegte elektrische Feld ist. Der Term fCM ist der sogenannte im Fachgebiet bekannte Clausius-Mossotti-Faktor, der die Polarisierbarkeit der Kugel in Form der Differenzen zwischen komplexen Dielektrizitätskonstanten des ersten Materials, ε* f und die des zweiten Materials ε* s ausdrückt, und wenn das elektrische Feld nicht durch den Raum wandert gegeben ist durch:
    Figure 00130002
  • Für den vorliegenden Diskurs werde angenommen, dass das erste dielektrische Material das Fluid ist, das von dem Ende eines Röhrchens gemäß Darstellung auf dem linksseitigen Bild in 1 zu injizieren ist, und dass das zweite Material eine nicht mischbare Flüssigkeit oder ein Gas ist, die das Ende des Röhrchens und das austretende Fluid umgibt. Die zweite Flüssigkeit oder das Gas können als das "suspendierende Medium" bezeichnet werden.
  • Ein von dem Ende des Röhrchens ausgehendes elektrisches Magnetfeld tendiert dazu, den Druck an der Grenzfläche des Fluid-suspendierenden Mediums zu verändern, und diese Druckänderung verändert wiederum das Volumen des Paketes gemäß 1. Die Druckänderung kann durch Bestimmung der Änderungsrate der elektrischen Energie W mit dem Fluidradius r abgeschätzt werden. Diese ist gegeben durch:
    Figure 00140001
  • Der Term 3πεsr2fCM E 2 repräsentiert eine Kraft, die sich aus der dielektrischen Energieänderung in Verbindung mit der Verschiebung des Suspensionsmediums durch das initiierte Fluid ergibt. Der Term
    Figure 00140002
    ist ein dielektrophoretischer Term, der auf das Fluid als die Folge der Inhomogenität in dem elektrischen Feld wirkt. Die Auswirkung dieser zwei Kraftanteile auf den Druck in dem Fluid kann abgeschätzt werden, indem eine entsprechende Druckänderung P oder Kraft pro Flächeneinheit ermittelt wird, die sich an der Grenzfläche des Fluidsuspendierenden Mediums ergibt:
    Figure 00140003
  • Wenn angenommen wird, dass das elektrische Feld aus einer Spannung V entsteht, die zwischen dem Fluid in dem Röhrchen und einer zweiten Spitzenelektrode angelegt ist, die in einem Abstand d außerhalb des Röhrchens und innerhalb des Suspensionsmediums angeordnet ist, kann dann, um die Auswirkungen auf den Paketdruck darzustellen, die Potentialkonfiguration als ziemlich ähnlich der angenähert werden, die von einer Quelle der Stärke V/2 und einer Senke der Stärke –V/2 eines Vektorfeldes erzeugt wird, das an dem Ursprung positioniert ist, und Z = d in der zweidimensionalen komplexen Ebene ist. Aufgrund der Überlagerungstheorie ist die Potentialverteilung in der z-Ebene dann:
    Figure 00150001
  • Durch Differenzieren bezüglich z werden das Vektorfeld und der Feldgradienten erhalten als:
    Figure 00150002
  • Durch Einsetzen dieser Ausdrücke in die für die Druckänderung an der Grenzfläche des Fluid-suspendierenden Mediums wird die nachstehende Gleichung erhalten:
    Figure 00150003
  • Der elektrisch induzierte Druck hängt von dem Quadrat der Spannung V ab, was nicht nur impliziert, dass die Richtung der angelegten Spannung unwichtig ist, sondern dass auch Wechselstrom-(AC)-Felder verwendet werden können. In der Praxis ist die Verwendung von AC-Feldern sehr vorteilhaft, da Felder mit ausreichend hoher Frequenz kapazitiv von Elektroden eingekoppelt werden können, die über eine dünne Schicht eines dielektrischen Materials (wie z.B. Teflon oder irgendein anderes geeignetes Isolationsmaterial) in Kammern eingekoppelt werden können, in welchen Fluidpaket-Manipulationen auszuführen sind. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von AC-Feldern die Frequenzabhängigkeiten der dielektrischen Permittivität des Fluids ε* f des Suspensionsmediums und des jedes anderen Materials innerhalb des Fluids auszunutzen, falls dies erwünscht ist. Diese Frequenzabhängigkeiten führen zu einem unterschiedlichen Verhalten der Materialien bei unterschiedlich angelegten Feldfrequenzen und können unter geeigneten Umständen zu nützlichen Änderungen in der Richtung der dielektrophoretischen Kräfte führen, sobald die Frequenz verändert wird.
  • Für eine Annäherung kann die Auswirkung des elektrischen Feldes auf die Paketausbildung an dem Röhrchenauslass beurteilt werden, indem die Druckeigenschaften entlang der x-Achse an der Position z = r überprüft wird. Durch Einsetzen dieser Bedingung in die Druckgleichung in den frühen Stadien der Paketausbildung, wenn r im Vergleich der Strecke d zu der anderen Elektrode klein ist, kann die nachstehende Annäherungsgleichung geschrieben werden:
    Figure 00160001
  • In diesem Falle wird die Druckänderung an der Grenzfläche des Fluid-suspendierenden Mediums durch die dielektrische Energie bestimmt, welche sich aus der Verschiebung des Suspensionsmediums ergibt.
  • Es sollte betont werden, dass diese Druckänderung nicht von der Nettoladung auf dem Paket abhängt, und dieses sogar noch weiter dieses dielektrische Verfahren von denjenigen unterscheidet, die von der elektrostatischen Nettoladung als ein Mittel zur Injektion von Paketen oder zur Ausbildung von Teilchen oder Aerosolen abhängen. Tatsächlich verändert, wenn AC-Felder für die dielektrische Injektion verwendet werden, das Vorhandensein einer Nettoladung nicht den durch das angelegte AC-Feld induzierten Druck, da die zeitlich gemittelte Magnitude eines AC-Feldes Null ist. Falls es gewünscht wird, kann jedoch das dielektrische Verfahren dazu eingesetzt werden, die Injektion geladener Pakete zu verbessern. Durch Anlegen einer Gleichspannungs-(DC)-Spannungskomponente an das Fluid zusätzlich zu einer AC-Komponente tragen die induzierten Pakete eine Ladung, welche die Injektionseigenschaften beeinflusst.
  • Die dielektrophoretischen Kräfte können durch eine Anordnung individueller Treiberelektroden, die auf einer Oberseite einer Reaktionsoberfläche hergestellt werden, erzeugt werden. Die Treiberelektrodenelemente können individuell mit elektrischen AC- oder DC-Signalen adressierbar sein. Das Anlegen eines geeigneten Signals an die Treiberelektrode baut ein elektrisches Feld auf, das eine dielektrophoretische Kraft erzeugt, die auf das in einer Injektionsspitze oder Behälter enthaltene Paket einwirkt. Ein Umschalten unterschiedlicher Signale auf unterschiedliche Elektroden baut elektrische Feldverteilungen innerhalb einer Fluidvorrichtung auf. Dieses kann zur Injektion unterschiedlicher Pakete aus unterschiedlichen Injektionsspitzen in die Vorrichtung genutzt werden. Derartige elektrische Feldverteilungen können dazu genutzt werden, um Pakete in ein Unterteilungsmedium zu injizieren.
  • Dielektrische Injektion von Fluidpaketen in Flüssigkeiten mit niedriger Dielektrizitätskonstante
  • In dem Falle von Wasserpaketen, die in ein nicht vermischbares Suspensionsmedium mit niedriger Dielektrizitätskonstante injiziert werden, ist das Wasser weitaus mehr polarisierbar als das Suspensionsmedium und fCM nimmt einen Wert sehr nahe an +1 an. In diesem Falle wird der Druck in dem Paket durch das Vorhandensein des elektrischen Feldes erhöht.
  • Bei einer Paketinjektion kann V einen Wert von etwa 180 Volt haben und bei einem Röhrchendurchmesser von 5 μm und einem angelegten hydrostatischen Druck von etwa 50 kPa (siehe Druckpaketvolumendaten zur Injektion in Bromdodekan, die in 1 angegeben sind) wird dann die Druckerhöhung P, die sich aus der Spannungsanlegung ergibt, mit etwa 18 kPa berechnet. Die kombinierten hydrodynamischen und dielektrischen Drücke auf der Grenzfläche des Fluid-suspendierenden Mediums, die daher insgesamt 50 kPa + 18 kPa = 68 kPa sind, liegen gut über dem Grenzdruck für die in 1 dargestellte Öffnung. Daher strömt Fluid aus dem Röhrchen in das Paket und ermöglicht auch die Ausbildung eines Paketes mit großer Abmessung. Sobald das Paketvolumen 30 fL überschreitet, fällt der für das Füllen des Paketes erforderliche Druck unter 50 kPa (siehe 1) und das Paket nimmt in der Größe selbst dann zu, wenn das elektrische Feld an diesem Punkt weggenommen wird.
  • Wenn jedoch das Feld beibehalten wird, zeigen die vorstehenden Druckgleichungen, dass sich das Vorzeichen des dielektrophoretischen Druckes dann ändert, wenn r > d/2 ist, und die dielektrophoretische Kraft nicht nur zum Paketwachstum beiträgt, sondern auch eine zeitliche Kraftkomponente liefert, die auf eine andere Elektrode hin gerichtet ist.
  • Im Allgemeinen bleiben Pakete nicht perfekt kugelförmig, wie es in den vorstehenden Ableitungen angenommen wird, da sie sich einer Form anpassen, in welcher der Druck an der Grenzfläche des Fluid-suspendierenden Mediums überall an der Grenze des Fluidsuspendierenden Mediums gleich ist. Die vorstehenden Gleichungen nehmen an, dass das Paket kugelförmig bleibt. Seitliche Kräfte können ebenfalls auf das Paket mittels Dielektrophorese aüfgebracht werden. Sobald diese die effektiven Adhäsionskräfte übersteigen, welche das Paket mit der Öffnung des Röhrchens und der Fluidsäule darin verbinden, schert das Paket von der Öffnung ab und wird zu der Sammelelektrode gezogen. Es dürfte sich verstehen, dass eine oder mehrere Elektroden für den Zweck der Injektion von Paketen in dieser Weise konfiguriert werden, und dass eine Vielfalt von Elektrodengeometrien verwendet werden kann. Zusätzlich können zuvor injizierte und auf den Elektroden sitzende Fluidpakete selbst das Feld in einer Weise verzerren, die nutzbringend zur Modifikation des Injektionsverhaltens genutzt werden kann.
  • Es dürfte sich verstehen, dass die vorstehend zum Ausdruck gebrachten zugrunde liegenden Prinzipien auf weitere Situationen angewendet werden können, und dass im Allgemeinen im Fachgebiet bekannte numerische Techniken, wie z.B. das Finite-Elemente- oder andere Verfahren verwendet werden können, um Simulationen von Paketinjektionseigenschaften für jede beliebige gewünschte Geometrie auszuführen.
  • Eine Paketinjektion ist in 2 dargestellt, in welcher ein hydrostatischer Druck unterhalb des Grenzdruckes in 2A vorhanden ist, und das elektrische Feld gerade eben zur Unterstützung des Druckes und zum Herausziehen des Fluids in das Paket unter Verdrängung des Suspensionsmediums angelegt wurde. Das Paket wächst in den 2B und 2C, aber die von dem Feldgradienten nahe an der Injektionsspitze ausgehende dielektrophoretische Kraft zieht das Paket auf die Spitze zurück. Sobald das Paket über die Hälfte auf die Elektrode zuwächst, trägt die dielektrophoretische Kraft dazu bei, die Fluidinjektion zu vergrößern und zieht das Paket zu der Elektrode. In 2E haben laterale Kräfte die Kohäsion zwischen dem Paket, der Fluidsäule in dem Injektionsrohr und der Röhrchenöffnung überwunden, und das Paket hat sich abgelöst, zu der Elektrode bewegt und den hohen Feldbereichen angepasst, welche die Spitzen und Kanten der Elektrode umgeben. Auf diese Weise und durch Modifizieren einer oder mehrerer der nachstehend in der Tabelle 1 aufgelisteten Parameter kann man konsistent und automatisch Fluidpakete auf eine beliebige Oberfläche dosieren. Auf diese Weise kann eine konsistente, hoch auflösende Mikrofluid-Verarbeitung erzielt werden.
  • Der vorstehend für die Potentialverteilung V(z) verwendete Ausdruck ist für eine zweidimensionale Ebene statt für einen dreidimensionalen Raum geeignet, wie er in manchen Fällen zutrifft, in welchen die Elektroden planar sind, und die Pakete auf einer planaren Oberfläche manipuliert werden. In anderen Fällen können dreidimensionale Gleichungen besser geeignet sein, und in noch weiteren Fällen können im Fachgebiet bekannte Computersimulationen erforderlich sein, wenn keine analytischen Lösungen erzielt werden können. Trotzdem sind die der Paketausbildung zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien im Wesentlichen in all diesen Fällen die gleichen wie die für die veranschaulichenden Zwecke hierin beschriebenen, und die Magnitude der durch die Felder induzierten Druckänderungen wird in der Magnitude vergleichbar sein.
  • Sobald eine Injektion eines ersten Paketes erreicht wurde, können zusätzliche Pakete injiziert und mit dem ersten Paket vereint werden, um ein größeres Paket auszubilden. Derartige Anwendungen sind in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249/955 erläutert. In einigen Fällen kann die Paketausbildung an der Öffnung fortschreiten, bis das sich ausbildende Paket von der Öffnung abgelöst wird, wenn es ein zuvor injiziertes Paket berührt. Fluid kann dosiert werden und Pakete unterschiedlicher Größe können durch dielektrische Injektion erzeugt werden. Da die Paketinjektion unter dem Einfluss angelegter elektrischer Felder in einer Ausführungsform auftritt, kann eine automatisierte elektrisch gesteuerte Paketformation leicht durch Ein- und Ausschalten der Felder oder durch geeignetes Einstellen der Signale zum Erzielen der Injektion von Paketen erreicht werden. Sobald sie injiziert sind, können die Pakete in situ oder anderweitig manipuliert und an gewünschte Orte mittels Dielektrophorese, Wanderwellen-Dielektrophorese oder irgendeinen anderen geeigneten Kraftmechanismus anschließend an die Injektion bewegt werden. Techniken für die Manipulation der Pakete werden in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249,955 beschrieben.
  • Die Paketinjektion beeinflussende Parameter
  • Es ist instruktiv einige von den Parametern zu untersuchen, welche den Druck, die Größe und die Ausbildung von Paketen beeinflussen, die mittels dielektrischer Einrichtungen injiziert werden. Diese beinhalten die in der nachstehenden Tabelle 1 aufgelisteten:
    Figure 00200001
    Tabelle 1. Parameter, welche den Druck, die Größe und Ausbildung von Paketen beeinflussen, die durch dielektrische Mittel injiziert werden.
  • Mit dem Vorteil der vorliegenden Offenbarung wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass jeder einzelne oder jede Kombination der vorstehenden Faktoren ohne übermäßige Experimente modifiziert werden kann, um unterschiedliche Einspritzeigenschaften zu erhalten.
  • Zusätzliche Aufgaben
  • Der zum Entfernen des Paketes aus dem Röhrchen erforderliche Druck kann von dem vorstehend angegebenen Ausdrücken abweichen, wenn die Oberflächeneigenschaften des Röhrchens einen erheblichen Beitrag zu den energetischen Eigenschaften des zu injizierenden Fluids bilden. Dieses kann geschehen, wenn die Röhrchenoberfläche eine Affinität für das Fluid hat oder auch die Tendenz hat, dieses abzustoßen. Beispielsweise könnte, wenn das Fluid Wasser wäre, dann eine hydrophile Röhrchenoberfläche eine Bindungsenergie beitragen, die dazu tendieren könnte, das Paket in seiner Lage festzuhalten. Im Gegensatz dazu würde eine hydrophobe Oberfläche zu einer Abstoßungskraft beitragen, welche es für das Paket einfacher macht, sich aus der Öffnung während der Injektion zu befreien. Durch Modifizieren der Oberfläche des Röhrchens können die energetischen Eigenschaften der Fluidinjektion gesteuert werden, was wiederum die Injektionseigenschaften beeinflusst.
  • Ein Beispiel einer Modifikation der Röhrchenoberfläche ist die Silanisierung eines Glasröhrchens, um es hoch hydrophob zu machen. Es ist wesentlich einfacher, wässrige Pakete aus einer silanisierten Glasrohröffnung zu trennen als aus einer Röhrchenöffnung, die hydrophil ist.
  • Obwohl die vorstehende Diskussion dielektrophoretische Kraft bzw. Kräfte betrifft, die zu der Injektion eines Fluidpaketes beitragen, dürfte es sich verstehen, dass eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Kräftearten dazu genutzt werden kann, um die hierin beschriebene Fluidpaketinjektion zu erreichen. Insbesondere können weitere Trennungskräfte verwendet werden. Beispielsweise kann akustische Energie und/oder Schwingungsenergie verwendet werden, um ein Paket aus einer Öffnung wirksam loszurütteln. Wenn das Suspensionsmedium eine niedrige Viskosität aufweist, kann eine bewegungsinduzierte Trennung trägheitsbedingt sein. Andererseits kann, wenn das Suspensionsmedium eine ausreichend hohe Viskosität aufweist, die Paketablösung dann durch einen hydrodynamischen Zug zwischen dem Paket und dem Suspensionsmedium erzeugt werden, sobald die Öffnung ausreichend schnell zurückgezogen wird. Mit dem Vorteil der vorliegenden Offenbarung kann der Fachmann auf diesem Gebiet auswählen, auf andere Trennungskräfte zurückzugreifen, sofern sie ausreichen, um ein Fluidpaket aus einer Öffnung auf eine Oberfläche zu trennen, um einen Fall dosierter Injektion zu erzielen.
  • So wie hierin beschrieben, kann "ein" oder "eine" Eins oder mehr bedeuten. So wie hierin in dem Anspruch bzw. den Ansprüchen verwendet, können die Worte "ein" oder "eine", wenn sie mit dem Wort "aufweisend" verwendet werden, Eins oder mehr als Eins bedeuten. So wie hierin verwendet, kann "ein weiterer" wenigstens etwas Zweites oder Mehrzahliges bedeuten.
  • Beispiel 1
  • Programmierbarer Fluidprozessor
  • In einer Ausführungsform können Pakete dosierter Größe von einer oder mehreren Einlassöffnungen auf der Seitenwand bzw. Seitenwänden eines programmierbaren Fluidprozessors (PFP) wie z.B. der in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249/955 beschriebenen Vorrichtung mittels Dielektrophorese in einer nicht mischbaren Trägerflüssigkeit, welche die Reaktionsoberfläche bedeckt, injiziert werden.
  • Ein Fluidstrom kann in dem PFP digital statt kontinuierlich gemacht werden, und die Pakete können elektronisch gesteuert werden. Die einzigen beweglichen Teile in einem derartigen Aufbau sind die Fluidpakete und es sind keine Ventile oder mechanischen Pumpen erforderlich. Injektoren gemäß der vorliegenden Offenbarung können direkt an angrenzenden Reservoirs, die Reagenzien oder irgendein anderes geeignetes Fluid oder Gas enthalten, angeschlossen werden. Die Pakete können in großem Umfang in der Abmessung variiert werden, können aber in einer Ausführungsform Durchmesser von etwa 20 bis etwa 100 μm haben. Die Pakete können Volumina haben, die stark variieren, jedoch in einer Ausführungsform können die Volumina in dem Bereich von 0,1 bis 1 nL liegen. On-Chip-Reservoirs gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Volumina von etwa 10 μL können somit bis zu etwa 105 Reagenzpakete liefern, welches für ein Assay pro Minute für etwa 60 Tage ausreichen würde.
  • Eine Konstruktion einer PFP-basierenden Allzweck-Bioanalysevorrichtung, die als "Bioflip" bezeichnet wird, ist in 3 dargestellt. Sie ist bei der Ausführung zwei getrennter Assays dargestellt, welche die Probennahme von zwei Probenströmen gefolgt von der Mischung und Sequenzierung von zwei Reagenzien erfordert, die aus einer Auswahl von 16 entnommen werden.
  • Proben und Reagenzien, welche durch unterschiedliche Schattierungen dargestellt sind, sind in den Reservoirs und Injektoren in dem Bioflip vorhanden. Eine Verschmelzung von Paketen ist dargestellt, wie auch die Fähigkeit von Paketströmen eine Durchquerung ohne Kollision auszuführen (siehe in der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/249,955 enthaltenen Offenbarung bezüglich die Paketmanipulation beinhaltenden Details). In dem dargestellten Prozess verläuft der Strom der Pakete über einen Sensor, wie z.B. einen Impedanzsensor, und wird später einer von den vier Abfallleitungen zugeführt. Die Möglichkeit aus 16 Reagenzien auszuwählen ermöglicht die Durchführung unterschiedlicher Assays. Abhängig davon, wie groß die Reaktionsoberfläche gemacht wird, können große Anzahlen von vollständig unterschiedlichen Assays parallel durchgeführt werden. Die diskrete Natur der Pakete bedeutet, dass die unterschiedlichen Untersuchungen sowohl räumlich als auch zeitlich verschachtelt werden können.
  • Gemäß Darstellung können die Reservoirs einteilig mit Pipetten (dargestellt als lange schmale Verlängerungen der Fluidreservoirs) zusammengefasst sein. Alternativ können getrennte Fluidreservoirs verwendet werden, und diese getrennten Reservoirs können nach jeder im Fachgebiet bekannten Weise mit den Fluidinjektoren gekoppelt werden, welche Mikropipetten, Röhrchen oder dergleichen sein können. Mit jedem dieser Reservoirs ist ein Gasdruckreservoir gekoppelt. Wie vorstehend beschrieben, kann der Gasdruck dazu genutzt werden, um Druck auf das Fluid innerhalb eines Reservoirs so auszuüben, dass beispielsweise der Grenzdruck erzielt werden kann. Das Gasreservoir kann mit dem Fluidreservoir über irgendeine in dem Fachgebiet bekannte Einrichtung gekoppelt sein. Wie dargestellt, wird die Kopplung durch einen Druckverteiler erreicht. Ein derartiger Druckverteiler kann eine beliebige Anzahl von Ventilen, Druckmesser und andere Messtechnik enthalten, welche die Überwachung und Aufbringung eines Gasdruckes auf die Fluidreservoire und die Fluidpaketinjektoren ermöglichen. Zusätzlich können geeignete optische Überwachungseinrichtungen, wie z.B. CCD-Kameras oder dergleichen verwendet werden, um den Betrieb der Injektoren, Reservoire oder des gesamten Systems visuell zu überwachen.
  • Beispiel 2
  • Fluidverarbeitungssystem
  • 4 stellt eine Blockdarstellung eines Fluidverarbeitungssystems dar, das Injektionstechnologie gemäß den hierin offenbarten Ausführungsformen verwendet. Auf der rechten Seite von 4 ist eine als "Bioflip" bezeichnet Fluidverarbeitungsvorrichtung dargestellt. Diese kann in der Größe erheblich variieren, aber in einer Ausführungsform ist ihre Größe etwa 7,62 × 5,08 × 1,27 cm (3'' × 2'' × 0,5''). Sie kann in der Form einer Kassette vorliegen, die mit keiner umfangreicheren Benutzerschnittstelle als einem Alarm und einer kleinen LCD ausgestattet ist. Sie kann eigenständig sein und autonom arbeiten. Sie kann durch eine in der Handeinheit (Windows CE oder Gameboy-Art) gesteuert werden, die auf ihrer linken Seite dargestellt ist.
  • Die Paketinjektion von Material aus den Proben und Reagenzienreservoirs kann durch Dielektrophorese ohne bewegliche Teile gesteuert werden, die Paketgröße kann durch Variieren von Parametern gesteuert werden, die vorstehend diskutiert und in der Tabelle 1 aufgeführt sind, wie z.B. Öffnungsgröße und/oder Druck, die Pakete können auf einer zweidimensionalen Anordnung mittels Dielektrophorese oder eine andere geeignete Manipulationskraft irgendwohin bewegt werden, die Pakete können vereint werden, und chemische Reaktionen können zustande gebracht werden, wenn Proben- und Reagenzpakete auf einem Array vereint werden. Derartige Reaktionen wurden auf zwei 2 × 8 und 8 × 8 oben offenen Arrays von fotolithografisch strukturierten Goldelektroden auf Glas angesteuert durch diskrete Elektronik beobachtet.
  • Ein Bild, das eine Paketinjektion aus einer Glasmikropipette von etwa 5 μm Öffnungsdurchmesser durch Dielektrophorese darstellt, ist in 5 dargestellt. Mit Pipettengröße, Abstand der Pipettenspitze zur Elektrode, Druck und innerhalb geeigneter Bereiche eingestellter AC-Spannung kann die Paketgröße und Injektionsrate elektronisch gesteuert werden. Das Bild stellt beispielsweise einen Strom von Paketen von 57 μm (ca. 100 pL) dar, die aus einer Mikropipettenspitze durch ein dielektrophoretisches Feld gezogen werden. Eine geeignete Betätigung des Feldes ermöglicht eine Injektion von Einzel- oder Mehrfachpaketen.
  • Die Pakete können quer über das Array bewegt werden, oder sie können links auf einer nahe gelegenen Elektrode so bleiben, dass sie sich mit zusätzlichen Paketen vereinen, welche auf die Oberfläche dosiert werden, um größere Volumina mit ganzzahligen Volumenbeziehungen zu erzeugen. Injektionsraten von 10 Paketen pro Sekunde sind erzielbar. In der dargestellten Ausführungsform wurden Spannungen von etwa 100 bis 200 Volt Spitze-Spitze zur Injektion und etwa 30 Volt Spitze-Spitze zur Bewegung verwendet. In weiteren Ausführungsformen können diese Werte jedoch weit variieren.
  • Beispiel 3
  • Druckbeziehungen
  • Die statische Druckdifferenz, die zum Festhalten eines Paketes erforderlich ist, wird im Allgemeinen ausgedrückt durch:
    Figure 00250001
    wobei Pin und Pext die hydrostatischen Innen- und Außendrücke sind, γ die Oberflächenspannung und r der Radius des Paketes ist. Somit ist der für die Aufrechterhaltung eines Paketes erforderliche Differenzdruck umgekehrt proportional zu dem Radius des Paketes.
  • Da Wasser an hydrophilem Glas anhaftet, neigen injizierte Pakete dazu, an der Spitze der Injektorspitzen anzuhaften, sofern die Außenoberfläche nicht hydrophob gemacht ist. Dieses kann geschehen, indem die Pipetten in ein Antibenetzungsmittel, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, Sigmacote®, eine Siliconlösung in Heptan oder ein Fluorpolymer, wie z.B. PFC 1601A von Cytonics, Inc. eingetaucht wird.
  • Der Druck innerhalb eines Paketes ist umgekehrt proportional zu dessen Radius. Daher ist, wenn der Meniskus an der Injektorspitze eben ist, der Radius unendlich und der Druck Null. Sobald Fluid strömt, um ein entstehendes Paket auszubilden, nimmt der Meniskusradius ab, bis das Paket einen Radius in Bezug auf den Injektoröffnungsdurchmesser, die Benetzungsenergie der Injektorspitze und die Grenzflächenenergie zwischen dem Paket und dem unvermischbaren Suspensionsfluid annimmt. In diesem nimmt der Druck zunehmend größer werdendem Paketsvolumen zu, was einen Fluidstrom begrenzt und eine Paketausbildung behindert. Über einem kritischen Volumen nimmt jedoch der Paketradius mit zunehmendem Volumen zu und der Druck in dem Paket nimmt ab, was einen Fluidstrom oder eine Paketausbildung begünstigt. Somit "verhindert" ein Injektor bis zu einem gewissen kritischen hydrostatischen Druck eine Paketausbildung.
  • Solange der angelegte hydrostatische Druck kleiner oder gleich als der Grenzdruck ist, bleibt die wässrige/Kohlenwasserstoff-Grenze stabil und es wird kein Fluid auf die Reaktionsfläche injiziert. Jedoch kann eine angelegte dielektrophoretische Kraft (oder ein anderer Typ von Kraft), welcher auf das entstehende Paket wirkt, effektiv die hydrostatische Kraft unterstützen, was die Potentialbarriere für die Paketinjektion absenkt. Auf diese Weise können Fluide aus der Pipette auf die Reaktionsoberfläche unter Verwendung einer Kombination hydrostatischer und dielektrophoretischer Kräfte ausschließlich herausgezogen werden.
  • Beispiel 4
  • Überlegungen zur Injektion
  • Die Erfinder haben dielektrophoretische Kräfte zum Injizieren wässriger Pakete auf 2 × 8 und 8 × 8 PFPs eingesetzt. Die zwei oberen Kurven von 6 stellen dar, wie der für die spontane Injektion eines wässrigen Paketes aus einer Pipette erforderliche statische Druck mit dem Pipettenöffnungsdurchmesser und dem Medium, in welche das Paket injiziert wird, variiert. Die untere Kurve stellt dar, wie eine an den Bereich um die Pipettenöffnung herum angelegte dielektrophoretische Kraft den statischen Druck reduziert, bei welchem ein Paket injiziert wird. Die Differenz zwischen dem dielektrophoretischen Injektionsdruck und dem statischen Injektionsdruck ist der "Grenzdruck", welcher durch die Injektionsöffnung vorgegeben ist. Durch Anwenden eines Subinjektions-Vordruckes, kann eine echte Pumpe "ohne bewegliche Teile" nur unter Verwendung dielektrophoretischer Kräfte Reagenzpakete auf eine Reaktionsoberfläche injizieren.
  • 6 stellt dar, dass etwa 0,552 bar (8 psi) ausreichend niedrig sind, um eine spontane Injektion eines wässrigen Paketes in einen Kohlenwasserstoff aus einer Öffnung von etwa 2,5 μm Durchmesser zu verhindern. Größere Öffnungen verhindern eine Injektion bei niedrigeren Drücken. Die Kontrolle des Durchmessers injizierter Pakete kann im Detail als eine Funktion der Pipettenöffnung, des dielektrophoretischen Potentials, des Pipetten/Elektroden-Abstandes und des Grenzdruckes verfolgt werden.
  • Pakete wurden von Öffnungen von etwa 2,5 bis etwa 12 μm Durchmesser injiziert, bei DEP-Potentialen von etwa 100 bis etwa 250 Voltp-p, Pipetten/Elektroden-Abständen von etwa 30 bis 300 μm und hydrostatischen Drücke von etwa 0,09 bis 0,38 bar (1,3 bis etwa 5,5 psi) injiziert.
  • Wässrige Pakete wurden auf die Oberfläche eines PFP mittels Glasmikropipetten injiziert, an welchen Wasser leicht anhaftet. Eine Eintauchbeschichtung der Pipetten in ein Antibenetzungsmittel wie z.B. Sigmacote®, eines Silikonlösung in Heptan, oder PFC1601A von Cytonics, Inc., ein Fluorpolymer reduziert die Wasseranhaftung und kann die Injektion von Paketen auf eine PFP-Oberfläche erleichtern.
  • Beispiel 5 Differenzmeniskusventil
  • In einer Ausführungsform kann ein Differenzmeniskusventil als eine Einrichtung zur Dosierung von Fluidpaketen in einem programmierbaren Fluidprozessor ("PFP") und zur Sammlung dieser nach der Verarbeitung verwendet werden. Die Erfinder haben erkannt, dass es scheinbar zwei unterschiedliche Beiträge zu dem Verhalten von eingeschlossenen Luftbläschen gibt, nämlich die relativen Adhäsionsenergien von Luft und Wasser zu der Kammeroberfläche und den Krümmungsradius des Bläschens. Der letztere steht in umgekehrter Beziehung zu dem Bläschendruck. Das Differenzmeniskusventil der vorliegenden Offenbarung ist dafür ausgelegt, diese zwei Eigenschaften auszunutzen, um ein Ventil zu konstruieren, das für die Injektion von Fluidpaketen in ein hydrophobes Fluid, wie z.B. in PFP-Vorrichtungen, welche programmierbare dielektrophoretische Arrays und programmierbare elektrophoretische Arrays enthalten, geeignet ist.
  • Ein Differenzmeniskusventil ist in 7 dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung besitzt keine beweglichen Teile und keine Verengungen. Das Arbeitsprinzip ist ebenfalls in 7A dargestellt. Hier wird die PFP-Kammer auf der rechten Seite, die Quelle (ein Reservoir oder ein anderer geeigneter Behälter) der zu injizierenden Flüssigkeit auf der linken Seite angenommen. Das Mikrofluidröhrchen erweitert sich zu dem Ende hin, das sich in der PFP-Kammer befindet, und dessen Innenseite ist mit einem hydrophilen Material beschichtet. Jedes im Fachgebiet bekannte hydrophile Material kann verwendet werden.
  • Wenn die Kammer und das Röhrchen wie in 2B gefüllt sind, tendiert die Ausbreitungsenergie des hydrophilen Fluids entlang der hydrophilen Oberfläche dazu, das hydrophile Fluid an das Ende des erweiterten Bereichs zu ziehen. Wenn nun ein Druck auf das hydrophile Fluidende auf der linken Seite gemäß Darstellung in 2C ausgeübt wird, beginnt sich ein Paket auszuformen. Der Krümmungsradius bei der Paketformung, r1, wird durch den Radius der ausgestellten Öffnung gesteuert. Da dieser Radius groß ist, ist der Druck in dem Paket relativ klein. Wenn andererseits Druck ausgeübt wird, um die hydrophile Flüssigkeit in das Röhrchen zu drücken, verhindert die hydrophile Oberfläche eine Adhäsion des hydrophoben Fluids an der Röhrchenoberfläche. Die Vorderkante des hydrophoben Fluids wird daher gezwungen, einen wesentlich kleineren Radius, r2, anzunehmen, sobald sie versucht, in den engeren Abschnitt des Röhrchens einzutreten. Da r2 kleiner als r1 ist, ist der erforderliche Druck, um das hydrophobe Fluid in das Röhrchen zu drücken größer als der, der benötigt wird, um ein hydrophiles Fluid in die entgegengesetzte Richtung zum Ausbilden von Paketen in der Kammer zu drücken.
  • Beispiel 6
  • Differenzmeniskusinjektoren
  • In einer Ausführungsform kann ein Paketinjektor verwendet werden, welcher das vorstehend beschriebene Differenzmeniskusventil beinhaltet. Insbesondere kann die Spitze von PEEK-Röhrchenverbindern die Differenzmeniskusventilkonstruktion beinhalten. Die Spitze von PEEK-Röhrchenverbindern kann präzisionsbearbeitet werden, so dass sie mit der erforderlichen Injektorform gemäß Eremittlung durch Berechnungen unter Verwendung im Fachgebiet bekannter Software wie z.B. der "Surface Evolver Software" bestimmt wird. Eine Präzisionsbearbeitung bietet die Flexibilität einen breiten Bereich von Formen mit einer schnellen Gesamtentwicklungszeit zu erzeugen. Injektoren (und Kollektoren) können gemäß in dem Fachgebiet bekannter Techniken mikrobearbeitet werden, um die Dichte zu erhöhen und um die minimale injizierte Paketgröße zu reduzieren.
  • Eine externe Druckquelle für die Betätigung der Ventile kann durch eine Spritzenpumpe, ein unter Druck stehendes Reservoir oder dergleichen bereitgestellt werden. Zusätzlich kann wie vorstehend diskutiert, eine dielektrophoretische Kraft oder eine andere geeignete Manipulationskraft in Verbindung mit dem Meniskusventilinjektor verwendet werden, um sowohl Pakete zu injizieren als auch zu sammeln. Das Quellenreservoir kann mit einer hydrophoben Schicht beschichtet sein, die einen kleinen positiven Druck auf den wässrigen Inhalt des Reagenz ausübt, welches die hydrophile Beschichtung der Kapillare zu der PFP-Kammer oder Oberfläche gezogen wird. An der PFP-Grenzfläche kann das Paket aus der Kapillare in das dielektrische Fluid gezogen werden, indem ein Potential an eine oder mehrere Elektroden in der Nähe der Injektorspitze angelegt wird. Sobald es sich innerhalb der PFP-Kammer befindet, kann das Paket nach Wunsch manipuliert und dann in der Nähe der Auslasskapillare positioniert werden.
  • Beispiel 7
  • Differenzmeniskuskollektoren
  • In einer Ausführungsform können Paketkollektoren das vorstehend diskutierte Meniskusventil verwenden. An einer Auslasskapillare kann ein weiteres Differenzmeniskusventil eines oder mehrere Paket absorbieren, wenn die Feldverteilung zwischen der bzw. den Elektroden nahe an dem Auslass geeignet gewählt und ausgeschaltet wird, wenn der Ventilzieheffekt aktiviert wird. Eines oder mehrere Abfallreservoire können auch eine interne hydrophile Beschichtung aufweisen, um jeden Druckgradienten zu reduzieren, welcher das Reagenz innerhalb der Kapillare festhalten kann.
  • Beispiel 8
  • Herstellungsbeispiele
  • Verbinder mit geringem Totvolumen können zum Anschluss mikroskopischer Fluidkomponenten verwendet werden, wie z.B. Spritzenpumpen, mit mikrogefertigten Miniaturfluidvorrichtungen. Ein 1 mm OD-Verbinder kann durch Präzisionsbearbeitung eines Endes einer Länge eines PEEK-Röhrchens so bearbeitet werden, dass nur die eigentliche Spitze in eine mikrobearbeitete Öffnung in einen Fluidchip passt. Zusätzlich kann eine Nut in die Röhrchenspitze eingearbeitet werden, um einen kleinen O-Ring zum Erzeugen einer Dichtung aufzunehmen.
  • Die Innenseite der Röhrchenspitze kann bearbeitet werden, um eine geeignet geformte Düse auszubilden. Das bearbeitete PEEK-Röhrchen kann dann sowohl den Fluidverbinder aus auch den Probeninjektor ausbilden, eine Konstruktion, welche von einem Konstruktionsstandpunkt her Sinn macht, da der Fluidverbinder bereits für die Einführung von Proben-, Kammerfluid- und anderen Lösungen benötigt wird. Ferner ermöglicht die Verwendung des Röhrchens die Beschichtung der Injektoren mit einem hydrophilen Film unabhängig von der hydrophoben Kammerbeschichtung.
  • Injektoren können aus einem PEEK-Röhrchen mit einem Außendurchmesser stark variierender Größe, jedoch in nur einer Ausführungsform hergestellt werden, wobei dessen Außendurchmesser bei etwa 500 μm und dessen Innendurchmesser bei etwa 65 μm liegen kann, welche ausreichend sein sollten, um Pakete zwischen etwa 100 und 500 μm Durchmesser zu erzeugen. In diesem Falle kann eine Spritzenpumpe oder ein unter Druck stehendes Reservoir mit einem externen Ventil verwendet werden, um Pakete in die Kammer zu injizieren.
  • Injektoren können aus kommerziellen Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie-Rohrteilen präzisonsbearbeitet werden. Dieses ist ein sehr unterschiedlicher Lösungsansatz zur MikroFlume-Herstellung, welche in traditioneller Weise Silizium- oder Glas-basierende Mikrobearbeitung, oder Kunststoffformung anwendet. Im Gegensatz zu praktisch allen Lithographie-basierenden Mikrobearbeitungstechniken, welche nur in der Lage sind, zweidimensionale oder "extrudierte"-Formen zu erzeugen, erlaubt die Präzisionsbearbeitung eine freie Formung in drei Dimensionen mit Toleranzen von etwa 5 μm (vergleichbar zu vielen Mikrobearbeitungsprozessen mit hohem Aspektverhältnis). Konstruktionen mit schneller Gesamtentwicklungszeit sind ein weiterer Vorteil der Präzisionsbearbeitung. Sobald optimale Konstruktionen mittels Präzisionsbearbeitung erstellt sind, kann ein Werkzeug hergestellt werden, um die Teile für eine Großvolumenproduktion zu formen.
  • Eine im Fachgebiet bekannte geeignete Software wie z.B. Surface Evolver, welche von NIST entwickelt wurde, kann dazu verwendet werden, die Oberflächenspannung, den Druck, und geometrische Effekte zu modellieren, welche die eingespritzte Paketgröße bestimmen. Derartige Programme können auch dazu genutzt werden, um eine Lötperlenform nach dem Aufschmelzen bei dem Vorhandensein elektronischer Komponenten zu analysieren, und können daher die Konstruktionsoptimierung unterstützen.
  • In einer Ausführungsform kann eine Silizium-Mikrobearbeitung zur Losfertigung von Injektoranordnungen hoher Dichte eingesetzt werden. Die Mikrobearbeitung ermöglicht kleinere Injektoren, welche zu kleineren Paketgrößen führen, obwohl es schwieriger wird, die Injektorspitzengeometrie zu steuern. Eine Ausrichtung der Injektoren zu dem PFP-Anordnungschip ist mit dem Mikrobearbeitungsansatz genauer, und dieses wird für die Paketgröße insbesondere dann wichtig, wenn man sich auf dielektrophoretische Kräfte verlässt, um Pakete in eine Kammer zu ziehen.
  • Beispiel 9
  • Dielektrisches Ventil
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine PFP-Wechselstation mit einem dielektrischen Ventil vorstellbar. Dieses Ventil besitzt keine beweglichen Teile und kann die Bewegung des Paketes durch die Vorrichtung hindurch auf der Basis von Druck und den dielektrischen Eigenschaften des Paketes und des umgebenden Mediums steuern. Dieser PFP weist einen oder mehrere Injektionsöffnungen, einen oder mehrere Ausgänge oder Auslassöffnungen und eine Wechselstation auf. Ein Tröpfchen wird von der Einlassöffnung mit einem Druck:
    Figure 00320001
    injiziert, wobei r der Tröpfchenradius und γ die Grenzflächenspannung des Tröpfchens ist. Die Ausgangsöffnung, welche als ein hydrophiles Röhrchen konfiguriert ist, nimmt das Tröpfchen aus der Oberfläche der Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Tröpfchendruck auf. Die Größe der Ausgangsöffnung steht in umgekehrter Beziehung zu dem Druck, der für das Tröpfchen für den Eintritt in die Auslassöffnung erforderlich ist. Daher erfordert eine Vorrichtung mit einer kleineren Ausgangsöffnung einen höheren Druck (d.h., ein kleinerer Tröpfchendurchmesser oder eine größere Tröpfchengrenzflächenspannung) um das Tröpfchen in die Auslassöffnung zu transportieren. Eine Veränderung der Größe der Auslassöffnungen kann dazu genutzt werden, um den Fluidstrom durch das dielektrische Ventil zu steuern.
  • Die Auslassöffnung kann jede Struktur sein, die einen Ausgang aus der Reaktionsoberfläche zulässt, wie z.B. eine Öffnung in einer Wand oder in einem Röhrchen. Die Öffnung kann jede geeignete Größe oder Form haben. Alternativ kann die Auslassöffnung eine Mikropipette oder irgendein anderes äquivalentes Gerät sein, das in der Lage ist, Material von der Reaktionsoberfläche zu sammeln. Materialpakete können von der Reaktionsoberfläche von oben aus gesammelt werden. Eine Spritze oder irgendein anderes äquivalentes Gerät kann an einer Mikromanipulationseinrichtung angebracht sein, so dass die Pakete präzise von spezifischen Stellen auf der Reaktionsoberfläche gesammelt werden können. In einer Ausführungsform kann die Ausgangsöffnung aus einer zylindrischen Röhrchenöffnung auf der Reaktionsoberfläche bestehen. Ein derartiges Röhrchen kann einen Durchmesser von etwa 1 mm und eine Länge von etwa 3 cm oder länger aufweisen, und kann hydrophil beschichtet sein.
  • Die Wechselstation kann beispielsweise verwendet werden, wenn es gewünscht ist, mehrere Pakete aus mehreren Behältern auf die Oberfläche zu injizieren. Die Wechselstation ermöglicht die Verwendung mehrerer Behälter und mehrerer Ausgangsöffnungen, während gleichzeitig nur eine einzige Vorrichtung oder Anordnung wie z.B. eine Anordnung von Elektroden verwendet wird, um die Injektion von Paketen auf die Oberfläche zu steuern.
  • Beispiel 10
  • Grenzdruck
  • 8 stellt die Beziehung zwischen dem Druck in dem Fluidbehandlungssystem, normiert auf den maximalen Grenzdruck (= 1) und den Durchmesser, der auf die Reaktionsoberfläche injizierten wässrigen Tröpfchen dar. Eine Injektormündung wurde in der Nähe einer quadratischen Elektrode von 100 μm positioniert, die mit einem elektrischen AC-Potential (dem dielektrophoretischen oder DEP-Feld) erregt wurde. Das angelegte DEP-Feld war 180 Volt Spitze-Spitze (Vp-p) bei 40 kHz. Die Injektormündung hatte 2,3 μm Durchmesser in einem Abstand von 100, 200 oder 300 μm von der Kante der aktiven Elektrode. 8 stellt dar, dass unter diesen Bedingungen keine DEP-Tröpfcheninjektion auftritt, wenn das Fluidhandhabungssystem unter einem Druck des 0,65-fachen maximalen Grenzdruckes liegt. Außerdem werden, wenn das System auf das 0,75 – 0,85 des maximalen Grenzdruckes unter Druck gesetzt wird, Tröpfchen mit einer festen Größe, die dem Trennungsabstand plus der Elektrodenbreite von 100 μm entsprechen, auf die Reaktionsoberfläche injiziert. In dem Druckbereich zwischen dem 0,65 und 0,85-fachen des maximalen Grenzdruckes werden Tröpfchen, oder Fluidaliquots oder Zwischenprodukte mit kontrollierbarem und wiederholbarem Durchmesser erzeugt. Die Linien der grafischen Darstellung in 8 sind Kurven der Form
    Figure 00330001
    die an die Daten für den Trennungsabstand angepasst sind.
  • 9 stellt die Beziehung zwischen dem Druck in dem Fluidhandhabungssystem normiert auf den maximalen Grenzdruck (=1) und dem Durchmesser der auf die Reaktionsoberfläche injizierten wässrigen Tröpfchen dar. Eine Injektormündung wurde in der Nähe einer quadratischen Elektrode von 100 μm positioniert, die mit einem elektrischen AC-Potential (dem dielektrophoretischen oder DEP-Feld) erregt wurde. Das angelegte DEP-Feld war 180 Volt Spitze-Spitze (Vp-p) bei 100 kHz. Die Injektormündung hatte 2,3 μm Durchmesser in einem Abstand von 100, 200 oder 300 μm von der Kante der aktiven Elektrode. 9 stellt dar, dass unter diesen Bedingungen keine DEP-Tröpfcheninjektion auftritt, wenn das Fluidhandhabungssystem unter einem Druck des 0,7-fachen maximalen Grenzdruckes liegt. Außerdem werden, wenn das System auf das 0,86 des maximalen Grenzdruckes unter Druck gesetzt wird, Tröpfchen mit einer festen Größe von 300 μm (14 nL) entsprechen, auf die Reaktionsoberfläche injiziert. In dem Druckbereich zwischen dem 0,7 und 0,85-fachen des maximalen Grenzdruckes werden Tröpfchen, oder Fluidaliquots oder Zwischenprodukte mit kontrollierbarem und wiederholbarem Durchmesser erzeugt.
  • Beispiel 11
  • Durchflussinjektor
  • Ein einen Durchflussinjektor enthaltender Behälter kann in einer Ausführungsform dieser Erfindung verwendet werden. Die Behälter ermöglichen, dass Proben an der Injektorspitze bevorzugt mit einer langsamen Strömungsgeschwindigkeit vorbei strömen. Dieses ermöglicht das Spülen weniger Tropfen der Probe so, dass immer eine frische Probe an der Injektorspitze vorhanden ist.

Claims (10)

  1. Verfahren für die dosierte Injektion eines Fluid-Pakets, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) unter Druck setzen eines Behälters, der das Paket enthält, bis zu einem Druck, der kleiner oder gleich einem Grenzdruck (hold off pressure) ist, wobei das Paket ein erstes dielektrisches Material umfasst; (b) unter Strom setzen einer oder mehrerer Elektrode(n), die an eine an dem Behälter anliegende Oberfläche gekoppelt ist (sind), wobei die Oberfläche ein Fluid beinhaltet, das ein zweites dielektrisches Material umfasst; und (c) Unterwerfen des Pakets unter eine Austriebskraft von der einen oder den mehreren Elektrode(n), so dass das Paket aus dem Behälter auf eine Oberfläche ausgetrieben wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Austriebskraft Dielektrophorese oder Magnetophorese umfasst.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Austriebskraft von einer Elektrode oder einer Elektrodenanordnung erzeugt wird, insbesondere wobei die Elektrode an die Oberfläche gekoppelt ist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Behälter einen Durchflussinjektor umfasst.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Druck zwischen 65 % und 85 %, insbesondere zwischen 75 % und 85 % des Grenzdrucks (hold off pressure) ist.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die Größe des Pakets elektronisch kontrolliert wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt (d) des Entfernens des Pakets von der Oberfläche durch eine Ausgangsöffnung, insbesondere wobei es zwei oder mehr Ausgangsöffnungen gibt.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Ausgangsöffnung an eine herkömmliche Fluidtechnik-Vorrichtung gekoppelt ist.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt (e) der dosierten Injektion von zwei oder mehr Fluid-Paketen aus zwei oder mehr unter Druck gesetzten Behältern.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, weiter umfassend den Schritt (f) der Verwendung einer Wechselpumpe, wobei die Wechselpumpe die Austriebskraft zwischen einem ersten Paket in einem ersten unter Druck gesetzten Behälter und einem zweiten Paket in einem zweiten unter Druck gesetzten Behälter abwechselt.
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Families Citing this family (74)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8688188B2 (en) 1998-04-30 2014-04-01 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US8465425B2 (en) 1998-04-30 2013-06-18 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US6949816B2 (en) 2003-04-21 2005-09-27 Motorola, Inc. Semiconductor component having first surface area for electrically coupling to a semiconductor chip and second surface area for electrically coupling to a substrate, and method of manufacturing same
US6175752B1 (en) 1998-04-30 2001-01-16 Therasense, Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US8480580B2 (en) 1998-04-30 2013-07-09 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US8346337B2 (en) 1998-04-30 2013-01-01 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US8974386B2 (en) 1998-04-30 2015-03-10 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US9066695B2 (en) 1998-04-30 2015-06-30 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US6560471B1 (en) 2001-01-02 2003-05-06 Therasense, Inc. Analyte monitoring device and methods of use
US7041468B2 (en) 2001-04-02 2006-05-09 Therasense, Inc. Blood glucose tracking apparatus and methods
JP4406604B2 (ja) * 2002-06-11 2010-02-03 アシシュ エイ パンドヤ Ｔｃｐ／ｉｐ、ｒｄｍａ、及びｉｐストレージアプリケーションのための高性能ｉｐプロセッサ
US7329545B2 (en) 2002-09-24 2008-02-12 Duke University Methods for sampling a liquid flow
US6911132B2 (en) 2002-09-24 2005-06-28 Duke University Apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques
EP1578262A4 (de) 2002-12-31 2007-12-05 Therasense Inc Kontinuierliches blutzuckerüberwachungssystem und anwendungsverfahren
EP1473084B1 (de) * 2003-03-31 2015-07-29 Canon Kabushiki Kaisha Behälter für biochemische Reaktionen
US7587287B2 (en) 2003-04-04 2009-09-08 Abbott Diabetes Care Inc. Method and system for transferring analyte test data
US8066639B2 (en) 2003-06-10 2011-11-29 Abbott Diabetes Care Inc. Glucose measuring device for use in personal area network
US7766902B2 (en) * 2003-08-13 2010-08-03 Wisconsin Alumni Research Foundation Microfluidic device for drug delivery
CA2556331A1 (en) 2004-02-17 2005-09-29 Therasense, Inc. Method and system for providing data communication in continuous glucose monitoring and management system
US7665303B2 (en) * 2004-03-31 2010-02-23 Lifescan Scotland, Ltd. Method of segregating a bolus of fluid using a pneumatic actuator in a fluid handling circuit
US8394338B2 (en) * 2004-04-26 2013-03-12 Roche Diagnostics Operations, Inc. Process for hydrophilizing surfaces of fluidic components and systems
EP3144066A1 (de) 2004-05-28 2017-03-22 Board of Regents, The University of Texas System Programmierbare fluidverarbeiter
US20060153745A1 (en) * 2005-01-11 2006-07-13 Applera Corporation Fluid processing device for oligonucleotide synthesis and analysis
EP1859330B1 (de) * 2005-01-28 2012-07-04 Duke University Vorrichtungen und verfahren zur manipulation von tropfen auf einer leiterplatte
US7454988B2 (en) * 2005-02-10 2008-11-25 Applera Corporation Method for fluid sampling using electrically controlled droplets
FR2884437B1 (fr) * 2005-04-19 2007-07-20 Commissariat Energie Atomique Dispositif et procede microfluidique de transfert de matiere entre deux phases immiscibles.
US8112240B2 (en) 2005-04-29 2012-02-07 Abbott Diabetes Care Inc. Method and apparatus for providing leak detection in data monitoring and management systems
US8092664B2 (en) 2005-05-13 2012-01-10 Applied Biosystems Llc Electrowetting-based valving and pumping systems
US7766829B2 (en) 2005-11-04 2010-08-03 Abbott Diabetes Care Inc. Method and system for providing basal profile modification in analyte monitoring and management systems
US20080241909A1 (en) * 2007-03-27 2008-10-02 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Microfluidic chips for pathogen detection
US20080179255A1 (en) * 2007-01-29 2008-07-31 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Fluidic devices
US20080241910A1 (en) * 2007-03-27 2008-10-02 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Devices for pathogen detection
US20080178692A1 (en) * 2007-01-29 2008-07-31 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Fluidic methods
US20080241000A1 (en) * 2007-03-27 2008-10-02 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Systems for pathogen detection
US20080210748A1 (en) * 2005-11-30 2008-09-04 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware, Systems and methods for receiving pathogen related information and responding
US8226891B2 (en) 2006-03-31 2012-07-24 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring devices and methods therefor
US7620438B2 (en) 2006-03-31 2009-11-17 Abbott Diabetes Care Inc. Method and system for powering an electronic device
WO2007143225A2 (en) 2006-06-07 2007-12-13 Abbott Diabetes Care, Inc. Analyte monitoring system and method
WO2008082712A2 (en) * 2006-08-25 2008-07-10 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Systems and methods for biodosimetry with biochip using gene expression signatures
US20080245740A1 (en) * 2007-01-29 2008-10-09 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Fluidic methods
US8930203B2 (en) 2007-02-18 2015-01-06 Abbott Diabetes Care Inc. Multi-function analyte test device and methods therefor
US8732188B2 (en) 2007-02-18 2014-05-20 Abbott Diabetes Care Inc. Method and system for providing contextual based medication dosage determination
US8123686B2 (en) 2007-03-01 2012-02-28 Abbott Diabetes Care Inc. Method and apparatus for providing rolling data in communication systems
US8426213B2 (en) * 2007-03-05 2013-04-23 Advanced Liquid Logic Inc Hydrogen peroxide droplet-based assays
US20090227005A1 (en) * 2007-03-27 2009-09-10 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Methods for pathogen detection
US7928850B2 (en) 2007-05-08 2011-04-19 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring system and methods
US8456301B2 (en) 2007-05-08 2013-06-04 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring system and methods
US8665091B2 (en) 2007-05-08 2014-03-04 Abbott Diabetes Care Inc. Method and device for determining elapsed sensor life
US8461985B2 (en) 2007-05-08 2013-06-11 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte monitoring system and methods
WO2009021233A2 (en) 2007-08-09 2009-02-12 Advanced Liquid Logic, Inc. Pcb droplet actuator fabrication
US8795259B2 (en) * 2008-08-01 2014-08-05 Wisconsin Alumni Research Foundation Drug delivery platform incorporating hydrogel pumping mechanism with guided fluid flow
US8986250B2 (en) * 2008-08-01 2015-03-24 Wisconsin Alumni Research Foundation Drug delivery platform utilizing hydrogel pumping mechanism
US8517597B2 (en) 2008-09-12 2013-08-27 Waters Technologies Corporation Valve switch modulation for reducing errors due oscillations of the inlet fluid of a pump system
US8877512B2 (en) * 2009-01-23 2014-11-04 Advanced Liquid Logic, Inc. Bubble formation techniques using physical or chemical features to retain a gas bubble within a droplet actuator
US8103456B2 (en) 2009-01-29 2012-01-24 Abbott Diabetes Care Inc. Method and device for early signal attenuation detection using blood glucose measurements
US9226701B2 (en) 2009-04-28 2016-01-05 Abbott Diabetes Care Inc. Error detection in critical repeating data in a wireless sensor system
WO2010138856A1 (en) 2009-05-29 2010-12-02 Abbott Diabetes Care Inc. Medical device antenna systems having external antenna configurations
US9314195B2 (en) 2009-08-31 2016-04-19 Abbott Diabetes Care Inc. Analyte signal processing device and methods
EP2473099A4 (de) 2009-08-31 2015-01-14 Abbott Diabetes Care Inc Analytüberwachungssystem und -verfahren zur leistungs- und rauschverwaltung
WO2011041469A1 (en) 2009-09-29 2011-04-07 Abbott Diabetes Care Inc. Method and apparatus for providing notification function in analyte monitoring systems
US8328757B2 (en) * 2010-01-08 2012-12-11 Wisconsin Alumni Research Foundation Bladder arrangement for microneedle-based drug delivery device
WO2013019810A2 (en) * 2011-08-02 2013-02-07 Tokyo Electron Limited Method and device for controlling pattern and structure formation by an electric field
WO2013033726A1 (en) * 2011-09-02 2013-03-07 Quinonez Carlo Joseph Universal hardware platform and toolset for operating and fabricating microfluidic devices
JP6443802B2 (ja) 2011-11-07 2018-12-26 アボット ダイアベティス ケア インコーポレイテッドＡｂｂｏｔｔ Ｄｉａｂｅｔｅｓ Ｃａｒｅ Ｉｎｃ． 分析物モニタリング装置および方法
WO2013090141A1 (en) 2011-12-14 2013-06-20 Waters Technologies Corporation Targeted frequency multiple path length mixers
US20130161193A1 (en) * 2011-12-21 2013-06-27 Sharp Kabushiki Kaisha Microfluidic system with metered fluid loading system for microfluidic device
US9968306B2 (en) 2012-09-17 2018-05-15 Abbott Diabetes Care Inc. Methods and apparatuses for providing adverse condition notification with enhanced wireless communication range in analyte monitoring systems
US10295512B2 (en) * 2015-12-08 2019-05-21 Dionex Corporation Multi-lumen mixing device for chromatography
US10413913B2 (en) 2017-02-15 2019-09-17 Tokyo Electron Limited Methods and systems for dielectrophoresis (DEP) separation
US11185830B2 (en) 2017-09-06 2021-11-30 Waters Technologies Corporation Fluid mixer
JP7348454B2 (ja) 2018-10-01 2023-09-21 東京エレクトロン株式会社 基板表面から異物を静電的に除去するための装置及び方法
CN114207433A (zh) 2019-08-12 2022-03-18 沃特世科技公司 用于色谱系统的混合器
EP4179310A1 (de) 2020-07-07 2023-05-17 Waters Technologies Corporation Mischer für die flüssigkeitschromatographie
WO2022066752A1 (en) 2020-09-22 2022-03-31 Waters Technologies Corporation Continuous flow mixer

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS594310B2 (ja) * 1979-06-30 1984-01-28 株式会社リコー インクジェット記録装置
US4390403A (en) * 1981-07-24 1983-06-28 Batchelder J Samuel Method and apparatus for dielectrophoretic manipulation of chemical species
US5344535A (en) * 1989-11-27 1994-09-06 British Technology Group Limited Dielectrophoretic characterization of micro-organisms and other particles
US5795457A (en) * 1990-01-30 1998-08-18 British Technology Group Ltd. Manipulation of solid, semi-solid or liquid materials
GB9002092D0 (en) 1990-01-30 1990-03-28 P & B Sciences Ltd Manipulation of solid,semi-solid or liquid materials
US5126022A (en) * 1990-02-28 1992-06-30 Soane Tecnologies, Inc. Method and device for moving molecules by the application of a plurality of electrical fields
DE4143573C2 (de) * 1991-08-19 1996-07-04 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zur Trennung von Gemischen mikroskopisch kleiner, in einer Flüssigkeit oder einem Gel suspendierter, dielektrischer Teilchen
US5632957A (en) * 1993-11-01 1997-05-27 Nanogen Molecular biological diagnostic systems including electrodes
US6017696A (en) * 1993-11-01 2000-01-25 Nanogen, Inc. Methods for electronic stringency control for molecular biological analysis and diagnostics
NZ246927A (en) 1992-02-08 1996-08-27 Genera Technologies Ltd Analysis of a target species by forming a complex between a micro-particle having a linking moiety attached thereto and a target and observing the field-rotation properties of the complex within a rotating field; testing kits and membranes
GB9208357D0 (en) * 1992-04-16 1992-06-03 British Tech Group Apparatus for separating a mixture
GB9301122D0 (en) * 1993-01-21 1993-03-10 Scient Generics Ltd Method of analysis/separation
GB9306729D0 (en) * 1993-03-31 1993-05-26 British Tech Group Improvements in separators
US6129828A (en) * 1996-09-06 2000-10-10 Nanogen, Inc. Apparatus and methods for active biological sample preparation
US6225059B1 (en) * 1993-11-01 2001-05-01 Nanogen, Inc. Advanced active electronic devices including collection electrodes for molecular biological analysis and diagnostics
US5965452A (en) * 1996-07-09 1999-10-12 Nanogen, Inc. Multiplexed active biologic array
US6099803A (en) * 1994-07-07 2000-08-08 Nanogen, Inc. Advanced active electronic devices for molecular biological analysis and diagnostics
DE4400955C2 (de) * 1993-12-23 1999-04-01 Fraunhofer Ges Forschung Adhäsionssteuerbare Oberflächenstruktur
US5486337A (en) * 1994-02-18 1996-01-23 General Atomics Device for electrostatic manipulation of droplets
GB9410558D0 (en) * 1994-05-26 1994-07-13 The Technology Partnership Ltd Method of transferring matter from a bulk medium
US5593290A (en) * 1994-12-22 1997-01-14 Eastman Kodak Company Micro dispensing positive displacement pump
US5571401A (en) * 1995-03-27 1996-11-05 California Institute Of Technology Sensor arrays for detecting analytes in fluids
US5788833A (en) * 1995-03-27 1998-08-04 California Institute Of Technology Sensors for detecting analytes in fluids
DE19515524C2 (de) * 1995-04-27 1999-09-09 Private Uni Witten Herdecke Gm Verfahren und Vorrichtung zum fortlaufenden Nachweis wenigstens einer Substanz in einem gasförmigen oder flüssigen Gemisch mittels einer Sensorelektrode
US6130098A (en) * 1995-09-15 2000-10-10 The Regents Of The University Of Michigan Moving microdroplets
US5888370A (en) * 1996-02-23 1999-03-30 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation
US5993630A (en) * 1996-01-31 1999-11-30 Board Of Regents The University Of Texas System Method and apparatus for fractionation using conventional dielectrophoresis and field flow fractionation
US5683569A (en) * 1996-02-28 1997-11-04 Motorola, Inc. Method of sensing a chemical and sensor therefor
NZ331865A (en) 1996-03-18 1999-04-29 Univ Wales Bangor Change Of Na Apparatus with electrode arrays for carrying out chemical, physical or physico-chemical reactions
US5858192A (en) * 1996-10-18 1999-01-12 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for manipulation using spiral electrodes
US6024925A (en) * 1997-01-23 2000-02-15 Sequenom, Inc. Systems and methods for preparing low volume analyte array elements
US6090251A (en) * 1997-06-06 2000-07-18 Caliper Technologies, Inc. Microfabricated structures for facilitating fluid introduction into microfluidic devices
US6159188A (en) * 1998-01-14 2000-12-12 Robert L. Rogers Apparatus and method for delivery of micro and submicro quantities of materials
GB9800933D0 (en) * 1998-01-17 1998-03-11 Central Research Lab Ltd A dispenser
AU785167B2 (en) 1998-05-29 2006-10-12 Industrial Research Limited Method and apparatus for concentrating and/or positioning particles or cells
US6165417A (en) * 1998-10-26 2000-12-26 The Regents Of The University Of California Integrated titer plate-injector head for microdrop array preparation, storage and transfer
US6294063B1 (en) 1999-02-12 2001-09-25 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for programmable fluidic processing
US6221653B1 (en) * 1999-04-27 2001-04-24 Agilent Technologies, Inc. Method of performing array-based hybridization assays using thermal inkjet deposition of sample fluids
IT1309430B1 (it) 1999-05-18 2002-01-23 Guerrieri Roberto Metodo ed apparato per la manipolazione di particelle per mezzo delladielettroforesi

Also Published As

Publication number Publication date
CA2409402A1 (en) 2001-12-20
EP1289661B1 (de) 2006-05-10
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ATE325657T1 (de) 2006-06-15
WO2001096024A2 (en) 2001-12-20
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US20020063060A1 (en) 2002-05-30
DE60119513D1 (de) 2006-06-14
US6893547B2 (en) 2005-05-17

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