WO2003018197A1 - Micro-dispenser and pre-concentration method - Google Patents

Micro-dispenser and pre-concentration method Download PDF

Info

Publication number
WO2003018197A1
WO2003018197A1 PCT/EP2002/008651 EP0208651W WO03018197A1 WO 2003018197 A1 WO2003018197 A1 WO 2003018197A1 EP 0208651 W EP0208651 W EP 0208651W WO 03018197 A1 WO03018197 A1 WO 03018197A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reservoir
preconcentrate
main
microdispenser
liquid
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/008651
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen SCRIBA
Christoph Gauer
Original Assignee
Advalytix Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advalytix Ag filed Critical Advalytix Ag
Publication of WO2003018197A1 publication Critical patent/WO2003018197A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02Burettes; Pipettes
    • B01L3/0241Drop counters; Drop formers
    • B01L3/0268Drop counters; Drop formers using pulse dispensing or spraying, eg. inkjet type, piezo actuated ejection of droplets from capillaries
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/447Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44791Microapparatus
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/08Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0819Microarrays; Biochips
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0421Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic electrophoretic flow
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0433Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces
    • B01L2400/0436Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces vibrational forces acoustic forces, e.g. surface acoustic waves [SAW]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/447Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704Details; Accessories
    • G01N27/44743Introducing samples

Definitions

  • the invention relates to a microdispenser and a multiple dispenser for generating a preconcentration of charged particles in a liquid and a method for preconcentration.
  • chips with spots of certain oligonucleotide sequences prepared in a defined manner are often used in order to load them with a sample of unknown composition.
  • Known oligonucleotide sequences with the corresponding counterparts in the sample are then generally detected using optical methods such as fluorescence analysis. For example, when examining DNA (deoxyribonucleic acid), a fluorescent signal on a specific spot indicates the presence of the complementary DNA in the sample being examined.
  • Typical chip dimensions of such microarrays today are in the range of a few cm 2 , the size of the individual spots is approximately 100 ⁇ m.
  • the chip When the chip is loaded with sample liquid, the entire chip is usually flooded with this sample.
  • the chip is generally loaded with a small volume (approx. 10-100 ⁇ l) of sample liquid. Then he is covered with a cover slip and z in a water bath.
  • B. incubated overnight at a suitable temperature to allow hybridization of the DNA fragments of sample and chip. Driven by diffusion, the sample molecules in the liquid migrate to the target molecules at the spots and bind there. The slow diffusion significantly limits the speed of the hybridization. During the incubation, e.g. B.
  • the DNA molecules cover only a few millimeters.
  • a spot on the chip can only interact with the sample volume in the immediate vicinity.
  • the concentration of DNA in the sample must therefore be relatively high in order to ensure that the DNA molecules in the solution have the opportunity to interact with all spots on the chip.
  • the concentration of the oligonucleotides in the sample liquid is inevitably very low in view of the limited starting material. Accordingly, the reaction kinetics between the molecules in the sample liquid and the molecules on the chip are not optimal. This could only be avoided by significantly increasing the sample concentration, which in turn is problematic due to the high costs for the sample substance.
  • To increase the concentration z. B. centrifuges are used, which requires an additional complex process step in which the sample liquid has to be reloaded an additional time. Accordingly, it would be desirable to have a device which makes it possible to enable a rapid and reliable hybridization reaction despite a possibly small amount of starting material.
  • This object is achieved with a microdispenser with the features of claim 1, a multiple dispenser with the features of claim 17 and a method with the features of claim 22.
  • An advantageous use is the subject of claim 23.
  • the respective subclaims are directed to advantageous configurations.
  • the microdispenser according to the invention has a main reservoir for receiving the liquid. Furthermore, a preconcentrate reservoir is provided which has smaller dimensions than the main reservoir and serves to hold the preconcentrated liquid.
  • the reservoirs are connected to one another by a channel element. Means are also provided to generate an electric field in the direction between the main reservoir and the preconcentrate reservoir.
  • microdispenser according to the invention can consist of different materials.
  • the microdispenser according to the invention is preferably designed and dimensioned such that it is suitable for integration into or on a chip or comprises a chip.
  • Such an embodiment is compact and z. B. easily manufactured using techniques from semiconductor technology.
  • chip encompasses both the preferred embodiment in or on a solid-state chip made of crystalline material and structures made of other materials, for example plastic.
  • Crystalline materials can be, for example, LiNbO 3 or quartz his.
  • the main reservoir can be manually or with the help of e.g. B. a pipetting robot can be filled with a liquid, the charged particles, for. B. DNA molecules.
  • the liquid is distributed in the main reservoir, channel element and preconcentrate reservoir.
  • the microdispenser according to the invention is suitable, for. B. for the concentration of 1 to 10 ul amounts. If necessary, the distribution from the main reservoir to the preconcentrate reservoir is supported by the capillary action of the channel element.
  • an electrical generated field With the help of the means for applying an electrical field, an electrical generated field.
  • the electric field is generated such that the positive electrode of the field generating means is on the side of the pre-concentrate reservoir and the negative electrode on the side of the main reservoir. Similar to electrophoresis, the negatively charged particles are drawn towards the positive electrode and collect in the preconcentrate reservoir. In this way, a preconcentration is achieved, the strength of which depends on the applied electric field.
  • the liquid can then be defined from the preconcentrate reservoir and, with a precise preconcentration for further processing, e.g. B. be applied to an analysis chip with corresponding examination spots.
  • a chip which has two opposite main surfaces.
  • the pre-concentrate reservoir is a small cavity with an opening to one of these major surfaces.
  • the main reservoir is a larger cavity with a larger second opening to the other main surface.
  • the channel element is formed by a capillary between the preconcentrate reservoir and the main reservoir.
  • the microdispenser is designed to connect the two main surfaces within a chip.
  • a microdispenser can be filled very easily through the larger opening of the main reservoir and allows precise localization of the preconcentrated liquid through the small opening of the preconcentrate reservoir.
  • the microdispenser of such an embodiment can be connected directly to an element for further processing, onto which precise amounts of the pre-concentrated liquid can be discharged.
  • the pre-concentrate reservoir is emptied e.g. B. with the help of an air blast, using piezoelectric methods or thermally, for. B. by heating the chip, preferably on the channel between the main and preconcentration reservoir.
  • Such a microdispenser can also be made of plastic or comprise plastic components.
  • electrodes are provided which generate an electric field between the main reservoir and the preconcentrate reservoir.
  • Such electrodes are advantageously provided on the side of the main reservoir or preconcentrate reservoir remote from the capillary and can be contacted from outside the chip.
  • Such electrodes are easy to connect to a voltage source and ensure optimal alignment of the electrical field between the main reservoir and the pre-concentrate reservoir.
  • the larger opening which is located in the main reservoir, is designed in a funnel shape, so that simple loading from the outside is possible.
  • a microdispenser which has a volume of the main reservoir of 1 to 10 ⁇ l and / or a volume of the preconcentrate reservoir of 5 to 50 nl can be used particularly advantageously.
  • a microdispenser integrated in a chip is compact and enables simple production using techniques from semiconductor technology.
  • the microdispenser is not integrated in a chip and is e.g. B. made of plastic.
  • the electrodes are e.g. B. provided on the outer walls of the main or preconcentrate reservoir.
  • the channel element has smaller lateral dimensions than both the preliminary and the main reservoir in order to improve the charge separation function and to improve the distribution of the liquid when filling the microdispenser due to the capillary action of the thin channel element.
  • the embodiments described above can also perform the function of a micropipette.
  • the liquid can be sucked up like a pipette.
  • the above-described embodiments of the microdispenser according to the invention can, for. B. with the help of an xy actuator over a micro-titer plate to fill their individual reaction surfaces.
  • a substrate or chip in particular a solid state chip made of crystalline material, is provided, on one main surface of which partial areas are formed which have wetting properties that differ from the surrounding surface in such a way that a liquid preferably differs thereon staying.
  • These areas form the main reservoir, the preconcentrate reservoir, and the channel element.
  • the area of the main reservoir is larger than the area of the preconcentrate reservoir.
  • the connecting channel element has a smaller lateral extension in the direction perpendicular to the connection of the main reservoir to the preconcentrate reservoir than the extensions of the reservoirs.
  • a liquid that is applied to the surface of the main reservoir is distributed over the main reservoir, the preconcentrate reservoir and the channel element. Because of the wetting properties that result in the liquid preferably being on the reservoir surfaces and the channel element, the liquid does not generally leave these surfaces. It is held together by the surface tension on these surfaces without flooding the surrounding surface. No channels or trenches are required to locate the fluid. The liquid does not leave the reservoirs and the channel element without the action of external force.
  • Such an embodiment of the microdispenser according to the invention is particularly easy, for. B. with lithographic processes and coating technologies, as are known from semiconductor technology, or z. B. with a stamp technique. No etching processes or layer structures are necessary. Due to the planar design, integration into other chip-using technologies is easily possible. Contacting with flat electrodes is very easy feasible.
  • Such a microdispenser according to the invention can easily be combined with other chip components, as are already used today in so-called “lab-on-the-chip” technologies, in order to examine small amounts of liquid in a special biological nature (see, for example, BO Müller, Laborwelt 1 / 2000, pages 36ff.).
  • the different wetting properties can e.g. B. can be realized by an appropriate coating either of the preferred lounge area or its surroundings.
  • hydrophilic or hydrophobic areas can be defined.
  • the preferred location is chosen so that it is more hydrophilic than the surrounding surface. This can be achieved either by hydrophilic coating of the preferred area or by a hydrophobic environment.
  • a hydrophobic environment can e.g. B. can be realized by a silanized surface.
  • the wetting properties can also be modulated by microstructuring, as is the case with the so-called lotus effect, which is based on different roughness of the surfaces and thus causes different wetting properties. Such roughness modulation can e.g. B. be obtained by microstructuring the corresponding surface areas, for. B. by chemical treatment or ion irradiation.
  • the production of areas with different wetting properties is simple and inexpensive by using already known lithographic processes and / or coating technologies.
  • the channel element can be a single surface that connects the main reservoir and the pre-concentrate reservoir.
  • the channel element comprises a plurality of essentially parallel strips which connect the main reservoir and the pre-concentrate reservoir to one another and have the wetting properties described above for the channel element. Between the individual strips of a channel element designed in this way there are surfaces which have similar wetting properties as the surfaces of the surroundings of the preconcentrate reservoir, the main reservoir and the channel element. A quantity of liquid which touches two or more such strips of a channel element at the same time will mainly wet the strips of the channel element and the intermediate areas not or less. This enables a guided and rapid movement in the channel element.
  • the intermediate area between the individual strips of the channel element can also have such wetting properties that the liquid there does not wet the surface as well as in the strips of the channel element, but better than with the surface around the preconcentrate reservoir, main reservoir and channel element.
  • the electrodes for generating the electric field are advantageously provided directly in the region of the reservoirs in order to have the most direct possible effect on the charged particles in the liquid. Only the effect of the electric field is necessary to separate the charges.
  • the electrodes can also z. B. have biocompatible coating to avoid direct contact of the liquid with the electrodes.
  • the electrodes are formed by metallic surfaces of the main reservoir and the preconcentrate reservoir, each of which may be formed by a thin, e.g. B. biocompatible layer are covered.
  • the connecting channel element is not metallized.
  • a surface wave generating device is provided on the surface of the chip, which is aligned in such a way that it can generate a surface sound wave in the direction of the preconcentrate reservoir.
  • a surface sound wave enables the movement of the liquid on the surface of the preconcentrate reservoir by the impulse transfer. In this way, the preconcentrate reservoir can be emptied.
  • additional areas with wetting properties can be provided pointing away from the preconcentrate reservoir in the direction of the surface acoustic wave path, which enable the liquid to preferentially rest thereon. In this way, the liquid can be moved along these areas with the aid of the impulse transmission of a surface sound wave.
  • Such “conductor tracks” can possibly lead to further processing stations that are integrated, for example, on the same chip.
  • the surface wave generating device is formed by an interdigital transducer, such as that used for. B. is known from surface wave filter technology.
  • an interdigital transducer has intermeshing finger electrodes and can be controlled electronically in a simple manner to generate a surface acoustic wave in a piezoelectric substrate or in a piezoelectrically coated substrate.
  • the use of a so-called "tapered" interdigital transducer, in which the finger spacing of the finger electrodes is not constant, is particularly suitable.
  • the channel element between the main reservoir and the preconcentrate reservoir can be a direct straight connection. If a larger volume or a longer distance is to be available for preconcentration, the channel element can also extend in a meandering manner between preconcentrate reservoir and main reservoir in all the embodiments described above.
  • a multiple dispenser according to the invention comprises several microdispensers according to the invention in a regular arrangement.
  • Such a regular arrangement of several microdispensers enables e.g. B. the simple and parallel filling a micro-titer plate in which there are corresponding spots or reaction points in a corresponding regular arrangement. Fields of such points can be filled with pre-concentrated liquid at the same time using a multiple dispenser according to the invention.
  • control of the preconcentrate reservoirs for individual microdispensers can be carried out individually, then individual electrodes are provided for each individual microdispenser, which electrodes can be addressed by appropriate control devices.
  • microdispensers or all microdispensers share the electrodes for applying the electrical field.
  • Such an embodiment is easy to control and enables simultaneous processing of liquids in the individual micro-dispensers.
  • Multiple dispensers according to the invention can be used particularly effectively if they have an array arrangement whose dimensions correspond to the dimensions of micro-titer plates conventionally used in laboratory operation.
  • a multiple dispenser according to the invention can thus be used directly above a micro-titer plate for filling the reaction vessels or spots located underneath.
  • the individual microdispensers of the multiple dispenser according to the invention can be designed in such a way that the respective channel elements are aligned such that they Increase the grid dimension from the preconcentrate reservoirs to the main concentrate reservoirs in the array arrangement. So even with a very small grid size of the array of the preconcentrate reservoirs and the corresponding exits, a sufficient size of the main reservoirs is possible, the one Processing of appropriate amounts of liquid allowed.
  • the lateral distance between two reservoirs or reaction spots is referred to as the grid dimension.
  • a small amount of liquid is brought onto or into a main reservoir, which is connected to a small preconcentrate reservoir via a channel element.
  • An electric field is applied along the channel element to collect charged particles according to their polarity in the preconcentrate reservoir.
  • the devices according to the invention and the method according to the invention for preconcentrating DNA in a corresponding buffer solution can be used particularly advantageously.
  • the devices and methods according to the invention thus enable precise preconcentration, which moreover enables precise positioning of the preconcentrated material.
  • Even with a limited amount of starting material, a sufficient concentration in the liquid can be obtained since only very little liquid is necessary at all.
  • FIG. 1 shows the cross section through an embodiment of a microdispenser according to the invention
  • FIG. 2 shows the cross section of an embodiment of a multiple dispenser according to the invention
  • FIG. 3 the bottom view of the multiple dispenser of FIG. 2,
  • FIG. 4 shows the cross section of a further embodiment of the multiple dispenser according to the invention with an enlargement of area A
  • FIG. 5 shows the top view of a further embodiment of a microdispenser according to the invention
  • FIG. 6 shows a side partial sectional view of a further embodiment of a microdispenser according to the invention.
  • FIG. 7 shows a side sectional view of a further embodiment of a microdispenser according to the invention.
  • Figure 1 shows the cross section through a chip 1, which can be made of plastic. From the surface 21 to the surface 19, the chip is penetrated by a continuous opening, which is composed of the funnel-shaped filling opening 9 for the main reservoir 5, the capillary element 4, the preconcentrate reservoir 7 and the opening 3.
  • the chip can be in one piece or glued together from different layers.
  • the connection opening between the funnel 9 and the main reservoir 5 is denoted by 17.
  • the second electrode 11 is located between two layers of the chip 1 at the level of the transition between the main reservoir 5 and the funnel 9.
  • the electrodes are used to apply an electrical field E, shown symbolically by the battery 15.
  • the positive pole of the battery 15 is present at the preconcentrate reservoir 7.
  • the entirety of the microdispenser, which is shown in FIG. 1, is designated by 2.
  • Such a microdispenser 2 is used as follows.
  • the dispenser is loaded with about 1 to 10 ⁇ l through the funnel 9 from above. This can e.g. B. using a pipetting robot or manually.
  • the solution is drawn into the capillary 4 in the lower part.
  • the existing volume is separated with respect to the charge of the ingredients. For example, negative particles move downward at the indicated polarity.
  • z. B. negative DNA strands down and positive ions up.
  • the components are separated according to their polarity.
  • the negatively charged DNA preferentially collects around the lower area in the vicinity of the positive electrode and thus leads to an increased concentration.
  • the smaller lower preconcentrate reservoir (approx. 5 to 50 nl) can then be set up by a device that is not of interest here.
  • B. can be emptied by piezoelectric means, thermally or by air blast on a suitable substrate. Such a substrate can e.g. B. be a micro-titer plate for further investigation.
  • FIG. 2 shows a multiple dispenser according to the invention, which is composed of several microdispensers 2.
  • the arrangement can contain any number of microdispensers 2, which is to be indicated by the dots in the right part of the figure.
  • the individual microdispensers can be integrated in a single chip 1, which is formed in one piece.
  • the individual microdispensers 2 share the electrodes 11 and 13, which are supplied by the voltage source 15.
  • Figure 3 shows the corresponding embodiment from below with a view of the surface 19.
  • the individual openings 3 of the individual microdispensers 2 are arranged in grid dimension a.
  • the grid dimension between the individual microdispenser openings 3 advantageously corresponds to the grid dimension of a micro-titer plate to be filled or a microarray to be filled.
  • Typical titer plates have e.g. B. 96 or 384 points.
  • the individual microdispensers 2 of the multiple dispenser are in turn z. B. filled with a pipetting robot. Individual microdispensers can be filled with different liquids or with different DNA samples to be examined.
  • the electrical field for the electrophoretic pre-concentration of the charged fragments can be applied in parallel to all reservoirs, since in the embodiment shown the electrodes 11 and 13 are used for all microdispensers. In an embodiment that is not shown, the electrodes of the individual microdispensers 2 can be controlled individually, so that individual control of the preconcentration in the individual microdispensers 2 is possible.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the multiple dispenser according to the invention.
  • the course of the individual microdispensers 20 has adapted capillary elements 40.
  • the area in which the openings 3 of the preconcentrate reservoirs 7 are located is designated by A and is shown again enlarged in the figure.
  • the capillary elements 40 also overcome a lateral distance, it is possible that the openings 3 of the preconcentrate reservoirs 7 have a different grid dimension than the openings of the main reservoirs 5.
  • the outlets 3 of the multiple dispenser arrangement can be of very small micro size Adapt titer plates, microarrays or other further processing devices without the volumes of the main reservoirs 5 being limited.
  • FIG. 5 A planar configuration of the microdispenser according to the invention is shown in FIG. 5.
  • a solid surface 200 z. B the surface of a crystalline solid state areas "preferred stay" are defined, which are connected to each other. In the embodiment shown, these are the areas 500, 400 and 700.
  • the areas 500 and 700 are metallic coated surface areas, the main reservoir 500 and the Form preconcentrate reservoir 700.
  • the area 400 is a non-metallic area which connects the areas 500 and 700.
  • the remaining surface of the solid body 200 is silanized and thus hydrophobic, so that when using aqueous solutions the wetting properties are such that the Liquid is more preferably in the areas 400, 500 and 700 than on the remaining area of the solid surface 200.
  • the metallic areas 500 and 700 are over corresponding Connections connected to a voltage source 15.
  • the positive pole of the voltage source bears against the preconcentrate region 700.
  • the entire planar microdispenser unit of this type is designated by 22.
  • the main reservoir can e.g. B. a diameter of 500 microns
  • the preconcentrate reservoir has a diameter of 100 to 200 microns
  • the area 400 have a width of 50 to 100 microns.
  • a surface wave generating device 600 is additionally provided.
  • the surface wave generating device 600 consists of an interdigital transducer with interlocking finger electrodes 603, which can be contacted via flat electrodes 601.
  • the substrate 200 is piezoelectrically (for example LiNbO 3 ) or piezoelectrically coated in the region of the surface acoustic wave generating device. Applying an alternating electrical field with z. B. a few 10 to a few 100 MHz generates a surface acoustic wave that propagates in the direction 605 and the opposite direction. The wavelength of this surface sound wave corresponds in a known manner to the finger spacing of the electrodes 603.
  • a surface sound wave is generated when the frequency applied essentially fulfills the resonance condition, that is to say corresponds to the quotient of the surface sound velocity of the material and the finger spacing.
  • the frequency applied essentially fulfills the resonance condition, that is to say corresponds to the quotient of the surface sound velocity of the material and the finger spacing.
  • the area of the surface wave generating device 600 is piezoelectrically coated or applied to a piezoelectric substrate.
  • 607 denotes a region which is likewise designed in its wetting properties in such a way that it is preferably wetted by the liquid. It represents a kind of "conductor track" for the liquid.
  • a drop of DNA solution is pipetted onto the main reservoir 500. This drop is distributed over the Entire wetting surface 500, 400, 700. If an electrical voltage is now applied between the metallic reservoir surfaces 500 and 700 designed as electrodes, this causes electrical radiation directed in the plane Field electrophoretic separation of charged particles in the liquid. If the reservoir 700 z. B. positively charged with respect to the reservoir 500, negative charge accumulates there, in particular DNA.
  • an alternating electrical field can be applied to the interdigital transducer 600.
  • the generated surface sound wave 605 transmits its impulse to the pre-concentrated solution on the pre-concentrate surface 700 and drives it out of the reservoir area.
  • the liquid can move to other examination sites via corresponding conductor tracks 607 or can be completely emptied from the chip to another device.
  • FIG. 6 shows an embodiment 32 which is not integrated in a chip.
  • 31 denotes a plastic tube, preferably made of biocompatible plastic, with a height of about 1 cm.
  • a metallic tip 43 which is open at the bottom and has an opening 33.
  • the plastic tube 31 is open at the top with the opening 39.
  • the upper region 35 corresponds to a main reservoir, while the lower region 37 represents a preconcentrate reservoir, the main and preconcentrate reservoirs being connected to one another by the channel section 34.
  • 38 schematically designates the liquid surface during use.
  • the metallic tip can be coated on the inside in order to avoid contact with the liquid.
  • the 41 denotes a ring-shaped metal electrode which is placed around the plastic tube 31.
  • the lower tip 43 is metallic and can be used directly as an electrode.
  • the electrodes are connected to the voltage source 15.
  • Such an embodiment can be filled from above through the opening 39 with a liquid which has components to be separated. Similarly, similar to a pipette, the liquid can be sucked through the opening 33 into the embodiment 32 of the microdispenser. Applying a voltage by means of the voltage source 15 to the electrodes 41 and 43 in the shown The polarity creates a charge separation. The positively charged particles 45 in the liquid move upwards and the negative particles 46 downwards. With the help of e.g. B. a pneumatic air blast through the opening 39, the lower region 37 of the inventive embodiment 32 of the microdispenser down z. B. emptied onto a micro-titer plate or into a reaction vessel.
  • FIG. 7 shows an embodiment 52 in which the channel element 54 has a smaller lateral extent than the preconcentrate reservoir 57 and the main reservoir 55.
  • the separation of the positively charged particles 65 and the negatively charged particles 66 when a voltage is applied is shown in FIG Polarity to the voltage source 15 is further improved compared to an embodiment of FIG. 6.
  • the embodiment in FIG. 7 can also be filled by drawing up liquid through the opening 53 into the microdispenser 52, or by filling the main reservoir 52 from above. 58 schematically denotes the liquid surface during use. Applying a pneumatic air blast to the upper opening 59 causes the preconcentrate reservoir 57 to be emptied through the opening 53, again, for. B. in a reaction vessel or to the point of a micro-titer plate.
  • inventions of Figures 6 and 7 can, for. B. with the help of an x-y actuator above a micro-titer plate to specifically fill its individual points. Both embodiments can also have funnel-shaped openings for easier filling.
  • the invention thus enables simple pre-concentration and emptying of the pre-concentrated liquid at defined locations.
  • the structure is compact, simple and inexpensive and can be used or integrated in a compatible way with micro laboratories (lab-on-the-chip). Only very small amounts of sample are required. In particular when examining DNA, the hybridization times can be greatly reduced in this way, since only little liquid is required and the concentration can be correspondingly higher, even if only limited starting material is available.

Abstract

The invention relates to a micro-dispenser for the production of a pre-concentration of charged particles in a liquid, comprising a main tank for receiving the liquid, a smaller pre-concentrate tank for receiving the pre-concentrated liquid, a channel element for connecting the main tank and the pre-concentrate tank and means for applying an electric field in a direction between the main tank and the pre-concentrate tank. The invention also relates to a multiple dispenser comprising several inventive micro-dispensers, and to a pre-concentration method for charged particles able to be carried out using the inventive devices.

Description

Mikrodispenser und Verfahren zur Vorkonzentration Microdispenser and preconcentration method
Die Erfindung betrifft einen Mikrodispenser und einen Mehrfachdispenser zur Erzeugung einer Vorkonzentration geladener Teilchen in einer Flüssigkeit und ein Verfahren zur Vorkonzentration.The invention relates to a microdispenser and a multiple dispenser for generating a preconcentration of charged particles in a liquid and a method for preconcentration.
In der Molekularbiologie werden oft Chips mit in definierter Weise präparierten Spots bestimmter Oligonukleotidsequenzen verwendet, um diese mit einer Probe unbekannter Zusammensetzung zu beladen. Die Hybridisierungsreaktion der auf diesen Chip gespotteten, d. h. bekannten Oligonukleotidsequenzen mit den entsprechenden Gegenstücken in der Probe wird dann im allgemeinen über optische Verfahren wie Fluoreszenzanalyse nachgewiesen. Zum Beispiel bei der Untersuchung von DNA (Desoxyribonukleinsäure) zeigt ein Fluoreszenzsignal auf einem bestimmten Spot das Vorhandensein der jeweils komplementären DNA in der untersuchten Probe an.In molecular biology, chips with spots of certain oligonucleotide sequences prepared in a defined manner are often used in order to load them with a sample of unknown composition. The hybridization reaction of those spotted on this chip, i. H. Known oligonucleotide sequences with the corresponding counterparts in the sample are then generally detected using optical methods such as fluorescence analysis. For example, when examining DNA (deoxyribonucleic acid), a fluorescent signal on a specific spot indicates the presence of the complementary DNA in the sample being examined.
Typische Chipmaße solcher Microarrays liegen heute im Bereich von einigen cm2, die Größe der einzelnen Spots beträgt ca. 100 μm. Beim Beladen des Chips mit Probenflüssigkeit wird meist der gesamte Chip mit dieser Probe überschwemmt. Dabei wird der Chip im allgemeinen mit einem kleinen Volumen (ca. 10-100 μl) Probenflüssigkeit beladen. Daraufhin wird er mit einem Deckgläschen abgedeckt und in einem Wasserbad z. B. über Nacht bei einer geeigneten Temperatur inkubiert, um die Hybridisierung der DNA-Fragmente von Probe und Chip zu ermöglichen. Getrieben durch die Diffusion wandern die Probenmoleküle in der Flüssigkeit an die Targetmoleküle an den Spots und binden dort. Die langsame Diffusion begrenzt dabei die Geschwindigkeit der Hybridisierung signifikant. Während der Inkubation, die z. B. etwa 16 Stunden lang durchgeführt wird, legen die DNA-Moleküle nur wenige Millimeter zurück. Ein Spot auf dem Chip kann also in einer solchen Anordnung nur mit dem Probenvolumen im unmittelbaren Umkreis wechselwirken. Die Konzentration der DNA in der Probe muß daher verhältnismäßig hoch sein, um zu gewährleisten, daß die DNA-Moleküle in der Lösung Gelegenheit haben, mit allen Spots auf dem Chip in Wechselwirkung zu treten.Typical chip dimensions of such microarrays today are in the range of a few cm 2 , the size of the individual spots is approximately 100 μm. When the chip is loaded with sample liquid, the entire chip is usually flooded with this sample. The chip is generally loaded with a small volume (approx. 10-100 μl) of sample liquid. Then he is covered with a cover slip and z in a water bath. B. incubated overnight at a suitable temperature to allow hybridization of the DNA fragments of sample and chip. Driven by diffusion, the sample molecules in the liquid migrate to the target molecules at the spots and bind there. The slow diffusion significantly limits the speed of the hybridization. During the incubation, e.g. B. is carried out for about 16 hours, the DNA molecules cover only a few millimeters. In such an arrangement, a spot on the chip can only interact with the sample volume in the immediate vicinity. The concentration of DNA in the sample must therefore be relatively high in order to ensure that the DNA molecules in the solution have the opportunity to interact with all spots on the chip.
Bei einer großen Probenmenge ist oftmals angesichts des begrenzten Ausgangs- materiales zwangsläufig die Konzentration der Oligonukleotide in der Probenflüssigkeit sehr gering. Dementsprechend ist die Reaktionskinetik zwischen den Molekülen in der Probenflüssigkeit und den Molekülen auf dem Chip nicht optimal. Dies ließe sich nur durch eine deutliche Erhöhung der Probenkonzentration vermeiden, was wiederum aufgrund der ggf. hohen Kosten für Probensubstanz problematisch ist. Zur Erhöhung der Konzentration werden bei bekannten Techniken z. B. Zentrifugen eingesetzt, woduch ein zusätzlicher aufwendiger Verfahrensschritt notwendig ist, bei dem die Probenflüssigkeit ein zusätzliches Mal umgeladen werden muß. Wünschenswert wäre dementsprechend eine Vorrichtung, die es ermöglicht, trotz einer ggf. geringen Menge an Ausgangsmaterial eine schnelle und zuverlässige Hybridisierungsreaktion zu ermöglichen.In the case of a large amount of sample, the concentration of the oligonucleotides in the sample liquid is inevitably very low in view of the limited starting material. Accordingly, the reaction kinetics between the molecules in the sample liquid and the molecules on the chip are not optimal. This could only be avoided by significantly increasing the sample concentration, which in turn is problematic due to the high costs for the sample substance. To increase the concentration z. B. centrifuges are used, which requires an additional complex process step in which the sample liquid has to be reloaded an additional time. Accordingly, it would be desirable to have a device which makes it possible to enable a rapid and reliable hybridization reaction despite a possibly small amount of starting material.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine genaue Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen hoher Konzentration an einem gewünschten Ort präzise möglich ist. Diese Aufgabe wird mit einem Mikrodispenser mit den Merkmalen des Anspruches 1 , einem Mehrfachdispenser mit den Merkmalen des Anspruches 17 bzw. einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 22 gelöst. Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspuches 23. Die jeweiligen Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen gerichtet.It is the object of the present invention to provide an apparatus and a method with which an accurate dosing of the smallest amounts of liquid of high concentration is precisely possible at a desired location. This object is achieved with a microdispenser with the features of claim 1, a multiple dispenser with the features of claim 17 and a method with the features of claim 22. An advantageous use is the subject of claim 23. The respective subclaims are directed to advantageous configurations.
Der erfindungsgemäße Mikrodispenser weist ein Hauptreservoir zur Aufnahme der Flüssigkeit auf. Weiterhin ist ein Vorkonzentratreservoir vorgesehen, das kleinere Ausmaße als das Hauptreservoir hat und zur Aufnahme der vorkonzentrierten Flüssigkeit dient. Die Reservoirs sind durch ein Kanalelement miteinander verbunden. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um ein elektrisches Feld in Richtung zwischen Hauptreservoir und Vorkonzentratreservoir zu erzeugen.The microdispenser according to the invention has a main reservoir for receiving the liquid. Furthermore, a preconcentrate reservoir is provided which has smaller dimensions than the main reservoir and serves to hold the preconcentrated liquid. The reservoirs are connected to one another by a channel element. Means are also provided to generate an electric field in the direction between the main reservoir and the preconcentrate reservoir.
Der erfindungsgemäße Mikrodispenser kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Mikrodispenser jedoch derart ausgestaltet und dimensioniert, daß er sich zur Integration in bzw. auf einem Chip eignet bzw. einen Chip umfaßt. Eine solche Ausführungsform ist kompakt und z. B. mit Techniken aus der Halbleitertechnik einfach herstellbar.The microdispenser according to the invention can consist of different materials. However, the microdispenser according to the invention is preferably designed and dimensioned such that it is suitable for integration into or on a chip or comprises a chip. Such an embodiment is compact and z. B. easily manufactured using techniques from semiconductor technology.
Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung umfaßt der allgemeine Begriff „Chip" sowohl die bevorzugte Ausführungsform in bzw. auf einem Festkörperchip aus kristallinem Material als auch Strukturen aus anderen Materialien, z. B. Kunststoff. Kristalline Materialien können z. B. LiNbO3 oder Quarz sein.For the purposes of the present application, the general term “chip” encompasses both the preferred embodiment in or on a solid-state chip made of crystalline material and structures made of other materials, for example plastic. Crystalline materials can be, for example, LiNbO 3 or quartz his.
Das Hauptreservoir kann manuell oder mit Hilfe z. B. eines Pipettierroboters mit einer Flüssigkeit befüllt werden, die geladene Teilchen, z. B. DNA-Moleküle, enthält. Die Flüssigkeit verteilt sich in Hauptreservoir, Kanalelement und Vorkonzentratreservoir. Bei typischen Ausmaßen eines entsprechenden Chips eignet sich der erfindungsgemäße Mikrodispenser z. B. zur Konzentration von 1 bis 10 μl-Mengen. Gegebenenfalls wird die Verteilung vom Hauptreservoir zum Vorkonzentratreservoir durch die Kapillarwirkung des Kanalelementes unterstützt. Mit Hilfe der Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes wird entlang des Kanalelementes ein elektri- sches Feld erzeugt. Zum Beispiel wird zur Vorkonzentration von DNA-Fragmenten, die negativ geladen sind, das elektrische Feld derart erzeugt, daß die positive Elektrode der Felderzeugungsmittel auf Seiten des Vorkonzentratreservoirs ist und die negative Elektrode auf Seiten des Hauptreservoirs. So werden ähnlich wie bei der Elektrophorese die negativ geladenen Teilchen in Richtung der positiven Elektrode gezogen und sammeln sich im Vorkonzentratreservoir. Auf diese Weise wird eine Vorkonzentration erreicht, deren Stärke abhängig von dem angelegten elektrischen Feld ist.The main reservoir can be manually or with the help of e.g. B. a pipetting robot can be filled with a liquid, the charged particles, for. B. DNA molecules. The liquid is distributed in the main reservoir, channel element and preconcentrate reservoir. With typical dimensions of a corresponding chip, the microdispenser according to the invention is suitable, for. B. for the concentration of 1 to 10 ul amounts. If necessary, the distribution from the main reservoir to the preconcentrate reservoir is supported by the capillary action of the channel element. With the help of the means for applying an electrical field, an electrical generated field. For example, for pre-concentration of DNA fragments that are negatively charged, the electric field is generated such that the positive electrode of the field generating means is on the side of the pre-concentrate reservoir and the negative electrode on the side of the main reservoir. Similar to electrophoresis, the negatively charged particles are drawn towards the positive electrode and collect in the preconcentrate reservoir. In this way, a preconcentration is achieved, the strength of which depends on the applied electric field.
Aus dem Vorkonzentratreservoir kann dann die Flüssigkeit definiert und mit einer präzisen Vorkonzentration zur Weiterverarbeitung z. B. auf einen Analysechip mit entsprechenden Untersuchungsspots aufgebracht werden.The liquid can then be defined from the preconcentrate reservoir and, with a precise preconcentration for further processing, e.g. B. be applied to an analysis chip with corresponding examination spots.
Bei einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrodispensers kommt ein Chip zum Einsatz, der zwei gegenüberliegende Hauptflächen aufweist. Das Vorkonzentratreservoir ist ein kleiner Hohlraum mit einer Öffnung zu einer dieser Hauptflächen. Das Hauptreservoir ist ein größerer Hohlraum mit einer größeren zweiten Öffnung zur anderen Hauptfläche. Das Kanalelement wird durch eine Kapillare zwischen Vorkonzentratreservoir und Hauptreservoir gebildet.In a special embodiment of the microdispenser according to the invention, a chip is used which has two opposite main surfaces. The pre-concentrate reservoir is a small cavity with an opening to one of these major surfaces. The main reservoir is a larger cavity with a larger second opening to the other main surface. The channel element is formed by a capillary between the preconcentrate reservoir and the main reservoir.
Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist der Mikrodispenser also innerhalb eines Chips die beiden Hauptflächen verbindend ausgestaltet. Ein solcher Mikrodispenser läßt sich sehr leicht durch die größere Öffnung des Hauptreservoirs befüllen und erlaubt eine präzise Lokalisierung der vorkonzentrierten Flüssigkeit durch die kleine Öffnung des Vorkonzentratreservoirs. Der Mikrodispenser einer solchen Ausführungsform kann direkt mit einem Element zur Weiterverarbeitung verbunden sein, auf das präzise Mengen der vorkonzentrierten Flüssigkeit entladen werden können. Die Entleerung des Vorkonzentratreservoirs erfolgt z. B. mit Hilfe eines Luftstoßes, unter Ausnutzung von piezoelektrischen Verfahren oder thermisch, z. B. durch Erwärmen des Chips, bevorzugt am Kanal zwischen Haupt- und Vorkonzentrationsreservoir. Auch ein solcher Mikrodispenser kann aus Kunststoff gefertigt sein bzw. Kunststoffkomponenten umfassen. Zur Erzeugung des elektrischen Feldes sind Elektroden vorgesehen, die ein elektrisches Feld zwischen dem Hauptreservoir und dem Vorkonzentratreservoir erzeugen. Vorteilhafterweise sind solche Elektroden auf der jeweils der Kapillare entfernten Seite von Hauptreservoir bzw. Vorkonzentratreservoir vorgesehen und von außerhalb des Chips kontaktierbar. Solche Elektroden sind leicht an eine Spannungsquelle anzuschließen und gewährleisten eine optimale Ausrichtung des elektrischen Feldes zwischen Hauptreservoir und Vorkonzentratreservoir.In this advantageous embodiment, the microdispenser is designed to connect the two main surfaces within a chip. Such a microdispenser can be filled very easily through the larger opening of the main reservoir and allows precise localization of the preconcentrated liquid through the small opening of the preconcentrate reservoir. The microdispenser of such an embodiment can be connected directly to an element for further processing, onto which precise amounts of the pre-concentrated liquid can be discharged. The pre-concentrate reservoir is emptied e.g. B. with the help of an air blast, using piezoelectric methods or thermally, for. B. by heating the chip, preferably on the channel between the main and preconcentration reservoir. Such a microdispenser can also be made of plastic or comprise plastic components. To generate the electric field, electrodes are provided which generate an electric field between the main reservoir and the preconcentrate reservoir. Such electrodes are advantageously provided on the side of the main reservoir or preconcentrate reservoir remote from the capillary and can be contacted from outside the chip. Such electrodes are easy to connect to a voltage source and ensure optimal alignment of the electrical field between the main reservoir and the pre-concentrate reservoir.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die größere Öffnung, die sich im Hauptreservoir befindet, trichterförmig ausgestaltet, so daß eine einfache Beladung von außen möglich ist.In a particularly advantageous development, the larger opening, which is located in the main reservoir, is designed in a funnel shape, so that simple loading from the outside is possible.
Besonders günstig läßt sich ein Mikrodispenser einsetzen, der ein Volumen des Hauptreservoirs von 1 bis 10 μl aufweist und/oder ein Volumen des Vorkonzentratreservoirs von 5 bis 50 nl. Es ergeben sich charakteristische Dimensionen der Reservoirs im Bereich von 100 μm bis 1 mm, die z. B. bei Mikrolaboranwendungen im Sinne der „Lab-on-the-chip"-Technologie gut handhabbar und kompatibel sind. Es wird eine besonders präzise Vorkonzentration und Aufbringung ermöglicht.A microdispenser which has a volume of the main reservoir of 1 to 10 μl and / or a volume of the preconcentrate reservoir of 5 to 50 nl can be used particularly advantageously. There are characteristic dimensions of the reservoirs in the range from 100 μm to 1 mm, which, for. B. in micro-laboratory applications in the sense of "lab-on-the-chip" technology are easy to handle and compatible. A particularly precise preconcentration and application is made possible.
Ein in einem Chip integrierter Mikrodispenser ist kompakt und ermöglicht eine einfache Fertigung mit Techniken aus der Halbleitertechnik. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Mikrodispenser jedoch nicht in einem Chip integriert und ist z. B. aus Kunststoff gefertigt. Die Elektroden sind bei einer solchen Ausführungsform z. B. an den Außenwänden des Haupt- bzw. Vorkonzentratreservoirs vorgesehen.A microdispenser integrated in a chip is compact and enables simple production using techniques from semiconductor technology. In another embodiment, however, the microdispenser is not integrated in a chip and is e.g. B. made of plastic. In such an embodiment, the electrodes are e.g. B. provided on the outer walls of the main or preconcentrate reservoir.
Vorteilhafterweise hat bei den oben beschriebenen Ausführungsformen das Kanalelement geringere laterale Ausmaße sowohl als das Vor- als auch als das Hauptreservoir, um die Ladungstrennungsfunktion zu verbessern und die Verteilung der Flüssigkeit beim Befüllen des Mikrodispensers aufgrund der Kapillarwirkung des dünnen Kanalelementes zu verbessern.Advantageously, in the embodiments described above, the channel element has smaller lateral dimensions than both the preliminary and the main reservoir in order to improve the charge separation function and to improve the distribution of the liquid when filling the microdispenser due to the capillary action of the thin channel element.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können auch die Funktion einer Mikropipette erfüllen. Die Flüssigkeit kann zur Befüllung wie bei einer Pipette aufgesaugt werden. Die oben erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikrodispensers können z. B. mit Hilfe eines x-y-Aktuators über einer Mikro-Titerplatte geführt werden, um deren einzelne Reaktionsflächen zu befüllen.The embodiments described above can also perform the function of a micropipette. The liquid can be sucked up like a pipette. The above-described embodiments of the microdispenser according to the invention can, for. B. with the help of an xy actuator over a micro-titer plate to fill their individual reaction surfaces.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Mikrodispensers ist ein Substrat bzw. Chip, insbesondere ein Festkörperchip aus kristallinem Material, vorgesehen, auf dessen einer Hauptfläche Teilflächen ausgebildet sind, die Benetzungseigenschaften haben, die sich derart von der umgebenden Oberfläche unterscheiden, daß sich eine Flüssigkeit bevorzugt darauf aufhält. Diese Flächen bilden das Hauptreservoir, das Vorkonzentratreservoir, und das Kanalelement. Die Fläche des Hauptreservoirs ist größer als die Fläche des Vorkonzentratreservoirs. Das verbindende Kanalelement hat eine kleinere laterale Ausdehnung in der Richtung senkrecht zur Verbindung des Hauptreservoirs mit dem Vorkonzentratreservoir als die Ausdehnungen der Reservoirs.In a further embodiment of the microdispenser according to the invention, a substrate or chip, in particular a solid state chip made of crystalline material, is provided, on one main surface of which partial areas are formed which have wetting properties that differ from the surrounding surface in such a way that a liquid preferably differs thereon staying. These areas form the main reservoir, the preconcentrate reservoir, and the channel element. The area of the main reservoir is larger than the area of the preconcentrate reservoir. The connecting channel element has a smaller lateral extension in the direction perpendicular to the connection of the main reservoir to the preconcentrate reservoir than the extensions of the reservoirs.
Eine Flüssigkeit, die auf die Fläche des Hauptreservoirs aufgebracht wird, verteilt sich über das Hauptreservoir, das Vorkonzentratreservoir und das Kanalelement. Aufgrund der Benetzungseigenschaften, die dazu führen, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt auf den Reservoirflächen und dem Kanalelement aufhält, verläßt die Flüssigkeit in der Regel diese Flächen nicht. Sie wird durch die Oberflächenspannung auf diesen Flächen zusammengehalten, ohne die umgebende Oberfläche zu überschwemmen. Es sind keine Kanäle oder Gräben notwendig, um die Flüssigkeit zu lokalisieren. Ohne Einwirkung von äußerer Kraft verläßt die Flüssigkeit die Reservoirs und das Kanalelement nicht.A liquid that is applied to the surface of the main reservoir is distributed over the main reservoir, the preconcentrate reservoir and the channel element. Because of the wetting properties that result in the liquid preferably being on the reservoir surfaces and the channel element, the liquid does not generally leave these surfaces. It is held together by the surface tension on these surfaces without flooding the surrounding surface. No channels or trenches are required to locate the fluid. The liquid does not leave the reservoirs and the channel element without the action of external force.
Eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrodispensers ist besonders leicht z. B. mit lithographischen Verfahren und Beschichtungstechnologien , wie sie aus der Halbleitertechnik bekannt sind, oder z. B. mit einer Stempeltechnik herstellbar. Es sind keinerlei Ätzprozesse oder Schichtaufbauten notwendig. Aufgrund der planaren Ausgestaltung ist eine Integration in andere chipverwendende Technologien leicht möglich. Eine Kontaktierung über flächige Elektroden ist sehr leicht durchführbar. Ein solcher erfindungsgemäßer Mikrodispenser läßt sich leicht mit anderen Chipbauteilen kombinieren, wie sie heutzutage bereits bei sogenannten „Lab-on-the-chip"-Technologien eingesetzt werden, um kleine Flüssigkeitsmengen im speziellen biologischer Natur zu untersuchen (siehe z. B. O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36ff.).Such an embodiment of the microdispenser according to the invention is particularly easy, for. B. with lithographic processes and coating technologies, as are known from semiconductor technology, or z. B. with a stamp technique. No etching processes or layer structures are necessary. Due to the planar design, integration into other chip-using technologies is easily possible. Contacting with flat electrodes is very easy feasible. Such a microdispenser according to the invention can easily be combined with other chip components, as are already used today in so-called “lab-on-the-chip” technologies, in order to examine small amounts of liquid in a special biological nature (see, for example, BO Müller, Laborwelt 1 / 2000, pages 36ff.).
Die unterschiedlichen Benetzungseigenschaften können z. B. durch eine entsprechende Beschichtung entweder des bevorzugten Aufenthaltsbereiches oder dessen Umgebung realisiert werden. Zum Beispiel können hydrophile oder hydrophobe Bereiche definiert werden. Sind die zu untersuchenden Makromoleküle z. B. in wäßriger Lösung enthalten, wird der bevorzugte Aufenthaltsbereich so gewählt, daß er hydrophiler ist als die umgebende Oberfläche. Dies kann entweder durch hydrophile Beschichtung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches oder durch eine hydrophobe Umgebung erreicht werden. Eine hydrophobe Umgebung kann z. B. durch eine silanisierte Oberfläche realisiert werden. Die Benetzungseigenschaften können weiterhin durch Mikrostrukturierung moduliert werden, wie es beim sogenannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf unterschiedlicher Rauhigkeit der Oberflächen beruht und so unterschiedliche Benetzungseigenschaften bewirkt. Eine solche Rauhigkeitsmodulation kann z. B. durch Mikrostrukturierung der entsprechenden Oberflächenbereiche erhalten werden, z. B. durch chemische Behandlung oder lonenbestrahlung. Die Herstellung von Bereichen unterschiedlicher Benetzungseigenschaften ist dabei durch Verwendung bereits bekannter lithographischer Verfahren und/oder Beschichtungstechnologien einfach und kostengünstig.The different wetting properties can e.g. B. can be realized by an appropriate coating either of the preferred lounge area or its surroundings. For example, hydrophilic or hydrophobic areas can be defined. Are the macromolecules to be examined e.g. B. contained in aqueous solution, the preferred location is chosen so that it is more hydrophilic than the surrounding surface. This can be achieved either by hydrophilic coating of the preferred area or by a hydrophobic environment. A hydrophobic environment can e.g. B. can be realized by a silanized surface. The wetting properties can also be modulated by microstructuring, as is the case with the so-called lotus effect, which is based on different roughness of the surfaces and thus causes different wetting properties. Such roughness modulation can e.g. B. be obtained by microstructuring the corresponding surface areas, for. B. by chemical treatment or ion irradiation. The production of areas with different wetting properties is simple and inexpensive by using already known lithographic processes and / or coating technologies.
Das Kanalelement kann dabei eine einzelne Fläche sein, die Hauptreservoir und Vorkonzentratreservoir miteinander verbindet. Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Kanalelement mehrere im wesentlichen parallele Streifen umfaßt, die jeweils Hauptreservoir und Vorkonzentratreservoir miteinander verbinden und die oben für das Kanalelement beschriebene Benetzungseigenschaften aufweisen. Zwischen den einzelnen Streifen eines derart ausgestalteten Kanalelementes befinden sich Flächen, die ähnliche Benetzungseigenschaften haben wie die Oberflächen der Umgebung des Vorkonzentratreservoirs, des Hauptreservoirs und des Kanalelementes. Eine Flüssigkeitsmenge, die zwei oder mehrere solcher Streifen eines Kanalelementes gleichzeitig berührt, wird hauptsächlich die Streifen des Kanalelementes benetzen und die Zwischenbereiche nicht oder weniger. So ist eine geführte und schnelle Bewegung in dem Kanalelement möglich. Der Zwischenbereich zwischen den einzelnen Streifen des Kanalelementes kann auch derartige Benetzungseigenschaften aufweisen, daß die Flüssigkeit dort zwar weniger gut die Oberfläche benetzt als in den Streifen des Kanalelementes, jedoch besser als mit der Oberfläche der Umgebung von Vorkonzentratreservoir, Hauptreservoir und Kanalelement.The channel element can be a single surface that connects the main reservoir and the pre-concentrate reservoir. In another embodiment, it is provided that the channel element comprises a plurality of essentially parallel strips which connect the main reservoir and the pre-concentrate reservoir to one another and have the wetting properties described above for the channel element. Between the individual strips of a channel element designed in this way there are surfaces which have similar wetting properties as the surfaces of the surroundings of the preconcentrate reservoir, the main reservoir and the channel element. A quantity of liquid which touches two or more such strips of a channel element at the same time will mainly wet the strips of the channel element and the intermediate areas not or less. This enables a guided and rapid movement in the channel element. The intermediate area between the individual strips of the channel element can also have such wetting properties that the liquid there does not wet the surface as well as in the strips of the channel element, but better than with the surface around the preconcentrate reservoir, main reservoir and channel element.
Vorteilhafterweise werden die Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes direkt im Bereich der Reservoirs vorgesehen, um eine möglichst direkte Einwirkung auf die geladenen Teilchen in der Flüssigkeit zu erhalten. Für die Trennung der Ladungen ist nur die Wirkung des elektrischen Feldes nötig. Die Elektroden können also auch eine z. B. biokompatible Beschichtung aufweisen, um den direkten Kontakt der Flüssigkeit mit den Elektroden zu vermeiden.The electrodes for generating the electric field are advantageously provided directly in the region of the reservoirs in order to have the most direct possible effect on the charged particles in the liquid. Only the effect of the electric field is necessary to separate the charges. The electrodes can also z. B. have biocompatible coating to avoid direct contact of the liquid with the electrodes.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform werden die Elektroden durch metallische Oberflächen des Hauptreservoirs und des Vorkonzentratreservoirs gebildet, die ggf. jeweils durch eine dünne, z. B. biokompatible Schicht abgedeckt sind. Das verbindende Kanalelement ist dabei nicht metallisiert. Bei einer solchen Ausgestaltung ist eine optimale Wirkung des elektrischen Feldes auf die Flüssigkeit und zwischen den Reservoirs gewährleistet. Das Vorkonzentratreservoir kann mit einer Pipette oder mit entsprechenden ableitenden Kanälen entleert werden.In a particularly advantageous embodiment of this embodiment, the electrodes are formed by metallic surfaces of the main reservoir and the preconcentrate reservoir, each of which may be formed by a thin, e.g. B. biocompatible layer are covered. The connecting channel element is not metallized. With such a configuration, an optimal effect of the electric field on the liquid and between the reservoirs is ensured. The pre-concentrate reservoir can be emptied with a pipette or with appropriate drainage channels.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist eine Oberflächenwellenerzeu- gungseinrichtung auf der Oberfläche des Chips vorgesehen, die derart ausgerichtet ist, daß sie eine Oberflächenschallwelle in Richtung des Vorkonzentratreservoirs erzeugen kann. Eine solche Oberflächenschallwelle ermöglicht durch den Impulsübertrag auf die Flüssigkeit auf der Fläche des Vorkonzentratreservoirs deren Bewegung. So kann das Vorkonzentratreservoir entleert werden. Gegebe- nenfalls können in Richtung des Oberflächenwellenschallpfades vom Vorkonzentratreservoir weg weisend noch zusätzliche Bereiche mit Benetzungseigenschaften vorgesehen sein, die einen bevorzugten Aufenthalt der Flüssigkeit darauf ermöglichen. Auf diese Weise läßt sich die Flüssigkeit entlang dieser Aufenthaltsbereiche mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle bewegen. Solche „Leiterbahnen" können ggf. zu weiteren Verarbeitungsstationen führen, die z. B. auf demselben Chip integriert sind.In a particularly advantageous further development, a surface wave generating device is provided on the surface of the chip, which is aligned in such a way that it can generate a surface sound wave in the direction of the preconcentrate reservoir. Such a surface sound wave enables the movement of the liquid on the surface of the preconcentrate reservoir by the impulse transfer. In this way, the preconcentrate reservoir can be emptied. Gegebe- If necessary, additional areas with wetting properties can be provided pointing away from the preconcentrate reservoir in the direction of the surface acoustic wave path, which enable the liquid to preferentially rest thereon. In this way, the liquid can be moved along these areas with the aid of the impulse transmission of a surface sound wave. Such “conductor tracks” can possibly lead to further processing stations that are integrated, for example, on the same chip.
Selbstverständlich können mehrere solche Oberflächenwellenerzeugungseinrich- tungen zur Erzeugung von Bewegung in verschiedenen Richtungen vorgesehen sein. Auch eine Befüllung des Hauptreservoirs mit Hilfe eines Impulsübertrages einer von einer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung erzeugten Oberflächenschallwelle kann vorgesehen sein.Of course, several such surface wave generation devices can be provided for generating movement in different directions. Filling of the main reservoir with the aid of a pulse transmission of a surface sound wave generated by a surface wave generating device can also be provided.
Vorzugsweise wird die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung von einem Inter- digitaltransducer gebildet, wie er z. B. aus der Oberflächenwellenfiltertechnologie bekannt ist. Ein solcher Interdigitaltransducer hat ineinander greifende Fingerelektroden und läßt sich auf einfache Weise elektronisch zur Erzeugung einer Oberflächenschallwelle in einem piezoelektrischen Substrat bzw. in einem piezoelektrisch beschichteten Substrat ansteuern. Um einen lateral begrenzten Schallpfad zu erhalten, eignet sich besonders der Einsatz eines sogenannten „getaperten" Interdi- gitaltransducers, bei dem der Fingerabstand der Fingerelektroden nicht konstant ist.Preferably, the surface wave generating device is formed by an interdigital transducer, such as that used for. B. is known from surface wave filter technology. Such an interdigital transducer has intermeshing finger electrodes and can be controlled electronically in a simple manner to generate a surface acoustic wave in a piezoelectric substrate or in a piezoelectrically coated substrate. In order to obtain a laterally limited sound path, the use of a so-called "tapered" interdigital transducer, in which the finger spacing of the finger electrodes is not constant, is particularly suitable.
Das Kanalelement zwischen Hauptreservoir und Vorkonzentratreservoir kann eine direkte gerade Verbindung sein. Soll ein größeres Volumen oder eine längere Strecke zur Vorkonzentration zur Verfügung stehen, kann sich das Kanalelement bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen auch mäanderförmig zwischen Vorkonzentratreservoir und Hauptreservoir erstrecken.The channel element between the main reservoir and the preconcentrate reservoir can be a direct straight connection. If a larger volume or a longer distance is to be available for preconcentration, the channel element can also extend in a meandering manner between preconcentrate reservoir and main reservoir in all the embodiments described above.
Ein erfindungsgemäßer Mehrfachdispenser umfaßt mehrere erfindungsgemäße Mikrodispenser in regelmäßiger Anordnung. Eine solche regelmäßige Anordnung von mehreren Mikrodispensern ermöglicht z. B. die einfache und parallele Befüllung einer Mikro-Titerplatte, in der sich entsprechende Spots bzw. Reaktionsstellen in entsprechender regelmäßiger Anordnung befinden. Felder solcher Punkte lassen sich mit einem erfindungsgemäßen Mehrfachdispenser gleichzeitig mit vorkonzentrierter Flüssigkeit befüllen.A multiple dispenser according to the invention comprises several microdispensers according to the invention in a regular arrangement. Such a regular arrangement of several microdispensers enables e.g. B. the simple and parallel filling a micro-titer plate in which there are corresponding spots or reaction points in a corresponding regular arrangement. Fields of such points can be filled with pre-concentrated liquid at the same time using a multiple dispenser according to the invention.
Soll die Ansteuerung der Vorkonzentratreservoirs für einzelne Mikrodispenser individuell vorgenommen werden können, so werden für jeden einzelnen Mikrodispenser individuelle Elektroden vorgesehen, die über entsprechende Ansteuerungsein- richtungen angesprochen werden können.If the control of the preconcentrate reservoirs for individual microdispensers can be carried out individually, then individual electrodes are provided for each individual microdispenser, which electrodes can be addressed by appropriate control devices.
Bei einer platzsparenden und einfachen Ausführungsform teilen sich mehrere einzelne Mikrodispenser oder alle Mikrodispenser die Elektroden zur Anlegung des elektrischen Feldes. Eine solche Ausführungsform ist leicht anzusteuern und ermöglicht ein gleichzeitiges Bearbeiten von Flüssigkeiten in den einzelnen Mikro- dispensern.In a space-saving and simple embodiment, several individual microdispensers or all microdispensers share the electrodes for applying the electrical field. Such an embodiment is easy to control and enables simultaneous processing of liquids in the individual micro-dispensers.
Besonders effektiv lassen sich erfindungsgemäße Mehrfachdispenser einsetzen, wenn sie eine Arrayanordnung haben, die in ihren Ausmaßen den Ausmaßen von konventionell im Laborbetrieb eingesetzten Mikro-Titerplatten entsprechen. So läßt sich ein erfindungsgemäßer Mehrfachdispenser direkt oberhalb einer Mikro- Titerplatte zur Befüllung der darunter befindlichen Reaktionsgefäße oder Spots einsetzen.Multiple dispensers according to the invention can be used particularly effectively if they have an array arrangement whose dimensions correspond to the dimensions of micro-titer plates conventionally used in laboratory operation. A multiple dispenser according to the invention can thus be used directly above a micro-titer plate for filling the reaction vessels or spots located underneath.
Zum Beispiel zum Befüllen von Microarrays mit sehr kleinem Rastermaß (z. B. 500 μm) oder anderen Vorrichtungen mit nahe beieinander liegenden Reaktionsspots können die einzelnen Mikrodispenser des erfindungsgemäßen Mehrfach- dispensers derart ausgestaltet sein, daß die jeweiligen Kanalelemente so ausgerichtet sind, daß sie das Rastermaß von den Vorkonzentratreservoiren zu den Hauptkonzentratreservoiren in der Arrayanordnung vergrößern. So ist auch bei sehr kleinem Rastermaß des Arrays der Vorkonzentratreservoire und der entsprechenden Ausgänge eine ausreichende Größe von Hauptreservoirs möglich, die eine Verarbeitung entsprechender Flüssigkeitsmengen erlaubt. Als Rastermaß wird dabei der laterale Abstand zweier Reservoirs bzw. Reaktionsspots bezeichnet.For example, for filling microarrays with a very small grid size (eg 500 μm) or other devices with reaction spots located close to one another, the individual microdispensers of the multiple dispenser according to the invention can be designed in such a way that the respective channel elements are aligned such that they Increase the grid dimension from the preconcentrate reservoirs to the main concentrate reservoirs in the array arrangement. So even with a very small grid size of the array of the preconcentrate reservoirs and the corresponding exits, a sufficient size of the main reservoirs is possible, the one Processing of appropriate amounts of liquid allowed. The lateral distance between two reservoirs or reaction spots is referred to as the grid dimension.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vorkonzentration geladener Teilchen in kleinen Flüssigkeitsmengen wird eine kleine Flüssigkeitsmenge auf bzw. in ein Hauptreservoir gebracht, das über ein Kanalelement mit einem kleinen Vorkonzentratreservoir in Verbindung steht. Es wird ein elektrisches Feld entlang des Kanalelementes angelegt, um geladene Teilchen entsprechend ihrer Polarität in dem Vorkonzentratreservoir anzusammeln.In a method according to the invention for preconcentrating charged particles in small amounts of liquid, a small amount of liquid is brought onto or into a main reservoir, which is connected to a small preconcentrate reservoir via a channel element. An electric field is applied along the channel element to collect charged particles according to their polarity in the preconcentrate reservoir.
Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorkonzentration von DNA in einer entsprechenden Pufferlösung einsetzen.The devices according to the invention and the method according to the invention for preconcentrating DNA in a corresponding buffer solution can be used particularly advantageously.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren ermöglichen also eine präzise Vorkonzentration, die zudem eine genaue Positionierung des vorkonzentrierten Materiales ermöglicht. Auf diese Weise ist es möglich, einzelne ausgewählte Punkte und Spots mit Flüssigkeit zu beladen, ohne daß es notwendig ist, z. B. einen ganzen Chip zur Untersuchung mit Flüssigkeit zu überschwemmen. Auch bei begrenzter Menge von Ausgangsmaterial läßt sich so eine ausreichende Konzentration in der Flüssigkeit erhalten, da nur sehr wenig Flüssigkeit überhaupt notwendig ist.The devices and methods according to the invention thus enable precise preconcentration, which moreover enables precise positioning of the preconcentrated material. In this way it is possible to load individual selected points and spots with liquid without it being necessary, e.g. B. flooding a whole chip for examination with liquid. Even with a limited amount of starting material, a sufficient concentration in the liquid can be obtained since only very little liquid is necessary at all.
Im folgenden werden die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren anhand bevorzugter Ausgestaltungen im Detail erläutert. Die Figuren sind schematische, nicht notwendigerweise maßstabsgetreue Darstellungen. Es zeigtThe device according to the invention and the method according to the invention are explained in detail below on the basis of preferred configurations. The figures are schematic, not necessarily to scale. It shows
Figur 1 den Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodispensers, Figur 2 den Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrfachdispensers,FIG. 1 shows the cross section through an embodiment of a microdispenser according to the invention, FIG. 2 shows the cross section of an embodiment of a multiple dispenser according to the invention,
Figur 3 die Unteransicht des Mehrfachdispensers der Figur 2,FIG. 3 the bottom view of the multiple dispenser of FIG. 2,
Figur 4 den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrfachdispensers mit einer Vergrößerung des Bereiches A,FIG. 4 shows the cross section of a further embodiment of the multiple dispenser according to the invention with an enlargement of area A,
Figur 5 die Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodispensers,FIG. 5 shows the top view of a further embodiment of a microdispenser according to the invention,
Figur 6 eine seitliche Teilschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodispensers, undFIG. 6 shows a side partial sectional view of a further embodiment of a microdispenser according to the invention, and
Figur 7 eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrodispensers.FIG. 7 shows a side sectional view of a further embodiment of a microdispenser according to the invention.
Figur 1 zeigt den Querschnitt durch einen Chip 1 , der aus Kunststoff gefertigt sein kann. Von der Oberfläche 21 bis zur Oberfläche 19 wird der Chip von einer durchgehenden Öffnung durchsetzt, die sich aus der trichterförmigen Befüllöffnung 9 für das Hauptreservoir 5, dem Kapillarelement 4, dem Vorkonzentratreservoir 7 und der Öffnung 3 zusammensetzt. Der Chip kann einstückig oder aus verschiedenen Schichten zusammengeklebt sein.Figure 1 shows the cross section through a chip 1, which can be made of plastic. From the surface 21 to the surface 19, the chip is penetrated by a continuous opening, which is composed of the funnel-shaped filling opening 9 for the main reservoir 5, the capillary element 4, the preconcentrate reservoir 7 and the opening 3. The chip can be in one piece or glued together from different layers.
Die Verbindungsöffnung zwischen dem Trichter 9 und dem Hauptreservoir 5 ist mit 17 bezeichnet. An der Unterseite des Chips 1 befindet sich vollflächig die metallische Elektrode 13. Die zweite Elektrode 11 befindet sich zwischen zwei Schichten des Chips 1 in der Höhe des Übergangs zwischen Hauptreservoir 5 und Trichter 9. Die Elektroden dienen dem Anlegen eines elektrischen Feldes E, symbolisch dargestellt durch die Batterie 15. Im dargestellten Fall liegt am Vorkonzentratreservoir 7 der positive Pol der Batterie 15 an. Die Gesamtheit des Mikrodispensers, der in Figur 1 dargestellt ist, ist mit 2 bezeichnet. Ein solcher Mikrodispenser 2 wird wie folgt eingesetzt. Der Dispenser wird von oben mit ca. 1 bis 10 μl durch den Trichter 9 beladen. Dies kann z. B. mit Hilfe eines Pipettierroboters oder manuell erfolgen. Durch die Kapillarwirkung wird die Lösung in die Kapillare 4 im unteren Teil gezogen. Nach Anlegen eines elektrischen Feldes z. B. mit Hilfe der Batterie 15 wird das vorhandene Volumen bezüglich der Ladung der Inhaltsstoffe getrennt. Zum Beispiel bewegen sich bei der angedeuteten Polarität negative Teilchen nach unten. Bei der besonderen Anwendung bei der Behandlung von DNA bewegen sich z. B. negative DNA-Stränge nach unten und positive Ionen nach oben. Die Bestandteile werden so gemäß ihrer Polarität getrennt. Die negativ geladene DNA sammelt sich vorzugsweise um unteren Bereich in der Nähe der positiven Elektrode und führt so zu einer erhöhten Konzentration. Das kleinere untere Vorkonzentratreservoir (ca. 5 bis 50 nl) kann dann durch eine hier nicht näher interessierende Einrichtung z. B. auf piezoelektrischem Wege, thermisch oder durch Luftstoß auf ein geeignetes Substrat entleert werden. Ein solches Substrat kann z. B. eine Mikro-Titerplatte zur weiteren Untersuchung sein.The connection opening between the funnel 9 and the main reservoir 5 is denoted by 17. On the underside of the chip 1 there is the metal electrode 13 over the entire surface. The second electrode 11 is located between two layers of the chip 1 at the level of the transition between the main reservoir 5 and the funnel 9. The electrodes are used to apply an electrical field E, shown symbolically by the battery 15. In the case shown, the positive pole of the battery 15 is present at the preconcentrate reservoir 7. The entirety of the microdispenser, which is shown in FIG. 1, is designated by 2. Such a microdispenser 2 is used as follows. The dispenser is loaded with about 1 to 10 μl through the funnel 9 from above. This can e.g. B. using a pipetting robot or manually. Due to the capillary action, the solution is drawn into the capillary 4 in the lower part. After applying an electrical field z. B. with the help of the battery 15, the existing volume is separated with respect to the charge of the ingredients. For example, negative particles move downward at the indicated polarity. In the special application in the treatment of DNA, z. B. negative DNA strands down and positive ions up. The components are separated according to their polarity. The negatively charged DNA preferentially collects around the lower area in the vicinity of the positive electrode and thus leads to an increased concentration. The smaller lower preconcentrate reservoir (approx. 5 to 50 nl) can then be set up by a device that is not of interest here. B. can be emptied by piezoelectric means, thermally or by air blast on a suitable substrate. Such a substrate can e.g. B. be a micro-titer plate for further investigation.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Mehrfachdispenser gezeigt, der aus mehreren Mikrodispensem 2 zusammengesetzt ist. Die Anordnung kann eine beliebig große Anzahl von Mikrodispensem 2 enthalten, was durch die Punkte im rechten Teil der Figur angedeutet sein soll. Selbstverständlich lassen sich die einzelnen Mikrodispenser in einem einzelnen Chip 1 integrieren, der einstückig ausgebildet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform teilen sich die einzelnen Mikrodispenser 2 die Elektroden 11 und 13, die von der Spannungsquelle 15 versorgt werden.FIG. 2 shows a multiple dispenser according to the invention, which is composed of several microdispensers 2. The arrangement can contain any number of microdispensers 2, which is to be indicated by the dots in the right part of the figure. Of course, the individual microdispensers can be integrated in a single chip 1, which is formed in one piece. In the embodiment shown, the individual microdispensers 2 share the electrodes 11 and 13, which are supplied by the voltage source 15.
Figur 3 zeigt die entsprechende Ausführungsform von unten mit Blick auf die Oberfläche 19. Die einzelnen Öffnungen 3 der einzelnen Mikrodispenser 2 sind im Rastermaß a angeordnet. Vorteilhafterweise entspricht das Rastermaß zwischen den einzelnen Mikrodispenseröffnungen 3 dem Rastermaß einer zu befüllenden Mikro-Titerplatte, bzw. einem zu befüllenden Microarray. Typische Titerplatten haben z. B. 96 oder 384 Punkte. Die einzelnen Mikrodispenser 2 des Mehrfachdispensers werden wiederum z. B. mit einem Pipettierroboter befüllt. Einzelne Mikrodispenser können mit verschiedenen Flüssigkeiten bzw. mit verschiedenen zu untersuchenden DNA-Proben befüllt werden. Das elektrische Feld zur elektrophoretischen Vorkonzentration der geladenen Fragmente kann parallel an alle Reservoirs angelegt werden, da bei der gezeigten Ausführungsform die Elektroden 11 und 13 für alle Mikrodispenser eingesetzt werden. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform lassen sich die Elektroden der einzelnen Mikrodispenser 2 individuell ansteuern, so daß eine individuelle Steuerung der Vorkonzentration in den einzelnen Mikrodispensem 2 möglich ist.Figure 3 shows the corresponding embodiment from below with a view of the surface 19. The individual openings 3 of the individual microdispensers 2 are arranged in grid dimension a. The grid dimension between the individual microdispenser openings 3 advantageously corresponds to the grid dimension of a micro-titer plate to be filled or a microarray to be filled. Typical titer plates have e.g. B. 96 or 384 points. The individual microdispensers 2 of the multiple dispenser are in turn z. B. filled with a pipetting robot. Individual microdispensers can be filled with different liquids or with different DNA samples to be examined. The electrical field for the electrophoretic pre-concentration of the charged fragments can be applied in parallel to all reservoirs, since in the embodiment shown the electrodes 11 and 13 are used for all microdispensers. In an embodiment that is not shown, the electrodes of the individual microdispensers 2 can be controlled individually, so that individual control of the preconcentration in the individual microdispensers 2 is possible.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrfachdispensers. Die einzelnen Mikrodispenser 20 haben in ihrem Verlauf angepaßte Kapillarelemente 40. Der Bereich, in dem sich die Öffnungen 3 der Vorkonzentratreservoirs 7 befinden, ist mit A bezeichnet und vergrößert noch einmal in der Figur dargestellt. Mit einer solchen Anordnung, bei der die Kapillarelemente 40 auch eine laterale Distanz überwinden, ist es möglich, daß die Öffnungen 3 der Vorkonzentratreservoirs 7 ein anderes Rastermaß haben als die Öffnungen der Hauptreservoirs 5. So lassen sich die Auslässe 3 der Mehrfachdispenseranordnung an sehr kleine Mikro-Titerplatten, Microarrays oder andere Weiterverarbeitungseinrichtungen anpassen, ohne daß die Volumina der Hauptreservoirs 5 begrenzt sind.FIG. 4 shows a further embodiment of the multiple dispenser according to the invention. The course of the individual microdispensers 20 has adapted capillary elements 40. The area in which the openings 3 of the preconcentrate reservoirs 7 are located is designated by A and is shown again enlarged in the figure. With such an arrangement, in which the capillary elements 40 also overcome a lateral distance, it is possible that the openings 3 of the preconcentrate reservoirs 7 have a different grid dimension than the openings of the main reservoirs 5. Thus, the outlets 3 of the multiple dispenser arrangement can be of very small micro size Adapt titer plates, microarrays or other further processing devices without the volumes of the main reservoirs 5 being limited.
Eine planare Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikrodispensers ist in Figur 5 gezeigt. Auf einer Festkörperoberfläche 200 z. B. der Oberfläche eines kristallinen Festkörperchips sind Bereiche „bevorzugten Aufenthaltes" definiert, die miteinander verbunden sind. Bei der gezeigten Ausführungsform sind dies die Bereiche 500, 400 und 700. Die Bereiche 500 und 700 sind metallisch beschichtete Oberflächenbereiche, die das Hauptreservoir 500 und das Vorkonzentratreservoir 700 bilden. Der Bereich 400 ist ein nicht metallischer Bereich, der die Bereiche 500 und 700 miteinander verbindet. Die restliche Oberfläche des Festkörpers 200 ist silanisiert und somit hydrophob, so daß für den Einsatz von wäßrigen Lösungen die Benetzungseigenschaften derart sind, daß sich die Flüssigkeit auf den Bereichen 400, 500 und 700 bevorzugter aufhält als auf dem restlichen Bereich der Festkörperoberfläche 200. Die metallischen Bereiche 500 und 700 sind über entsprechende Verbindungen mit einer Spannungsquelle 15 verbunden. Bei der gezeigten Ausführungsform liegt der positive Pol der Spannungsquelle an dem Vorkonzentratbereich 700 an. Die gesamte derartige planare Mikrodispensereinheit ist mit 22 bezeichnet. Das Hauptreservoir kann z. B. einen Durchmesser von 500 μm, das Vorkonzentratreservoir einen Durchmesser von 100 bis 200 μm und der Bereich 400 eine Breite von 50 bis 100 μm haben.A planar configuration of the microdispenser according to the invention is shown in FIG. 5. On a solid surface 200 z. B. the surface of a crystalline solid state areas "preferred stay" are defined, which are connected to each other. In the embodiment shown, these are the areas 500, 400 and 700. The areas 500 and 700 are metallic coated surface areas, the main reservoir 500 and the Form preconcentrate reservoir 700. The area 400 is a non-metallic area which connects the areas 500 and 700. The remaining surface of the solid body 200 is silanized and thus hydrophobic, so that when using aqueous solutions the wetting properties are such that the Liquid is more preferably in the areas 400, 500 and 700 than on the remaining area of the solid surface 200. The metallic areas 500 and 700 are over corresponding Connections connected to a voltage source 15. In the embodiment shown, the positive pole of the voltage source bears against the preconcentrate region 700. The entire planar microdispenser unit of this type is designated by 22. The main reservoir can e.g. B. a diameter of 500 microns, the preconcentrate reservoir has a diameter of 100 to 200 microns and the area 400 have a width of 50 to 100 microns.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich eine Oberflächenwellenerzeu- gungseinrichtung 600 vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht die Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung 600 aus einem Interdigitaltransducer mit ineinander greifenden Fingerelektroden 603, die über flächige Elektroden 601 kontaktiert werden können. Das Substrat 200 ist piezoelektrisch (z. B. LiNbO3) oder im Bereich der Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtung piezoelektrisch beschichtet. Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes mit z. B. einigen 10 bis einigen 100 MHz erzeugt eine Oberflächenschallwelle, die sich in Richtung 605 und der entgegengesetzten Richtung ausbreitet. Die Wellenlänge dieser Oberflächenschallwelle entspricht in bekannter Weise dem Fingerabstand der Elektroden 603. Eine Oberflächenschallwelle wird erzeugt, wenn die anliegende Frequenz die Resonanzbedingung im wesentlichen erfüllt, also dem Quotienten aus Oberflächenschallgeschwindigkeit des Materiales und dem Fingerabstand entspricht. Zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen ist zumindest der Bereich der Oberflä- chenwellenerzeugungseinrichtung 600 piezoelektrisch beschichtet oder auf einem piezoelektrischen Substrat aufgebracht.In the embodiment shown, a surface wave generating device 600 is additionally provided. In the embodiment shown, the surface wave generating device 600 consists of an interdigital transducer with interlocking finger electrodes 603, which can be contacted via flat electrodes 601. The substrate 200 is piezoelectrically (for example LiNbO 3 ) or piezoelectrically coated in the region of the surface acoustic wave generating device. Applying an alternating electrical field with z. B. a few 10 to a few 100 MHz generates a surface acoustic wave that propagates in the direction 605 and the opposite direction. The wavelength of this surface sound wave corresponds in a known manner to the finger spacing of the electrodes 603. A surface sound wave is generated when the frequency applied essentially fulfills the resonance condition, that is to say corresponds to the quotient of the surface sound velocity of the material and the finger spacing. To generate surface acoustic waves, at least the area of the surface wave generating device 600 is piezoelectrically coated or applied to a piezoelectric substrate.
607 bezeichnet einen ebenfalls in seinen Benetzungseigenschaften derart ausgestalteten Bereich, daß er bevorzugt von der Flüssigkeit benetzt wird. Er stellt eine Art „Leiterbahn" für die Flüssigkeit dar. Entweder per Hand, per Pipettierroboter oder unter Einsatz eines Mikrodispensers, wie er in Figur 1 gezeigt ist, wird ein Tropfen DNA-Lösung auf das Hauptreservoir 500 pipettiert. Dieser Tropfen verteilt sich über die gesamte benetzende Fläche 500, 400, 700. Wird nun zwischen den als Elektroden ausgebildeten metallischen Reservoirflächen 500 und 700 eine elektrische Spannung angelegt, so bewirkt das in der Ebene gerichtete elektrische Feld eine elektrophoretische Trennung geladener Teilchen in der Flüssigkeit. Wird das Reservoir 700 z. B. positiv gegenüber dem Reservoir 500 geladen, so akkumuliert dort negative Ladung, also insbesondere DNA.607 denotes a region which is likewise designed in its wetting properties in such a way that it is preferably wetted by the liquid. It represents a kind of "conductor track" for the liquid. Either by hand, by pipetting robot or using a microdispenser, as shown in FIG. 1, a drop of DNA solution is pipetted onto the main reservoir 500. This drop is distributed over the Entire wetting surface 500, 400, 700. If an electrical voltage is now applied between the metallic reservoir surfaces 500 and 700 designed as electrodes, this causes electrical radiation directed in the plane Field electrophoretic separation of charged particles in the liquid. If the reservoir 700 z. B. positively charged with respect to the reservoir 500, negative charge accumulates there, in particular DNA.
Nachdem sich auf diese Weise eine vorkonzentrierte Lösung eingestellt hat, kann ein elektrisches Wechselfeld an den Interdigitaltransducer 600 angelegt werden. Die erzeugte Oberflächenschallwelle 605 überträgt ihren Impuls auf die vorkonzentrierte Lösung auf der Vorkonzentratfläche 700 und treibt diese aus dem Reservoirbereich. Über entsprechende Leiterbahnen 607 kann sich die Flüssigkeit zu anderen Untersuchungsorten bewegen oder von dem Chip vollständig zu einer anderen Einrichtung entleert werden.After a preconcentrated solution has been established in this way, an alternating electrical field can be applied to the interdigital transducer 600. The generated surface sound wave 605 transmits its impulse to the pre-concentrated solution on the pre-concentrate surface 700 and drives it out of the reservoir area. The liquid can move to other examination sites via corresponding conductor tracks 607 or can be completely emptied from the chip to another device.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform 32, die nicht in einen Chip integriert ist. 31 bezeichnet ein Plastikröhrchen, vorzugsweise aus biokompatiblem Kunststoff, mit einer Höhe von etwa 1 cm. Daran schließt sich eine metallische nach unten offene Spitze 43 mit einer Öffnung 33 an. Das Plastikröhrchen 31 ist nach oben hin mit der Öffnung 39 geöffnet. Der obere Bereich 35 entspricht einem Hauptreservoir, während der untere Bereich 37 ein Vorkonzentratreservoir darstellt, wobei Haupt- und Vorkonzentratreservoir durch die Kanalstrecke 34 miteinander verbunden sind. 38 bezeichnet schematisch die Flüssigkeitsoberfläche während des Einsatzes. Die metallische Spitze kann innenseitig beschichtet sein, um Kontakt mit der Flüssigkeit zu vermeiden.FIG. 6 shows an embodiment 32 which is not integrated in a chip. 31 denotes a plastic tube, preferably made of biocompatible plastic, with a height of about 1 cm. This is followed by a metallic tip 43 which is open at the bottom and has an opening 33. The plastic tube 31 is open at the top with the opening 39. The upper region 35 corresponds to a main reservoir, while the lower region 37 represents a preconcentrate reservoir, the main and preconcentrate reservoirs being connected to one another by the channel section 34. 38 schematically designates the liquid surface during use. The metallic tip can be coated on the inside in order to avoid contact with the liquid.
41 bezeichnet eine ringförmige Metallelektrode, die um das Plastikröhrchen 31 herum gelegt ist. Die untere Spitze 43 ist metallisch und kann direkt als Elektrode eingesetzt werden. Die Elektroden sind mit der Spannungsquelle 15 verbunden.41 denotes a ring-shaped metal electrode which is placed around the plastic tube 31. The lower tip 43 is metallic and can be used directly as an electrode. The electrodes are connected to the voltage source 15.
Eine solche Ausführungsform kann von oben durch die Öffnung 39 mit einer Flüssigkeit befüllt werden, die zu trennende Bestandteile aufweist. Ebenso kann ähnlich wie bei einer Pipette die Flüssigkeit durch die Öffnung 33 hindurch in die Ausführungsform 32 des Mikrodispensers gesaugt werden. Anlegen einer Spannung mit Hilfe der Spannungsquelle 15 an die Elektroden 41 und 43 in der gezeig- ten Polarität erzeugt eine Ladungstrennung. Die positiv geladenen Teilchen 45 in der Flüssigkeit bewegen sich nach oben und die negativen Teilchen 46 nach unten. Mit Hilfe z. B. eines pneumatischen Luftstoßes durch die Öffnung 39 wird der untere Bereich 37 der erfindungsgemäßen Ausführungsform 32 des Mikrodispensers nach unten z. B. auf eine Mikro-Titerplatte oder in ein Reaktionsgefäß entleert.Such an embodiment can be filled from above through the opening 39 with a liquid which has components to be separated. Similarly, similar to a pipette, the liquid can be sucked through the opening 33 into the embodiment 32 of the microdispenser. Applying a voltage by means of the voltage source 15 to the electrodes 41 and 43 in the shown The polarity creates a charge separation. The positively charged particles 45 in the liquid move upwards and the negative particles 46 downwards. With the help of e.g. B. a pneumatic air blast through the opening 39, the lower region 37 of the inventive embodiment 32 of the microdispenser down z. B. emptied onto a micro-titer plate or into a reaction vessel.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform 52, bei der das Kanalelement 54 eine geringere laterale Ausdehnung hat als das Vorkonzentratreservoir 57 und das Hauptreservoir 55. Bei einer solchen Ausführungsform wird die Trennung der positiv geladenen Teilchen 65 und der negativ geladenen Teilchen 66 bei Anlegen einer Spannung in gezeigter Polarität an die Spannungsquelle 15 gegenüber einer Ausführungsform der Figur 6 noch weiter verbessert. Ebenso wie die Ausführungsform der Figur 6 kann die Ausführungsform der Figur 7 auch befüllt werden, indem Flüssigkeit durch die Öffnung 53 hindurch in den Mikrodispenser 52 aufgesogen wird, oder das Hauptreservoir 52 von oben befüllt wird. 58 bezeichnet schematisch die Flüssigkeitsoberfläche während des Einsatzes. Anlegen eines pneumatischen Luftstoßes an die obere Öffnung 59 bewirkt eine Entleerung des Vorkonzentratreservoirs 57 durch die Öffnung 53, wiederum z. B. in ein Reaktionsgefäß oder auf den Punkt einer Mikro-Titerplatte.FIG. 7 shows an embodiment 52 in which the channel element 54 has a smaller lateral extent than the preconcentrate reservoir 57 and the main reservoir 55. In such an embodiment, the separation of the positively charged particles 65 and the negatively charged particles 66 when a voltage is applied is shown in FIG Polarity to the voltage source 15 is further improved compared to an embodiment of FIG. 6. Just like the embodiment in FIG. 6, the embodiment in FIG. 7 can also be filled by drawing up liquid through the opening 53 into the microdispenser 52, or by filling the main reservoir 52 from above. 58 schematically denotes the liquid surface during use. Applying a pneumatic air blast to the upper opening 59 causes the preconcentrate reservoir 57 to be emptied through the opening 53, again, for. B. in a reaction vessel or to the point of a micro-titer plate.
Die Ausführungsformen der Figuren 6 und 7 können z. B. mit Hilfe eines x-y-Aktuators oberhalb einer Mikro-Titerplatte bewegt werden, um deren einzelne Punkte spezifisch zu befüllen. Beide Ausführungsformen können auch trichterförmige Öffnungen zur einfacheren Befüllung aufweisen.The embodiments of Figures 6 and 7 can, for. B. with the help of an x-y actuator above a micro-titer plate to specifically fill its individual points. Both embodiments can also have funnel-shaped openings for easier filling.
Die Erfindung ermöglicht also eine einfache Vorkonzentration und Entleerung der vorkonzentrierten Flüssigkeit an definierten Orten. Der Aufbau ist kompakt, einfach und kostengünstig und läßt sich mit Mikrolaboratorien (Lab-on-the-chip) kompatibel verwenden bzw. integrieren. Es sind nur sehr kleine Probenmengen notwendig. Im speziellen bei der Untersuchung von DNA lassen sich auf diese Weise die Hybridi- sierungszeiten sehr stark verkürzen, da nur wenig Flüssigkeit gebraucht wird und die Konzentration entsprechend höher sein kann, auch wenn nur begrenzt Ausgangsmaterial vorhanden ist. The invention thus enables simple pre-concentration and emptying of the pre-concentrated liquid at defined locations. The structure is compact, simple and inexpensive and can be used or integrated in a compatible way with micro laboratories (lab-on-the-chip). Only very small amounts of sample are required. In particular when examining DNA, the hybridization times can be greatly reduced in this way, since only little liquid is required and the concentration can be correspondingly higher, even if only limited starting material is available.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrodispenser zur Erzeugung einer Vorkonzentration geladener Teilchen in einer kleinen Flüssigkeitsmenge, mit1. Microdispenser for generating a pre-concentration of charged particles in a small amount of liquid, with
- einem Hauptreservoir (5, 35, 55, 500) zur Aufnahme von Flüssigkeit,a main reservoir (5, 35, 55, 500) for holding liquid,
- einem Vorkonzentratreservoir (7, 37, 57, 700), das kleiner ist als das Hauptreservoir (5, 35, 55, 500), zur Aufnahme der vorkonzentrierten Flüssigkeit,a preconcentrate reservoir (7, 37, 57, 700) which is smaller than the main reservoir (5, 35, 55, 500) for receiving the preconcentrated liquid,
- einem Kanalelement (4, 34, 40, 54, 400) zur Verbindung von Hauptreservoir (5, 35, 55, 500) und Vorkonzentratreservoir (7, 37, 57, 700), und- A channel element (4, 34, 40, 54, 400) for connecting the main reservoir (5, 35, 55, 500) and preconcentrate reservoir (7, 37, 57, 700), and
- Mitteln (11 , 13; 41 , 43; 61 , 63; 500, 700) zum Anlegen eines elektrischen Feldes über das Kanalelement (4, 34, 40, 54, 400) vom Hauptreservoir (5, 500) zum Vorkonzentratreservoir (7, 37, 57, 700). - Means (11, 13; 41, 43; 61, 63; 500, 700) for applying an electric field via the channel element (4, 34, 40, 54, 400) from the main reservoir (5, 500) to the preconcentrate reservoir (7, 37, 57, 700).
2. Mikrodispenser nach Anspruch 1 , der einen Chip (1), vorzugsweise aus kristallinem Material oder Kunststoff, umfaßt und darin bzw. darauf integriert ist.2. Microdispenser according to claim 1, which comprises a chip (1), preferably made of crystalline material or plastic, and is integrated therein or thereon.
3. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der in einem Chip (1 ) mit zwei Hauptflächen (19, 21 ) gebildet ist, wobei das Vorkonzentratreservoir einen Hohlraum (7) mit einer ersten Öffnung (3) in Richtung einer Hauptfläche (19) des Chips (1 ) umfaßt, das Hauptreservoir einen größeren zweiten Hohlraum (5) mit einer größeren zweiten Öffnung (17) zu der zweiten Hauptfläche (21 ) umfaßt und das Kanalelement eine Kapillare (4) zwischen Hauptreservoir (5) und Vorkonzentratreservoir (7) umfaßt.3. Microdispenser according to one of claims 1 or 2, which is formed in a chip (1) with two main surfaces (19, 21), the preconcentrate reservoir having a cavity (7) with a first opening (3) in the direction of a main surface (19 ) of the chip (1), the main reservoir comprises a larger second cavity (5) with a larger second opening (17) to the second main surface (21) and the channel element has a capillary (4) between the main reservoir (5) and the preconcentrate reservoir (7 ) includes.
4. Mikrodispenser nach Anspruch 3, bei dem die Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes Elektroden (11 , 13) an der jeweils von der Kapillare (4) entfernten Seite des Hauptreservoirs (5) bzw. des Vorkonzentratreservoirs (7) umfassen und von außerhalb des Chips (1 ) kontaktierbar sind.4. Microdispenser according to claim 3, wherein the means for applying an electric field comprise electrodes (11, 13) on the side of the main reservoir (5) or the preconcentrate reservoir (7) remote from the capillary (4) and from outside the Chips (1) can be contacted.
5. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die zweite Öffnung einen trichterförmigen Zugang (9) umfaßt.5. Microdispenser according to one of claims 2 to 4, wherein the second opening comprises a funnel-shaped access (9).
6. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das Hauptreservoir (5) ein Volumen von 1 bis 10 μl aufweist.6. Microdispenser according to one of claims 2 to 5, wherein the main reservoir (5) has a volume of 1 to 10 ul.
7. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem das Vorkonzentratreservoir (7) ein Volumen von etwa 5 bis 50 nl aufweist.7. Microdispenser according to one of claims 2 to 6, wherein the preconcentrate reservoir (7) has a volume of about 5 to 50 nl.
8. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der auf einer Hauptfläche (200) eines Chips zur lateralen Bewegung der Flüssigkeitsmenge gebildet ist, und bei dem das Vorkonzentratreservoir (700), das Hauptreservoir (500) und das Kanalelement (400) Flächen umfassen, deren Benetzungseigenschaften sich von den Benetzungseigenschaften der umgebenden Hauptfläche des Chips derart unterscheiden, daß sich eine Flüssigkeit bevorzugt darauf aufhält, wobei die Fläche des Hauptreservoirs (500) größer ist als die des Vorkonzentratreservoirs (700). 8. A microdispenser according to claim 1 or 2, which is formed on a main surface (200) of a chip for laterally moving the amount of liquid, and in which the preconcentrate reservoir (700), the main reservoir (500) and the channel element (400) comprise surfaces , the wetting properties of which differ from the wetting properties of the surrounding main surface of the chip in such a way that a liquid is preferably present thereon, the area of the main reservoir (500) being larger than that of the preconcentrate reservoir (700).
9. Mikrodispenser nach Anspruch 8, bei dem die Mittel zum Anlegen eines elektrischen Feldes Elektroden im Bereich der Flächen des Hauptreservoirs (500) und des Vorkonzentratreservoirs (700) umfassen.9. A microdispenser according to claim 8, wherein the means for applying an electric field comprise electrodes in the area of the surfaces of the main reservoir (500) and the preconcentrate reservoir (700).
10. Mikrodispenser nach Anspruch 9, mit einer biokompatiblen Beschichtung zur Verhinderung des Kontaktes zwischen der Flüssigkeitsmenge und den Elektroden.10. Microdispenser according to claim 9, with a biocompatible coating to prevent contact between the amount of liquid and the electrodes.
11. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Hauptreservoir (500) und das Vorkonzentratreservoir (700) metallisierte Flächen umfassen, die die Elektroden bilden, und das Kanalelement (400) eine nicht metallisierte Fläche umfaßt.11. A microdispenser according to claim 9 or 10, wherein the main reservoir (500) and the preconcentrate reservoir (700) comprise metallized areas which form the electrodes, and the channel element (400) comprises a non-metallized area.
12. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei dem das Kanalelement mehrere parallele Streifen zwischen Vorkonzentratreservoir und Hauptreservoir umfaßt.12. Microdispenser according to one of claims 8 to 11, wherein the channel element comprises a plurality of parallel strips between the preconcentrate reservoir and the main reservoir.
13. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 8 bis 12, mit einer Oberflächenwel- lenerzeugungseinrichtung (600) zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen (605) in Richtung des Vorkonzentratreservoirs (700) zur Entleerung des Vorkonzentratreservoirs (700) durch Impulsübertrag auf eine dort befindliche Flüssigkeit.13. Microdispenser according to one of claims 8 to 12, with a surface wave generating device (600) for generating surface sound waves (605) in the direction of the preconcentrate reservoir (700) for emptying the preconcentrate reservoir (700) by pulse transmission to a liquid located there.
14. Mikrodispenser nach Anspruch 13, bei dem die Oberflächenwellenerzeugungs- einrichtung (600) einen vorzugsweise getaperten Interdigitaltransducer umfaßt.14. The microdispenser according to claim 13, wherein the surface wave generating device (600) comprises a preferably tapered interdigital transducer.
15. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die Flächen von Hauptreservoir (500), Vorkonzentratreservoir (700) und Kanalelement (400) derart ausgestaltet sind, daß die sie umgebende Oberfläche (200) hydrophober ist als die Flächen des Hauptreservoirs (500), des Vorkonzentratreservoirs (700) und des Kanalelementes (400). 15. Microdispenser according to one of claims 8 to 14, in which the surfaces of the main reservoir (500), preconcentrate reservoir (700) and channel element (400) are designed in such a way that the surface (200) surrounding them is more hydrophobic than the surfaces of the main reservoir ( 500), the preconcentrate reservoir (700) and the channel element (400).
16. Mikrodispenser nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem sich das Kanalelement (4, 40, 400) mäanderförmig zwischen Hauptreservoir (5, 500) und Vorkonzentratreservoir (7, 700) erstreckt.16. Microdispenser according to one of claims 1 to 15, wherein the channel element (4, 40, 400) extends in a meandering shape between the main reservoir (5, 500) and the pre-concentrate reservoir (7, 700).
17. Mehrfachdispenser mit mehreren Mikrodispensem nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in regelmäßiger Anordnung.17. Multiple dispenser with several microdispensers according to one of claims 1 to 16 in a regular arrangement.
18. Mehrfachdispenser nach Anspruch 17, bei dem die Mikrodispenser über individuelle Elektroden einzeln ansteuerbar sind.18. Multiple dispenser according to claim 17, in which the microdispensers can be controlled individually via individual electrodes.
19. Mehrfachdispenser nach Anspruch 17, bei dem sich mehrere Mikrodispenser (2, 20, 22) jeweils die Elektroden teilen.19. Multiple dispenser according to claim 17, in which a plurality of microdispensers (2, 20, 22) each share the electrodes.
20. Mehrfachdispenser nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die Mikrodispenser (2, 20, 22) in einer Arrayanordnung angeordnet sind, vorzugsweise kompatibel zu den Ausmaßen konventioneller Mikro-Titerplatten.20. Multiple dispenser according to one of claims 17 to 19, in which the microdispensers (2, 20, 22) are arranged in an array arrangement, preferably compatible with the dimensions of conventional micro-titer plates.
21. Mehrfachdispenser nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Kanalelemente (40) der Mikrodispenser (20) derart geformt sind, daß die regelmäßige Anordnung des Vorkonzentratreservoirs (7, 700) ein kleineres Rastermaß als die regelmäßige Anordnung der Hauptreservoirs (5, 500) hat.21. Multiple dispenser according to one of claims 17 to 20, in which the channel elements (40) of the microdispenser (20) are shaped such that the regular arrangement of the preconcentrate reservoir (7, 700) has a smaller grid dimension than the regular arrangement of the main reservoirs (5, 500).
22. Verfahren zur Vorkonzentration geladener Teilchen in kleinen Flüssigkeitsmengen, bei dem die kleine Flüssigkeitsmenge in bzw. auf ein Hauptreservoir (5, 35, 55, 500) gebracht wird, das über ein Kanalelement (4, 34, 40, 54, 400) mit einem Vorkonzentratreservoir (7, 37, 57, 700) in Verbindung steht, und ein elektrisches Feld in einer Richtung erzeugt wird, die im wesentlichen parallel zur Richtung zwischen Hauptreservoir (5, 35, 55, 500) und Vorkonzentratreservoir (7, 37, 57, 700) ist.22. A method for preconcentrating charged particles in small amounts of liquid, in which the small amount of liquid is brought into or onto a main reservoir (5, 35, 55, 500) via a channel element (4, 34, 40, 54, 400) a preconcentrate reservoir (7, 37, 57, 700) is connected, and an electric field is generated in a direction which is substantially parallel to the direction between the main reservoir (5, 35, 55, 500) and the preconcentrate reservoir (7, 37, 57 , 700).
23. Verwendung eines Mikrodispensers nach einem der Ansprüche 1 bis 16 bzw. eines Mehrfachdispensers nach einem der Ansprüche 17 bis 21 oder eines Verfahrens nach Anspruch 22 zur Vorkonzentration von Desoxyribonukleinsäure (DNA) in einer Pufferflüssigkeit. 23. Use of a microdispenser according to one of claims 1 to 16 or a multiple dispenser according to one of claims 17 to 21 or a method according to claim 22 for preconcentration of deoxyribonucleic acid (DNA) in a buffer liquid.
PCT/EP2002/008651 2001-08-22 2002-08-02 Micro-dispenser and pre-concentration method WO2003018197A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2001141148 DE10141148B4 (en) 2001-08-22 2001-08-22 microdispenser
DE10141148.0 2001-08-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2003018197A1 true WO2003018197A1 (en) 2003-03-06

Family

ID=7696249

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2002/008651 WO2003018197A1 (en) 2001-08-22 2002-08-02 Micro-dispenser and pre-concentration method

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10141148B4 (en)
WO (1) WO2003018197A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19628178C1 (en) * 1996-07-12 1997-09-18 Bruker Franzen Analytik Gmbh Loading matrix-assisted laser desorption-ionisation sample plate for mass spectrometric analysis
WO2000062934A1 (en) * 1999-04-16 2000-10-26 Orchid Biosciences, Inc. Liquid transportation system for microfluidic device
US6238538B1 (en) * 1996-04-16 2001-05-29 Caliper Technologies, Corp. Controlled fluid transport in microfabricated polymeric substrates

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CA2301557A1 (en) * 1997-09-19 1999-04-01 Aclara Biosciences, Inc. Apparatus and method for transferring liquids

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6238538B1 (en) * 1996-04-16 2001-05-29 Caliper Technologies, Corp. Controlled fluid transport in microfabricated polymeric substrates
DE19628178C1 (en) * 1996-07-12 1997-09-18 Bruker Franzen Analytik Gmbh Loading matrix-assisted laser desorption-ionisation sample plate for mass spectrometric analysis
WO2000062934A1 (en) * 1999-04-16 2000-10-26 Orchid Biosciences, Inc. Liquid transportation system for microfluidic device

Also Published As

Publication number Publication date
DE10141148B4 (en) 2005-07-14
DE10141148A1 (en) 2003-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1311655B1 (en) Device and method for making electrical contact with biological cells suspended in a fluid
EP1286774B1 (en) Device and method for manipulating small quantities of materials
EP1420875B1 (en) Motion element for small quantities of liquid
EP0172896B1 (en) Method and plant for simultaneously bringing a plurality of liquid samples on an object supporting plate
EP1019718B2 (en) Device and method for examining cells using the patch-clamp method
DE10164357B4 (en) titration
WO2002082053A2 (en) Method and device for manipulating small amounts of liquid and/or particles contained therein
EP1409722B1 (en) Method for analysing macromolecules
EP1349916A2 (en) Device and method for analyzing ion channels in membranes
DE10120035B4 (en) Method and device for manipulating small quantities of liquid on surfaces
EP1843833A1 (en) Method and device for dosing and mixing small amounts of liquid
DE10136008B4 (en) Method for analyzing macromolecules and method for producing an analysis device
DE10142788A1 (en) To form a thin liquid film on a carrier, for chemical/biological sample analysis, the flat carrier is shrouded by a spaced cover, for liquid to pass through a passage drilling and spread by capillary action
EP1833598B1 (en) Method and device for dosing and mixing small amounts of liquid
DE10141148B4 (en) microdispenser
DE10164358C2 (en) Characterization process for functionalized surfaces
DE10202887B4 (en) Cell analysis method
WO2002094442A1 (en) Biosensor chip/dispenser arrangement and method for dispensing a solution to be dispensed using said dispenser device on a biosensor chip
DE102005000834B4 (en) Method and device for metering and mixing small quantities of liquid
EP1404447A1 (en) Analysis device
DE102004025269A1 (en) Biochip cell, useful for performing rapid DNA assays, e.g. for assessing response to treatment, comprises a chip substrate, with analytical islands on its surface, and a sealed cover

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZM ZW

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TN TR TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZM

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC PT SE SK TR BF BJ CF CG CI GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG US

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP