EP1833598A1 - Verfahren und vorrichtung zur dosierung und durchmischung kleiner fl]ssigkeitsmengen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur dosierung und durchmischung kleiner fl]ssigkeitsmengen

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EP1833598A1
EP1833598A1 EP05818698A EP05818698A EP1833598A1 EP 1833598 A1 EP1833598 A1 EP 1833598A1 EP 05818698 A EP05818698 A EP 05818698A EP 05818698 A EP05818698 A EP 05818698A EP 1833598 A1 EP1833598 A1 EP 1833598A1
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reaction
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    • Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation
    • Y10T436/2575—Volumetric liquid transfer

Definitions

  • the invention relates to a method for metering and mixing small amounts of liquid, a device and an apparatus for carrying out the method and a use.
  • Diagnostic assays are now largely automated.
  • defined volumes of sample liquid and reagents are pipetted into a cuvette or into the well of a microtiter plate and mixed.
  • a first reference measurement is carried out in which, for example, the optical transmission through the cuvette is determined.
  • a second measurement of the same parameter is made. By comparing the two measured values results in the concentration of the sample with respect to a particular ingredient or even the presence of the ingredient.
  • Typical volumes are in the sum of a few hundred microliters, whereby necessary mixing ratios of sample to reagent between 1: 100 and 100: 1 can occur.
  • reagents may be provided for mixing with a sample.
  • high throughput instruments which are typically found in specialized laboratories, there are also efforts to make assays decentralized and without much instrumental effort. It would be desirable if the recently introduced "lab-on-a-chip" technology could be used, in which the processing of liquids integrated on or in a chip by can be performed. Assay times of less than one hour are desirable.
  • microfluidic systems are used in which liquid is moved by electro-osmotic potentials, see, for example, Anne Y. Fu, et al. "A micro-fab- ricated fluorescence-activated cell sorter", Nature Biotechnology Vol. 17, November 1999, p. 1109 ff.
  • a method for mixing liquids in the microliter range is described in DE 103 25 307 B3, in which small volumes of liquid are mixed in microtiter plates with the aid of sound-induced flow.
  • Another method for generating movement in small amounts of liquid on a solid surface describes DE 101 42 789 Cl.
  • a liquid is mixed with the help of surface sound waves or mixed several liquids together.
  • an amount of liquid is brought to a region of a substantially planar surface whose wetting properties differ from the surrounding surface in such a way that the liquid preferably remains on it, being held together by its surface tension , Movement of the amount of liquid can be generated by the momentum transfer of a surface acoustic wave to the liquid.
  • the integration of metering and mixing of sample and reagents in a low-cost lab-on-the-chip system is problematic.
  • a homogeneous mixing of different such small amounts of liquid is difficult to implement.
  • the wetting properties of the surface can determine a volume, as described in DE 100 55 318 A1.
  • the volumes are defined by hydrophilic and hydrophobic regions over the wetting angle on a substantially smooth surface. If several volumes have been defined in this way which are to be reacted, the volumes are moved toward one another in order to achieve this.
  • channels of defined cross-section which are filled with liquid capillary. If the liquid is an aqueous solution, then at the end of the channel a hydrophobic barrier is attached, which can not be capillary filled. Furthermore, there is a lateral branch on this channel with a likewise hydrophobic surface, which can not be capillary filled.
  • the cross-section and length of the channel between the hydrophobic barrier and the hydrophobic branch now define a volume which can be separated and moved by pneumatic pressure through the branch (Bums et al., An integrated nanoliter DNA analysis device, Science 282, 484 (1998) )).
  • liquid in the present text includes, among others, pure liquids, mixtures, dispersions and suspensions and
  • Liquids containing solid particles such as biological material.
  • dosing and mixing liquids may also be two or more solutions that differ only in ingredients dissolved therein that are to be reacted.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device with the aid of which a precise metering of liquid quantities in a large dynamic range is easy to carry out and which enable complete mixing of the liquids.
  • the method should be feasible in a compact lab-on-the-chip system.
  • a metering reservoir is completely filled with a first liquid which communicates with a reaction reservoir via at least one connecting structure, wherein the connecting structure is preferably dimensioned in relation to the reservoir such that the surface tension of the first liquid prevents entry into the reaction reservoir.
  • the cross-section of the connection structure may be chosen to be smaller than the cross-section of the reaction reservoir.
  • the reaction reservoir is completely filled with a second liquid, so that the second liquid at the connection structure comes into contact with the first liquid.
  • a flow pattern is generated in the liquid in or on the reaction reservoir, which leads to thorough mixing of the liquids, the flow pattern being maintained until complete homogenization of the liquids.
  • a laminar flow pattern is generated.
  • the laminar flow pattern can be generated directly in the reaction reservoir. It is also possible that the laminar flow is generated in at least one connecting structure in the direction of the reaction reservoir and in this way acts in the reaction reservoir. Finally, it is also possible to excite the laminar flow in the metering reservoir with a corresponding geometric configuration, so that it acts on the connection structure in the reaction reservoir.
  • the amount of the first liquid to be metered is determined in the metering reservoir.
  • the first liquid is prevented from entering the reaction reservoir.
  • the surface tension prevents the liquid from entering the reaction reservoir. Only when the first liquid When it comes into contact with the second liquid which has been brought into or onto the reaction reservoir, a liquid exchange can take place. Due to the smaller cross section of the connecting channel structure, the liquid exchange due to diffusion is negligible. Only by generating a corresponding flow pattern in the reaction reservoir effective mixing is effected.
  • the amount of the second liquid is determined by the size of the reaction reservoir.
  • the mixing ratio between reagents and sample liquid may be set between 1: 100 to 100: 1.
  • the flow pattern can be generated by irradiation of sound waves into the liquid on or in the second reservoir or in the direction of the second reservoir.
  • surface acoustic waves can be used, which can be generated in a conventional manner by means of an interdigital transducer on a piezoelectric chip which is attached to the device. Either the momentum transfer of the surface acoustic waves is used directly or with the help of the surface acoustic wave generated sound waves.
  • the term surface acoustic waves in the present text also includes interfacial sound waves at the interfaces between two solids.
  • the reservoirs and the connection structures can be designed in three dimensions or two dimensions. So can the reservoirs and Connection structures be correspondingly shaped recesses in an O ber Assembly. Other configurations are correspondingly shaped cavities.
  • the reservoirs and connecting structures are formed by correspondingly shaped areas of a surface, which are wetted by the liquids more preferably than the surrounding areas of the surface.
  • surfaces that are hydrophilic compared to their environment are selected for the reservoirs and interconnect structures. Such wetting-modulated surfaces are described, for example, in DE 100 55 318 A1. The liquids are held together on the preferably wetted areas by their surface tension as drops.
  • connection structure may be a correspondingly dimensioned opening between the metering reservoir and the reaction reservoir.
  • a particularly precise process procedure makes use of the capillary force in a connection capillary structure, which is wetted by the first liquid and is removed by the capillary forces from the dosing reaction. servoir is filled. At the point of entry of the connecting capillary structure into the reaction reservoir, the capillary forces abruptly decrease due to the enlarged cross section, so that leakage of the first liquid from the connecting capillary structure into the reaction reservoir is prevented. Only when the second liquid is introduced into the reaction reservoir or is applied to the reservoir surface, does the second liquid enter into contact with the first liquid, so that thorough mixing can take place.
  • the reservoirs are filled by filling openings in an embodiment of the metering, which are preferably in the upper end of the reservoir.
  • the metering reservoir can be formed by a correspondingly dimensioned volume.
  • a reservoir capillary structure is used as the metering reservoir, which has at least two openings along its extent. Through an opening, the capillary structure can be filled. Liquid enters through the first opening and, driven by the capillary force, moves to the second opening.
  • the reservoir capillary structure is selected as a capillary structure such that the liquid front of the moving liquid occupies the entire cross-section of the capillary structure. Apart from the filling opening and the second opening, no further openings are opened in the system. At the second opening the liquid stops its movement.
  • an exact volume in the reservoir capillary structure is defined by the distance between the two ports to allow accurate metering.
  • two second openings arranged symmetrically with respect to the filling opening are used. The liquid volume of the liquid metered in such a reservoir capillary structure then corresponds to the distance between these two second openings.
  • a further development uses a reservoir capillary structure with a plurality of such selectable openings, which are opened depending on the desired metering volume of the first fluid. If further openings are opened from the opening used as the filling opening, the liquid can enter these openings and occupy a larger volume.
  • the metering reservoir in this process corresponds to the volume of the reservoir capillary structure filled with the first fluid.
  • the remaining part of the reservoir capillary structure is part of the reaction reservoir.
  • open filling structures can be used, which are connected via feeds to the metering reservoir or the reaction reservoir.
  • the respective liquid can be introduced manually or automatically, for example by means of a pipette. Through the respective supply, the liquid enters the respective reservoir.
  • the filling structures are also selected accordingly.
  • the feeds may then be, for example, appropriately sized channels.
  • the feed or the feeders are selected as a capillary structure. The liquid to be introduced then moves independently from the filling structure into the respective reservoir due to the capillary forces.
  • Another advantageous embodiment of the method according to the invention employs a plurality of preferably differently sized metering reservoirs, which communicate with the reaction reservoir via connection structures.
  • the metering reservoirs are connected to a filling opening.
  • the connecting structures between the individual metering reservoirs and the reaction reservoir can initially be closed in one embodiment and be opened to select the desired metering reservoir.
  • the desired metering reservoir with the desired volume is selected by closing the remaining connection structures to the other metering reservoirs.
  • connection structures are initially closed, wherein the desired connection structures are melted before use in order to establish a connection.
  • connection structures are initially open and the unnecessary connection structures are closed by a melting process before use.
  • connection between the two liquids is made via a small "bridge drop", which is brought between the two liquids and creates a liquid bridge.
  • the bridge drop has a smaller volume than both the first and the second amount of liquid.
  • connection structure between a metering reservoir and the reaction reservoir.
  • the fluid exchange - driven for example by sound waves - take place in a circuit until a complete homogenization of the liquids has occurred.
  • the inventive method is not limited to the metered addition of a liquid amount to a second amount of liquid.
  • a device according to the invention with which the method according to the invention can be carried out has at least one metering reservoir for a first quantity of liquid. Furthermore, a reaction reservoir for a second amount of liquid and at least one connection structure between the two reservoirs is provided. The connection structure is preferably dimensioned in relation to the reservoir such that the first liquid can not enter the reaction reservoir due to its surface tension. Finally, the device according to the invention has a device for generating preferably a laminar flow pattern for the mixing of liquid in the reaction reservoir.
  • a preferred embodiment has at least one sound wave generating device for irradiating sound waves into the reaction reservoir or in the direction of the reaction reservoir.
  • the at least one sound wave generating device is formed by a surface acoustic wave generating device, in particular by an interdigital transducer on a piezoelectric chip.
  • the reservoirs and the at least one connecting structure may be formed as depressions or cavities in a solid body.
  • the reservoirs and connecting structures are formed by correspondingly shaped regions of a surface, which are wetted by the liquids more preferably than the surrounding regions of the surface. che. Such wetting-modulated surfaces are described, for example, in DE 100 55 318 A1.
  • a three-dimensional embodiment of the metering device according to the invention may comprise wells in a solid, which are closed by a lid to form the reservoir or connection structure.
  • the lid can be made in a simple manner from a film, preferably made of plastic.
  • An apparatus according to the invention with which the method according to the invention can be carried out using a device according to the invention comprises a receptacle for a device according to the invention.
  • the at least one device for generating a flow pattern is electrically contacted.
  • the apparatus of the invention further comprises controllable filling devices, for. As pipettes or dispensers, which are arranged in the receptacle inserted device above the filling structures.
  • the apparatus has a control for controlling the timing of a protocol, which performs the control of the device for generating the flow pattern and the filling devices.
  • Preferred embodiments include opening devices for opening individual filling structures, ventilation openings or barrier structures or devices for closing individual barrier structures.
  • the apparatus of the invention can also fulfill other functions with appropriate equipment, if z. B. a heater for Temperature control is provided. Finally, the z. B. electrical or optical evaluation with integrated.
  • the method according to the invention can be carried out simply and automatically. Disposable parts can be used without problems as devices according to the invention for integrated metering and mixing.
  • the method according to the invention, the device according to the invention and the apparatus according to the invention can be used particularly effectively for the metering and mixing of biological fluids in which a precise metering of very small amounts of liquid is necessary.
  • FIG. 1 is a plan view of a metering device according to the invention in the open state
  • FIG. 1 shows a cross section in the direction of view II through the embodiment of Fig. 1, 3 is a plan view of a further embodiment of a metering device according to the invention
  • Fig. 5 is a plan view of a fourth embodiment of the metering device according to the invention.
  • FIG. 6a-6f different stages in the implementation of a method according to the invention with this embodiment.
  • Fig. 1 shows a plastic part 5 with chambers 1, 3.
  • the plastic part 5 can be produced for example by injection molding.
  • the cover of the chamber is effected by a thin laminated plastic film 2, which is visible in Fig. 2 and not shown in Fig. 1, in order to illustrate the inner workings of the plastic part 5.
  • Reference numeral 13 denotes the wall between the chambers 1 and 3.
  • Fig. 1 the layers of the filling openings 7 and 9 are indicated, which are provided in the plastic film 2, which is not shown in Fig. 1, however.
  • an acoustic chip 15 which may be, for example, a piezoelectric solid-state chip on which an interdigital transducer for generating surface acoustic waves is applied in a conventional manner.
  • the interdigital transducer is designed in such a way that the surface sonically allow a Schallwellenabstrahlung in the reaction chamber 1.
  • the emission of sound waves into a liquid volume separated by a solid from the surface acoustic wave generating interdigital transducer is described in DE 103 25 307 B3.
  • the acoustic chip 15 can also be provided on the film 2 or in a side region.
  • the acoustic chip 15 is connected via electrical connections, not shown, to an AC voltage source with which an AC voltage of a frequency of a few 10 MHz can be generated in order to produce surface acoustic waves with the interdigital transducer, which lead to the emission of sound waves into the reaction chamber 1.
  • acoustic chip 15 The location of the acoustic chip 15 is indicated in Fig. 1, although the chip would not be visible in this view per se, as in the embodiment shown it is attached to the underside of the device.
  • the acoustic chip is drawn in the form of parallel lines which are only intended to schematically indicate the alignment of the individual finger electrodes of the interdigital transducer on the piezoelectric chip 15.
  • the emission direction of the surface acoustic waves of such an aligned interdigital transducer is perpendicular to the alignment of the finger electrodes.
  • the necessary size of the serving as a reaction reservoir chamber 1 depends on the frequency of the sound waves used. The smallest
  • Expansion should be much larger than the wavelength of the sound used.
  • the extent of the reaction chamber 1 in the direction of propagation of the sound waves should be approximately one order of magnitude greater than the extent of the bottlenecks 11.
  • the smallest extent of the reservoirs is, for example, 1 mm to 10 mm in the case of ner sound wavelength of, for example, 100 microns.
  • the total length of the channel system is a few centimeters.
  • the filling openings 7, 9 are at least an order of magnitude smaller than the reaction chamber 1.
  • the device according to the invention of this embodiment is used as follows.
  • the reaction reservoir comprises, for example, 100 .mu.l or 150 .mu.l while the metering reservoir holds 5 .mu.l.
  • Such fluid volumes are particularly characteristic of many diagnostic applications.
  • the metering reservoir 3 is filled by the filling hole 7 with a first liquid, which can be done, for example, by capillary action.
  • the liquid will remain at the bottlenecks 11, since here the capillary force is abruptly lower because of the larger diameter of the reservoir 1.
  • the reservoir 1 is filled through the filling holes 9 with a second liquid.
  • a possible supernatant of liquid on the respective filling holes 7, 9 is not critical.
  • the liquid of this supernatant does not participate in the following mixing process for geometrical reasons, in particular when the following mixing process is effected by a laminar flow pattern.
  • the volumes of the two liquids have now been defined geometrically, without the need for high precision of the filling devices used, for example pipettes.
  • the liquids are in contact. Diffusion takes place due to the narrow cross-section of the bottlenecks 11 only to a negligible extent.
  • a homogeneous mixing of the entire liquid quantities is achieved with the aid of the acoustic chip 15.
  • By applying an AC voltage to the acoustic chip acoustic energy is radiated into the defined volumes of the liquids and a laminar flow pattern is generated.
  • the liquids or their ingredients are mixed and, if necessary, reacted.
  • the result of this reaction can be optically or electrically read. It is advantageous that the filling holes 7, 9 do not have to be closed.
  • the metering and mixing of the liquids thus takes place in a cost-effective optionally configured as a disposable cartridge device 5.
  • the dosing is also very simple. Even if it comes to a supernatant on the filling holes, this will not participate in the mixing reaction for geometric reasons and / or due to the laminar flow pattern used.
  • Fig. 3 shows another embodiment of a metering device according to the invention. Shown here is the section of a plastic body 105 which contains the metering device, which likewise comprises recesses in the plastic structure 105. Visible is the reaction reservoir 101 with filling holes 109. 103 shows a capillary structure with a plurality of openings, wherein the opening 107 serves as a filling opening. The capillary structure 103 represents a metering capillary structure, which communicates with the reaction reservoir 101 via connection capillary structures 111. The entire structure is also finished with a plastic film. In this embodiment too, the openings 107, 109, 121 and 122, which are not visible in the opened representation, are indicated in order to represent their relative position. Also indicated in its position is arranged below the device and therefore not actually visible in the representation acoustic chip 115 with an interdigital transducer. The acoustic chip 115 corresponds to the chip 15 described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the capillary structure 103 thereby causes the front of the liquid to fill the entire cross section of the capillary structure 103. If no further vent holes are opened, a back pressure builds up, which leads to the
  • the residual volume in channel 103 and the connection capillary structures 111 can be filled by filling via the reaction reservoir 101 through the then openable openings 109. The residual volume of the channel 103 then counts to the reaction reservoir.
  • the characteristic dimensions of an embodiment according to FIG. 3 correspond to the characteristic dimensions of the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the setting of different mixing ratios in a simple manner possible Depending on how much of the first liquid of the second liquid is to be added, the corresponding openings 121, 122 are opened. This can be done, for example, by simply piercing the plastic film at appropriately marked locations.
  • the further mode of operation essentially corresponds to the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • Fig. 4 shows another embodiment.
  • a plurality of metering reservoirs 203, 223 are provided, which communicate with the reaction reservoir 201 via connection capillary structures 211, 212.
  • the metering reservoirs 203, 223 have volumes of different sizes and communicate via a connecting channel structure 216.
  • In the connecting channel structure 216 is the filling opening 207.
  • the metering reservoirs 203, 223 have ventilation openings 221.
  • the connection channel 216 is likewise connected to the reaction reservoir 201 via a connection capillary structure 210.
  • the structure 210 also includes a vent hole 221.
  • filling openings 209 are provided.
  • 217, 218, 219, 220 and 224 illustrate schematically barrier structures.
  • the entire metering device of FIG. 4 is provided in a plastic part which is closed by a foil with openings 207, 209, 221. It may also be a disposable part in the metering device of FIG. 4, which is prefabricated ex works.
  • the barrier structures 217, 218, 219, 220, 224 are initially designed to be closed.
  • the filling openings 207, 209 or the ventilation openings 221, which are not visible per se in the opened representation, are indicated in their position.
  • an acoustic chip 215, which corresponds to the already described acoustic chip 15, 115, is located below the arrangement of FIG. 4.
  • the acoustic chip 215 is indicated in Fig. 4, although it is not visible in this representation per se, since it is located below the arrangement.
  • the characteristic dimensions correspond to the characteristic dimensions of the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the metering reservoir 223 is selected. After the selection is made, the respective barriers 217, 219 adjoining the metering reservoir 223 are melted, for example, by a heater or laser energy. This can be done, for example, with the aid of a machine that processes the dosing device.
  • the appropriately selected metering reservoir 223 can then be filled via the filling opening 207 and used for metering.
  • the dosage is carried out similarly as described for example in the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • the dimensions of the structures are selected so that filling of the metering reservoir can be effected by the action of the capillary force. Alternatively, a filling can be done with pressure.
  • the vent opening 221 is arranged so that a complete filling of the reservoir is possible.
  • the procedure is analogous using the corresponding barrier structures 218, 220 and the connection capillary structure 212.
  • Another embodiment of this embodiment includes no barrier structures 217, 219 ex factory. Before the application, it is first decided again which of the metering reservoirs 203, 223 is to be used. If z. For example, if the metering reservoir 223 is selected, the other metering reservoir 203 is decoupled with the aid of a machine which, at the locations of the barriers 218, 220 which are adjacent to the metering reservoir 203 not to be used, melts the corresponding connection channel structures by application of heating energy or laser energy.
  • the individual metering reservoirs 203, 223 can each be connected to the reaction reservoir 201 via a plurality of connecting capillary structures 211, 212, which are open when the corresponding metering reservoir is selected.
  • connection capillary structure 210 may be provided, which connects the connection channel 216 with the reaction reservoir 201.
  • This connection capillary structure 210 also includes a vent opening 221 and optionally a barrier structure 224.
  • the additional channel 210 can serve to form a circuit which promotes effective mixing. After one of the dosing voirs 203, 223, it is filled. For the purpose of the description, this in turn is the metering reservoir 223. First, a configuration is described in which the barrier structures 217, 218, 219, 220, 224 are initially closed. To fill the reservoir 223, the barrier structure 217 is melted as described.
  • Liquid is introduced through the filling opening 207, which fills the metering reservoir 223 and the connecting capillary structure 211. Also, the connection capillary structure 210 is filled with this liquid. The filling takes place for example by capillary force.
  • the barrier structures 219, 224 can be melted.
  • the liquid does not enter the reservoir 201 due to the capillary action which abruptly decreases at the entry points of the connection capillary structures 211, 210 into the reservoir 201.
  • Filling the reservoir 201 through the apertures 209 with a second liquid causes the liquids to contact each other at the entry points of the interconnecting capillaries 210, 211.
  • Generating, for example, laminar flow with the acoustic chip 215 then causes effective mixing of the liquids. This can lead to a circulation movement of the liquids.
  • the barrier structure 224 can also be completely dispensed with.
  • the connecting capillary structure 210 definitely participates in the circulatory process, so that decoupling is not necessary.
  • the barrier structures 219, 224 only after the introduction of the second liquid in the reservoir 201 melted. Otherwise the procedure is the same.
  • the connection structures 210, 211, 212 need not necessarily be able to exert capillary action on the liquids.
  • barrier structures 217, 218, 219, 220, 224 which are originally open.
  • first liquid is introduced. Due to the capillary action, this flows into the metering reservoirs 203, 223 and into the connection capillary structures 210, 211, 212. They do not enter the reaction reservoir 201, since the capillary action at the points of entry of the connection structures 210, 211, 212 into the reaction reservoir 201 is torn off , It is only now decided which dosing reservoir, and therefore which dosing volume of the first liquid, should be used. For the purpose of the present description, this in turn is the metering reservoir 223.
  • the barrier structures 218, 220 are then sealed as described and thus uncoupling the unused metering reservoir 203 with the liquid therein. Second liquid is then filled into the reaction reservoir 201. The subsequent procedure corresponds to the already described cycle procedure.
  • Fig. 5 shows the schematic plan view of a further embodiment of a metering device according to the invention.
  • the entire assembly 50 is disposed on the surface of a plastic carrier 305.
  • the reaction reservoir 1 is formed, for example, by a milled recess of 1 mm depth and has a volume of, for example, 20 ⁇ l.
  • this is followed by two metering reservoirs 303, which are formed, for example, by depressions milled with a depth of 1 mm, each with a volume of 10 ⁇ l.
  • the dosing reservoirs close over two bottlenecks 311 to the reaction reservoir 301 at.
  • filling structures 307 and 309 are connected to the metering reservoir 303 and to the reaction reservoir 301, respectively.
  • the filling structures 307, 309 are likewise formed by, for example, 1 mm deep depressions in the plastic carrier 305.
  • the feeders 308, 310 are in the example shown wells with 300 microns depth.
  • a non-visible plastic film similar to the plastic film 2, as can be seen in Fig. 2.
  • this plastic film is pierced as required, for example, in order to be able to introduce liquid with the aid of a pipette.
  • 315 is a schematic diagram of an interdigital transducer formed of a large number of interdigitated finger electrodes. The operation has already been explained above with reference to the other embodiment.
  • a pulse in the direction of the arrow shown can be transmitted to the liquid in the leg 304 of the metering reservoir 303 shown in the upper half of the figure.
  • FIGS. 6a to 6f show a sequence when carrying out a method according to the invention with the embodiment of FIG. 5.
  • Lines 320 and 322 were drawn in order to indicate the arrangement of the reaction reservoir 301 with the feeders 310 and the filling structures 309, which in the illustrations of FIGS Fig. 6a to 6f would otherwise not be recognizable due to the low contrast.
  • 6a shows a state in which a dark-colored liquid has already been introduced into the metering reservoir 303 through the filling structure 307 and the feed 308.
  • the covering plastic film was pierced in the region of the filling structure 307 and the liquid was introduced into the filling structure 307 with a pipette. It can be clearly seen that the dark colored liquid does not enter the still empty reaction reservoir 301 due to its surface tension at the bottlenecks 311.
  • the volume is precisely defined in the metering reservoir 303 between the bottlenecks 311 and the feed 308 (10 ⁇ l in the example shown).
  • FIG. 6a shows the beginning of this filling process.
  • the covering plastic film was pierced in the region of the right filling structure 309 and started to fill in liquid with the aid of a pipette.
  • This liquid flows through the feed 310 into the reaction reservoir.
  • the fluid limit at this snapshot is approximately at the dotted auxiliary line 324.
  • Fig. 6b shows a state in which the entire reaction reservoir 301 is filled with the light liquid. A liquid exchange with the dark liquid in the metering reservoir 303 has taken place at this time only to a very limited extent.
  • FIG. 6 c shows how the laminar flow generated thereby in the metering reservoir 303 causes the dark liquid enters the reaction reservoir 301.
  • Figs. 6d and 6e show the progress of this process. It can be clearly seen how the dark liquid, which was originally located in the dosing reservoir 303, and the light liquid which was in the reaction reservoir 301, mix.
  • Fig. 6f shows the state at the end of the process.
  • the liquids in the metering reservoir 303 and the reaction reservoir 301 are mixed homogeneously, which can be recognized by the homogeneous shading.
  • a further exchange with the liquid in the feeders 310 from the filling structures 309 to the reaction reservoir 301 has not taken place. Due to the dimensions of the reaction reservoir 301, therefore, the amount of the supplied light liquid is exactly determined. Since the dimensions of the metering reservoir 301 precisely determine the amount of dark liquid added, a very precise metering process has thus been carried out, so that the quantities of the various liquids in the mixture present in FIG. 6f are precisely determined.
  • FIGS. 5 and 6 has two metering reservoirs 303. Other embodiments have only one dosing or even more Dosierreservoirs to dose different amounts.
  • the illustrated two metering reservoirs 303 are the same size in this embodiment. In order to be able to dose different amounts, differently sized metering reservoirs can also be used.
  • barrier structures may also be provided, as described with reference to FIG. 4.
  • the number of connected Dosierreservoirs can be controlled, as it is also described for the embodiment of FIG. 4.
  • an interdigital transducer 315 is shown in FIG.
  • several interdigital transducers can also be provided on the plastic carrier 305 in order to be able to address different dosing reservoirs at different times and in a laminar manner
  • FIGS. 6a to 6f show that the method according to the invention leads in particular to a liquid-mixing laminar flow without pressure build-up.
  • a device according to the invention may also comprise more than two dosing reservoirs with corresponding connection structures. It is then possible to connect a plurality of metering reservoirs in the circuit "in series" in order to increase the metering volume of the first fluid.
  • the individual Dosierreservoirs may have different or the same size.
  • reaction reservoir in a process using a loop of liquids, a reaction between the liquids does not take place only in the part of the device called the reaction reservoir.
  • the term "dosing reservoir”, with which the dosage of the first liquid is made the term "reaction reservoir” was nevertheless used in the present text, since in particular in the illustrated embodiments, the reaction reservoir is the main structure due to its size the reaction takes place.
  • the Dosierreservoirs and the reaction reservoir z. B. are the same size and in a circulation process also takes place in both reservoirs a reaction.
  • the dosing or mixing devices according to the invention can be processed in an automatic machine which fills the liquids into the devices, controls the devices, controls the acoustic chips and also opens or closes or opens or opens barriers.
  • an automatic machine which fills the liquids into the devices, controls the devices, controls the acoustic chips and also opens or closes or opens or opens barriers.
  • the z. B. electrical see or optical evaluation are made.
  • Such machines can be usefully used in diagnostics or in laboratory automation in general.
  • the mixing ratio between reagents and sample liquid may be set between 1: 100 to 100: 1.
  • reaction chamber 1 reaction reservoir, reaction chamber
  • reaction chamber 101 101 reaction reservoir, reaction chamber

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Dosierung und Durchmischung kleiner
Flüssigkeitsmengen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dosierung und Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen, eine Vorrichtung und einen Apparat zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung.
Diagnostisches Assays, insbesondere im Bereich der klinischen Chemie und Immunochemie werden heutzutage zum großen Teil automatisiert durchgeführt. In den entsprechenden Automaten werden definierte Volumina von Probenflüssigkeit und Reagenzien in eine Küvette oder in die Vertiefung einer Mikrotiterplatte pipettiert und vermischt. Anschließend wird eine erste Referenzmessung durchgeführt, bei der zum Beispiel die optische Transmission durch die Küvette bestimmt wird. Nach einer gewissen Reaktionszeit zwischen Probe und Reagenzien wird eine zweite Messung des gleichen Parameters vorgenommen. Durch den Vergleich der beiden Messwerte ergibt sich die Konzentration der Probe bezüglich eines bestimmten Inhaltsstoffes oder auch nur das Vorhandensein des Inhaltsstoffes. Typische Volumina liegen in Summe bei einigen hundert Mikrolitern, wobei notwendige Mischungsverhältnisse von Probe zu Reagenz zwischen 1: 100 und 100: 1 vorkommen können. Gegebenenfalls können auch mehrere Reagenzien zur Mischung mit einer Probe vorgesehen sein. Neben den eben beschriebenen Instrumenten für hohen Durchsatz, die typischerweise in speziellen Labors zu finden sind, gibt es auch Bestrebungen, Assays dezentral und ohne großen instrumentellen Aufwand durchzuführen. Dabei wäre es wünschenswert, wenn die in jüngster Zeit vorgestellte "Lab-on-a-Chip" -Technologie eingesetzt werden könnte, bei der die Prozessierung von Flüssigkeiten auf bzw. in einem Chip integriert durch- geführt werden kann. Assayzeiten von weniger als einer Stunde sind wünschenswert.
Zur Bewegung der Flüssigkeiten werden dabei zum Beispiel mikrofluidi- sehe Systeme verwendet, in denen Flüssigkeit durch elektro-osmotische Potentiale bewegt wird, siehe zum Beispiel Anne Y. Fu, et al. "A micro fab- ricated fluorescence-activated cell sorter", Nature Biotechnology Vol. 17, November 1999, S. 1109 ff.
Ein Verfahren zur Flüssigkeitsdurchmischung im Mikroliterbereich ist in DE 103 25 307 B3 beschrieben, bei der kleine Flüssigkeitsvolumina in Mikro titerplatten mit Hilfe schallinduzierter Strömung gemischt werden. Eine andere Methode zur Erzeugung von Bewegung in kleinen Flüssigkeitsmengen auf einer Festkörperoberfläche beschreibt DE 101 42 789 Cl. Hier wird mit Hilfe von Oberflächenschallwellen eine Flüssigkeit durchmischt oder mehrere Flüssigkeiten miteinander vermischt.
Gemäß einem in DE 100 55 318 Al beschriebenen Verfahren wird eine Flüssigkeitsmenge auf einen Bereich einer im wesentlichen planaren O- berfläche gebracht, deren Benetzungseigenschaften sich von der umgebenden Oberfläche derart unterscheiden, dass sich die Flüssigkeit bevorzugt darauf aufhält, wobei sie durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten wird. Bewegung der Flüssigkeitsmenge kann dabei durch den Impulsübertrag einer Oberflächenschallwelle auf die Flüssigkeit er- zeugt werden.
Problematisch ist insbesondere die Integration von Dosierung und Mischung von Probe und Reagenzien in einem kostengünstigen Lab-on-the- chip-System. Eine homogene Durchmischung unterschiedlicher derart kleiner Flüssigkeitsmengen ist schwierig zu realisieren. Zur Dosierung ist es notwendig, Volumina der Flüssigkeitsmengen genau zu definieren. Dies ist zum Beispiel geometrisch durchführbar. So können zum Beispiel in einem offenen System die Benetzungseigenschaften der Oberfläche ein Volumen bestimmen, wie es in DE 100 55 318 Al beschrieben ist. Hier erfolgt die Definition der Volumina durch hydrophile und hydrophobe Bereiche über den Benetzungswinkel auf einer im Wesentlichen glatten Oberfläche. Wurden auf diese Weise mehrere Volumina definiert, die zur Reaktion gebracht werden sollen, so werden die Volumi- na aufeinander zu bewegt, um dies zu erreichen. Bei der Bewegung auf einer Oberfläche können Flüssigkeitsreste bzw. in der Flüssigkeit befindliche Moleküle des Analyten oder des Reagenzes an der Oberfläche haften bleiben, so dass durch die Bewegung ein Volumenverlust bzw. eine Konzentrationsverringerung unbekannter Höhe nicht auszuschließen ist. Au- ßerdem müssen Vorkehrungen gegen die Verdunstung getroffen werden, die insbesondere bei längeren Assayzeiten problematisch sein kann.
Andere Ansätze benutzen Kanäle von definiertem Querschnitt, die mit Flüssigkeit kapillar befüllt werden. Ist die Flüssigkeit eine wässrige Lö- sung, so ist am Kanalende eine hydrophobe Barriere angebracht, die sich nicht kapillar befüllen lässt. Weiterhin gibt es an diesem Kanal einen seitlichen Abzweig mit einer ebenfalls hydrophoben Oberfläche, die sich nicht kapillar befüllen lässt. Querschnitt und Länge des Kanals zwischen der hydrophoben Barriere und dem hydrophoben Abzweig bestimmen nun ein Volumen, das durch pneumatischen Druck durch den Abzweig definiert abgetrennt und bewegt werden kann (Bums et al., An integrated nanoliter DNA analysis device, Science 282, 484 (1998)). Durch diese Art der Volumendefinition entstehen hohe Kosten durch die notwendige Benetzungs- strukturierung der Oberfläche (hydrophil zur Befüllung des Kanals selbst und hydrophob für die Barriere und den Abzweig). Außerdem muss mit Luftdruck gearbeitet werden, was entsprechende Vorrichtungen erfordert. Um die kapillare Befüllung des Messkanals zu ermöglichen, muss der Kanalquerschnitt klein sein. Bei großen Volumina im Bereich von einigen 100 Mikrolitern sind daher lange Kanäle erforderlich. Dies führt zwangs- läufig zu großen unerwünschten Wechselwirkungen der Moleküle in der Flüssigkeit mit der Kanalwand. Eine effiziente Durchmischung mehrerer Flüssigkeitsmengen ist in dieser Geometrie nahezu unmöglich.
Der Begriff "Flüssigkeit" umfasst im vorliegenden Text unter anderem rei- ne Flüssigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen sowie
Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, zum Beispiel biologisches Material, befinden. Zu dosierende und zu mischende Flüssigkeiten können zum Beispiel auch zwei oder mehrere Lösungen sein, die sich nur durch darin gelöste Inhaltsstoffe unterscheiden, die zur Reaktion gebracht wer- den sollen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe eine präzise Dosierung von Flüssigkeitsmengen in einem großen dynamischen Bereich einfach durchführbar ist und die eine vollständige Durchmischung der Flüssigkeiten ermöglichen. Das Verfahren soll in einem kompakten Lab-on-the-chip-System durchführbar sein.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspru- ches 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 21 oder einem Apparat mit den Merkmalen des Anspruches 42 gelöst. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet. Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 48. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur integrierten Dosierung und Durchmischung wird ein Dosierreservoir mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur mit einem Reaktionsreservoir in Verbindung steht, wobei die Verbindungsstruktur vorzugsweise derart im Verhältnis zu den Reservoirs dimensioniert ist, dass die Oberflächenspannung der ersten Flüssigkeit einen Eintritt in das Reaktionsreservoir verhindert. Insbesondere kann dazu der Querschnitt der Verbindungsstruktur kleiner gewählt sein als der Querschnitt des Reaktionsreservoirs. Das Reaktionsreservoir wird mit einer zweiten Flüssig- keit vollständig befüllt, so dass die zweite Flüssigkeit an der Verbindungsstruktur mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt. Schließlich wird in der Flüssigkeit in bzw. auf dem Reaktionsreservoir ein Strömungsmuster erzeugt, das zur Durchmischung der Flüssigkeiten führt, wobei das Strömungsmuster bis zur vollständigen Homogenisierung der Flüssigkei- ten aufrecht erhalten wird. Vorzugsweise wird ein laminares Strömungsmuster erzeugt.
Das laminare Strömungsmuster kann dabei direkt in dem Reaktionsreservoir erzeugt werden. Ebenso ist es möglich, dass die laminare Strömung in wenigstens einer Verbindungsstruktur in Richtung des Reaktionsreservoirs erzeugt wird und auf diese Weise in das Reaktionsreservoir wirkt. Schließlich ist es auch möglich, bei entsprechender geometrischer Ausgestaltung die laminare Strömung in dem Dosierreservoir anzuregen, so dass sie über die Verbindungsstruktur in das Reaktionsreservoir wirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Menge der zu dosierenden ersten Flüssigkeit in dem Dosierreservoir festgelegt. Die erste Flüssigkeit wird am Eintritt in das Reaktionsreservoir gehindert. Bei einer bevorzugten Verfahrensführung verhindert die Oberflächenspannung, dass die Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir eintritt. Erst wenn die erste Flüssig- keit mit der zweiten Flüssigkeit in Kontakt kommt, die in bzw. auf das Reaktionsreservoir gebracht wurde, kann ein Flüssigkeitsaustausch stattfinden. Dabei ist aufgrund des kleineren Querschnitts der Verbindungskanalstruktur der Flüssigkeitsaustausch aufgrund von Diffusion vernach- lässigbar. Erst durch Erzeugung eines entsprechenden Strömungsmusters in dem Reaktionsreservoir wird eine effektive Durchmischung bewirkt. Die Menge der zweiten Flüssigkeit ist durch die Größe des Reaktionsreservoirs bestimmt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Dosierung und Durchmischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich, also mit sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen präzise durchgeführt werden. Das Mischungsverhältnis zwischen Reagenzien und Probenflüssigkeit kann zum Beispiel zwischen 1: 100 bis zu 100: 1 eingestellt werden.
Das Strömungsmuster kann durch Einstrahlung von Schallwellen in die Flüssigkeit auf bzw. in dem zweiten Reservoir bzw. in Richtung des zweiten Reservoirs erzeugt werden.
Zur Erzeugung von Schallwellen können Oberflächenschallwellen eingesetzt werden, die in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Interdigi- taltransducers auf einem piezoelektrischen Chip erzeugt werden können, der an der Vorrichtung angebracht ist. Es wird dabei entweder der Impulsübertrag der Oberflächenschallwellen direkt oder mit Hilfe der Ober- flächenschallwelle erzeugte Schallwellen eingesetzt. Der Begriff Oberflächenschallwellen umfasst im vorliegenden Text auch Grenzflächenschallwellen an den Grenzflächen zwischen zwei Festkörpern.
Die Reservoirs und die Verbindungsstrukturen können dreidimensional oder zweidimensional ausgestaltet sein. So können die Reservoirs und Verbindungsstrukturen entsprechend geformte Vertiefungen in einer O- berfläche sein. Bei anderen Ausgestaltungen handelt es sich um entsprechend geformte Hohlräume. Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung werden die Reservoirs und Verbindungsstrukturen durch entsprechend geformte Bereiche einer Oberfläche gebildet, die von den Flüssigkeiten bevorzugter benetzt werden als die umgebenden Bereiche der Oberfläche. Für wässrige Lösungen werden für die Reservoirs und Verbindungsstrukturen Oberflächen gewählt, die im Vergleich zu ihrer Umgebung hydrophil sind. Solche benetzungsmodulierten Oberflächen sind zum Beispiel in DE 100 55 318 Al beschrieben. Die Flüssigkeiten werden dabei auf den bevorzugt benetzten Bereichen durch ihre Oberflächenspannung als Tropfen zusammengehalten.
Zur einfacheren Darstellung seien im vorliegenden Text jeweils dreidimen- sionale und zweidimensionale Realisierungen umfasst, wenn es nicht explizit anders angegeben ist, auch wenn Begriffe gewählt sind, die nur eine Möglichkeit zu beschreiben scheinen. So wird zum Beispiel auch für das Aufbringen einer Flüssigkeit auf eine zweidimensionale Reservoirfläche der Begriff "Einbringen in ein Reservoir" oder "Befüllen" verwendet. Ähnlich wird zum Beispiel auch für die Bewegung von Flüssigkeit auf einer zweidimensionalen Verbindungsstruktur der Begriff "Bewegung durch die Verbindungsstruktur" verwendet etc. Das "Volumen" oder die Größe eines "Querschnitts" bedeutet bei zweidimensionalen Realisierungen in analoger Weise zum Beispiel die Fläche bzw. die Breite.
Bei der Verbindungsstruktur kann es sich um eine entsprechend dimensionierte Öffnung zwischen dem Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir handeln. Eine besonders präzise Verfahrensführung nutzt die Kapillarkraft in einer Verbindungskapillarstruktur aus, die von der ersten Flüssigkeit benetzt wird und durch die Kapillarkräfte aus dem Dosierre- servoir befüllt wird. Am Eintrittspunkt der Verbindungskapillarstruktur in das Reaktionsreservoir nehmen aufgrund des vergrößerten Querschnittes die Kapillarkräfte schlagartig ab, so dass ein Austreten der ersten Flüssigkeit aus der Verbindungskapillarstruktur in das Reaktionsreservoir ver- hindert wird. Erst wenn die zweite Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir eingebracht wird bzw. auf die Reservoirfläche aufgebracht wird, tritt die zweite Flüssigkeit mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung, so dass eine Durchmischung eintreten kann.
Bei einer dreidimensionalen Dosiervorrichtung werden bei einer Ausgestaltung des Dosierverfahrens die Reservoirs durch Befüllöffnungen befüllt, die sich vorzugsweise im oberen Abschluss des Reservoirs befinden.
Das Dosierreservoir kann durch ein entsprechend dimensioniertes VoIu- men gebildet werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Dosierreservoir eine Reservoirkapillarstruktur eingesetzt, die entlang ihrer Ausdehnung zumindest zwei Öffnungen aufweist. Durch eine Öffnung kann die Kapillarstruktur befüllt werden. Flüssigkeit tritt durch die erste Öffnung ein und bewegt sich durch die Kapillarkraft getrieben bis zur zweiten Öffnung. Die Reservoirkapillarstruktur wird dabei derart als Kapillarstruktur ausgewählt, dass die Flüssigkeitsfront der sich bewegenden Flüssigkeit den ganzen Querschnitt der Kapillarstruktur einnimmt. Außer der Befüllöffnung und der zweiten Öffnung sind keine weiteren Öffnungen in dem System geöffnet. An der zweiten Öffnung stoppt die Flüssigkeit ihre Bewegung. Da keine weiteren Entlüftungsöffnungen vorgesehen sind, baut sich jenseits der zweiten Öffnung ein Gegendruck auf, der eine weitere Flüssigkeitsbewegung verhindert. Außerdem nimmt die Kapillarkraft an der zweiten Öffnung schlagartig ab. Eine weitere Befüllung über die zweite Öffnung hin- aus ist daher bis zu einem gewissen Schwellwert des Befülldruckes nicht möglich. Auf diese Weise ist durch die Strecke zwischen den zwei Öffnungen ein genaues Volumen in der Reservoirkapillarstruktur definiert, um eine genaue Dosierung zu ermöglichen. Bei einer Abwandlung werden zwei symmetrisch zur Befüllöffnung angeordnete zweite Öffnungen verwendet. Das Flüssigkeitsvolumen der in einer solchen Reservoirkapillarstruktur dosierten Flüssigkeit entspricht dann dem Abstand dieser zwei zweiten Öffnungen.
Eine Weiterbildung verwendet eine Reservoirkapillarstruktur mit mehre- ren derartigen auswählbaren Öffnungen, die je nach gewünschtem Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit geöffnet werden. Werden von der als Befüllöffnung verwendeten Öffnung weiter entfernte Öffnungen geöffnet, so kann die Flüssigkeit bis zu diesen Öffnungen eintreten und ein größeres Volumen einnehmen.
Das Dosierreservoir entspricht bei dieser Verfahrensführung dem mit erster Flüssigkeit gefüllten Volumen der Reservoirkapillarstruktur. Der verbleibende Teil der Reservoirkapillarstruktur ist Teil des Reaktionsreservoirs.
Zur Befüllung des Dosierreservoirs bzw. des Reaktionsreservoirs können offene Befüllstrukturen eingesetzt werden, die über Zuführungen mit dem Dosierreservoir bzw. dem Reaktionsreservoir verbunden sind. In die jeweilige Befüllstruktur kann die jeweilige Flüssigkeit zum Beispiel mit Hilfe einer Pipette manuell oder automatisch eingebracht werden. Durch die jeweilige Zuführung gelangt die Flüssigkeit in das jeweilige Reservoir. Bei Ausgestaltungen, bei denen die Reservoirs als Vertiefungen bzw. Hohlräume in einem Festkörper vorgesehen sind, werden auch die Befüllstrukturen entsprechend gewählt. Bei den Zuführungen kann es sich dann zum Beispiel um entsprechend dimensionierte Kanäle handeln. Bei einer Weiterbildung wird die Zuführung bzw. werden die Zuführungen als Kapillarstruktur gewählt. Die einzubringende Flüssigkeit bewegt sich dann aufgrund der Kapillarkräfte selbständig aus der Befüllstruktur in das jeweilige Reservoir.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt mehrere vorzugsweise unterschiedlich große Dosierreservoirs ein, die über Verbindungsstrukturen mit dem Reaktionsreservoir in Ver- bindung stehen. Außerdem stehen die Dosierreservoirs mit einer Befüll - öffnung in Verbindung. Die Verbindungsstrukturen zwischen den einzelnen Dosierreservoirs und dem Reaktionsreservoir können bei einer Ausgestaltung zunächst verschlossen sein und zur Auswahl des gewünschten Dosierreservoirs geöffnet werden. Bei einer anderen Ausgestaltung wird das gewünschte Dosierreservoir mit dem gewünschten Volumen dadurch ausgewählt, dass die übrigen Verbindungsstrukturen zu den anderen Dosierreservoirs verschlossen werden.
Bei einer Abwandlung dieser Verfahrensführung werden erst alle Dosier- reservoirs gefüllt und dann die Verbindungsstruktur des gewünschten Dosierreservoirs geöffnet. Dabei werden gegebenenfalls einzelne Dosierreservoirs durch andere Dosierreservoirs hindurch befüllt. Eine solche Verfahrensführung ermöglicht das Befüllen auch einer größeren Anzahl von Dosierreservoirs durch nur eine Befüllöffnung und damit nur einer Stel- lung einer Fülleinrichtung, z. B. einer Pipettenspitze. Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, dass die entsprechende Fülleinrichtung nicht bewegt werden muss und somit der apparative Aufwand gering ist. Erst nach vollständiger Befüllung aller Dosierreservoirs wird das ausgewählte Dosierreservoir mit dem Reaktionsreservoir durch Öffnen der entspre- chenden Verbindungsstruktur verbunden. Sowohl das Öffnen als auch das Verschließen können bei geeigneter Auswahl des Materials der verwendeten Dosiervorrichtung durch einen Schmelzprozess bewirkt werden. So eignet sich zum Beispiel ein Kunst- stoffteil als Dosiereinrichtung. Entweder sind die Verbindungsstrukturen zunächst verschlossen, wobei vor dem Einsatz die gewünschten Verbindungsstrukturen aufgeschmolzen werden, um eine Verbindung herzustellen. Bei einer anderen Verfahrensführung werden Dosiervorrichtungen eingesetzt, bei denen die Verbindungsstrukturen zunächst offen sind und die nicht benötigten Verbindungsstrukturen vor der Anwendung durch einen Schmelzprozess geschlossen werden.
Bei einer anderen Verfahrensführung speziell für zweidimensionale Ausgestaltung wird die Verbindung zwischen den beiden Flüssigkeiten über einen kleinen "Brückentropfen" hergestellt, der zwischen die beiden Flüssigkeiten gebracht wird und eine Flüssigkeitsbrücke erzeugt. Der Brückentropfen hat dabei ein kleineres Volumen sowohl als die erste als auch die zweite Flüssigkeitsmenge.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der zwischen einem Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir mehr als eine Verbindungsstruktur vorliegt. Hier kann der Flüssigkeitsaustausch - zum Beispiel durch Schallwellen getrieben - in einem Kreislauf stattfinden, bis eine vollständige Homogenisierung der Flüssigkeiten eingetreten ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Zudosieren von einer Flüssigkeitsmenge zu einer zweiten Flüssigkeitsmenge beschränkt. Mit einer entsprechenden Anzahl von Dosierreservoirs und Verbindungsstrukturen, die diese Dosierreservoirs mit dem Reaktionsreservoir verbinden, können mehrere Flüssigkeitsmengen gleichzeitig oder sukzessive zur Zu- dosierung zu der Flüssigkeit im Reaktionsreservoir vorgesehen sein.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Ver- fahren durchgeführt werden kann, weist wenigstens ein Dosierreservoir für eine erste Flüssigkeitsmenge auf. Weiterhin ist ein Reaktionsreservoir für eine zweite Flüssigkeitsmenge und wenigstens eine Verbindungsstruktur zwischen den beiden Reservoirs vorgesehen. Die Verbindungsstruktur ist vorzugsweise derart im Verhältnis zu den Reservoirs dimensioniert, dass die erste Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung nicht in das Reaktionsreservoir eintreten kann. Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung vorzugsweise eines laminaren Strömungsmusters zur Durchmischung von Flüssigkeit im Reaktionsreservoir auf.
Zur Erzeugung des Strömungsmusters weist eine bevorzugte Ausführungsform wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung zur Einstrahlung von Schallwellen in das Reaktionsreservoir bzw. in Richtung des Reaktionsreservoirs auf. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Schallwel- lenerzeugungseinrichtung durch eine Oberflächenschallwellenerzeugungs- einrichtung gebildet, insbesondere durch einen Interdigitaltransducer auf einem piezoelektrischen Chip.
Die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur können als Vertiefungen oder Hohlräume in einem Festkörper ausgebildet sein. Bei einer zweidimensionalen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Reservoirs und Verbindungsstrukturen durch entsprechend geformte Bereiche einer Oberfläche gebildet, die von den Flüssigkeiten bevorzugter benetzt werden als die umgebenden Bereiche der Oberflä- che. Solche benetzungsmodulierten Oberflächen sind zum Beispiel in DE 100 55 318 Al beschrieben.
Eine dreidimensionale Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosier- Vorrichtung kann zum Beispiel Vertiefungen in einem Festkörper umfassen, die durch einen Deckel abgeschlossen sind, um die Reservoirs bzw. Verbindungsstruktur zu bilden. Der Deckel kann auf einfache Weise aus einer Folie hergestellt werden, vorzugsweise aus Kunststoff.
Ein erfindungsgemäßer Apparat, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden kann, umfasst eine Aufnahme für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Bei eingelegter Vorrichtung ist die wenigstens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Strömungsmusters elektrisch kontaktiert. Der erfindungsgemäße Apparat weist weiterhin ansteuerbare Fülleinrichtungen, z. B. Pipetten oder Dispenser auf, die bei in der Aufnahme eingelegter Vorrichtung oberhalb der Befüllstrukturen angeordnet sind. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Genauigkeitsanforderungen an die Fülleinrichtungen nicht sehr hoch, da die Dosierung erst innerhalb der Vorrichtung selbst geschieht. Schließlich weist der Apparat eine Steuerung zur Steuerung des zeitlichen Ablaufes eines Protokolls auf, die die Ansteuerung der Einrichtung zur Erzeugung des Strömungsmusters und der Fülleinrichtungen vornimmt. Bevorzugte Ausführungsformen umfas- sen Öffnungseinrichtungen zum Öffnen einzelner Befüllstrukturen, Entlüftungsöffnungen oder Barrierenstrukturen oder Einrichtungen zum Verschließen einzelner Barrierenstrukturen.
Der erfindungsgemäße Apparat kann bei entsprechender Ausrüstung auch andere Funktionen erfüllen, wenn z. B. eine Heizvorrichtung zur Temperierung vorgesehen ist. Schließlich kann auch die z. B. elektrische oder optische Auswertung mit integriert sein.
Mit einem erfindungsgemäßen Apparat kann das erfindungsgemäße Ver- fahren einfach und automatisiert durchgeführt werden. Dabei können als erfindungsgemäße Vorrichtungen zur integrierten Dosierung und Durchmischung problemlos Einwegteile eingesetzt werden.
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, des erfindungsgemäßen Ap- parates und bevorzugte Ausführungsformen der Unteransprüche ergeben sich aus der obigen Beschreibung der Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung und der erfindungsgemäße Apparat können besonders effektiv zur Dosierung und Durchmischung biologischer Flüssigkeiten eingesetzt werden, bei denen eine präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen notwendig ist.
Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der anliegenden Figuren im Detail erläutert. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und dienen der schematischen Darstellung. Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Dosiervorrichtung in geöffnetem Zustand,
Fig. 2 einen Querschnitt in Blickrichtung II durch die Ausführungsform der Fig. 1 , Fig. 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Dosiervorrichtung,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung, und
Fig. 6a-6f unterschiedliche Stadien bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit dieser Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein Kunststoffteil 5 mit Kammern 1, 3. Das Kunststoffteil 5 kann beispielsweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Abde- ckung der Kammer wird durch eine dünne auflaminierte Kunststofffolie 2 bewirkt, die in Fig. 2 sichtbar ist und in Fig. 1 nicht dargestellt ist, um das Innenleben des Kunststoffteiles 5 zu verdeutlichen. Die Verbindung zwischen den Kammern 1 und 3 erfolgt über zwei Engstellen 11. Bezugszeichen 13 bezeichnet die Wand zwischen den Kammern 1 und 3.
In Fig. 1 sind die Lagen der Befüllöffnungen 7 und 9 angedeutet, die in der Kunststofffolie 2 vorgesehen sind, die allerdings in Fig. 1 nicht dargestellt ist.
Unterhalb der Kammer 1, die im folgenden auch als Reaktionskammer bezeichnet wird, befindet sich ein akustischer Chip 15, bei dem es sich zum Beispiel um einen piezoelektrischen Festkörperchip handeln kann, auf dem in an sich bekannter Weise ein Interdigitaltransducer zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen aufgebracht ist. Der Interdigitaltrans- ducer ist derart ausgestaltet, dass die mit ihm erzeugten Oberflächen- schallweilen eine Schallwellenabstrahlung in die Reaktionskammer 1 ermöglichen. Die Abstrahlung von Schallwellen in ein Flüssigkeitsvolumen, das durch einen Festkörper von dem Oberflächenschallwellen erzeugenden Interdigitaltransducer getrennt ist, ist in DE 103 25 307 B3 beschrie- ben. In analoger Weise kann der akustische Chip 15 auch auf der Folie 2 oder in einem Seitenbereich vorgesehen sein.
Der akustische Chip 15 ist über nicht gezeigte elektrische Verbindungen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, mit der eine Wechsel- Spannung einer Frequenz von einigen 10 MHz erzeugt werden kann, um mit dem Interdigitaltransducer Oberflächenschallwellen zu erzeugen, die zur Abstrahlung von Schallwellen in die Reaktionskammer 1 führen.
Die Lage des akustischen Chips 15 ist in Fig. 1 angedeutet, obwohl der Chip in dieser Ansicht an sich nicht sichtbar wäre, da er bei der gezeigten Ausführungsform an der Unterseite der Vorrichtung angebracht ist. In der Skizze der Fig. 1 ist der akustische Chip in Form von parallelen Linien gezeichnet, die nur schematisch die Ausrichtung der einzelnen Fingerelektroden des Interdigitaltransducers auf dem piezoelektrischen Chip 15 an- deuten sollen. Die Abstrahlrichtung der Oberflächenschallwellen eines derart ausgerichteten Interdigitaltransducers ist senkrecht zur Ausrichtung der Fingerelektroden.
Die notwendige Größe der als Reaktionsreservoir dienenden Kammer 1 hängt von der Frequenz der verwendeten Schallwellen ab. Die kleinste
Ausdehnung sollte dabei sehr viel größer als die Wellenlänge des verwendeten Schalles sein. Schließlich sollte die Ausdehnung der Reaktionskammer 1 in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen etwa eine Größenordnung größer sein als die Ausdehnung der Engstellen 11. Die kleinste Ausdehnung der Reservoirs beträgt zum Beispiel 1 mm bis 10 mm bei ei- ner Schallwellenlänge von zum Beispiel 100 μm. Die Gesamtlänge des Kanalsystems beträgt einige Zentimeter. Die Befüllöffnungen 7, 9 sind mindestens eine Größenordnung kleiner als die Reaktionskammer 1.
Die erfϊndungsgemäße Vorrichtung dieser Ausführungsform wird wie folgt eingesetzt. Das Reaktionsreservoir umfasst zum Beispiel 100 μl oder 150 μl, während das Dosierreservoir 5 μl fasst. Solche Flüssigkeitsvolumina sind insbesondere für viele diagnostische Anwendungen charakteristisch. Zunächst wird das Dosierreservoir 3 durch das Befüllloch 7 mit ei- ner ersten Flüssigkeit befüllt, was zum Beispiel durch Kapillarkraft erfolgen kann. Die Flüssigkeit wird an den Engstellen 11 stehen bleiben, da hier die Kapillarkraft wegen des größeren Durchmessers des Reservoirs 1 abrupt geringer wird. Anschließend wird das Reservoir 1 durch die Befüll- löcher 9 mit einer zweiten Flüssigkeit befüllt. Ein möglicher Überstand von Flüssigkeit auf den jeweiligen Befülllöchern 7, 9 ist dabei unkritisch. Die Flüssigkeit dieses Überstandes nimmt aus geometrischen Gründen an dem folgenden Durchmischungsprozess nicht teil, insbesondere, wenn der folgende Mischprozess durch ein laminares Strömungsmuster bewirkt wird. Auf diese Weise sind nun die Volumina der beiden Flüssigkeiten ge- ometrisch definiert worden, ohne dass große Präzision der verwendeten Befülleinrichtungen, zum Beispiel Pipetten, notwendig wäre. An den Engstellen 11 sind die Flüssigkeiten in Kontakt. Diffusion findet aufgrund des engen Querschnittes der Engstellen 11 nur in vernachlässigbarem Ausmaß statt. Eine homogene Durchmischung der gesamten Flüssig- keitsmengen wird mit Hilfe des akustischen Chips 15 erreicht. Durch Anlegen einer Wechselspannung an den akustischen Chip wird akustische Energie in die definierten Volumina der Flüssigkeiten abgestrahlt und ein laminares Strömungsmuster erzeugt. Die Flüssigkeiten bzw. deren Inhaltsstoffe werden durchmischt und ggf. zur Reaktion gebracht. Das Er- gebnis dieser Reaktion lässt sich zum Beispiel optisch oder elektrisch aus- lesen. Dabei ist es von Vorteil, dass die Befülllöcher 7, 9 nicht verschlossen werden müssen.
Die Dosierung und Durchmischung der Flüssigkeiten erfolgt also in einer kostengünstigen gegebenenfalls als Einwegkartusche ausgestalteten Vorrichtung 5. Das Dosieren ist zudem sehr einfach. Sogar wenn es zu einem Überstand auf den Befülllöchern kommt, wird dieser aus geometrischen Gründen und/oder auf Grund des verwendeten laminaren Strömungsmusters an der Mischreaktion nicht teilnehmen.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung. Gezeigt ist hier der Ausschnitt aus einem Kunststoffkörper 105, der die Dosiervorrichtung enthält, die ebenfalls Vertiefungen in der Kunststoffstruktur 105 umfasst. Sichtbar ist das Reaktionsreservoir 101 mit Befülllöchern 109. 103 zeigt eine Kapillarstruktur mit mehreren Öffnungen, wobei die Öffnung 107 als Befüllöffnung dient. Die Kapillarstruktur 103 stellt eine Dosierkapillarstruktur dar, die über Verbindungskapillarstrukturen 111 mit dem Reaktionsreservoir 101 in Verbindung steht. Die gesamte Struktur ist ebenfalls mit einer Kunststofffolie abge- schlössen. Auch bei dieser Ausführungsform sind die in der geöffneten Darstellung an sich nicht sichtbaren Öffnungen 107, 109, 121 und 122 angedeutet, um deren relative Lage darzustellen. Ebenfalls in seiner Lage angedeutet ist der unterhalb der Vorrichtung angeordnete und dementsprechend in der Darstellung eigentlich nicht sichtbare akustische Chip 115 mit einem Interdigitaltransducer. Der akustische Chip 115 entspricht dem mit Bezug zu den Fig. 1 und 2 beschriebenen Chip 15.
Mit einer solchen Dosiervorrichtung lassen sich unterschiedliche Mischungsverhältnisse einstellen. Die Befüllung erfolgt über das Befüllloch 107, das offen ist. Alle anderen Löcher 109, 121, 122 sind zunächst ver- schlössen. Das Volumen der ersten Flüssigkeit, das eingefüllt wird, lässt sich nun durch selektives Öffnen der Löcher 121, 122 einstellen. Werden z.B. nur ein Loch 121 in direkter Nachbarschaft der Befüllöffnung 107 und das dazu symmetrisch auf der anderen Seite angeordnete Loch 121 geöffnet, so lässt sich ein Flüssigkeitsvolumen einer Länge definieren, die dem Abstand zwischen den zwei geöffneten Öffnungen 121 entspricht.
Die Kapillarstruktur 103 bewirkt dabei, dass die Front der Flüssigkeit den gesamten Querschnitt der Kapillarstruktur 103 ausfüllt. Sind keine weite- ren Entlüftungslöcher geöffnet, baut sich ein Gegendruck auf, der zum
Anhalten der Flüssigkeit führt. Eine Bewegung über die geöffneten Löcher 121 hinaus ist daher nicht möglich. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass durch die geöffnete Öffnung 121 die die Bewegung bewirkende Kapillarkraft geringer wird.
Werden die beiden äußeren Öffnungen 122 geöffnet, ergibt sich ein entsprechend größeres Volumen.
In beiden Fällen kann das Restvolumen in Kanal 103 und den Verbin- dungskapillarstrukturen 111 durch Befüllung über das Reaktionsreservoir 101 durch die dann zu öffnenden Öffnungen 109 gefüllt werden. Das Restvolumen des Kanals 103 zählt dann zum Reaktionsreservoir.
Die charakteristischen Maße einer Ausführungsform gemäß der Fig. 3 entsprechen den charakteristischen Maßen der Ausführungsform der Fig. 1 und 2.
Mit einer solchen Ausführungsform ist also die Einstellung unterschiedlicher Mischungsverhältnisse auf einfache Weise möglich. Je nachdem, wie viel der ersten Flüssigkeit der zweiten Flüssigkeit zudosiert werden soll, werden die entsprechenden Öffnungen 121, 122 geöffnet. Dies kann zum Beispiel durch einfaches Durchstechen der Kunststofffolie an entsprechend markierten Orten geschehen. Die weitere Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der Fig. 1 und 2.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform. Hier sind mehrere Dosierreservoirs 203, 223 vorgesehen, die über Verbindungskapillarstrukturen 211, 212 mit dem Reaktionsreservoir 201 in Verbindung stehen. Die Dosierreservoirs 203, 223 haben unterschiedlich große Volumina und stehen über eine Verbindungskanalstruktur 216 in Verbindung. In der Verbindungskanalstruktur 216 befindet sich die Befüllöffnung 207. Die Dosierreservoirs 203, 223 weisen Entlüftungsöffnungen 221 auf. Der Verbindungskanal 216 ist bei der gezeigten Ausführungsform über eine Verbindungskapillarstruktur 210 ebenfalls mit dem Reaktionsreservoir 201 verbunden. Die Struktur 210 umfasst auch ein Entlüftungsloch 221. Schließlich sind in dem Reaktionsreservoir 201 Befüllöffnungen 209 vorgesehen.
217, 218, 219, 220 und 224 stellen schematisch Barrierenstrukturen dar. Die gesamte Dosiervorrichtung der Fig. 4 ist in einem Kunststoffteil vorge- sehen, das durch eine Folie mit Öffnungen 207, 209, 221 abgeschlossen ist. Es kann sich bei der Dosiervorrichtung der Fig. 4 ebenfalls um ein Einwegteil handeln, das ab Werk vorgefertigt ist. Dabei werden bei der gezeigten Ausführungsform die Barrierenstrukturen 217, 218, 219, 220, 224 zunächst verschlossen ausgeführt.
Auch bei der Darstellung der Fig. 4 sind die in der geöffneten Darstellung an sich nicht sichtbaren Befüllöffnungen 207, 209 bzw. die Entlüftungsöffnungen 221 in ihrer Lage angedeutet. Außerdem befindet sich unter der Anordnung der Fig. 4 ein akustischer Chip 215, der dem bereits beschrie- benen akustischen Chip 15, 115 entspricht. Auch der akustische Chip 215 ist in Fig. 4 angedeutet, obwohl er in dieser Darstellung an sich nicht sichtbar ist, da er sich unterhalb der Anordnung befindet.
Auch bei der Ausführungsform der Fig. 4 entsprechen die charakteristi- sehen Maße den charakteristischen Maßen der Ausführungsform der Fig. 1 und 2.
Zum Einsatz der Ausführungsform wird bei einer Verfahrensführung zunächst entschieden, welches der Dosierreservoirs 203, 223 mit Flüssigkeit befüllt werden soll, um ein entsprechendes Volumen an Flüssigkeit zu definieren. Zur Erläuterung wird in der vorliegenden Beschreibung das Dosierreservoir 223 ausgewählt. Nachdem die Auswahl erfolgt ist, werden die entsprechenden Barrieren 217, 219, die an das Dosierreservoir 223 angrenzen, zum Beispiel durch einen Heizer oder mit Laserenergie aufge- schmolzen. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe eines Automaten geschehen, der die Dosiervorrichtung prozessiert.
Das entsprechend ausgewählte Dosierreservoir 223 kann dann über die Befüllöffnung 207 befüllt werden und zur Dosierung eingesetzt werden. Dabei wird die Dosierung ähnlich wie zum Beispiel bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 beschrieben durchgeführt. Insbesondere sind die Dimensionen der Strukturen so gewählt, dass eine Befüllung des Dosierreservoirs durch die Wirkung der Kapillarkraft erfolgen kann. Alternativ kann eine Befüllung mit Druck erfolgen. Die Entlüftungsöffnung 221 ist dabei so angeordnet, dass eine vollständige Befüllung des Reservoirs möglich ist.
Aufgrund der an der Eintrittsstelle der Verbindungskapillarstruktur 211 in das Reaktionsreservoir 201 abrupt geringer werdenden Kapillarwirkung tritt die Flüssigkeit nicht in das Reaktionsreservoir 201 ein. Erst bei Befül- lung des Reaktionsreservoirs 201 durch die Befüllöffnungen 209 kommt Flüssigkeit aus dem Reaktionsreservoir 201 mit Flüssigkeit in der Verbindungskapillarstruktur 211 in Verbindung. Die weitere Funktionsweise entspricht wiederum der Ausführungsform der Fig. 1 und 2.
Wird das Reservoir 203 ausgewählt, wird analog unter Verwendung der entsprechenden Barrierenstrukturen 218, 220 und der Verbindungskapillarstruktur 212 verfahren.
Eine andere Ausgestaltung dieser Ausführungsform umfasst ab Werk keine Barrierenstrukturen 217, 219. Vor der Anwendung wird zunächst wiederum entschieden, welches der Dosierreservoirs 203, 223 verwendet werden soll. Wird z. B. das Dosierreservoir 223 ausgewählt, wird das andere Dosierreservoir 203 mit Hilfe eines Automaten abgekoppelt, der an den Stellen der Barrieren 218, 220, die dem nicht zu verwendenden Dosierreservoir 203 benachbart sind, durch Applikation von Heizenergie oder Laserenergie die entsprechende Verbindungskanalstrukturen zuschmilzt.
Auch bei den Ausführungsformen gemäß der Fig. 4 können die einzelnen Dosierreservoirs 203, 223 jeweils über mehrere Verbindungskapillarstrukturen 211, 212 mit dem Reaktionsreservoir 201 verbunden sein, die bei Auswahl des entsprechenden Dosierreservoirs geöffnet sind.
Zusätzlich zu den Verbindungsstrukturen 211, 212 mit den Barrieren- Strukturen 219, 220 kann eine weitere Verbindungskapillarstruktur 210 vorgesehen sein, die den Verbindungskanal 216 mit dem Reaktionsreservoir 201 verbindet. Auch diese Verbindungskapillarstruktur 210 umfasst eine Entlüftungsöffnung 221 und optional eine Barrierenstruktur 224. Der zusätzliche Kanal 210 kann zur Ausbildung eines Kreislaufes dienen, der eine effektive Durchmischung fördert. Nachdem eines der Dosierreser- voirs 203, 223 ausgewählt worden ist, wird es befüllt. Zum Zwecke der Beschreibung sei dies wiederum das Dosierreservoir 223. Zunächst wird eine Ausgestaltung beschrieben, bei der die Barrierenstrukturen 217, 218, 219, 220, 224 zunächst verschlossen sind. Zur Befüllung des Reservoirs 223 wird die Barrierenstruktur 217 wie beschrieben aufgeschmolzen.
Durch die Befüllöffnung 207 wird Flüssigkeit eingebracht, die das Dosierreservoir 223 und die Verbindungskapillarstruktur 211 füllt. Auch die Verbindungskapillarstruktur 210 wird mit dieser Flüssigkeit befüllt. Die Befüllung erfolgt zum Beispiel durch Kapillarkraft.
Jetzt können die Barrierenstrukturen 219, 224 aufgeschmolzen werden. Die Flüssigkeit tritt aufgrund der an den Eintrittsstellen der Verbindungskapillarstrukturen 211, 210 in das Reservoir 201 abrupt geringer werdenden Kapillarwirkung nicht in das Reservoir 201 ein. Befüllung des Reser- voirs 201 durch die Öffnungen 209 mit einer zweiten Flüssigkeit bewirkt den Kontakt der Flüssigkeiten an den Eintrittsstellen der Verbindungskapillarstrukturen 210, 211. Erzeugen von einer zum Beispiel laminaren Strömung mit dem akustischen Chip 215 bewirkt dann eine effektive Durchmischung der Flüssigkeiten. Dabei kann es zu einer Kreislaufbewe- gung der Flüssigkeiten kommen.
Bei einer solchen Ausgestaltung unter Ausnutzung von Kapillarkräften in den Verbindungskapillarstrukturen 210, 211, 212 kann auf die Barrierenstruktur 224 auch gänzlich verzichtet werden. Gerade bei einer Ausfüh- rungsform mit nur zwei Dosierreservoirs, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, nimmt die Verbindungskapillarstruktur 210 auf jeden Fall an dem Kreis- laufprozess teil, so dass eine Abkopplung nicht notwendig ist.
Bei einer anderen Verfahrensführung werden die Barrierenstrukturen 219, 224 erst nach Einbringen der zweiten Flüssigkeit in das Reservoir 201 aufgeschmolzen. Ansonsten ist die Verfahrensführung gleich. Bei einer solchen Verfahrensführung müssen die Verbindungsstrukturen 210, 211, 212 nicht notwendigerweise Kapillarwirkung auf die Flüssigkeiten ausüben können.
Eine andere Verfahrensführung unter Einsatz einer Vorrichtung gemäß Fig. 4 verwendet Barrierenstrukturen 217, 218, 219, 220, 224, die ursprünglich offen sind. Durch die Befüllöffnung 207 wird erste Flüssigkeit eingebracht. Diese fließt aufgrund der Kapillarwirkung in die Dosierreser- voirs 203, 223 und in die Verbindungskapillarstrukturen 210, 211, 212. Sie treten nicht in das Reaktionsreservoir 201 ein, da an den Eintrittsstellen der Verbindungsstrukturen 210, 211, 212 in das Reaktionsreservoir 201 die Kapillarwirkung abreißt. Erst jetzt wird entschieden, welches Dosierreservoir, und damit welches Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit, verwendet werden soll. Für den Zweck der vorliegenden Beschreibung sei dies wiederum das Dosierreservoir 223. Die Barrierenstrukturen 218, 220 werden dann wie beschrieben zugeschmolzen und somit das nicht verwendete Dosierreservoir 203 mit der darin befindlichen Flüssigkeit abgekoppelt. Es wird dann zweite Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir 201 einfüllt. Die darauf folgende Verfahrensführung entspricht der bereits beschriebenen Kreislaufverfahrensführung.
Fig. 5 zeigt die schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung. Die gesamte Anordnung 50 ist an der Oberfläche eines Kunststoffträgers 305 angeordnet. Das Reaktionsreservoir 1 wird zum Beispiel durch eine eingefräste Vertiefung von 1 mm Tiefe gebildet und hat ein Volumen von zum Beispiel 20 μl. Daran schließen sich beim gezeigten Beispiel zwei Dosierreservoirs 303 an, die zum Beispiel durch 1 mm tief gefräste Vertiefungen mit jeweils einem Vo- lumen von 10 μl gebildet werden. Die Dosierreservoirs schließen sich über jeweils zwei Engstellen 311 an das Reaktionsreservoir 301 an. Über Zuführungen 308 bzw. 310 sind an die Dosierreservoirs 303 bzw. an das Reaktionsreservoir 301 Befüllstrukturen 307 bzw. 309 angeschlossen. Die Befüllstrukturen 307, 309 werden ebenfalls durch zum Beispiel 1 mm tie- fe Vertiefungen in dem Kunststoffträger 305 gebildet. Die Zuführungen 308, 310 sind beim gezeigten Beispiel Vertiefungen mit 300 μm Tiefe. Über der gesamten Anordnung befindet sich eine nicht sichtbare Kunststofffolie, ähnlich der Kunststofffolie 2, wie sie in Fig. 2 erkennbar ist. Im Bereich der zu verwendenden Befüllstrukturen 307, 309 wird diese Kunst- stofffolie je nach Bedarf zum Beispiel durchstochen, um mit Hilfe einer Pipette Flüssigkeit einbringen zu können.
315 bezeichnet in schematischer Darstellung einen Interdigitaltransducer, der aus einer großen Anzahl von ineinander greifenden Fingerelektroden gebildet wird. Die Funktionsweise wurde bereits oben mit Bezug zu den anderen Ausführungsform erläutert. Bei Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an den Interdigitaltransducer kann ein Impuls in Richtung des eingezeichneten Pfeiles auf die Flüssigkeit in dem Schenkel 304 des in der oberen Hälfte der Figur dargestellten Dosierreservoirs 303 übertragen werden.
Fig. 6a bis 6f zeigen eine Sequenz bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Ausführungsform der Fig. 5. Linien 320 und 322 wurden eingezeichnet, um die Anordnung des Reaktionsreservoirs 301 mit den Zuführungen 310 und den Befüllstrukturen 309 anzudeuten, die in den Darstellungen der Fig. 6a bis 6f aufgrund des zu geringen Kontrastes sonst nicht erkennbar wären.
In den Figuren ist jeweils nur ein Ausschnitt gezeigt, in dem eines der Do- sierreservoirs 303 vollständig sichtbar ist. Fig. 6a zeigt einen Zustand, in dem bereits durch die Befüllstruktur 307 und die Zuführung 308 eine hier dunkel gefärbte Flüssigkeit in das Dosierreservoir 303 eingefüllt worden ist. Dazu wurde im Bereich der Befüll- struktur 307 die abdeckende Kunststofffolie durchstochen und mit einer Pipette die Flüssigkeit in die Befüllstruktur 307 eingeführt. Deutlich ist zu erkennen, dass die dunkel gefärbte Flüssigkeit aufgrund ihrer Oberflächenspannung an den Engstellen 311 nicht in das noch leere Reaktionsreservoir 301 eintritt. Das Volumen ist in dem Dosierreservoir 303 zwi- sehen den Engstellen 311 und der Zuführung 308 genau definiert (im gezeigten Beispiel 10 μl).
In das Reaktionsreservoir 301 wurde daraufhin eine hell eingefärbte Flüssigkeit eingebracht. Fig. 6a zeigt den Beginn dieses Einfüllprozesses. Dazu wurde die abdeckende Kunststofffolie im Bereich der rechten Befüllstruktur 309 durchstochen und mit Hilfe einer Pipette begonnen, Flüssigkeit einzufüllen. Diese Flüssigkeit fließt durch die Zuführung 310 in das Reaktionsreservoir. In Fig. 6a ist erkennbar, dass dieser Prozess gerade im Gange ist. Die Flüssigkeitsgrenze befindet sich bei dieser Momentaufnah- me etwa bei der punktierten Hilfslinie 324.
Fig. 6b zeigt einen Zustand, in dem das gesamte Reaktionsreservoir 301 mit der hellen Flüssigkeit gefüllt ist. Ein Flüssigkeitsaustausch mit der dunklen Flüssigkeit in dem Dosierreservoir 303 hat zu diesem Zeitpunkt nur in sehr begrenztem Maße stattgefunden.
Das Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an den Interdigitaltransdu- cer 315 bewirkt einen Impulsübertrag auf die Flüssigkeit im linken Schenkel 304 des Dosierreservoirs 303. Fig. 6c zeigt, wie die dadurch in dem Dosierreservoir 303 erzeugte laminare Strömung bewirkt, dass die dunkle Flüssigkeit in das Reaktionsreservoir 301 eintritt. Fig. 6d und 6e zeigen den Fortgang dieses Prozesses. Deutlich ist zu erkennen, wie sich die dunkle Flüssigkeit, die sich ursprünglich im Dosierreservoir 303 befunden hat und die helle Flüssigkeit, die sich im Reaktionsreservoir 301 befunden hat, mischen.
Fig. 6f zeigt den Zustand am Ende des Prozesses. Die Flüssigkeiten in dem Dosierreservoir 303 und dem Reaktionsreservoir 301 sind homogen durchmischt, was durch die homogene Schattierung zu erkennen ist. Ein weiterer Austausch mit der Flüssigkeit in den Zuführungen 310 von den Befüllstrukturen 309 zum Reaktionsreservoir 301 hat nicht stattgefunden. Durch die Dimensionen des Reaktionsreservoirs 301 ist also die Menge der zugeführten hellen Flüssigkeit exakt bestimmt. Da die Ausmaße des Dosierreservoirs 301 die Menge der zudosierten dunklen Flüssigkeit genau festlegen, ist somit ein sehr genauer Dosierprozess durchgeführt worden, so dass die Mengen der verschiedenen Flüssigkeiten in dem in Fig. 6f vorliegenden Gemisch genau bestimmt sind.
Die in Fig. 5 und 6 gezeigte Ausführungsform weist zwei Dosierreservoirs 303 auf. Andere Ausgestaltungen weisen nur ein Dosierreservoir oder noch mehrere Dosierreservoirs auf, um unterschiedliche Mengen dosieren zu können. Die gezeigten zwei Dosierreservoirs 303 sind bei dieser Ausgestaltung gleich groß. Um unterschiedliche Mengen dosieren zu können, können auch unterschiedlich große Dosierreservoirs eingesetzt werden.
Auch bei einer Ausführungsform der Fig. 5 und 6 können Barrierenstrukturen vorgesehen sein, wie sie mit Bezug zu Fig. 4 geschildert wurden. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der angeschlossenen Dosierreservoirs kontrollieren, wie es auch für die Ausführungsform der Fig. 4 beschrieben ist. In Fig. 5 ist beispielhaft nur ein Interdigitaltransducer 315 gezeigt. Auf dem Kunststoffträger 305 können jedoch auch noch mehrere Interdigitaltransducer vorgesehen sein, um unterschiedliche Dosierreservoirs zu unterschiedlichen Zeitpunkten ansprechen zu können und laminare
Strömung in den einzelnen Dosierreservoirs erzeugen zu können, um eine Durchmischung mit einer Flüssigkeit in dem Reaktionsreservoir zu bewirken.
Die Fig. 6a bis 6f zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch ohne Druckaufbau zu einer die Flüssigkeiten mischenden, laminaren Strömung führt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei Dosierre- servoirs mit entsprechenden Verbindungsstrukturen umfassen. Es können dann mehrere Dosierreservoirs im Kreislauf "in Serie" geschaltet werden, um das Dosiervolumen der ersten Flüssigkeit zu vergrößern. Bei einer solchen Ausgestaltung können die einzelnen Dosierreservoirs unterschiedliche oder gleiche Größe haben.
Speziell bei einer Verfahrensführung, bei der ein Kreislauf der Flüssigkeiten verwendet wird, findet eine Reaktion zwischen den Flüssigkeiten nicht nur in dem mit Reaktionsreservoir bezeichneten Teil der Vorrichtung statt. Zur Abgrenzung gegen die Verwendung des Begriffes "Dosierreservoir", mit dem die Dosierung der ersten Flüssigkeit vorgenommen wird, wurde im vorliegenden Text dennoch der Begriff "Reaktionsreservoir" verwendet, da insbesondere bei den gezeigten Ausführungsformen das Reaktionsreservoir auf Grund seiner Größe die Hauptstruktur ist, in der die Reaktion stattfindet. Insbesondere zum Beispiel bei den Ausführungsformen ent- sprechend der Fig. 1, Fig. 4 oder Fig. 5 ist es jedoch auch möglich, dass die Dosierreservoirs und das Reaktionsreservoir z. B. gleich groß sind und bei einer Kreislaufverfahrensführung auch in beiden Reservoirs eine Reaktion stattfindet.
Die erfindungsgemäßen Dosier- bzw. Durchmischungsvorrichtungen können in einem Automaten prozessiert werden, der die Flüssigkeiten in die Vorrichtungen füllt, die Vorrichtungen temperiert, die akustischen Chips steuert und auch Befülllöcher öffnet bzw. Barrieren schließt oder öffnet. Außerdem kann ggf. mit einem solchen Automaten auch die z. B. elektri- sehe oder optische Auswertung vorgenommen werden. Solche Automaten können sinnvoll in der Diagnostik oder allgemein in der Laborautomatisierung eingesetzt werden.
Daher kann es zum Beispiel vorteilhaft sein, wenn bei den Ausführungs- formen entsprechend der Fig. 3, 4 oder 5 die Befüllung der Reservoirs nur durch eine oder höchstens zwei Befüllstrukturen erfolgt, da dies das Zugeben der Flüssigkeit durch den Automaten vereinfacht. Entsprechende Pipettierköpfe oder Dispenser zur Befüllung können dann ortsfest ausgestaltet sein.
Mit den gezeigten Ausführungsformen können zum Beispiel Gesamtvolumina von bis zu 1 ml bei Einzelvolumina von z. B. nur 10OnI prozessiert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Dosierung und Durchmischung von Flüssigkeiten in einem großen dynamischen Bereich, also mit sehr unterschiedlichen Mischungsverhältnissen präzise durchgeführt werden. Die Anforderungen an die Genauigkeit der verwendeten Fülleinrichtungen ist sind nicht hoch, da die Dosierung durch die erfindungsge- mäße Verfahrensführung bzw. Verwendung der erfindungsgemäßen Vor- richtung geschieht. Das Mischungsverhältnis zwischen Reagenzien und Probenflüssigkeit kann zum Beispiel zwischen 1 : 100 bis zu 100: 1 eingestellt werden.
Bezugszeichenliste
1 Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
2 Kunststofffolie
3 Dosierreservoir, Dosierkammer
5 Kunststoffteil
7, 9 Befüllöffnungen
10 Vorrichtung zum integrierten Dosieren und Durch mischen
11 Engstellen
13 Begrenzungswand
15 akustischer Chip
20, 30, 50 Vorrichtungen zum integrierten Dosieren und
Durchmischen
101 Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
103 Dosierkapillarstruktur
105 Kunststoffteil
107, 109 Befüllöffnungen
111 Verbindungskapillarstruktur
1 15 akustischer Chip
121, 122 Öffnungen
201 Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
203 Dosierreservoir, Dosierkammer
207, 209 Befüllöffnungen
210, 211, 212 Verbindungskapillarstrukturen
215 akustischer Chip
216 Verbindungskanalstruktur
217, 218, 219, 220 Barrierenstrukturen 221, 222 Entlüftungsöffnungen 223 Dosierreservoir, Dosierkammer 224 Barrierenstruktur
301 Reaktionsreservoir, Reaktionskammer
303 Dosierreservoir, Dosierkammer
304 Teil eines Dosierreservoirs 305 Kunststoffteil
307, 309 Befüllstrukturen
308, 310 Zuführungen 311 Engstellen
315 Interdigital transducer 320, 322 Hilfslinien
324 Flüssigkeitsgrenze

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum integrierten Dosieren und Durchmischen kleiner Flüssigkeitsmengen, bei dem wenigstens ein Dosierreservoir (3, 103, 203, 223, 303) mit einer ersten Flüssigkeit vollständig befüllt wird, das über wenigstens eine Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212, 311) mit einem Reaktions- reservoir (1 , 101, 201 , 301) in Verbindung steht, wobei die Verbindungsstruktur vorzugsweise derart dimensioniert ist, dass die Oberflächenspannung der ersten Flüssigkeit einen Eintritt in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201, 301) verhindert, ein Reaktionsreservoir (1, 101, 201, 301) mit einer zweiten Flüssig- keit vollständig befüllt wird, so dass die zweite Flüssigkeit an der
Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212, 311) mit der ersten Flüssigkeit in Verbindung kommt, und in der Flüssigkeit zumindest in bzw. auf dem Reaktionsreservoir (1, 101, 201, 301) ein Strömungsmuster erzeugt wird, das zur Durch- mischung der Flüssigkeiten führt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Durchmischung ein im Wesentlichen laminares Strömungsmuster erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das laminare Strömungsmuster zumindest in einer Verbindungsstruktur (311) zwischen Dosierreservoir (303) und Reaktionsreservoir (301) erzeugt wird, vorzugsweise auch in dem Dosierreservoir (303).
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zur Erzeugung des laminaren Strömungsmusters Schallwellen verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur Durchmi- schung Schallwellen in die Flüssigkeit in bzw. auf das zweite Reservoir (1, 101, 201, 301) eingestrahlt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Schallwellen mit Oberflächenschallwellen vorzugsweise mit Hilfe wenigs- tens eines Interdigitaltransducers erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die wenigstens eine Verbindungsstruktur eine Verbindungskapillarstruktur umfasst.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur durch Flächenbereiche auf einer Oberfläche gebildet werden, die im Vergleich zu der umgebenden Oberfläche von den Flüssigkeiten bevorzugt benetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur durch Vertiefungen in einer Oberfläche gebildet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223) und die wenigstens eine Verbindungsstruktur (11, 111, 210, 211, 212) durch Hohlräume in einer Festkörperstruktur (5, 105) gebildet werden. 5 013597
35
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223) durch Befüllöffnungen (7, 9, 107, 109, 207, 209) vorzugsweise im oberen Abschluss der Reservoirs befüllt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem als Dosierreservoir eine Reservoirkapillarstruktur (103) eingesetzt wird, die entlang ihrer Längsausdehnung zumindest zwei Öffnungen (107, 121, 122) aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Volumen der ersten Flüssigkeitsmenge durch die Auswahl der zu öffnenden Öffnungen (121, 122) in der Reservoirkapillarstruktur (103) ausgewählt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem zur Befüllung des wenigstens einen Dosierreservoirs (303) wenigstens eine offene Befüllstruktur (307) eingesetzt wird, die über Zuführungen (308) mit dem wenigstens einen Dosierreservoir (303) verbunden ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 14, bei dem zur Befüllung des Reaktionsreservoirs (301) wenigstens eine offene Befüllstruktur (309) eingesetzt wird, die über Zuführungen (310) mit dem Reaktionsreservoir (301) verbunden ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem wenigstens eine Kapillarstruktur als Zuführung (308, 310) eingesetzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem eine Vorrichtung mit mehreren Dosierreservoirs (203, 223, 303) vorzugswei- se verschiedener Größe eingesetzt wird, die einerseits über Verbin- dungsstrukturen (211, 212, 311) mit dem Reaktionsreservoir (201 , 301) und andererseits mit einer Befüllöffnung (207, 307) in Verbindung stehen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 9 oder 10 abhängt, bei dem die Verbindungsstrukturen (211, 212) zunächst verschlossen sind und zur Auswahl des gewünschten Dosierreservoirs (203, 223) geöffnet werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 9 oder 10 abhängt, bei dem das gewünschte Dosierreservoir (203, 223) durch Verschließen der Verbindungsstrukturen (211, 212) zu den übrigen Dosierreservoirs ausgewählt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, bei dem das Öffnen bzw. Verschließen der Verbindungsstrukturen (211) durch einen Schmelzprozess in einem Kunststoffteil bewirkt wird.
21. Vorrichtung zum integrierten Dosieren und Durchmischen kleiner Flüssigkeitsmengen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens einem Dosierreservoir (3, 103, 203, 223, 303) für eine erste Flüssigkeitsmenge, einem Reaktionsreservoir (1, 101, 201, 301) für eine zweite Flüssigkeitsmenge, wenigstens einer Verbindungsstruktur (11, 111, 211, 212, 311) zwischen dem wenigstens einen Dosierreservoir und dem Reaktionsreservoir, wobei die Verbindungsstruktur vorzugsweise derart dimen- sioniert ist, dass die erste Flüssigkeit auf Grund ihrer Oberflächen- Spannung nicht in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201, 301) eintritt, und eine Einrichtung (15, 115, 215, 315) zur Erzeugung eines Strömungsmusters zur Durchmischung von Flüssigkeit zumindest in bzw. auf dem Reaktionsreservoir.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Einrichtung zur Erzeugung eines Strömungsmusters wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung (15, 115, 215, 315) zur Einstrahlung von Schall- wellen in das Reaktionsreservoir (1, 101, 201) bzw. in Richtung des
Reaktionsreservoirs (301) umfasst.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die wenigstens eine Schallwellenerzeugungseinrichtung eine Oberflächenschallwellenerzeu- gungseinrichtung (15, 115, 215, 315) umfasst.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, mit wenigstens einem Interdigital transducer zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei der die wenigstens eine Verbindungsstruktur eine Verbindungskapillarstruktur umfasst.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem die Re- servoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur Flächenbereiche auf einer Oberfläche umfassen, die im Vergleich zu der umgebenden Oberfläche von den Flüssigkeiten bevorzugt benetzt werden.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem die Reservoirs und die wenigstens eine Verbindungsstruktur Vertiefungen in einer Oberfläche umfassen.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223) und die wenigstens eine Verbindungsstruktur (11, 111, 210, 211, 212) Hohlräume in einer Festkörperstruktur (5, 105) umfassen.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Hohlräume Vertiefungen in einem Festkörper (5, 105, 305) umfassen, die durch einen Deckel (2) abgeschlossen sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der der Deckel (2) durch eine Folie (2), vorzugsweise aus Kunststoff gebildet ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei der das wenigstens eine Dosierreservoir eine Dosierkapillarstruktur (103) um- fasst.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, bei der die Hohlräume vorbestimmte Öffnungen (121, 122) umfassen, die zunächst verschlossen sind und bei Bedarf geöffnet werden können.
33. Vorrichtung nach den Ansprüchen 31 und 32, bei der die Dosierkapillarstruktur (103) mindestens zwei vorbestimmte, ggf. zu öffnende Öffnungen (121, 122) umfasst, die entlang der Dosierkapillarstruktur angeordnet sind.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 33, mit wenigstens einer offenen Befüllstruktur (307) zur Befüllung des wenigstens einen Dosierreservoirs (303), die über Zuführungen (308) mit dem wenigstens einen Dosierreservoir (303) verbunden ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 34, mit wenigstens einer offenen Befüllstruktur (309) zur Befüllung des Reaktionsreservoirs (301), die über eine Zuführung (310) mit dem Reaktionsreservoir (301) verbunden ist.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 oder 35, bei dem die Zuführungen (308, 310) Kapillarstrukturen umfassen.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 36, bei der mehrere Dosierreservoirs (203, 223, 303) vorzugsweise unterschiedlicher
Größe vorgesehen sind, die über Verbindungsstrukturen (211, 212, 311) mit dem Reaktionsreservoir (201, 301) verbunden sind.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei der die Verbindungsstrukturen (211, 212, 311) zunächst verschlossen sind und bei Bedarf geöffnet werden können.
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 27 oder 28 abhängt, bei der die Verbindungs- strukturen (211, 212) aufschmelzbare Barrieren (219, 220) aus
Kunststoff umfassen.
40. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei der die Verbindungsstrukturen (211, 212, 311) zunächst geöffnet sind und bei Bedarf geschlossen werden können.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, insoweit er direkt oder indirekt von einem der Ansprüche 27 oder 28 abhängt, bei der die Verbindungsstrukturen (211, 212) Barrierenstrukturen umfassen, die durch ei- nen Schmelzprozess zu Barrieren (219, 220) geformt werden können.
42. Apparat zur automatischen Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einer Aufnahme für eine Vorrichtung (10, 20, 30) gemäß Anspruch
21, elektrischen Kontakten zur Kontaktierung der wenigstens einen Einrichtung (15, 115, 215, 315) zur Erzeugung eines Strömungsmusters, die bei in der Aufnahme eingelegten Vorrichtung (10, 20, 30, 50) die wenigstens eine Einrichtung (15, 115, 215, 315) zur Erzeugung eines Strömungsmusters elektrisch kontaktieren, Einrichtungen zur automatischen Flüssigkeitszufuhr in die Reservoirs (1, 3, 101, 103, 201, 203, 223, 301, 303), und einer Steuerung, vorzugsweise einen Mikroprozessor umfassend, zur Steuerung der wenigstens einen Einrichtung (15, 115, 215, 315) zur
Erzeugung eines Strömungsmusters und der Einrichtungen zur automatischen Flüssigkeitszufuhr.
43. Apparat nach Anspruch 42, bei der die Einrichtungen zur automati- sehen Flüssigkeitszufuhr elektrisch ansteuerbare Pipettier spitzen und/ oder Dispenser umfassen, die bei in die Aufnahme eingelegter Vorrichtung (10, 20, 30, 50) oberhalb entsprechender Befüllöffnun- gen bzw. Befüllstrukturen (7, 9, 107, 109, 207, 209, 307, 309) angeordnet sind.
44. Apparat nach einem der Ansprüche 42 oder 43, mit von der Steuerung ansteuerbaren Öffnungseinrichtungen zur Öffnung der Öffnungen (121, 122) einer in die Aufnahme eingelegten Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 32 oder 33.
45. Apparat nach Anspruch 44, bei dem die Öffnungseinrichtungen Durchstechspitzen zum Durchstechen einer als Deckel der Vorrichtung (20) vorgesehenen Kunststofffolie umfassen.
46. Apparat nach einem der Ansprüche 42 oder 43, mit durch die Steuerung ansteuerbaren Hitzeerzeugungseinrichtungen zur Erzeugung von Hitze an den Stellen der Barrierenstrukturen (217, 218, 219, 220, 224) einer Vorrichtung (30) gemäß einem der Ansprüche 39 oder 41.
47. Apparat nach Anspruch 46, bei dem die Hitzeerzeugungseinrichtungen Heizdrähte oder Laser umfassen.
48. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, einer Vorrichtung (10, 20, 30, 50) nach einem der Ansprüche 21 bis
41 oder eines Apparates nach einem der Ansprüche 42 bis 47 zur Dosierung und Durchmischung biologischer Flüssigkeiten.
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