DE69823673T2

DE69823673T2 - Vorrichtung und verfahren zur tropfenmikrochemie

Info

Publication number: DE69823673T2
Application number: DE69823673T
Authority: DE
Inventors: Ian W. Hunter
Original assignee: Biotrove Inc
Current assignee: Biotrove Inc
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: EP1007212B1; EP1007212A2; WO1999011373A2; WO1999011373A3; DE69823673D1; ATE265889T1; CA2302271A1; JP2003532508A; US6309600B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport einer Vielzahl von Tropfen einer Flüssigkeit und zum Durchführen mikrochemischer Arbeiten an diesen Tropfen, wobei die Arbeiten Mischen, Verdünnen, Konzentrieren, Erhitzen, Abkühlen, Filtern und Analysieren beinhalten, wobei das Analysieren chemische, biochemische, optische oder andere physikalische Analysen beinhalten kann.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Chemie auf der Mikroskala, welche die Reaktion und nachfolgende Analyse der Menge von Reagenten oder Analyten in einer Einheit von Mikrolitern oder kleiner einschließt, ist ein zunehmend wichtiger Gesichtspunkt der Entwicklung neuer Substanzen in der pharmazeutischen und anderen Industrien (z.B. Synthese und Analyse von neuen leitenden Polymeren, Phosphor, Supraleitern, etc.). Eine solche Reaktion und Analyse muss enorme Sammlungen von Verbindungen aufnehmen, die unter verschiedenen Bedingungen reagieren und analysiert werden. Bedeutende Schwierigkeiten, die mit den derzeitigen Technologien einhergehen, die auf die chemische Analyse einer enormen Anzahl (potentiell im Grad von Hunderten oder Tausenden oder Millionen pro Tag) von Verbindungen angewendet werden beinhalten das Problem, die Analyten von Vertiefungsplatten, in welchen Sammlungen von Verbindungen aufbewahrt werden in Bereiche von Reaktion und Analyse zu transportieren, potentielle Kontamination des Transportmediums und die bloße Größe der Einrichtung, die erforderlich ist, eine enorme Anzahl von Verbindungen und Reaktionen zu bewältigen.
Die bestehende Technologie verwendet 96- Vertiefungsplatten, die Mengen in der Einheit von 1 Milliliter von Flüssigkeit pro Vertiefung aufnehmen und, üblicherweise chemische Reaktionen und Analysen auf flachen, zweidimensionalen Oberflächen wie zum Beispiel Silikonchips vorsehen. Zusätzlich zu der parallelen Probenahme von flüssigen Proben, die durch die Chiptechnologie geboten wird, ist ein Verfahren erforderlich, um fortlaufende Schritte von Flüssigkeitsprobenahme, Transport und mikrochemischer Analyse durchzuführen.
Das Dokument US-A-3566677 offenbart die Anordnung von zu analysierenden Tropfen auf einer endlosen Kette, die durch Rollen angetrieben wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Transport eines oder mehrerer Tropfen einer Flüssigkeit vorgesehen entsprechend Anspruch 1 und einem Verfahren entsprechend Anspruch 14. Die Vorrichtung besitzt einen Behälter zur Aufnahme einer Menge der Flüssigkeit und ein flexibles Bauteil zum Aufnehmen des Tropfens oder der Tropfen der Flüssigkeit aus dem Behälter, wobei die Tropfen an dem flexiblen Bauteil auf Grund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit anhaften. Das flexible Bauteil kann eine Faser oder ein Band sein und ein Abschnitt des flexiblen Bauteils kann mindestens zeitweise in einem Gehäuse gebildet sein, um mindestens einen Tropfen der Flüssigkeit einzuschließen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform eines anderen Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Lagern oder Analysieren einer Vielzahl von Tropfen der Flüssigkeit vorgesehen. Die Vorrichtung besitzt eine Walze, die eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche besitzt und eine Vielzahl von in der im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche angeordneten Vertiefungen. Die Vorrichtung besitzt auch einen Dispenser bzw. Aufteileinrichtung zum Einbringen der Vielzahl von Tropfen in die Vertiefungen gemäß eines vorher festgelegten Schemas kann einen Analysiereinrichtung zur Charakterisierung von zumindest einer chemischen Eigenschaft der Tropfen aufweisen. Der Dispenser kann ein flexibles Transportbauteil sein, das so auf die Walze gewickelt ist, dass nicht mehr als ein Tropfen der Flüssigkeit in jeder Vertiefung der Walze positioniert wird.
Entsprechend anderen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zum Transportieren, Probenahme, Mischen, Konzentrieren, Verdünnen, Erhitzen, Abkühlen und Analysieren der Flüssigkeitsproben durch Extrahieren eines Volumens der Flüssigkeit durch Mittel der oben erwähnten Vorrichtung vorgesehen. Analysen von physikalischen und chemischen Eigenschaften der Proben können in Serie oder in einem im Wesentlichen Parallelismus durchgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei gilt:
1A–1C sind Seitenansichten im Querschnitt eines Tropfens in Anhaftung an eine Faser entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer tropfenaufnehmenden Vorrichtung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B–2C zeigen aufeinanderfolgende Schritte der Tropfenaufnahme auf eine Faser entsprechend der Ausführungsform der 2A;
3 stellt den Transport einer Vielzahl von Tropfen auf einer Faser dar und eine Beförderungsvorrichtung zum Übertragen der Faser entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
4 stellt die Kombination transportierter Tropfen als Anführung einer Kombination durch jeweilige Fasern entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
5 stellt die jeweiligen Oberflächen und Volumen von einzelnen und kombinierten Tropfen dar, die durch eine Faser entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung getragen werden;
6 zeigt den Transport und die Kombination von Tropfen verschiedener Größe entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
7 ist eine schematische Darstellung eines kapazitiven Bildschirms zum Erfassen der Position und den Eigenschaften eines Mikrotropfens entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung;
8 ist eine graphische Darstellung der gemessenen Aufnahmefähigkeit bzw. Kapazitanz, wenn ein Tropfen den kapazitiven Bildschirm der 7 durchläuft;
9 ist eine schematische Darstellung eines typischen optischen Aufbaus, der zur Abfrage eines Tropfens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
10 ist eine perspektivische Ansicht einer Probentransportwalze zur Lagerung und Analyse von Mikroproben, die durch eine Faser entsprechend Ausführungsformen der Erfindung transportiert werden;
11A ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer flüssigkeitsaufnehmenden Vorrichtung, die ein Band oder einen Streifen verwendet, entsprechend einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11B–11C zeigen Querschnitte von Rollen, die zur Übertragung einer Krümmung auf das Band oder den Streifen der 11A verwendet werden; und
12 ist eine perspektivische Ansicht eines Bandes, das in gerollten und abgeflachten Anordnungen zum Transport von Mikrotropfen entsprechend Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit Bezug zuerst zu der 1A wird erkannt, dass der Transport, die Manipulation und die mikrochemische Reaktion von Materialien in der flüssigen Phase oder in flüssigen Suspensionen nicht auf einem ebenen Umfeld ausgeführt werden müssen, sondern die Anhaftung eines Tropfens 10 an eine Faser 12 benutzen können, um einen oder mehrere der aufgezählten Prozesse zu erreichen. Prozesse der Anhaftung einer Flüssigkeit an die Oberfläche einen Festkörper sind zum Beispiel in D. Myers „Oberflächen, Grenzflächen und Kolloide: Prinzipien und Anwendungen" (VCH Publishing, NY, 1991) behandelt, was hier mit Bezug aufgenommen wird. Kapitel 17 mit dem Titel „Benetzung und Streuung" auf Seite 349ff ist von besonderer Bedeutung.
„Faser", wie in der vorliegenden Beschreibung benutzt und in jedem der anhängenden Ansprüche, bezieht sich auf jedes flexible Material, dessen lineare Abmessung im Wesentlichen die querlaufende Abmessung des Materials überschreitet und beinhaltet Materialien, die amorph sein können, wie zum Beispiel Glas oder Plastik. Es ist eher die Geometrie als die Zusammensetzung der Faser, die für den Gesamtrahmen der Erfindung relevant ist, obwohl die Eigenschaften verschiedener Zusammensetzung der Faser vorteilhaft ausgenutzt werden können, wie ferner unten beschrieben. Der Querschnitt der Faser kann jede festgelegte Form besitzen, somit kann die Faser einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt haben, zum Beispiel in der Art optischer Fasern. Das flexible Bauteil kann also flach oder bandähnlich sein, oder gerollt, wie unten beschrieben, und Bezugnahmen hier auf „Faser" müssen so verstanden werden, dass sie auch die Allgemeinheit von flexiblen Bauteilen umfassen. Materialien können zum Beispiel Quarz oder Glas beinhalten, oder als anderes Beispiel amorphes Metall (metallisches Glas). Metalldrähte mit Durchmessern, die 25μm oder 5μm klein sind, sind bereits verfügbar. Tropfen 10 kann hier und in den anhängenden Ansprüchen auf „Mikrotropfen" oder „Probe" bezogen werden und kann Tropfen einschließen, die lebende Zellen beinhalten, wie zum Beispiel Hefezellen, und können Tropfen einschließen, die eine einzelne lebende Zelle pro Tropfen tragen.
Das Fasersystem, das hier für die Tropfenmikrochemie beschrieben wird, kann vollständig den Gebrauch von Rohren vermeiden, die eine Reinigung erfordern und kann verschiedene Bearbeitungsschwierigkeiten überwinden, die mit Proben einhergehen, die in Rohren eingeschlossen sind. Im Gegensatz sind Glasfasern bei geringen Kosten mit einer Länge von vielen Kilometern verfügbar und werden fertig verkauft, nachdem die chemische Manipulation und Analyse vervollständigt sind.
Die folgenden Komponenten eines mikrochemischen Analysesystems sind Beispiele von Prozessen, die durch den Gebrauch von Fasertechnologie entsprechend verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können:

1. Probenahme- d.h. Übertragen einer geringen Menge einer festgelegten Flüssigkeit auf eine Faser entweder von einem Behälter mit Flüssigkeit oder einer anderen Oberfläche;
2. Transportieren der Flüssigkeitsproben;
3. Zuführen einer Probe zu einer anderen;
4. Verdünnen einer Probe;
5. Konzentrieren einer Probe;
6. Erhitzen oder Abkühlen einer Probe;
7. Extrahieren oder Filtern von chemischen Stoffen, die in einer Probe enthalten sind;
8. Analysieren der chemischen Stoffe auf ihre Zusammensetzung oder andere chemische oder physikalische Eigenschaften bzw. Charakteristika.

Die Menge von Flüssigkeit, die an der Faser 12 anhaftet und somit den Tropfen 10 bildet ist eine Funktion der jeweiligen Zusammensetzungen der Faser 12 und des Tropfens 10 und des Verfahrens, mit welchem die Anhaftung des Tropfens an die Faser erlangt wird. In der Praxis wurden Variationen im Volumen um einen Faktor über 1000 erreicht. Die Oberflächenspannung des Tropfens 10 zum Beispiel, dient zum Entgegenwirken einer unbegrenzten Diffusion der Flüssigkeit entlang der Faserlänge. Dort, wo die Faser 12 nicht durch den Tropfen 10 angefeuchtet ist, bildet die Tangente 16 zur äußeren Fläche 19 des Tropfens 10 den Kontaktwinkel 18 mit der lokalen Fläche der Faser 12. Dort, wo ein Anfeuchten der Faser 12 durch den Tropfen 10 auftritt, wie in 1B gezeigt, wir die Streuung des Tropfens 10 entlang der Faser 12 durch die Oberflächenspannung begrenzt. Die Größe des Tropfens steht in Bezug zu der querlaufenden Abmessung (oder Abmessungen) der Faser; zum Beispiel kann eine Faser mit einem Durchmesser von 100 μm einen Tropfen mit über fünffachem Durchmesser halten.
Zum Transportieren des Tropfens 10 wird es bevorzugt, dass der Tropfen 10 die Faser 12 umgibt, wie in 1C gezeigt.
Die Probenahme von Materialien in flüssiger Form, wobei dabei die Faser beladen wird, wird jetzt mit Bezug zu 2 beschrieben. Die Faser 12 kann durch jede mechanische Anordnung, die in der mechanischen Wissenschaft bekannt ist geführt werden, um mit der Flüssigkeit 18 in Kontakt zu kommen, die in einem Behälter 20 enthalten sein kann. Quarz ist ein bevorzugtes Material für die Faser 12, da es sehr stark ist. Die Faser kann zum Beispiel durch Rollen 22 geführt werden, die eine Rollenvorschubvorrichtung 23 aufweisen, um eine Schleife 24 zu bilden. Die Schleife 29 wird in der durch den Pfeil 26 angezeigten Richtung in Kontakt mit der Flüssigkeit 18 gebracht, wie in 2B gezeigt, vorzugsweise ohne die Oberfläche der Flüssigkeit zu durchdringen. Wenn die Schleife 24 in Richtung 28 von der Oberfläche der Flüssigkeit weg zurückgezogen wird, wie in 2C gezeigt, beginnt sich ein Tropfen 10 auf der Faser 12 zu bilden. Wird die Schleife 24 weiter zurückgezogen, löst sich ein Tropfen 10 von dem Flüssigkeitsbehälter 20, wie in 2D gezeigt.
Die Geschwindigkeit, mit der die Faser 12 von dem Flüssigkeitsbehälter 20 zurückgezogen wird trägt dazu bei, die Größe des sich bildenden Tropfens 10 zu bestimmen, dabei resultiert ein langsameres Zurückziehen in einem kleineren Tropfen. Höhere Geschwindigkeit führt zu größeren Tropfen, wobei noch höhere Geschwindigkeiten im Abfallen des Tropfens resultieren, der zurück in den Behälter tropft. Die Rollenvorschubvorrichtung 23 dient auch zum Antreiben der Faser 12 in der Richtung ihrer Längsachse.
Ein typisches Volumen von Flüssigkeiten, die durch eine Faser in der beschriebenen Weise aufgearbeitet werden ist von folgender Reihenfolge: angenommen die Abgrenzung der Flüssigkeit besitzt einen Durchmesser von 300 μm und umgibt eine Faser mit einem Durchmesser von 100 μm, und zieht man das Volumen ab, das durch die Anwesenheit der Faser ersetzt wird, beträgt das Volumen des Flüssigkeitstropfens um die 12 Nanoliter. Da sich das Volumen des Tropfens im Wesentlichen mit der Potenz der charakteristischen Abmessung der Faser staffelt, kann eine Faser von 1 mm Durchmesser benutzt werden, um Tropfen mit einem Volumen um die 10 Mikroliter transportieren. Tatsächlich werden bereits Tropfenvolumen zwischen 10 Picolitern und 10 Mikrolitern entsprechend der Erfindung bearbeitet.
Einmal mehr mit Bezug zu der 2A, kann ein Kontakt zwischen der Faser 12 und der Flüssigkeit in dem Behälter 20 auf jedem einer Verschiedenheit von Wegen erreicht werden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Behälter 20 erhöht werden, so dass die Oberfläche 26 der Flüssigkeit 18 die Faserschleife 24 kontaktiert bzw. berührt. Als Alternative kann die gesamte Rollenvorschubvorrichtung 23 herabgesetzt werden, so dass die Schleife 24 in Kontakt mit der Flüssigkeit 18 kommt, oder, entsprechend einer anderen Ausführungsform kann die Geschwindigkeit der Rollen 22 auf unterschiedliche Weise geregelt werden, um die Länge der Schleife 24 zu regulieren. Es soll verstanden werden, dass zusätzliche Rollen innerhalb der Gesamtheit der Erfindung vorgesehen werden können, zum Beispiel um sie für verschiedene Beförderung der anführenden und zurückhängenden Knie der Schleife 24 vorzusehen.
Transport
Eine Faser, wie beschrieben, kann eine große Anzahl von Flüssigkeitstropfen aufnehmen und alle Tropfen in einer festgelegten Richtung zur seriellen Bearbeitung auf einer massiven Skala transportieren. Jetzt mit Bezug zu 3 und der Annahme, dass die Faser 12 einen Durchmesser von zum Beispiel 100 μm besitzt, können die Tropfen 10 mit einem Tropfenzwischenabstand 30 von 500 μm oder weniger transportiert werden. Somit können über 2000 Tropfen pro Meter der Faser aufgeladen werden, und 500 m der Faser können über eine Million Tropfen halten und transportieren, wobei die Zusammensetzung der einzelnen Tropfen variieren kann.
Zusätzlich können entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kleine Feststoffpartikel 31 an der Faser 12 durch elektrostatische Anziehung oder durch Kräfte der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten gehalten und ähnlich transportiert, manipuliert und durch das offenbarte System analysiert werden. Damit die Faser 12 durch Rollen 22 befördert wird, müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit sie nicht störend auf die Beförderung der Tropfen 10 einwirken. Eine Verfahren zur Schaffung der Faserbeförderung ist, strahlenförmige bzw. Radialbauteile 32 vorzusehen, welche die Faser 12 nur an Positionen 34 berühren, wo keine Tropfen anwesend sind. In dieser Figur sind Rollen 22 gezeigt, die sich gegenläufig drehen, um die Faser 12 in Richtung 36 zu befördern, in dieser Figur nach rechts.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Faser an festgelegten Bereichen oder Intervallen magnetisiert werden und ein magnetisch anziehbares Kügelchen kann an diesen Bereichen angezogen und durch die zu transportierende Flüssigkeit umgeben werden.
Wurden einmal Tropfen 10 auf die Faser 12 aufgeladen, können sie erhitzt oder gekühlt werden und Funktionen der Mikrochemie und Analyse können an ihnen durchgeführt werden, wie detaillierter in der folgenden Erörterung beschrieben.
Zusatz von Chemikalien durch Fasertechnologie
Jetzt mit Bezug zu 4 können deutliche Tropfen derselben oder verschiedener chemischer Zusammensetzung kombiniert werden, indem die Tropfenmikrochemieverfahren der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Eine erste Faser 40, die Tropfen 42 trägt, kann in Bezug zu einer zweiten Faser 44, die andere Tropfen 46 trägt bewegt werden, so dass die Fasern 40 und 44 in im Wesentlichen örtlich parallelen Ebenen liegen und einen festgelegten relativen Winkel 48 besitzen, der ein rechter Winkel sein könnte. Wird die Faser 40 in ausreichende Nähe der Faser 44 gebracht, kann ein Einzeltropfen 49 durch die Kombination von Tropfen einer jeden Faser 40 und 49 gebildet werden. Wird die Faser 40 jetzt von der Faser 44 hinweg bewegt, tendiert der Tropfen 49 dazu, sich zu einer oder zu der anderen der Fasern 40 und 44 zu bewegen. Um zu wählen, welche Faser den kombinierten Tropfen 49 aufnimmt, kann eine Faser, zum Beispiel die Faser 44 im wesentlichen quer zu der anderen Faser bewegt werden und dann werden die Fasern getrennt. Die Fasern werden so differenziert, da die erforderliche Kraft, um einen Tropfen entlang einer Faser zu bewegen sich von der erforderlichen Kraft unterscheidet, den Tropfen von der Faser zu entfernen oder eine Bewegungsenergie auf die Flüssigkeit in einer Richtung tangential zu dem Umfang der Faser zu übermitteln.
In der beschriebenen Weise können Tausende durch eine Einzelfaser beförderte Tropfen mit Tausenden durch eine zweite Faser beförderten Tropfen kombiniert werden, indem die Tropfen sequenzielle in wechselseitigen Kontakt gebracht werden.
In 5 werden die Oberflächen und Volumen zweier Tropfen 50, die als gleich angenommen werden, mit derselben Menge eines kombinierten Tropfens 52, der aus der Kombination der Ursprungstropfen 50 entsprechend der vorhergehenden Erörterung resultiert verglichen. Während das Flüssigkeitsvolumen des Tropfens 52 doppelt so groß ist wie das eines jeden Tropfens 50, ist die Oberfläche des Tropfens 52 kleiner als die doppelte eines jeden Tropfens 50. Da die Oberfläche des Tropfens 52 und somit seine Oberflächenenergie, die sich mit de Oberfläche erhöht, kleiner als die Summe der entsprechenden Mengen der getrennten Tropfen ist, wird die kombinierte Konfiguration energetisch favorisiert.
Wie in 6 gezeigt können Tropfen 42, die durch die Faser 40 in axialer Richtung 36 transportiert werden, von unterschiedlicher Größe oder Volumen zu den Tropfen 46, die durch die Faser 44 vor ihrer Kombination mit den Tropfen 44 sein, um kombinierte Tropfen 49 zu bilden. Tatsächlich gibt es im Anwendungsbereich der Erfindung keine Beschränkung auf die Größen bestimmter Tropfen. Da die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Tropfen gesteuert ist, kann ein Computer sie alle verfolgen und die unter den Tropfen stattfindenden chemischen Reaktionen steuern.
Proben von Tropfenpositionen und physikalischen Eigenschaften
Kapazitiv
Variation in der Tropfenposition in Bezug zu der festen Laborausstattung kann auftreten, aufgrund von Streckung und Verkürzung der Faser aufgrund wiederum von thermischer Ausdehnung oder Zugbelastung. Um die Tropfenposition mit großer Präzision zu verfolgen, können mehrere Verfahren praktiziert werden. Mit Bezug zu 7 wird ein Kapazitätssensor, generell durch die Nummer 70 bezeichnet benutzt, um die Kapazität zwischen den Platten 72 zu messen. Ein Kapazitätsmessgerät 74, wie in der Wissenschaft bekannt, wird über die Platten verbunden und liefert ein Ausgangssignal, das die Kapazität charakterisiert. Der Abstand zwischen den Platten 72 muss ausreichend sein, um einen Abstand für die Faser 12 und den Tropfen 10 vorzusehen, während die Breite der Platten 72 nicht länger sein muss, als um eine klare Auflösung einzelner Tropfen zu ermöglichen. Abhängig von den dielektrischen Eigenschaften eines gegebenen Tropfens 10 erhöht oder verringert sich die über den Platten 72 gemessene Kapazität, wenn der Tropfen 10 in den Bereich zwischen den Platten eintritt, da die Faser 12 in die Richtung 36 befördert wird. Die graphische Darstellung 80 in 8 stellt die Kapazität, gedruckt entlang der vertikalen Achse, als eine Funktion des Abstands x der Faser 12 dar. Die Breite w der Kapazitätsabstraktion entspricht im Wesentlichen der Breite des zusammengerollten Tropfens zu der Breite der Platten 72, und kann von der Breite der Platten dominiert werden, wenn sie wesentlich die Breite des Tropfens überschreitet. Benützt man diese Technik, wird die mittlere Tropfenposition 82 genau bestimmt.
Die graphische Darstellung 80 der Kapazität als Funktion der Faserposition ermöglicht auch, dass andere Parameter bestimmt werden. Zum Beispiel ist das Integral der Kurve 80 proportional zu dem Volumen des Tropfens aufgrund einer gegebenen Plattengeometrie und dielektrischen Konstante der Flüssigkeit. Durch Verkürzen der Plattenlänge unter die Tropfenlänge ergibt die Breite der Kurve direkt die Tropfenlänge und andererseits kann die Tropfenbreite durch die Dekonvolution bzw. Entfaltung der bekannten Plattenbreite abgeleitet werden. Ähnlich ermöglichen es die dielektrische Konstante der Flüssigkeit und die bekannten dielektrischen Eigenschaften und Geometrie der Faser, dass dem abzuleitenden Volumen eine absolute Messung des zunehmenden Wechsels der Kapazität gegeben wird, wenn der Tropfen durch die Platten läuft.
Auf ähnliche Weise wird, ist einmal Tropfenvolumen und -länge bekannt, der Durchmesser bereits berechnet.
Als Alternative kann, wenn das Volumen des Tropfens durch unabhängige Mittel wie zum Beispiel durch eines der unten beschriebenen optischen Verfahren abgeleitet wird, die beschriebene Kapazitätstechnik benutzt werde, um die dielektrische Konstante des Tropfens und somit Gesichtspunkte seiner materiellen / chemischen Charakteristik abzuleiten.
Optisch
Jetzt mit Bezug zu 9 benutzen andere Verfahren zur Abfragung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Tropfens 10, der durch die Faser 12 in die Richtung 36 befördert wird, ein Mikroskop, das generell durch die Nummer 90 bezeichnet ist. Die optische Anordnung kann konfokal (von Typ I oder Typ II) mit dem abgefragten Tropfen 10 sein und mit einem Blendstop 92 an den konjugierten Fokussen des Systems, oder andererseits jede einem Fachmann der optischen Wissenschaft bekannte optische Anordnung verwenden. Benützt man jegliche derartige Anordnung schafft eine Beleuchtungsquelle 94, welche eine Lichtbreitbandquelle oder eine monochromatische Quelle wie zum Beispiel ein Laser sein kann, einen Lichtstrahl 96, der durch Kollimationsoptik 96 parallel gerichtet wird. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Strahl 96 durch fokussierende Optik 100 fokussiert, um einen Fokus in der Nähe des Tropfens 10 zu bilden. Ein Bruchteil des Lichts, der von dem Tropfen 10 reflektiert wird, wird von einem Strahlspalter 102 abgelenkt und auf einen Photodetektor 104 fokussiert.
Wenn der Tropfen 10 den Strahl 96 durchläuft, variiert die Intensität des an dem Photodetektor 104 gemessenen reflektierten Lichts, mit optimaler Durchführung, wenn der Blendstop 92 an die Größe des Tropfens 10 angepasst ist. Wie oben erörtert kann eine optische Technik benutzt werden, um die Tropfengröße abzuleiten, wobei die kapazitive Technik Informationen erbringt, die sich auf die dielektrischen Eigenschaften der einzelnen Tropfen beziehen.
Entsprechend weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das von dem Tropfen entweder durch Reflektion oder Diffusion bzw. Streuung zurückgegebene Licht spektral analysiert werden, wobei man jede oder alle spektroskopischen Techniken benutzt, die in der spektroskopischen Wissenschaft bekannt sind, um Informationen abzuleiten, welche die Zusammensetzung und den physikalischen Zustand der Flüssigkeit ableitet, die der Tropfen 10 aufweist. Diese Techniken beinhalten zum Beispiel Fluoreszenzerfassungssysteme basierend auf der Fluoreszenzresonanz, um auf Arznei- / Proteinbeeinflussung abzuzielen.
Zusätzlich kann eine Mikroskopanordnung 90 verwendet werden, um eine Abbildung des Tropfens 10 auf der Blendenebene zu erzeugen, dort wo der Blendenstop 92 gezeigt ist. Platzieren einer Kameraanordnung, wie zum Beispiel einer CCD- Anordnung in der Blendenebene ermöglicht es, ein Abbildungssignal abzuleiten, entsprechend bekannten optischen Techniken.
Längenantrieb bzw. -propulsion von Tropfen entlang der Faser
Zusätzlich zur Beförderung der Tropfen durch Bewegen der unterliegenden Faser können einer oder mehrere Tropfen in Bezug zu der Faser bewegt werden. Entsprechend einer Technik zum Bewegen eines Tropfens werden optische Pinzetten verwendet, wobei der bekannte Effekt von Dipolkräften benutzt wird, die durch die Diffusion von Licht entstehen, wenn es durch eine beugende Grenzfläche zwischen zwei dielektrischen Medien hindurchgeht, wie zum Beispiel die Umgebungsluft und den Tropfen. Der Lichtstrahl wird aufgebracht durch das Fokussieren eines Laserstrahls auf eine konfokale Zone der gleichen Abmessung wie der Tropfen, so dass der Tropfen gezwungen wird, im Mittelteil des Strahls zu bleiben.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden akustische Impulse von gegenüberliegenden Enden der tropfenbeladenen Faser mittels akustischen Energieumwandlern wie zum Beispiel Piezoauslöser abgeschossen. Die zwei Impulse sind so gestaltet, dass sie kollidieren, um einen asymmetrischen Längsimpuls erzeugen, der dazu neigt die Faser und somit den Tropfen vorzugsweise in eine Richtung entlang der axialen Länge der Faser zu drängen. Dies bildet eine Art „träge Staffelung" wie sie in der Wissenschaft der Tunnelmikroskopie zum Bewegen von Feststoffgegenständen bekannt ist. Benutzt man diese Technik können bestimmte Tropfen entlang der Faser angesteuert werden.
Verschiede Ausführungsformen der Erfindung, wie oben beschrieben, können vorteilhaft zur Probenahme von Tropfen von einer 96- Vertiefungsplatte verwendet werden, wie sie weitgehend in Bereichen der Biologie, Pharmazie, etc. benutzt werden. Eine Einzelfaser kann zur aufeinanderfolgenden Probenahme von Tropfen von jeder der 96 Vertiefungen auf der Platte benutzt werden. Entsprechend einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist eine Aufarbeitungsanordnung, wie in 2A dargestellt, vorgesehen für gleichzeitige Probenahme einer Vielzahl von Vertiefungen mittels einer Vielzahl von Schleifen, entweder derselben Faser oder verschiedener Fasern. Dies ist vorgesehen für schnelle Probenahmen und Beförderung einer großen Anzahl von Mikrotropfen, von nicht weniger als 96000 Tropfen, die von 1000 Platten aufgearbeitet sind in einem Ablauf von um die 1,5 Stunden.
Faserlagerung und Analyse
Jetzt mit Bezug zu 10 wird eine Speicherwalze 100 gezeigt, die einer oder mehrerer der folgenden Funktionen dienen kann: a) Aufbewahrung der tropfenbeladenen Faser 12 auf eine solche Weise, dass die Intaktheit der Tropfen nicht gestört wird; b) Ziehen der Faser 12 zur Beförderung der Tropfen 10, die daran aufgehängt sind; und c) Schaffen einer Ebene zur Analyse der aufgehängten Tropfen 10, in massivem Parallelismus, wenn erforderlich.
Die Walze 100 wird um ihre Achse 102 mittels einer motorangetriebenen Welle 104 (nicht gezeigt) gedreht, über jede geeignete mechanische Kopplung. Die Walze bewahrt die Faser 12 in einer Spiralnut 106, die einen Abstand gleich dem Faserabstand von Drehung zu Drehung, wenn die Faser auf die Walze gewickelt wird besitzt. Die Faser 12 kann von jedem Ende abgenommen oder abgewickelt werden, wie gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Faser 12 durchgehend abgenommen und ausgegeben, möglicherweise zu einer weiteren Walze für eine folgende Analyse oder zu einer Spule zur Lagerung. Ein typischer Abstand kann 500 μm sein. Für einen Abstand zwischen den Tropfen von 500 μm hält eine Walze von 100 mm Umfang 200 Proben pro Umdrehung und mit einem 500 μm Abstand können 10⁵ Proben pro 250 mm Länge der Walze zur Lagerung oder Analyse aufgenommen werden. Die Nut 106 hat Markierungen, Öffnungen oder Mulden (Vertiefungen) bei dem Tropfenabstand, so dass die Tropfen nicht durch das Aufwickeln der Faser 12 auf der Walze 100 gestört werden. Diese Öffnungen können für eine optische Übertragung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Walze verwendet werden, um die optische Analyse mittels eines Detektors, der einzelne Tropfen ansteuert zu vereinfachen, auf serielle Weise oder parallel durch eine Detektoranordnung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Schrittmotor zum Drehen der Walzposition verwendet. Ein derartiger Motor bietet eine 1 μm Positionierungsfähigkeit in Bezug zu der auf der Walze aufgewickelten Faser.
Es muss verstanden werden, dass Proben 100 entweder in Anhaftung an die Faser 12 aufbewahrt werden, während sie auf die Walze 100 aufgewickelt wird, oder als Alternative können die Proben 10 im Ganzen oder in Teilen auf der Walze 100 abgelegt werden, welche die Faser 12 zur Abgabe der Tropfen auf die Walze benutzt, wobei die Faser 12 entfernt werden kann.
Bandtransport
Jetzt mit Bezug zu den 11A–C verwendet eine alternative Ausführungsform der Erfindung ein flexibles Transportbauteil zum Transport der Tropfen, wobei das flexible Transportbauteil ein Streifen oder Band 100 ist, wie im Querschnitt in 11A gezeigt. Der Streifen 100 kann aus Glas, Quarz, Metall oder verschiedenen anderen Materialien sein. Ein amorphes Metallband (metallisches Glasband) wird bevorzugt, da es enge Radien von Biegung aushalten kann und zusätzlich eine sehr hohe Zugstärke besitzt. Diese Eigenschaften sind ein Vorteil für Probenahmen mit einer hohen Frequenz, wobei man eine Schleifenzuführungsvorrichtung benutzt, die Rollen A₁, B₁, A₂ und B₂ besitzt, wie gezeigt. Wie mit Bezug zu 2A beschrieben wird das flexible Bauteil 110 mit der Oberfläche 112 der Flüssigkeit 114 in Kontakt gebracht und Tropfen heften sich an das flexible Bauteil an. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es wünschenswert, eine Krümmung auf das Band 110 zu übermitteln. Dies wird erreicht durch das Vorsehen jeweils konvex und konkav gekrümmten Umfangsflächen 116 und 118, gezeigt in 11B und 11C, wo die Rollen A und B im Querschnitt gezeigt sind. Die konkave Fläche 118 kann auch als Aussparung zum Spreizen von Flüssigkeitstropfen dienen, die durch das flexible Bauteil getragen werden.
Als Alternative, wie in 12 gezeigt, kann das Band 110 vollständig in seiner Gesamtheit gerollt sein oder in Teilen, um flache Abschnitte 120 und vollständig gerollte Abschnitte 122 zu besitzen. Vollständiges Rollen bildet einen Zylinder, der vorteilhaft verwendet werden kann, um Flüssigkeitstropfen 10 einzuschließen, dabei wird die Verdampfung bzw. Evaporation von Material von dem Tropfen 10 während jeder erforderlichen Warteperiode in der Bearbeitung des Tropfens minimiert oder eliminiert. Das Band 110 kann nachfolgend aufgerollt werden, um fertigen Zugang zu den Flüssigkeitstropfen 10 zu schaffen.
Obwohl die Erfindung in Form von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass zahlreiche Variationen und Abänderungen gemacht werden können.

Claims

Vorrichtung zum Transport einer Vielzahl von Tropfen einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung, wobei die Vorrichtung einen Behälter zur Aufnahme einer Menge der Flüssigkeit und ein flexibles Bauteil aufweist, das zum Aufnehmen der Vielzahl von Tropfen der Flüssigkeit aus dem Behälter angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Tropfen der Flüssigkeit an dem flexiblen Bauteil auf Grund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit anhaften, und wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Antriebsradeinrichtung, welche das flexible Bauteil an Positionen berührt, die in der Längsachse zwischen Tropfen angeordnet sind, und eine Tropfenpositions-Bestimmungseinrichtung zum exakten Verfolgen einer Position eines jeden der Vielzahl von Tropfen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das flexible Bauteil eine Faser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das flexible Bauteil eine typische Querschnittsabmessung von weniger als 100 Mikrometer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das flexible Bauteil ein Band ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt bis zum Gesamten des flexiblen Bauteils mindestens zeitweise in einem Gehäuse gebildet wird, um mindestens einen von der Vielzahl von Tropfen einzuschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das flexible Bauteil aus einem amorphen Material zusammengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das amorphe Material Glas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das amorphe Material Metall ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antriebsradeinrichtung mindestens eine Laufrolle zur Bewegungsübertragung auf das flexible Bauteil aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei mindestens eine Laufrolle eine Aussparung am Umfang zur Überbrückung des mindestens einen von der Vielzahl von Tropfen der Flüssigkeit während der Bewegung des flexiblen Bauteils beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei diese weiterhin eine Aufbauanordnung aufweist, die ein Umbiegen beziehungsweise Umlenken des flexiblen Bauteils während dessen Bewegung ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei diese weiterhin Folgendes aufweist: (a) eine Walze mit einer im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche; (b) eine Vielzahl von in der im Wesentlichen zylindrischen Oberfläche angeordneten Vertiefungen; (c) einen Dispenser beziehungsweise Aufteileinrichtung zum Einbringen der Vielzahl von Tropfen in die Vielzahl von Vertiefungen gemäß eines vorher festgelegten Schemas; und (d) eine Analysiereinrichtung zur Beschreibung beziehungsweise Charakterisierung von mindestens einer chemischen Eigenschaft der Vielzahl von Tropfen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Dispenser ein flexibles Transportbauteil aufweist, welches so auf die Walze gewickelt ist, dass nicht mehr als ein Tropfen der Flüssigkeit in jeder Vertiefung der Walze positioniert wird.
Verfahren zum Transportieren einer Flüssigkeit mit einer Oberflächenspannung, wobei dieses Verfahren ein Vorsehen eines für eine Bewegung in mindestens einer Richtung geeigneten flexiblen Bauteils und ein Anhaften einer Vielzahl von Tropfen der Flüssigkeit an dem flexiblen Bauteil auf Grund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit beinhaltet, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es ein Bewegen des flexiblen Bauteils in die mindestens eine Richtung mittels einer Antriebsradeinrichtung beinhaltet, welche das flexible Bauteil an Positionen berührt, die in der Längsachse zwischen Tropfen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es weiterhin ein Veranlassen einer kurzzeitigen Berührung eines Abschnitts des flexiblen Bauteils mit der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Behälter und ein translatorisches Bewegen des flexiblen Bauteils in einer Richtung beinhaltet, die eine zu der Oberfläche der Flüssigkeit senkrechte Komponente aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es weiterhin ein Positionieren der Tropfen im Fokusbereich einer optischen Sonde mit einer optischen Achse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Positionieren ein Ausrichten der Längsausrichtung des flexiblen Bauteils längs der optischen Achse zum Maximieren der optischen Abtastung des Tropfens einschließt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es weiterhin ein Durchführen von mindestens einer unter den Bearbeitungen Filtern, Verdünnen, Konzentrieren, Erwärmen, Kühlen und Analysieren ausgewählten Bearbeitung des Volumens der Flüssigkeit beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei ein Herausziehen Folgendes beinhaltet: (a) Vorsehen eines flexiblen Bauteils mit einer Längsausrichtung; und (b) Anheften eines Tropfens einer Flüssigkeit an das flexible Bauteil mittels der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es weiterhin Folgendes beinhaltet: (a) Aufbringen eines ersten Impulses auf das flexiblen Bauteil, wobei der erste Impuls eine erste Amplitude aufweist, und wobei sich der erste Impuls aus einer ersten Richtung an der vorher festgelegten Position des Tropfens auf dem flexiblen Bauteil vorbei ausbreitet; und (b) gleichzeitiges Aufbringen eines zweiten Impulses auf das flexiblen Bauteil, wobei der zweite Impuls eine zweite Amplitude aufweist, die ungleich der ersten Amplitude des ersten Impulses ist, und wobei sich der zweite Impuls aus einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung an der vorher festgelegten Position des Tropfens auf dem flexiblen Bauteil vorbei ausbreitet.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es weiterhin Folgendes beinhaltet: (a) Fokussieren eines Lasers auf die vorher festgelegte Position auf dem flexiblen Bauteil; und (b) Aufbringen eines optischen Impulses zum Übertragen eines Impulses auf den Tropfen in einer gewünschten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei es weiterhin Folgendes beinhaltet: (a) Erzeugen eines elektrischen Feldes in einem Raumbereich, der charakteristisch für die Kapazität zwischen zwei Leitern ist; (b) Bewegen der Anhaftposition des Tropfens auf dem flexiblen Bauteil durch den das elektrische Feld aufweisenden Bereich; (c) Messen der Kapazität zwischen den zwei Leitern bei einer festgelegten Frequenz; und (d) Beschreiben beziehungsweise Charakterisieren von dielektrischen Eigenschaften des Tropfens als Funktion über der Zeit basierend auf der gemessenen Kapazität.