DE19950809B4

DE19950809B4 - Verfahren und Vorrichtung für eine Flüssigkeitsübertragung

Info

Publication number: DE19950809B4
Application number: DE19950809A
Authority: DE
Inventors: William D. San Jose Fisher; Richard P. Sunnyvale Tella; Michael P. Palo Alto Caren
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: US20040058452A1; US6689323B2; US20030138968A1; DE19950809A1

Abstract

Verfahren zum Übertragen von Flüssigkeiten (100) aus einem Depotblock mit einer Mehrzahl von Depots (14; 24; 44) mit Öffnungen (15; 25; 45), die in einem ausgewählten Format angeordnet sind, zu zumindest einem Aufnahmebehälter (110) mit einer Öffnung, das folgende Schritte aufweist:
Verdrängen der Flüssigkeit (100) in jedem Depot (14; 24; 44), so daß die Flüssigkeit (100) in der Öffnung (15; 25; 45) ansteigt und einen konvexen Meniskus (106) ausbildet, der über eine Oberfläche des Depotblocks angehoben wird; und
Bringen des zumindest einen Aufnahmebehälters (110) und des angeschwollenen Meniskus (106) in eine gegenseitige Nähe, ohne daß sich der Aufnahmebehälter und das Depot berühren und ohne daß sich das Depot in dem Aufnahmebehälter befindet, wobei der Aufnahmebehälter und der Meniskus derart in eine gegenseitige Nähe gebracht werden, daß der angeschwollene Meniskus den zumindest einen Aufnahmebehälters (110) kontaktiert und in die Öffnung gezogen wird, um zumindest einen Abschnitt der Flüssigkeit...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf das Übertragen von Flüssigkeiten von einem Behälter zu einem anderen und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Verfahren und Vorrichtungen zum Übertragen von kleinen Flüssigkeitsmengen von einer Vielzahl von Depots zu einer Vielzahl von Aufnahmebehältern.
Die anhaltenden schnellen Fortschritte in der Chemie, insbesondere in der Biochemie und der Molekularbiologie, erfordern verbesserte Fähigkeiten zum Ausführen von großen Anzahlen von Reaktionen unter Verwendung von kleinen Materialmengen.
Beim Untersuchen von Patienten auf eine genetische Krankheit und Anfälligkeit hin wächst beispielsweise die Anzahl von Zuständen, für die zugeordnete Mutationen bekannt sind, wobei die Anzahl von Mutationen verursachenden Erbfaktoren, die bekanntermaßen diesen Zuständen zugeordnet sind, zunimmt. Ein genaues genetisches Untersuchen nach einem oder selbst nach wenigen dieser Zustände kann das Testen einer Testprobe von dem Patienten bezüglich einer sehr großen Anzahl von genetischen Proben erforderlich machen.
Enorme und schnell zunehmende Anzahlen von kritischen Biomolekülen sind identifiziert und charakterisiert worden, wobei sich ein Verstehen ihrer verschiedenen Rollen bei Zellprozessen in hohem Maße verbessert. Folglich ist beispielsweise die Anzahl von möglichen Zielen für einen pharmakologischen Eingriff sehr groß. Techniken für eine parallele chemische Synthese, wie z. B. Kombinationschemievorgänge, können auf effiziente Weise Bibliotheken mit einer großen Anzahl von künstlich erzeugten Verbindungen erzeugen, die bei einem rationellen Medikamentenentwurfslösungsansatz gegen ausgewählte Ziele untersucht werden können.
Ein erheblicher Aufwand ist auf das Entwickeln von besseren Lösungsansätzen gerichtet worden, um große Anzahlen von Testproben, Reagenzien und Analysemittel handzuhaben. Automatisierte Labor-Arbeitsstationen und roboterbasierte Systeme sind für einige chemische Manipulationen beim Untersuchen und bei einer Synthese bis zu einer Routinenverwendung gebracht worden, wobei eigens vorgesehene Computeranwendungen entwickelt worden sind, um sowohl die Prozesse zu steuern als auch die Daten zu bearbeiten. Es sind mehrere Lösungsansätze vorgeschlagen worden, um die Systeme zum Ausführen der chemischen Prozesse zu miniaturisieren, um die Mengen der verschiedenen Komponenten zu reduzieren. Einige dieser Lösungsansätze haben Verwendung gefunden. Insbesondere verwenden beispielsweise die Arraytechnologien zum Verbinden von Paarkontrollproben Komponenten, die in Arrays von Merkmalen auf einer Oberfläche unbeweglich gemacht sind; und Mikrofluidtechnologien verwenden Netzwerke von verbundenen Kapillaren, um Komponenten bei einer sehr kleinen Größenordnung zu bewegen und zu kombinieren.
Es besteht ein erhebliches und wachsendes Interesse an dem Verwenden von Arraytechnologien zum Durchführen von biomolekularen Manipulationen. Bei Arraytechnologien sind bestimmte Komponenten in einer Struktur von Arraymerkmalen auf einer Oberfläche eines festen Trägers unbeweglich gemacht, wobei es ermöglicht wird, daß dieselben mit anderen Komponenten in Wechselwirkung treten. Arrays von Bindemitteln, bei denen solche Bindemittel als Oligonukleotide oder Peptide auf eine Trageoberfläche in der Form eines Arrays oder einer Struktur aufgebracht werden, können bei einer Vielzahl von Anwendungen nützlich sein, die eine Genausdruckanalyse, eine Medikamentenuntersuchung, ein Nukleinsäureanordnen (sequencing), eine Mutationsanalyse und dergleichen aufweisen. Informationen über die Nukleotidsequenz einer Zielnukleinsäure kann beispielsweise erhalten werden, indem das Ziel mit einem Array von unterschiedlichen oberflächengebundenen DNS-Proben unter Bedingungen kontaktiert wird, die eine Hybridisierung der Nukleinsäuren mit komplementären Sequenzen begünstigen, und indem bestimmt wird, an welchen Stellen auf dem Array Nukleinsäureduplexe gebildet werden. Die Hybridisierung der oberflächengebundenen DNS-Probenarrays können in einem einzigen Experiment einen relativ hohen Informationsgehalt liefern. Und die Arraytechnologie kann beispielsweise bei einer Differenzgenausdruckanalyse nützlich sein.
Solche Arrays können auf eine beliebige einer Vielzahl von unterschiedlichen Weisen präpariert sein. DNS-Arrays können beispielsweise manuell präpariert werden, indem die DNS mit einer Mikropipette auf die Oberfläche eines Substrats punktweise plaziert wird. Siehe Khrapko u. a. (1991), DNS Sequence 1:375–388. Oder es kann ein Punktzerfließlösungsansatz oder ein Schlitzzerfließlösungsansatz verwendet werden, bei dem ein Vakuumverteiler wässrige DNS-Testproben von einer Mehrzahl von Löchern zu einer Substratoberfläche überträgt. Oder ein Array von Stiften kann in ein Array von Fluidtestproben getaucht werden, und daraufhin mit der Substratoberfläche in Berührung gebracht werden, um das Array von Testprobematerialien zu erzeugen. Oder es kann ein Array von Kapillaren verwendet werden, um Biopolymerarrays zu erzeugen, wie es beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung wO 95/35505 beschrieben ist.
Die U.S.-Patentanmeldungen Seriennummer 09/150,504 und 09/150,507 beschreiben das Bilden von biomolekularen Arrays durch Anpassen von Vorrichtungen, die bei der Druckindustrie verwendet werden, und insbesondere von Tintenstrahldruckköpfen und automatisierten Vorrichtungen zum Bewegen eines Druckkopfs über eine Druckoberfläche und zum Aufbringen von Tinten auf gewünschte Positionen auf der Oberfläche. Diese und andere hierin im folgenden oder im vorherigen zitierten Referenzen werden hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Andere Verwendungen der Tintenstrahldruck vorrichtungen, um biochemische Mittel, wie z. B. Proteine und Nukleinsäuren, zu verteilen, sind beispielsweise in den U.S.-Patenten Nr. 5,658,802; 5,338,688; 5,700,637; 5,474,796; 4,877,745 und 5,449,754 vorgeschlagen oder offenbart.
Ob das miniaturisierte System eine Mikrofluidvorrichtung oder ein Array ist, oder einen anderen Entwurf aufweist, zumindest einige der verschiedenen Biomoleküle, die in das System eingebracht werden sollen, sind typischerweise in Depots vorbereitet, die entfernt von den Aufnahmebehältern angeordnet sind, durch die dieselben in das System eingebracht werden. Diese Depots können beispielsweise die Form einer Mehrlochplatte (die herkömmlicherweise 96 Löcher in einem 12×8-Format bereitstellt) oder einer Mikrotiterplatte (die herkömmlicherweise 384 Löcher in einem 16×24-Format oder 1.536 Löcher in einem 32×48-Format bereitstellt) annehmen. Eine technische Herausforderung stellt der Schritt des Übertragens der Flüssigkeiten, die die verschiedenen Biomoleküle enthalten, von den Depots zu den spezifischen Aufnahmebehältern dar. Bei einem Arraysystem, das unter Verwendung einer Tintenstrahldrucktechnik aufgebaut ist, stellt eine technische Herausforderung beispielsweise die Notwendigkeit dar, die Flüssigkeiten von den Depots zu den spezifischen Aufnahmebehältern in dem Druckkopf zu übertragen.
Herkömmlicherweise kann eine Pipette verwendet werden, um eine Flüssigkeit tropfenweise von einem Depot zu einem Aufnahmebehälter (z. B. einem Reservoir in einer Mikrofluidvorrichtung oder einem Reservoir in einem Druckkopf) zu übertragen. Die Spitze der Pipette wird zuerst in die Flüssigkeit in dem Depot eingetaucht, wobei einiges der Flüssigkeit in die Pipette gezogen wird; daraufhin wird die Pipette zu dem Aufnahmebehälter bewegt, wobei eine Flüssigkeitsmenge in den Aufnahmebehälter herausgetrieben wird. Mehrere Pipetten können gebündelt sein und verwendet werden, um mehrere unterschiedliche Flüssigkeiten auf einmal zu übertragen, um die Anzahl von Wiederholungen zu reduzieren, aber Probleme bezüglich der kleinen Abmessung machen einen solchen Lösungsansatz unpraktikabel. Auf jeden Fall ergibt der Übertragungsschritt eine Kontamination der Pipetten, die dementsprechend entweder weggeworfen und ersetzt oder dekontaminiert (beispielsweise durch Abwaschen) werden müssen, bevor dieselben verwendet werden, um unterschiedliche Flüssigkeiten zu übertragen. Wenn eine große Anzahl von unterschiedlichen Flüssigkeiten bewegt werden müssen, wird die Übertragungsvorrichtung mechanisch schwerfällig, wobei die Kosten für das Minimieren des Risikos einer Kontamination erhöht werden.
Die WO 98/55852 A1, welche ein nachveröffentlichtest Patentdokument darstellt, betrifft eine Struktur zum Einbringen eines Fluides, welches ein Substrat umfasst, welches eine Mehrzahl von Durchgangslöchern aufweist, in welchen ein Fluid aufzunehmen ist. Mittels einer Übertragungsstruktur mit einer Mehrzahl von Stiften werden einzelne Tropfen eines Fluids zu den Öffnungen übertragen, wobei das Fluid durch Anlegen eines Druckes an eine Seite der Öffnungen aus denselben wieder entfernt werden kann.
Die EP 0 820 811 A2 , die US-A-4,537,231, die US-A-3,982,438, die EP 0 608 423 A1 , die EP 0 110 610 A2 , die US-A-4,511,534 und die US-A-4,158,035 beschreiben jeweils Vorrichtungen zur Übertragung von Flüssigkeiten aus einem Depot an ein Aufnahmeelement, wobei jedoch hier die Flüssigkeit stets mittels einer Pipette angesaugt wird, und auf übliche Art und Weise übertragen wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen einer Mehrzahl von Flüssigkeiten zu schaffen, wobei die Übertragung schneller und einfacher durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Übertragen von Flüssigkeiten aus einem Depotblock mit einer Mehrzahl von Depots mit Öffnungen, die in einem ausgewählten Format angeordnet sind, zu zumindest einem Aufnahmebehälter mit einer Öffnung, das folgende Schritte aufweist:
Verdrängen der Flüssigkeit in jedem Depot, so daß die Flüssigkeit in der Öffnung ansteigt und einen konvexen Meniskus ausbildet, der über eine Oberfläche des Depotblocks angehoben wird; und
Bringen des zumindest einen Aufnahmebehälters und des angeschwollenen Meniskus in eine gegenseitige Nähe, ohne daß sich der Aufnahmebehälter und das Depot berühren und ohne daß sich das Depot in dem Aufnahmebehälter befindet, wobei der Aufnahmebehälter und der Meniskus derart in eine gegenseitige Nähe gebracht werden, daß der angeschwollene Meniskus den zumindest einen Aufnahmebehälters kontaktiert und in die Öffnung gezogen wird, um zumindest einen Abschnitt der Flüssigkeit in den Aufnahmebehälter einzubringen,
wobei die Flüssigkeit durch Einbringen eines Verdrängungselements in das Depot verdrängt wird.
Gemäß der Erfindung wird die Flüssigkeitsübertragung direkt von den Depots zu den entsprechenden Aufnahmebehältern ohne eine Berührung zwischen den Depots und den Aufnahmebehältern und ohne eine Zwischenpositionierung jeglicher Übertragungsvorrichtung zwischen den Depots und den Aufnahmebehältern bewirkt. Gemäß der Erfindung ist der Fluß der Flüssigkeit in den Aufnahmebehälter nach der Berührung des Aufnahmebehälters mit dem Meniskus zumindest zu Beginn das Ergebnis einer Kapillarwechselwirkung und ist dies normalerweise auch prinzipiell.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die Löcher in einer spezifizierten Struktur in einem Depotbauglied angeordnet, so daß dort, wo unterschiedliche Löcher unterschiedliche Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten enthalten, die unterschiedliche Bestandteile enthalten, der unterschiedliche Flüssigkeitsinhalt den Positionen der Löcher in der Struktur zuordbar ist. Und bei einigen Ausführungsbeispielen, bei denen Flüssigkeiten von unterschiedlichen Löchern zu spezifizierten unterschiedlichen Aufnahmebehältern übertragen werden müssen, sind die Aufnahmebehälter in einer entsprechenden oder komplementären Struktur angeordnet, so daß eine spezifizierte Mehrzahl von Löchern mit einer entsprechenden spezifizierten Mehrzahl von Aufnahmebehältern so ausgerichtet sein kann, daß die Übertragung der Flüssigkeiten von den spezifizierten Löchern zu den spezifizierten Aufnahmebehältern vollständig auf einmal durchgeführt werden kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der Flüssigkeitsverdrängungsschritt durch ein nach innen gerichtetes Verformen einer Wand jedes Lochs ausgeführt, um die Flüssigkeit zu verdrängen; bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird die Wand durch Anlegen eines mechanischen Drucks an die Wand nach innen verformt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Anordnungen der Lochöffnungen und der Aufnahmebehälter derart gestaltet, daß die Aufnahmebehälter, für die die Übertragung der Flüssigkeit spezifiziert ist, an den Öffnungen der spezifizierten Löcher in Berührung mit den angeschwollenen Menisken kommen können. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Anordnung von entweder den Lochöffnungen oder den Aufnahmebehältern in einem allgemeinen planaren Format, wobei der Schritt des Berührens der Aufnahmebehälter mit den Menisken ausgeführt wird, indem die spezifizierten Aufnahmebehälter in Kontakt mit den Menisken an den spezifizierten Lochöffnungen gebracht werden. Oder die Anordnung der Lochöffnungen und die Anordnung der Aufnahmebehälter weisen beide ein allgemein planares Format auf, wobei der Schritt des Berührens der Aufnahmebehälter mit den Menisken ausgeführt wird, indem die Lochöffnungen in jeweilige Ebenen in eine allgemein parallele Nähe gebracht werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Übertragen einer Mehrzahl von Flüssigkeiten, mit folgenden Merkmalen:
einem Depotbauglied mit einem planaren Tragebauglied mit einer Mehrzahl von Depots, von denen jedes eine Öffnung aufweist;
einem Aufnahmebauglied, das zumindest einen Aufnahmebehälter mit einer Öffnung trägt;
einer Einrichtung zum Verdrängen der Flüssigkeit, die in den Depots enthalten ist, so daß die Flüssigkeit zu den Öffnungen ansteigt und konvexe Menisken ausbildet, die über eine planare Oberfläche des Tragebauglieds hervorstehen; und
einer Einrichtung zum Bringen der Depotöffnungen und des zumindest einen Aufnahmebehälters in eine gegenseitige Nähe, ohne daß sich der Aufnahmebehälter und das Depot berühren und ohne daß sich das Depot in dem Aufnahmebehälter befindet und derart, daß die Flüssigkeit, die durch die Depotöffnungen verdrängt ist, den Aufnahmebehälter kontaktiert und in die Öffnung gezogen wird,
wobei die Einrichtung zum Verdrängen ein Verdrängungselement zum Einbringen in das Depot umfaßt.
Wenn ein Aufnahmebehälter, der in die Nähe gebracht worden ist, den angeschwollenen Meniskus berührt, wird die Flüssigkeit in den Aufnahmebehälter gezogen. Die Vorrichtung zum Bewirken der Übertragung ist unkompliziert und kann auf eine einfache Art und Weise aus unaufwendigen Materialien unter Verwendung einfacher Werkzeuge hergestellt werden.
Für einige Prozesse kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl von Flüssigkeiten von einer Vielzahl spezifizierter Löcher oder Depots zu einer Vielzahl von zugewiesenen oder spezifizierten Aufnahmebehältern in einer einzigen Übertragungsoperation zu übertragen. Dementsprechend sind bei einigen Ausführungsbeispielen die Lochöffnungen und die Aufnahmebehälter so angeordnet, daß eine Vielzahl von entsprechenden oder komplementären Aufnahmebehältern und Lochöffnungen gleichzeitig in eine geringe Entfernung gebracht werden können, so daß die Aufnahmebehälter in etwa zu demselben Zeitpunkt die jeweiligen Menisken berühren. Wenn die Lochöffnungen in einer allgemein planaren Struktur angeordnet sind, können beispielsweise die Flüssigkeitströpfchen, die an einer Zeile von solchen Löchern herausgedrückt werden, in einem Schritt in eine Zeile von Aufnahmebehältern übertragen werden, die in eine allgemein parallele Nähe zu der Zeile von Lochöffnungen gebracht sind; oder die Flüssigkeitströpfchen an einer planaren Gruppe von solchen Löchern können in einem Schritt in eine komplementäre Gruppe von Aufnahmebehältern übertragen werden, wobei dieselben selbst in einer allgemein planaren Struktur angeordnet sind, und in eine allgemein parallele Nähe zu der Gruppe von Lochöffnungen gebracht werden.
Dementsprechend ist bei einigen Ausführungsbeispielen das aufnahmebehälterdefinierende Bauglied allgemein planar, wobei die Lochöffnungen in einem allgemein planaren Format getragen werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das aufnahmebehälterdefinierende Bauglied eine Düsenöffnungsplatte eines Druck kopfs, wobei sich die Aufnahmebehälter in einer Fluidkommunikation mit Reservoiren in dem Druckkopf befinden; und bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Druckdüsenöffnungen die Aufnahmebehälter.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weisen die Löcher einen verformbaren Wandabschnitt auf, wobei die Einrichtung zum Verdrängen der Flüssigkeit in den Löchern eine Einrichtung zum nach innen gerichteten Verformen des verformbaren Wandabschnitts aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfaßt die Wandverformungseinrichtung eine Einrichtung, wie z. B. einen Kolben, zum Drücken gegen eine äußere Oberfläche des verformbaren Wandabschnitts.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Loch einen starren Wandabschnitt zusätzlich zu dem verformbaren Wandabschnitt auf, wobei bei einigen Ausführungsbeispielen der nach innen verformbare Wandabschnitt und der starre Wandabschnitt aus einem einheitlichen Materialstück gebildet sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist der nach innen verformbare Wandabschnitt einen Kunststoffilm oder einen elastischen Film auf. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind der nach innen verformbare Wandabschnitt und der Träger für die Lochöffnungen aus einem einheitlichen Materialstück gebildet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine Skizze eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
1B eine Skizze in einer Draufsicht des Ausführungsbeispiels von 1A;
1C eine Skizze in einer Schnittansicht durch 1-1' des Ausführungsbeispiels von 1B, wobei in den Löchern von links nach rechts der Verlauf des Bildens eines konvexen Meniskus an der Lochöffnung gezeigt ist, indem ein Abschnitt der Wand nach innen verdrängt wird, und wobei rechts die Übertragung der Flüssigkeit zu einem Aufnahmebehälter gezeigt ist, der in eine Berührung mit dem konvexen Meniskus gebracht ist;
2A eine Skizze eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
2B eine Skizze in einer Schnittansicht durch 2-2' des Ausführungsbeispiels von 2A, wobei in den Löchern von links nach rechts der Verlauf des Bildens eines konvexen Meniskus an der Lochöffnung gezeigt ist, indem ein Abschnitt der Wand durch Stauchen oder Zusammenfalten des Wandabschnitts nach innen verdrängt wird, und wobei rechts die Übertragung der Flüssigkeit zu einem Aufnahmebe hälter gezeigt ist, der in Berührung mit dem konvexen Meniskus gebracht ist;
3 eine Skizze in einer Schnittansicht durch 2-2' eines Ausführungsbeispiels wie in 2A, wobei in den Löchern von links nach rechts der Verlauf des Bildens eines konvexen Meniskus an der Lochöffnung gezeigt ist, indem ein Abschnitt der Wand durch teilweises Umstülpen des Wandabschnitts nach innen verdrängt wird, und wobei rechts die Übertragung der Flüssigkeit zu einem Aufnahmebehälter gezeigt ist, der in Berührung mit dem konvexen Meniskus gebracht ist;
4A eine Skizze eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;
4B eine Skizze in einer Schnittansicht durch 4-4' des Ausführungsbeispiels von 4A, wobei in den Löchern von links nach rechts der Verlauf des Bildens eines konvexen Meniskus an der Lochöffnung gezeigt ist, indem ein Abschnitt der Wand durch Umstülpen des Wandabschnitts verdrängt wird, und wobei rechts die Übertragung der Flüssigkeit zu einem Aufnahmebehälter gezeigt ist, der in Berührung mit dem konvexen Meniskus gebracht ist;
5A bis 5C Skizzen in einer Schnittansicht wie beispielsweise in 2B, wobei die Stufen in der Herstellung der verformbaren Wandabschnitte gezeigt sind, indem ein Array von Dornen gegen einen Kunststofffilm gedrückt wird;
6A eine Skizze eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht; und
6B eine Skizze in einer Schnittansicht durch 6-6' des Ausführungsbeispiels von 6A, wobei in den Löchern von links nach rechts der Verlauf des Bildens eines konvexen Meniskus an der Lochöffnung gezeigt ist, indem durch eine gaspermeable Membran, die eine Lüftungsloch in der Wand bedeckt, ein Gas eingebracht wird, wobei rechts die Übertragung der Flüssigkeit zu einem Aufnahmebehälter gezeigt ist, der in Berührung mit dem konvexen Meniskus gebracht ist.
Die Zeichnungen sind zu Darstellungszwecken da, wobei die Figuren in einer diagrammartigen Form vorgelegt sind und nicht maßstabsgetreu ausgeführt sind.
Wie es die Zeichnungen exemplarisch zeigen, ist die Erfindung in einer Vorrichtung für eine direkte berührungslose Übertragung von Fluiden von einer Mehrzahl von Depots oder Löchern mit Öffnungen, die in einer spezifizierten Struktur angeordnet sind, zu einer Mehrzahl von Aufnahmebehältern, die in einer entsprechenden oder komplementären Struktur angeordnet sind, ausgeführt. Bei speziellen Ausführungsbeispielen wird die Flüssigkeit, die in den Löchern enthalten ist, verdrängt, so daß ein konvexer Meniskus von den Öffnungen nach außen anschwillt, wobei die Flüssigkeit auf die Berührung des Aufnahmebehälters mit dem konvexen Meniskus hin in die Aufnahmebehälter fließt. Der Fluß der Flüssigkeit in den Aufnahmebehälter nach der Berührung des Aufnahmebehälters mit dem Meniskus ist zumindest zu Beginn das Ergebnis einer Kapillarwechselwirkung.
Es wird nun auf 1A Bezug genommen, in der in einer perspektivischen Ansicht allgemein mit 10 ein Ausführungsbeispiel eines Blocks 12 von Depots 14 gezeigt ist, von denen gemäß der Erfindung Flüssigkeiten zu Reservoiren übertragen werden sollen, die in einer entsprechenden Struktur angeordnet sind. Bei diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Depots 14, wie es ferner in 1B erscheint, als Löcher einer Standard-16×24-Mikrotiterplatte angeordnet (nicht alle der Löcher sind in 1A und 1B gezeigt). Wie es bezüglich 1C besser verstanden werden kann, weist der Depotblock 12 allgemein planare Oberflächen 11 und 13 auf, wobei jedes allgemein zylindrische Depot 14 durch eine allgemein zylindrische starre Wand 16 definiert ist, die von der Oberfläche 11 bis zu der Oberfläche 13 des Depotblocks 12 verläuft und eine allgemein kreisförmige Öffnung 15 an der Oberfläche 11 und eine allgemein kreisförmige Öffnung 17 an der Oberfläche 13 aufweist. Die Depotblockoberfläche 13 ist mit einem Kunststofffilm oder einem elastischen Film 18 bedeckt, der zumindest an den Rändern der kreisförmigen Öffnungen 17 an der Oberfläche 13 abgedichtet ist. Dementsprechend sind die kreisförmigen Depotöffnungen 15 in einer allgemein planaren Struktur angeordnet, wobei die Abschnitte des elastischen Films 18, die die kreisförmigen Öffnungen 17 bedecken, die verformbaren Wandabschnitte 19 der Depots bilden.
Das Ausführungsbeispiel von 1A–1C kann bei dem Verfahren der Erfindung wie folgt verwendet werden. Bezugnehmend auf 1C, die eine Komposition ist, die einen Zeitverlauf (t₀ bis t₄) von links nach rechts zeigt, wird eine Menge von Flüssigkeit 100 in jedem Depot gehalten. In der Praxis kann die Flüssigkeit in jedem Depot ein spezifiziertes Zeichen aufweisen, oder die Flüssigkeit in jedem Depot kann ein spezifiziertes Biomolekül oder Reagens oder Analysemittel oder eine spezifizierte Mischung von Biomolekülen oder Reagenzien oder Analysemitteln enthalten. Die Flüssigkeiten können in den Depots einfach gespeichert sein oder dieselben können in den Depots zumindest teilweise präpariert worden sein. Die Depots können vollständig mit den Flüssigkeiten gefüllt sein oder, wie es in 1C (t₀) gezeigt ist, lediglich teilweise gefüllt sein. Die Übertragung von einem Depot wird durch Anlegen einer Kraft gegen den verformbaren Wandabschnitt 19 eingeleitet, wobei derselbe nach innen verformt wird, wobei die Flüssigkeit 100 in dem Depot verdrängt wird. Die Wand kann durch eine beliebige Einrichtung einer Vielzahl von Einrichtungen zum Anlegen einer Kraft verformt werden; eine solche Einrichtung, die exemplarisch in 1C gezeigt ist, besteht darin, einen Kolben 108 nach innen gerichtet gegen die äußere Oberfläche des verformbaren Wandabschnitts zu drücken. Die fortschreitende Zunahme der nach innen gerichteten Verformung der Wand bewirkt, daß der Meniskus 102 von Flüssigkeit zu (t₁) und durch (t₂) der bzw. die Öffnung 15 steigt, wobei ein konvexer Meniskus 104 gebildet wird. Während die Flüssigkeit 100 weiter verdrängt wird (t₃), wächst und schwillt der konvexe Meniskus 104 an, während ein Tröpfchen 106 von Flüssigkeit durch eine Oberflächenwechselwirkung von der Öffnung 15 und der Depotblockoberfläche 11 weggehalten wird. Die Übertragung wird abgeschlossen (t₄), indem der angeschwollene konvexe Meniskus 104 mit einen Aufnahmebehälter 110 in Berührung gebracht wird, der beispielsweise eine Öffnung 112 in einem planaren Aufnahmebauglied 114 sein kann. Die Oberflächenwechselwirkung des Aufnahmebehälters 110 mit der Flüssigkeit ergibt eine Bewegung des Tröpfchens von Flüssigkeit 106 weg von der Depotblockoberfläche 11 und der Öffnung 15 in den Aufnahmebehälter 110.
Es wird darauf hingewiesen, daß gemäß der Erfindung eine Vielzahl von speziellen Flüssigkeiten (oder Bestandteile in flüssigen Trägern) direkt zu zugewiesenen Aufnahmebehältern (beispielsweise zu zugewiesenen Reservoiren in einer Druckvorrichtung zum Aufbauen eines biomolekularen Arrays oder zu speziellen Reservoiren in einer Mikrofluidvorrichtung) schnell und zuverlässig übertragen werden können. Die speziellen Flüssigkeiten werden in speziellen Depots gehalten, deren Positionen in dem Depotblock jeweiligen Positionen der zugewiesenen Aufnahmebehälter in dem Aufnahmebauglied entsprechen; der Inhalt der Depots wird verdrängt, um Tröpfchen an den Öffnungen der speziellen Depots zu bilden; und wenn eine Übertragung von einer Mehrzahl von Flüssigkeiten auf einmal gewünscht ist, wird das Aufnahmebauglied in eine parallele Nähe zu der Depotblockoberfläche gebracht, so daß die Aufnahmebehälter die Menisken der jeweiligen Tröpf chen etwa zu demselben Zeitpunkt berühren.
Es wird darauf hingewiesen, daß sich ein Aufnahmebehälter in der Nähe bzw. einer geringen Entfernung zu einer Loch- bzw. Quellen-(well) oder Depot-Öffnung befindet, wenn derselbe nahe genug ist, um eine Berührung mit dem angeschwollenen Meniskus eines Tröpfchens an der Öffnung herzustellen. Wenn ein Meniskus bis zu einem größeren Abstand von der Öffnung anschwillt, wird die Nähe bzw. die geringe Entfernung bei einem größeren Abstand zwischen dem Aufnahmebehälter und der Öffnung erreicht. In der Praxis kann es eine gewisse Schwankung der Abstände geben, bis zu denen die verschiedenen Menisken von den Öffnungen weg anschwellen, und, wenn eine Mehrzahl von Tröpfchen in einem einzigen Übertragungsschritt übertragen werden sollen, kann es sein, daß einige Tröpfchen in ihre jeweiligen Aufnahmebehälter bei größeren Abständen übergehen als andere. Anders ausgedrückt, falls die Aufnahmebehälter und die Öffnungen zuerst zu einer gegebenen schmalen Trennung, die innerhalb des Bereichs von Abständen liegt, bis zu denen erwartet werden kann, daß die Menisken anschwellen, gebracht werden, und die Verdrängung der Flüssigkeiten daraufhin fortschreitet, können einige der Tröpfchen die Aufnahmebehälter früher als andere berühren. In beiden Fällen weist ein Übertragungsschritt das Zusammenbewegen der Aufnahmebehälter und Öffnungen auf, bis die gewünschten Übertragungen der angeschwollenen Tröpfchen bewirkt worden ist, oder das Halten der Aufnahmebehälter und Öffnungen unter einer gegebenen schmalen Trennung und ein darauffolgendes fortschreitendes Anschwellen der Tröpfchen von Flüssigkeiten, deren Übertragung erwünscht ist, bis alle Menisken die Trennung überquert haben, die Aufnahmebehälter berührt haben und in die Aufnahmebehälter gezogen worden sind. Es wird darauf hingewiesen, daß der Abstand, bis zu dem ein Tröpfchen von der Öffnung weg anschwellen kann, von einer Vielzahl von Faktoren abhängt, die unter anderem Charakteristika der Flüssigkeit, Charakteristika der Oberflächen der Öffnungen, Formen und Abmessungen der Öffnungen und dergleichen aufweisen. Gemäß der Erfindung berührt der Aufnahmebehälter während der Übertragung die Öffnung nicht.
Jede beliebige Einrichtung einer Vielzahl von Einrichtungen kann verwendet werden, um die Aufnahmebehälter gemäß der Erfindung in Berührung mit den Menisken zu bringen, von denen jede einer Person mit durchschnittlicher Fähigkeit bekannt sein wird. Dieselben können mit der Hand in eine geringe Entfernung zueinander gebracht werden, indem beispielsweise entweder das Bauglied, das die Löcher trägt, oder das Bauglied, das die Aufnahmebehälter trägt, oder beide in der Hand gehalten werden. Es wird darauf hingewiesen, daß jedoch ein einfaches mechanisches Verfahren bevorzugt werden kann, um eine Präzision sicherzustellen und den Übertragungsschritt schneller abzuschließen. Wenn die Übertragung beispielsweise von einer Mehrlochplatte zu einem Druckkopf stattfindet, kann die Vorrichtung, die den Druckkopf über der gedruckten Oberfläche positioniert und bewegt, ebenfalls verwendet werden, um den Druckkopf und die Mehrlochplatte in eine geringe Entfernung zu bringen.
Ein Prototyp des Ausführungsbeispiels, das in 1A–1C gezeigt ist, wurde geeigneterweise durch Modifizieren einer herkömmlichen Polystyren-Mikrotiterplatte aufgebaut, die unter dem Namen Greiner kommerziell verfügbar ist, und zwar wie es im folgenden allgemein erläutert wird. Zuerst wurde der untere Teil der Mikrotiterplatte weggeschnitten, um die Bodenteile der Löcher zu entfernen und einen Depotblock mit etwa 25 mm Länge und 25 mm Breite und 4 mm Dicke zu liefern, der etwa quadratische Bohrungen aufweist, die in der orthogonalen 11×11-Struktur der Mikrotiterlöcher angeordnet sind. Die Depots waren etwa 1,5 mm an jeder Seite lang, wobei orthogonal benachbarte Depots um 2,25 mm von Mitte zu Mitte beabstandet waren. Daraufhin wurde ein Elastomerfilm aus Latex mit 6 Millizoll Dicke (0,15 mm) an die Schneideoberfläche des Depotblocks befestigt und unter Verwendung eines Epoxyds abgedichtet, um die verformbaren Wandabschnitte der Depots zu liefern.
Der Prototyp, der auf diese Art und Weise aufgebaut wurde und diese Abmessungen aufwies und betrieben wurde, wie es im vorhergehenden bezugnehmend auf 1C beschrieben wurde, erwies sich unter Verwendung von Wasser als eine Flüssigkeit für Demonstrationszwecke als in der Lage, einen konvexen Meniskus bis zu einer Höhe von etwa 1 mm weg von der Öffnung an der Oberfläche des Depotblocks anzuheben. Zu Demonstrationszwecken wurde die Öffnungsplatte eines Druckkopfs in eine allgemein parallele Nähe zu der Oberfläche des Depotblocks gebracht, wobei die Druckkopfdüsenöffnungen in etwa mit den Mitten der Depots ausgerichtet waren. Als die Öffnungsplatte nahe genug an den Depotblock bewegt wurde, berührte die Druckkopfdüsenöffnung den konvexen Meniskus, wobei im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit, die durch die Öffnung verdrängt worden war, durch die Druckkopfdüsenöffnung in den Druckkopf übertragen wurde.
Es wird darauf hingewiesen, daß, wie es detaillierter im folgenden erörtert werden wird, andere Herstellungsverfahren und andere Startmaterialien denkbar sind, und daß andere Abmessungen und Konfigurationen für den Depotblock und die Depots und deren verschiedenen Bauteile innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen.
Bei dem Prototyp, der im vorhergehenden beschrieben wurde, bildete ein Elastomermaterial den verformbaren Wandabschnitt. Bei diesem Aufbau kehrt die Wand, sobald eine Übertragung abgeschlossen ist und die Verformungskraft entfernt wird (beispielsweise durch Zurückziehen des Kolbens), auf elastische Weise zu etwa ihrer ursprünglichen Form zurück. Dies ermöglicht die Neuverwendung der Vorrichtung, die beispielsweise erwünscht sein kann, wenn aliquote Teile der Flüssigkeit zu Zeitintervallen oder gemäß einer Sequenz von Behandlungsschritten in dem Depot übertragen werden sollen. Alternativ kann ein Kunststoffmaterial für den verformbaren Wandabschnitt verwendet werden, wobei bei diesem Aufbau die verformte Wand nicht zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehrt.
Eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen wird möglich gemacht, indem ein Nicht-Elastomer-Material für den verformbaren Wandabschnitt verwendet wird. Exemplarische Beispiele sind in 2A und 2B, 3 und 4A und 4B gezeigt. Jedes dieser exemplarischen Ausführungsbeispiele ist eine Laminatstruktur, die als eine Schicht einen Kunststofffilm aufweist, der geformt worden ist, um die gewünschten verformbaren Wände zu liefern.
Ein bevorzugtes Kalt-Bilde-Verfahren zum Formen des Films wird bezugnehmend auf 5A–5C beschrieben. Bezugnehmend auf 5A ist das Ausgangsmaterial ein Stück Kunststofffilm 52, das dimensioniert ist, um die gewünschte Struktur von Depots unterzubringen. Es ist eine Presse 54 vorgesehen, die aus Dornen 58 besteht, die von einem Blockbauglied 56 vorstehen. Die Presse 54 wird daraufhin gegen eine Oberfläche 53 des Films 52 bewegt, derart, daß die Dornen 58 in den Film drücken und denselben formen, wie es verlaufsmäßig in einer Zeitsequenz (t₀ bis t₃) für ein einziges Depot in einer Schnittansicht in 5B gezeigt ist. Ein Sockelstück 59 kann vorgesehen sein, um den Film während des Kalt-Bilde-Prozesses zu tragen. Das Formen wird fortgeführt, bis die gewünschte Form 50 abgeschlossen ist, wie es in der Schnittansicht in 5C gezeigt ist. Die Presse wird daraufhin von dem Film entfernt, wodurch bewirkt wird, daß die Dornen von den nun geformten Depotwänden 57 zurückgezogen werden, wie es in der Schnittansicht in 5C gezeigt ist. Die Formen und Abmessungen der Dornen 58 sind hergestellt, um die gewünschten Formen für die Depots zu liefern, die dieselben bilden; und die Positionen der Dornen 58 auf dem Blockbauglied 56 entsprechen der gewünschten Struktur der Löcher. Ein exemplarisches Beispiel einer abgeschlossenen kalt-geformten Struktur ist in 5C zu sehen, die verformbare Depotwände 57 mit Öffnungen 55 auf demjenigen zeigt, was von der Oberfläche 53 des Ausgangsfilms 52 übrigbleibt. Die verformbaren Wände 57 sind aufgrund der Schwächung während des Kalt-Bilde-Prozesses dünner als der ursprüngliche Film 52. Die gewünschte Dicke der verformbaren Wände 57 kann als ein Gegenstand der Entwurfsroutine bestimmt werden; prinzipiell hängt dieselbe von den Charakteristika des speziellen verwendeten Kunststoffmaterials, den Abmessungen des verformbaren Wandabschnitts und dem Entwurf und dem Aufbau der Einrichtung zum Verformen der Wand ab. Es wird darauf hingewiesen, daß der ungeschwächte Abschnitt des ursprünglichen Films, der zwischen den Öffnungen 55 der verformbaren Wände 57 verbleibt, die gewünschte Struktur 50 trägt, und daß dieselbe ausreichend starr sein kann, um als ein Depotblock bei dem Vorgang des Übertragungsprozesses zu dienen. Üblicherweise wird jedoch ein weiterer Träger erforderlich sein, wie bei den exemplarischen Ausführungsbeispielen, die im folgenden beschrieben werden.
Es wird nun auf 2A und 2B Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, bei dem ein geformter Film 20 kalt-gebildet ist, wie es im vorhergehenden bezugnehmend auf 5A–5C beschrieben wurde, um Öffnungen 55 und verformbare Depotwände 57 herzustellen, die von demjenigen herabhängen, was zwischen den Öffnungen des ursprünglichen Films 52 verbleibt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der geformte Film 20 durch einen Block 12 getragen, der geeigneterweise während des Kalt-Bilde-Prozesses als ein Sockelstück 59 gedient haben kann. Die verformbaren Wände 57 bilden die Depots 29, wobei die allgemein kreisförmigen Öffnungen 55 die Öffnungen 25 an der Oberfläche 21 bilden, an der die Tröpfchen während des Übertragungsprozesses gebildet werden. Das heißt, daß die Flüssigkeit in den Depots bei diesem Ausführungsbeispiel in den verformbaren Depotwänden eingegrenzt und von denselben aus übertragen wird.
Das Ausführungsbeispiel von 2A und 2B kann bei dem Verfahren der Erfindung wie folgt verwendet werden. Bezugnehmend auf 2B, die allgemein wie 1C eine Komposition ist, die einen Zeitverlauf (t₀ bis t₄) von links nach rechts zeigt, wird in jedem Depot eine Menge von Flüssigkeit 100 gehalten. Wie es im vorhergehenden bezugnehmend auf 1C beschrieben wurde, können die Depots vollständig mit den Flüssigkeiten oder, wie es in 2B (t₀) dargestellt ist, lediglich teilweise gefüllt sein. Die Übertragung von einem Depot wird durch Anlegen einer Kraft gegen den verformbaren Wandabschnitt 29 eingeleitet, wobei derselbe nach innen verformt wird, und die Flüssigkeit 100 innerhalb des Depots verdrängt wird. Die Wand kann durch eine beliebige Einrichtung einer Vielzahl von Einrichtungen zum Anlegen einer Kraft verformt werden; eine solche Einrichtung, die exemplarisch in 2B gezeigt ist, besteht darin, einen Kolben 108 nach innen gegen die äußere Oberfläche des verformbaren Wandabschnitts zu drücken. Dies ergibt ein fortschreitendes Zusammenfalten (t₁ bis t₃) des verformbaren Wandabschnitts 29, was bewirkt, daß der Meniskus 102 der Flüssigkeit zu (t₁) und durch (t₂) der bzw. die Öffnung 25 steigt, wodurch ein konvexer Meniskus 104 gebildet wird. Während die Flüssigkeit 100 weiter verdrängt wird (t₃), wächst und schwillt der konvexe Meniskus 104 an, während ein Tröpfchen 106 von Flüssigkeit durch eine Oberflächenwechselwirkung von der Öffnung 25 und der Depotblockoberfläche 21 weggehalten wird. Die Übertragung wird abgeschlossen (t₄), indem der angeschwollene konvexe Meniskus 104 mit einem Aufnahmebehälter 110 in Berührung gebracht wird, der beispielsweise eine Düsenöffnung 112 in einem planaren Aufnahmebauglied 114 sein kann. Die Oberflächenwechselwirkung des Aufnahmebehälters 110 mit der Flüssigkeit ergibt eine Bewegung des Tröpfchens von Flüssigkeit 106 weg von der Depotblockoberfläche 21 und der Öffnung 25 in den Aufnahmebehälter 110.
3 zeigt einen Flüssigkeitsübertragungsprozeß, der ein Ausführungsbeispiel verwendet, das allgemein wie in 2B aufgebaut- ist, ausgenommen darin, daß dieser Prozeß einen Kolben 118 verwendet, der geformt ist, um den verformbaren Wandabschnitt 29 teilweise nach innen umzustülpen und nicht, um denselben zusammenzufalten. Diese Art und Weise der Verformung kann für einige verformbare Wandmaterialien und verformbare Wanddicken bevorzugt sein, um eine geeignete Verdrängung der Flüssigkeit ohne ein Reißen der Wand zu lie fern.
4A, 4B zeigen ein noch weiteres Ausführungsbeispiel, das als ein strukturelles Hybrid der Ausführungsbeispiele von 1C und 2B angesehen werden kann. Bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel ist ein geformter Film 40 zwischen einem Austrittsblock 42 und einem Trageblock 48 angeordnet. Der Austrittsblock 42 ist mit allgemein zylindrischen Bohrungen mit zylindrischen starren Wänden 46 versehen, die sich mittels allgemein kreisförmigen Öffnungen 45 an einer Oberfläche 41 öffnen. Wie es allgemein unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben wurde, ist der geformte Film 40 kalt-gebildet, um verformbare Wandabschnitte 49 herzustellen, die in die allgemein zylindrischen Bohrungen in dem Trageblock 48 herabhängen, der während des Kalt-Bilde-Prozesses geeigneter Weise als ein Sockelstück 49 gedient haben kann. Wie es aus einer Betrachtung von 4B hervorgeht, weist die Fluidkapazität der Depots 44 bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl das zylindrische Volumen, das innerhalb der starren zylindrischen Wände 46 eingeschlossen ist, als auch das Volumen auf, das in den herabhängenden verformbaren Wandabschnitte 49 eingeschlossen ist.
Wie es in einer Komposition gezeigt ist, die einen Zeitablauf von links nach rechts zeigt, wie es allgemein in 4B gezeigt ist, wird die Übertragung von einem Depot 44 durch Anlegen einer Kraft gegen den verformbaren Wandabschnitt 49 eingeleitet, wobei derselbe nach innen verformt wird, und die Flüssigkeit 100 innerhalb des Depots verdrängt wird. Die Wand kann durch jede beliebige einer Vielzahl von Einrichtungen zum Anlegen einer Kraft verformt werden; eine solche Einrichtung, die exemplarisch in 4B gezeigt ist, besteht darin, einen Kolben 108 nach innen gerichtet gegen die äußere Oberfläche des verformbaren Wandabschnitts zu drücken. Dies ergibt ein fortschreitendes Zusammenfalten des verformbaren Wandabschnitts 49, und ein darauffolgendes Umstülpen desselben (t₁ bis t₃). Dies bewirkt, daß der Meniskus 102 der Flüssigkeit zu (t₁) und durch (t₂) der bzw. die Öffnung 45 steigt, wobei ein konvexer Meniskus 104 gebildet wird. Während die Flüssigkeit 100 weiter verdrängt wird (t₃), wächst und schwillt der konvexe Meniskus 104 an, während ein Tröpfchen 106 der Flüssigkeit durch eine Oberflächenwechselwirkung von der Öffnung 45 und der Depotblockoberfläche 41 weggehalten wird. Die Übertragung wird abgeschlossen (t₄), indem der angeschwollene konvexe Meniskus 104 mit einem Aufnahmebehälter 110 in Berührung gebracht wird, der beispielsweise eine Düsenöffnung 112 in einem planaren Aufnahmebauglied 114 sein kann. Die Oberflächenwechselwirkung des Aufnahmebehälters 110 mit der Flüssigkeit ergibt eine Bewegung des Tröpfchens von Flüssigkeit 106 weg von der Depotblockoberfläche 41 und der Öffnung 45 in den Aufnahmebehälter 110.
6A, 6B zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Verdrängung der Flüssigkeit in dem Depot durchgeführt wird, indem mittels einer Lüftungsöffnung ein Gas in das Depot eingebracht wird, wodurch eine Blase gebildet wird. Die Struktur, die allgemein mit 60 angezeigt ist, ist ähnlich zu derjenigen, die in 1A–1C dargestellt ist, außer darin, daß anstatt des verformbaren Elastomerfilms eine gaspermeable Membran vorgesehen ist. Es wird nun auf 6A und 6B Bezug genommen. Ein Block 62 enthält allgemein zylindrische Depots 64, von denen jedes durch eine allgemein zylindrische starre Wand 66 definiert ist, die von einer Oberfläche 61 bis zu einer Oberfläche 63 verläuft und sich mittels allgemein allgemein kreisförmiger Öffnungen 65 und 67 in den Oberflächen 61 bzw. 63 öffnet. Die Depotblockoberfläche 63 ist durch eine gaspermeable Membran 68 bedeckt, die zumindest an den Rändern der kreisförmigen Öffnungen 67 an der Oberfläche 63 abgedichtet ist. Die gaspermeable Membran 68 verhindert ein Austreten der Flüssigkeit aus dem Depot, ermöglicht aber ein Hindurchtreten eines Gases in die Depots mittels der kreisförmigen Öffnungen 67, die dementsprechend als Lüftungsöffnungen dienen.
Wie es in einer Zeitverlaufskomposition (t₀ bis t₄) in 6B ersichtlich ist, wird die Flüssigkeit in dem Depot 64 verdrängt, indem das Gas unter Druck mittels der Lüftungsöffnungen 67 durch die Membran 68 eingebracht wird, um einen zweiten Meniskus 124 (t₁) zu bilden der konkav bezüglich der Flüssigkeit ist und, während sich eine Gasblase 126 bildet (t₂), von der Lüftungsöffnung 67 weg fortschreitet und dabei die Flüssigkeit 100 von dem Lüftungsloch weg zu der Öffnung 65 hin verdrängt. Während die Flüssigkeit weiter verdrängt wird (t₃), wächst und schwillt der konvexe Meniskus 104 als ein Tröpfchen 106 an, das daraufhin auf eine Berührung mit dem Aufnahmebehälter 110 hin übertragen wird.
Geeignete Membranmaterialien können unter Zuhilfenahme von Materialspezifikationen für beispielsweise kommerziell verfügbare Membranen ausgewählt werden und unter Verwendung eines gewünschten Verdrängungsfluids ohne ein übermäßiges Experimentieren getestet werden. Alternativ können die Öffnungen 67 durch ein nicht-permeables Material bedeckt sein, das perforiert ist, um ein Hindurchtreten des Verdrängungsfluids, aber nicht der Flüssigkeit, die von dem Depot übertragen werden soll, zu ermöglichen. Jegliches Fluid (Flüssigkeit oder Gas) kann verwendet werden, um die Flüssigkeit 100 zu verdrängen, wobei die Verdrängungsflüssigkeit nicht notwendigerweise einen zweiten Meniskus 124 bilden muß. Wenn es jedoch wünschenswert ist, die Mischung des Verdrängungsfluids mit der Flüssigkeit, die von dem Depot übertragen werden soll, zu minimieren, kann jedoch ein relativ unlösliches Gas oder eine unmischbare Flüssigkeit bevorzugt sein.
Die Erfindung erweist sich insbesondere für eine Übertragung von unterschiedlichen Flüssigkeiten von einer Vielzahl von Depots mit Öffnungen, die in einem allgemein planaren Format angeordnet sind, zu einer Vielzahl von Aufnahmebehältern, die in einem allgemein planaren Format entsprechend angeordnet sein können, als nützlich. Die Erfindung kann insbesondere für die Übertragung von Flüssigkeiten von Arrays von Präparationslöchern oder Speicherdepots, wie z. B. Mikroti terplatten und dergleichen, zu Aufnahmebehältern auf einer Oberfläche einer Mikrofluidvorrichtung oder zu Obeflächenöffnungen auf der Düsenöffnungsoberfläche einer Druckvorrichtung, die bei einer Arrayaufbringung verwendet wird, nützlich sein.
Für die Übertragung von Flüssigkeiten zu einem Druckkopf offenbaren die U.S.-Patentanmeldungen Seriennummer 09/150,504 und 09/150,507 das Laden der Reservoirs des Druckkopfs mittels der Druckdüsenöffnungen oder anderer Düsenöffnungen in der Düsenöffnungsplatte. Zum Laden der Nukleinsäurezusammensetzungen wird die Düsenöffnungsplatte beispielsweise mit der Nukleinsäurezusammensetzung unter Bedingungen in Berührung gebracht, die ausreichen, damit das Fluid durch die Düsenöffnung in die Abfeuerungskammer und das Reservoir des Kopfes fließt, wobei der Fluidfluß zumindest teilweise aufgrund von Kapillarkräften stattfindet. Die Erfindung sieht eine saubere und einfache Darreichung einer Vielzahl von Flüssigkeiten, wie z. B. Nukleinsäurezusammensetzungen oder anderer biomolekularer Präparate, für eine Berührung mit ausgewählten Düsenöffnungen in einer Düsenöffnungsplatte vor.
Andere Ausführungsbeispiele fallen in den Bereich der folgenden Patentansprüche. Die Depots können beispielsweise in anderen Formaten angeordnet sein, die für die Biochemie oder Molekularbiologie Standard ist oder nicht. Zum Übertragen einer Vielzahl von Flüssigkeiten in einem einzigen Übertragungsschritt ist alles, was für das Format erforderlich ist, daß die Depotöffnungen und die Aufnahmebehälteröffnungen in einem Format angeordnet sind, das ein In-Berührung-Bringen einer Vielzahl von Aufnahmebehältern mit der Vielzahl von angeschwollenen Menisken in etwa auf einmal ermöglicht. Das heißt, daß die jeweiligen Aufnahmebehälter und Depotöffnungen lediglich derart angeordnet sein müssen, daß dieselben in einem einzigen Übertragungsschritt in eine allgemein parallele Nähe gebracht werden können.
Es können beispielsweise entweder die Depotöffnungen oder die Aufnahmebehälter auf oder in einem allgemein planaren Träger angeordnet sein, wobei die anderen auf oder in einem zylindrischen Träger allgemein angeordnet sein können; und der zylindrische Träger kann um eine Achse parallel zu dem planaren Träger gedreht werden und über demselben verschoben werden, als ob derselbe über eine imaginäre Ebene rollen würde, die sich ausreichend nahe an dem planaren Träger befindet, so daß die Aufnahmebehälter die angeschwollenen Menisken an den Depotöffnungen berühren und die Tröpfchen heraufziehen, während die Bewegung fortschreitet. Oder die Depotöffnungen und die Aufnahmebehälter können beide auf oder in einem allgemein zylindrischen Träger angeordnet sein, wobei die Zylinder gerollt werden können, um aufeinanderfolgende Aufnahmebehälter in Berührung mit aufeinanderfolgenden Menisken zu bringen. Andere Konfigurationen werden offensichtlich sein und fallen in den Schutzbereich der Erfindung.
Und während beispielsweise die Ausführungsbeispiele, die hierin exemplarisch beschrieben wurden, allgemein einen Laminataufbau aufweisen, bei dem beispielsweise die verformbaren Depotwände aus einem Film aufgebaut sind, der daraufhin an einem Trägerbauglied befestigt wird, wird darauf hingewiesen, daß jedes der im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele aufgebaut werden kann, indem die verformbaren Wände und das Tragebauglied oder die verformbaren Wände und der Düsenöffnungsblock als ein einheitliches Stück unter Verwendung von Techniken, die in der Kunststofftechnik bekannt sind, gebildet werden. Solche Techniken umfassen beispielsweise das Einspritzgießen. Die gewünschten mechanischen Charakteristika der resultierenden Bauteile können ohne ein übermäßiges Experimentieren erhalten werden, indem geeignete Ausgangsmaterialien und -Konfigurationen und -Abmessungen ausgewählt werden.
Und wenn beispielsweise die Abmessungen eines Reservoirs, das mit dem Aufnahmebehälter verbunden ist, klein sind, oder wenn Kanäle, die von einem Aufnahmebehälter zu einem Reservoir führen, eine kleine Abmessung aufweisen oder einem langen oder kurvenreichen Weg folgen, kann das Laden der Kanäle oder des Reservoirs erleichtert werden, indem ein reduzierter Druck innerhalb des Kanals oder Reservoirs angelegt wird, um eine Bewegung der Flüssigkeit durch den Aufnahmebehälter zu unterstützen. Die Übertragung wird vorzugsweise jedoch durch Kapillarwirkungen eingeleitet, die auf das Berühren des angeschwollenen Meniskusses mit dem Aufnahmebehälter hin wirken.

Claims

Verfahren zum Übertragen von Flüssigkeiten (100) aus einem Depotblock mit einer Mehrzahl von Depots (14; 24; 44) mit Öffnungen (15; 25; 45), die in einem ausgewählten Format angeordnet sind, zu zumindest einem Aufnahmebehälter (110) mit einer Öffnung, das folgende Schritte aufweist: Verdrängen der Flüssigkeit (100) in jedem Depot (14; 24; 44), so daß die Flüssigkeit (100) in der Öffnung (15; 25; 45) ansteigt und einen konvexen Meniskus (106) ausbildet, der über eine Oberfläche des Depotblocks angehoben wird; und Bringen des zumindest einen Aufnahmebehälters (110) und des angeschwollenen Meniskus (106) in eine gegenseitige Nähe, ohne daß sich der Aufnahmebehälter und das Depot berühren und ohne daß sich das Depot in dem Aufnahmebehälter befindet, wobei der Aufnahmebehälter und der Meniskus derart in eine gegenseitige Nähe gebracht werden, daß der angeschwollene Meniskus den zumindest einen Aufnahmebehälters (110) kontaktiert und in die Öffnung gezogen wird, um zumindest einen Abschnitt der Flüssigkeit (100) in den Aufnahmebehälter (110) einzubringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (100) durch Einbringen eines Verdrängungselements (108) in das Depot verdrängt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Verdrängens der Flüssigkeit (100) das Verformen einer Wand (19; 29; 49) jedes Depots (14; 24; 44) nach innen aufweist, um die Flüssigkeit (100) zu verdrängen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Schritt des Verformens nach innen das Anlegen eines mechanischen Drucks an eine äußere Oberfläche der Wand (19; 29; 49) mittels eines Kolbens (108) aufweist.
Vorrichtung zum Übertragen einer Mehrzahl von Flüssigkeiten (100), mit folgenden Merkmalen: einem Depotbauglied (10; 20; 40) mit einem planaren Tragebauglied (12; 42) mit einer Mehrzahl von Depots (14; 24; 44), von denen jedes eine Öffnung (15; 25; 45) aufweist; einem Aufnahmebauglied, das zumindest einen Aufnahmebehälter (110) mit einer Öffnung (112) trägt; einer Einrichtung (108) zum Verdrängen der Flüssigkeit (100), die in den Depots (14; 24; 44) enthalten ist, so daß die Flüssigkeit (100) zu den Öffnungen (15; 25; 45) ansteigt und konvexe Menisken ausbildet, die über eine planare Oberfläche des Tragebauglieds hervorstehen; und einer Einrichtung zum Bringen der Depotöffnungen (15; 25; 45) und des zumindest einen Aufnahmebehälters (110) in eine gegenseitige Nähe, ohne daß sich der Aufnahmebehälter und das Depot berühren und ohne daß sich das Depot in dem Aufnahmebehälter befindet und derart, daß die Flüssigkeit, die durch die Depotöffnungen verdrängt ist, den Aufnahmebehälter kontaktiert und in die Öffnung gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verdrängen ein Verdrängungselement (108) zum Einbringen in das Depot umfaßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der jedes Depot (15; 25; 45) einen verformbaren Wandabschnitt (19; 29; 49) aufweist, und bei der die Einrichtung (108) zum Verdrängen der Flüssigkeit (100) eine Einrichtung (108) zum Verformen der verformbaren Wandabschnitte (19; 29; 49) nach innen aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Einrichtung (108) zum Verformen der verformbaren Wandabschnitte (19; 29; 49) einen Kolben (108) zum Drücken gegen eine äußere Oberfläche des verformbaren Wandabschnitts (19; 29; 49) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der das Aufnahmebauglied allgemein planar ist, und bei der die Depotöffnungen (19; 29; 49) in einem allgemein planaren Format getragen werden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der jedes Depot (15; 25; 45) zusätzlich zu dem verformbaren Wandabschnitt (19; 29; 49) einen starren Wandabschnitt (16; 46) aufweist, und bei der die starren Wandabschnitte (16; 46) durch einen Depotblock definiert sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die verformbaren Wandabschnitte (16; 46) einen elastischen Film (18) aufweisen, der an einer Oberfläche (13) des Depotblocks befestigt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die verformbaren Wandabschnitte (16; 46) einen geformten Kunststoffilm (20) aufweisen, der an einer Oberfläche (21) des Depotblocks befestigt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die verformbaren Wandabschnitte (16; 46) und die starren Wandabschnitte (16; 46) aus einem einheitlichen Materialstück gebildet sind.