DE60118374T2

DE60118374T2 - Abgabe flüssiger tropfen auf poröse sprödbrüchige substrate

Info

Publication number: DE60118374T2
Application number: DE60118374T
Authority: DE
Inventors: E. Roeland Guilford PAPEN
Original assignee: Packard Instrument Co Inc
Current assignee: PerkinElmer Health Sciences Inc
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: DE60118374D1; US6521187B1; JP5046461B2; EP1181099B1; EP1181099A4; WO2001052991A1; EP1181099A1; JP2003520127A; ATE321611T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das Ansaugen und Abgeben von kleinen Flüssigkeitsvolumen. Sie betrifft insbesondere das automatische Ansaugen und Abgeben von kleinen Flüssigkeitsvolumen auf poröse sprödbrüchige Substrate.
Die Fortschritte in der biochemischen Technologie haben zur Entwicklung von kleinsten Reaktionsstellen geführt, die im Allgemeinen auf sprödbrüchigen, dünnen Wafern angeordnet sind, die Hunderte solcher Reaktionsstellen aufweisen, von denen jede imstande ist, kleine chemische und/oder biologische Proben zu halten. Die Wafer sind porös mit engen Poren, die sich in den Wafer hinein und im Allgemeinen normal zu der Ebene der Oberfläche erstrecken. Um die Probe auf einer ausgewählten Reaktionsstelle aufzubringen, muss die Spitze der Dispenservorrichtung in unmittelbare Nähe zu dem Wafer gebracht werden. Das Anbringen der Spitze der Dispenservorrichtung nahe an der Oberfläche des Wafers bringt das Risiko ein, dass die Spitze die Oberfläche des Reaktionsmediums berührt. Da die Reaktionsmedien im Allgemeinen sprödbrüchig sind, könnte jeder Kontakt den Wafer zerbrechen und alle auf diesem Wafer aufgebrachten Proben unbrauchbar machen. Wenn der Kontakt den Wafer nicht zerbricht, kann die Spitze der Dispenservorrichtung eine Beschichtung auf dem Gefäß abschaben oder seine Festigung zerstören. Kontakt mit dem Wafer kann außerdem das Verbreiten von Flüssigkeit auf der Oberfläche verursachen. Deshalb gibt es Bedarf an einem System und einem Verfahren zur Abgabe kleiner Flüssigkeitsmengen, die biologische und/oder chemische Substanzen enthalten, an einer exakten Stelle auf sprödbrüchigen Wafern, ohne dass man die Spitze der Dispenservorrichtung in die unmittelbare Nähe der Reaktionsstelle bringen muss.
Ein weiterer Nachteil von herkömmlichen Verfahren zur Abgabe von Flüssigkeiten auf Wafer ist, dass der Tropfen am Ende der Spitze der Dispenservarrichtung in Kontakt mit der Oberfläche des Wafers gebracht wird. Um die Probe an einer exakten Stelle auf dem Wafer aufzubringen, wird an der Spitze der Dispenservorrichtung über der Oberflä che der Reaktionsstelle ein Flüssigkeitstropfen gebildet. Der Kontakt zwischen dem Tropfen und der Reaktionsstelle bewirkt, dass sich der Tropfen von der Spitze der Dispenservorrichtung trennt. Die Übertragung eines Tropfens der Probenflüssigkeit auf diese Weise ist schwierig zu steuern, weil Wirkungen der Oberflächenspannung an der Spitze der Dispenservorrichtung und der Waferoberfläche die abgegebene Flüssigkeitsmenge beeinflussen. Infolgedessen besteht Bedarf an einem Verfahren und einem System, um kleine Flüssigkeitsmengen an speziellen Stellen eines Reaktionsmediums präzise aufzubringen. Es ist außerdem notwendig, eine Einrichtung zur Abgabe von Flüssigkeiten zu haben, wo die Größe des Tropfens genau gesteuert wird und keine Funktion der Eigenschaften von Flüssigkeit und Substrat ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zum genauen Ansaugen und Abgeben von Flüssigkeitsvolumen in Submikrolitern auf eine Reaktionsstelle eines Wafers, ohne den Tropfen mit der Oberfläche des Wafers in Kontakt zu bringen. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur genauen Prüfung des auf das Substrat abgegebenen Flüssigkeitsvolumens.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zur Abgabe von Flüssigkeitströpfchen in Subnanolitern, indem sie auf Reaktionsstellen mit Porengrößen ausgestoßen werden, die 10 bis 10.000 mal kleiner sind als der Durchmesser des Tropfens.
Eine weitere andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur genauen Abgabe von Flüssigkeitströpfchen in der Größe von Mikrometern auf ein poröses Substrat mit Poren in Mikrometergröße.
Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zum Ausstoßen von Flüssigkeitströpfchen mit Durchmessern von kleiner als 100 μm auf poröse Substrate mit Porengrößen, die 10 bis 10.000 mal kleiner sind als der Durchmesser der Tropfen. Die Größe des durch den Tropfen auf dem Substrat erzeugten Flecks ist nur etwas größer als der Durchmesser des Tropfens.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zum Ansaugen und Abgeben von mikroskopischen Volumen einer Flüssigkeit auf poröse Reaktionsstellen und das genaue Messen der abgegebenen Flüssigkeitsmenge ohne Rücksicht auf die Eigenschaften (z.B. Viskosität oder Wasseranziehung) der Transferflüssigkeit.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems zum Ansaugen und Ausstoßen von Mikrovolumen einer Flüssigkeit, die chemisch oder biologisch aktive Substanzen enthält, auf eine poröse Reaktionsstelle eines Wafers.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Echtzeit-Überwachung der Abgabe von einzelnen 100 μm großen oder kleineren Flüssigkeitstropfen auf porösen Reaktionsstellen von Wafern vorzusehen.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Ausstoßen einer Vielzahl von Flüssigkeitstropfen auf eine poröse Reaktionsstelle eines dünnen Wafers.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Ausstoßen wenigstens eines kleinen Flüssigkeitstropfens auf eine poröse Reaktionsstelle und das Messen des Volumens der abgegebenen Flüssigkeit in Echtzeit.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann beim genauen Lesen dieser Anmeldung.
ABRISS DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System und ein Verfahren zum Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen auf eine poröse Reaktionsstelle mit Poren, die etwa 10 bis etwa 10.000 mal kleiner als die Größe der Tropfen sind, bereitgestellt. Die Tropfen werden durch Ausstoßen aus einem Rohr mit einem piezoelektrischen Element abgegeben, wobei der Abstand der Spitze des Rohrs zur Oberfläche des Wafers größer als der Durchmesser der Tropfen ist. Folglich berühren die Tropfen nicht die Oberfläche des Wafers, bevor sie ausgestoßen werden. Deshalb beeinflussen die Eigenschaften der Flüssigkeit und der Oberfläche des Wafers die Größe des Tropfens, der ausgestoßen wird, nicht. Der ausgestoßene Tropfen bildet einen Fleck, der nahezu den gleichen Durchmesser wie das ausgestoßene Tröpfchen besitzt, weil er die engen Poren des Wafers durchdringt.
In dem System und Verfahren zum Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen in Subnanolitern auf eine poröse Reaktionsstelle kann eine sich aus dem Tröpfchenausstoß ergebende Druckänderung detektiert werden. Das bekannte Volumen von einem kompressiblen Fluid, z.B. ein Gas wie Luft, erleichtert das Messen kleiner Änderungen im Systemdruck, die zu dem Volumen der Transferflüssigkeit, die abgegeben worden ist, in Wechselbeziehung stehen.
In dem System und Verfahren zum Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen in Subnanolitern auf eine poröse Reaktionsstelle ist es möglich, eine aus dem Ausstoß von einem Tropfen einer Transferflüssigkeit sich ergebende Druckänderung zu detektieren und ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches anzeigt, dass einzelne Flüssigkeitstropfen in Abständen von Millisekunden abgegeben werden. Indem alle kompressiblen Fluide (Gase) aus der Flüssigkeit im System entfernt werden, kann der Ausstoß von Tröpfchen in der Größe von Pikolitern detektiert werden. Die abgegebenen Tropfen liegen im Allgemeinen im Bereich von etwa 5 bis etwa 500 Pikolitern, häufig etwa 100 bis etwa 500 Pikolitern. Die Poren des Wafers liegen im Bereich von Submikrometern.
Tröpfchen einer Flüssigkeit in Subnanolitern werden auf porösen Stellen eines dünnen Wafers ausgestoßen, wobei das Volumen der Tropfen in Echtzeit gemessen wird. Elektrische Signale, die vorübergehend auftretende Druckänderungen in der Transferflüssigkeit beim Abgeben von Flüssigkeitstropfen (im Bereich von etwa 5 bis etwa 500 Pikolitern, vorzugsweise etwa 100 bis etwa 500 Pikolitern) anzeigen, können detektiert werden, wenn die Flüssigkeit im umschlossenen Volumen der Dispenservorrichtung mit einem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist. Solange wie alle kompressiblen Fluide (Gase) aus der Abgabeleitung (die durch einen eingeschränkten Kanal mit dem Flüssigkeitsbehälter in Verbindung steht) im Wesentlichen herausgehalten werden, kann der Drucksensor des Systems die Abgabe eines einzelnen Flüssigkeitstropfens im Bereich von etwa 5 bis etwa 500 Pikolitern vorzugsweise von etwa 100 bis etwa 500 Pikolitern detektieren. Die sich aus dem Ausstoß eines solchen Tropfens ergebende Druckänderung tritt in einem Zeitraum auf, der lang genug ist, damit eine Druckänderung feststellbar wird, jedoch kurz genug ist, um den Zyklus zu beenden, bevor der nächste Tropfen ausgestoßen wird.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann beim genauen Lesen dieser Veröffentlichung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist das Blockdiagramm eines Systems zum Ansaugen und zur Abgabe von Flüssigkeit in Mikrovolumen auf eine Reaktionsstelle einer dünnen Platte, das die erste Ausführung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ist die schematische Darstellung einer Verdrängerpumpe, die einen Aspekt der ersten Ausführung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 ist die Seitenansicht einer Mikro-Dispenservorrichtung, die einen piezoelektrischen Wandler enthält;
4 ist die Draufsicht eines porösen Wafers, auf den Tropfen aufgebracht wurden;
5 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, die einen einzelnen Flüssigkeitstropfen zeigt, der auf die Reaktionsstelle eines Wafers gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestoßen wurde;
6 ist eine Querschnittsansicht eines Flüssigkeitstropfens, der die poröse Reaktionsstelle eines Wafers durchdringt;
7 ist ein Blockdiagramm des Systems zum Ansaugen und zur Abgabe von Mikrovolumen einer Flüssigkeit, das die zweite Ausführung nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 zeigt eine Vielzahl von Flüssigkeitströpfchen, die auf ein poröses Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht sind;
9 zeigt Tröpfchen, die auf die Anapore-Membrane gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebracht wurden;
10 ist die graphische Darstellung eines Fluoreszenzsignals von den gemäß 9 auf die Anapore-Membrane aufgebrachten Tropfen.
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anwendung für die Ansaug- und Abgabevorrichtung, die in der am 20.5.2001 veröffentlichten US-A-6 203 759 beschrieben ist.
Beschreibung von Wafern zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
Der Begriff „Wafer", wie er hier verwendet wird, umfasst einen Gegenstand, der auf mindestens einer seiner Oberflächen eine poröse Stelle aufweist. Die zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung geeigneten Wafer besitzen Stellen mit einer Porengröße, die bedeutend kleiner ist als die Größe der auf den Wafern aufgebrachten Flüssigkeitstropfen. Im Allgemeinen ist die Porengröße der Stellen von etwa 10 bis etwa 10.000 mal kleiner als der Durchmesser der darauf aufgebrachten Tropfen. Wenn die Flüssigkeitstropfen im Bereich von 10 bis 100 μm liegen, sollte die Porengröße im Mikrometer- oder Submikrometerbereich liegen. Wafer, die zur Verwendung nach der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen diejenigen, die spezifische, begrenzte Reaktionsstellen aufweisen und deren Oberfläche teilweise oder gänzlich porös ist. Solche Wafer umfassen Membranen, Objektträger, mikrobearbeitetes Silizium, poröse Gele und Polymere. Die Porengrößen der Reaktionsstellen liegen im Allgemeinen im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10 Mikrometern, vorzugsweise von etwa 0,25 bis etwa 1 Mikrometer. Ein Beispiel eines für die Verwendung nach der vorliegenden Erfindung geeigneten Wafers ist die Anapore-Membrane, die durch The Whatman Companies vermarktet wird. Andere zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignete Wafer umfassen den Hydrogel-Chip, der von Packard Instrument Company Downers Grove, Illinois, hergestellt wird.
Ein Beispiel solcher poröser Wafer ist im US-Patent Nr. 5 843 767 zu finden. Während das Beispiel 5 des 767-er Patents ein System zum Aufbringen von Tröpfchen auf poröse Wafer beschreibt, gibt es keine Erkenntnis des durch die gegenwärtigen Erfinder oben erörterten Problems und des hier offenbarten Verfahrens zum Lösen dieses Problems.
Beschreibung einer ersten Ansaug- und Abgabevorrichtung
Das System, das entsprechend der ersten Ansaug- und Abgabevorrichtung nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, enthält eine Systemflüssigkeit und eine Transferflüssigkeit, die durch ein bekanntes Volumen eines kompressiblen Fluides, z.B. ein Gas wie Luft („Luftspalt"), getrennt sind. Der Luftspalt erleichtert das Messen von kleinen Druckänderungen in der Systemflüssigkeit. Die Druckänderung ist dem Volumen der abgegebenen Transferflüssigkeit proportional. Eine bevorzugte Systemflüssigkeit ist entionisiertes Wasser. Auf Grund von Kapillarkräften wird die Transferflüssigkeit jedes Mal, wenn ein Tröpfchen im Abgabebereich mikroskopischer Volumen abgegeben wurde, in ihre vorherige Position innerhalb der Mikro-Dispenservorrichtung zurückkehren. Das spezifische Volumen des Luftspalts wird proportional zur Menge der abgegebenen Transfeflüssigkeit erhöht. Das Ergebnis ist eine Druckabnahme in der Flüssigkeitsleitung des Systems, die mit einem hoch empfindlichen Piezowiderstands-Drucksensor gemessen wird. Der Drucksensor überträgt ein elektrisches Signal, das die Schaltungstechnik steuert. Das elektrische Signal wird in eine digitale Form umgewandelt, die das Volumen von abgegebener Transferflüssigkeit anzeigt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber der Viskosität der Transferflüssigkeit. Die Druckänderung in der Systemflüssigkeit entspricht dem abgegebenen mikroskopischen Volumen, ohne dass sie von der Viskosität der abgegebenen Flüssigkeit abhängig ist.
Die erste Ansaug- und Abgabevorrichtung nach der vorliegenden Erfindung stellt eine Handhabungseinrichtung für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen bereit, die eine durch einen Schrittmotor angetriebene Verdrängerpumpe, einen Piezowiderstands-Drucksensor und eine elektrisch gesteuerte Mikro-Dispenservorrichtung enthält, die ei nen an eine Glaskapillare geklebten piezoelektrischen Wandler nutzt. Die Mikro-Dispenservorrichtung ist in der Lage, Tröpfchen in der Größe von Subnanolitern („nl") schnell und exakt abzugeben, indem die Tröpfchen zwangsweise aus einer kleinen Düse ausgestoßen werden, wobei dieser Vorgang als „Tröpfchenausstoß nach Anforderung" bekannt ist. Speziell gibt die Dispenservorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Tropfen im Bereich von etwa 5 bis etwa 500 Pikolitern, vorzugsweise von etwa 100 bis 500 Pikolitern, ab.
Um die Funktionalität einer automatisierten Handhabungseinrichtung für Flüssigkeiten zu bewirken, sind die Mikro-Dispenservorrichtungen in allen bevorzugten Ausführungen auf einem 3-achsigen Robotersystem montiert, das zum Positionieren der Mikro-Dispenservorrichtungen an speziellen Stellen, die zum Ausführen des gewünschten Flüssigkeitsübertragungsprotokolls notwendig sind, verwendet wird.
Mit Bezug zuerst auf 1 ist eine erste Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen dargestellt, die eine Verdrängerpumpe 12, einen Drucksensor 14 und eine Mikro-Dispenservorrichtung 16 umfasst. Eine Rohrleitung 18 verbindet die Verdrängerpumpe 12 mit dem Drucksensor 14 und den Drucksensor 14 mit der Mikro-Dispenservorrichtung 16. Die Verdrängerpumpe 12 bewegt eine Systemflüssigkeit 20 durch den Drucksensor 14 und die Mikro-Dispenservorrichtung 16. Nachdem die Einrichtung 10 mit Systemflüssigkeit 20 beschickt ist, wird ein Luftspalt 22 bekannten Volumens erzeugt. In die Mikro-Dispenservorrichtung 16 wird in nachstehend beschriebener Weise eine Menge Transferflüssigkeit 24 angesaugt. Die Transferflüssigkeit 24 kann eine oder mehrere biologisch oder chemisch aktive Substanzen, die von Interesse sind, enthalten. Vorzugsweise stößt die Mikro-Dispenservorrichtung 16 einzelne Tröpfchen 26 aus in der Größe von Subnanolitern (oder synonym „spritzt ein"), die sehr reduzierbar sind. Die ausgestoßenen Tröpfchen 26 der Transferflüssigkeit 24 liegen allgemein im Bereich von etwa 5 bis etwa 500 Pikoliter, vorzugsweise etwa 100 bis etwa 500 Pikoliter pro Tröpfchen 26. Wenn man z.B. eine Gesamtmenge von 9 Nanolitern Transferflüssigkeit 24 auszustoßen wünscht, wird die Mikro-Dispenservorrichtung 16 so gesteuert, dass sie 20 Tröpfchen 26 ausstößt, wobei jedes ein Volumen von 0,45 Nanolitern aufweist. Die Größe der Tröpfchen 26 kann verändert werden, indem Größe und Dauer des an die Mikro-Dispenservorrichtung 16 angelegten elektrischen Signals verändert wird. Andere die Tröpfchengröße beeinflussende Faktoren schließen die Größe der Düsen öffnung an der Unterseite der Mikro-Dispenservorrichtung, den Druck am Einlass der Mikro-Dispenservorrichtung und bestimmte Eigenschaften der Transferflüssigkeit ein.
Mit Bezug jetzt auf die 1 und 2 ist in einer bevorzugten Ausführung die Verdrängerpumpe 12 eine von Cavro Scientific Instruments, Inc. Sunnyvale, Kalifornien hergestellte digitale Modulpumps XL 3000. Die Verdrängerpumpe 12 enthält den Schrittmotor 28, den Schrittmotor 29 und die Spritze 30. Die Spritze 30 enthält ein Rohr 32 aus Borsilicatglas und einen Kolben 34, der durch eine Reihe von Zahnrädern und einen Treibriemen (nicht gezeigt) mechanisch mit dem Schrittmotor 28 gekoppelt ist. Die Bewegung des Schrittmotors 28 bewirkt, dass sich der Kolben 34 um eine festgelegte Anzahl von einzelnen Schritten innerhalb des Glasrohrs 32 nach oben oder unten bewegt. Der Kolben 34 bildet einen flüssigkeitsdichten Abschluss mit dem Glasrohr 32. In einer bevorzugten Ausführung hat die Spritze 30 eine nutzbare Kapazität von 250 Mikrolitern, was der Menge der Systemflüssigkeit 20 entspricht, die der Kolben 34 in einem vollen Hub verdrängen kann. In Abhängigkeit von der ausgewählten Betriebsart ist der Schrittmotor 28 in der Lage, 3000 oder 12.000 einzelne Schritte pro vollen Hub des Kolbens 34 auszuführen. In einer bevorzugten Ausführung wird der Schrittmotor 28 so gesteuert, dass er 12 000 Schritte pro vollen Hub des Kolbens 34 macht, wobei jeder Schritt ungefähr 20,83 Nanoliter Systemflüssigkeit 20 verdrängt. In einer bevorzugten Ausführung ist die verwendete Systemflüssigkeit 20 entionisiertes Wasser.
Digital kodierte Anweisungen bewirken, dass der Schrittmotor 28 in der Verdrängerpumpe 12 einzelne Flüssigkeitsvolumen in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 ansaugt, die Mikro-Dispensenvorrichtung 16 zwischen Flüssigkeitsübertragungen wäscht, und den Druck in der Leitung für Systemflüssigkeit 20 zur Funktion der Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen steuert. Die Verdrängerpumpe 12 wird auch verwendet, um die Einrichtung 10 mit Systemflüssigkeit 20 vorzufüllen und höhere Flüssigkeitsvolumen durch die Mikro-Dispenservorrichtung 16 abzugeben, was die Abschwächung bestimmter Systemflüssigkeiten ermöglicht. Die Verdrängerpumpe 12 kann außerdem direkt mit Transferflüssigkeit 24 arbeiten. Folglich kann Transferflüssigkeit 24 bei Bedarf durchweg als Systemflüssigkeit 20 in der Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen verwendet werden.
Um die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen vorzufüllen, steuert die Steuerlogik 42 zuerst ein 3-achsiges Robotersystem 58 durch den elektrischen Draht 56, um die Mikro-Dispenservorrichtung 16 über einer am Robotersystem 58 enthaltenen Waschstation zu positionieren. In einer bevorzugten Ausführung enthält die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen ein 3-achsiges Robotersystem MultiPROBE CR 10100, das von Packard Instrument Company hergestellt, an dem sie montiert ist. Die Verdrängerpumpe 12 enthält ein Ventil 38 zur Verbindung des Speicherbehälters 40 für Systemflüssigkeit mit der Spritze 30. Ein Auslöse-Steuersignal wird durch die Steuerlogik 42 über das elektrische Kabel 36 an die Pumps 12 übertragen. Dies bewirkt, dass sich das Ventil 38 dreht (mittels Schrittmotor 29) und die Spritze 30 mit dem Speicherbehälter 40 für Systemflüssigkeit verbunden wird. Das Steuersignal bewirkt außerdem, dass der Schrittmotor 28 den Kolben 34 in seine oberste Stellung (Position 1 in 2) in dem Rohr 32 aus Borsilikatglas bewegt. Die nächste Anweisung von der Steuerlogik 42 bewirkt, dass der Schrittmotor 28 den Kolben 34 in seine unterste Stellung (Position 2 in 2) in dem Rohr 32 bewegt und Systemflüssigkeit 20 aus dem System-Speicherbehälter 40 heraus zieht. Eine weitere Anweisung von der Steuerlogik 42 steuert so, dass sich das Ventil 38 wieder dreht, wodurch bewirkt wird, dass die Spritze 30 mit der Rohrleitung 18 verbunden, d.h. wiederum mit dem Drucksensor 14 verbunden wird. In einer bevorzugten Ausführung ist die in der Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen eingesetzte Rohrleitung 18 die von Zeus Industrial Products, Inc., Raritan, New Jersey hergestellte Rohrleitung aus naturfarbenem Teflon mit einem Innendurchmesser von 1,50 mm (0,059 Zoll) und einem Außendurchmesser von 2,49 mm (0,098 Zoll). Die nächste Anweisung von der Steuerlogik 42 an die Verdrängerpumpe 12 bewirkt, dass die Systemflüssigkeit 20 innerhalb der Spritze 30 in die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen in Richtung des Drucksensors 14 gedrückt wird. Weil die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen es bezeichnenderweise erforderlich macht, etwa 4 Milliliter Systemflüssigkeit vorzufüllen, muss die oben beschriebene Schrittfolge etwa 16 mal wiederholt werden, um die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen vollständig vorzufüllen.
Die Steuerlogik 42 nimmt Signale vom Drucksensor 14 durch eine elektrische Leitung 46 auf. Die Signale werden durch einen A/D-Wandler 44 (analog/digital) von einer analogen Form in digitale Form umgewandelt und durch die Steuerlogik 42 zur Verarbeitung und Analyse verwendet. In einer bevorzugten Ausführung ist der A/D-Wandler eine von National Instruments Corporation, Austin, Texas hergestellte mehrfunktionale Eingabe-Ausgabe-Leiterplatte PC-LPM-16. An verschiedenen Punkten im hier beschriebenen Flüssigkeitsübertragungsvorgang empfängt die Steuerlogik 42 Signale von dem Druckwandler 14 und sendet Befehlsignale an Pumpe 12, Elektronik 51 der Mikro-Dispenservorrichtung und das 3-achsige Robotersystem 58. Innerhalb der Steuerlogik 42 sind die kodierten Algorithmen vorhanden, die die Hardware (Robotersystem 58, Pumpe 12 und Elektronik 51 für Mikro-Dispenservorrichtung) nach speziell festgelegten Flüssigkeitstransferprotokollen wie es hier beschrieben ist, einordnen. Innerhalb der Steuerlogik 42 befinden sich auch die kodierten Algorithmen, welche die gemessenen Drucksignale verarbeiten, um die Mikro-Dispenservorrichtung zu überwachen und zu quantifizieren, Diagnostik hinsichtlich des Zustands der Handhabungseinrichtung für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen durchzuführen und automatisch eine Kalibrierung der Mikro-Dispenservorrichtung für jede ausgewählte Transferflüssigkeit 24 vorzunehmen.
Der Drucksensor 14 detektiert Druckschwankungen, die beim Vorfüllen der Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen, beim Ansaugen von Transferflüssigkeit 24 mit einer Pumpe 12, bei Abgabe von Tröpfchen 26 mit der Mikro-Dispenservorrichtung 16 und beim Waschen der Mikro-Dispenservorrichtung 16 mit der Pumpe 12 auftreten. In einer bevorzugten Ausführung ist der Drucksensor 14 ein Piezowiderstands-Drucksensor, Teil-Nummer 26PCDFG6G, der von Microswitch, Inc. einer Abteilung von Honeywell, Inc, Freeport, Illinois hergestellt wird. Außerdem mit dem Drucksensor 14 im Blockdiagramm von 1 enthalten ist ein elektrischer Schaltkreis, der das analoge Drucksignal vom Drucksensor verstärkt. Der Drucksensor 14 wandelt Druck in elektrische Signale um, die zum A/D-Wandler 44 geleitet und von der Steuerlogik 42 verwendet werden. Wenn zum Beispiel die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen vorgefüllt wird, sendet der Drucksensor 14 elektrische Signale, die durch die Steuerlogik 42 analysiert werden, um zu bestimmen, ob sie eine teilweise oder vollständige Blockierung in der Mikro-Dispenservorrichtung 16 anzeigen.
Sobald die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen vorgefüllt ist, sendet die Steuerlogik 42 durch den elektrischen Leiter 56 ein Signal, welches das Robotersystem 58 anweist, die Mikro-Dispenservorrichtung 16 in Luft über der Transferflüssigkeit 24 zu positionieren. Die Steuerlogik 42 weist den Schrittmotor 28 an, den Kolben 34 nach unten zu bewegen, um eine einzelne Menge Luft (Luftspalt) z.B. 50 Mikroliter in Volumen in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 anzusaugen. Die Steuerlogik 42 weist anschließend das Robotersystem 58 an, die Mikro-Dispenservorrichtung 16 nach unten zu bewegen, bis sie Kontakt mit der Oberfläche der Transferflüssigkeit 24 (nicht gezeigt) herstellt. Kontakt der Mikro-Dispenservorrichtung 16 mit der Oberfläche der Transferflüssigkeit 24 wird durch ein kapazitives Flüssigkeitsniveau-Abtastsystem (US-Patent Nr. 5 365 783) bestimmt. Die Mikro-Dispenservorrichtung ist mit der Elektronik 54 der Flüssigkeitsniveau-Abtastung durch einen elektrischen Leiter 55 verbunden. Wenn die Elektronik 54 der Flüssigkeitsniveau-Abtastung einen Kontakt der Mikro-Dispenservorrichtung 16 mit der Oberfläche der Transferflüssigkeit 24 detektiert, wird durch den elektrischen Draht 53 ein Signal an das Robotersystem 58 gesendet, um die Abwärtsbewegung zu stoppen.
Die Steuerlogik 42 weist die Pumpe 12 an, den Kolben 34 nach unten zu bewegen, um die Transferflüssigkeit 24 in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 anzusaugen. Um zu gewährleisten, dass die Transferflüssigkeit erfolgreich in die Mikro-Dispenservorrichtung angesaugt wurde, wird das Drucksignal durch die Steuerlogik überwacht. Wenn ein Problem wie zum Beispiel ein anomaler Druckabfall auf Grund einer teilweisen oder völligen Blockierung der Mikro-Dispenservorrichtung detektiert wird, wird die Steuerlogik 42 an die Pumpe 12 eine Anweisung zur Unterbrechung der Bewegung senden. Die Steuerlogik 42 wird anschließend mit einem kodierten Wiedergewinnungsalgorithmus fortschreiten. Es ist anzumerken, dass die Transferflüssigkeit 24 in die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen bis zu dem Drucksensor 14 ohne Gefahr einer Verunreinigung des Drucksensors 14 angesaugt werden kann. Eine zusätzliche Rohrleitung kann hinzugefügt werden, um die Kapazität der Transferflüssigkeit 24 zu erhöhen. Sobald die Transferlüssigkeit 24 in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 angesaugt worden ist, weist die Steuerlogik 42 das Robotersystem 58 an, die Mikro-Dispenservorrichtung 16 über dem gewählten Target, zum Beispiel die Platte eines Mikrotiters oder eines Wafers neu zu positionieren.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Mikro-Dispenservorrichtung 16 der Mikro-Dispenservorrichtungskopf MD-K-130, der von Microdrop GmbH, Norderstedt, Deutschland hergestellt wird.
Wie in 3 dargestellt ist, besteht die Mikro-Dispenservorrichtung 16 aus einem Rohr 60 aus piezoelektrischer Keramik, das an eine Glaskapillare 62 angeklebt ist. Das Rohr aus piezoelektrischer Keramik besitzt eine innere Elektrode 66 und einer äußere Elektroden 68 zur Aufnahme von analogen Spannungsimpulsen, die bewirken, dass sich das Rohr aus piezoelektrischer Keramik verengt. Sobald die Glaskapillare 62 mit Transferflüssigkeit 24 gefüllt worden ist, leitet die Steuerlogik 42 die Elektronik 51 der Mikro-Dispenservorrichtung an, durch den elektrischen Draht 52 analoge Spannungsimpulse zu dem piezoelektrischen Wandler 60 zu senden. In einer bevorzugten Ausführung ist die Elektronik 51 der Mikro-Dispenservorrichtung die von Mikrodrop GmbH hergestellte Steuerelektronik MD-E-201. Die Elektronik der Mikro-Dispenservorrichtung 51 steuert die Größe und Dauer der analogen Spannungsimpulse sowie die Frequenz, bei der die Impulse an die Mikro-Dispenservorrichtung 16 gesendet werden. Jeder Spannungsimpuls bewirkt eine Verengung des piezoelektrischen Wandlers 60, der wiederum die Glaskapillare 62 verformt. Die Verformung der Glaskapillare 62 erzeugt eine Druckwelle, die sich durch die Transferflüssigkeit 24 zur Düse 63 der Mikro-Dispenservorrichtung ausbreitet, wobei ein hoch beschleunigtes Tröpfchen 26 von Transferflüssigkeit 24 ausgestoßen wird. Es wurde gezeigt, dass die Größe dieser Tröpfchen 26 sehr reproduzierbar ist. Die hohe Beschleunigung der Transferflüssigkeit 24 minimiert oder schließt Probleme aus, die durch die Oberflächenspannung und Viskosität der Transferflüssigkeit 24 verursacht werden, womit es ermöglicht wird, extrem kleine Tröpfchen 26 (z.B. 5 Pikoliter) aus der Düse auszustoßen. Die Verwendung der Mikro-Dispenservorrichtung 16 zum Austreiben von Tröpfchen 26 aus der Düse weicht Problemen aus, auf die man in dem Flüssigkeitsübertragungsverfahren stößt, das „Auslösen" bezeichnet wird. Bei dem Auslöseverfahren wird ein Tröpfchen 26 am Ende einer Düse fest gehalten und auf eine Targetoberfläche aufgebracht, indem dieses Tröpfchen 26 mit der Targetoberfläche in Kontakt gebracht wird, während es noch von der Mikro-Dispenservorrichtung 16 herabhängt. Ein solcher Kontaktvorgang ist anfällig für nicht akzeptable Volumenabweichungen im Ergebnis von Oberflächenspannung, Viskosität und Benetzungseigenschaften der Mikro-Dispenservorrichtung 16 und der Targetoberfläche. Mit der vorliegenden Erfindung werden die Probleme des Kontaktvorgangs vermieden, weil die Tröpfchen 26 mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde aus der Mikro-Dispenservorrichtung 16 ausgetrieben werden. Das gewünschte Gesamtvolumen wird durch die vorliegende Erfindung abgegeben, indem die Anzahl von auszutreibenden Tröpfchen 26 speziell festgelegt wird. Weil Tausende von Tröpfchen 26 pro Sekunde aus der Mikro-Dispenservorrichtung 16 ausgestoßen werden können, kann das gewünschte mikroskopische Volumen von Transferflüssigkeit 24 schnell abgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist der untere Abschnitt der zwischen dem piezoelektrischen Wandler 60 und der Düse 63 angeordneten Glaskapillare 62 elektrochemisch mit einem leitfähigen Material typischerweise Platin oder Gold beschichtet. Die Verwendung dieses Materials bewirkt eine elektrisch leitfähige Strecke zwischen Mikro-Dispenservorrichtung 16 und Elektronik 54 zur Abtastung des Flüssigkeitsniveaus. In einer bevorzugten Ausführung besitzt die Glaskapillare 62 eine Gesamtlänge von 73 mm, und die Düse 63 weist einen Innendurchmesser von 75 μm auf.
Zur Abgabe von mikroskopischen Volumenmengen von Transferflüssigkeit 24 werden analoge Spannungsimpulse an die Mikro-Dispenservorrichtung 16 gesendet, womit Flüssigkeitströpfchen 26 ausgestoßen werden. Auf die Transferflüssigkeit 24 wirkende Kapillarkräfte ersetzen das Volumen der von der Mikro-Dispenservorrichtung 16 ausgestoßenen Transferflüssigkeit 24 durch Flüssigkeit aus der Rohrleitung 18. Da die Flüssigkeitssäule des Transferflüssigkeit-Luftspalt-System an einem geschlossenen Ende in der Verdrängerpumpe 12 endet, gibt es jedoch einen entsprechenden Druckabfall in der Leitung für Systemflüssigkeit 20, wenn sich der Luftspalt 22 ausdehnt. Dies ist in 4 von US-A-6 203 759 ersichtlich. Die Größe des Druckabfalls ist eine Funktion der Größe des Luftspalts 22 und des Volumens der abgegebenen Flüssigkeit.
Mit einem Luftspalt 22 bekannten Volumens ist die Druckänderung, wie sie durch den Drucksensor 14 detektiert wird, dem abgegebenen Volumen proportional. So bestimmt die Steuerlogik aus der durch den Drucksensor 14 gemessenen Druckänderung das Volumen der Transferflüssigkeit 24, das abgegeben wurde. In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Transferflüssigkeit, vorzuziehen, dass der Druckabfall ungefähr 30 bis 40 Millibar unter Umgebungsdruck nicht überschreitet. Wenn die Menge von abgegebener Transferflüssigkeit 24 ausreichend ist, um den Druck um mehr als 30 bis 40 Millibar abfallen zu lassen, wird die Druckdifferenz über der Mikro-Dispenservorrichtung 16 (d.h. die Differenz zwischen dem auf die Düse 63 wirkenden Umgebungsdruck und dem Druck am Kapillareneinlass 65) ausreichend sein, um die Transferflüssigkeit 24 nach oben in die Rohrlei tung 18 zu drücken. Dies wird eine weitere Abgabe ausschließen. Es gibt eine maximale Menge von Transferflüssigkeit 24, die abgegeben werden kann, bevor die Steuerlogik 42 die Pumpe 12 anweisen muss, den Kolben 34 vorzuschieben, um den Druckabfall zu kompensieren. Dieses maximale Volumen wird durch das gewünschte Abgabevolumen und die Größe des Luftspalts 22 bestimmt. Umgekehrt kann die Größe des Luftspalts 22 basierend auf dem gewünschten Abgabevolumen ausgewählt werden, damit kein Druckabfall erzeugt wird, der 30 bis 40 Millibar unter Umgebungsdruck überschreitet. Es liegt auch im Umfang der vorliegenden Erfindung, den Kolben 34 vorzuschieben, während die Mikro-Dispenservorrichtung 16 beim Abgeben ist, wodurch der Druck in der Leitung mit Systemflüssigkeit 20 wieder aufgebaut wird, so dass die Mikro-Dispenservorrichtung 16 ununterbrochen arbeiten kann.
Die Druckänderung in der Systemflüssigkeit 20 wird genutzt, um nachzuprüfen, dass die gewünschte Menge Transferflüssigkeit 24 abgegeben wurde. Eine zweite Überprüfung der Menge Transferflüssigkeit 24, die abgegeben wurde, wird durch die Steuerlogik 42 vorgenommen, die den Druck der Systemflüssigkeit 20 in der Leitung überwacht, während die Pumpe 12 so gesteuert wird, dass sie den Spritzenkolben 34 nach oben in Richtung Position 1 vorschiebt. Der Spritzenkolben 34 wird vorgeschoben, bis der Druck der Systemflüssigkeit 20 in der Leitung zum Anfangswert (vor Abgabe) zurückkehrt. Weil die Steuerlogik 42 das verdrängte Volumen aufzeichnet, bewegt sich der Kolben 34 (20,83 Nanoliter pro Schritt des Schrittmotors 28), und es wird eine zweite Bestätigung des abgegebenen Volumens vorgenommen, womit das System um Robustheit ergänzt wird. Nach einer zweiten Nachprüfung der Abgabe liegt der Druck der Systemflüssigkeit 20 in der Leitung jetzt auf dem genauen Wert für den nächsten Abgabevorgang, wenn eine Mehrfachabgabe-Reihenfolge speziell festgelegt worden ist.
Sobald die Abgabe von Transferflüssigkeit 24 beendet wurde, bewirkt die Steuerlogik 42, dass das Robotersystem 58 die Mikro-Dispenservorrichtung 16 über der Waschstation positioniert. Die Steuerlogik 42 steuert anschließend die Pumpe 12 und das Robotersystem 58 in einem Waschprotokoll, das beliebige Transferflüssigkeit 24, die in der Mikro-Dispenservorrichtung 16 zurückgelassen wurde, aufbringt. Dieses Protokoll führt außerdem zu Waschungen an der innen liegenden Fläche der Glaskapillare 62 und der außen liegenden Fläche im Bereich der Düse 63, welcher der Transferflüssigkeit 24 ausgesetzt war. Die Waschflüssigkeit kann entweder Systemflüssigkeit 20 oder eine be liebige andere Flüssigkeit sein, die auf der Ladefläche des Robotersystems 58 angeordnet war. Das Waschprotokoll ist so ausgelegt, um eine wechselseitige Verunreinigung von unterschiedlichen Transferflüssigkeiten 24, die während unterschiedlicher Abgabesitzungen verwendet wurden, zu minimieren. Zu diesem Zweck ist es auch möglich, hochfrequentes Pulsieren des Wandlers 60 zu nutzen, um das Waschen der Mikro-Dispenservorrichtung 16 zu erleichtern. Dies wird ausgeführt, indem die Steuerlogik 42 zum Ansteuern der Elektronik 51 der Mikro-Dispenservorrichtung genutzt wird, um an die Mikro-Dispenservorrichtung elektrische Impulse mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 bis etwa 20 kHz zu senden (man vermutet, dass die bevorzugte Resonanzfrequenz der Mikro-Dispenservorrichtung 16 bei ungefähr 12 kHz liegt). Die Resonanzfrequenz der Mikro-Dispenservorrichtung fällt mit der Resonanzfrequenz des Systems von Mikro-Dispenservorrichtung 16 und Transferflüssigkeit 24 zusammen. Das Pulsieren des piezoelektrischen Wandlers 60 bei den oben genannten Frequenzen verursacht, dass die innen liegenden Flächen der Glaskapillare 62 kräftig vibrieren. Die Systemflüssigkeit 20 oder eine spezielle, reinigende und/oder neutralisierende Flüssigkeit wird genutzt, um die Mikro-Dispenservorrichtung 16 auszuspülen, während der piezoelektrische Wandler 60 bei den oben beschriebenen Frequenzen aktiviert wird. Das Reinigen mit hochfrequentem Pulsieren ist beim Entfernen und Beseitigen von Stoff, der an der Mikro-Dispenservorrichtung 16 anhaftet, effizienter. Zum Beispiel wurde in einer Anzahl von Testfällen gezeigt, dass ein solches Reinigen eine 200 bis 500%-ige Verbesserung (in Abhängigkeit von der Verunreinigung) bei der Reduzierung von Reststoffen in der Mikro-Dispenservorrichtung 16 im Vergleich zum Reinigen ohne dieses Pulsieren bewirkt hat.
Das Pulsieren der Mikro-Dispenservorrichtung 16 wird außerdem verwendet, um das Verstopfen der Düse der Mikro-Dispenservorrichtung zu verhindern, zu minimieren oder zu vermindern. Wenn zum Beispiel Transferflüssigkeit in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 angesaugt wird, muss sie durch die verhältnismäßig enge Düse 63 in der Glaskapillare 62 hindurchgehen. Häufig kommen Stoffe in der Transferflüssigkeit 24 mit den Flächen der Düse 63 in Berührung, die das Anhaften von Stoffen an der Düse 63 zulässt. In biochemischen Anwendungen sind Kugeln aus Polystyrol ein weit verbreitet verwendeter Stoff, der zur Transferflüssigkeit 24 hinzugefügt wird. Diese Kugeln liegen typischerweise im Bereich von 1 bis über 30 Mikrometer und können unbeschichtet sein oder mit magnetischen Ferriten, Abwehrstoffen oder anderen Materialien beschichtet werden. Die relativ hohe Größe der Polystyrolkugeln hinsichtlich des Durchmessers der Düse 63 in Verbindung mit ihren manchmal klebrigen Beschichtungen kann das Anhaften der Kugeln an der Düse 63 verursachen. Es wurde herausgefunden, dass eine Verstopfung verhindert oder minimiert wird, wenn der piezoelektrische Wandler 60 mit einer hohen Frequenz angeregt wird, während die Mikro-Dispenservorrichtung 16 beschickt wird (d.h. Transferflüssigkeit 24 wird in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 angesaugt). So verhindert oder verringert hochfrequentes Pulsieren der Mikro-Dispenservorrichtung 16 eine Verstopfung der Düse 63 durch Materialien in der Transferflüssigkeit 24.
Jedes Mal, wenn Transferflüssigkeit 24, die gelöste oder in Suspension vorliegende Materialien enthält, durch die Düse 63 hindurch geht, tritt die Möglichkeit einer Verstopfung auf. Problematisch ist nicht nur eine Verstopfung beim Ansaugen von Transferflüssigkeit 24 in die Mikro-Dispenservorrichtung 16 wie oben beschrieben, sondern es gibt auch ein Problem, wenn durch hochfrequentes Pulsieren der Mikro-Dispenservorrichtung 16 Transferflüssigkeit abgegeben wird. Eine Tröpfchenabgabe durch den piezoelektrischen Wandler kann den Aufbau von an der Düse 63 anhaftenden Materialien reduzieren und somit in manchen Fällen eine Verstopfung verhindern. Selbst wenn eine wesentliche Verstopfung wirklich auftritt, wird das hochfrequente Pulsieren der Mikro-Dispenservorrichtung 16 durch den piezoelektrischen Wandler 60 die Verstopfung von Materialien aus der Düse 63 im Wesentlichen freimachen. Der entscheidende Vorteil für diese Reinigungsstrategie ist der ununterbrochene Betrieb des Gerätes ohne die Verzögerungen, die mit alternativen Reinigungsverfahren verbunden sind. Kurzum, die Stillstandszeit des Systems wird reduziert, indem die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen effizienter gemacht wird.
In der obigen Beschreibung der Erfindung tritt die Steuerung der Mikro-Dispenservorrichtung 16 über elektrische Impulse von der Mikro-Dispenservorrichtung-Elektronik 51 ein, wobei jeder Impuls ein ausgestoßenes Tröpfchen 26 von Transferflüssigkeit 24 ergibt. Es liegt auch im Umfang der Erfindung, die Mikro-Dispenservorrichtung 16 durch Überwachung des Signals vom Drucksensor 14 in Echtzeit zu überwachen und da Senden von elektrischen Impulsen an die Mikro-Dispenservorrichtung 16 fortzusetzen, bis eine gewünschte Druckänderung erreicht ist. In dieser Betriebsart wird die mehrfunktionale Eingabe-Ausgabe-Leiterplatte PC-LPM-1614, die den A/D-Wandler 44 enthält, durch die Steuerlogik 42 angewiesen, elektrische Impulse an die Elektronik 51 der Mikro-Dispenservorrichtung zu senden. Jeder durch die mehrfunktionale Eingabe-Ausgabe- Leiterplatte gesendete Impuls ergibt einen von der Mikro-Dispenservorrichtung-Elektronik 51 an die Mikro-Dispenservorrichtung 16 gesendeten Impuls, indem ein Tröpfchen 26 von Transferflüssigkeit 24 ausgestoßen wird. Die Steuerlogik 42 überwacht das Signal des Drucksensors 14, wenn die Abgabe fortschreitet. Sobald die gewünschte Druckänderung erreicht wurde, steuert die Steuerlogik 42 die mehrfunktionale Eingabe-Ausgabe-Leiterplatte, um das Senden elektrischer Impulse zu unterbrechen.
Diese Betriebsart wird eingesetzt, wenn durch die Steuerlogik 42 ein „Aussetzer" der Mikro-Dispenservorrichtung 16 detektiert worden ist.
Die Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen bestimmt automatisch die Größe der ausgestoßenen Tröpfchen 26 für Transferflüssigkeiten 24 von verschiedenen Eigenschaften. Wie zuvor erwähnt, wird die Größe eines ausgestoßenen Tröpfchens 26 durch die Eigenschaften der Transferflüssigkeit 24 beeinflusst. Deshalb ist es wünschenswert, die Größe ausgestoßener Tröpfchen 26 automatisch bestimmen zu können, so dass der Verbraucher nur das gesamte Übertragungsvolumen speziell festlegen muss, um die Anforderungen des Verbrauchers zufrieden zu stellen. In dem kodierten Selbstkalibrieralgorithmus, werden, sobald das System 10 vorgefüllt ist, ein Luftspalt 22 und eine Transferflüssigkeit 24 angesaugt, und die Steuerlogik 42 weist die Elektronik 51 der Mikro-Dispenservorrichtung an, eine spezielle Anzahl elektrischer Impulse, z.B. 1000, an die Mikro-Dispenservorrichtung 16 zu senden. Der resultierende Signalabfall des Drucksensors 14 wird durch die Steuerlogik 42 genutzt, um das Volumen von Transferflüssigkeit 24, die abgegeben wurde, zu bestimmen. Die Steuerlogik prüft das Volumen von abgegebener Flüssigkeit nach, indem das durch die Bewegung des Kolbens 34 verdrängte Volumen aufgezeichnet wird. Das System stellt anschließend den Druck in der Flüssigkeitsleitung wieder auf den Vorabgabewert ein.
Die in 1 veranschaulichte Handhabungseinrichtung 10 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen zeigt eine einzelne Mikro-Dispenservorrichtung 16, den Drucksensor 14 und die Pumpe 12. Es liegt im Geist und Umfang dieser Erfindung, Ausführungen von Handhabungseinrichtungen für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen einzubeziehen, die ein Vielfaches davon aufweisen (z.B. 4, 8, 96) Mikro-Dispenservorrichtungen 16, Drucksensoren 14 und Pumpen 12. Es liegt ebenfalls im Geist und Umfang dieser Erfindung, Ausführungen von Handhabungseinrichtungen für mikroskopische Flüssigkeitsvo lumen einzubeziehen, die ein Vielfaches von Mikro-Dispenservorrichtungen 16, Drucksensoren 14, Ventilen 38 sowie eine oder mehrere Pumpen 12 aufweisen.
Beschreibung einer zweiten Ansaug- und Abgabevorrichtung
In 7 ist eine andere Ansaug- und Abgabevorrichtung 210 gezeigt. Diese Ausführung, die bevorzugt wird, wenn die Anzahl eingesetzter Mikro-Dispenservorrichtungen größer oder gleich 8 ist, realisiert ebenfalls die oben erwähnten Aufgaben. Die zweite Vorrichtung ist der in 1 gezeigten ersten mit der Ausnahme ähnlich, dass die Verdrängerpumpe (die ein wie nachstehend beschriebenes Ventil enthält), der Schrittmotor und der Piezowiderstands-Drucksensor durch ein Druckregelsystem ersetzt sind, um den Druck der Systemflüssigkeit aufzubringen und zu regeln. Diese Ausführung nutzt auch eine Vielzahl von Flowsensoren zum Detektieren einer Flüssigkeitsströmung sowie von Druck in der Systemflüssigkeit, der in der Anschlussleitung, die mit jeder Mikro-Dispenservorrichtung verbunden ist, vorhanden ist. Sie nutzt außerdem eine Vielzahl von Ventilen (wie zum Beispiel ein Magnetventil oder ein durch Mikrobearbeitung hergestelltes Ventil), wobei jedes Ventil jede Mikro-Dispenservorrichtung mit einem Systemspeicherbehälter in dem Druckregelsystem verbindet. In dieser Vorrichtung wird ein Speicherbehälter 214 für Systemflüssigkeit genutzt, um an alle Mikro-Dispenservorrichtungen 212 Systemflüssigkeit 20 zu liefern, womit separate Pumpe und separater Drucksensor für jede in der ersten Vorrichtung genutzte Mikro-Dispenservorrichtung 212 entfallen. Es ist anzumerken, dass die erste und die zweite Ausführung sonst in Aufbau und Betrieb mit der wie hier beschriebenen Ausnahme gleich sind. Die genaue Anzahl von eingesetzten Mikro-Dispenservorrichtungen ist eine Funktion der Anforderungen des Verbrauchers hinsichtlich der Abgabe.
Mit Bezug auf die zweite Ausführung nimmt der Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214 die Systemflüssigkeit 20, typischerweise entionisiertes Wasser oder Dimethylsulfoxid (DMSO) durch ein Einlassrohr 216 auf, das eine Abdeckung (nicht separat gezeigt) enthält. Die Abdeckung an dem Einlassrohr 216 wird entfernt, damit der abgedichtete Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214 die Systemflüssigkeit 20 aufnehmen kann, wenn die Abdeckung ab ist, und den Speicherbehälter 214 für Systemflüssigkeit abdichtet, wenn die Abdeckung drauf ist, so dass der Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214 auf einem gewünschten Druck gehalten werden kann. Der Druck im Speicherbehälter 214 für Systemflüssigkeit wird von dem Druckregelsystem 218 durch Verwendung der Druckregelungs-Rohrleitung 220 gehalten. Das Druckregelungssystem 218 enthält eine elektrisch gesteuerte Pumpe, die den Druck im Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214 genau erhöhen oder senken kann. Ein am Speicherbehälter 214 für Systemflüssigkeit angebrachter Drucksensor 222 fühlt den Druck im Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214 und überträgt ein diesen Druck anzeigendes elektrisches Signal zum Systemregler 224 durch den elektrischen Leiter 226. Der Systemregler 224 enthält eine Prozessorplatine für digitale Signale und andere Elektronik (nicht dargestellt), die das Überwachen verschiedener elektrischer Signale, die Ausführung eines Software-Steuercodes und die Steuerung der Handhabungseinrichtung 210 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen ermöglicht. Das System stellt den Druck der Systemflüssigkeit 20 und folglich den Druck der Transferflüssigkeit 24 über einen elektrischen Leiter ein. Ein Entlastungsventil 230 ist an dem Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214 angebracht. Das Entlastungsventil 230 entlastet den Druck vom Systemflüssigkeits-Speicherbehälter 214, wenn dieser eine vorbestimmte Sicherheitsschwelle überschreitet. In einer Ausführung kann auch das Entlastungsventil 130 durch den Systemregler 224 geöffnet werden, der durch den Draht 232 mit dem Entlastungsventil 230 verbunden ist.
Während der Arbeitsgänge steuert der Systemregler 224 das Druckregelungssystem 218, um eines von drei unterschiedlichen Druckniveaus im Systemspeicherbehälter 214 hinsichtlich des umgebenden Luftdrucks zu halten. Jedes der drei Druckniveaus entspricht einer anderen Betriebsphase der Handhabungseinrichtung 210 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen. Die drei unterschiedlichen Druckniveaus umfassen einen hohen Überdruck, eine hohen Unterdruck und einen geringen Unterdruck. Vor dem Abgeben wird Überdruck genutzt, um die Mikro-Dispenservorrichtung zu reinigen. Es wird auch hochfrequentes Pulsieren der Mikro-Dispenservorrichtungen 212 in der oben beschriebenen Art und Weise eingesetzt. Nachdem die Mikro-Dispenservorrichtungen 212 relativ sauber sind, werden die hohen Unterdruckniveaus (annähernd 200 Millibar weniger als der umgebende Luftdruck) genutzt, um Transferflüssigkeit 24 in die Mikro-Dispenservorrichtungen 212 anzusaugen. Sobald die Transferflüssigkeit 24 in die Mikro-Dispenservorrichtungen 212 angesaugt wurde, werden die niedrigen Unterdruckniveaus (annähernd ein Normmaß von –15 Millibar) genutzt, um der Transferflüssigkeit 24 in den Mikro-Dispenservorrichtungen 212 Gegendruck zuzuführen, so dass, wenn Tröpfchen abgegeben werden, die Mikro-Dispenservorrichtungen 212 keine zusätzliche Transferflüssigkeit 24 verlässt.
In dem Systemspeicherbehälter 214 befindliche Systemflüssigkeit 20 wird mit den Mikro-Dispenservorrichtungen 212 durch ein Verteilerrohr 234, das sich gemäß 7 in eine Anzahl von Abschnitten 236 aufteilt, verbunden, wobei ein Abschnitt 236 mit jeder Mikro-Dispenservorrichtung 212 verbunden ist. An jedem der Abschnitte 236 des Verteilerrohrs sind Magnetventile 242 und Flowsensoren 244 befestigt. Der Systemregler 224 sendet elektrische Signale durch eine elektrische Verbindung 246, um die Ventile 242 zu steuern. An jedem Abschnitt 236 des Verteilerrohrs ist ein Flowsensor 244 befestigt, um die Flüssigkeitsmenge zu bestimmen, die in jede Mikro-Dispenservorrichtung angesaugt wird. Der Flowsensor 244 detektiert den Durchfluss von Systemflüssigkeit 20 in jedes oder aus jeder Mikro-Dispenservorrichtung 212. Die Flowsensoren 244 sind mit dem Systemregler 224 jeweils durch einen elektrischen Leiter 248 verbunden. Der elektrische Leiter 248 überträgt von jedem Flowsensor 244 elektrische Signale, die nicht nur die Größe des Flüssigkeitsdurchflusses sondern auch den Druck in jedem Flowsensor anzeigen. Die Flowsensoren 244 sind mikrobearbeitet. Dies ist vorteilhaft, weil die Sensoren klein sind und leicht in die Handhabungseinrichtung 210 für mikroskopische Flüssigkeitsvolumen passen. Ein Beispiel der Flowsensoren 244 wird von Boillat et al. in den Tätigkeitsberichten des IEEE, MEMS 1995, Veröffentlichungs-Nr. 0-7803-2503-6 mit dem Titel „Differenzdruck-Flüssigkeits-Flowsensor zur Durchflussregelung und für Dosiersysteme" beschrieben.
Das Verteilerrohr 234, das physikalisch mit den Mikro-Dispenservorrichtungen 212 verbunden ist, wird an einem 3-achsigen Roboter 238 befestigt. Wie in der ersten bevorzugten Ausführung werden die Mikro-Dispenservorrichtungen zu Positionen über unterschiedlichen Mikrotiterplatten, Mulden oder Wafer verschoben. Nachdem die gewünschte Anzahl von Tröpfchen abgegeben wurde, bewegt der Roboter 238 die Mikro-Dispenservorrichtungen 212 zu der nächsten Anordnung von Mulden oder Wafern für eine weitere Abgabe. Die Dosierköpfe können stationär sein, und das Robotersystem kann verwendet werden, um das Quellengefäß und das Zielgefäß örtlich festzulegen.
Es wurde herausgefunden, dass das Ausstoßen von einzelnen Tropfen einer Transferflüssigkeit im Volumenbereich von etwa 100 bis etwa 500 Pikolitern detektiert werden kann, indem das System nach der vorliegenden Erfindung mit einem Druckmelder verwendet wird. Um die Abgabe solcher Tropfen zu detektieren, müssen Transferflüssigkeit und Systemflüssigkeit im Wesentlichen frei von komprimierbaren Gasen wie Luft sein. Der hier verwendete Begriff „im Wesentlichen frei von komprimierbarem Gas" bedeutet, dass das Niveau des komprimierbaren Gases, falls vorhanden, niedrig genug ist, um die Erfassung eines Flüssigkeitstropfens, der aus dem System ausgestoßen wird, zu ermöglichen. Es wurde herausgefunden, dass die Menge von komprimierbarem Gas im System zunimmt, die Fähigkeit zum Detektieren der Abgabe eines Tropfens abnimmt, bis das System bei einem bestimmten Niveau des komprimierbaren Gases die Abgabe eines Tropfens von Transferflüssigkeit nicht detektieren kann.
Nach einer Ausführung ist das Volumen aus der Abgabedüse, die die Transferflüssigkeit an dem Ventil (242 in 8) festhält, im Wesentlichen frei von komprimierbarem Gas und wird völlig umschlossen. Es wurde herausgefunden, dass in dieser bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung Tropfen von dem umschlossenen Volumen ausgestoßen werden können, bis der Druck im Fluid auf das Normalmaß von etwa –45 Millibar reduziert ist. Bei einem Normalmaß von etwa –45 Millibar beeinflusst der Unterdruck das Ausstoßen der Tropfen.
Nach einer anderen Ausführung ist das Volumen aus der Abgabedüse zum Speicherbehälter für Systemflüssigkeit im Wesentlichen frei von komprimierbarem Fluid (Gas). Es wurde herausgefunden, dass bei Abgabe eines Flüssigkeitstropfens das System nach dieser Ausführung eine Druckänderung in der Systemflüssigkeit detektieren kann, die sich aus einem solchen abgegebenen Tropfen ergibt. Die Druckänderung tritt vorübergehend auf. Wenn die Transferflüssigkeit in das der Düse benachbarte Volumen fließt, wird das ausgestoßene Tropfenvolumen wirksam verdrängt, wobei der Druck auf die Höhe vor der Abgabe des Tropfens ansteigt. Es wurde herausgefunden, dass zur Abgabe von Tropfen im Größenbereich von etwa 100 bis etwa 500 Pikolitern die Zeit, die der Druck benötigt, um die ursprüngliche Höhe zu erreichen, im Bereich von etwa 5 bis etwa 10 Millisekunden liegen kann. Dieser Zeitraum kann gesteuert werden, indem die Größe und Festigung der Öffnung, die zwischen dem Volumen angeordnet ist, das neben der Düse und dem Speicherbehälter ist, ausgewählt wird. Es wurde bestimmt, dass das Spülen der Luft aus dem System mit einem Fluid (Gas), das einen hohen Löslichkeitskoeffizienten in Bezug auf die Systemflüssigkeit aufweist, das restliche komprimierbare Fluid (Gas) in dem System nach dem Vorfüllen mit Systemflüssigkeit weitgehend reduziert hat. Sobald das System vorgefüllt ist, wird das Heraushalten von komprimierbaren Fluiden (z.B. Luft) aus dem System durch Entgasen der Systemflüssigkeit erleichtert, indem der Speicherbehälter für Systemflüssigkeit mit einem inerten Gas unter Druck gesetzt wird, indem eine Rohrleitung mit geringer Durchlässigkeit verwendet wird und außerdem Systemflüssigkeit mitlaufend entgast wird. Um eine Entfernung von Luftblasen zu unterstützen, kann das Spülen mit Kohlendioxid eingesetzt werden wie es in Tätigkeitsberichten der IEEE, MEMS 1995, Veröffentlichungs-Nr. 0-7803-2505-6 mit dem Titel „Vorfüllen von mikroskopischen Flüssigkeitssystemen mit Kohlendioxid von Zengerle et al. beschrieben ist.
Ein Beispiel der Fähigkeit des Systems, einzelne Tropfen abzugeben, ist in US-A-6 203 759 vorgesehen und wird in den 8 bis 11 veranschaulicht.
Nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung wurden mehrere Verfahren entwickelt, um die Menge von Transferflüssigkeit, die in die Dispenservorrichtung angesaugt werden muss, zu minimieren. In dem System, das in der Lage ist, den Ausstoß einzelner Tropfen zu überwachen, muss die Abgabekammer frei von komprimierbaren Fluiden (Gas) sein, damit die Tröpfchen ausgestoßen werden können. Dies erfordert, die Kammer von der Düse (63 in 3) zur Oberseite des piezoelektrischen Wandlers (60 in 3) mit Flüssigkeit zu füllen. Dieses Volumen ist häufig groß im Vergleich zu dem Volumen der abzugebenden Transferflüssigkeit.
Nach dem einen Verfahren sind die Systemflüssigkeit und die Transferflüssigkeit nicht durch einen Luftspalt voneinander getrennt wie es in 1 dargestellt ist. Stattdessen werden die beiden Flüssigkeiten durch eine Flüssigkeit getrennt, die mit der einen oder beiden von Transferflüssigkeit und Systemflüssigkeit unvermischbar sind.
Nach einem anderen Verfahren wird zur Minimierung des erforderlichen Ansaugvolumens von Transferflüssigkeit Systemflüssigkeit verwendet, um die Dispenservorrichtung zu füllen, bevor das Ansaugen der Transferflüssigkeit beginnt. Es wurde herausgefunden, dass sich beim Ansaugen der Transferflüssigkeit die Systemflüssigkeit mit der Transferflüssigkeit an der Schnittstelle langsam genug mischt, um eine Abgabe der Transferflüssigkeit mit großem Gehalt zu ermöglichen, ohne dass eine Verdünnung der Transferflüssigkeit mit der Systemflüssigkeit beobachtet wird.
In Ausführungen, die keine Verwendung einer getrennten Systemflüssigkeit erfordern, kann eine einzelne Flüssigkeit genutzt werden, die sowohl als Systemflüssigkeit als auch als Transferflüssigkeit dient.
Der Druck in der Dispenservorrichtung (wie zum Beispiel in der Dispenservorrichtung 212 von 7) nimmt infolge einer Druckreduzierung in dem Systemflüssigkeits-Speicherbehälter (214 in 7) ab. Das Ventil (242 in 7) ist geschlossen, und die Düse der Dispenservorrichtung kann anschließend in die Transferflüssigkeit eingetaucht werden, um eine kleine Menge der Transferflüssigkeit in die Dispenservorrichtung anzusaugen. Zum Beispiel kann das Untertauchen der Düse in der Transferflüssigkeit, wenn der Manometerdruck in der Dispenservorrichtung –30 Millibar erreicht, eine genügende Menge Flüssigkeit ansaugen, um den Normaldruck auf –15 Millibar zu erhöhen. Es soll angemerkt werden, dass die Dispenservorrichtung keine Luft ansaugt, außer wenn die Oberflächenspannung in der Düse durch den negativen Manometerdruck überschritten wird. Im System nach der bevorzugten Ausführung, die Dimethylsulfoxid nutzt, erzeugt der negative Manometerdruck von 45 Millibar keine Luftansaugung in die Düse.
Die beschriebenen Systeme können automatisch detektieren, wenn die Öffnung der Mikro-Dispenservorrichtung in eine Flüssigkeit eintritt und wenn sie zurückgezogen wird.
Für die in 1 und 7 gezeigten Ausführungen wurde eine auf Druck basierende Funktion zur Flüssigkeitserfassung entwickelt. Diese Funktion kann verwendet werden, um zu detektieren, wann eine oder mehrere Mikro-Dispenservorrichtungen in Flüssigkeit eingetaucht oder zurückgezogen sind. Diese Bestimmung wird auf der Basis einer Druckänderung vorgenommen, die auftritt, wenn die Mikro-Dispenservorrichtungen in Flüssigkeit eingetaucht oder daraus zurückgezogen sind. Diese Druckänderung wird durch Überwachung des Druckwandlers (14 in 1) oder der Flowsensoren (244 in 7) gemessen. Dieser Test wird unabhängig für jede Mikro-Dispenservorrichtung des Systems ausgeführt.
Der Vorgang zur Flüssigkeitsbestimmung kann in drei einzelne Stufen eingeteilt werden.
1. Vorverzögerung
Bei Empfang der Anweisung „Flüssigkeitspegel fühlen" zieht der Algorithmus die Ausführung einer benutzerspezifischen Vorverzögerung in Betracht. Die Dauer der Verzögerung ermöglicht die Beendigung eines externen Ereignisses (d.h. die Bewegung des Kopfes zu einer Ansaugquelle), welches auftritt, bevor die Software beginnt, nach der Druckänderung eines Luft/Flüssigkeitsübergangs zu suchen. Bestimmte externe Ereignisse können sich als falsch positiv ergeben, wenn diese eine Druckänderung auslösen. Diese Funktion ermöglicht es, dass das System jede falsche Druckänderung erkennt.
In dem Fall, dass die Vorverzögerung Null ist, wird die Software beginnen, den Druck unmittelbar bei Empfang der Anweisung „Flüssigkeitspegel fühlen" zu überwachen. Dies kann auch in Systemen angewandt werden, in denen die Mikro-Dispenservorrichtungen stationär sind und das Robotersystem die Quelle oder das Ansauggefäß bewegt.
2. Schaffung eines Bezuges
Sobald die Vorverzögerung beendet ist, wird ein Bezugsdruckwert aus dem Mittelwert mehrfacher Messwerte gebildet. Der Bezugsdruckwert wird anschließend mit nachfolgenden Druckmesswerten verglichen, um zu bestimmen, ob sie zum Anzeigen eines Luft-Flüssigkeitsübergangs genügend abweichen.
3. Erfassung von Flüssigkeit
Die letzte Stufe wird genutzt, um den gebildeten Bezugsdruckwert mit den aktuellen Druckwerten zu vergleichen. Der aktuelle Druckwert ist ein schwankender Mittelwert. Dies gewährleistet, dass ein einzelner falscher Punkt nicht zu einem ungenauen Ereignis der Flüssigkeitserfassung führen wird. Während dieser Stufe wird der Druck periodisch gelesen. Der älteste Druckwert wird dann entfernt, der neueste Druckwert addiert und ein neuer Mittelwert berechnet. Dieser Mittelwert wird anschließend mit dem Bezug, der in der vorherigen Stufe gebildet wurde, verglichen. Die Differenz zwischen diesen Werten wird über einen benutzerspezifischen Schwellenwert geschätzt. Wenn die Größe der Differenz größer ist als der Schwellenwert, dann wird der Algorithmus folgern, dass ein Ereignis zur Erfassung von Flüssigkeit aufgetreten ist und wird die detektierten Flüs sigkeitszustände in die Steuerlogik setzen. Der gleiche Test wird unabhängig für jede Dispenservorrichtung durchgeführt.
Der Algorithmus wird eine Überwachung des Systems für Ereignisse von Flüssigkeitserfassung fortsetzen, bis eine benutzerspezifische Erfassungsdauer abgelaufen ist. Wenn während dieser Dauer kein Druckübergang der speziell festgelegten Größe auftritt, wird die Sofftware der Steuerlogik anzeigen, dass kein Luft-Flüssigkeits-Übergang für diese spezielle Dispenservorrichtung aufgetreten ist.
Der benutzerspezifische Schwellenwert wird in Einheiten von Millibar benutzt, um den Vorgang zur Erfassung von Flüssigkeit zu verfeinern. Wenn echte Luft-Flüssigkeits-Übergänge auftreten jedoch nicht erkannt werden, dann kann der Schwellenwert verringert werden, womit die Erfassungsempfindlichkeit verbessert wird. Wenn im Ergebnis zufälliger Druckschwankungen falsche Bestimmungen der Flüssigkeitserfassung vorgenommen werden, kann der Schwellenwert erhöht werden, womit die Empfindlichkeit der Erfassung verringert wird. Der Schwellenwert des Druckes besitzt einen positiven oder negativen Wert, der diesem zugeordnet ist, womit es dem Benutzer möglich ist, die Funktion der Flüssigkeitserfassung zu aktivieren, wenn die Mikro-Dispenservorrichtungen entweder in Flüssigkeit eingetaucht oder daraus herausgezogen sind.
Abgabe von Flüssigkeitstropfen auf eine poröse Stelle
Es wurde herausgefunden, dass Flüssigkeit angesaugt werden kann und kleine Flüssigkeitstropfen exakt auf poröse Stellen eines Wafers abgegeben werden können, die gleichmäßige Flecken bilden, die nur etwas größer als der Durchmesser der Tropfen sind. Die Tropfen der Flüssigkeit können im Bereich von etwa 5 bis etwa 500 Pikolitern liegen. In Abhängigkeit von der Anwendung kann auf eine einzelne Stelle ein einzelner Tropfen oder eine Vielzahl von Tropfen abgegeben werden. Der Wafer kann deutlich begrenzte poröse Stellen enthalten oder seine gesamte Oberfläche kann porös sein. Die Poren der Stelle sollten kleiner als der Durchmesser des Tropfens, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 10 000 mal kleiner als der Durchmesser des Tropfens sein. Die Tropfen werden von einem Auslass ausgestoßen, der sich getrennt von der Reaktionsstelle in einem Abstand befindet, der größer als der Durchmesser des abgegebenen Tropfens ist. Da der Tropfen die Oberfläche des Wafers nicht berührt, bevor er abgegeben ist, beeinflussen die kombinierten Eigenschaften von Flüssigkeit und Oberfläche des Wafers die Größe des Tropfens nicht. Bei Berührung mit der porösen Stelle bildet der Tropfen einen Fleck, der nur etwas größer als der Durchmesser des Tropfens (im Allgemeinen weniger als etwa 20% größer) ist. Da die Tropfen exakt auf spezielle Stellen des Wafers aufgebracht werden können und sie Flecken bilden, die gleichförmig sind und nahezu die gleiche Größe wie der Durchmesser des Tropfens haben, können die Stellen auf einem Wafer in engem Abstand angeordnet sein.
Der Vorgang zum Aufbringen von Tröpfchen auf poröse Substrate ist allgemein in den 4 bis 6 veranschaulicht. 4 veranschaulicht das Muster von Flecken auf einem porösen Substrat, das eine Vielzahl von Reaktionsstellen zur Verfügung stellt. Die scharf begrenzten Flecken erlauben es, viele Reaktionsstellen für eine Einheitsfläche ohne wechselseitige Verunreinigung der aufgebrachten Flüssigkeiten zu nutzen. Tatsächliche Ergebnisse sind in den 8 bis 9 dargestellt und werden nachstehend in den Beispielen 1 und 2 erörtert.
5 stellt einen einzelnen Tropfen dar, der aus der Spitze einer Mikro-Dispenservorrichtung auf ein poröses Substrat ausgestoßen wird. Die engen Poren erstrecken sich normal zur Platte der Oberfläche, so dass das Flüssigkeitströpfchen aufgenommen werden kann ohne sich auszubreiten. Typischerweise werden die Abstände zwischen der Spitze der Mikro-Dispenservorrichtung und dem Wafer etwa 0,5 bis 2 mm betragen.
6 veranschaulicht die Aufnahme eines Tropfens in das poröse Substrat.
Die Abgabe einzelner gleichförmiger Tropfen im Bereich von Subnanolitern kann detektiert, quantifiziert und in Echtzeit überwacht werden. Das System nach der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, Flüssigkeitsoberflächen automatisch abzutasten, Flüssigkeit, die zu übertragen ist, anzusaugen und anschließend kleine Flüssigkeitsmengen mit hoher Genauigkeit, Geschwindigkeit und Präzision abzugeben. Das System nach der vorliegenden Erfindung wird mit Impulsen hoher Frequenz beaufschlagt, um Verstopfung zu verhindern oder auszuschalten. Unvermischbare Flüssigkeiten zwischen der Transferflüssigkeit und der Systemflüssigkeit können verwendet werden, um die erforderliche Menge von Transferflüssigkeit, die zur Abgabe benötigt wird, zu reduzieren.
Beispiele
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung weiter und sollen den Umfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise einschränken.
Beispiel 1
Die kommerzielle Version der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Dispenservorrichtung, die unter der Handelsmarke Biochip Arrayer^TM vermarktet wird, wurde verwendet, um Flüssigkeitstropfen auf eine von Whatman International Ltd. vermarktete Anapore-Membrane aufzubringen. Die von der Biochip Arrayer ausgestoßenen Tropfen waren etwa 85 μm groß und enthielten Fluoreszenzmaterial.
Es wurden 27 Tropfen gemäß 9 aufgebracht. Die Fluoreszenz der Tropfen wurde verglichen, und die Ergebnisse sind in 10 dargestellt.
Wie in 9 gezeigt ist, waren die Flecken der 27 Tropfen in Bezug zueinander gleichmäßig. Wie in 10 gezeigt ist, war die von den Flecken abgegebene Fluoreszenz im Allgemeinen gleichmäßig. Das Fluoreszenzsignal war nur auf den ersten 2 der 27 Flecken bedeutend höher.
Beispiel 2
Biochip Arrayer^TM wurde verwendet, um eine Vielzahl von Flüssigkeitstropfen auf eine Anapore-Membrane aufzubringen. Die Tropfen enthielten Fluoreszenzmaterial und hatten eine Größe von etwa 85 μm. In 8 sind die sich ergebenden Flecke auf der Anapore-Membrane mit 100- und 200-facher Vergrößerung gezeigt. Gemäß 8 hatten die Flecken eine gleichmäßige Größe, deren Durchmesser ungefähr 107 μm beträgt.

Claims

System zum Ansaugen und Ausstoßen von Tropfen einer Transferflüssigkeit an einer Stelle eines Wafers, wobei das System umfasst: den Wafer, der wenigstens eine derartige Stelle umfasst, die jeweils porös ist und Poren aufweist, die ungefähr 10 bis ungefähr 10.000 mal kleiner als der Durchmesser der Tropfen sind; einen umschlossenen Raum zum Halten einer Systemflüssigkeit (20); ein mit dem umschlossenen Raum in Verbindung stehendes Spenderrohr (16) mit einem Auslass (63), der zu der Stelle hin weist, und der von der Stelle durch einen Abstand getrennt ist, der größer als der Durchmesser der Tröpfchen ist; eine Einrichtung (12, 38) zum Zuleiten einer Systemflüssigkeit in das Rohr und zum Ableiten derselben aus dem Rohr zum Zwecke des Ansaugens der Transferflüssigkeit in dem Rohr; und eine Verengungseinrichtung (60) zum Verengen des Volumens des Rohres, um so Tropfen der Transferflüssigkeit an der Stelle auszustoßen, wobei das Rohr und die Verengungseinrichtung derart ausgelegt sind, dass sie Tropfen in einem Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 500 Pikoliter erzeugen.
System nach Anspruch 1, bei dem die gesamte Oberfläche des Wafers porös ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Wafer eine poröse Membrane ist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Transferflüssigkeit biologische und chemische Reaktanten enthält.
System nach Anspruch 1, bei dem das Rohr und die Verengungseinrichtung derart ausgelegt sind, dass sie Tropfen mit einem Durchmesser von ungefähr 10 bis ungefähr 100 Mikrometer erzeugen.
System nach Anspruch 1, bei dem die Verengungseinrichtung ein piezoelektrisches Element umfasst.
System nach Anspruch 1, bei dem der Wafer eine Anapore-Membrane ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Abstand zwischen dem Auslass und der Stelle in dem Bereich von ungefähr 0,5 bis 2 Millimetern liegt.
System nach Anspruch 1, bei dem die Systemflüssigkeit Wasser enthält.
Verfahren zum an einer porösen Stelle erfolgenden Ansaugen und Ausstoßen von Tropfen einer Transferflüssigkeit aus einem Auslass eines Rohres, das mit einem eine Systemflüssigkeit enthaltenden umschlossenen Raum in Verbindung steht, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: (a) Füllen des Rohres mit der Systemflüssigkeit aus dem umschlossenen Raum; (b) Eintauchen des Auslasses des Rohres in der Transferflüssigkeit; (c) Ableiten von Systemflüssigkeit aus dem Rohr zum Ansaugen der Transferflüssigkeit in dem Rohr, während das Rohr in der Transferflüssigkeit eingetaucht ist; und (d) Verengen des Rohres, um einen Tropfen der Transferflüssigkeit aus dem Auslass an der porösen Stelle aus einem Abstand auszustoßen, der größer als der Durchmesser des Tropfens ist, wobei der Tropfen ein Volumen in dem Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 500 Pikoliter aufweist, und die Poren der Stelle ungefähr 10 bis ungefähr 10.000 mal kleiner als der Durchmesser des Tropfens sind.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die poröse Stelle auf einer porösen Membrane befindlich ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die poröse Stelle auf einer Anapore-Membrane befindlich ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Tropfen einen Durchmesser von ungefähr 10 bis ungefähr 100 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Verengen des Rohres durch ein piezoelektrisches Element bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, des Weiteren umfassend ein Wiederholen des Schrittes (d), um eine Mehrzahl von Tropfen an derselben Stelle auszustoßen.
Verfahren nach Anspruch 10, des Weiteren umfassend den Schritt des Bewegens des Rohres derart, dass es auf eine andere Stelle auf dem Wafer weist, und das wenigstens einmal erfolgende Wiederholen des Schrittes (d).