DE69732935T2

DE69732935T2 - Elektrokinetische Pipette, sowie Mittel zum Kompensieren von elektrophoretischen Scheidungseffekten

Info

Publication number: DE69732935T2
Application number: DE69732935T
Authority: DE
Inventors: J. Wallace Palo Alto Parce; Michael R. Redwood City Knapp
Original assignee: Caliper Life Sciences Inc
Current assignee: Caliper Life Sciences Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2017-06-28
Also published as: EP0815940A2; EP0815940B1; AU726987B2; EP0815940A3; EP0909385A1; JP3361530B2; EP0909385B1; US5958203A; US20030085126A1; WO1998000705A1; US5972187A; US6042709A; CN1329729C; JP2003075407A; ATE292519T1; US20020017464A1; AU3501297A; NZ333345A; US6287520B1; BR9710052A

Description

Es hat ein wachsendes Interesse an der Herstellung und Verwendung von Mikrofluidsystemen zur Erlangung von chemischen und biochemischen Informationen gegeben. Bei der Herstellung dieser Mikrofluidsysteme werden Techniken verwendet, die üblicherweise mit der Halbleiterelektronik-Industrie in Verbindung gebracht werden, wie beispielsweise Photolithographie, nasschemisches Ätzen, etc. Der Ausdruck "Mikrofluid-" bezeichnet ein System oder eine Vorrichtung, das/die Kanäle und Kammern aufweist, die im Allgemeinen im Mikro- oder Submikro-Maßstab hergestellt sind, z. B. wenigstens ein Querschnittsmaß im Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 500 μm aufweisen. Frühe Diskussionsbeiträge zu der Verwendung von planarer Chiptechnologie für die Herstellung von Mikrofluidsystemen werden in Manz et al., Trends in Anal. Chem. (1990), 10(5):144-149 und Manz et al., Adv. in Chromatog. (1993) 33:1-66 bereitgestellt, die die Herstellung von derartigen Fluidvorrichtungen und insbesondere mikrokapillaren Vorrichtungen in Silizium- und Glassubstraten beschreiben.
Es gibt unzählige Anwendungen für Mikrofluidsysteme. Beispielsweise beschreibt die Internationale Patentanmeldung WO 96/04547, die am 15. Februar 1996 veröffentlicht wurde, die Verwendung von Mikrofluidsystemen für Kapillar-Elektrophorese, Flüssigkeitschromatographie, Fließinjektionsanalyse, und chemische Reaktion und Synthese. Die U.S. Patentanmeldung 08/671,987 = U.S. Patent 5,942,443, die am 28. Juni 1996 angemeldet wurde, offenbart breit gefächerte Anwendungen von Mikrofluidsystemen beim raschen Untersuchen einer großen Anzahl von Verbindungen auf ihre Wirkungen auf chemische und insbesondere biochemische Systeme. Der Ausdruck "biochemisches System" bezeichnet im Allgemeinen eine chemische Wechselwirkung, die Moleküle von dem Typ einbezieht, die im Allgemeinen in lebenden Organismen gefunden werden. Derartige Wechselwirkungen schließen den gesamten Bereich von katabolischen und anabolischen Reaktionen ein, die in lebenden Systemen auftreten, einschließlich enzymatischer, Bindungs-, Signal-erzeugender und anderer Reaktionen. Biochemische Systeme von besonderem Interesse schließen beispielsweise ein Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen, Enzym-Substrat-Wechselwirkungen, zelluläre Signalwege, Transportreaktionen, die Modell-Barriere-Systeme einbeziehen (z. B. Zellen oder Membranfraktionen) zum Screenen der Bioverfügbarkeit, und eine Vielfalt anderer allgemeiner Systeme.
Für den Transport und die Leitung von Fluiden, z. B. Proben, Analyte, Puffer und Reagenzien, innerhalb dieser Mikrofluidsysteme oder Vorrichtungen sind viele Verfahren beschrieben worden. Bei einem Verfahren werden die Fluide innerhalb von mikrohergestellten Vorrichtungen durch mechanische Mikropumpen und Ventile innerhalb der Vorrichtung bewegt. Siehe veröffentlichte U.K. Patentanmeldung 2 248 891 (18.10.1990), veröffentlichte Europäische Patentanmeldung 568 902 (02.05.1992), U.S. Patente 5,271,724 (21.08.1991) und 5,277,556 (03.07.1991). Siehe auch U.S. Patent 5,171,132 (21.12.1990) an Miyazaki et al. Ein weiteres Verfahren verwendet Schallenergie, um fluide Proben innerhalb von Vorrichtungen durch die Wirkungen von akustischer Strömung zu bewegen. Siehe veröffentlichte PCT-Anmeldung 94/05414 an Northrup und White. Ein einfaches Verfahren wendet externen Druck an, um Fluide innerhalb der Vorrichtung zu bewegen. Siehe z. B. die Diskussion im U.S.-Patent 5,304,487 an Wilding et al.
Noch ein weiteres Verfahren verwendet elektrische Felder, um fluide Materialien durch die Kanäle des Mikrofluidsystems zu bewegen. Siehe z. B. veröffentlichte Europäische Patentanmeldung 376 611 (30.12.1988) an Kovacs, Harrison et al., Anal. Chem. (1992) 64:1926-1932 und Manz et al. J. Chromatog. (1992) 593: 253-258, U.S. Patent 5,126,022 an Soane. Elektrokinetische Kräfte weisen die Vorteile einer direkten Steuerung, raschen Antwort und Einfachheit auf. Es gibt jedoch auch einige Nachteile. Für maximale Effizienz ist es wünschenswert, dass die Subjektmaterialien so nah wie möglich miteinander transportiert werden. Nichts desto weniger sollten die Materialien ohne Kreuzkontamination durch andere transportierte Materialien transportiert werden. Des Weiteren sollten die Materialien, die sich an einer Stelle in einem Mikrofluidsystem in einem Zustand befinden, in dem gleichen Zustand bleiben, nachdem sie zu einer anderen Stelle in dem Mikrofluidsystem bewegt wurden. Diese Zustände bzw. Bedingungen erlauben das Testen, die Analyse und die Reaktion der zu steuernden Verbindungsmaterialien wann und wo es gewünscht ist.
In einem Mikrofluidsystem, in dem Materialien durch elektrokinetische Kräfte bewegt werden, werden die geladenen Moleküle und Ionen in den Subjektmaterialbereichen und in den Bereichen, die diese Subjektmaterialbereiche voneinander beabstanden, verschiedenen elektrischen Feldern ausgesetzt, um Fluidfluss zu bewirken.
Nach Anwendung dieser elektrischen Felder zeigen jedoch unterschiedlich geladene Spezies innerhalb des Subjektmaterials unterschiedliche elektrophoretische Beweglichkeiten, d. h. positiv geladene Spezies bewegen sich mit einer anderen Geschwindigkeit als negativ geladene Spezies. In der Vergangenheit wurde die Trennung von unterschiedlichen Spezies innerhalb einer Probe, die einem elektrischen Feld ausgesetzt wurde, nicht als ein Problem angesehen, sondern war tatsächlich das gewünschte Ergebnis, z. B. bei Kapillar-Elektrophorese. Wenn jedoch einfacher Fluidtransport erwünscht ist, können diese unterschiedlichen Mobilitäten zu einer unerwünschten Änderung oder einer "elektrophoretischen Scheidung" bzw. "elektrophoretischen Verzerrung" in dem Subjektmaterial führen.
Ohne Berücksichtigung und Maßnahmen zum Vermeiden von Kreuzkontamination muss das Mikrofluidsystem entweder die Subjektmaterialien weit voneinander beabstanden oder im schlimmsten Fall die Materialien einzeln durch das System bewegen. In beiden Fällen ist die Effizienz des Mikrofluidsystems merklich reduziert. Wenn der Zustand der transportierten Materialien beim Transport nicht aufrechterhalten werden kann, dann müssen des Weiteren viele Anwendungen vermieden werden, die erfordern, dass die Materialien an einer Stelle unverändert ankommen.
Die vorliegende Erfindung löst oder erleichtert entscheidend diese Probleme von elektrokinetischem Transport. Durch die vorliegende Erfindung können Mikrofluidsysteme Materialien wirksam und ohne unerwünschte Veränderung bei den transportierten Materialien bewegen. Die vorliegende Erfindung präsentiert ein Mikrofluidsystem mit hohem Durchsatz, das direkte, schnelle und einfache Steuerung/Kontrolle über die Bewegung von Materialien durch die Kanäle des Mikrofluidsystems aufweist, mit einem breiten Anwendungsbereich, wie bei spielsweise in den Bereichen Chemie, Biochemie, Biotechnologie, Molekularbiologie und zahlreichen weiteren Bereichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Mikrofluidsystem bereit, das eine Mikrofluidvorrichtung einschließt, enthaltend: ein Substrat mit wenigstens einem ersten Kanal und wenigstens einem zweiten Kanal angeordnet in dem Substrat, wobei der wenigstens zweite Kanal den ersten Kanal kreuzt, wobei der erste Kanal tiefer ist als der zweite Kanal und die Kanäle ein Seitenverhältnis (Breite:Tiefe) größer als 5 aufweisen; und ein elektroosmotisches Fluidleitungssystem.
In einer Ausführungsform enthält das System weiter eine Elektropipette zum Einführen von Materialien in die Mikrofluidvorrichtung, wobei die Elektropipette fluidisch mit der Mikrofluidvorrichtung verbunden ist und einen kapillaren Kanal enthält, der ein erstes Ende zum Kontaktieren von wenigstens einer Quelle der Materialien enthält; und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen der Quelle der Materialien und einer zweiten Elektrode in der Mikrofluidvorrichtung, wenn das Ende des kapillaren Kanals die eine Quelle an Materialien kontaktiert, derart, dass Material von der wenigstens einen Quelle elektrokinetisch in die Elektropipette zu der Mikrofluidvorrichtung eingeführt wird.
Vorzugsweise enthält das Substrat ein erstes planares Substrat mit einer ersten Oberfläche, wobei der erste und zweite Kanal auf der ersten Oberfläche erzeugt sind; und ein zweites planares Substrat, das die erste Oberfläche des ersten Substrats bedeckt, wobei es den ersten und zweiten Kanal fluidisch verschließt, um Leitungen zu definieren.
Der kapillare Kanal enthält vorzugsweise ein zweites Ende, das in der Mikrofluidvorrichtung endet, und die Elektropipette enthält weiter einen zweiten kapillaren Kanal mit einem ersten Ende, das nahe des ersten Endes des kapillaren Kanals endet, und einem zweiten Ende, das in einer Quelle eines ersten Abstandsmaterials endet, und die Spannungsquelle eine Spannung derart zwischen der ersten Abstandsmaterialquelle und der Mikrofluidvorrichtung anlegen kann, dass Mate rial von der wenigstens einen Quelle und Abstandsmaterial von der Quelle an erstem Abstandsmaterial elektrokinetisch in die Elektropipette zu der Mikrofluidvorrichtung eingeführt wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Elektropipette weiter einen dritten kapillaren Kanal mit einem ersten Ende, das nahe dem ersten Ende des kapillaren Kanals endet, und einem zweiten Ende, das in einer Quelle eines zweiten Abstandmaterials endet, und wobei die Spannungsquelle eine Spannung derart an die Quelle an zweitem Abstandsmaterial und die Mikrofluidvorrichtung anlegen kann, dass Material von der Quelle an zweitem Abstandsmaterial elektrokinetisch in die Elektropipette zu der Mikrofluidvorrichtung eingeführt wird.
Vorzugsweise enthält das System weiter eine Probenmatrix mit einer Mehrzahl an darauf immobilisierten Probenmaterialien, wobei die Probenmatrix benachbart zu dem ersten Ende des kapillaren Kanals angeordnet ist.
Das System kann weiter ein Fluidleitungssystem enthalten, das durchführbar mit der Elektropipette gekoppelt ist, zum Ausgeben einer Menge an solubilisierender Flüssigkeit von der Elektropipette auf die Probenmatrix, um ein darauf immobilisiertes Probenmaterial zu solubilisieren, und um das solubilisierte Probenmaterial in die Elektropipette zu ziehen.
Die oben beschriebene Erfindung kann für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen verwendet werden, beispielsweise:
Die Verwendung eines Substrats mit einem Kanal beim Transport von wenigstens einem ersten Subjektmaterial von wenigstens einer ersten Stelle zu einer zweiten Stelle entlang des Kanals unter Verwendung von wenigstens einem Bereich niedriger Ionenkonzentration, der entlang des Kanals auf Grund einer angelegten Spannung transportiert wird.
Eine Verwendung des vorerwähnten Substrats, bei dem die Ionenkonzentration des einen Bereichs wesentlich geringer ist als jene des Subjektmaterials.
Eine Verwendung des vorerwähnten Substrats, wobei eine Mehrzahl an Subjektmaterialien transportiert wird, die beabstandet sind durch Abstandsbereiche mit hoher Ionenkonzentration.
Die Verwendung eines Substrats mit einem Kanal, entlang dem wenigstens ein erstes Subjektmaterial transportiert werden kann, bei der Kompensation von elektrophoretischer Verzerrung, wobei der Kanal in einen ersten und einen zweiten Abschnitt geteilt ist, bei der die Wand oder die Wände des Kanals derart entgegen gesetzt geladen sind, dass eine elektrophoretische Verzerrung auf dem wenigstens ersten Subjektmaterial auf Grund von Transport in dem ersten Abschnitt durch eine elektrophoretische Verzerrung aufgrund von Transport in dem zweiten Abschnitt im Wesentlichen kompensiert wird.
Eine Verwendung des vorerwähnten Substrats, bei dem eine erste Elektrode an einem entfernten Ende des ersten Abschnitts angeordnet ist, eine zweite Elektrode an der Schnittstelle zwischen den Abschnitten angeordnet ist und eine dritte Elektrode an einem entfernten Ende des zweiten Abschnitts angeordnet ist.
Die Verwendung des Mikrofluidsystems mit wenigstens einem ersten und einen zweiten sich kreuzenden Fluidkanal beim Optimieren von Fließbedingungen, wobei die Kanäle unterschiedliche Tiefen aufweisen.
Eine Verwendung des vorerwähnten Systems, bei dem ein Kanal zwischen 2 bis 10 Mal tiefer ist als der andere Kanal.
Die Verwendung eines Mikrofluidsystems mit einem ersten Kanal und einem zweiten Kanal, der den ersten Kanal kreuzt, bei elektrophoretischer Kompensation, wobei das Kreuzen zwischen den Kanälen derart ausgeformt ist, dass ein Fluid, das entlang dem ersten Kanal zu dem zweiten Kanal transportiert wird, an der Schnittstelle gemischt wird und eine elektrophoretische Verzerrung in dem Fluid abgeleitet wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum kontrollierbaren Zuführen eines Fluidstroms in einem elektroosmotischen Fluidleitungssystem bereit, wobei das Verfahren enthält: Bereitstellen eines Substrats mit einem ersten Kanal und wenigstens einem zweiten Kanal, der den ersten Kanal kreuzt; und Versehen des ersten Kanals mit einer größeren Tiefe als bei dem zweiten Kanal und wobei die Kanäle ein Seitenverhältnis (Breite:Tiefe) von größer als 5 aufweisen; wobei der Fluidstrom wenigstens zwei Fluidbereiche mit unterschiedlicher Ionenstärke aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Mikrofluidsystems;
2A stellt eine Anordnung von Fluidbereichen dar, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Kanal des Mikrofluidsystems von 1 wandern;
2B ist eine vergrößerte Zeichnung einer weiteren Anordnung von unterschiedlichen Fluidbereichen, die in einem Kanal des erfindungsgemäßen Mikrofluidsystems wandern;
3A ist eine weitere Anordnung von Abstandsbereichen mit hoher Ionenkonzentration vor einem Subjektmaterialbereich, der in einem Kanal des Mikrofluidsystems wandert; 3B zeigt eine Anordnung von Abstandsbereichen mit hoher Ionenkonzentration hinter einem Subjektmaterialbereich, der in einem Kanal des Mikrofluidsystems wandert;
4A ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Elektropipette zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung;
4B ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Elektropipette zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein schematisches Diagramm eines Kanals mit Abschnitten mit entgegengesetzt geladenen Seitenwänden in einem Mikrofluidsystem gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6A–6D stellen den Mischvorgang von leitenden Seitenwänden an der Schnittstelle von Kanälen von einem erfindungsgemäßen Mikrofluidsystem dar.
7A zeigt die Ergebnisse von drei Injektionen eines Probenfluids, das aus zwei entgegengesetzt geladenen chemischen Spezies in einem Puffer mit niedrigem Salzgehalt hergestellt wurde, in eine Kapillare, die mit einem Puffer mit niedrigem Salzgehalt gefüllt ist. 7B zeigt die Ergebnisse von drei Probeninjektionen, bei denen sich die Probe in einem Puffer mit hohem Salzgehalt befindet, wobei Pufferfluide mit hohem Salzgehalt an jedem Ende des Probenbereichs injiziert wurden, um als Sicherheitsbande zu dienen, und die Probe/Sicherheitsbanden wurden in einer mit einem Puffer mit niedrigem Salzgehalt gefüllten Kapillare laufen gelassen. 7C zeigt die Ergebnisse von drei Probeninjektionen ähnlich jenen von 7B, mit der Ausnahme, dass die Größe des Abstandsbereichs mit niedrigem Salzgehalt zwischen der Probe/Abständen mit hohem Salzgehalt (Sicherheitsbanden) reduziert ist, was eine teilweise Auflösung der Spezies in der Probe gestattet, ohne es den Probenelementen zu gestatten, nachfolgende oder vorhergehenden Proben zu beeinträchtigen.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektropipette zur Verwendung bei einem Probennahmesystem, das immobilisierte Proben verwendet, z. B. getrocknet auf einem Substratblatt oder einer Matrix.
9A ist eine graphische Darstellung von Fluoreszenz gegen Zeit, die die Bewegung eines Probenfluids darstellt, das gebildet ist aus einer Testchemikalienspezies, die periodisch injiziert wird in und bewegt wird durch eine Elektropipette gemäß der vorliegenden Erfindung. 9B ist eine weitere graphische Darstellung, die die Bewegung des Probenfluids mit der Chemikalienspezies unter anderen Parametern durch ein Mikrofluidsubstrat zeigt, das mit der Elektropipette verbunden ist. 9C ist eine graphische Darstellung, die die Bewegung des Probenfluids und der Chemikalienspezies durch eine Elektropipette zeigt, die aus einem mittels Luft geschliffenen Substrat ausgebildet ist.
10 ist eine graphische Darstellung, die wieder die Bewegung einer Chemikalienspezies in einem Probenfluid darstellt, das periodisch gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Elektropipette injiziert worden ist. Bei diesem Experiment ist die Spezies eine kleine Molekülverbindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
I. Allgemeine Organisation eines Mikrofluidsystems
1 offenbart ein repräsentatives Diagramm eines beispielhaften Mikrofluidsystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt ist, ist die Gesamtvorrichtung 100 in einem Planaren Substrat 102 erzeugt. Geeignete Substratmaterialien werden im Allgemeinen ausgewählt auf Basis ihrer Kompatibilität mit den Bedingungen, die bei dem speziellen durch die Vorrichtung durchzuführenden Betrieb gegeben sind. Derartige Bedingungen können Extremwerte von pH, Temperatur, Ionenkonzentration und die Anwendung von elektrischen Feldern einschließen. Darüber hinaus werden Substratmaterialien auch in Bezug auf ihre Passivität gegenüber kritischen Komponenten einer durch das System auszuführenden Analyse oder Synthese ausgewählt.
Geeignete Substratmaterialien schließen z. B. Glas, Quarz und Silizium, wie auch polymere Substrate, z. B. Kunststoffe, ein. Im Fall von leitenden oder halbleitenden Substraten sollte eine isolierende Schicht auf dem Substrat existieren. Dies ist insbesondere wichtig, wenn die Vorrichtung elektrische Elemente, z. B. elektrische Fluidleitungssysteme, Sensoren und dergleichen beinhaltet, oder elektroosmotische Kräfte zum Bewegen von Materialien in dem System verwendet, wie nachfolgend diskutiert wird. Im Fall von polymeren Substraten können die Substratmaterialien abhängig von der Verwendung, für die sie vorgesehen sind, fest, halbfest oder nicht-fest, opak, halb-opak oder transparent sein. Vorrichtungen, die ein optisches oder visuelles Nachweiselement enthalten, werden beispielsweise im Allgemeinen wenigstens teilweise aus transparenten Materialien hergestellt, um jenen Nachweis zu ermöglichen oder wenigstens zu erleichtern. Alternativ dazu können transparente Fenster aus beispielsweise Glas oder Quarz in die Vorrichtung für diese Nachweiselementtypen inkorporiert sein. Darüber hinaus können die polymeren Materialien lineare oder verzweigte Grundgerüste aufweisen und können quervernetzt und nicht-quervernetzt sein. Beispiele von besonders bevorzugten polymeren Materialien schließen ein z. B. Polydimethylsiloxane (PDMS), Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol, Polysulfon, Polycarbonat und dergleichen.
Das in 1 gezeigte System enthält eine Reihe an Kanälen 110, 112, 114 und 116, die in der Oberfläche des Substrats 102 erzeugt sind. Wie bei der Definition von "Mikrofluid-" diskutiert, haben diese Kanäle typischerweise sehr kleine Querschnittsmaße, vorzugsweise im dem Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 100 μm. Für die speziellen nachfolgend diskutierten Anwendungen funktionieren Kanäle mit Tiefen von etwa 10 μm und Breiten von etwa 60 μm wirksam, obwohl auch Abweichungen von diesen Maßen möglich sind.
Die Herstellung dieser Kanäle und weiterer Elemente im Mikromaßstab in der Oberfläche des Substrats 102 kann durch irgendeine Anzahl an Mikroherstellungstechniken ausgeführt werden, die im Stand der Technik gut bekannt sind. Beispielsweise können Lithographietechniken zum Herstellen von Glas-, Quarzoder Siliziumsubstraten verwendet werden, beispielsweise mit Verfahren, die in der Halbleiterherstellungs-Industrie gut bekannt sind. Photolithographisches Maskieren, Plasma- oder Nassätzen und andere Halbleiterverfahrenstechnologien definieren Elemente im Mikromaßstab in und auf Substratoberflächen. Alternativ dazu können Mikromaterialbearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Laserbohren, Mikrofräsen und dergleichen angewandt werden. Auf ähnliche Weise können auch bei polymeren Substraten gut bekannte Herstellungstechniken verwendet werden. Diese Techniken schließen ein Spritzgusstechniken oder Prägeformverfahren, bei denen eine große Anzahl an Substraten hergestellt werden kann unter Verwendung von beispielsweise Walzstempeln zum Erzeugen von großen Bahnen von Substraten im Mikromaßstab, oder Polymermikrogießtechniken, bei denen das Substrat innerhalb einer mikrohergestellten Form polymerisiert wird.
Neben dem Substrat 102 enthält das Mikrofluidsystem ein zusätzliches planares Element (nicht gezeigt), das das mit Kanälen versehene Substrat 102 bedeckt, um die verschiedenen Kanäle einzuschließen und fluidisch zu versiegeln, um Leitungen auszubilden. Das planare Abdeckelement kann an dem Substrat durch verschiedene Mittel befestigt sein, einschließlich beispielsweise Schweißen, Klebmittel oder im Fall von Glas oder halbfesten oder nicht-festen polymeren Substraten durch eine natürliche Adhäsion zwischen den zwei Komponenten. Das planare Abdeckelement kann zusätzlich mit Zutrittsöffnungen und/oder Reservoirs zum Einführen der verschiedenen bei einem speziellen Screening benötigten Fluidelemente versehen sein.
Das in 1 gezeigte System 100 enthält auch Reservoirs 104, 106 und 108, die angeordnet und fluidisch verbunden sind mit den Enden der Kanäle 114, 116 bzw. 110. Wie gezeigt ist, wird Probenkanal 112 zum Einführen einer Mehrzahl von unterschiedlichen Subjektmaterialien in die Vorrichtung verwendet. Als solches ist der Kanal 112 fluidisch verbunden mit einer Quelle einer großen Anzahl an getrennten Subjektmaterialien, die individuell in den Probenkanal 112 eingeführt werden und nachfolgend in einen weiteren Kanal 110. Wie gezeigt ist, wird der Kanal 110 zum Analysieren der Subjektmaterialien durch Elektrophorese verwendet. Es sollte angemerkt werden, dass sich der Ausdruck "Subjektmaterialien" einfach auf das interessierende Material bezieht, wie beispielsweise eine chemische oder biochemische Verbindung. Subjektverbindungen können eine große Vielfalt an verschiedenen Verbindungen einschließen, einschließlich chemische Verbindungen, Mischungen von chemischen Verbindungen, z. B. Polysaccharide, kleine organische oder anorganische Moleküle, biologische Makromoleküle, z. B. Peptide, Proteine, Nukleinsäuren, oder aus biologischen Materialien hergestellte Extrakte, wie beispielsweise Bakterien, Pflanzen, Pilze, oder tierische Zellen oder Gewebe, natürlich vorkommende oder synthetische Zusammensetzungen.
Das System 100 bewegt Materialien durch die Kanäle 110, 112, 114 und 116 durch elektrokinetische Kräfte, die durch einen Spannungsregler bereitgestellt werden, der in der Lage ist, ausgewählte Spannungswerte gleichzeitig an jedes der Reservoirs anzulegen, einschließlich Erdung. Ein derartiger Spannungsregler kann durch Verwendung von mehreren Spannungsteilern und mehreren Relais implementiert werden, um die ausgewählten Spannungswerte zu erhalten. Alternativ dazu können mehrere unabhängige Spannungsquellen verwendet werden. Der Spannungsregler ist elektrisch mit jedem der Reservoirs über eine Elektrode verbunden, die innerhalb eines jeden der Mehrzahl an Reservoirs positioniert oder erzeugt ist. Siehe beispielsweise veröffentlichte Internationale Patentanmeldung WO 96/04547 an Ramsey.
II. Elektrokinetischer Transport
A. Allgemeines
Die elektrokinetischen Kräfte auf die Fluidmaterialien in den Kanälen des Systems 100 können in elektroosmotische und elektrophoretische Kräfte aufgeteilt werden. Die Fluidsteuerungssysteme, die in dem System der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wenden elektroosmotische Kraft an, um Fluide in den verschiedenen Kanälen und Reaktionskammern, die auf der Oberfläche des Substrats 102 vorhanden sind, zu bewegen, zu leiten und zu mischen. Wenn eine geeignetes Fluid in einem Kanal oder einer anderen Fluidleitung platziert ist, der/die funktionellen Gruppen an der Oberfläche aufweist, können – kurz ausgedrückt – jene Gruppen ionisieren. Wenn die Oberfläche des Kanals funktionelle Hydroxylgruppen an der Oberfläche aufweist, können beispielsweise Protonen die Oberfläche des Kanals verlassen und in das Fluid eintreten. Unter solchen Bedingungen besitzt die Oberfläche eine negative Nettoladung, wohingegen das Fluid einen Überschuss an Protonen oder positiven Ladungen besitzt, die insbesondere nahe der Grenzfläche zwischen der Kanaloberfläche und dem Fluid lokalisiert ist.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes entlang der Länge des Kanals fließen Kationen zur negativen Elektrode. Eine Bewegung der positiv geladenen Spezies in dem Fluid zieht die Lösung mit. Die Gleichgewichtsgeschwindigkeit dieser Fluidbewegung wird allgemeinen durch die Gleichung:
angegeben, wobei v die Geschwindigkeit der Lösung, ε die Dielektrizitätskonstante des Fluids, ξ das Zetapotential der Oberfläche, E die Stärke des elektrischen Feldes und η die Viskosität der Lösung ist. Wie aus dieser Gleichung leicht ersehen werden kann, ist die Geschwindigkeit der Lösung direkt proportional zu dem Zetapotential und dem angelegten Feld.
Neben elektroosmotischen Kräften gibt es auch elektrophoretische Kräfte, die sich auf geladene Moleküle auswirken, während sie sich durch die Kanäle des Systems 100 bewegen. Bei dem Transport von Subjektmaterialien von einer Stelle zu einer anderen Stelle in dem System 100 ist es oft wünschenswert, dass die Zusammensetzung der Subjektmaterialien bei dem Transport unverändert bleibt, d. h. dass die Subjektmaterialien bei dem Transport nicht elektrophonetisch differenziert werden.
Gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform der Erfindung werden die Subjektmaterialien in den Kanälen als Fluidabschnitte herumbewegt (nachfolgend als "Subjektmaterialbereiche" bezeichnet), die eine hohe Ionenkonzentration aufweisen, um elektrophoretische Kräfte auf die Subjektmaterialien innerhalb dieser speziellen Bereiche zu minimieren. Um die Wirkung von elektrophoretischen Kräften innerhalb der Subjektmaterialbereiche zu minimieren, werden Bereiche aus Abstandsfluiden ("erste Abstandsbereiche") auf jeder Seite eines Abschnitts platziert. Diese ersten Abstandbereiche weisen eine hohe Ionenkonzentration auf, um die elektrischen Felder in diesen Bereichen zu minimieren, wie nachfolgend erläutert wird, so dass Subjektmaterialien im Wesentlichen durch den Transport von einer Stelle zu einer anderen Stelle in einem Mikrofluidsystem nicht beeinflusst werden. Die Subjektmaterialien werden durch die repräsentativen Kanäle 110, 112, 114, 166 des Systems 100 in Bereichen mit bestimmten Ionenstärken transportiert, zusammen mit anderen Bereichen mit Ionenstärken, die von jenen Bereichen abweichen, die die Subjektmaterialien enthalten.
Eine spezielle Anordnung ist in 2A dargestellt, die Subjektmaterialbereiche 200 darstellt, die von Punkt A zu Punkt B entlang eines Kanals des Mikrofluidsystems 100 transportiert werden. Auf jeder Seite der Subjektmaterialbereiche 200 sind erste Abstandbereiche 201 mit einem Fluid mit hoher Ionenstärke vorhanden. Zusätzlich beabstanden zweite Abstandsbereiche 202 mit einem Fluid mit niedriger Ionenkonzentration periodisch Anordnungen von Subjektmaterialbereichen 200 und erste Abstandsbereiche 201. Da sie eine niedrige Ionenkonzentration aufweisen, findet der größte Teil des Spannungsabfalls zwischen den Punkten A und B entlang dieser zweiten Abstandsbereiche 202 statt. Die zweiten oder Abstandsbereiche mit niedriger Konzentration 202 sind zwischen die Anordnungen aus Subjektmaterialbereich 200 und erstem Abstandsbereich 201 derart eingefügt, dass immer wenigstens ein zweiter oder Abstandsbereich mit niedriger Konzentration 202 zwischen den Punkten A und B vorhanden ist, während die Subjektmaterialbereiche 200 und die ersten Abstandsbereiche 201 elektroosmotisch durch den Kanal gepumpt werden. Dies stellt sicher, dass der größte Teil des Spannungsabfalls in dem zweiten Abstandsbereich 202 stattfindet, anstatt über den Subjektmaterialbereich 200 und erste Abstandsbereiche 201 hinweg. Anders ausgedrückt wird das elektrische Feld zwischen den Punkten A und B in dem zweiten Abstandsbereich 202 konzentriert, und die Subjektmaterialbereiche 200 und ersten Abstandsbereiche 201 erfahren geringe elektrische Felder (und geringe elektrophoretische Kräfte). Somit können in Abhängigkeit von den relativen Ionenkonzentrationen in den Subjektmaterialbereichen 200, ersten Abstandsbereichen 201 und zweiten oder Abstandsbereichen mit niedriger Ionenkonzentration 202 andere Anordnungen dieser Subjektmaterialbereiche 200, und ersten und zweiten Abstandsbereichen 201 und 202 erzeugt werden.
2B stellt beispielsweise eine Anordnung dar, bei der ein zweiter oder Bereich mit niedriger Ionenkonzentration 202 gleichmäßig zwischen jeder Kombination aus erstem Abstandsbereich 201/Subjektmaterialbereich 200/erstem Abstandsbereich 201 angeordnet ist. Eine derartige Anordnung stellt sicher, dass jeweils mindestens ein zweiter oder Abstandsbereich mit niedriger Konzentration 202 zwischen den Punkten A und B vorhanden ist. Des Weiteren sind die Zeichnungen maßstäblich gezeichnet, um die relativen Längen einer möglichen Kombination aus Subjektmaterialbereich 200, erstem oder Abstandsbereich mit hoher Konzentration 201 und zweitem oder Abstandsbereich mit niedriger Konzentration 202 darzustellen. In dem Beispiel von 2B enthält der Subjektmaterialbereich 200 Subjektmaterial in einer hohen Ionenkonzentration von 150 mM NaCl. Der Subjektmaterialbereich 200 in dem Kanal ist 1 mm lang. Die zwei ersten Abstandsbereiche 201 weisen Innenkonzentrationen von 150 mM NaCl auf. Jeder erste Abstandsbereich 201 ist 1 mm lang. Der zweite Abstandsbereich 202 ist 2 mm lang und weist eine Ionenkonzentration von 5 mM Boratpuffer auf. Diese spezielle Konfiguration ist dazu bestimmt, eine rasch elektrophorierende Verbindung in dem Subjektmaterialbereich 200 und Pufferbereiche 201 aufrechtzuerhalten, während die Verbindung durch die Kanäle des Mikrofluidsystems wandert. Durch Verwendung dieser Verfahren kann beispielsweise ein Subjektmaterialbereich, der z. B. Benzoesäure enthält, durch ein Mikrofluidsystem über bis zu 72 Sekunden bewegt werden, ohne eine übermäßige elektrophoretische Verzerrung zu erleiden.
Allgemeiner ausgedrückt kann die Geschwindigkeit des Fluidflusses v_EoF durch die Kanäle des Mikrofluidsystems bestimmt werden, und durch Messung ist es möglich, den Gesamtabstand I_T zu bestimmen, den ein Gegenstandsmolekül durch die Kanäle wandern muss. Somit beträgt die Laufzeit t_Tr für das Gegenstandsmolekül für das Wandern über den Gesamtabstand: tTr =IT/VEoF
Um ein Gegenstandsmolekül x innerhalb des ersten Abstandsbereichs 201 nahe dem Subjektmaterialbereich 200 zu halten, sollte die Länge des ersten Abstandsbereichs 201, I_g, größer sein als die elektrophoretische Geschwindigkeit des Gegenstandsmoleküls x in dem ersten Abstandsbereich 201, v_gx, multipliziert mit der Laufzeit: Ig > (vg x)(tTr)
Da die elektrophoretische Geschwindigkeit proportional zu dem elektrischen Feld in dem ersten Abstandsbereich 201 ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung Steuerung/Kontrolle über v_g _x, so dass die Subjektmaterialien beim Transport durch die Kanäle des Mikrofluidsystems gehalten werden können.
Bei den Anordnungen in den 2A und 2B helfen die ersten oder Abstandsbereiche mit hoher Ionenkonzentration 201, die Position der Subjektmaterialien in der Nähe ihres Subjektmaterialbereichs 200 beizubehalten. Unabhängig von der Polarität der Ladungen des Subjektmaterials stellen die ersten Abstandsbereiche 201 auf jeder Seite des Subjektmaterialbereichs 200 sicher, dass ein Subjektmaterial, das den Subjektmaterialbereich 200 verlässt, auf Grund der relativ hohen Ionenkonzentrationen in den ersten Abstandsbereichen 201 nur einem niedrigen elektrischen Feld ausgesetzt ist. Wenn die Polarität des Subjektmaterials bekannt ist, dann ist auch die Richtung der elektrophoretischen Kräfte auf die Moleküle des Subjektmaterials bekannt.
3A stellt ein Beispiel dar, bei dem Ladungen des Subjektmaterials in allen Subjektmaterialbereichen 200 so sind, dass die elektrophoretische Kraft auf die Moleküle des Subjektmaterials in die gleiche Richtung weisen wie die Richtung des elektroosmotischen Flusses. Daher befinden sich die ersten Abstandsbereiche 201 in der Fließrichtung vor den Subjektmaterialbereichen 200. Es gibt keine erste Abstandsbereiche 201, die den Subjektmaterialbereichen 200 folgen, da die elektrophoretische Kraft das Subjektmaterial daran hindert, den Subjektmaterialbereich 200 in diese Richtung zu verlassen. Durch Eliminierung von einer Hälfte der ersten Abstandsbereiche 201, können mehr Subjektmaterialbereiche 200 mit ihrem Subjektmaterial pro Kanallänge befördert werden. Dies erhöht die Transporteffizienz des Mikrofluidsystems. Die zweiten oder Abstandsbereiche mit niedriger Ionenkonzentration 202 sind in Bezug auf die Subjektmaterialbereiche 200 und erste oder Abstandsbereiche mit hoher Ionenkonzentration 201 angeordnet, so dass starke elektrische Felder in die zweiten Abstandsbereiche 202 fallen, und die elektrischen Felder (und elektrophoretischen Kräfte) in den Subjektmaterialbereichen 200 und ersten Abstandsbereichen 201 klein gehalten werden.
In 3B folgen in der Richtung des elektroosmotischen Flusses den ersten Abstandsbereichen 201 die Subjektmaterialbereiche 200. Bei diesem Beispiel sind die Ladungen des Subjektmaterials in allen Subjektmaterialbereichen 200 so, dass die elektrophoretische Kraft auf die Gegenstandsmoleküle in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung des elektroosmotischen Flusses ist. Daher kann das Subjektmaterial die Abgrenzungen seines Subjektmaterialbereichs verlassen, was tatsächlich bedeutet, dass es hinter seinem Subjektmaterialbereich 200 zurückbleibt. Die ersten Abstandsbereiche 201, die den Subjektmaterialbereichen 200 folgen, halten das Subjektmaterial davor zurück, zu weit von ihrem Subjektmaterialbereich 200 wegzuwandern. In ähnlicher Weise sind zweite oder Abstandsbereiche mit niedriger Ionenkonzentration 202 bei den Subjektmaterialbereichen 200 und den ersten oder Abstandsbereichen mit hoher Ionenkonzentration 201 angeordnet, so dass starke elektrische Felder in die zweiten Abstandsbereiche 202 fallen und die elektrischen Felder in den Subjektmaterialbereichen 200 und ersten Abstandsbereichen 201 klein gehalten werden.
Verschiedene Lösungen mit hoher und niedriger Ionenstärke werden ausgewählt, um eine Lösung für die ersten und zweiten Abstandsbereiche 201 und 202 herzustellen, die eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die speziellen Ionen, die der Lösung elektrische Leitfähigkeit verleihen, können von anorganischen Salzen (wie beispielsweise NaCl, KI, CaCl₂, FeF₃, (NH₄)₂SO₄ und so weiter), organischen Salzen (wie beispielsweise Pyridinbenzoat, Benzalkoniumlaurat) oder gemischten anorganischen/organischen Salzen (wie beispielsweise Natriumben zoat, Natriumdesoxysulfat, Benzylaminhydrochlorid) hergeleitet sein. Diese Ionen werden auch ausgewählt, um kompatibel mit den in dem Mikrofluidsystem auszuführenden chemischen Reaktionen, Trennungen, etc. zu sein. Zusätzlich zu wässrigen Lösungsmitteln können Mischungen aus wässrigen/organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise geringe Konzentrationen von DMSO in Wasser, verwendet werden, um bei der Solubilisierung der Gegenstandsmoleküle zu helfen. Mischungen aus organischen Lösungsmitteln, wie beispielsweise CHCl₃: MeOH können auch verwendet werden, beispielsweise zu dem Zweck der Beschleunigung der Messungen von Photolipaseaktivität.
Im Allgemeinen wird die Leitfähigkeit der Lösung unter Verwendung von anorganischen Ionen eingestellt, wenn wässrige Lösungsmittel verwendet werden. Wenn weniger polare Lösungsmittel verwendet werden, werden typischer Weise organische oder gemischte anorganische/organische Ionen verwendet. In Fällen, bei denen zwei nicht mischbare Lösungsmittel gleichzeitig anwesend sein können (z. B. Wasser und ein Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Dekan), so dass elektrischer Strom von einem in das andere fließen muss, können Ionophore (z. B. Valinomycin, Nonactin, verschiedene Kronenether, etc.) und ihre geeigneten Ionen verwendet werden, um Strom durch das unpolare Lösungsmittel zu leiten.
B. Elektrokinetische Steuerung von auf Druck basierendem Fluss
In den hier beschriebenen elektrokinetischen Fließsystemen kann die Anwesenheit von unterschiedlich mobilen Fluiden (z. B. mit einer unterschiedlichen elektrokinetischen Mobilität in dem speziellen System) in einem Kanal zu mehrfach unterschiedlichen Drücken führen, die entlang der Länge des Kanals in dem System existieren. Beispielsweise verwenden diese elektrokinetischen Fließsysteme typischerweise eine Reihe von Bereichen mit Fluiden niedriger und hoher Ionenkonzentration (z. B. erste und zweite Abstandsbereiche und Subjektmaterialbereiche von Subjektmaterial) in einem gegebenen Kanal, um elektroosmotisches Fließen zu bewirken, während gleichzeitig die Wirkungen von elektrophoretischer Verzerrung innerhalb eines Subjektmaterial enthaltenden Subjektmaterialbereichs vermieden werden. Da die Bereiche mit niedriger Ionenkonzentration innerhalb des Kanals dazu tendieren, den größten Teil der entlang ihrer Länge angelegten Spannung abzusenken, tendieren sie dazu, die Fluide durch einen Kanal zu schieben. Umgekehrt dazu stellen Fluidbereiche mit hoher Iononenkonzentration innerhalb des Kanals nur einen relativ geringen Spannungsabfall entlang ihrer Längen bereit und tendieren dazu, Fluidfluss aufgrund viskosen Widerstands zu verlangsamen.
Als ein Ergebnis dieser Druck- und Widerstandswirkungen können im Allgemeinen Druckveränderungen entlang der Länge eines mit einem Fluid gefüllten Kanals erzeugt werden. Der höchste Druck wird typischer Weise an der Vorderseite oder dem vorderen Ende der Bereiche mit niedriger Iononenkonzentration gefunden (z. B. den zweiten Abstandsbereichen), wohingegen der niedrigste Druck typischer Weise bei dem Schweif oder hinteren Ende dieser Fluidbereiche mit niedriger Ionenstärke gefunden wird.
Während diese Druckunterschiede in geraden Kanalsystemen größtenteils irrelevant sind, können ihre Wirkungen zu einer reduzierten Steuerung/Kontrolle in Bezug auf Fluidleitung und Manipulation in Mikrofluidvorrichtungen führen, die sich kreuzende Kanalanordnungen verwenden, d. h., die Systeme, die in der U.S. Patentanmeldung 08/671,987 ≌ U.S. Patent 5,942,443 beschrieben sind. Wenn beispielsweise ein zweiter Kanal so konfiguriert ist, dass er einen ersten Kanal kreuzt, der Fluidbereiche variierender Ionenstärke enthält, können die oben beschriebenen Druckfluktuationen Fluid dazu veranlassen, in den und aus dem kreuzenden zweiten Kanal zu fließen, während diese unterschiedlichen Fluidbereiche sich über die Kreuzung hinweg bewegen. Dieses fluktuierende Fließen könnte möglicherweise den quantitativen, elektroosmotisch angetriebenen Fluidfluss von dem zweiten Kanal signifikant stören und/oder die verschiedenen Fluidbereiche innerhalb des Kanals stören.
Durch Reduzieren der Tiefe des kreuzenden Kanals, z. B. des zweiten Kanals, relativ zu dem ersten oder Hauptkanal können die Fluktuationen im Fluidfluss im Wesentlichen eliminiert werden. Bei elektroosmotischem Fluidantrieb oder elektroosmotischer Leitung variiert die Fließgeschwindigkeit (Volumen/Zeit) bei einem gegebenen Spannungsgradienten als der Kehrwert der Tiefe des Kanals bei Kanälen, die ein Seitenverhältnis von >10 aufweisen (Breite:Tiefe). Mit einigen kleineren, für die Berechnung unbedeutenden Fehlern, stimmt dieses allgemeine Verhältnis für kleinere Seitenverhältnisse, z. B. Seitenverhältnisse >5. Umge kehrte dazu variiert der druckinduzierte Fluss bei dem gleichen Kanal als dritte Potenz des Kehrwerts der Kanaltiefe. Somit variiert der Druckaufbau in einem Kanal auf Grund der gleichzeitigen Anwesenheit von Fluidbereichen unterschiedlicher Ionenstärke als das Quadrat des Kehrwerts der Kanaltiefe.
Durch Verringern der Tiefe des kreuzenden zweiten Kanals relativ zu der Tiefe des ersten oder Hauptkanals um einen Faktor von X kann man folglich signifikant das durch den Druck induzierte Fließen reduzieren, z. B. um einen Faktor von X³, während das elektroosmotisch induzierte Fließen nur leicht reduziert wird, z. B. um einen Faktor von X. Wenn beispielsweise die Tiefe des zweiten Kanals relativ zu dem ersten Kanal um eine Größenordnung reduziert ist, wird das durch Druck induzierte Fließen um einen Faktor 1000 reduziert, während das elektroosmotisch induzierte Fließen nur um einen Faktor 10 reduziert wird. In einigen Aspekten stellt die vorliegende Erfindung Mikrofluidvorrichtungen bereit, wie sie allgemein hier beschrieben sind, z. B. die wenigstens einen ersten und einen zweiten sich kreuzenden Kanal darin angeordnet aufweisen, aber wobei der erste Kanal tiefer ist als der zweite Kanal. Im Allgemeinen können die Tiefen der Kanäle variiert werden, um optimale Fließbedingungen für eine gewünschte Anwendung zu erhalten. In Abhängigkeit von der Anwendung kann der erste Kanal als solcher mehr als zwei Mal so tief sein als der zweite Kanal, mehr als fünf Mal so tief als der zweite Kanal und selbst mehr als zehn mal so tief als der zweite Kanal.
Zusätzlich zu ihrer Verwendung beim Abmildern von Druckwirkungen können unterschiedliche Kanaltiefen auch verwendet werden, um Fluide unterschiedlich innerhalb unterschiedlicher Kanäle der gleichen Vorrichtung fließen zu lassen, z. B. um unterschiedliche Anteile an Fluiden aus unterschiedlichen Quellen zu mischen und dergleichen.
III. Elektropipette
Wie oben beschrieben ist, kann irgendein Subjektmaterial wirksam durch das Mikrofluidsystem 100 in oder nahe den Subjektmaterialbereichen 200 transportiert werden. Mit den ersten und zweiten Abstandsbereichen 201 und 202 sind die Subjektmaterialien lokalisiert, während sie durch die Kanäle des Systems wandern. Für eine effiziente Einführung von Subjektmaterial in ein Mikrofluidsystem stellt die vorliegende Ausführungsform auch eine Elektropipette bereit, die Subjektmaterial in das Mikrofluidsystem in den gleichen aufeinanderfolgenden Strom von Kombinationen aus Subjektmaterialbereich 200, ersten und zweiten Abstandsbereichen 201 und 202 einführt.
A. Struktur und Betrieb
Wie in 4A dargestellt ist, ist eine Elektropipette 250 durch eine hohle kapillare Röhre 251 ausgebildet. Die kapillare Röhre 251 weist einen Kanal 254 mit den Abmessung der Kanäle des Mikrofluidsystems 100 auf, mit dem der Kanal 254 fluidisch verbunden ist. Wie in 4A gezeigt ist, ist der Kanal 254 ein Zylinder mit einem Querschnittsdurchmesser im Bereich von 1-100 μm, wobei ein Durchmesser von ungefähr 30 μm vorzugswürdig ist. Eine Elektrode 252 verläuft an der Außenwand der kapillaren Röhre 251 hinab und endet in einer Ringelektrode 253 um das Ende des Rohrs 251 herum. Um die Subjektmaterialien in die Subjektmaterialbereiche 200 mit den Pufferbereichen 201 und 202 in den Kanal 254 der Elektropipette zu ziehen, wird die Elektrode 252 mit einer Spannung in Bezug auf die Spannung eines Zielreservoirs (nicht gezeigt) betrieben, das fluidisch mit dem Kanal 254 verbunden ist. Das Zielreservoir befindet sich in dem Mikrofluidsystem 100, so dass die Subjektmaterialbereiche 200 und die Pufferbereiche 201 und 202, die sich bereits in dem Kanal 254 befinden, der Reihe nach von der Elektropipette in das System 100 transportiert werden.
Verfahrenstechnisch wird das Ende des kapillaren Kanals der Elektropipette 250 in einer Quelle an Subjektmaterial platziert. An die Elektrode 252 wird eine Spannung in Bezug auf eine Elektrode in dem Zielreservoir angelegt. Die Ringelektrode 253, die in Kontakt mit der Subjektmaterialquelle platziert ist, spannt die Quelle elektrisch vor, um einen Spannungsabfall zwischen der Subjektmaterialquelle und dem Zielreservoir zu erzeugen. Tatsächlich werden die Subjektmaterialquelle und das Zielreservoir Punkt A und B in einem Mikrofluidsystem, d. h. wie in 2A gezeigt ist. Das Subjektmaterial wird elektrokinetisch in den kapillaren Kanal 254 eingeführt, um einen Subjektmaterialbereich 200 zu erzeugen. Die Spannung an der Elektrode 252 wird dann ausgeschaltet und das Ende des kapillaren Kanals wird in eine Quelle aus Puffermaterial mit hoher Ionenkon zentration platziert. Es wird wieder eine Spannung in Bezug auf die Elektrode des Zielreservoirs derart an die Elektrode 252 angelegt, dass der erste Abstandsbereich 201 elektrokinetisch in den kapillaren Kanal 254 benachbart zu dem Subjektmaterialbereich 200 eingeführt wird. Wenn dann ein zweiter oder Abstandsbereich mit niedriger Ionenkonzentration 202 in dem Kanal 254 der Elektropipette wünschenswert ist, wird das Ende des kapillaren Kanals 254 in eine Quelle aus Puffermaterial mit niedriger Ionenkonzentration eingeführt und eine Spannung an die Elektrode 252 angelegt. Die Elektropipette 250 kann sich dann zu einer weiteren Quelle an Subjektmaterial bewegen, um einen weiteren Subjektmaterialbereich 200 in dem Kanal 254 zu erzeugen.
Durch Wiederholen der obigen Schritte werden eine Mehrzahl an Subjektmaterialbereichen 200 mit unterschiedlichen Subjektmaterialien, die durch erste und zweite Abstandsbereiche 201 und 202 beabstandet sind, elektrokinetisch in den kapillaren Kanal 254 und in das Mikrofluidsystem 100 eingeführt.
Es ist zu beachten, dass wenn die Quellen des Subjektmaterials und der Puffermaterialien (mit niedriger und hoher Ionenkonzentration) ihre eigene Elektrode aufweisen, die Elektrode 252 nicht erforderlich ist. Spannungen zwischen dem Zielreservoir und den Elektroden der Quelle betreiben die Elektropipette. Alternativ dazu kann sich die Elektrode 252 in einer festen Relation zu aber getrennt von dem kapillaren Rohr 251 befinden, so dass dann, wenn das Ende des Rohrs 251 ein Reservoir kontaktiert, auch die Elektrode 252 das Reservoir kontaktiert. Der Betrieb ist der gleiche wie jener, der für die Elektropipette der 4A beschrieben ist.
4B stellt eine Variation der Elektropipette 250 von 4A dar. Bei dieser Variation ist es nicht erforderlich, dass sich die Elektropipette 270 zwischen einer Subjektmaterialquelle und Puffermaterialquellen bewegt, um die ersten und zweiten Abstandsbereiche 201 und 202 innerhalb der Pipette zu erzeugen. Die Elektropipette 270 weist einen Körper 271 mit drei kapillaren Kanälen 274, 275 und 276 auf. Der Hauptkanal 274 funktioniert genauso wie der Kanal 254 der vorher beschriebenen Elektropipette 250. Die zwei zusätzlichen kapillaren Kanäle 275 und 276 an einem Ende sind jedoch fluidisch mit Pufferquellreservoirs (nicht gezeigt) verbunden und das andere Ende der Kanäle 275 und 276 ist fluidisch mit dem Hauptkanal 274 verbunden. Ein Reservoir (d. h. verbunden mit dem zusätzlichen Kanal 275) enthält Puffermaterial hoher Ionenkonzentration, und das andere Reservoir (d. h. mit dem Kanal 276 verbunden) enthält Puffermaterial niedriger Ionenkonzentration.
Alle Reservoirs sind mit Elektroden verbunden, um diese Reservoirs zum Betrieb der Elektropipette 270 elektrisch vorzuspannen. Die Elektropipette 270 kann auch eine Elektrode 272 entlang der Wände ihres Körpers 271 aufweisen, die in einer Ringelektrode 273 an dem Ende des Hauptkanals 274 endet. Durch Anlegen von Spannungen an die Elektrode 272 (und Ringelektrode 273), um Spannungsabfälle entlang der Kanäle 274, 275, 276 zu erzeugen, kann nicht nur Subjektmaterial in den Hauptkanal 274 von Subjektmaterialquellen gezogen werden, sondern es kann auch Puffermaterial mit hohen und niedrigen Innenkonzentrationen von den zusätzlichen Kanälen 275 und 276 in den Hauptkanal 274 gezogen werden.
Um die Elektropipette 270 mit der Elektrode 272 zu betreiben, wird das Ende des kapillaren Hauptkanals 274 in eine Quelle 280 an Subjektmaterial platziert. Eine Spannung wird an die Elektrode 272 in Bezug auf eine Elektrode in dem Zielreservoir angelegt, um einen Spannungsabfall zwischen der Subjektmaterialquelle 280 und dem Zielreservoir zu erzeugen. Das Subjektmaterial wird elektrokinetisch in den kapillaren Kanal 274 gezogen. Das Ende des kapillaren Kanals wird dann aus der Subjektmaterialquelle 280 entfernt und es wird ein Spannungsabfall zwischen dem mit dem Kanal 274 verbundenen Zielreservoir und dem mit dem Kanal 275 verbundenen Reservoir erzeugt. Ein erster oder Abstandsbereich mit hoher Ionenstärke 201 wird in dem Kanal 274 ausgebildet. Kapillarwirkung verhindert das Einführen von Luft in den Kanal 274, wenn das Puffermaterial von dem zusätzlichen Kanal 275 gezogen wird. Wenn dann ein zweiter oder Abstandsbereich mit niedriger Ionenkonzentration 202 in dem Hauptkanal 274 erwünscht ist, wird eine Spannung an die Elektroden in dem Zielreservoir und in dem Reservoir mit Puffermaterial niedriger Ionenkonzentration angelegt. Ein zweiter Abstandbereich 202 wird elektrokinetisch in den kapillaren Kanal 274 von dem zweiten zusätzlichen Kanal 276 eingeführt. Die Elektropipette 270 kann sich dann zu einer weiteren Quelle an Subjektmaterial bewegen, um einen weiteren Subjektmaterialbereich 200 in dem Kanal 274 zu erzeugen.
Durch Wiederholen der obigen Schritte werden eine Mehrzahl an Subjektmaterialbereichen 200 mit unterschiedlichen Subjektmaterialien, die durch erste und zweite Abstandsbereiche 201 und 202 beabstandet sind, elektrokinetisch in den kapillaren Kanal 274 und in das Mikrofluidsystem 100 eingeführt.
Falls es unerwünscht ist, die Subjektmaterialquelle Oxidations-/Reduktionsreaktionen durch die Ringelektrode 273 auszusetzen, kann die Elektropipette ohne die Elektrode 272 betrieben werden. Da elektroosmotisches Fließen in Lösungen höherer Ionenstärke langsamer ist, führt das Anlegen eines Potentials (– zu +) von dem mit dem Kanal 274 verbundenen Reservoir zu dem mit dem Kanal 275 verbundenen Kanal zur Ausbildung eines Vakuums an dem Punkt, an dem sich die Kanäle 274 und 275 kreuzen. Dieses Vakuum zieht Proben von der Subjektmaterialquelle in den Kanal 274. Wenn auf diese Weise gearbeitet wird, wird das Subjektmaterial ein wenig mit den Lösungen in den Kanälen 275 und 276 verdünnt. Diese Verdünnung kann durch Reduzieren der relativen Größen der Kanäle 276 und 275 in Bezug auf den Kanal 274 verringert werden.
Um erste und zweite Abstandsbereiche 201 und 202 in den kapillaren Kanal 274 einzuführen wird die Elektropipette 270 wie oben beschrieben betrieben. Das Ende des kapillaren Kanals wird von der Subjektmaterialquelle 280 entfernt und es wird ein Spannungsabfall zwischen dem Zielreservoir für den Kanal 274 und dem mit dem ausgewählten Kanal 275 oder 276 verbundenen Reservoir erzeugt.
Obwohl im Allgemeinen beschrieben wird, dass zwei zusätzliche Kanäle und ein Hauptkanal vorhanden sind, ist es selbstverständlich, dass weitere zusätzliche Kanäle ebenfalls vorgesehen sein können, um zusätzliche Fluide, Puffer, Verdünnungsmittel, Reagenzien, und dergleichen in den Hauptkanal einzuführen.
Wie oben für einander kreuzende Kanäle innerhalb einer Mikrofluidvorrichtung, z. B. einem Chip, beschrieben ist, können Druckunterschiede, die von unterschiedlich mobilen Fluiden innerhalb der unterschiedlichen Pipettenkanäle herrühren, auch die Steuerung von Fluidfluss innerhalb des Pipettenkanals beeinflussen. Wie oben beschrieben ist, können folglich die verschiedenen Pipettenka näle auch mit unterschiedlichen Kanaltiefen relativ zueinander versehen sein, um Fluidsteuerung zu optimieren.
B. Verfahren zur Elektropigettenherstellung
Die Elektropipette kann aus einem hohlen kapillaren Rohr erzeugt werden, wie in Bezug auf 4A beschrieben ist. Für komplexere Strukturen wird die Elektropipette jedoch optimaler Weise aus dem gleichen Substratmaterial ausgebildet, wie jenes des oben diskutierten Mikrokanalsystems. Die Elektropipettenkanäle (und Reservoirs) werden in dem Substrat auf die gleiche Weise ausgebildet, wie die Mikrokanäle für ein Mikrofluidsystem und das mit Kanälen versehene Substrat wird durch ein planares Abdeckelement bedeckt, wie ebenfalls oben beschrieben ist. Die Ränder des Substrats und des Abdeckelements können dann auf die korrekten horizontalen Maße der Pipette geformt werden, insbesondere ihres Endes, wie es erforderlich ist. Techniken wie beispielsweise Ätzen, Luftabrasion (Bestrahlen einer Oberfläche mit Teilchen und Gebläseluft), Schleifen und Schneiden können verwendet werden. Dann werden Elektroden auf der Oberfläche des Substrats und möglicherweise der Abdeckung erzeugt, wie es erforderlich ist. Alternativ dazu können die Ränder des Substrats und des Abdeckelements geformt werden, bevor sie aneinander angebracht werden. Dieses Herstellungsverfahren ist insbesondere für Elektropipetten mit mehreren Kanälen geeignet, wie unmittelbar bevorstehend in Bezug auf 4B beschrieben ist und nachfolgend in Bezug auf 8 beschrieben wird.
IV. Probennahmesystem
Wie oben beschrieben ist, haben die oben beschriebenen Verfahren, Systeme und Apparaturen im Allgemeinen eine breitgefächerte Anwendbarkeit in einer Vielzahl an Disziplinen. Wie beispielsweise vorstehend angemerkt wurde, können diese Verfahren und Systeme besonders gut geeignet sein für die Aufhabe von chemischem Screening mit hohem Durchsatz bei z. B. Anwendungen zur Entdeckung von Wirkstoffen, wie beispielsweise in der gleichzeitig anhängigen U.S. Patentanmeldung 08/671,987 – U.S. Patent 5,942,447, die am 28 Juni 1996 angemeldet wurde, beschrieben sind.
A. Probenmatrizen
Die pipettierenden und Fluidtransportsysteme dieser Erfindung werden im Allgemeinen mit Ausdrücken von Probenzahlen an flüssigen Proben, d. h. von Multi-Wellplatten beschrieben. In vielen Fällen kann jedoch die Zahl oder Natur der auf Flüssigkeit basierenden Proben, von denen eine Probe genommen werden soll, Probenhandhabungsprobleme erzeugen. Beispielsweise können beim chemischen Screenen oder bei Anwendungen zum Entdecken von Wirkstoffen Verbindungsbibliotheken zum Screenen Tausende oder selbst Hunderttausende aufweisen. Als ein Ergebnis davon würden derartige Bibliotheken eine extrem große Zahl an Probenplatten erfordern, welche selbst mit der Hilfe von Robotersystemen eine Unzahl an Schwierigkeiten bei der Probenlagerung, Manipulation und Identifizierung erzeugen würde. Des Weiteren können sich in einigen Fällen spezifische Probenverbindungen zersetzen, Komplexieren oder auf eine andere Weise relativ kurze aktive Halbwertszeiten aufweisen, wenn sie in flüssiger Form aufbewahrt werden. Dies kann möglicherweise zu zweifelhaften Ergebnissen führen, wenn Proben in flüssiger Form über lange Perioden vor dem Screenen aufbewahrt werden.
Demgemäss stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Probennahmesysteme bereit, die sich dieser weiteren Probleme dadurch annehmen, dass die Verbindungen, von denen eine Probe zu nehmen ist, in einem immobilisierten Format bereitgestellt werden. Mit "immobilisiertes Format" ist gemeint, dass das Probenmaterial in einer fixierten Position zur Verfügung gestellt wird, entweder durch Inkorporierung innerhalb einer fixierten Matrix, d. h. porösen Matrix, geladenen Matrix, hydrophoben oder hydrophilen Matrix, die die Probe an einer gegebenen Stelle hält. Alternativ dazu schließen derartige immobilisierte Proben Proben ein, die auf eine gegebene Probenmatrix gespottet und getrocknet sind. In bevorzugten Aspekten werden die zu screenenden Verbindungen auf einer Probenmatrix in getrockneter Form bereitgestellt. Typischer Weise schließen derartige Probenmatrizen irgendeine Anzahl an Materialien ein, die bei dem Spotten oder Immobilisieren von Materialien verwendet werden können, einschließlich z. B. Membranen, wie beispielsweise Zellulose, Nitrozellulose, PVDF, Nylon, Polysulfon und dergleichen. Typischer Weise sind flexible Probenmatrizen bevorzugt, um Falten oder Rollen der Probenmatrizen zu gestatten, die eine große Anzahl an unterschiedlichen Probenverbindungen zum leichten Aufbewahren und Handhaben darauf immobilisiert haben.
Im Allgemeinen können Proben durch irgendeine Anzahl an gut bekannten Verfahren auf die Probenmatrix aufgebracht werden. Beispielsweise können Probenbibliotheken auf Bögen einer Probenmatrix unter Verwendung von Roboterpipettiersystemen gespottet werden, die das Spotten einer großen Zahl an Verbindungen gestatten. Alternativ dazu kann die Probenmatrix behandelt werden, um vordefinierte Flächen zur Probenlokalisierung bereitzustellen, z. B. eingedrückte Wells oder hydrophile Bereiche, die von hydrophoben Barrieren umgeben sind, oder hydrophobe Bereiche, die von hydrophilen Barrieren umgeben sind (z. B. wobei sich Proben anfänglich in einer hydrophoben Lösung befinden) in denen aufgespottete Materialien während des Trocknungsverfahrens zurückgehalten werden. Derartige Behandlungen erlauben dann die Anwendung von fortgeschritteneren Probenanwendungsverfahren, wie beispielsweise jene, die im U.S. Patent 5,474,796 beschrieben sind, bei denen eine piezoelektrische Pumpe und Düsensystem verwendet wird, um flüssige Proben zu einer Oberfläche zu leiten. Im Allgemeinen befassen sich die in dem '796-Patent beschriebenen Verfahren jedoch mit der Anwendung von flüssigen Proben auf eine Oberfläche für eine nachfolgende Reaktion mit zusätzlichen flüssigen Proben. Diese Verfahren können jedoch leicht modifiziert werden, um trockene gespottete Proben auf einem Substrat bereitzustellen.
Andere Immobilisierungs- und Spottverfahren können auf ähnliche Weise angewandt werden. Wenn beispielsweise Proben in flüssiger Form stabil sind, können Probenmatrizen eine poröse Schicht, Gel oder ein anderes Polymermaterial einschließen, das eine flüssige Probe zurückhält, ohne eine übermäßige Diffusion, Verdunstung oder dergleichen zu gestatten, aber die Entnahme von wenigstens einem Teil des Probenmaterials gestattet, wie es erwünscht ist. Um eine Probe in die Pipette zu ziehen, befreit die Pipette einen Teil der Probe von der Matrix, z. B. durch Lösen der Matrix, Ionenaustausch, Verdünnung der Probe und dergleichen.
B. Resolubilisierende Pipette
Wie angemerkt wurde, sind die Probennahme- und Fluidtransportverfahren und System der vorliegenden Erfindung leicht anwendbar beim Screenen, Untersuchen oder einer sonstigen Behandlung/Bearbeitung von in diesen Probenformaten immobilisierten Proben. Wenn beispielsweise Probenmaterialien in getrockneter Form auf einer Probenmatrix bereitgestellt werden, kann das elektropiptettierende System auf die Oberfläche der Matrix angewandt werden. Die Elektropipette wird dann betrieben, um ein kleines Volumen an Flüssigkeit auszugeben, das die vorher getrocknete Probe auf der Matrixoberfläche solubilisiert (eine zurückhaltende Matrix auflöst oder eine Probe aus einem immobilisierenden Träger eluiert) z. B. durch Umkehrung der Polarität des an die Pipette angelegten Feldes, oder durch Anlegen eines Potentials von dem Pufferreservoir mit niedriger Ionenkonzentration zu dem Pufferreservoir mit hoher Ionenkonzentration, wie oben beschrieben ist. Sobald die Probe resolubilisiert ist, wird die Pipette dann in ihrem typischen Vorwärtsformat betrieben, um die solubilisierte Probe in den Pipettenkanal zu ziehen, wie vorstehen beschrieben ist.
Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Elektropipette, die zum Durchführen dieser Funktion verwendbar ist, und ihres Betriebs, ist in 8 gezeigt. Kurz ausgedrückt ist das obere Ende 802 der Pipette (wie gezeigt) 800 im Allgemeinen mit dem Untersuchungssystem, z. B. einem Mikrofluidchip, derart verbunden, dass Spannungen unabhängig an die drei Kanäle der Pipette 804, 806 und 808 angelegt werden können. Kanäle 804 und 808 sind typischer Weise fluidisch mit Pufferreservoirs verbunden, die Fluide mit niedriger bzw. hoher Ionenkonzentration enthalten. Im Betrieb befindet sich die Spitze der Pipette 810 in Kontakt mit der Oberfläche einer Probenmatrix 812, wo eine immobilisierte (z. B. getrocknete) Probe 814 angeordnet ist. Eine Spannung ist von dem Kanal 804 mit Puffer niedriger Ionenkonzentration zu dem Kanal 808 mit Puffer hoher Ionenkonzentration derart angelegt, dass Puffer aus dem Ende der Pipettenspitze herausgezwungen wird, um die Probe zu kontaktieren und zu lösen. Wie gezeigt ist, kann die Pipettenspitze 816 einen ausgesparten Bereich oder "Probengefäß" 818 einschließen, um die ausgegebene Lösung zwischen der Pipettenspitze und der Matrixoberfläche zu halten. Um in einigen Fällen, z. B. bei denen organische Proben zu screenen sind, ein Lösen der Probe sicherzustellen, kann eine geeignete Konzentration eines akzeptablen Lösungsmittels, z. B. DMSO, in dem Puffer mit niedriger Ionenkonzentration enthalten sein. Es wird dann Spannung von dem Kanal mit Puffer hoher Ionenkonzentration zu dem Probenkanal 806 angelegt, um die Probe in der Form eines Probenpfropfens 820 in die Pipette zu ziehen. Sobald die Probe vollständig von dem Probengefäß in die Pipette abgezogen ist, wird die hohe Oberflächenspannung, die von Luft herrührt, die in den Probenkanal eintritt, das Ansaugen der Probe beenden, und Pufferlösung mit hoher Ionenkonzentration wird beginnen, in den Probenkanal zu fließen, um einen ersten Abstandbereich 822 auszubilden, der der Probe folgt. Pufferlösung mit niedriger Ionenkonzentration kann dann in den Probenkanal injiziert werden, d. h. als ein zweiter Abstandsbereich 824, durch Anlegen der Spannung von dem Kanal 804 mit Puffer niedriger Ionenkonzentration zu dem Probenkanal 806. Vor oder während einer Präsentation der nächsten Probenposition auf der Matrix kann ein erster oder Abstandbereich mit hoher Ionenkonzentration 822 in den Probenkanal durch Anwendung der Spannung zwischen dem Kanal mit Puffer hoher Ionenkonzentration und dem Probenkanal eingeführt werden. Wie vorstehend angemerkt wurde, können eine Rolle, eine Bahn, eine Platte oder mehrere Rollen, Bahnen oder Platten als Probenmatrix mit Tausenden oder Hunderttausenden an unterschiedlichen zu screenenden Verbindungen auf diese Weise präsentiert werden, was ihr aufeinanderfolgendes Screenen in einer geeigneten Apparatur oder einem geeigneten System ermöglicht.
V. Eliminierung von elektrophoretischer Verzerrung
Wie oben erläutert ist, werden elektrokinetische Kräfte zum Transportieren des Subjektmaterials durch die Kanäle des Mikrofluidsystems 100 verwendet. Wenn das Subjektmaterial in Lösung geladen ist, ist es nicht nur elektroosmotischen Kräften, sondern auch elektrophoretischen Kräften ausgesetzt. Somit ist es wahrscheinlich, dass das Subjektmaterial beim Wandern von einem Punkt zu einem anderen Punkt entlang eines Kanals des Mikrofluidsystems Elektrophorese durchgemacht haben wird. Somit ist es wahrscheinlich dass sich die Mischung des Subjektmaterials oder die Lokalisation von unterschiedlich geladenen Spezies in einem Subjektmaterialbereich 200 am Startpunkt von der Mischung oder der Lokalisation am Endpunkt unterscheidet. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit, dass sich Subjektmaterial am Endpunkt nicht in dem Subjektmaterialbereich 200 befindet, sondern in den ersten Abstandsbereichen 201.
Daher kompensiert eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung elektrophoretische Verzerrung, während die Subjektmaterialien durch das Mikrofluidsystem 100 transportiert werden. Ein Weg zum Kompensieren von elektrophoretischer Verzerrung ist in 5 dargestellt. In dem oben beschriebenen Mikrofluidsystem 100 wurde jeder der Kanäle 110, 112, 114 und 116 als eine entlang ihrer Länge einheitliche Struktur betrachtet. In 5 ist ein beispielhafter Kanal 140 in zwei Abschnitte 142 und 144 aufgeteilt. Die Seitenwände eines jeden Kanalabschnitts 142 und 144 weisen Oberflächenladungen entgegengesetzter Polarität auf. Die zwei Kanalabschnitte 142 und 144 sind physikalisch über eine Salzbrücke 133, wie beispielsweise eine Glasfritte oder eine Gelschicht, miteinander verbunden. Während die Salzbrücke 133 die Fluide in dem Kanal 140 von einem ionischen Fluid in einem Reservoir 135, das teilweise durch die Salzbrücke 133 definiert ist, trennt, gestattet es die Salzbrücke 133, dass Ionen hindurchtreten. Daher befindet sich das Reservoir 135 in elektrischer, nicht aber fluidischer Kommunikation mit dem Kanal 140.
Um elektroohmotische und elektrophoretische Kräfte entlang des Kanals 140 zwischen den Punkten A und B zu übertragen, sind Elektroden 132 und 134 an den Stellen A bzw. B angeordnet. Zusätzlich dazu ist eine dritte Elektrode 137 in dem Reservoir 135 an der Verbindungsstelle der zwei Abschnitte 142 und 144 angeordnet. Die Elektroden 132 und 134 werden bei der gleichen Spannung gehalten und die Elektrode 137 auf einer anderen Spannung. Bei dem in 5 dargestellten Beispiel haben die zwei Elektroden 132 und 134 eine negative Spannung, wohingegen die Elektrode 137 und somit die Verbindungsstelle der zwei Abschnitte 142 und 144 Null Volt aufweist, d. h. geerdet ist. Somit fällt die Spannung und daher sind die elektrischen Felder in den Abschnitten 142 und 144 in entgegengesetzte Richtungen gerichtet. Insbesondere zeigen die elektrischen Felder voneinander weg. Somit weist die elektrophoretische Kraft auf ein besonders geladenes Molekül in dem Kanalabschnitt 142 in die eine Richtung und in dem Kanalabschnitt 144 in die entgegengesetzte Richtung. Jede auf ein Subjektmaterial wirkende elektrophoretische Verzerrung ist nach dem Wandern durch die zwei Abschnitte 142 und 144 kompensiert.
In beiden Abschnitten 142 und 144 weist die elektroohmotische Kraft jedoch noch in die gleiche Richtung. Wenn man beispielsweise annimmt, dass die Seitenwände des Kanalabschnitts 142 positive Oberflächenladungen aufweisen, die negative Ionen in der Lösung anziehen, und die Seitenwände des Kanalabschnitts 144 negative Oberflächen aufweisen, die positive Ionen in der Lösung anziehen, wie in 5 gezeigt ist, weist die elektroosmotische Kraft in beiden Abschnitten 142 und 144 zu der rechten Seite der Zeichnung. Somit wird das Subjektmaterial mit elektroosmotischer Kraft von Punkt A zum Punkt B transportiert, während die elektrophoretische Kraft in einem Abschnitt 142 in eine Richtung weist und in dem anderen Abschnitt 144 in die entgegengesetzte Richtung.
Um einen Kanal mit Seitenwänden mit positiven oder negativen Oberflächenladungen zu erzeugen, werden einer oder beide Abschnitte des Kanals mit isolierenden Filmmaterialien mit Oberflächenladungen beschichtet, wie beispielsweise einem Polymer. Beispielsweise können in dem Mikrofluidsystem 100 das Substrat 102 und die Kanäle aus Glas ausgebildet sein. Ein Abschnitt eines jeden Kanals ist mit einem Polymer mit entgegengesetzter Oberflächenladung beschichtet, wie beispielsweise einem Polylysin, oder ist beispielsweise mit einem silanisierenden, eine Aminofunktion enthaltenden Mittel chemisch modifiziert, wie beispielsweise Aminopropyltrichlorsilan. Des weitern sollten die Oberflächenladungsdichten und Volumen von beiden Kanalabschnitten annähernd gleich sein, um elektrophoretische Verzerrung zu kompensieren.
Anstatt in einem festen planaren Substrat ausgebildet zu sein, kann der Kanal auch durch zwei kapillare Röhren ausgebildet sein, die mittels einer Salzbrücke zusammengefügt sind, die ein Reservoir mit ionischem Fluid von Fluiden in den kapillaren Röhren beabstandet. Auch ist eine Elektrode in dem Reservoir mit ionischem Fluid angeordnet. Eine kapillare Röhre weist eine negative Oberflächenladung und die andere kapillare Röhre eine positive Oberflächenladung auf. Der resultierende kapillare Kanal funktioniert wie oben beschrieben ist.
6A–6D stellen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der die Wirkungen von bei dem sich von Punkt A nach Punkt B bewegenden Subjektmaterial induzierter Verzerrung kompensiert werden. Bei dieser Ausführungsform wird das Subjektmaterial am Punkt B, einer Kreuzungsstelle zwischen zwei Kanälen, gemischt, wie in 1 dargestellt ist.
6A–6D zeigen eine Kammer 160, die an der Kreuzungsstelle der Kanäle 150, 152, 154 und 156 ausgebildet ist. Die Kammer 160 weist vier Seitenwände 162, 164, 166 und 168 auf. Die Seitenwand 162 verbindet eine Seitenwand des Kanals 152 mit einer Seitenwand des Kanals 150; die Seitenwand 164 verbindet eine Seitenwand des Kanals 154 mit der anderen Seitenwand des Kanals 154; und die Seitenwand 168 verbindet die gegenüber liegende Seitenwand des Kanals 156 mit der gegenüber liegenden Seitenwand des Kanals 150. Wenn man einen Fluss von Materialien durch den Kanal 152 zu dem Kanal 156 annimmt, bilden die Seitenwände 162 und 168 einen Trichter, wenn die Materialien in den Kanal 150 abgeleitet werden.
Die Maße der Seitenwände 162 und 168 sind an die Länge des Subjektmaterialpropfens 200 angepasst, der sich entlang des Kanals 152 bewegt. Die Seitenwände 162 und 168 führen den Pfropfen 200 in die Breite des Kanals 150 hinunter. Der Kanal 150 hat eine solche Breite, dass Diffusion des Subjektmaterials über die Breite des Kanals 150 hinweg stattfindet, d. h. es findet ein Vermischen statt und es wird eine in dem Subjektmaterialbereich 200, der sich entlang des Kanals 162 bewegt, erzeugte elektrophoretische Verzerrung eliminiert. Wenn der Kanal 150 beispielsweise 50 μm breit ist, erfolgt Diffusion entlang des Kanals bei einem Molekül mit einer Diffusionskonstante von 1 × 10^-5 cm²/sek in ungefähr einer Sekunde.
In 6A bewegt sich ein Pfropfen 200 eines kationischen Subjektmaterials entlang des Kanals 152 zu dem Kanal 156. Zu dem Zeitpunkt, bei dem der Pfropfen 200 die Kammer 160 erreicht, hat das Subjektmaterial eine Elektrophorese durchgemacht, so dass das Material am vorderen Ende des Subjektmaterialbereichs 200 konzentrierter ist. Dies ist durch 6B dargestellt. Dann endet der entlang der Kanäle 152 und 156 angelegte Spannungsabfall und es wird ein Spannungsabfall entlang der Kanäle 154 und 150 erzeugt, um den Subjektmaterialbereich 200 in den Kanal 150 zu ziehen. Die Seitenwände 162 und 168 der Kammer 160 leiten den Subjektmaterialbereich 200 mit seinem elektrophoretisch verzerrten Subjektmaterial. Dies ist durch 6C dargestellt.
Durch Diffusion wird das Subjektmaterial über die Breite des Kanals 150 verteilt, bevor das Subjektmaterial eine signifikante Wegstrecke entlang des Kanals 150 wandert; das Subjektmaterial in dem Subjektmaterialbereich 200 ist gemischt und bereit für den nächsten Arbeitsschritt in dem Mikrofluidsystem 100.
Zusätzlich zu ihrer Verwendung zum Korrigieren von elektrophoretischer Verzerrung innerhalb einer einzelnen Probe sollte man sich der Tatsache bewusst sein, dass die in 5 gezeigte Struktur verwendbar ist zum Mischen von Fluidelementen innerhalb dieser Mikrofluidvorrichtungen, z. B. zwei unterschiedlichen Subjektmaterialien, Puffern, Reagenzien, etc.
BEISPIELE
Beispiel 1 - Erzwungene gemeinsame Wanderung von unterschiedlich geladenen Spezies im Elektropipettentyp-Format
Um die Leistungsfähigkeit von Verfahren zu demonstrieren, die zum Eliminieren oder Reduzieren von elektrophoretischer Verzerrung verwendet werden, werden zwei entgegengesetzt geladene Spezies in einem kapillaren Kanal elektrokinetisch gepumpt und gemeinsam in einem einzelnen Probenpfropfen bewegt. Ein Beckmann Kapillar-Elektrophorese-System wurde verwendet, um die elektrophoretischen Kräfte in dem kapillaren Kanal zu formen.
Kurz ausgedrückt wurde bei diesem Experiment eine Probe verwendet, die Benzylamin und Benzoesäure entweder in Puffer mit niedriger Ionenkonzentration (oder "niedrigem Salzgehalt") (5 mM Borat) oder in Puffer mit hoher Ionenkonzentration (oder "hohem Salzgehalt") (500 mM Borat), pH 8,6, enthielt. Die Benzoesäure war mit in etwa zweifacher Konzentration des Benzylamins vorhanden. Alle Injektionen wurden auf 0,17 Minuten festgelegt. Die Injektionspropfenlänge wurde bestimmt durch die Injektionsspannung von 8 oder 30 kV. Die Puffer mit niedrigem Salzgehalt und hohem Salzgehalt waren wie oben beschrieben.
In einem ersten Experiment wurden drei aufeinander folgende Injektionen einer Probe in Puffer mit niedrigem Salzgehalt in eine mit Puffer mit niedrigem Salzgehalt gefüllte Kapillare eingeführt. Die Injektionen wurden bei 8 kV durchgeführt und waren beabstandet durch Injektionen mit niedrigem Salzgehalt bei 30 kV.
Daten dieser Injektionen sind in 7A gezeigt. Diese Daten zeigen, dass Benzylamin (identifizierbar als kurze Spitzen als Folge seiner geringeren Konzentration) der ersten und zweiten Injektion vor der Benzoesäurespitze (große Spitze) der ersten Injektion kommt. Des Weiteren fällt die Benzylaminspitze der dritten Injektion fast mit der ersten Benzoesäurespitze zusammen. Dieses Experiment illustriert somit die Wirkungen elektrophoretischer Verzerrung, bei der Probenspitzen einen kapillaren Kanal nicht in der gleichen Reihenfolge verlassen können, mit der sie in ihn eingetreten sind. Wie klar gesehen werden kann, können derartige Trennungen die Charakterisierung einer einzelnen Probe stark stören, oder noch schlimmer, vorher oder nachher eingeführte Proben beeinträchtigen.
In einem zweiten Experiment wurde die Kapillare mit einem Puffer mit niedrigem Salzgehalt gefüllt. Proben- wurden injiziert, indem zuerst ein Puffer mit hohem Salzgehalt bei 8 kV eingeführt/injiziert wurde (erster Abstandsbereich 1). Es folgte eine Injektion der Probe in Puffer mit hohem Salzgehalt bei 8 kV, der eine zweite Injektion eines Puffers mit hohem Salzgehalt bei 8 kV folgte (erster Abstandsbereich. 2). Auf diese Weise wurden drei Proben injiziert und durch Injizierung eines Puffers mit niedrigem Salzgehalt bei 30 kV beabstandet. Wie aus 7B gesehen werden kann, wurden beide in der Probe enthaltenen Verbindungen gezwungen, gemeinsam durch den kapillaren Kanal in dem gleichen Probenpfropfen zu wandern, und werden als eine einzelne Spitze für jede Injektion dargestellt. Dies demonstriert Probenregistrierung unabhängig von elektrophoretischer Mobilität.
Durch Reduzieren der Größe des Abstandspropfens mit niedrigem Salzgehalt zwischen den Proben relativ zu der Größe der Proben, kann eine teilweise Auflösung der Komponenten jeder Probeninjektion erreicht werden. Dies kann nützlich sein, wenn einige Trennung einer Probe während des elektrokinetischen Pumpens erwünscht ist, aber ohne Beeinträchtigung von nachfolgend oder vorher injizierten Proben. Dies wurde ausgeführt durch Injizieren des Abstandspropfens mit niedrigem Salzgehalt bei 8 kV an Stelle von 30 kV. Die Daten von diesem Beispiel sind in 7C gezeigt.
Beispiel 2 - Wanderung von Subjektmaterialien durch eine Elektropipette in Mikrofluidsystemsubstrat
9A–9C stellen die experimentellen Testergebnisse der Einführung eines Subjektmaterials, d. h. einer Probe in ein Mikrofluidsystem-Substrat durch eine Elektropipette dar, wie oben beschrieben ist. Die Probe ist Rhodamin B in einer Phosphat-gepufferten Salzlösung, pH 7,4. Auch wurde ein Puffer mit hoher Ionenkonzentration ("hohem Salzgehalt") aus der Phosphat-gepufferten Salzlösung ausgebildet, pH 7,4. Ein Puffer mit niedriger Ionenkonzentration ("niedrigem Salzgehalt") wurde aus einer 5 mM Na-Borat-Lösung, pH 8,6, ausgebildet.
Bei den Tests wurden Subjektmaterialbereiche, die das fluoreszierende Rhodamin B enthielten, periodisch in den kapillaren Kanal einer Elektropipette injiziert, die mit einem Mikrofluidsystemsubstrat verbunden war. Zwischen den Subjektmaterialbereichen wurden auch Puffer mit niedrigem Salzgehalt und mit hohem Salzgehalt injiziert, wie vorstehend beschrieben ist. 9A ist eine graphische Darstellung der Fluoreszenzintensität des Rhodamin B gegen die Zeit, die an einem Punkt entlang des kapillaren Kanals nahe seiner Verbindungsstelle mit einem Kanal gemessen wurde. (Nebenbei angemerkt sollte festgestellt werden, dass die Zahlen auf der Achse der Fluoreszenzintensität bei den graphischen Darstellungen der 9A–9C und 10 Vergleichszwecken dienen, jedoch keine absoluten Werte darstellen). Die Injektionszykluszeit betrug 7 Sekunden und das elektrische Feld zum Bewegen der Subjektmaterialbereiche durch die Elektropipette betrug 1000 Volt/cm. Die Integrationszeit für das Photodiodenmesslicht von dem kapillaren Kanal wurde auf 10 msek eingestellt. Aus der graphischen Darstellung der 9A ist es ohne weiters offensichtlich, dass Lichtintensitätsspitzen in Intervallen von 7 Sekunden erscheinen, was der Injektionszykluszeit für das fluoreszierende Rhodamin B entspricht.
In einem weiteren Experiment wurden die gleichen Puffer mit den Rhodamin B Proben verwendet. Der Messpunkt befand sich in dem Kanal des Substrats, der mit der Elektropipette verbunden war. Die Injektionszykluszeit wurde auf 13,1 Sekunden eingestellt, und die Spannung zwischen dem Quellreservoir, das das Rhodamin B enthielt, und dem Zielreservoir in dem Substrat wurde auf -3000 Volt eingestellt. Wie in 9B gezeigt ist, stimmen die Fluoreszenzintensitätsspitzen sehr gut mit der Injektionszykluszeit des Rhodamin B überein.
Die Ergebnisse eines dritten experimentellen Tests sind in 9C dargestellt. Bei diesem Experiment war die Elektropipette aus einem Substrat ausgebildet und mittels Luftabrasion geformt worden. Der Messpunkt befindet sich entlang des kapillaren Kanals, der in dem Substrat ausgebildet ist (und einer planaren Abdeckung). Hier ist das Probenmaterial 100 μM Rhodamin B in einem PBS-Puffer aus, pH 7,4. Es wurde auch eine PBS-Pufferlösung mit hohem Salzgehalt, pH 7,4, und eine Pufferlösung mit niedrigem Salzgehalt von 5 mM Na-Borat, pH 8,6, verwendet. Wieder stimmen die periodischen Spitzen der Fluoreszenzintensität mit der zyklischen Injektion von Rhodamin B in die Elektropipette überein.
10 stellt die Ergebnisse der zyklischen Injektion eines weiteren Subjektmaterials in eine Elektropipette gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Bei diesem Experiment war die Probe 100 μM einer Verbindung mit kleinem Molekül mit 1% DMSO in einer Phosphat-gepufferten Salzlösung, pH 7,4. Ein Puffer mit hohem Salzgehalt von der gleichen Phosphat-gepufferten Salzlösung, pH 7,4, und ein Puffer mit niedrigem Salzgehalt mit 5 mM Na-Borat, pH 8,6, wurde ebenfalls verwendet. Die zum Bewegen der Subjektmaterialbereiche durch die Elektropipette angelegte Spannung betrug -4000 Volt, und die Integrationszeit für das Messlicht der Photodiode von dem kapillaren Kanal wurde auf 400 msek eingestellt. Die Proben wurden periodisch in die Elektropipette injiziert, wie oben beschrieben ist. Wie bei den vorhergehenden Ergebnissen zeigt die graphische Darstellung von 10 für Verbindungen mit kleinem Molekül, dass die Elektropipette die Proben in gleichmäßig voneinander entfernten Zeit-(und Abstands-)Intervallen bewegt.
Da die obigen spezifischen Ausführungsformen der Erfindung zu Zwecken der Klarheit und dem Verständnis recht detailliert beschrieben worden sind, wird es für einen Fachmann beim Lesen dieser Offenbarung klar sein, dass verschiedene Veränderungen in Form und im Detail vorgenommen werden können, ohne vom Bereich der durch die Ansprüche definierten Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können verschiedene der oben beschriebenen Techniken in verschiedenen Kombinationen verwendet werden.

Claims

Mikrofluidsystem mit einer Mikrofluidvorrichtung (100), enthaltend: ein Substrat (102) mit wenigstens einem ersten Kanal (112) und wenigstens einem zweiten Kanal (110) angeordnet in dem Substrat (102), wobei der wenigstens zweite Kanal (110) den ersten Kanal (112) kreuzt, wobei der erste Kanal (112) tiefer ist als der zweite Kanal (110) und die Kanäle ein Seitenverhältnis (Breite:Tiefe) größer als 5 aufweisen; und ein elektroosmotisches Fluidleitungssystem (132, 134, 137).
Mikrofluidsystem nach Anspruch 1, weiter enthaltend: eine Elektropipette (250) zum Einführen von Materialien in die Mikrofluidvorrichtung (100), wobei die Elektropipette (250) fluidisch mit der Mikrofluidvorrichtung (100) verbunden ist und enthält: einen kapillaren Kanal (254) mit einem ersten Ende zum Kontaktieren von wenigstens einer Quelle der Materialien; und eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen der Quelle der Materialien und einer zweiten Elektrode in der Mikrofluidvorrichtung (100), wenn das Ende des kapillaren Kanals die eine Quelle an Materialien kontaktiert, derart dass Material von der wenigstens einen Quelle elektrokinetisch in die Elektropipette zu der Mikrofluidvorrichtung eingeführt wird.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 2, wobei der kapillare Kanal (254) eine Querschnittsfläche von ungefähr 10-100 μm² aufweist.
Mikrofluidsystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Substrat (102) enthält: ein erstes planares Substrat mit einer ersten Oberfläche, wobei der erste und zweite Kanal auf der ersten Oberfläche erzeugt sind; und ein zweites planares Substrat, das die erste Oberfläche des ersten Substrats bedeckt, wobei es den ersten und zweiten Kanal fluidisch verschließt, um Leitungen zu definieren.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 4, wobei das zweite Substrat durch es hindurch angeordnet wenigstens einen ersten und zweiten Anschluss aufweist, wobei der erste und zweite Anschluss fluidisch mit dem ersten beziehungsweise zweiten Kanal verbunden ist, wenn das zweite Substrat das erste Substrat bedeckt.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 4, wobei die Elektropipette aus dem gleichen Material ausgebildet ist, wie das des ersten und zweiten Substrats.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 2, wobei der kapillare Kanal (254) definiert ist in einem Substrat und durch ein Abdeckelement über dem Substrat.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 2, wobei der kapillare Kanal (254) ein zweites Ende enthält, das in der Mikrofluidvorrichtung (100) endet, und die Elektropipette (250) weiter einen zweiten kapillaren Kanal mit einem ersten Ende enthält, das nahe dem ersten Ende des kapillaren Kanals endet, und einem zweiten Ende, das in einer Quelle eines ersten Abstandsmaterials endet, und die Spannungsquelle eine Spannung derart zwischen der ersten Abstandsmaterialquelle und der Mikrofluidvorrichtung anlegen kann, dass Material von der wenigstens einen Quelle und Abstandsmaterial von der ersten Abstandsmaterialquelle elektrokinetisch in die Elektropipette zu der Mikrofluidvorrichtung eingeführt wird.
Mikrofluidsystem nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Kanal (112) wenigstens doppelt so tief ist wie der zweite Kanal (110).
Mikrofluidsystem nach Anspruch 9, wobei der erste Kanal (112) wenigstens fünf mal tiefer ist als der zweite Kanal (110).
Mikrofluidsystem nach Anspruch 8, wobei die Elektropipette (250) weiter einen dritten kapillaren Kanal mit einem ersten Ende enthält, das nahe dem ersten Ende des kapillaren Kanals endet, und einem zweiten Ende, das in einer Quelle eines zweiten Abstandsmaterials endet, und wobei die Spannungsquelle eine Spannung derart an die zweite Abstandsmaterialquelle und die Mikrofluidvorrichtung anlegen kann, dass Material von der zweiten Abstandsmaterialquelle elektrokinetisch in die Elektropipette zu der Mikrofluidvorrichtung eingeführt wird.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 2, weiter enthaltend eine Probenmatrix mit einer Mehrzahl an darauf immobilisierten Probenmaterialien, wobei die Probenmatrix benachbart zu dem ersten Ende des kapillaren Kanals angeordnet ist.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Mehrzahl an Probenmaterialien auf der Probenmatrix getrocknet ist.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix eine poröse Matrix enthält.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix eine geladene Matrix enthält.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix eine hydrophobe Matrix enthält.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix eine hydrophile Matrix enthält.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix hydrophile Bereiche enthält, die von hydrophoben Barrieren umgeben sind, wobei jedes Probenmaterial von der Mehrzahl an Probenmaterialien entsprechend in den hydrophilen Bereichen angeordnet ist.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix hydrophobe Bereiche enthält, die von hydrophilen Barrieren umgeben sind, wobei jedes Probenmaterial von der Mehrzahl an Probenmaterialien entsprechend in den hydrophoben Bereichen angeordnet ist.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix eine Membran enthält, die ausgewählt ist aus Zellulose, Nitrozellulose, PVDF, Nylon und Polysulfon.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix wenigstens eintausend verschiedene Probenmaterialien enthält.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Probenmatrix wenigsten einhunderttausend verschiedene Probenmaterialien enthält.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei die Elektropipette betrieben wird, um eine Menge an solubilisierender Flüssigkeit von der Elektropipette auf die Probenmatrix auszugeben, um ein darauf immobilisiertes Probenmaterial zu solubilisieren, und um das solubilisierte Probenmaterial in die Elektropipette zu ziehen.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, weiter enthaltend ein Translationssystem, um die Probenmatrix relativ zu der Elektropipette zu bewegen.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 12, wobei ein zweites Ende des kapillaren Kanals konfiguriert ist, um ein Volumen an ausgegebenem solubilisierendem Fluid darin zu halten.
Mikrofluidsystem nach Anspruch 25, wobei das zweite Ende des kapillaren Kanals offen in einem Probengefäß an einem Ende der Elektropipette ist, wobei das Probengefäß konfiguriert ist, um ein Volumen an solubilisierendem Fluid darin zu halten.
Verfahren zum kontrollierbaren Zuführen eines Fluidstroms in einem elektroosmotischen Fluidleitungssystem, wobei das Verfahren enthält: zur Verfügung stellen eines Substrats mit einem ersten Kanal und wenigstens einem zweiten Kanal, der den ersten Kanal kreuzt; und Versehen des ersten Kanals mit einer größeren Tiefe als bei dem zweiten Kanal und wobei die Kanäle ein Seitenverhältnis (Breite:Tiefe) größer als 5 aufweisen; wobei der Fluidstrom wenigstens zwei Fluidbereiche mit unterschiedlichen Ionenstärken aufweist.
Verfahren nach Anspruch 27, weiter enthaltend den Schritt des zur Verfügung stellens einer Elektropipette, die an einem Ende an dem Substrat angebracht ist, und Einführen eines ersten Probenmaterials in die Elektropipette.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Einführens des ersten Probenmaterials in die Elektropipette elektrokinetisches Einführen des ersten Probenmaterials in die Elektropipette enthält.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Einführens des ersten Probenmaterials in die Elektropipette elektroosmotisches Einführen des ersten Probenmaterials in die Elektropipette enthält.
Verfahren nach Anspruch 28, weiter enthaltend den Schritt des Bewegens des ersten Probenmaterials von der Elektropipette in den ersten Kanal durch elektrokinetisches Bewegen des ersten Probenmaterials von der Elektropipette zu dem ersten Kanal.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt des elektrokinetischen Bewegens des ersten Probenmaterials von der Elektropipette in den ersten Kanal das zur Verfügung stellen eines Spannungsabfalls zwischen dem einen Ende der Elektropipette und einem mit dem ersten Kanal verbundenen Reservoir enthält.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt des elektrokinetischen Bewegens des ersten Probenmaterials von der Elektropipette in den ersten Kanal elektroosmotisches Bewegen des Probenmaterials in den ersten Kanal enthält.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das erste Probenmaterial durch wenigstens einen ersten Abstandsmaterialbereich begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das erste Probenmaterial durch wenigstens einen ersten und einen zweiten Abstandsmaterialbereich begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Einführens des ersten Probenmaterials in die Elektropipette weiter die Schritte enthält: Kontaktieren eines zweiten Endes der Elektropipette mit einer Quelle des ersten Probenmaterials; und Ziehen des ersten Probenmaterials in die Elektropipette.
Verfahren nach Anspruch 36, weiter die Schritte enthaltend: Kontaktieren des zweiten Endes der Elektropipette mit einer Quelle eines Abstandsmaterials; Ziehen des Abstandsmaterials in die Elektropipette, nach dem Schritt des Einführens des Probenmaterials in die Elektropipette.
Verfahren nach Anspruch 36, weiter die Schritte enthaltend: Kontaktieren des zweiten Endes der Elektropipette mit einer Quelle eines zweiten Probenmaterials; Einführen des zweiten Probenmaterials in die Elektropipette; und Transportieren des zweiten Probenmaterials von der Elektropipette in den ersten Kanal.
Verfahren nach Anspruch 38, wobei das erste Probenmaterial DMSO enthält.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei eine Probenmatrix die Quelle des ersten Probenmaterials enthält, wobei die Probenmatrix eine Mehrzahl an darauf immobilisierten Proben aufweist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Probenmatrix die Mehrzahl an verschiedenen Proben enthält, die auf der Probenmatrix an fixierten Positionen punktförmig verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt des Kontaktierens das Solubilisieren des ersten Probenmaterials auf der Probenmatrix enthält, wobei die solubilisierte Probe während des Einführungsschritts in die Elektropipette gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Schritt des Solubilisierens des ersten Probenmaterials ausgeführt wird unter Verwenden einer Menge an solubilisierendem Fluid, das an dem zweiten Ende der Elektropipette vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Elektropipette einen kapillaren Kanal mit einer Querschnittsfläche von zwischen etwa 1 und etwa 100 (μm)² enthält.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei der Solubilisierungsschritt das Ausgeben einer Menge an solubilisierendem Fluid von dem zweiten Ende der Elektropipette auf die Probenmatrix enthält, um das erste Probenmaterial auf der Probenmatrix zu solubilisieren.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Solubilisierungsschritt das Ausgeben einer Menge an solubilisierendem Fluid von einem Ende eines zweiten Kanals enthält, wobei das Ende des zweiten Kanals benachbart ist zu dem zweiten Ende der Elektropipette.
Verfahren nach Anspruch 40, weiter enthaltend Translation der Probenmatrix relativ zu dem zweiten Ende der Elektropipette, und Wiederholen der Schritte des Kontaktierens, Ziehens und Bewegens mit einem zweiten Probenmaterial.
Verfahren nach Anspruch 47, weiter enthaltend das Wiederholen der Schritte der Translation, des Kontaktierens, Ziehens und Bewegens mit wenigstens 1000 verschiedenen auf der Probenmatrix immobilisierten Testverbindungen.
Verfahren nach Anspruch 47, weiter enthaltend das Wiederholen der Schritte der Translation, des Kontaktierens, Ziehens und Bewegens mit wenigstens 100.000 verschiedenen auf der Probenmatrix immobilisierten Testverbindungen.