DE69533554T2

DE69533554T2 - Flüssigkeitsverteilungssystem

Info

Publication number: DE69533554T2
Application number: DE69533554T
Authority: DE
Inventors: J. Peter ZANZUCCHI; C. Satyam CHERUKURI; E. Sterling MCBRIDE; R. Robert DEMERS; W. Aaron LEVINE
Original assignee: Orchid Biosciences Inc
Current assignee: Orchid Cellmark Inc
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2015-11-10
Also published as: ATE277450T1; EP0791238A4; AU705351B2; KR100314996B1; JP2001509727A; KR970707627A; CA2204912A1; AU4152396A; CA2204912C; EP0791238A1; JP3398749B2; WO1996015576A1; EP0791238B1; US5846396A; DE69533554D1

Description

Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren und System zur Handhabung von Fluiden, welches bei einer Anzahl von Kontexten brauchbar ist, einschließlich der Durchführung verschiedener synthetischer, diagnostischer und Arzneimittelausschlußreaktionen. Spezieller betrifft diese Erfindung ein System und ein Verfahren, die eine geschichtete Anordnung zur Verteilung von Reagenzflüssigkeiten enthalten, während die Verunreinigung oder wechselweise Verunreinigung dieser Flüssigkeiten gehemmt wird.
Die US-A-4,908,112 beschreibt eine analytische Trennvorrichtung, bei welcher eine Leitung in Kapillargröße durch einen Kanal in einer Halbleitervorrichtung gebildet wird und der Kanal durch eine Glasplatte verschlossen ist. Elektroden werden in dem Kanal positioniert, um die Flüssigkeitsbewegung durch die Leitung durch Elektro-Osmose zu aktivieren.
Die US-A-5,250,263 beschreibt eine Apparatur zur Bearbeitung oder Herstellung von Flüssigkeitsproben für chemische Analyse, die einen Satz von plattenartigen Komponenten umfaßt, von denen jede Kanäle und/oder Verzweigungen mit Öffnungen, Ventilen oder Pumpen zum Beschicken mit einer Trägerflüssigkeit und Proben in einer erwünschten Weise hat. Die Komponenten können in variierender Anzahl und Aufeinanderfolge gestapelt werden.
In jüngster Zeit konzentrierte sich eine Anzahl von akademischen Artikeln auf die Probleme, die mit der Durchführung chemischer Reaktionen in einem Mikromaßstab verbunden sind. Diese Literatur diskutierte die Möglichkeit der Lenkung solcher Reaktionen auf kompakten Trägern von Plättchengröße, die geätzt wurden, um Mikrokanäle zu erzeugen. Reaktorsysteme dieses Maßstabs könnten die Durchführung von mehrfachdiagnostischen oder Arzneimittelaussonderungs-Assays in einer transportablen Vorrichtung erlauben, die kleine Mengen von Reagenzien verwendet und damit die Anlieferungs- und Entsorgungskosten vermindert.
Ein Mechanismus zur Entwicklung neuer Arzneimittel, der nicht durch die Natur vorgesehen war, wurde zu einer „rationalen" Arzneimittelgestaltung kopiert. Dieses Verfahren zielt auf die Strukturen biologischer Makromoleküle, wie durch Kristallographie und die Strukturen pharmakologischer Mittel, die bekanntermaßen in Wechselwirkung mit diesen Makromolekülen treten. Mit der Verwendung von Computer-Arbeitsstationen hoffte man, daß neue pharmakologische Mittel gestaltet werden könnten, die geeignet positionierte Funktionalitäten für starke Wechselwirkung mit dem Makromolekül haben. Eine Schwierigkeit mit diesem Lösungsweg ist jene, daß wachsende Kristalle, die geeignet für kristallographische Strukturbestimmungen sind, eine uninteressante empirische Technik ergeben. In vielen Fällen ist es unklar, ob geeignete Kristalle gezüchtet werden können (beispielsweise die Glycoproteinhormone, wie Choriongonadotrapin oder andere Glycoproteine). Eine andere Schwierigkeit ist die, daß die Chemie nicht die verformbaren Konstruktionswerkzeuge liefert, die durch den Begriff „Design" hervorgerufen werden. Statt dessen liefern chemische Baublöcke nur eine begrenzte Anzahl von Bindungswinkeln und -längen. Beispielweise können die strukturellen Wege, durch welche eine Chlorgruppe in einem besonderen Teil einer Arzneimittelbindungstasche in dem Makromolekül positioniert werden könnte, viele sein, während die Vorteile oder Nachteile der ergänzenden Strukturen, die benötigt werden, um diese Gruppe zu positionieren, schwerlich „rational" zu bewerten sind.
Kombinatorische Chemie sucht ihr eigenes „evolutionäres" Verfahren zu erzeugen, das Verbindungen mit der erwünschten pharmakologischen Aktivität auswählt. Der Schlüssel dazu, das Verfahren evolutionär zu machen, ist jenes, große Familien von Mutanten" zu erzeugen, in diesem Fall Familien von Verbindungen mit einiger chemischer Verwandtschaft, aber mit klaren Unterschieden. Die Konzepte von rationalem Design können bei der Auswahl der Familien von Verbindungen, die durch die kombinatorische Methode erforscht werden sollen, mit Vorteil herangezogen werden.
Kombinatorische Chemie sucht danach, neue Kanäle zu Verbindungsklassen, die potentiell pharmakologische Aktivität besitzen, zu erzeugen. Solche Extrakte sind uninteressant zu erhalten, können sehr kleine Konzentrationen an potentiell brauchbaren Verbindungen haben und enthalten bestenfalls nur Verbindungen, die durch evolutionäre Drücke ausgewählt wurden, die aber nichts mit der Krankheit zu tun haben, die behandelt werden soll. Nachdem ein Extrakt identifiziert wurde, liefert das Verfahren wenig Information über die Identität des aktiven Bestandteils.
Kombinatorische Chemie bemüht sich, die große unterschiedliche Verbindungsfamilie durch Permutation eines relativ beschränkten Satzes von Baublockchemikalien zu suchen. Vorzugsweise wird die kombinatorische Methode identifizierbare Ansammlungen erzeugen, die eine oder mehrere synthetische Verbindungen enthalten. Diese Ansammlungen brauchen nicht durch die chemische Struktur der Komponentenverbindungen identifizierbar zu sein, sollten aber durch die chemische Rezeptur identifizierbar sein, welche die Verbindungen erzeugte. Diese Ansammlungen werden dann in einem Assay einer Vorauswahl überprüft, von der angenommen wird, daß sie in Wechselbeziehung zu der pharmakologischen Aktivität steht. Jene Ansammlungen, die vielversprechende Ergebnisse erzielen, werden weiter geprüft, um die Komponentenverbindungen zu identifizieren und zu klären, welche der Komponentenverbindungen für die Ergebnisse verantwortlich sind.
Die Abfolge der Bedingungen, die verwendet wurde, um die aktiven Verbindungen in einer kombinatorischen Ansammlung zu identifizieren, kann auch eine kombinatorische Methode einschließen. Beispielsweise könnte die vielversprechende Ansammlung aus der Umsetzung resultieren, in der zunächst ein Gemisch von Verbindungen A, B und C, die nicht miteinander reagieren, mit Verbindungen D, E und F, die nicht miteinander, aber mit den Verbindungen A, B oder C reagieren, umgesetzt werden. Zweitens werden die resultierenden Verbindungen mit Verbindungen G, N und I umgesetzt. Um die mögliche Identität der aktiven Verbindungen in der Ansammlung zu identifizieren, können die Produkte A-D, A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E und C-F separat durch kombinatorische Chemie erzeugt werden und separat mit einem Gemisch von G, N und I umgesetzt werden. Nach dieser Stufe ist die Unteransammlung aktiv in dem Vorauswahl-Assay, der allgemein eine begrenztere Familie von Verbindungen enthält.
Wenn vielversprechende Moleküle durch kombinatorische Chemie identifiziert sind, liefern die identifizierten Moleküle Informationen, die das Design weiterer kombinatorischer Experimente unterstützt. Die vollständige Anordnung vielversprechender Verbindungen, die durch kombinatorische Chemie identifiziert wurden, kann wertvolle Information liefern, um traditionelle pharmazeutische Chemieerfolge zu bewerten.
Ein populäres Werkzeug in dem auftauchenden Gebiet kombinatorischer Chemie ist jenes, die ersten chemischen Baublöcke an kompaktem Träger, typischerweise einem Glas- oder Polymerträger, anzuheften, wie bei den Trägern, die in der bekannten Merrifield-Methode zum Synthetisieren von Polypeptiden verwendet werden. Diese Befestigung ergibt einen Mechanismus für rasches Isolieren von Produkt durch einfaches Wegwaschen von Reaktionspartnern und verwandten Verunreinigungen sowie Entkopplung des Produktes von dem Träger. In einigen Fällen kann das Trägergekoppelte Produkt auf pharmakologische Aktivität getestet werden.
Miniaturisierung wird gewöhnlich in der kombinatorischen Chemie verwendet, da: (i) Arbeiter allgemein Verbindungen suchen, die in kleinen Konzentrationen pharmakologisch aktiv sind, (ii) bei der Erzeugung einer gewaltigen „evolutionären" Auswahl von Kandidatenmolekülen es bevorzugt ist, die zahlreichen Reaktionen gut dokumentiert zu haben und vorzugsweise unter der Regie einer begrenzten Anzahl von Arbeitern Reproduzierbarkeit der Technik zu erzielen, (ii) es teuer ist, einen ausgedehnten, synthetischen Chemiekomplex in traditionellem Maßstab zu erzeugen, um eine ausreichend mannigfaltige Familien von Kandidatenverbindungen zu erzeugen, und (iv) wesentliche Unruhe entsteht durch die Aussicht, Assays der Produkte kombinatorischer Chemie in stärker standardisierten Maßstäben durchzuführen. Miniaturisierung erlaubt die wirtschaftliche Verwendung von Robotersteuerung und damit erhöhte Reproduzierbarkeit.
Die oben beschriebenen Einrichtungen von Plättchengröße können ideal für kombinatorische Chemie sein, die im wesentlichen die Durchführung zahlreicher Chemiereaktionen einschließt, verwenden im wesentlichen unter Computersteuerung nur kleine Reagenzmengen für ihre Durchführung. Die akademische Literatur jedoch, die solche Vorrichtungen im Mikromaßstab vertritt, hat keine geeignet gezogene fundamentale Ergebnisse bei der Durchführung kombinatorischer Chemie in diesem Maßstab: beispielsweise, wie handhabt man den Vorgang, Reagenzien durch eine komplexe Vorrichtung im Mikromaßstab hin- und herzuführen und dies ohne wesentliche gegenseitige Verunreinigung, während man eine komplexe Klasse unterschiedlicher Synthesen gestattet, um in einer großen Zahl von Mikromaßstab-Reaktionsbehältern (zum Beispiel 100 bis 10000) in der Vorrichtung hat? Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung im Mikromaßstab, die diese Probleme löst.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach einem Aspekt liefert die Erfindung ein Flüssigkeitsverteilungssystem mit:

(a) einer Hindurchführungsplatte (300) mit Flüssigkeitsquellen darin,
(b) einer Verteilungsplatte, die ein Netz von Fluidkanälen mit Kapillarabmessungen zum Leiten von Flüssigkeit von den Flüssigkeitsquellen aus zu einer Mehrzahl von Auslässen an einem oder an mehreren Schächten hat, wobei gegebenenfalls einer dieser Kanäle mit Kapillarabmessungen, der durch die Flüssigkeitsquelle ansprechbar ist, wenigstens einen Auslaß zu einem der Schächte und für jeden Auslaß eine Kapillarbarriere zur Hemmung des Flusses aus dem Auslaß hat, und
(c) Pumpen für jeden Auslaß, in das Substrat eingearbeitet, für selektives Pumpen von Flüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle und aus dem Auslaß heraus, wobei die Pumpen selektiv arbeiten und wenigstens einer der Schächte Flüssigkeit von einer ersten der Flüssigkeitsquellen oder einer zweiten der Flüssigkeitsquellen in Abhängigkeit vom Betrieb der Pumpen aufnehmen kann, wobei die Pumpen beispielsweise zwei Elektrodenansätze umfassen,
(d) einer Schachtplatte mit einem oder mehreren Schächten (350), die lösbar unter der Verteilungsplatte angeordnet sein können, um jeden Schacht mit einem Auslaß auszurichten,
(e) wobei die Verteilungsplatte eine an die Bodenfläche der Hindurchführungsplatte dichtend angebrachte obere Oberfläche hat und das zweite Substrat elektrische Leitungen umfaßt, die sich durch das zweite Substrat erstrecken, um mit den Pumpen verbunden zu sein und sie mit Energie zu versorgen.

Bei einem anderen Aspekt liefert die Erfindung ein Verteilungssystem, das in einem Substrat ausgebildet ist, mit In einem Substrat ausgebildetem Vereilungssystem mit einer Hindurchführungsplatte mit einer alpha-Flüssigkeitsquelle, einer beta-Flüssigkeitsquelle und einer Verteilungsplatte mit einem System von Kanälen mit Kapillarabmessungen, wobei die Verteilungsplatte einen ersten Satz paralleler und benachbarter erster und zweiter Kapillarzubringerkanäle und einen zweiten Satz paralleler und benachbarter dritter und vierter Kapillarzubringerkanäle umfaßt, die gegenüber den ersten und zweiten Zubringerkanälen versetzt sind, wobei (a) die ersten und dritten Zubringerkanäle mit der alpha-Flüssigkeitsquelle durch einen ersten Kapillarverbindungskanal, der oberhalb oder unterhalb der zweiten und vierten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von der beta-Flüssigkeitsquelle sind, und (b) die zweiten und vierten Zubringerkanäle mit der beta-Flüssigkeitsquelle durch einen zweiten Kapillarverbindungskanal verbunden sind, der oberhalb oder unterhalb der ersten und dritten Zubringerkanäle liegt, und unabhängig von der alpha-Flüssigkeitsquelle sind, worin beim Füllen mit alpha-Flüssigkeitsquelle mit einer Flüssigkeit die ersten und zweiten Zubringerkanäle durch Kapillarwirkung über den ersten Verbindungskanal gefüllt werden und worin beim Füllen der beta-Flüssigkeitsquelle mit einer Flüssigkeit die dritten und vierten Zubringerkanäle durch Kapillarwirkung über den zweiten Verbindungskanal gefüllt weiden.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Flüssigkeitsverteilungssystem zum Leiten von Flüssigkeiten zu zwei oder mehr Schächten mit:

(a) drei oder mehr Platten, von denen jede eine Deckplatte und eine Bodenplatte hat, einschließlich (i) einer ersten Platte und einer zweiten Platte mit einem oder mehreren Schächten und (ii) eine oder mehrere Verteilungsplatten, die ein Verteilungssubstrat begrenzen, hat, jede Verteilungsplatte Spitze an Boden verbunden ist, wobei die Spitze des Verteilungssubstrats mit dem Boden der ersten Platte verbunden ist und der Boden des Verteilungssubstrats mit der Spitze der zweiten Platte verbunden ist, und worin das Verteilungssubstrat wenigstens zwei erste Flüssigkeitsquellen umfaßt,
wenigstens ein erstes Zubringerkanalsegment mit Kapillarabmessungen mit jeder ersten Quellen verbunden ist, jedes erste Zubringerkanalsegment entlang einer ersten Verbindung von zweien dieser Platten gebildet wird, und wenigstens ein Verteilungskanal mit Kapillarabmessungen mit jedem Zubringerkanal verbunden ist und entlang einer zweiten Verbindung, von der ersten unterscheidbar, von zweien dieser Platten gebildet ist, wobei jeder Verteilungskanal mit einem Zubringerkanal verbunden ist und eine Projektion wenigstens eines Verteilungskanals auf der ersten Verbindung einen anderen Zubringerkanal schneidet,
worin das Füllen jeder ersten Quelle mit einer Flüssigkeit dazu führt, daß durch Kapillarwirkung die verbundenen ersten Zubringerkanalsegmente und verbundenen Verteilungskanäle gefüllt werden, und worin die Schächte durch die Flüssigkeitsquellen über die ersten Zubringerkanalsegmente, die Ausdehnungskanäle und die verbundenen Verteilungskanäle gelenkt werden und worin wenigstens ein Schacht auf der zweiten Platte durch zwei oder mehrere der Flüssigkeitsquellen über separate Zubringerkanäle und Verteilungskanäle lenkbar ist.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Flüssigkeitsverteilungssystem, das in einer Reihe von Kontexten brauchbar ist, einschließlich der Durchführung verschiedener synthetischer, diagnostischer und Arzneimittelvorprüfreaktionen. Das Verteilungssystem kann ein alpha-Reservoir und ein beta-Reservoir, einen ersten Satz paralleler und benachbarter erster und zweiter Zubringerkanäle sowie einen zweiten Satz paralleler und benachbarter dritter und vierter Zubringerkanäle umfassen, worin (a) die ersten und dritten Zubringerkanäle mit dem alpha-Reservoir über einen ersten Verbindungskanal verbunden sind, der oberhalb oder unterhalb der zweiten und vierten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von dem beta-Reservoir sind, und worin (b) die zweiten und vierten Zubringerkanäle mit dem beta-Reservoir über einen zweiten Verbindungskanal verbunden sind, der oberhalb oder unterhalb der ersten und dritten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von dem alpha-Reservoir sind. Das Verteilungssystem ist vorzugsweise ein Verteilungssystem im Mikromaßstab.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein System von Kanälen für eine von hundert Reaktionszellen mit einer von vier Fluiden.
2 zeigt eine Verteilungsplatte nach der Erfindung.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Verteilungsplatte von 1.
4A zeigt eine Kapillarbarriere zwischen einem ersten Verteilungskanal und einem Pufferkanal.
4B zeigt eine Kapillarbarriere zwischen einem ersten Verteilungskanal und einem Pufferkanal und eine andere Kapillarbarriere zwischen einem Pufferkanal und einem vertikalen Kanal.
5 zeigt in drei Dimensionen verschiedene weggebrochene Darstellungen der Hindurchführungsplatte, der Verteilungsplatte und der Reaktionszellenplatte eines Verteilungssystems nach der Erfindung.
6A zeigt einen Querschnitt entlang einer EW-Achse durch einen Verteilungskanal.
6B zeigt einen Querschnitt entlang einer EW-Achse durch ein erstes Reservoir.
7 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Verteilungsplatte.
8 zeigt ein Spannungs-Impulsbild, das verwendet wird, um eine Pumpe auf Elektrodenbasis mit Energie zu versorgen, die in dem Flüssigkeitsverteilungssystem der Erfindung brauchbar ist.
9 erläutert schematisch ein Flüssigkeitsverteilungssystem des bevorzugten Flüssigkeitsfluß-Verteilungssystems.
10A und 10B zeigen Querschnittsdarstellungen eines Flüssigkeitsverteilungssystems des bevorzugten Flüssigkeitsfluß-Verteilungssystems.
11 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Flüssigkeitsverteilungssystem des bevorzugten Flüssigkeitsfluß-Verteilungssystems.
12 zeigt eine Draufsicht auf ein Flüssigkeitsverteilungssystem des Ausdehnungsventil-Flüssigkeitsverteilungssystems.
13A bis 13C zeigen Querschnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen des Ausdehnungsventil-Flüssigkeitsverteilungssystems.
14 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil eines Flüssigkeitsverteilungssystems auf Elektrodenbasis.
15A und 15B erläutern Reaktionszellengestaltungen.
16A bis 16D zeigen verschiedene Kapillarbarrierengestaltungen.
17 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung von feldunterstützter Plattenbindung.
18A und 18B zeigen eine Kanalvorrichtung mit Pumpen auf Elektrodenbasis.
19 zeigt die Gestaltung eines Flüssigkeitsverteilungssystems gemäß dem hydrologischen Flüssigkeitsverteilungssystem.
20 zeigt eine Reaktionszelle mit einem Erhitzer und einem Thermoelement. 21A und 21B zeigen eine Ventilgestaltung.
Definitionen
Die folgenden Begriffe sollen die nachfolgend angegebene Bedeutung haben:
– Adressierbar
eine Reaktionszelle oder ein Kanal ist „adressierbar" durch ein Reservoir oder einen anderen Kanal, wenn Flüssigkeit von dem Reservoir oder anderen Kanal zu der Reaktionszelle oder dem Kanal gelenkt werden kann.
– Benachbart
„benachbart", wie in diesen Situationen vennrendet: (i) eine erste Struktur in einer der Platten ist benachbart zu einer zweiten Struktur in der gleichen oder einer anderen Platte, wenn die vertikale Projektion der ersten Struktur auf die Platte der zweiten Struktur über der ersten Struktur auf der zweiten liegt oder sie innerhalb etwa 250 µm von der zweiten plaziert und (ii) Gruppierungen zweier oder mehrerer Kanäle sind benachbart zueinander, wenn jeder Kanal in im wesentlichen derselben horizontalen Ebene liegt und alle bis auf die äußeren beiden Kanäle in der Gruppierung (im gleichen Sinne wie oben in (i) definiert) zu den Nachbarkanälen in der Gruppierung benachbart sind. Vorzugsweise ist unter (i) eine erste Struktur benachbart zu einer zweiten Struktur, wenn die vertikale Projektion der ersten Struktur auf die Platte der zweiten Struktur über der ersten Struktur auf der zweiten liegt oder sie innerhalb etwa 150 µm der zweiten plaziert ist.
– Kapillarabmessungen
Abmessungen, die Kapillarfluß einer Flüssigkeit begünstigen. Typischerweise sind Kanäle von Kapillarabmessungen nicht breiter als etwa 1,5 mm. Bevorzugt sind Kanäle nicht breiter als etwa 500 µm, doch noch stärker bevorzugt nicht breiter als etwa 250 µm, noch stärker bevorzugt nicht breiter als etwa 150 µm.
– Kapillarbarriere
eine Barriere für Fluidfluß in einem Kanal mit einer Öffnung des Kanals in einen größeren Raum, der dazu bestimmt ist, die Bildung zu begünstigen durch Flüssigkeit in dem Kanal mit einer Energie minimierenden Flüssigkeitsoberfläche, wie einem Meniskus an der Öffnung. Vorzugsweise schließen Kapillarbarrieren einen Stau ein, der sich in der vertikalen Höhe des Kanals unmittelbar vor der Öffnung in den größeren Raum erhebt.
– Verbunden
die Kanäle, Reservoirs und Reaktionszellen der Erfindung sind „verbunden", wenn es einen Weg gibt, der Fluid zwischen ihnen gestattet, wobei dieser Weg nicht die Verwendung einer Reaktionszelle als Teil des Verbindungsgliedes einschließt.
– Kanal mit kontinuierlichem Fluß
ein Kanal mit einem Überlaufauslaß, der erlaubt, daß Fluid kontinuierlich durch den Kanal fließt.
– Direkt verbunden
Reservoirs und horizontale Kanäle sind „direkt verbunden", wenn sie verbunden sind und entweder (1) einen anderen Kanal zwischen sich haben oder (2) nur ein einzelner vertikaler Kanal zwischen ihnen eingeschaltet ist.
– Ausdehnungsventil
eine expandierbare Kammer, verbunden mit einem Fluidkanal, wobei die Kammer (a) mit einem Gas oder einer Flüssigkeit mit einem Siedepunkt innerhalb von etwa 10°C der beabsichtigten Arbeitstemperatur des Flüssigkeitsverteilungssystems und (b) mit einem verbundenen Heizelement zum Erhitzen der ausdehnbaren Kammer, um die Flüssigkeit zum Sieden zu bringen oder das Gas so zu expandieren, daß genügend Expansion der expandierbaren Kammer bewirkt, daß ein Querschnitt des Fluidkanals gefüllt wird.
– Lochdurchmesser
da Techniken zur Herstellung kleiner Löcher oftmals Löcher erzeugen, die an einem Ende größer als am anderen Ende sind (beispielsweise etwa 50 Mikron breiter), betreffen Lochdurchmesserwerte hier den engsten Durchmesser.
– horizontal, vertikal EW, NS
Anzeichen der Orientierung eines Teils des Verteilungssystems beziehen sich auf die Orientierung, wenn die Vorrichtung in Verwendung ist. Die Angaben „EW-Achse" und „NS-Achse" sind Bezugszeichen von 1, 2, 3 und 7, wo eine EW-Achse von rechts nach links geht und senkrecht zu der Längsachse der Seite ist und eine NS-Achse vom Boden parallel zu der langen Achse der Seite geht.
– Unabhängig
Kanäle, Reservoirs und Reaktionszellen, die nicht verbunden sind.
– Versetzt
zwei Sätze von Kanälen sind „versetzt", wenn keiner der Kanäle in dem ersten benachbart zu einem der Kanäle in dem zweiten Satz sich befindet.
– Offene Zone
ein Bereich eines Kanals, der sich erweitert, um den Fluß-induzierten Druck eines Fluids zu senken, das durch den Kanal fließt.
– Senkrecht
Kanäle in der Verteilungsplatte sind senkrecht, selbst wenn sie primär auf getrennten horizontalen Ebenen liegen, wenn ihre vertikalen Vorsprünge auf der gleichen horizontalen Ebene senkrecht sind.
– Reservoir
wenn nicht eine andere Bedeutung aus dem Kontext ersichtlich ist, schließen die Begriffe „Reservoir" und „Fluidreservoir" Kanäle mit horizontaler Erstreckung (manchmal einfach als „Erstreckung" bezeichnet), direkt mit dem Reservoir oder Fluidreservoir verbunden, ein.
– Erstreckungskanäle des zweiten Reservoirs
diese Erstreckungskanäle schließen die Verteilungskanäle ein, die von diesen Erstreckungskanälen abzweigen können.
– Im wesentlichen die Länge einer der horizontalen Abmessungen
wenigstens etwa 70% der größeren (zum Bei- spiel die EW- oder NS-Abmessungen, die in den Figuren erläutert sind) horizontalen Abmes- der Verteilungsplatte sungen
– U-auslotender Kanal
ein Kanal, der dazu bestimmt ist, wenigstens zwei Kanäle oder Reservoirs derart zu verbinden, daß der Flüssigkeitsspiegel in einem der verbundenen Kanäle oder Reservoirs sich mit dem Flüssigkeitsspiegel in den anderen verbundenen Kanälen oder Reservoirs infolge der hydrologischen Kräfte ausgleicht. U-auslotende Kanäle haben typischerweise vertikale Kanäle, die Kanäle oder Reservoirs, die in einer höheren vertikalen Ebene liegen, mit einem im wesentlichen horizontalen Kanalsegment des U -Auslotkanals verbinden, welcher letzterer in einer unteren Ebene liegt und diese vertikalen und horizontalen Segmente zusammen den U-Auslotungskanal umfassen. Die Zubringerkanäle nach der Erfindung sind typischeiweise U-Auslotungskanäle.
Detaillierte Beschreibung
Eine Version der Erfindung ist ein hydrologisches Flüssigkeitsverteilungssystem mit einer Verteilungsplatte, die wenigstens zwei erste Reservoirs mit einem gemeinsamen ersten Füll-Level, wenigstens einem Zubringerkanal, der mit jedem der ersten Reservoirs verbunden ist und sich von dort aus erstreckt, wobei jeder Zubringerkanal ein horizontales Zubringerkanalsegment hat, worin das obere Ende des horizontalen Zubringerkanalsegments unter dem ersten Füll-Level sich befindet, wenigstens einem Verteilungskanal, der mit jedem Zubringerkanal mit einem zweiten Füll-Level bei im wesentlichen der gleichen Höhe wie der erste Füll-Level, und einer ersten Flüssigkeitslevelhaltenden Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitslevels bei dem ersten Füll-Level, worin das Befüllen eines jeden ersten Reservoirs bis zu dem ersten Füll-Level zum Füllen des verbundenen Zubringerkanals und zum Befüllen der verbundenen Verteilungskanäle bis zu dem zweiten Füll-Level führt. Die Verteilungskanäle haben vorzugsweise wenigstens eine Kapillarbarriere.
Die Verteilungsplatte ist vorzugsweise mit einer Hindurchführungsplatte gekoppelt, die auf die Verteilungsplatte paßt und Kanäle oder Leitungen bereitstellt, die den Durchgang von Flüssigkeiten oder elektrischen Leitungen durch sie bis zu der Verteilungsplatte erlauben. Eine lösbare Reak tionszellenplatte ist vorzugsweise unter der Verteilungsplatte angekoppelt und beinhaltet eine oder mehrere, stärker bevorzugt zwei oder mehr, Reaktionszellen, in welche Flüssigkeiten aus wenigstens zwei Reservoirs über die Verteilungsplatte verteilt werden können. Die Reaktionszellenplatte enthält vorzugsweise etwa 100 oder mehr Reaktionszellen, von denen jede durch wenigstens zwei Reservoirs adressierbar ist. Stärker bevorzugt enthält die Reaktionszellenplatte etwa 1000 oder mehr Reaktionszellen, von denen jede durch wenigstens zwei Reservoirs adressierbar ist. Noch stärker bevorzugt enthält die Reaktionszellenplatte etwa 10.000 oder mehr Reaktionszellen, von denen jede durch wenigstens zwei Reservoirs adressierbar ist.
Die Verteilungsplatte hat vorzugsweise mehrere erste Reservoirs. Die ersten Reservoirs können einen Reservoirprimäranteil und ein oder mehrere Reservoirerstreckungskanäle haben, die vorzugsweise zusammen sich entlang im wesentlichen der Länge einer der horizontalen Abmessungen der Verteilungsplatte erstrecken. Zwei oder mehr solcher erstreckten ersten Reservoirs sind vorzugsweise entlang einer Seite der Verteilungsplatte benachbart und parallel angeordnet. Bei einigen Ausführungsformen ist es erwünscht, Flüssigkeit aus zwei oder mehreren solcher paralleler Reservoirs zu jeder der beiden oder mehreren Reaktionszellen zu überführen, die entlang einer im wesentlichen geraden Linie („linearen" Reaktionszelle) angeordnet sind. Um diese Überführung der Flüssigkeit durchzuführen, erstreckt sich vorzugsweise ein erster Zubringerkanal von dem parallelen ersten Reservoir aus, welches der Kante der Verteilungsplatte am nächsten liegt, und unter den im Inneren liegenden parallelen ersten Reservoirs, während getrennte Zubringerkanäle, die in Nachbarschaft zu dem ersten Zubringerkanal und parallel zu ihm sich von den im Inneren liegenden parallelen ersten Reservoirs und unter anderen ersten Reservoirs verlaufen, wenn es erforderlich ist, die Entmischung der Flüssigkeiten in den Reservoirs beizubehalten. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform sind benachbart zu der Lage einer jeden der linearen Reaktionszellen ein Verteilungskanal für ein jedes derartiges erstes Reservoir vorhanden, wobei ein solcher Verteilungskanal mit einem separaten der parallelen Zubringerkanäle verbunden ist. So bilden die Verteilungskanäle, die in Nachbarschaft zu einer Reaktionszelle liegen, ein „Bündel" von Verteilungskanälen. Bei Verwendung von Pumpen, die in jedem der gebündelten Verteilungskanäle angeordnet sind, und von Leitungen von jedem gebündelten Verteilungskanal aus zu der benachbarten Reaktionszelle kann Flüssigkeit von jedem der getrennten ersten Reservoirs zu irgendeiner der linearen Reaktionszellen verteilt werden.
Jeder Verteilungskanal enthält vorzugsweise wenigstens eine Pumpe, die vorzugsweise zwei oder drei Elektroden umfaßt. Um die Pumpen in einer geeigneten Sequenz zu betätigen, ist das Verteilungssystem der Erfindung vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung verbunden, die jede der Pumpen steuert. Bevorzugte Pumpen mit zwei Elektroden arbeiten be3vorzugt durch Anlegen eines gepulsten Spannungsprogramms, das zum Bewegen der Flüssigkeit, die gepumpt werden soll, geeignet ist. Vorzugsweise enthält die Steuereinrichtung einen Datenspeicher, der eine Datenbank von Pumpprogrammen umfaßt, die Parameter erkennen lassen, wie die Impulslänge, die Spannungsamplitude, die Impulsform und die Spannungspolarität, die zur Bewegung jeder von einer Mehrzahl von Flüssigkeiten geeignet sind.
Die Erfindung betrifft ein bevorzugtes System zur Verteilung von fließender Flüssigkeit, und dieses ist beispielsweise zur Durchführung von Reaktionen für chemische Synthesen oder chemische Reaktionen in einem Assay geeignet, wobei das Verteilungssystem zwei oder mehr kontinuierliche Fließkanäle umfaßt, von denen jeder ein Aufstromende und ein Abstromende hat, wobei die kontinuierlichen Fließkanäle eine offene Zone an dem Abstromende haben, für jeden kontinuierlichen Fließkanal einen Verzweigungskanal, der sich von jenem kontinuierlichen Fließkanal in der offenen Zone erstreckt, und für jeden kontinuierlichen Fließkanal eine alpha-Verengungseinrichtung zum Verengen des Flusses in der offenen Zone, wobei die alpha-Verengungseinrichtung abstromwärts von dem Verzweigungskanaleinlaß liegt, wobei, wenn eine Flüssigkeit durch einen der kontinuierlichen Fließkanäle von dem ersten zu dem zweiten Ende fließt, eine erste Verhältnismenge an Fluid in den Verzweigungskanal umgelenkt wird, wenn die alpha-Verengungseinrichtung nicht arbeitet, und eine zweite Verhältnismenge, die größer als die erste Verhältnismenge ist, in den Verzweigungskanal fließt, wenn die alpha-Verengungseinrichtung in Betrieb ist. Vorzugsweise sind die Verzweigungskanaleinlässe innerhalb von etwa 300 Mikron des Aufstrompunktes, an welchem die offene Zone beginnt. Vorzugsweise hat das Verteilungssystem für wenigstens einen Verzweigungskanal eine beta-Einengungseinrichtung, wobei das Verteilungssystem einen Pufferkanal hat, der durch wenigstens zwei kontinuierliche Fließkanäle über ihre verbundenen Verzweigungskanäle adressierbar ist.
Die Erfindung betrifft zusätzlich ein Flüssigkeitsverteilungssystem mit Expansionsventil, das aus einer Reaktionszelle, zwei oder mehr Zubringerkanälen, einer getrennten Leitung für jeden Zubringerkanal, der jenen Zubringerkanal mit der Reaktionszelle verbindet, und einem Expansionsventil für jede Leitung, worin das Expansionsventil einen expandierten Zustand hat, der einen Querschnitt der Leitung füllt und Fluidfluß durch die Leitung verhindert, sowie einen kontrahierten Zustand hat, der Fluidfluß durch die Leitung zuläßt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben Leitungen zwei oder mehr, vorzugsweise drei oder mehr, Expansionsventile, die im Konzert arbeiten können, um Flüssigkeit aus dem verbundenen Zubringerkanal in die Reaktionszelle zu pumpen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Flüssigkeitsverteilungssystem auf Elektrodenbasis, das aus (a) einem oder mehreren, vorzugsweise zwei oder mehreren, Zubringerkanälen besteht, von denen jeder aus einem Zubringerkanaleinlaß und einem Zubringerkanalauslaß sowie, verbunden mit jedem dieser Zubringerkanäle, einem Verteilungskanal besteht, wobei jeder Verteilungskanal eine Dreiwegverbindung hat, die einen Zubringerkanaleinlaß, einen Zubringerkanalauslaß und den verbundenen Verteilungskanal miteinander verbindet, wobei der Verteilungskanal mit einer Reaktionszelle verbunden ist, (b) für jede derartige Dreiwegverbindung eine erste Pumpe auf Elektrodenbasis in dem Zubringerkanal, der mit dem Zubringerkanaleinlaß oder -auslaß und (c) für jede derartige Dreiwegverbindung eine zweite Pumpe auf Elektrodenbasis in dem Verteilungskanal, wobei die an die erste Pumpe auf Elektrodenbasis und die zweiten Pumpen auf Elektrodenbasis angelegten Spannungen so gewählt werden können (i), daß Fluid in einem der Zubringerkanäle von dem Zubringerkanaleinlaß zu dem Zubringerkanalauslaß des Zubringerkanals ohne wesentlichen Fluß in den verbundenen Verteilungskanal oder (ii) derart bewegt werden können, daß die wesetliche Flußmenge über den verbundenen Verteilungskanal geht.
A. Grundlegendes Flüssigkeitsverteilungssystem
Die Erfindung betrifft Verfahren, die eine große Zahl von Reaktionszellen 350 mit einer Mehrzahl von Fluidreservoirs 200 (siehe 1 und 2) adressieren. In 1 sind Reservoirs 200A – 200D mit Reservoir-Ausdehnungskanälen 212A – 212D über erste Verbindungskanäle 211A bzw. 211 D verbunden. Die Decken von ersten Verbindungskanälen 211A – 211 D sind in einer niedrigeren horizontalen Ebene als die Böden von Ausdehnungskanälen 212A – 212D angeordnet, wodurch man beispielsweise gewährleistet, daß Fluid aus dem Reservoir 200B nicht in den Ausdehnungskanal 212A ausleckt, welcher mit dem Reservoir 200A verbunden ist. Jeder erste Verbindungskanal 211A – 211D verbindet seine jeweilige Reservoirausdehnung 212A – 212D über vertikale Kanäle (nicht gezeigt). Verbunden mit Ausdehnungskanälen 212A – 212D sind erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Sätze über vertikale Kanäle (nicht erläutert). Verbunden mit Ausdehnungskanälen 212A – 212D sind erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Sätze 213A – 213E von ersten, zweiten, dritten und vierten Zubringerkanälen 212A – 212D. Über diese Ausdehnungskanäle kann Fluid aus jedem der vier ersten Fluidreservoirs 200A – 200D zu einer Stelle in Nachbarschaft zu irgendeiner der 100 Reaktionszellen 350 gebracht werden, in welche das Fluid unter der Steuerung von Pumpen oder Ventilen, wie nachfolgend beschrieben, bewegt werden kann. Man bemerke, daß Reaktionszellen 350 in einer niedrigeren horizontalen Ebene als erste, zweite, dritte und vierte Zubringerkanäle 216A – 216D angeordnet sind. Andere Geometrien, durch welche eine große Anzahl von Reaktionszellen durch abgetrennte Flüssigkeitsreservoirs adressiert werden können, sind nachfolgend beschrieben.
Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können auf diese Ausführungsform angewendet werden, ungeachtet, unter welcher Überschrift sie beschrieben sind. Es wird verständlich sein für den Fachmann, daß, obwohl die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf Kanäle beschrieben sind, die in orthogonalen Winkeln verbunden sind, auch andere Winkel möglich sind. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Arbeitsfließgeschwindigkeit (d.h. die Fließgeschwindigkeit, wenn die geeigneten flußinduzierenden Mechanismen aktiviert sind) von einem bestimmten Reservoir (zum Beispiel dem ersten Fluidreservoir 200) zu einer bestimmten Reaktionszelle 350 etwa 0,01 µl/Min. bis etwa 10 µl/Min in, stärker bevorzugt von etwa 0,1 µl/Min. bis etwa 0,3 µl/Min.
B. Hydrologisches Flüssigkeitsverteilungssystem
i. Verteilungs-, Hindurchführungs- und Reaktionszellenglatten
Typischerweise werden die Flüssigkeitsverteilersysteme nach der Efindung von wenigstens drei Platten gebildet, einer Hindurchführungsplatte 300, einer Verteilungsplatte 310 und einer Reak tionszellenplatte 320. Die Hindurchführungsplatte 300 ist typischerweise an die Verteilungsplatte 310 unter Verwendung einer der nachfolgend beschriebenen Methoden gebunden. Die Reaktionszellenplatte 320 wird typischerweise entfernbar auf die Unterseite der Verteilungsplatte 310 oder die Unterseite einer Zwischenplatte 330 (nicht erläutert) zwischen die Verteilungsplatte 310 und die Reaktionszellenplatte 320 zwischengeschaltet.
2 zeigt das Layout einer Verteilungsplatte 310 nach der Erfindung. 3 zeigt eine auseinandergedehnte Darstellung eines Teils einer Verteilungsplatte 310, die besser einige der Merkmale erläutert, welche durch den Maßstab von 2 verdunkelt werden. Typischerweise werden die Strukturen, die in durchgezogenen Linien angegeben sind, in der Deckschicht der Verteilungsplatte 310 gebildet, während die Strukturen, die mit gestrichelten Linien angegeben sind, in der Bodenschicht der Verteilungsplatte 310 gebildet werden, ausgenommen, daß in 2 die Reaktionszellen 350 durch Kästchen mit durchgezogenen Linien angegeben sind, obwohl diese Strukturen in einer unteren Ebene angeordnet sind. Wenn geeignet, verbinden vertikale Kanäle die Strukturen in der Spitze der Verteilungsplatte 310 mit jenen im Boden. Bequemlichkeitshalber ist die Achse von der Spitze der Darstellung zum Boden als die NS-Achse bezeichnet, während die Achse von rechts nach links die EW-Achse ist.
An der Spitze von 2 sind vier erste Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000 und 200D, wobei jedes eine definierte Füllhöhe hat. Jedes dieser ersten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000 und 200D hat zwei erste Reservoirfortsätze 212, die sich entlang im wesentlichen der gesamten EW-Achse der Verteilungsplatte 310 erstrecken. Die Decken der ersten Reservoirfortsätze 212 sind vorzugsweise bei im wesentlichen der gleichen Höhe wie der erste Füll-Level. Bei fünf übereinandergestapelten Stellen, A1, B1, C1, D1 und E1, entlang der EW-Achse der ersten Reservoirfortsätze 212 gibt es vier erste Vertikalkanäle 214 (siehe 5 und 6B), die die ersten Reservoirfortsätze 212 mit vier ersten horizontalen Zubringerkanalsegmenten 216 verbinden, welche in der Bodenschicht der Verteilerplatte 310 ausgebildet sind. An jedem übereinanderliegenden Platz erstrecken sich A1, B1, C1, D1 oder E1, vier benachbarte erste horizontale Zubringerkanalsegmente 216, die verbunden sind, um erste Reservoirfortsätze 212 zu trennen, entlang einer NS-Achse zu zehn Positionen, A2, B2, C2, D2, E2, F2, G2, N2, I2 und J2. Jede Position A2, B2, C2, D2, E2, F2, G2, I2oder J2 entlang dem Weg eines jeden solchen Satzes von vier benachbarten horizontalen Zubringerkanalsegmenten 216 ist in Nachbarschaft zu einem Paar von Reaktionszellen 350 (siehe 5 und 6B). In diesen Positionen A2, B2, C2, D2, E2, F2, G2, N2, I2 oder J2 sind die vier benachbarten ersten horizontalen Zubringerkanalsegmente 216 getrennt über separate zweite Vertikalkanäle 225 (siehe 4A, 4B, 5 und 6A) mit jeweils vier senkrechten ersten Verteilungskanälen 222 verbunden, die in der Deckschicht der Verteilungsplatte 310 ausgebildet sind. Die Decken der ersten Verteilungskanäle 222 definieren einen zweiten Füll-Level, der typischerweise im wesentlichen die Höhe des ersten Füll-Levels hat. Der Füll-Level eines Verteilerkanals (zum Beispiel der zweite Füll-Level) ist im „wesentlichen" der Füll-Level des verbundenen Reservoirs (zum Beispiel der erste Füll-Level), wenn sie vertikal um nicht mehr als etwa 10% der Tiefe des Kanals versetzt sind. Selbst wenn die Füllhöhen weiter vertikal versetzt sind, sind sie noch im wesentlichen die gleichen beim Füllen des Reservoirs, bis seine Füllhöhe beim Füllen des verbundenen Verteilungskanals und der Rückhaltung von Fluid in dem verbundenen Verteilungskanal resultiert (zum Beispiel Rückhaltung infolge der Kapillarbarrieren, die weiter unten unter Bezugnahme auf 4A beschrieben sind). Die Kombination eines ersten vertikalen Kanals 214, der mit einem horizontalen Zubringerkanalsegment 216 verbunden ist, welches seinerseits mit einem zweiten vertikalen Kanal 225 verbunden ist, bildet einen ersten Zubringerkanal 217 (nicht in den Figuren identifiziert).
Wenn Flüssigkeiten bei einem definierten ersten Level in einem ersten Fluidreservoir 200 gehalten werden, dann wird im wesentlichen der gleiche Level in den ersten Verteilungskanälen 222 beibehalten, die mit jenem ersten Fluidreservoir 200 über erste Zubringerkanäle 217 verbunden sind. Diese Angleichung erfolgt infolge des Prinzips, daß zwei verbundene Flüssigkeitskörper die Neigung haben, den gleichen Level zu finden, und wenn die Größe der Kanäle es erlaubt, infolge des Kapillarflusses. Flüssigkeiten werden auf einem definierten Level in den ersten Fluidreservoirs definiert. In der dargestellten Ausführungsform wird Flüssigkeit in das Fluidreservoir 200 durch Kanäle in der Hindurchführungsplatte 300 eingespeist, und solche Flüssigkeit, die nicht benötigt wird, um die Fluidreservoirs auf den definierten Level zu füllen, wird durch Abläufe 380 ablaufen gelassen. Erste Öffnungen 381 (nicht gezeigt) werden in der Bodenschicht der Hindurchführungsplatte 300 gebildet, um eine Flüssigkeitsverbindung oder eine Schleuse zwischen den ersten Fluidreservoirs 300 und den Abläufen 380 zu erzeugen. Flüssigkeiten werden konstant in die ersten Fluidreservoirs 200 eingespeist (und als die zweiten Fluidreservoirs 210 und die dritten Fluidreservoirs 220) typischerweise durch die Verwendung einer äußeren Pumpe 15 (nicht gezeigt), wie das Modell Nummer 205U einer Multikanalkassettenpumpe, die bei Watson-Marlow, Inc. erhältlich ist.
Alternativ kann ein definierter Level aufrechterhalten werden, indem man den Flüssigkeitslevel in den ersten Fluidreservoirs 200 (oder zweiten Fluidreservoirs 210 oder dritten Fluidreservoirs 220) durch Überwachung aufrechterhält und nur die Flüssigkeit an ein bestimmtes Fluidreservoir liefernden Pumpen aktiviert, wenn sie benötigt werden, den definierten Level beizubehalten.
Jeder Satz von vier benachbarten ersten Verteilungskanälen 222 ist zwei Pufferkanälen 218 benachbart, die an jeder Seite der ersten Verteilungskanäle 222 entlang der EW-Achse angeordnet sind. Flüssigkeit kann von einem ersten Verteilungskanal 222 in den benachbarten Pufferkanal 218 durch Aktivierung der ersten Pumpe 360 (in 3 durch zwei angegeben, welche die Elektroden einer Pumpentype repräsentieren) des ersten Verteilungskanals 222 gepumpt werden. Dieses Pumpen erzeugt zusätzlichen Druck, der die Flüssigkeit über die Kapillarbarriere 370 (siehe 4A, 4B und 5) bewegt, wobei der erste Verteilungskanal 222 und der Pufferkanal 218 getrennt werden. Zwischen jedem ersten Verteilungskanal 222, zweiten Verteilungskanal 224 oder dritten Verteilungskanal 226 und dem jeweils benachbarten dritten vertikalen Kanal 390 (nachfolgend beschrieben), ist eine solche Kapillarbarriere 370, die den Flüssigkeitstluß hemmt, wenn die Pumpen nicht aktiviert sind. Zweite Öffnungen 362 (siehe 4A und 4B) werden in der Bodenschicht der Hindurchführungsplatte 300 gebildet, um eine Flüssigkeitsverbindung oder Schleuse zwischen den ersten Verteilungskanälen 222 und den Pufferkanälen 218 zu erzeugen. Aus einem Pufferkanal 218 kann Flüssigkeit unter Verwendung einer zweiten Pumpe 361 (in 3 durch zwei Kreischen an gegeben, welche die Elektroden einer Pumpentype repräsentieren) zu einem dritten vertikalen Kanal 390 gepumpt werden, der mit einer Reaktionszelle in der Reaktionszellenplatte 320 verbunden ist. Dritte Öffnungen 363 (siehe 4A und 4B) in der Bodenschicht der Hindurchführungsplatte 300 oder der Verteilungsplatte 310 dienen dazu, eine Flüssigkeitsverbindung oder Schleuse zwischen den Pufferkanälen 218 und dritten vertikalen Kanälen 390 zu erzeugen.
4A erläutert eine Kapillarbarriere 370, bei der ein Meniskus 371 gebildet ist an der Verbindung zwischen einem ersten Verteilungskanal 222, der Flüssigkeit 11 enthält, und einem Pufferkanal 218 oder einem dritten vertikalen Kanal 390. Der Meniskus 317, der an dem Auslaß des ersten Verteilungskanals 222 in dem Pufferkanal 218 gebildet ist, wird dazu neigen, ein Versickern aus dem ersten Verteilungskanal 222 zu verhindern. Ein solches Versickern kann die Folge von Kapillarkräften sein. 4B zeigt in einer Abwandlung des Verteilungssystems, welches in den 2und 3 erläutert ist, Kapillarbarrieren 370 an der Verbindung zwischen erstem Verteilungskanal 222 und Pufferkanal 218 und an der Verbindung zwischen Pufferkanal 218 und drittem vertikalem Kanal 390. Gezeigt sind auch die erste Elektrode 360A und die zweite Elektrode 360B, welche die erste Pumpe 360 vervollständigen, und die dritte Elektrode 361A und die vierte Elektrode 361B, welche die Pumpe 361 vervollständigen. In einigen Ausführungsformen gibt es Öffnungen (nicht erläutert), die sich durch die Hindurchführungsplatte 300 an den oberen Enden des Pufferkanals 218 oder dritter vertikaler Kanäle 390 erstrecken.
Man bemerke, daß nur eine kleine Entfernung von NS-orientierten horizontalen Zubringerkanalsegmenten 216 in den 4A und 4B gezeigt ist. Typischerweise erstrecken sich diese Kanäle einwärts und auswärts von der erläuterten Entfernung und stehen mit zusätzlichen ersten Verteilungskanälen 222 in Verbindung, die so angeordnet sind, daß sie Flüssigkeit zu anderen Reaktionszellen 350 verteilen.
Entlang der rechten Seite der Verteilungsplatte 310 sind zehn zweite Fluidreservoirs an der EW-Achse. Zweite Verteilungskanäle 224 bilden „L"-Fortsätze von zweiten Reservoirfortsätzen 240 und sind jeweils in Nachbarschaft zu einem separaten Pufferkanal 218 positioniert, so daß es zehn zweite Verteilungskanäle 224 gibt, die sich jeweils von der Ausdehnung 240 eines jeden zweiten Reservoirs erstrecken. Jeder zweite Verteilungskanal 224 hat eine Pumpe 360, die Flüssigkeit von einem zweiten Verteilungskanal 224 zu dem benachbarten Pufferkanal 218 bewegen kann. Zweite Öffnungen 362 (nicht gezeigt) im Boden der Hindurchführungsplatte 300 dienen dazu, eine Schleuse oder eine Flüssigkeitswegverbindung zwischen den zweiten Verteilungskanälen 224 und den Pufferkanälen 218 auszubilden. Flüssigkeit bewegt sich von den Pufferkanälen 218 zu den Reaktionszellen, wie oben beschrieben ist. In Nachbarschaft zu jedem zweiten Reservoir 210 gibt einen Ablauf 380 (nicht gezeigt), der so arbeitet, daß ein definierter dritter Füll-Level, wie oben beschrieben, aufrechterhalten wird.
Wie nachfolgend im Abschnitt N unter Bezugnahme auf die 16A – 16D beschrieben wird, wirken die Kapillarbarrieren 370 und Schleusen, die durch die zweiten Öffnungen 362 oder dritten Öffnungen 363 erzeugt werden, als eine Kombination von Ventil und Pumpe. Kapillarbarrieren 370 verhindern einen Fluß zu der Reaktionszelle, der durch Kapillarkräfte begünstigt würde, bis die ersten Pumpen 360 oder zweiten Pumpen 361 den Extradruck tiefem, der erforderlich ist, um die Kapillarbarrieren 370 zu überwinden. Eine Verengung der Schleusen kann die Kapillarkräfte steigern, die den Fluß begünstigen, dabei die Menge an zugeführtem Druck vermindern, der benötigt wird, um die Kapillarbarrteren 370 zu überwinden. Die Verwendung der Kapillarbarrieren 370 erlaubt eine Flußsteuerung, die durch die ersten Pumpen 360 oder zweiten Pumpen 361, die typischerweise durch eine Steuereinrichtung 10 gesteuert werden, bestimmt wird.
Entlang der Bodenkante der in 1 erläuterten Verteilungsplatte gibt es zehn dritte Fluidreservoirs 220. Horizontale Zubringerkanalsegmente 230 sind mit den dritten Fluidreservoirs 220 und dritten Verteilungskanälen 226 über vierte vertikale Kanäle 227 verbunden. Die dritten Verteilungskanäle 226 haben erste Pumpen 360, die Flüssigkeit in benachbarte Pufferkanäle 218 über Öffnungen 362 (nicht gezeigt) in der Hindurchführungsplatte 300 bewegen können. In Nachbarschaft zu jedem dritten Fluidreservoir 220 angeordnet ist ein Ablauf 380 (nicht gezeigt), der so arbeitet, daß er einen definierten vierten Füll-Level, wie oben beschrieben, aufrechterhält. Dritte Fluidreservoirs 220 und verbundene dritte Verteilungskanäle 226 arbeiten auf die gleiche Weise wie erste Fluidreservoirs 200 und erste Verteilungskanäle 222. Fachleute werden leicht alternative Geometrien herausfinden, worin eine Anzahl von getrennten dritten Fluidreservoirs 220 mit einem bestimmten Pufferkanal 218 über eine Anzahl dritter Verteilungskanäle 226, die in Nachbarschaft zu dem Pufferkanal 218 positioniert sind, in Wechselwirkung treten. Benachbart angeordnet zu jedem dritten Reservoir 220 ist ein Ablauf 380 (nicht gezeigt), der so arbeitet, daß er eine definierte dritte Füllhöhe aufrechterhält, wie oben beschrieben wurde.
5 zeigt perspektivische Darstellungen von Abschnitten einer Hindurchführungsplatte 300, einer Verteilungsplatte 310 und einer Reaktionszellenplatte 320.
6A zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang einer EW-Achse, die einen ersten Verteilungskanal 222 durchschneidet. Unter dem ersten Verteilungskanal 222 kann man vier horizontale Zubringerkanalsegmente 216 sehen, von denen nur eines mit dem ersten Verteilungskanal über einen sichtbaren zweiten vertikalen Kanal 225 verbunden ist. Leitung 303 und 304, die die Elektroden der ersten Pumpen 360 und zweiten Pumpen 361 verbinden, sind erläutert. Ein dritter vertikaler Kanal 390 verbindet den Pufferkanal 218 mit der Reaktionszelle 350, die einen Ablauf 355 hat.
6B zeigt einen vertikalen Querschnitt entlang einer EW-Achse, die ein erstes Fluidreservoir 200 schneidet. Von ersten Fluidreservoirfortsätzen 212 kann man zwei erste vertikale Kanäle 214 sehen, die jeweils mit einem getrennten horizontalen Zubringerkanalsegment 216 verbunden sind. Der Ablauf 380 für ein erstes Fluidreservoir 200 ist durch gestrichelte Linien gezeigt. In dem erläuterten Verteilungssystem mündet ein erstes Fluidreservoir 200 an dem oberen Ende der Hindurchführungsplatte 300 über vierte Öffnungen 302.
Das Arbeiten des Flüssigkeitsverteilungssystems kann unter Bezugnahme auf 7 beschrieben werden. Flüssigkeit kann zu der ersten Reaktionszelle 350AA (nicht gezeigt) verteilt werden, die mit einem dritten vertikalen Kanal 390A von ersten, zweiten oder dritten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000, 200D, 210A oder 220A verbunden ist. Wenn „Flüssigkeit A" auf einem ersten Fluidlevel in dem Fluidreservoir gehalten wird, wird Flüssigkeit A durch die verbundenen vertikalen Kanäle in die verbundenen horizontalen Zubringerkanalsegmente 216A, 216A2, 216A3, 216A4 und 216A5 und in die verbundenen Verteilungskanäle 222A1, 222A2 usw. fließen. Von dem ersten Verteilungskanal 222A1 wird Flüssigkeit A in den ersten Pufferkanal 218AA unter Verwendung der Pumpe 360A und unter Steuerung durch die Steuereinrichtung 10 (nicht gezeigt) gepumpt. Von dem ersten Pufferkanal 218AA wird Flüssigkeit A in die erste Reaktionszelle 350AA über einen dritten vertikalen Kanal 390A unter Vennrwendung der Pumpe 361A unter Steuerung durch die Steuerungseinrichtung 10 gepumpt.
Wenn eine Verteilungsplatte 310 nach der Erfindung sich einen Pufferkanal 218 zunutze macht und dem Pufferkanal 218 eine Entlüftung zu der Außenatmosphäre fehlt, kann die Beziehung zwischen der Pumpgeschwindigkeit einer ersten Pumpe 360, die Flüssigkeit in den Pufferkanal 218 pumpt, und der Pumpgeschwindigkeit einer zweiten Pumpe 361, die Flüssigkeit von dem Pufterkanal 218 zu einer Reaktionszelle 350 pumpt vorteilhaft manipuliert werden. Wenn eine erste Pumpe 360 Flüssigkeit von beispielsweise dem Verteilungskanal 222A1 (7) bewegt, wird ein Druckanstieg in dem Pufferkanal 218 erzeugt, welcher einen Fluß über die Kapillarbarriere für Verteilungskanäle 222B1, 22C1, 222D1, 224AA und 226AA erzeugt. Eine Verzögerung in der entsprechenden Aktivierung einer zweiten Pumpe 361 wird dazu führen, daß dieser Querverunreinigungen hemmende Druck beibehalten wird. Der Pufferkanal 218 dient außerdem dazu, gelegentlich auftretenden Überlauf aus Verteilungskanälen mit einem für die benachbarte Reaktionszelle 350 unbeabsichtigtem Reagenzgehalt zu verdünnen. Diese Verdünnung wird typischerweise die Konzentration reaktiver Reagenzien unter die Konzentration senken, die in dem Reaktionsverfahren, das für die benachbarte Reaktionszelle 350 beabsichtigt ist, wirksam ist.
Man beachte, daß in der erläuterten Ausführungsform jede der sechs Lösungen oder jedes der Lösungsmittel auf hundert Reaktionszellen 350 von ersten, zweiten und dritten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000, 200D, 210 und 220 verteilt werden kann. Jedes der zehn zweiten Fluidreservoirs 210 oder jedes der zehn dritten Fluidreservoirs 220 kann eine getrennte Lösung oder Lösungsmittel, das für die Verwendung in den zehn verbundenen Reaktionszellen bestimmt ist, die durch das Fluidreservoir entsprechend adressiert sind, enthalten. Die vier ersten Fluidreservoirs 200A, 200B, 2000 und 200D können jeweils eine der hundert Reaktionszellen 350 adressieren. Weitere Flexibilität ist verfügbar durch ein Durchspülen eines bestimmten Fluidreservoirs mit neuer Lösung oder Lösungsmittel, wenn dies während eines Versuchablaufs geeignet ist.
Man bemerke, daß die Pufferkanäle 218 fakultativ sind. Pufferkanäle 218 können vermieden werden, wenn man direkte Leitungen von den Verteilungskanalauslässen (diese Auslässe sind vorzugsweise Kapillarbarrieren 370) zu der geeigneten Reaktionszelle 350 vorsieht.
Die Fluidreservoirs (zum Beispiel das erste, zweite und dritte Fluidreservoir 200, 210 und 220) sind typischerweise einfach (d.h. breiter) expandierte Abschnitte der befestigten Dehnungskanäle. Vorzugsweise wird die Flüssigkeit in den Fluidreservoirs innerhalb von ± 10% des Unterschieds zwischen dem Boden des Fluidreservoirs und dessen Füllhöhe gehalten. Ersatz der Flüssigkeit in den Reservoirs kann kontinuierlich, stufenweise nach einem definierten Plan oder basierend aufgrund von Sensordateneinspeisung in der Steuereinrichtung 10 erfolgen. Die Abläufe 380 sind dazu bestimmt, überschüssiges Fluid zu entfernen, das im Reservoir durch Verwendung der äußeren Pumpe 15 zugeführt wurde. Die Fluidreservoirs, die bis zu der betreffenden Füllhöhe gefüllt sind, haben vorzugsweise ein Volumen von etwa 1 µl bis etwa 5 µl, stärker bevorzugt von etwa 2,5 µl. So wird in der stärker bevorzugten Ausführungsform das Volumen in den Fluidreservoirs vorzugsweise 2,5 µl ± 0,25 µl sein. Geeignete penstaltische Pumpen, wie das Modell Nummer 205U einer Mehrkanalkassettenpumpe, die bei Watson-Marlow, Inc. erhältlich ist, kann Flüssigkeit mit Geschwindigkeiten wie 1 µl pro Sekunde abgeben. Solche Pumpen brauchen nur für einen Bruchteil einer Sekunde aktiviert zu werden, um ein Fluidreservoir adäquat nachzufüllen.
Die obige Diskussion beschreibt das Verteilungssystem als mit einer Hindurchführungsplatte 300, einer Verteilungsplatte 310 und einer Reaktionszellenplatte 320 gebildet. Es wird aber klar sein, daß weitere Platten bequem in das Verteilungssystem eingebaut werden können. Beispielsweise ist eine Zwischenplatte 330 bei einer bevorzugten Ausführungsform dauerhaft unter der Verteilungsplatte 310 befestigt und zwischen die Verteilungsplatte 310 und die Reaktionszellenplatte 320 zwischengeschaltet. Die Verwendung der Zwischenplatte 330 erlaubt viel größere Flexibilität in der Ausbildung der Kanäle des Verteilungssystems.
ii. Die Pumpen
Irgendeine Pumpeinrichtung geeigneter Abmessungen kann als innere erste Pumpen 360 oder zweite Pumpen 361 in dem Flüssigkeitsverteilungssystem nach der Erfindung verwendet werden. Solche Pumpen können mikroelektromechanische Systeme (MEMS) einschließen, wie von Shoji et al., „Herstellung einer Pumpe für integrierte chemische Analysesysteme", Elektronik und Kommunikationen in Japan, Teil 2, 70:52-59, 1998 oder Esashi et al., „Normal geschlossenes Mikroventil und Pumpe, hergestellt auf einem Siliziumplättchen", Sensoren und Aktuatoren, 20:163-169, 1989, oder piezo-elektrische Pumpen, wie in Moroney et al., „Ultraschall-induzierte Mikrotransporte", Proc. MEMS, 91:277-282, 1991 beschrieben wurde. Vorzugsweise haben jedoch die ersten Pumpen 360 und die zweiten Pumpen 361 keine beweglichen Teile. Solche ersten Pumpen 360 oder zweite Pumpen 361 können Pumpen auf Elektrodenbasis umfassen. Wenigstens zwei Typen solcher Pumpen auf Elektrodenbasis wurden beschrieben, typischerweise unter den Namen „elektrohydrodynamische Pumpen" (EHD) und „Elektroosmose" (EO). EHD-Pumpen wurden von Bart et al. beschrieben: „Mikrofabrizierte elektrohydrodynamische Pumpen", Sensoren und Aktuatoren, A21-A-23: 193-197, 1990 und Richter et al., „Eine mikrofabrizierte elektrohydrodynamische Pumpe", Sensoren und Aktuatoren A29:159-168, 1991. EO-Pumpen wurden von Dasgupta et al. in „Elektroosmose: Ein zuverlässiges Fluid Antriebssystem für Strömungseinspritzanalyse", Anal. Chem., 66:1792-1798, 1994 beschrieben.
Es wird angenommen, daß EO-Pumpen sich das Prinzip zunutze macht, daß die Oberflächen vieler Feststoffe, einschließlich Quarz, Glas und dergleichen, in Gegenwart von ionischen Materialien, wie Salzen, Säuren oder Basen, negativ oder positiv geladen werden. Die geladenen Oberflächen ziehen entgegengesetzt geladene Gegenionen in Lösungen geeigneter Leitfähigkeit an. Die Anwendung einer Spannung zu einer solchen Lösung führt zu einer Wanderung der Gegenionen zu der entgegengesetzt geladenen Elektrode und bewegt auch die Masse des Fluids. Die Volumenflußgeschwindigkeit ist proportional zu dem Strom, und der in dem Fluid erzeugte Volumenfluß ist auch proportional zu der angelegten Spannung. Typischerweise können bei Kanälen von Kapillarabmessungen die einen Fluß bewirkenden Elektroden weiter voneinander beabstandet sein als in EHD-Pumpen, da die Elektroden nur bei Kraftzuführung involviert sind und nicht, wie in EHD, beim Erzeugen von Ladungen, auf welche die Kräfte einwirken. EO-Pumpen erfolgt allgemein als eine Methode, die für das Pumpen leitfähiger Lösungen geeignet ist.
EHD-Pumpen wurden typischerweise als geeignet für die Bewegung von Fluid von extrem niedriger Leitfähigkeit, zum Beispiel 10^–14 bis 10^–9 S/cm, angesehen. Es wurde nun hier demonstriert, daß ein breiter Bereich von Lösungsmitteln und Lösungen unter Verwendung geeigneter Lösungen dann das Pumpen erleichtert, wenn man Elektrodenabstände und -geometrien verwendet oder geeignet gepulste oder Gleichstromspannungen verwendet, um den Elektroden Energie zuzuführen, wie weiter unten beschrieben ist.
Die Elektroden von ersten Pumpen 360 und zweiten Pumpen 361, die in dem Flüssigkeitsverteilungssystem verwendet werden, haben vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 25 Mikron bis etwa 100 Mikron, stärker bevorzugt von etwa 50 Mikron bis etwa 75 Mikron. Vorzugsweise ragen die Elektroden am oberen Ende eines Kanals bis zu einer Tiefe von etwa 5% bis etwa 95% der Tiefe des Kanals, stärker bevorzugt von etwa 25% bis etwa 50% der Tiefe des Kanals hervor. Gewöhnlich sind als ein Ergebnis der Elektroden, definiert als die Elemente, die mit Fluid in Wechselwirkung treten, etwa 5 Mikron bis etwa 95 Mikron lang, vorzugsweise etwa 25 Mikron bis etwa 50 Mikron. Vorzugsweise enthält eine Pumpe eine alpha-Elektrode 364 (wie eine erste Elektrode 360A oder eine dritte Elektrode 361A) sowie eine beta-Elektrode 365 (wie eine dritte Elektrode 360B und eine vierte Elektrode 361B), die vorzugsweise etwa 100 Mikron bis etwa 2500 Mikron voneinander entfernt sind, stärker bevorzugt etwa 250 Mikron bis etwa 1000 Mikron und noch stärker bevorzugt etwa 150 Mikron bis etwa 205 Mikron. Die Trennung von Elektroden wird von den Mittelpunkten der Elektroden, wie sie zunächst in ihren verbundenen Fluidkanal hervorragen, gemessen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine gamma-Elektrode 366 (nicht gezeigt) von etwa 200 Mikron bis etwa 500 Mikron, stärker bevorzugt von etwa 500 Mikron bis etwa 1500 Mikron, und noch stärker bevorzugt etwa 1000 Mikron von der weiteren Elektrode, der alpha-Elektrode 364 oder der beta-Elektrode 365, beabstandet. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform hat die Pumpe zwei zusätzliche Elektroden, die eine gamma-Elektrode 366 (nicht gezeigt) und eine delta-Elektrode 367 umfassen, die etwa 200 Mikron bis etwa 5000 Mikron voneinander beabstandet sind, stärker bevorzugt etwa 500 Mikron bis etwa 1500 Mikron, noch stärker bevorzugt etwa 1000 Mikron. Wenn die Elektroden in Fluidkanälen angeordnet sind, die Biegungen haben, werden die Abstände entlang einer Linie gemessen, welche die Mittellinie des Fluidkanals ist. In Kontexten, wo relativ gering leitfähige Fluide gepumpt werden, werden Spannungen an der alpha-Elektrode 364 und der beta-Elektrode 365 angelegt, während in Kontexten, wo relativ höher leitfähige Fluide gepumpt werden, die Spannung zwischen der gamma-Elektrode 366 und einer alpha-Elektrode 364, beta-Elektrode 365 oder delta-Elektrode 367 induziert wird. Der letztere Umstand gilt typischerweise für Lösungs mittel, die traditionell mit EO-Pumpen gepumpt werden, obwohl diese Erfindung nicht auf irgendeine Theorie beschränkt sein soll, die um die Konzepte von EHD- oder EO-Pumpen entwickelt wurde. Keine festen Gesetzmäßigkeiten diktieren, welche Elektrodenkombination geeignet für ein bestimmtes Lösungsmittel oder eine bestimmte Lösung ist. Statt dessen kann eine geeignete Kombination empirisch im Licht der hier gegebenen Beschreibung bestimmt werden.
Die zwischen der alpha- zur beta-Elektrode 364 und 365 angelegten Spannungen liegen typischerweise, wenn das Pumpen in Gleichstromweise durchgeführt wird, bei etwa 50 V bis etwa 2000V, vorzugsweise von etwa 100V bis etwa 750V, stärker bevorzugt von etwa 200V bis etwa 300V. Die über den alpha- und beta-Elektroden 366 und 365 angelegten Spannungen sind, wenn die Pumpe in gepulster Weise arbeitet, rypischerweise etwa 50V bis etwa 1000V, vorzugsweise etwa 100V bis etwa 400V, stärker bevorzugt bei etwa 200V bis etwa 300V. Die an gamma-Elektrode 366 und alpha-, beta- oder gamma-Elektrode 364, 365 oder 367 angelegten Spannungen sind rypischerweise, wenn das Pumpen in gepulster Weise durchgeführt wird, von etwa 50V bis etwa 1000V, vorzugsweise von etwa 100V bis etwa 400V, stärker bevorzugt von etwa 200V bis etwa 300V. Vorzugsweise wird das Verhältnis von Pumpen zu Strom derart sein, daß nicht mehr als etwa ein Elektron in die Lösung in Nachbarschaft zu einer ersten Pumpe 360 oder zweiten Pumpe 361 je tausend Moleküle fließt, die über die Pumpe 360 oder 361 hinausgehen, vorzugsweise je 10.000 Moleküle, die sich über die Pumpe 360 oder 361 hinwegbewegen, noch stärker bevorzugt 100.000 Moleküle, die sich über die Pumpe 360 oder 361 hinaus bewegen.
Es wird angenommen, daß ein inneres Pumpsystem auf Elektrodenbasis am besten in das Flüssigkeitsverteilungssystem nach der Erfindung mit Fließgeschwindigkeitssteuerung bei Mehrfachpumpenstellen und mit relativ weniger komplexer Elektronik integriert werden kann, wenn die Pumpen durch Anlegen von gepulsten Spannungen quer zu den Elektroden arbeiten. 8 zeigt ein Beispiel eines gepulsten Protokolls, wo die Impulsbreite der Spannung Τ₂ und das Pulsintervall Τ₂ ist. Typischerweise ist Τ₁ zwischen etwa 1 µs und etwa 1 ms, vorzugsweise zwischen etwa 0,1 ms und etwa 1 ms. Typischerweise liegt Τ₂ zwischen etwa 0,1 µs und etwa 10 ms, vorzugsweise zwischen etwa 1 ms und etwa 10 ms. Ein gepulstes Spannungsprotokoll dürfte andere Vorteile ergeben, einschließlich leichter Integration in sehr dichte Elektronik (was Hunderten und Tausenden von Pumpen erlaubt, diese auf einer Einrichtung von Siliziumplättchengröße eingebettet zu werden), Reduktionen in der Menge von Elektrolyse, die an den Elektroden auftritt, Reduktionen der thermischen Konvektion nahe den Elektroden, sowie die Fähigkeit, einfachere Antriebsysteme zu verwenden. Das Impulsprotokoll kann auch Impulswellengeometrien verwenden, die komplizierter als das Blockbild sind, das in 8 wiedergegeben ist.
Ein anderes Verfahren, das angewendet werden kann, ist jenes, eine Anzahl von Elektroden, rypischerweise in gleichem Abstand zu verwenden und ein Wanderwelleprotokoll zu benutzen, das bei jedem Paar benachbarter Elektroden in einer Zeit, die erst beginnt Spannung zu den ersten und zweiten Elektroden hin zu bringen und dann zu den zweiten und dritten Elektroden usw. Solche Methoden sind in Fuhr et al., J. Microelectrical Systems, 1:141-145, 1992, beschrieben. Es wird angenommen, daß Wanderwellenprotokolle Temperaturgradienten und entsprechende Leitfähigkeitsgra dienten induzieren können, die durch elektrisches Feld induzierten Fluidfluß erleichtern. Solche Temperaturgradienten können auch induziert werden, indem man elektrische Heizungen in Verbindung mit ersten Pumpen 360 auf Elektrodenbasis und zweiten Pumpen 361 bringt.
Obwohl nicht beabsichtigt ist, sich auf eine Theorie zu beschränken, unterstellen doch mehrere theoretische Konzepte, in der Mechanik von EHD-Pumpen eine Rolle zu spielen. Die auf ein dielektrisches Fluid einwirkendenden Kräfte dürften durch die folgende Formel zu beschreiben sein:
worin F die Kraftdichte ist, q die Ladungsdichte ist, E das angelegte Feld ist, P der Polarisierungsvektor ist, ε die Permittivität und ρ die Massendichte ist. Von den Begriffen der Gleichung dürften der erste und der dritte die im Kontext von EHD-Fluidpumpen der signifikanteste sein. Der erste Begriff (qE) betrifft die Coulomb-Wechselwirkung mit einem Raum-Ladungsbereich. Der dritte Begriff (1/2E^2∇ ε) betrifft die dielektrische Kraft, die dem Gradienten in der Permittivität proportional ist.
In geringen Feldern, d.h. dem Ohmschen Bereich, wo Strom linear proportional zur Spannung ist, wird angenommen, daß die primäre Ladungsquelle, die durch das elektrische Feld aktiviert wird, primär auf Ionen aus Additiven, Ionen aus Verunreinigungen und Ionen, die durch Autodissoziation von Molekülen in dem Fluid gebildet werden, beruht. In Zwischenfeldern, d.h. jenseits des Ohmschen Bereiches bis etwa 2V/µm, wird angenommen, daß die Ladungen primär durch Dissoziieren und elektrolytische Verfahren in dem Fluid gebildet werden. Bei stärkeren Feldern wird angenommen, daß die Ladungen, durch Einspritzverfahren an den Elektroden bestimmt werden, wobei diese Elektroden Homoladungen einspritzen.
Für die Zwecke dieser Anmeldung soll positiver (+) Fluß in der Richtung der negativen Elektrode fließen, und negativer (-) Fluß soll in der Richtung der positiven Elektrode fließen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Steuereinrichtung 10 eine Vorrichtung zum Speichern von Daten und speichert die Werte von Spannung und Polarität, die für das Pumpen einer Reihe von Lösungsmitteln geeignet sind.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, daß die Eigenschaften von Fluidfluß (gleich Fließrichtung) in guter Wechselbeziehung mit der Fähigkeit des Lösungsmittels, den geladenen Stoff, der injiziert oder von den Elektroden induziert wird, zu stabilisieren und zu solvatisieren. Die Fließrichtung dürfte durch die Präferenz für das Lösungsmittel bestimmt werden, um entweder positive Ladungen oder negative Ionen zu solvatisieren. Diese Präferenz für Solvatisierung dürfte eine größere Schale von Lösungsmittelmolekülen zur Folge haben, die in einem elektrischen Feld mitgeschleppt werden, was Fluidbewegung erzeugt, wenn ein Feld an die Elektroden einer ersten Pumpe 360 oder einer zweiten Pumpe 361 angelegt wird. Beispielsweise steht eine bevorzugte Solvatisierung positiver Ladungen in Wechselbeziehung mit einer Präferenz von Fluidfluß von der Anode zu der Kathode (d.h. die positive Richtung). Der Grad einer solchen Präferenz für Solvatisierung eines Lösungsmittels dürfte von der Fähigkeit der Moleküle abhängen, in dem Lösungsmittel Wasserstoffbindungen zu akzeptieren oder abzugeben. Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Steuereinrichtung für Flüssigkeiten, deren Pumpverhalten noch nicht gekennzeichnet wurde, geschätzte Anfangspumpparameter speichern, unter Annahme von linearen Solvatisierungsenergiebeziehungen, die von R. W. Taft und Mitarbeitern aufgestellt wurden. Siehe Kamlet et al., J. Org. Chem., 48:2877-2887, 1983 und Kamlet et al., Prog. Phys. Org. Chem., 13:485, 1981. Diese Arbeiten kategorisierten Lösungsmittel nach den folgenden Parametern: π, die Fähigkeit des Lösungsmittels, eine Ladung oder einen Dipol aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften zu stabilisieren, α, die Donorfähigkeit des Lösungsmittels für Wasserstoffbindungen und β, die Fähigkeit des Lösungsmittels Wasserstoffbindungen anzunehmen. Diese Parameter werden vollständiger in den oben zitierten Publikationen von Kamlet et al. definiert.
Bei Verwendung einer Kapillare von 1 mm und rundem Querschnitt wurde für mehrere Lösungsmittel ein Paar von 50 Mikron stabförmigen Platinelektroden senkrecht bis zu einer Tiefe von 500 Mikron in die Kapillare mit einer 500 Mikron-Trennung eingesetzt und durch ein Feld von 400V mit Energie versorgt, die Fließrichtung bestimmt. Die Fließrichtung und die α, β, π, ε und die Dipolmomentwerte sind folgende:
Es wird angenommen, daß die α- und β-Werte die Fähigkeit des Lösungsmittels, unter einem elektrischen Feld ein negativ oder positiv geladenes Material zu solvatisieren, wobei die Stärke von α – β in Wechselbeziehung mit (-)-Fluß und die Stärke von β – α mit (-)-Fluß in Wechselbeziehung steht. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die bevorzugte Fließrichtung einer Flüssigkeit gegenüber dem oben Gesagten umgekehrt werden, wenn das Fluid einen Unterschied in den α- und β-Werten hat, der klein, aber nicht ul ist und das verwendete Elektrodenpaar ein asymmetrisches Feld erzeugt, so daß die entweder auf positiv oder auf negativ geladene Stoffe einwirkende Kraft erhöht wird. Ein solches Elektrodenpaar hat eine alpha-Elektrode 364 mit einem scharten Punkt in der Richtung des beabsichtigten Flusses und eine beta-Elektrode 365, welche die Wände des Ka nals, in welchem sie liegt, verkleidet. Eine solche Pumpe auf Elektrodenbasis, hergestellt in einer 1 mm-Kapillare, erwies sich als wirksam, um 2-Propanol in der Richtung zu pumpen, die durch die alpha-Elektrode 364 angegeben wird, und zwar entweder wenn die an die Elektroden angelegte Spannung eine (-)-Fließrichtung ergab oder mit etwas schwächerem Fluß, wenn die an die Elektroden angelegte Spannung eine (+)-Fließrichtung ergab.
Die Pumpparameter einer Flüssigkeit können unter Verwendung eines Pfropfens der Flüssigkeit in einer Kapillare kalibriert werden, die eine Pumpe auf Elektrodenbasis hat und ansteigend gewinkelt ist. Wenn optische Einrichtungen mit der Kapillare zur Überwachung der Position des Pfropfens verbunden sind, kann die Geschwindigkeit des gepumpten Flusses ansteigend und die Geschwindigkeit der unter der Schwerkraft angetriebenen Abwärtsbewegung gemessen werden. Mit diesen Geschwindigkeiten und dem Winkel der Kapillare kann der an die Flüssigkeit angelegte Druck berechnet werden. (Fluid-Widerstand R = (8 · µ · I)/ πr⁴, worin µ die Viskosität definiert und / = die Länge des Fluidpfropfens; Druck P = RA(v_up – vd_down), worin A = Querschnittsfläche). Die Effizienz der Pumpe kann auch berechnet werden (η = (q · ρ • Q · N_A)/m · I, worin q die Ladung von e^– ist, ρ die Flüssigkeitsdichte ist, Q die Fließgeschwindigkeit = v_up · A ist, m die Flüssigkeitsmasse ist und 1 = Strom ist). Die Geschwindigkeiten können mit mehrfachen Einzelpunktbeobachtungen der Lage entweder der vorderen oder der hinteren Grenzflächen des Pfropfens unter Verwendung feststehender LEDs und optischer Detektoren oder in kontinuierlicher Weise unter Verwendung eines Licht- und eines Silizium-Photodiodenpositionssensors gemessen werden, wie mit einem Positionssensor SL15 oder SC10, der bei der UDT Sensors, Inc., Hawthorne, Kanada, erhältlich ist. Mit der letzteren Methode muß die Wechselbeziehung zwischen dem an dem Differenzverstärker in Verbindung mit dem Positionssensor erzeugten Signal vor der experimentellen Verwendung kalibriert weiden.
Die Pumpparameter für eine Anzahl von Lösungsmitteln wurde in der 1 mm-Kapillare, die oben beschrieben wurde, folgendermaßen bestimmt:
Ein anderer Aspekt des Pumpens ist die Beobachtung, daß Fluide, die widerstandsfähig gegen Pumpen bei einer akzeptablen Feldstärke sind, empfänglicher für Pumpen auf Elektrodenbasis gemacht werden können, indem man ein geeignetes flußverbesserndes Additiv zugibt. Vorzugsweise ist das flußverbessernde Additiv mischbar mit dem resistenten Fluid und kann mit hohem Druck P, hoher Fließgeschwindigkeit Q und guter elektrischer Effizienz η (d.h. je Elektron des Stromes gepumpte Moleküle) gepumpt werden. Allgemein umfaßt das flußverbessernde Additiv etwa 0,05% w/w bis etwa 10% w/w des resistenten Fluids, vorzugsweise zwischen 0,1% w/w und etwa 5% w/w, stärker bevorzugt zwischen etwa 0,1 % w/w und etwa 1 % w/w. Tetrachlorkohlenstoff und Cyclohexan pumpen unter Verwendung der Elektrodenpumpe, die in einer oben beschriebenen Kapillare bei einer Spannung von 2000V sitzt, nicht. Durch Zugabe von 0,5% w/w Aceton oder Methanol als flußverbesserndes Additiv können diese beiden Fluide bei einer Spannung von 1000V gepumpt werden. In einigen Fällen ist es erwünscht, die bevorzugte Fließrichtung einer Flüssigkeit umzukehren, indem man sie mit einem flußverbessernden Additiv vermischt, welches stark in der erwünschten Richtung pumpt. In allen Fällen werden Additive auf der Basis ihrer Pumpcharakteristiken und ihrer Verträglichkeit mit der Chemie oder anderen Verfahren, die in dem Flüssigkeitsverteilungssystem erhalten werden sollen, ausgewählt.
Die Pumpen auf Elektrodenbasis nach der Erfindung können als ein Ventil arbeiten, um einem Fluß in einer bestimmten Richtung zu widerstehen, indem die Pumpen so arbeiten, daß sie dem unerwünschten Fluß entgegentreten. Um die Pumpen auf Elektrodenbasis mit Energie zu versorgen, erlauben ein oder mehrere digitale Antriebe, beispielsweise bestehend aus einem Schieberegister, einem Schnappschloß, einer Absperrschieber- und Schaltvorrichtung, wie einem DMOS-Transistor, vereinfachte Elektronik, so daß der Fluidfluß in jedem der Kanäle unabhängig gesteuert werden kann. Vorzugsweise ist jede digitale Antriebseinrichtung mit mehreren Schalteinrichtungen verbunden, die jeweils verwendet werden können, um die Pumpgeschwindigkeit einer separaten Pumpe auf Elektrodenbasis zu steuern.
Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können auf diese Ausführungsform angewandt werden, unabhängig davon, unter welcher Überschrift sie beschrieben werden.
C. Bevorzugter Fluß des Flüssigkeitsverteilungssystems
Eine andere Ausführungsform des Verteilungssystems, worin eine Mehrzahl von Reaktionszellen im Mikromaßstab getrennt durch eine Anzahl von Reagenzflüssigkeiten adressiert werden können, verwendet ein kontinuierliches Fließsystem, das in 9 schematisch erläutert ist. Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können auf diese Ausführungsform angewendet werden, ungeachtet unter welchen Überschriften sie beschrieben sind.
9 erläutert einen ersten kontinuierlichen Fließkanal 400A, einen zweiten kontinuierlichen Fließkanal 400B, einen dritten kontinuierlichen Fließkanal 4000 und einen vierten kontinuierlichen Fließkanal 400D, wobei jeder kontinuierliche Fließkanal ein Aufstromende U und ein Abstromende D hat. Fließmittel kann durch die ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanale 400A – 400D mit der Unterstützung einer oder mehrerer äußerer Pumpen 171 gestoßen werden. Dritte Pumpen 460 (nicht gezeigt), die Pumpen auf Elektrodenbasis sein können, können weiter in den ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanälen 400A – 400D pumpen. Begrenzte Zonen 401A – 401D am Aufstromende der ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 400A – 400D haben eine erste Querschnittsfläche. Offene Zonen 402A – 402D am Abstromende der ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 400A – 400D haben eine zweite Querschnittsfläche, die größer als die erste Querschnittsfläche ist. Am Aufstromende der offenen Zonen 402A – 402D sind erste Verzweigungskanäle 410A, zweite Verzweigungskanäle 410B, dritte Verzweigungskanäle 410CF und vierte Verzweigungskanäle 410D. Jeder dieser Verzweigungskanäle 410A – 410D hat vorzugsweise eine kleinere Querschnittsfläche als jene der offenen Zonen 402A – 402D, und jeder fließt in einen Pufferkanal 440. In den offenen Zonen 402A – 402D gibt es eine erste alpha-Verengung 420AA, eine zweite alpha-Verengung 420AB, eine dritte alpha-Verengung 420AC und eine vierte alpha-Verengung 420AD.
Eine Verengung, wie eine alpha-Verengung, kann ein mikrobearbeitetes Ventil oder ein Wandler sein, die thermisch, elektro-magnetisch oder druckbetätigt eine Pumpe auf Elektrodenbasis, die in flußblockierender Weise oder anderer Einschränkung nach dem Stand der Technik arbeitet. Einschränkungen arbeiten so, daß sie den Fluß an einem Abschnitt eines Kanals reduzieren oder vorzugsweise den Fluß abschalten.
Die abstromwärts gelegenen Auslässe der kontinuierlichen Flußkanäle 400A – 400D sind mit einem gemeinsamen Bypass 430 verbunden, der den ersten Ablauf 431A und den zweiten Ablauf 431B verbindet.
Verzweigungskanäle 410A – 410C haben eine erste beta-Einschnürung 420BA, eine zweite beta-Einschnürung 420BB, eine dritte beta-Einschnürung 420BC und eine vierte beta-Einschnürung 420BD. Von dem Pufferkanal 440 aus erstreckt sich eine Reaktionszellenleitung 442, ein erster Pufferüberlauf 441A und ein zweiter Pufferüberlauf 441B. Die Reaktionszellenleitung 442 hat eine gamma-Einschränkung 420C. die ersten und zweiten Pufferüberlaufe 441A und 441B haben eine erste delta-Einschnürung 420DA und eine zweite delta-Einschnürung 420DB.
Wenn eine „Flüssigkeit A" durch den ersten kontinuierlichen Fließkanal 400A und eine erste alpha-Einengung 420AA ist nicht in Betrieb, wird die Flüssigkeit A dazu neigen, zu dem gemeinsamen Bypass 430 über den offenen Zonenabschnitt des ersten kontinuierlichen Fließkanals 400A mit einer relativ großen Querschnittsfläche zu fließen, statt dann durch einen relativ engen Verzweigungskanal 410A zu fließen. Zuerst kann eine beta-Einengung 420BA so arbeiten, daß der Fluß in dem Abzweigungskanal 410A eingeengt oder blockiert wird, um stärkeren Fluß durch den gemeinsamen Bypass 430 zu gewährleisten. Um Flüssigkeit A zu der Reaktionszelle 350 zu lenken, wird die erste alpha-Einengung 420AA in Betrieb genommen, während die erste beta-Einengung 420BA nicht in Betrieb genommen wird, was zu einem stärkeren Fluß in dem ersten Verzweigungskanal 410A führt. Der Eintritt der Gesamtheit von Flüssigkeit A in den Pufferkanal 440 kann zu der Anwendung von nach oben gerichtetem Druck an den zweiten bis vierten Verzweigungskanälen 410B – 410D führen, abhängig von der Ausflußgeschwindigkeit durch die Reaktionszellenleitung 442 oder erste oder zweite Pufferüberläufe 441A oder 441B. Dieser Druck kann benutzt werden, um Querverunreinigungen mit Fluiden aus zweiten, dritten oder vierten kontinuierlichen Fließkanälen 400B – 400D zu hemmen.
Alle Einengungen 420 können vorzugsweise so arbeiten, daß der Flüssigkeitsfluß, insbesondere durch erste bis vierte beta-Einengungen 420BA – 420BD und gamma-Einengungen 420C, in die betreffenden Kanäle angehalten wird.
10A zeigt eine Querschnittsdarstellung des kontinuierlichen Fließkanals 400A, der so arbeitet, daß der Fluß in den Verzweigungskanal 410A gelenkt wird, während 10B den kontinuierlichen Fließkanal 400A erläutert, der so arbeitet, daß der Fluß in den gemeinsamen Bypass 430 gelenkt wird. Eine Reaktionszelle 350 und ein Reaktionszellenablauf 355 sind auch erläutert.
11 zeigt, wie die ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 400A – 400D zu einem größeren Gitter mit ersten bis vierten primären Beschickungskanälen 470A – 470D verbunden werden können. Erste bis vierte primäre Beschickungskanäle 470A – 470D sind auf einer höheren oder niedrigeren horizontalen Ebene als die ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanäle 4004A – 400D angeordnet, was erlaubt, daß die beiden Kanalsätze untereinander verbunden werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Einlässe jedes ersten bis vierten kontinuierlichen Fließkanals 400A – 400D dritte Pumpen 460 (nicht erläutert), die das Abziehen von Fluid aus den ersten bis vierten primären Beschickungskanälen 470A – 470D erleichtert.
D. Flüssiukeitsverteilungssystem mit Ausdehnungsventilen
Das Flüssigkeitsverteilungssystem mit Ausdehnungsventil hat eine Reaktionszelle, zwei oder mehr Beschickungskanäle, eine getrennte Leitung, die jeden Beschickungskanal mit der Reaktionszelle verbindet, und ein Ausdehnungsventil für jede Leitung, worin das Ausdehnungsventil einen ausgedehnten Zustand hat, der einen Querschnitt der Leitung füllt und einen Fluidfluß durch die Leitung verhindert, und einen kontrahierten Zustand hat, der gestattet, daß Fluid durch die Leitung fließt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von anderen Ausführungsformen dadurch, daß das Verteilungssystem vorzugsweise aus Kunststoff statt aus Glas oder einem Material auf Siliziumbasis besteht. Bevorzugte Kunststoffe sind beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Flüssigkristall-Kunststoffe, Polyvinylidinfluorid und Polytetrafluorethylen. Kunststoffe mit niedrigen Überführungsgeschwindigkeiten von Feuchtigkeitsdampf (zum Beispiel Polyethylen, Polyvinylidinfluorid und Polytetrafluorethylen) sind besonders bevorzugt. Laminate, wie ein Laminat von Polyethylen und eines Polyesters, wie Polyethylenterephthalat sind auch bevorzugt wegen ihrer Dampfbarriereeigenschaften. Die Kanäle oder Leitungen dieser Ausführungsform sind vorzugsweise, wie unter Abschnitt I. beschrieben, welcher Fabrikationsmethoden beschreibt. Diese Ausführungsform kann jedoch leichter in größerem Maßstab verwendet werden, wie mit größeren Kanälen und Reaktionszellen. Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können in dieser Ausführungsform angewendet werden, ungeachtet dessen, unter welcher Überschrift sie beschrieben sind.
12 zeigt ein Schema mit fünf bis acht primären Zufuhrkanälen 580A – 580D. Der fünfte primäre Zufuhrkanal 580A ist verbunden mit dem ersten alpha-Zubringerkanal 570A1, dem zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2 usw. Die sechsten bis achten primären Zufuhrkanäle 580B – 580D sind auch mit Zubringerkanälen verbunden. Eine Konzentrierung auf den zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2, den zweiten beta-Zubringerkanal 570B2, den zweiten gamma-Kanal 570C2 und den zweiten delta-Zubringerkanal 570D2, sind diese jeweils mit einer Anzahl von alpha-Verteilungskanälen 500A, beta-Verteilungskanälen 500B, gamma-Verteilungskanälen 500C und delta-Verteilungskanälen 500D verbunden. Beispielsweise wird der zweite alpha-Zubringerkanal 570A2 mit dem elften alpha-Verteilungskanal 500A11, dem zwölften alpha-Verteilungskanal 500A12 usw. verbunden. Sätze von vier Verteilungskanälen 500, zum Beispiel der elfte alpha-Verteilungskanal 500A11, der elfte beta-Verteilungskanal 500B11, der elfte gamma-Verteilungskanal 500C11 und der elfte delta-Verteilungskanal 500D11 werden mit einer bestimmten Reaktionszelle 350, zum Beispiel der Reaktionszelle 350, verbunden.
Wie nachfolgend erläutert, hat jeder Verteilungskanal 500 ein Ausdehnungsventil, welches aktiviert werden kann, den Blockfluß von den Zubringerkanälen 570 in die Reaktionszelle 350 fließen zu lassen, welche über den Verteilungskanal 500 verbunden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Fluid in dem primären Zufuhrkanal 580 und Zubringerkanal 570 auf konstantem Druck unter Verwendung von Aufstrompumpen und Abstromdruckentlastungsventilen gehalten.
13A zeigt einen Querschnitt durch den elften alpha-Verteilungskanal 500A11. Drei der Platten, die das Verteilersystem bilden, eine erste Platte 591, eine zweite Platte 592 und eine dritte Platte 593, werden gezeigt. Der zweite alpha-Zubringerkanal 570A2, der zweite beta-Zubringerkanal 570B2, der zweite gamma-Zubringerkanal 570A2 und der zweite delta-Zubringerkanal 570D2 können in einem Formverfahren gebildet werden, das zur Bildung der ersten Platte 591 dient. Der elfte alpha-Verteilungskanal 500A11 wird primär mit Teilen der ersten Platte 591 und der zweiten Platte 592 gebildet und können während des Formverfahrens benutzt werden, diese Platten zu bilden. Der Abschnitt 501A11 des elften alpha-Verteilungskanals 500A11, der mit dem zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2 verbunden ist, kann unter Verwendung eines Bohrverfahrens, wie eines Laserbohrverfahrens, gebildet werden. Der Abschnitt 502A11 (siehe 13B) des elften alpha-Verteilungskanals 500A11, der mit der Reaktionszelle 350B1 verbunden ist, wird typischerweise während des Formens der zweiten Platte 592 gebildet. Das Ausdehnungsventil 580 schließt einen Elastomerfilm 581 mit niedrigem Modul, wie ein Kohlenwasserstoffelastomer, ein Elastomer auf Acrylnitrilbasis oder Polyurethanfilme ein, die Naturkautschukfilme, Ethylen-Propylen-Kautschuk und Acrylnitril-Butadienstyren Copolymerfilme einschließen. Der Elastomerfilm kann beispielsweise an das Substrat unter Verwendung eines Klebstoffes, wie eines abbindenden Arynl-, Polyharnstoff- oder Polysulfitklebestoffes, gebunden werden oder kann durch Wärmekompressionsbindung oder Ultraschallschweißen gebunden werden. Der Elastomerfilm 518 bedeckt eine Fluidkammer 582, die mit einem Gas gefüllt ist, wobei ein solches Gas Luft oder Argon ist, oder mit einer niedrigsiedenden Flüssigkeit, wie Freon oder einem anderen Kältemittel. Die Fluidkammer i582 ist ausreichend nahe bei einem Heizelement 583 positioniert, das vorzugsweise durch die Steuerung 10 gesteuert wird. Das Heizelement 583 funktioniert so, daß es das Gas oder die Flüssigkeit in der Fluidkammer 582 erhitzt, um die Ausdehnung des Ausdehnungsventils 580 zu bewirken. Die Reaktionszelle 350B1 hat einen Ablauf 355B1.
Heizelemente 583 können irgendeine Anzahl von Heizeinrichtungen sein, die in der Technik bekannt sind, wie elektrische Widerstandsheizungen und Infrarotlichtquellen einschließlich Infrarotdiodenlasern, wie kantenemittierende Diodenlaseranordnungen, die bei David Samoff Research Center, Princeton, NY oder die 1300 nm oder 1590 nm Laser, verfügbar von LaserMax Inc., Rochester, NY. Wenn das Heizelement 583 eine Infrarotlichtquelle wäre, würde das sich zwischen dem Heizelement 583 und der Fluidkammer bewegende Material vorzugsweise wenigstens etwa 50%, stärker bevorzugt 80% des Infrarotlichts des Heizelements 583 betragen.
13 zeigt eine vergleichbare Version einer Schnittansicht des elften alpha-Verteilungskanals 500A11, wo das Ausdehnungsventil 580 unterschiedlich positioniert ist.
13C zeigt eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform, bei welcher der elfte alpha-Verteilungskanal ein erstes Ausdehnungsventil 580A, ein zweites Ausdehnungsventil 580B und ein drittes Ausdehnungsventil 580C hat. Diese drei Ventile können nacheinander betätigt werden, um eine Pumpkraft zu erzeugen, die Flüssigkeit in die Reaktionszelle 350B1 bewegt. Beispielsweise wird zum Zeitpunkt eins der elfte Verteilungskanal 500A11 mit einer Flüssigkeit gefüllt und das erste Ausdehnungsventil 580A expandiert. Zum Zeitpunkt zwei bleibt das erste Ausdehnungsventil 580A expandiert, und das zweite Ausdehnungsventil 580C beginnt zu expandieren, wobei Flüssigkeit in die Reaktionszelle 350B1 gedrückt wird. Zum Zeitpunkt drei bleibt das zweite Ausdehnungsventil 580B expandiert, und das erste Ausdehnungsventil 58βA beginnt, sich zu kontrahieren und zieht dabei Flüssigkeit aus dem zweiten alpha-Zubringerkanal 570A2, um das Volumen, das vorher von dem expandierten Ventil eingenommen wurde, aufzufüllen. Ebenfalls zum Zeitpunkt drei beginnt das dritte Ausdehnungsventil 580C zu expandieren, um Flüssigkeit zu zwingen, in die Reaktionszelle 350B1 zu fließen. Zum Zeitpunkt vier bleibt das dritte Ausdehnungsventil 580C expandiert, und ein zweites Ausdehnungsventil 580B beginnt, sich zusammenzuziehen, während gleichzeitig das erste Ausdehnungsventil 580A beginnt, sich auszudehnen. Zum Zeitpunkt 5 ist das erste Ausdehnungsventil 580A expandiert, während die anderen beiden Ausdehnungsventile 580B und 580C sich zusammenziehen und die Stufe für einen neuen Pumpzyklus freimachen.
E. Flüssigkeitsverteilungssystem auf Elektrodenbasis
14 zeigt eine Draufsicht auf ein Flüssigkeitsverteilungssystem auf Elektrodenbasis und zeigt, wie Kanäle von Zubringerkanälen, zum Beispiel alpha- bis delta-Zubringerkanäle 670A – 670D, einen fünften vertikalen Kanal 628 verbinden können, der in Verbindung mit einer bestimmten Reaktionszelle 350 steht.
In 14 verbindet ein alpha-Zubringerkanal 670A einen beta-Zubringerkanal 670B, einen gamma-Zubringerkanal 622A, einen zweiten alpha-Verteilungskanal 624A, einen zweiten beta-Verteilungskanal 624B und einen ersten beta-Verteilungskanal 622B. Der erste alpha-Verteilungskanal 622A, der zweite alpha-Verteilungskanal 624A, der zweite beta-Verteilungskanal 624B und der erste beta-Verteilungskanal 622B haben eine erste alpha-Pumpe 660A auf Elektrodenbasis, eine erste beta-Pumpe 660B auf Elektrodenbasis, eine erste gamma-Pumpe 660C auf Elektrodenbasis und eine erste delta-Pumpe 660D auf Elektrodenbasis. Der erste alpha-Verteilungskanal 622A verbindet den fünften vertikalen Kanal 628 über den zweiten Verbindungskanal 623A mit dem im dritten alpha-Verbindungskanal 625A. Der erste beta-Verteilungskanal 622B verbindet mit dem fünften vertikalen Kanal 628 über den zweiten beta-Verbindungskanal 623B den dritten beta-Verbindungskanal 625B. Man bemerke, daß die zweiten alpha- und die zweiten beta-Verbindungskanäle 623A und 623B in einer tieferen Ebene als ihr verbundener erster alpha-Verteilungskanal 622A und ihr erster beta-Verteilungskanal 622B liegen. Der zweite alpha-Verteilungskanal 624A und der zweite beta-Verteilungskanal 624B sind jeweils direkt mit dem fünften vertikalen Kanal 628 verbunden.
Man bemerke, daß die Abschnitte „N" (in der Figur angegeben) der alpha-, beta-, gamma- und Delta Zubringerkanäle 670A – 670D als die „Zubringerkanaleinlässe" bezeichnet sind, während die „S"-Anteile als die „Zubringerkanalauslässe" bezeichnet werden. Die Einlässe von alpha-, beta-, gamma- und delta-Zubringerkanälen 670A – 670 D haben eine zweite alpha-Pumpe 667A auf Elektrodenbasis, eine zweite beta-Pumpe 667B auf Elektrodenbasis, eine zweite gamma-Pumpe 667C auf Elektrodenbasis und eine zweite delta-Pumpe 667D auf Elektrodenbasis. Die Auslässe der alpha-, beta-, gamma- und delta-Zubnngerkanäle 670A – 670D haben eine dritte alpha-Pumpe 668A auf Elektrodenbasis, eine dritte beta-Pumpe 668B auf Elektrodenbasis, eine dritte gamma-Pumpe 668CF auf Elektrodenbasis und eine dritte delta-Pumpe 668D auf Elektrodenbasis. Die angewendeten Spannungen zum Betreiben der Pumpen auf Elektrodenbasis in den Kanälen, welche die Dreiwegeverbindung bilden (aus einem Zubringerkanaleinlaß, einem Zubringerkanalauslaß und einem Verteilungskanal) können so eingestellt werden, daß sie entweder einen Fluß in den Verteilungskanal erlauben oder den Fluß in den Verteilungskanal blockieren. Vorzugsweise ist bei jeder Dreiwegeverbindung jede Elektrode der ersten Pumpe 660 auf Elektrodenbasis, der zweiten Pumpe 667 auf Elektrodenbasis und der dritten Pumpe 668 auf Elektrodenbasis am nächsten der Verbindung, die mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden oder geerdet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Kapillarbarrieren, wie beispielsweise an den vier Verbindungen (unnumeriert), mit dem fünften vertikalen Kanal 628 verwendet werden, um unbeabsichtigten Fluß in den fünften vertikalen Kanal 628 zu beschränken. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform haben die ersten alpha- und beta-Verteilungskanäle 622A und 622B sowie die zweiten alpha- und beta-Verteilungskanäle 624A und 624B engere Kanalweiten als ihre verbundenen Zubringerkanäle 670, so daß der Fluß durch die Verteilungskanäle 622 oder 624 weniger begünstigt als der Fluß durch die Zubringerkanäle 670 ist, besonders wenn die erste Pumpe 660 auf Elektrodenbasis in den Verteilungskanälen so arbeitet, daß gegen den unerwünschten Fluß gepumpt wird. Vorzugsweise haben eine oder mehrere der Verteilungskanäle (zum Beispiel der erste alpha-Verteilungskanal 622A) eine Kanalbreite an der Öffnung mit der Dreiwegeverbindung, die etwa 50% oder weniger der Breite des verbundenen Zubringerkanals 570 ist, stärker bevorzugt die Breite etwa 40% oder weniger der Breite des verbundenen Zubringerkanals 670 beträgt.
Merkmale anderer Verteilungssysteme, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können auch auf diese Ausführungsform angewendet werden, ungeachtet der Tatsache, unter welcher Überschrift sie beschrieben sind.
F. Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung 10 wird typischerweise ein elektronischer Prozessor sein. Sie kann jedoch auch eine einfachere Vorrichtung mit Zeitgebern, Schaltern, Solenoiden oder dergleichen sein. Das wesentliche Merkmal der Steuereinrichtung 10 ist jenes, daß sie die Aktivität der ersten Pumpen 360 und der zweiten Pumpen 361 und gegebenenfalls die Aktivität äußerer Pumpen 171 steuert. Ein Schaltkreis dünner Filmtransistoren (nicht gezeigt) kann auf dem Flüssigkeitsverteilungssystem gebildet werden, um Energie an die Vertiefungen über Leitungen und Elektroden zu liefern und sie mit den Antriebsmitteln, wie der Steuereinrichtung 10, zu verbinden, um so Flüssigkeiten durch die Anordnung zu bewegen. Stifte können auch zum Substrat gebildet werden und sind durch logische Schaltkreise adressierbar, die mit der Steuereinrichtung 10 beispielsweise verbunden sind.
G. Reaktionszellen und Reaktionszellenplatte
Reaktionszellen 350 sind typischerweise Vertiefungen, die in den oberen Schichten einer Reaktionszellenplatte 320 ausgebildet sind. Der Ablauf 355 einer Reaktionszelle 350 kann am Boden der Reaktionszelle 350 offen sein, in welchem Fall die Drainage kinetisch und durch Negativdruck von den verbundenen Kanälen gesteuert wird. Alternativ kann der Ablauf 355 in Nachbarschaft zu der Reaktionszelle 350 sein und sich in größerer Höhe als die Höhe des Bodens der Reaktionszelle 350 öffnen, wie in 15A erläutert ist. In 15A ist der Ablauf 355 mit der Reaktionszelle 350 durch eine Schleuse 351 verbunden. In diesem Fall werden die Spülvolumina, die wesentliche Volumina in Bezug auf das Volumen der Reaktionszelle sind, aber in absoluter Menge winzig sind, durch die Reaktionszelle 350 geführt, um die Gesamtheit eines bestimmten Reaktionspartners zu entfernen, der vorher in die Reaktionszelle 350 geschickt wurde. Bei einer anderen Alternative wird die Reaktionszelle 350 mit einem ersten horizontalen alpha-Ablaufkanal 356A und einem ersten horizontalen beta-Ablaufkanal 356B verbunden, die eine erste alpha-Ablaufpumpe 356A bzw. eine erste beta-Ablaufpunkte 357B haben, die Pumpen auf Elektrodenbasis sein können, wie in 15B erläutert ist. Die ersten horizontalen alpha- und beta-Ablaufkanäle 356A und 356B können mit einem vertikalen alpha-Ablaufkanal 358A und einem vertikalen Beta-Ablaufkanal 358B verbunden werden, die ihrerseits mit einem zweiten horizontalen alpha- und beta-Ablaufkanal 359A bzw. 359B verbunden sind. Die zweiten horizontalen alpha- und beta-Ablaufkanäle 359A und 359B öffnen sich in den alpha-Ablaufkanal 355A und den beta-Ablaufkanal 355B. Die alpha- und beta-Pumpen 357 arbeiten unter der Steuerung der Steuereinrichtung 10, welche die Pumpen betätigt, wenn es angebracht ist, die Reaktionszelle 355 ablaufen zu lassen. Man bemerke, daß diese letztere Ablaufstruktur einer Form einer Kapillarbarriere 370 einschließt. Wo alpha- und beta-Pumpen 357A und 357B Pumpen auf Elektrodenbasis sind, kann man so arbeiten, daß ein +-Fluß die Reaktionszelle 350 durchspülen würde und ein +Fluß die Reaktionszelle 350 durchspülen würde. Auf diese Weise würde ungeachtet dessen, was die Fließpräferenz der Flüssigkeit in der Reaktionszelle 350 ist, ein Ablaufmechanismus das Fluid aus der Reaktionszelle 350 verdrängen, während das andere nur ein begrenztes Volumen von Fluid in die Reaktionszelle 350 schieben würde, was einen Nettoablaufeffekt ergäbe.
Ein anderer Weg, auf dem die Reaktionszelle 350 steuerbar ablaufen kann, ist der, einen Bodenablauf 355 mit einem Auslaßkanal zu verwenden, der eine Einengung hat, wie beispielsweise eine der Einengungen, die oben unter Bezugnahme auf die bevorzugte zweite Ausführungsform beschrieben ist.
Abläufe sind fakultativ, da bei einigen Anwendungen die Flüssigkeitsmenge, die in eine Reaktionszelle 350 bewegt wird, geringer als das Reaktionszellenvolumen ist. Wenn Abläufe jedoch nicht vorliegen, sind Entlüftungen erforderlich. Entlüftungen für die Reaktionszellen 350 sind in anderen Kontexten ausreichend beschrieben.
Die Reaktionszellenplatte kann umkehrbar an die nächst höhere Platte beispielsweise durch Gewährleistung, daß die beiden Oberflächen glatt bearbeitet sind, und Zusammenpressen der beiden Platten gebunden werden. Statt dessen wird beispielsweise eine deformierbare Dichtung, wie aus Teflon, Polyethylen oder einem elastomeren Film (wie aus Naturkautschuk, ABS-Gummi oder Polyurethan-Elastomerfilm) als Dichtung zwischen die Platten gelegt. Ein Weg, eine Kraft aufrechtzuerhalten, welche die Platten an der Dichtung haften läßt, ist der, eine Anzahl von Vakuumlöchern zu haben, die durch die Bodenplatte und die Dichtung geschnitten sind, und ein Vakuum an diese Stellen anzulegen. Allgemein sollte die Dichtung ausreichen, damit die zur Bildung des Vakuums verwendete Pumpe nach anfänglicher Bildung des Vakuums abgeschaltet werden kann. Die Dichtung ist vorzugsweise etwa 0,05 mil bis etwa 1 mil und stärker bevorzugt etwa 0,1mil × etwa 0,3 mil in der Dicke.
Aus dem Boden der Reaktionszellenplatte 320 austretendes Fluid kann beispielsweise einfach in einem Schmutzfänger aufgefangen werden oder kann in ein poröses Substrat, wie ein gesintertes Glas, Glaswolle oder ein Gewebematerial, diffundiert werden. Alternativ ist eine fünfte Platte 340 an der Unterseite der Reaktionszelle angebracht und hat Kanäle, welche die Auslässe der Reaktionszellen 350 mit individuellen Sammelreservoirs verbinden, aus welchen Proben des Fluids entnommen werden können. Beispielsweise ist die fünfte Platte 340 breiter als die Reaktionszellenplatte 320, und die Sammelreservoirs liegen über der Oberfläche der fünften Platte 340 im Bereich, der nicht von der Reaktionszellenplatte 320 bedeckt ist.
Vorzugsweise werden Syntheseverfahren, die in den Reaktionszellen 350 des Flüssigkeitsverteilungssystems durchgeführt werden, auf unlöslichen Trägern stattfinden, die typischerweise als „Perlen" bezeichnet werden, wie die Styrol-Divinylbenzol-Copolimerisate, die von Merrifield benutzt wurden, wenn er synthetisch technische Peptide in fester Phase einführte. Merrifield, J. Am Chem. Soc. 85:3149, 1963. Siehe auch Barany et al., „Jüngste Fortschritte bei der Festphasensynthese" in Innovation and Perspectives in Solid Phase Synthesis: Peptides, Polypeptides, and Oligonucleotides, Roger Epton, Herausgeber, gesammelte Papiere des zweiten Internationalen Symposiums, 27-31 August 1991, Canterbury, England, Seite 29. Diese Träger werden typischerweise derivatisiert, um einen „Handgriff" zu bekommen, an den der erste Baublock eines erwarteten Produkts reversibel befestigt werden kann. Auf dem Gebiet der Peptidsynthese schließen geeignete Träger beispielsweise p-Alkoxybenzylalkoholharz („Wang" oder PAM-Hair), das bei Bachel Bioscience, Inc., King of Prussia, PA erhältlich ist) substituierte 2-Chlortritylharze, die bei Advanced Chemtech, Louisville, KY erhältlich sind, und Polyethylenglycol-gepfropfte Polystyrolharze (PEG-PS- Harze) sind erhältlich bei PerSeptive Biosystems, Framingham, MA oder unter der Handelsbezeichnung TentaGel bei Rapp Polymer in Deutschland. Ähnliche Festphasenträger, wie Polystyrolperlen, werden auch bei der Synthese von Oligonukleotiden auf dem Phosphotriesterweg verwendet (siehe Dhris'iodoulou, „Oligonukleotid-Synthese: Phosphotriestennreg" in den Protokollen für Oligonukleotid-Konjugate, S. Agrawal, Herausgeber, Humana Press, N.J. 1994) auf dem Phosphoramidit-Weg (siehe Beaucage, „Oligodeoxynukleotid Synthese: Phosphoramidit-Weg" in Protokolle für Olegonukleotid-Konjugate, S. Agrawal, Herausgeber, Humana Press, N.J. 1994), auf dem H-Phosphonatweg (siehe Froehler, Oligodeoxynukleotid-Synthese: H-Phosponatweg" in Protokolle für Oligonukleotid-Konjugate, S, Agrawal, Herausgeber, Humana Press, N.J. 1994) oder nach der Silyl-Phosphoramidit-Methode (siehe Damha und Ogilvie, Oligodeoxynukleotid-Synthese: „Silyl-phospharamidit-Methode" in Protokolle für Oligonukleotid-Konjugate, S. Agrawal, Herausgeber, Humana Press, N. J. 1994). (geeignete Träger für die Oligonukleotid-Synthese sind etwa die Glas- (cpg) und Polystyrol-Träger mit kontrollierter Porengröße, erhältlich bei der Applied Biosystems, Foster City, CA. Feste Träger werden auch bei anderen kleinen Molekülen und Polymeren organischer Synthese verwendet, wie in der Oligocarbamat-Synthese für organische Polymeranwendung, beschrieben von Gordon et al., J. Medicinal Chem. 37:1385-1401, 1994 beschrieben ist.
Vorzugweise sind die Reaktionszellen 350 rechteckig mit horizontalen Abmessungen von etwa 400 Mikron bis etwa 1200 Mikron, stärker bevorzugt etwa 500 Mikron bis etwa 1000 Mikron, noch stärker bevorzugt etwa 640 Mikron und einer Tiefe von etwa 200 Mikron bis etwa 400 Mikron. Wo Perlen in den Reaktionszellen 350 verwendet werden, ist die Tiefe der Reaktionszellen 350 vorzugsweise wenigstens etwa 50 Mikron größer als der gequollene Durchmesser der Perlen. Die Trägerperlen, die typischerweise wie in Synthesen in feste Phase verwendet werden, haben Durchmesser zwischen etwa 50 Mikron und etwa 250 Mikron, und die Kapazitäten reaktiver Stellen liegen zwischen etwa 0,1 mMol/g und etwa 1,6 mMol/g. Typischerweise werden zwischen etwa 1 und etwa 10 solcher Perlen in einer Reaktionszelle 350 eingeführt, um eine erwünschte Kapazität zwischen etwa 1 nMol und etwa 10 nMol je Reaktionszelle 350 zu ergeben. In jüngerer Zeit wurden Perlen verfügbar, die einen Durchmesser haben, welcher im Bereich zwischen etwa 200 Mikron und etwa 400 Mikron liegen, je nach dem Lösungsmittel, das verwendet wurde, um die Perlen zu quellen, und je nach dem Größenunterschied zwischen den einzelnen Perlen, und es wurde eine Kapazität der reaktiven Stellen zwischen 5 nMol und etwa 20 nMol je Perle verfügbar. Diese großen Perlen schließen die Perlen ein, die von Polymer Laboratories, Amhearst, MA verkauft werden. Erwünschte Funktionalitäten der reaktiven Stellen beinhalten Halogen-, Alkohol-, Amin- und Carbonsäuregruppen. Mit diesen großen Perlen wird vorzugsweise jede Reaktionszelle 350 nur mit einer Perle beladen.
Eine andere Option für das Erzeugen eines festen Trägers ist die, den Boden der Reaktionszelle 350 direkt derart zu derivatisieren, daß es reversibel an den ersten Baublock: der Verbindung, die synthetisiert werden solle, gekoppelt werden kann. Die hierzu verwendete Chemie kann die gleiche oder ähnlich wie jene sein, die verwendet wird, um Glasperlen (cpg) und Polymerperlen mit ge steuerter Porengröße zu derivatisieren. Typischerweise ist die erste Stufe in diesem Verfahren die, Hydroxylgruppen zu erzeugen (wenn sie nicht bereits auf dem Träger existieren) oder Aminogruppen auf dem Träger zu bekommen. Wenn Nydroxylgruppen vorliegen oder erzeugt werden, werden sie typischerweise in Aminogruppen umgewandelt, beispielsweise durch Umsetzung mit gamma-Aminopropyltriethoxysilan. Flexible Seile können den Aminogruppen mit zyklischen Säureanhydriden, Reaktionen mit polymerisierten Alkylenoxiden und anderen Methoden, die in der Technik bekannt sind, zugefügt werden. Beispiele solcher Methoden sind in Fields et al., „Synthetische Peptide: Ein Führerfür Benutzer", W. N: Freeman und Co., Salt Lake Ciry, UT, 1991, beschrieben.
Methoden zur Erzeugung reaktiver Stellen sind etwa für den Fall, wo die Reaktionszellenplatte 320 aus Kunststoff besteht, daß man den Boden der Reaktionszelten 350 einem reaktiven Plasma aussetzt, so daß durch eine Glimmentladung in Gegenwart von Ammoniak oder Wasser NN₂-Gruppen erzeugt werden. Solche Verfahren sind in „Modification of Polymers", Carraher und Tsuda, Herausgeber, American Chem. Soc,. Washington, DC, 1980, beschrieben. Eine andere Methode, die mit Glas-, Keramik- oder Polymersubstraten brauchbar ist, ist die Abscheidung eines Films von Siliziummonoxid durch Dampfabscheidung bei niedriger Temperatur, um Hydroxyl-Funktionalitäten zu erzeugen. Glasoberflächen können mit Alkali behandelt werden, beispielsweise mit KOH- oder NaOH-Lösungen in Wasser oder Wasser/Alkohol-Gemischen, um Hydroxyl-funktionelle Gruppen freizulegen. Nicht-geglühte Borsilikat-Glasoberflächen, einschließlich Überzügen von nichtgeglühtem Borsilikatglas, erzeugt durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase können geätzt werden, beispielsweise mit Fluorwasserstoffsäure, gelöst in Wasser, um die Bereiche, die reich an Bor sind, aufzulösen, und dieses Verfahren erzeugt eine poröse Struktur mit einer großen Oberfläche. Diese poröse Struktur kann mit Alkali behandelt werden, um Hydroxylgruppen freizulegen. Der Substitutionsgrad reaktiver Stellen auf solchen Oberflächen ist vorzugsweise wenigstens etwa 83 nMol je cm², stärker bevorzugt wenigstens etwa 124 nMol je cm² (unter der Annahme einer Substitution in 500 Mikron mal 500 Mikron Reaktionszelle 350 von wenigstens etwa 0,31 nMol), noch mehr bevorzugt wenigstens etwa 256 nMol je cm².
Die oben beschriebenen Verfahren zur Verwendung des Bodens der Reaktionszellen 350 als einen festen Träger können durch Methoden ergänzt werden, welche die Oberfläche des Bodens der Reaktionszellen 350 vergrößern. Eine Methode ist die, säulenförmige Strukturen von Siliziummonoxid, wie beispielsweise durch thermische Verdampfung von SiO_X zu vergrößern. Eine andere derartige Methode ist die, in die Reaktionszellen Stoffe zuzugeben, wie nicht-gewebtes Glas oder nicht-gewebten Kunststoff (vorzugsweise Faserglas oder Polypropylenfaser)-Gewebe und Plasmabehandlung des Gewebes, um reaktive Stellen zu erzeugen.
Eine andere Methode verwendet Aufspinnglas, das einen dünnen Film von nahezu stöchiometrischem SiO₂ von einer Sil-Sesquioxan-Leiter-Polymerstruktur durch thermische Oxidation erzeugt. Sol-Gel-Behandlung erzeugt dünne Filme von glasartiger Zusammensetzung aus Organo-Metall-Ausgangsmaterialien, indem man zunächst eine polymere Organometallstruktur in Gemisch von Alkohol plus Wasser bildet und dann sorgfältig trocknet und erhitzt. Wenn das Sol-Gel-System über der kritischen Temperatur und dem kritischen Druck der Lösung getrocknet wird, bekommt man ein Aerogel. Aerogele haben chemische Zusammensetzungen, die den Gläsern ähnlich sind (zum Beispiel SiO₂), doch haben sie extrem poröse Mikrostrukturen. Ihre Dichten sind vergleichsweise gering, in einigen Fällen mit nur etwa ein bis etwa drei Prozent Feststoffzusammensetzung, wobei der Rest Luft ist.
H. Kapillarbarrieren
Kapillarbarrieren wurden oben unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben. Kompliziertere Gestaltungsbetrachtungen jedoch, als oben diskutiert wurden, beeinflussen in einigen Fällen die Gestalt der Kapillarbarriere. In einigen Fällen ist es erwünscht, die durch die zweite Öffnung 362 oder eine dritte Öffnung 363 gebildete Schleuse zu verengen, um die Impedanz zu erhöhen und so (d.h. den Reibungswiderstand zu fließen) fließen zu lassen, wie geeignet ist, um eine geeignete Fließgeschwindigkeit zu erreichen, wenn die verbundene erste Pumpe 360 oder die zweite Pumpe 361 aktiviert wird. Eine solche Verengung wird durch Vergleich der Schleuse von 16A mit der verengten Schleuse von 16D gezeigt. Das Problem, das diese Gestaltungsänderung erzeugen kann, besteht darin, daß engere Kanäle Kapillarkräfte erhöhen können und dabei die Wirksamkeit von Kanalbrüchen begrenzen.
So schließt bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Kanalbruch eine oder mehrere aufwärts orientierte scharfe Kanten 369 ein, wie in den 16B und 16C erläutert ist. Stärker bevorzugt enthält ein Kanalbruch zwei oder mehr aufwärts gerichtete scharfe Kanten 369. In 16B wird der Abschnitt 362A der Öffnung 362 tiefer in die erste Platte 300 geschnitten, um einen offenen Raum zu erzeugen, der für die Operation der aufwärts gerichteten scharfen Kanten 369 brauchbar ist.
I. Herstellung von Platten, Kanälen, Reservoirs und Reaktionszellen
Die Flüssigkeitsverteüungssysteme nach der Erfindung können aus einem Trägermaterial aufgebaut sein, das resistent gegen die Chemikalien ist oder gemacht sein kann, die bei den chemischen Verfahren verwendet werden sollen, die in der Vorrichtung durchzuführen sind. Für alle der oben beschriebenen Ausführungsformen wird das bevorzugte Trägermaterial ein solches sein, das sich selbst als passend für die Methoden der Mikrofabrikation erwiesen hat, die Kanäle bilden können, die Querschnittsabmessungen zwischen etwa 50 Mikron und etwa 250 Mikron haben, wie Glas, geschmolzene Kieselsäure, Quarz, Siliziumplättchen oder geeignete Kunststoffe. Glas-, Quarz-, Silizium- und Kunststoffträgermaterialien sind bevorzugte Oberflächen, die mit einem geeigneten Behandlungsmittel behandelt wurden, wie mit einem silikonisierenden Mittel, das die reaktiven Stel-len auf dem Material minimiert, einschließlich reaktiver Stelien, die an biologische Moleküle, wie Proteine oder Nukleinsäuren binden. Wie oben diskutiert, ist das Ausdehnungsventil des Flüssigkeitsverteilungssystems vorzugsweise aus einem Kunststoff konstruiert. Bei Ausführungsformen, die relativ dicht gepackte elektrische Einrichtungen erfordern, ist ein nicht-leitendes Trägermaterial, wie ein geeignetes Glas, bevorzugt. Corning-Borsilikatglas und Corning 7740-Borsilikatglas, erhältlich bei Corning Glass Co., Corning, NY, sind unter den bevorzugten Gläsern.
Das Flüssigkeitsverteilungssystem nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus getrennten Platten von Materialien, auf welchen Kanäle, Reservoirs und Reaktionszellen gebildet werden, und diese Platten werden später unter Bildung des Flüssigkeitsverteilungssystems verbunden. Dieser Aspekt der Erfindung ist in einigen Details in Bezug auf das hydrologische Flüssigkeitsverteilungssystem beschrieben. Vorzugsweise ist die Reaktionszellplatte, zum Beispiel die Reaktionszellplatte 320, die Bodenplatte und ist reversibel mit der nächsten Platte in dem Stapel verbunden. Die anderen Platten, die das Verteilungssystem bilden, welches vorzugsweise zwei bis drei Platten umfaßt, sind vorzugsweise permanent verbunden. Diese Verbindung kann beispielsweise unter Verwendung von Klebstoffen oder von Techniken, wie thermischer Bindung von Glas auf Glas, erhalten werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zur permanenten Verbindung der Platten ist jenes, bei dem man zunächst die Platte mit einer Schicht von Glasglasur allgemein mit einer Dicke zwischen etwa 50 Mikron und etwa 500 Mikron, stärker bevorzugt zwischen etwa 75 Mikron und etwa 125 Mikron überzieht. Die obigen Dicken ziehen in Betracht, daß wesentliche Mengen von Kanalstruktur in der Glasurschicht gebildet werden. Sonst hat die Glasur allgemein eine Dicke zwischen etwa 1 Mikron und etwa 100 Mikron, stärker bevorzugt zwischen etwa 10 Mikron und etwa 25 Mikron. Diese Methoden werden vorzugsweise angewendet, um Glasplatten zu verbinden. Geeignete Glasuren sind bei der Ferro Corp., Cincinnati, OH, eihältlich. Die glasierte Platte wird behandelt, um Kanäle, Reservoirs oder Reaktionszellen, wie nachfolgend beschrieben, zu erzeugen. Die glasierte Platte wird gegen eine andere Platte positioniert, die vorzugsweise nicht glasiert ist, und die beiden Platten werden auf eine Temperatur von etwa der Erweichungstemperatur der Glasur oder höher, aber geringer als die Erweichungstemperatur für den Nicht-Glasurbereich dieser Platten erhitzt.
Eine andere bevorzugte Methode zur permanenten Verbindung von Glasplatten verwendet ein feldunterstütztes Verfahren zur thermischen Bindung. Es wurde nun festgestellt, daß Glas-auf-Glas-Dichtung unter Verwendung einer feldunterstützten thermischen Bindung möglich ist trotz der niedrigen Leitfähigkeit von Glas, wenn ein feldunterstütztes Bindungsmaterial zwischen die zu verbindenden Platten zwischengeschaltet wird.
Auf die obere oder Bodenoberfläche einer Glasplatte wird eine Schicht eines feldunterstützten Bindematerials aufgebracht. Vorzugsweise hat eine Bindematerialschicht mit Feldunterstützung eine Dicke zwischen etwa 50 nm und etwa 1000 nm, stärker bevorzugt zwischen etwa 150 nm und etwa 500 nm. Das feldunterstützte Bindematerial kann ein Material sein, das Glassubstrate unter Verwendung der oben beschribenen Methode bindet. Vorzugsweise ist das feldunterstützte Bindematerial Silizium oder Kieselsäure. Stärker bevorzugt ist das feldunterstützte Bindematerial Silizium.
Das feldunterstützte Bindematerial kann auf eine Platte beispielsweise durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase oder durch ein Sputterverfahren aufgebracht werden, bei dem Oberflächenmoleküle von einer Kathode emittiert werden, wenn die Kathode mit positiven Ionen aus einer Edelgasentladung bombardiert wird und die Oberflächenmoleküle mit einem nahegelegenen Substrat kollidieren und dann daran binden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden Siliziumschichten von 150 nm bis etwa 500 nm Dicke an Glasplatten unter Bedingungen gebunden, von denen man erwarten kann, daß sie eine äußere Oberflächenschicht von Siliziumdioxid erzeugen, wie eine solche von etwa 20 Å, obwohl das Dichtungsverfahren wirksam in Abwesenheit dieser Schicht sein dürfte. Die beschichtete Platte wird behandelt, wenn erforderlich, um Kanäle, Reservoirs oder Reaktionszellen zu erzeugen, wobei die nachfolgend beschriebene Methode verwendet wird. Alternativ wurde die Platte so vor dem Beschichten mit dem feldunterstützten Bindematerial behandelt. Die beschichtete Platte wird dann gegen eine andere Platte gestellt, die vorzugsweise nicht beschichtet ist, und in eine feldunterstützte Bindungseinrichtung 700 eingesetzt, wie die, welche in 17 erläutert ist. Die feldunterstützte Bindungseinrichtung 700 hat eine Heizeinrichtung 710, sowie eine Heizplatte. Die feldunterstützte Bindungseinrichtung 700 hat weiterhin eine Elektrode 720 und eine Erdung 730, die das Anlegen einer Spannung quer zur ersten Platte 740 und der zweiten Platte 750, auf welche eine Siliziumschicht 760 aufgebracht wurde, erlaubt. Pfeile 770 zeigen die elektrische Feldausrichtung. Allgemein wird die feldunterstützte Bindung unter einer normalen Atmosphäre durchgeführt.
Die Platten werden auf eine Temperatur gebracht, die wirksam ist, wenn ein geeignetes elektrisches Feld quer zu den Platten angelegt wird, um das Bindungsverfahren zu beschleunigen. Obwohl keine Bindung an eine Theorie erfolgen soll, wird doch angenommen, daß die Kombination einer auf der ersten Glasplatte 740 aufgebrachte Kathode und die größere Ionen-Mobilität der Austauschstelle (wie Natriumionen), verursacht durch die erhöhte Temperatur, eine Ionenverarmung auf der Fläche der ersten Glasplatte 740 gegenüber jener, an der die Kathode aufgebracht wird, verursacht. Die lonenverarmung dürfte eine Oberflächenladung bewirken, bei der die Bodenoberfläche des ersten Glassubstrats 740 bewirken, die in Wechselbeziehung mit der Erzeugung einer starken lokalisierten elektrostatischen Anziehung für das zweite Substrat 750 steht. Es ist klar, daß dieses Verfahren starke Bindung zwischen den Substraten erzeugt, und es wird angenommen, daß dies infolge der Bildung chemischer Bindungen zwischen der Kieselsäure des ersten Glassubstrats 740 und der Kieselsäure im Überzug auf dem zweiten Glassubstrat 750 erfolgt. Vorzugsweise wird die Siliziumbeschichtung auf etwa 200°C bis etwa 600°C, stärker bevorzugt auf etwa 300°C bis etwa 450°C gebracht. Während des Verfahrens wird typischerweise eine Spannung von etwa 200V bis etwa 2500V, vorzugsweise von etwa 500V bis etwa1500V quer über die erste Glasplatte 740 und die zweite Glasplatte 750 angelegt. Die am zweckmäßigsten angelegte Spannung variiert mit der Dicke der Glasplatten. Die Spannung zieht die erste Glasplatte 740 und die zweite Glasplatte 750 einschließlich der Siliziumschicht 760, die auf eine der Platten aufgebracht wurde, in innigen Kontakt zueinander. Typischerweise erreicht man eine hermetische Bindung innerhalb von Minuten bis etwa zu einer Stunde, je nach den ebenen Abmessungen der Glasplatten. Die erforderliche Zeit, um eine ausreichende Dichtung zu bekommen, variiert unter anderen Dingen mit der Glattheft der Platten, der elektrischen Feldstärke, der Temperatur und den Abmessungen der Platten. Eine Bindung zwischen den Platten ist visuell typischerweise ersichtlich, da sie von dem begleitenden Verschwinden der Grenzfläche zwischen den Platten und der Bildung von grauer Farbe auf den gebundenen Bereichen begleitet ist, was zu sehen ist, wenn ein Betrachter durch die dünneren Abmessungen der beiden Platten blickt.
Die oben beschriebene Methode kann verwendet werden, um ein Glassubstrat an ein anderes Glassubstrat und natürlich auch gleichzeitig an ein drittes Glassubstrat zu binden.
Die Fachleute werden erkennen, daß, obwohl eine heiße Platte erläutert ist, die das Erhitzen während der thermisch unterstützten Bindung liefert, auch andere Heizeinrichtungen, wie Öfen, verwendet werden können. Es wird auch zu realisieren sein, daß es erwünscht ist, wenn möglich, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu bindenden Substrate aneinander anzupassen.
Die Reservoirs, Reaktionszellen, horizontalen Kanäle und anderen Strukturen des Fluidverteilungssystems können nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Eine Platte, die beispielsweise eine Hindurchführungsplatte 300, Verteilungsplatte 310, Reaktionszellenplatte 320 oder Zwischenplatte 330 ist, wird nacheinander auf beiden Seiten zunächst mit einer dünnen Chromschicht von etwa 500 Å Dicke und einem zweiten Goldfilm von etwa 2000Å Dicke in bekannter Weise beschichtet, wie durch Aufdampfen oder Sputtern, um die Platte gegen nachfolgende Ätrmittel zu schützen. Eine zwei-Mikron-Schicht eines Photoresists, wie Dynakem EPA von Hoechst Celanese Corp., Bridgewater, NJ, wird auf den Photoresist gesponnen, und dieser wird freigelegt, entweder unter Verwendung einer Maske oder unter Verwendung quadratischer oder rechteckiger Bilder, zweckmäßig unter Verwendung des MRS 4500 Panelenstufengeräts, das bei der MRS Technology, Inc. Acton, MA, erhältlich ist. Nach Entwicklung unter Bilddung von Öffnungen in der Resistschicht und Einbrennen des Rückstandes unter Entfernen des Lösungsmittels wird die Goldschicht in den Öffnungen unter Verwendung einer Standardätrlösung von 4 Gramm Kaliumjodid und 1 Gram Jod (I₂) in 25 ml Wasser weggeätzt. Die darunterliegende Chromschicht wird dann getrennt unter Verwendung eines Säure-Chrom-Ätrmittels, wie KTI Chrome Etch von KTI Chemicals, Inc., Sunnyvale, CA, weggeätzt. Die Platte wird dann in einem Ultraschallbad von HF-HNO₃-H₂O in einem Volumenverhältnis 14:20:66 geätzt. Die Verwendung dieses Ätzmittels in einem Ultraschallbad erzeugt vertikale Seitenwände für die verschiedenen Strukturen. Das Ätren wird fortgesetzt, bis die erwünschte Ätztiefe erhalten wurde. Vertikale Kanäle werden typischerweise durch Laserablation gebildet.
Die verschiedenen horizontalen Kanäle der Ausführungsformen des Verteilungssystems haben typischerweise Tiefen von etwa 50 Mikron bis etwa 250 Mikron, vorzugsweise von etwa 50 Mikron bis etwa 100 Mikron, noch stärker bevorzugt von etwa 50Mikron bis etwa 80 Mikron. Die Breiten der horizontalen Kanäle und die Durchmesser der vertikalen Kanäle sind typischerweise etwa 50 Mikron bis etwa 20 Mikron, vorzugsweise etwa 100 Mikron bis etwa 200 Mikron, stärker bevorzugt etwa 120 Mikron bis etwa 150 Mikron.
J. Herstellung von Pumpen auf Elektrodenbasis
In vielen Ausführungsformen erfordern die Flüssigkeitsverteilungssysteme nach der Erfindung zahlreiche Elektroden für Pumpfluide durch das Flüssigkeitsverteilungssystem. Diese Elektroden werden allgemein in der oberen Glasplatte des Flüssigkeitsverteilungssystems hergestellt. Typischerweise ist jedes Paar von Elektroden eng beabstandet (zum Beispiel 50 bis 250 Mikron Trennung). Die Elektroden werden mit Durchmessern von vorzugsweise etwa 25 Mikron bis zu etwa 150 Mikron hergestellt, stärker bevorzugt etwa 50 Mikron bis etwa 75 Mikron. In bevorzugten Ausfüh rungsformen hat das Flüssigkeitsverteilungssystem 10.000 Reaktionszellen 350, wobei jede Reaktionszelle 350 sechs bis zehn verbundene Pumpen auf Elektrodenbasis hat. So kann ein Flüssigkeitsverteilungssystem etwa 200.000 bis etwa 300.000 Elektroden erfordern. Um solche Strukturen unter Verwendung von Massenproduktionstechniken herzustellen, ist die Bildung der Elektroden in paralleler Weise statt nacheinander erforderlich. Eine bevorzugte Methode zur Bildung der Elektroden schließt ein, daß man die Löcher in der Platte (zum Beispiel Hindurchführungsplatte 300), durch welche die Elektroden hervorragen werden, bildet, die Löcher mit einer metallischen dicken Filmdruckfarbe (d.h. einer sogenannten „via ink", die ein Fluidmaterial ist, welches bei einer bestimmten Temperatur sintert, um eine Masse zu bilden, die beim Abkühlen unter die Sintertemperatur ein elektrisch leitender Feststoff ist) füllt und dann die Platte und Druckfarbenfüllung erhitzt, um die Druckfarbe in einen guten Leiter umzuwandeln, der auch die Löcher gegen Fluidleckage abdichtet. Das Verfahren erzeugt auch Teile der Elektroden, die durch die Platte ragen, um auf einer Seite die Elektroden zu bilden, die in die Flüssigkeiten in Fluidkanälen ragen und auf der anderen Seite Kontaktpunkte für die Befestigung elektrischer Steuerungen liefern.
Beispielsweise werden Löcher in 500 Mikron dicke Platten aus Borsilikatglas unter Verwendung eines Excimer-Lasers gebohrt. Löcher mit Durchmessern zwischen 50 und 150 Mikron werden dann mit dicken Filmdruckfarben gefüllt, wobei man eine handelsübliche Einspritzmaschine „Vial-fill-Maschine" (Pacific Trinetics Modell, VF-1000, San Marcos, CA) verwendet. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß nur ausgewählte Zusammensetzungen von via-Druckfarben ausreichend funktionieren, um hohe Breiten-zu-Längen-Verhältnisse zu füllen, so daß die erhitzte Farbe an Seiten der Löcher anhaftet und nicht während des Erhitzens bricht und die Löcher gegen den Fluidfluß abdichtet. Ein Parameter, der wichtig für das Herstellen abgedichteter, leitfähiger Leitungen durch Löcher mit hohem Längen-zu-Breiten-Verhältnis ist, ist die Auswahl von Metallpulver- und Glaspulverkomponenten für die via-Druckfarbe, die ausreichend feine Abmessungen hat. Eine geeignete Formulierung verwendet 12-507 Au-Pulver (Technic Inc., Woonsocket, RI) 89,3% w/w, F-92 Glas (O. Hommel Co., Carnegie, PA), 5,7% w/w, 15% w/w Ethylcellulose N-300 (N-300, Aqualon, Wilmington, DE) in Texanol ^® (Monoisobutaratester von 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol, Eastman Chemical Products, Kingsport, TN), 2,4% w/w, 15% w/w Elvacite 2045^® (Polyisobutylmethacrylat) in Terpineol T-31^8 (gemischte tertiäre Terpenalkohole, Hercules Inc., Wilmington, DE), 2,1% w/w und Duomeen TDO^® (N-Talgalkyltrimethylendiaminoleat, Akzo Chemicals, Chicago, IL). Das Goldpulver von Technic, Inc. hat eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,9 Mikron. Eine andere geeignete Formulierung verwendet: Ag-Pulver Q-Pulver (Metz, South Plainfield, NJ), 80,8% w/w, F-92 Glas (O. Hommel Co. Carnegie, PA), 5,2% w/w, VX-1 Harz (37% w/w Terpineol T-318, 55,5% w/w Butylcarbitol, 7,5% w/w Ethylcellulose N-300, Aqualon, Wilmington, DE), 3,7% w/w, 15% w/w und Ethylcellulose N-300 in Texanol^®, 4,4% w/w, 15% w/w Elvacite 2045^® (Polyisobutylmethacrylat) in Terpineol T-318 , 4,1 % w/w, Duomeen TDO^®, 0,6% w/w und Terpineol 1,6%w/w. Diese Formulierungen werden bei 550°C erhitzt um leitfähige Leitungen mit hohem Langen-zu-Breiten-Verhältnis zu erzeugen.
Wenn die Größe des Glas- oder Metallpulvers zunimmt, können oftmals gute Fülleigenschaften (Fehlen von Rissen, gute Dichteigenschaften gegen Flüssigkeiten, gute Anhaftung an Seiten der Löcher) noch erhalten werden, indem man die Menge an organischen Stoffen in der via-ink vermindert.
Die Einrichtungen, die benutzt werden, um via-inks in die Löcher einer Platte einzufügen, beinhalten typischerweise eine Metallmatrize mit Öffnungen, die den Öffnungen in der Platte entsprechen. Die via-ink wird über die Matrize aufgebracht, welche auf der Platte ruht, und eine Blaseneinrichtung wird verwendet, um die Druckfarbe unter Druck zu setzen und sie so zu zwingen, die Löcher auszufüllen. Nach dem Füllen wird die Platte mit den mit via-ink gefüllten Löchern zur weiteren Verarbeitung entfernt, wie nachfolgend beschrieben ist.
Vor dem Erhitzen wird viel von der organischen Komponente wegverdampft, beispielsweise, indem man die mit Druckfarbe gefüllte Platte in einen Ofen (zum Beispiel bei 100°C) für eine bis fünf Minuten gibt. Vorzugsweise wird das Erhitzen bei einer Temperatur von etwa 450°C bis etwa 700°C, stärker bevorzugt bei etwa 500°C bis etwa 550°C durchgeführt. Das obere Ende des geeigneten Erhitzungstemperaturbereichs wird primär durch die Temperatur bestimmt, bei welcher die Platte bei der Behandlung sich zu verwerfen beginnt. Demnach konnten bei einigen Plattentypen viel höhere Temperaturen in Betracht gezogen werden.
Um zu gewährleisten, daß es leitfähiges Material ist, das über und unter der Glasplatte nach dem Erhitzen hervorragt, können die obere und die Bodenoberfläche der Platte mit einer Kupferschicht einer Dicke, die der Länge der erwünschten Vorsprünge entspricht, beschichtet werden. Die Opferschichten können aufgebracht werden, bevor oder nachdem die Löcher in der Platte gebildet werden. Wenn vorher, dann werden die Löcher sowohl durch die Glasplatte als auch durch die Opferschichten hindurch gebildet. Wenn später, dann (a) können entsprechende Öffnungen durch die Opferschichten erzeugt werden, indem man einen Gasdruckunterschied von einer Seite der Platte zur anderen erzeugt, und diese Druckdifferenz bläst klar das Opfermaterial weg, welches die Löcher bedeckt, oder (b) solche Öffnungen durch wenigstens die obere Opferschicht werden erzeugt, wenn der Druck der Druckfarbe durch die Opferschicht und in die Löcher drückt (eine unschädliche Menge an Opferschichtmaterial in den Löchern zurückläßt). Eine geeignete Opferschicht brennt während des Erhitzungsvertahrens weg. Opferschichten können aus einer Beschichtung einer Platte mit beispielsweise 5 – 25 % w/w Gemischen von Ethylcelluloseharz (zum Beispiel Ethylcellulose N-300, Aqualon, Wilmington, DE), gelöst in Terpineol T-318^® oder Texanol^® oder 5 – 50% w/w von Gemischen von Elvacite 2045^® in Terpineol T-318^® bestehen. Nach dem Erhitzen können die Oberflächen der Elektrode durch Metallisieren, wie Vernickeln, Versilbern, Vergolden, mit Platin oder mit Rhodium usw. verbessert werden. Die Abscheidungen können unter Verwendung von elektrolytischen und/oder galvanischen Standardplattierbädern und -techniken durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird eine Platte, wenn sie geätzte Öffnungen enthält, so verarbeitet, daß sie Elektroden einschließt, wobei das Ätzen als Erstes erfolgt, gefolgt von einem Beschichten mit der Opferschicht und Bildung der Elektrodenlöcher.
In einer alternativen Methode zur Herstellung werden für jede Pumpe zwei oder mehr Metalldrähte, wie beispielsweise Gold- oder Platindrähte mit einem Durchmesser von etwa 1 – 10 mil in die Öffnungen in den Kanalwänden, um beispielsweise 150 Mikron auseinander, eingeführt. Die Drähte werden in die Kanäle mit Hilfe einer herkömmlichen Gold- oder Platin-via-fill-ink abgedichtet, die aus fein verteilten Metallteilchen in einer Glasmatrix besteht. Nach Aufbringung der via-fill-ink um die Basis des Drahtes auf der Außenseite der Öffnung wird der Kanal auf eine Temperatur oberhalb der Fließtemperatur des via-fill-ink Glases erhitzt, wobei man eine ausgezeichnete Dichtung zwischen den Drähten und dem Kanal erhält. Die via-ink, die verwendet wird, um die Löcher zu dichten, kann beispielsweise durch Lot oder einen Klebstoff ersetzt werden.
1. Verschiedene Merkmale Im Fall, daß die Temperatur einer bestimmten Vertiefung überwacht oder verändert werden soll, wird ein Mittel zum Erhitzen oder Kühlen der Vertiefung in die Vertiefung eingebaut, wie weiterhin nachfolgend unter Bezugnahme auf 20 erläutert wird. Die erste Vertiefung 36 in diesem Beispiel wurde auf der Bodenoberfläche als dünner Film 57 eines geeigneten Metalloxids, wie Zinnoxid oder Indiumzinnoxid, abgeschieden. Der dünne Film 57 wird mit Hilfe einer elektrisch leitenden Metallverbindung 58 mit dem Ende oder der Außenkante der Vertiefung 36 verbunden. Der Zinnoxidüberzug 57 dient als ein Erhitzungselement für die Vertiefung 36. Die Seiten der Vertiefung 36 haben einen Bimetallfilm 59 und Leitungen 60, die zweckmäßig aus Chromel-/Alumel-Legierungen bestehen, auf der Oberfläche, und diese bilden ein Thermoelement zur Messung der Temperatur in der Vertiefung, wenn eine Stromquelle an den Zinnoxidüberzug 57 und die Leitungen 58 angelegt wird. Eine an die Vertiefung 36 über Elektroden 56 angelegte Spannung, wobei diese Elektroden auf der Rückseite aufgebracht wurden, wie gezeigt ist, reguliert die Temperatur in der Vertiefung. Die Menge an Strom, die zugeführt wird, kann durch die Steuereinrichtung 10 als Antwort auf durch die Leitungen 60 gemessene Temperatur gesteuert werden.
Bei einigen Anwendungen des Flüssigkeitsverteilungssystems kann ein signifikanter Dampfdruck in der Reaktionszelle 350 entwickelt werden, was einen Rückdruck in die Verteilerplatte 310 bewirkt. So können vorgeformte Ventile 70 (siehe 21A), die aus Bimetallmaterialien geformt sind, wie von Jerman et al., „Understanding Microvalve Technology", Sensors, September 1994, Seiten 26-36 beschrieben ist., in dem dritten vertikalen Kanal 390 plaziert werden. Diese Materialien haben eine Wärmeausdehnung, die nicht paßt. Wenn die Temperatur in der Reaktionszelle 350 niedrig ist, befindet sich das Kugelventil 62 in seiner normalen Position und erlaub einen freien Fluß von Fluiden in die Vertiefung 36 (siehe 21A). Wenn die Temperatur in der Vertiefung 36 zunimmt, bewegt sich das Kugelventil 62 zu einer kühleren Position (21 B) und blockiert den dritten vertikalen Kanal 390, um die Reaktionszelle 350 zu isolieren und dabei zu verhindern, daß Fluide in die erste Vertiefung 36 und aus ihr gelangen. Alternativ kann ein herkömmliches Rückschlagventil mit einem Lager, wie einem Lager aus Quarz oder Polytetrafluorethylenpolymer, verwendet werden, um die Reaktionszelle 350 zu isolieren. Wo es wichtig ist, die Fähigkeit zu haben, Fluid entgegen der Richtung fließen zu lassen, die durch das Rückschlagventil erzielt wird, kann das Rückschlagventil eine Isolierung oder ein magnetisches Lager haben, die bewegt werden können, um einen solchen Gegenstrom mit äußerlich angelegten elektrostatischen oder magnetischen Feldern zu erlauben.
Beispieie
Beispiel 1 – Mit einer einfachen Pumpe auf Elektrodenbasis gepumpte Flüssigkeiten
Unter Verwendung der 1 mm Kapillare mit einer Pumpe mit zwei Elektroden, die oben in Abschnitt B II beschrieben wurde, wurde eine Reihe von Flüssigkeiten einschließlich der folgenden Lösungsmittel getestet:
Die folgenden Lösungen in NMP bei 0,1 M, wenn nichts anderes angegeben ist, wurden getestet:
Die folgenden Lösungen in DMF, alle bei 0,1 M mit Ausnahme von Piperidin, welches 20% v/v besaß, wurden getestet.
Die folgenden Lösungen in DCM bei 0,1M, wenn nichts anderen angegeben ist, wurden getestet:
Die folgenden Lösungen in Methanol, alle bei 0,1M, wurden getestet:
Beissiel 2 – Bevorzugtes Fließsystem mit Elektrodenpumpe
Ein Kanalsystem wurde auf Platten von zwei Inch mal zwei Inch mal 20 mil von 211-Corning Glas (Corning Glass Co., Corning, NY) hergestellt, um zu bestätigen, daß Flüssigkeiten zu einem enrwünschten Fließweg geschaltet werden können, indem man die angelegten Spannung zu bestimmten Punkten auf Elektrodenbasis steuert. Wie in den 18A und 18B erläutert, wurde auf der Kanalplatte 810 (nicht gezeigt) ein erster Kanal 804 (2.600 µm lang mal 150 µm breit × 100 µm tief), ein zweiter Kanal 805 (550 µm lang mal 100 µm breit mal 100 µm tief), ein dritter Kanal 806 (800 µm lang mal 275 µm breit mal 100 µm tief), ein vierter Kanal 807 (200 µm lang mal 100 µm breit mal 100 µm tief), ein fünfter Kanal 808 (550 µm lang mal 100 µm breit mal 100 µm tief) und ein sechster Kanal 809 (2.600 µm lang mal 150 µm breit mal 100 µm tief) hergestellt. Auf der Kanalplat te 810 wurden eine erste Vertiefung 800A, eine zweite Vertiefung 800B und eine dritte Vertiefung 8000 hergestellt, die durch die Kanäle verbunden wurden. Eine Elektrodenplatte 820 wurde durch feldunterstützte thermische Bindung von der Kanalplatte 810 überlagert und abgedichtet. Die Elektrodenplatte 820 hatte Öffnungen in die erste Vertiefung 800A und die zweite Vertiefung 800B (nicht erläutert). Die dritte Vertiefung 8000 enthielt einen Mittelablauf 855. Die Elektrodenplatte 820 hatte weiterhin Platinelektroden, die durch Einsetzen von 25 µm Drähten hergestellt wurde. Die Elektroden enthielten eine erste Platinelektrode 801A, eine zweite Platinelektrode 810B, eine dritte Platinelektrode 801C, eine vierte Platinelektrode 802A, eine fünfte Platinelektrode 802B, wobei die dritte Platinelektrode 802C und die zwei Elektroden, die eine gamma-Pumpe auf Elektrodenbasis umfaßten. Zunächst ergänzten eine Platinelektrode 801A, eine zweite Platinelektrode 801B und eine dritte Platinelektrode 801C die alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis, während die vierte Platinelektrode 802A, die fünfte Platinelektrode 802B und die sechste Elektrode 802C die beta-Pumpe 802 auf Elektrodenbasis ergänzten.
18A zeigt Methanol, das von der ersten Vertiefung 800A zur zweiten Vertiefung 800B fließt, während es um die dritte Vertiefung 8000 herumgeht. Dies geschieht durch Anlegen von 180V an die alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis. 18B zeigt Methanol, das von der zweiten Vertiefung 800B zur dritten Vertiefung 8000 fließt, während die erste Vertiefung 800A umgangen wird. Dies geschieht durch Anlegen von 200V an die beta-Pumpe 802 auf Elektrodenbasis, von 100V an die gamma-Pumpe 803 auf Elektrodenbasis und 120V an die alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis, wobei die Polarität bei beta- und gamma-Pumpen 802 und 803 auf Elektrodenbasis den Fluß in die dritte Vertiefung 8000 begünstigten und die Polarität bei der alpha-Pumpe 801 auf Elektrodenbasis den Fluß weg von der ersten Vertiefung 800A begünstigte.
Beispiel 3 – Pumpen auf Elektrodenbasis über Kapillarbarrieren
19 zeigt einen Prototyp eines Flüssigkeitsverteilungssystems, das gemäß dem hydrologischen Flüssigkeitsverteilungssystem hergestellt wurde. Das Verteilungssystem wurde aus drei Platten aus Corning 7740-Glas, Corning Glass, Inc., Corning, NY, konstruiert, und aus diesen Platten wurde eine Deckplatte 910, die Zwischenplatte 920 und die Bodenplatte 930 hergestellt. Die Oberseite der Zwischenplatte 920 wurde mit Silizium beschichtet, wie oben beschrieben ist. In der Deckplatte 910 wurden durch Laserbohrung ein erstes Loch 901A, ein zweites Loch 901B und ein drittes Loch 902A, ein viertes Loch 902B, ein fünftes Loch 903A, ein sechstes Loch 903B, ein siebtes Loch 904A und ein achtes Loch 904B hergestellt, und diese Löcher hatten jeweils einen Durchmesser von 75 µm. Das erste und zweite Loch 901A und 901B wurden verwendet, um ein erstes Modell einer Pumpe 961 auf Elektrodenbasis zu bilden. Das dritte und vierte Loch 902A und 902B wurden verwendet, um den zweiten Prototyp der Pumpe 962 auf Elektrodenbasis zu bilden. Das fünfte und sechste Loch 903A und 903B wurden verwendet, um den dritten Prototyp der Pumpe 963 auf Elektrodenbasis zu bilden. Das siebte und achte Loch 904A und 904B wurden verwendet, um ein viertes Modell eines Prototyps einer Pumpe 964 auf Elektrodenbasis zu bilden. Die Elektroden in jeder der ersten bis vierten Prototyppumpen auf Elektrodenbasis 961 – 964 wurden durch vierte Pro totyppumpen auf Elektrodenbasis 961 – 964 um 200 µm getrennt. Durch Ätzen wurden eine alpha-Öffnung 905, eine beta-Öffnung 906 und eine gamma-Öffnung 907 auf der Unterseite der Deckplatte 910 gebildet. Durch Laserbohrern wurden das neunte Loch 908 und das zehnte Loch 909,jeweils mit einem Durchmesser von 150 µm, durch die obere Platte 910 gebildet.
In der Zwischenplatte 920 wurden der erste Prototypkanal 911 (aus Segmenten 911A – 911 D) und der zweite Prototypkanal 912 (aus Segmenten 912A – 912D) gebildet. Erste und zweite Prototypkanäle 911 und 912 haben eine Tiefe von 80 µm und eine Breite von 150 µm. Die Eingänge in diese beiden Prototypkanäle 911 und 912 sind durch das neunte Loch 908 und das zehnte Loch 909 bereitgestellt. Das Zellzugangsloch 913 für die erste Reaktion und das Zellzugangsloch 914 für die zweite Reaktion, beide mit einem Durchmesser von 150 um, wurden mit Laser durch die Zwischenplatte 920 gebohrt. In der Unterseite der Zwischenplatte 920 wurde eine delta-Öffnung 915 gebildet, wobei diese delta-Öffnung 915 die Reaktionszelle 950 zur ersten und zweiten Prototypablauflöchern 921 und 922 verbindet.
In der Bodenplatte 930 wurde die Reaktionszelle 950 durch Ätzen gebildet. Das erste Prototypablaufloch 921 und das zweite Prototypablaufloch 922 wurden mit Laser durch die Bodenplatte 920 gebohrt. Die Deckplatte 910 und die Zwischenplatte 920 wurden miteinander durch feldunterstützte thermische Bindung verbunden.
Wenn Methanol in den ersten Prototypkarsal 911 eingeführt wurde, wurde die Flüssigkeit bezüglich des Fließens in das Reaktionszellenzugangsloch 913 durch Kapillarbarriere gestoppt, die durch die Struktur bei alpha-Öffnung 905 gebildet wurde. Entsprechend verhinderte die Kapillarbarriere, die durch die Struktur bei beta-Öffnung 906 gebildet wurde, den Fluß von Methanol durch das Reaktionszellzugangsloch 913. Der Fluß in die Reaktionszellzugangslöcher 913 und 914 konnte auf irgendeinem Weg, der durch Aktivierung der geeigneten Pumpen initiiert wurde, erfolgen. Um beispielsweise Methanol durch den ersten Prototypkanal 911 zu pumpen, wurde an die erste Prototyppumpe auf Elektrodenbasis 901 und die zweite Prototyppumpe auf Elektronenbasis 902 eine Spannung von 200V angelegt. Der Fluß durch den Prototypkanal 911 wurde beobachtet.
Beispiel 4 – Kombinationssynthese von Oligonukleotid
Diese Synthese beginnt mit einer Anzahl von Polystyrolperlen, auf welche ein geschütztes Oligonukleotid mit einer Sequenz (5' bis 3'): GGAGCCATAGGACGAGAG mit der Phosphoramidit-Methode synthetisiert wird: Siehe beispielsweise Caruthers et al., Methoden der Enzymologie 211:3-20, 1992 für weitere Diskussion von Oligonukleotid-Synthesemethoden. Die funktionalisierten Polystyrolperlen, erhältlich bei Bacham Bioscience (King of Prussia, PA), werden in jede der Reaktionszellen einer Mikromaßstab-Flüssigkeitsverteilung mit 4 x 4 Reaktionszellen aufgeteilt. Das Flüssigkeitsverteilungssystem hat vier erste Reservoirs, Reservoir-1, Reservoir-2, Reservoir-3 und Reservoir-4, von denen jedes eine Reaktionszelle in der Anordnung 4×4 adressieren kann. Das Flüssigkeitsverteilungssystem hat vier zweite Reservoirs, Reservoir-5, Reservoir-6, Reservoir-7 und Reservoir-8, von denen jedes zweite Reservoirs die vier Reaktionszellen entlang einer bestimmten Reihe (d.h. die Reaktionszellen sind entlang einer EW-Achse ausgerichtet) adressieren kann. Weiterhin hat das Flüssigkeitsverteilungssystem vier dritte Reservoirs, Reservoir -9, Reservoir-10, Reservoir-11 und Reservoir-12, von denen jedes dritte Reseroir irgendeine der vier Reaktionszellen in der entsprechenden Säule adressieren kann (d.h. Reaktionszellen, ausgerichtet entlang einer NS-Achse).
Die folgenden Verfahrensstufen werden durchgeführt:

1. Jede der Reaktionszeilen in dem Verteilersystem wird mit Acetonitril aus Reservoir-1 gewaschen.
2. 3% Trichloressigsäure (TCA) in Dichlormethan aus Reservoir-2 werden durch alle Reaktionszellen gepumpt. Diese Lösung ist effektiv zur Entfernung der Dimethoxytrityl-Schutzgruppen an dem 5'-Enden der Oligonukleotide auf den Perlen.
3. Alle Reaktionszellen in dem Flüssigkeitsverteilungssystem werden erneut mit Acetonitril aus Reservoir-1 gespült.
4. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-5 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Adeninphorsphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Adenosingruppen an den 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die mit dem Reservoir-5 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen, die mit Reservoir-6 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1 M von geschütztem Cytosinphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, um geschützte Cytosingruppen zu den 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die mit dem Reservoir-6 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservor-7 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1 M von geschütztem Guanosinphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, um geschützte Guanosingruppen zu den 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen zu befestigen, die mit dem Reservoir-7 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-8 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1 M von geschütztem Thymidinphosphoramidit in Acetonitril zugesetzt. Diese Zugabe ist wirksam, um geschützte Thymidingruppen an die5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die mit dem Reservoir-7-verbunden sind.
5. Die Reaktionszellen werden mit Acetonitril aus Reaktionszellen von Reservoir 1 gewaschen.
6. Die Reaktionszellen werden mit Essigsäureanhydrid:2,6-Lutidinaetrahydrofuianl:1:8 aus Reservoir-3 gespült. Diese Lösung ist wirksam, um die Oligonukleotidketten zu schließen, die nicht mit dem zugesetzten Monomer reagiert haben.
7. Die Reaktionszellen werden mit 1,1 M Tetrabutylperoxid in Dichlormethan gewaschen. Diese Stufe ist wirksam, den Phosphittriester zu oxidieren, der das neuerlich zugesetzte Monomer in dem Oligonukleotid unter Bildung eines Phosphattriesters verbindet.
8. Die Stufen 1 – 3 werden wiederholt.
9. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-9 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Adeninphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Adenosingruppen an die 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reakti

onszellen anzuheften, die mit Reservoir-9 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen, die mit Reservoir-10 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Cytosinphosphoramidit in Acetonitril zugegeben. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Cytosingruppen an die 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen zu befestigen, die mit dem Reservoir-10 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-11 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Guanosinphosphoramidit in Acetonitril zugesetzt. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Guanosingruppen an die 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen anzuheften, die mit dem Reservoir-11 verbunden sind. Zu den vier Reaktionszellen, die mit dem Reservoir-12 verbunden sind, wird ein Gemisch von 0,1M von geschütztem Thymidinphosphoramidit in Acetonitril zugesetzt. Diese Zugabe ist wirksam, geschützte Thymidingruppen an die 5'-Enden der Oligonukleotide in den vier Reaktionszellen zu binden, die mit Reservoir-12 verbunden sind.
Das oben ausgeführte Verfahren ist wirksam, 16 getrennte Oligonukleotide zu erzeugen, von denen jedes mit einer Dinukleotid-Sequenz am 5'-Ende ausgestattet ist. Ähnlich k6nnen synthetische Methode angewendet werden, um verschiedene Kombinationsmoleküle, einschließlich Peptiden und anderer Moleküle, zu erzeugen, wie jene mit potentieller pharmakologischer Aktivität oder jene, die für diagnostische oder andere analytische Anwendungen brauchbar sind.

Claims

Flüssigkeitsverteilungssystem mit: (a) einer Hindurchführungsplatte (300) mit Flüssigkeitsquellen darin, (b) einer Verteilungsplatte (310), die ein Netz von Fluidkanälen (222) mit Kapillarabmessungen zum Leiten von Flüssigkeit von den Flüssigkeitsquellen aus zu einer Mehrzahl von Auslässen an einem oder an mehreren Schächten hat und wobei gegebenenfalls einer dieser Kanäle mit Kapillarabmessungen, der durch die Flüssigkeitsquelle ansprechbar ist, wenigstens einen Auslaß zu einem der Schächte und für jeden Auslaß eine Kapillarbarriere (370) zur Hemmung des Flusses aus dem Auslaß hat, und (c) Pumpen (360) für jeden Auslaß, in das Substrat eingearbeitet, für selektives Pumpen von Flüssigkeit von einer Flüssigkeitsquelle und aus dem Auslaß heraus, wobei die Pumpen selektiv arbeiten und wenigstens einer der Schächte Flüssigkeit von einer ersten der Flüssigkeitsquellen oder einer zweiten der Flüssigkeitsquellen in Abhängigkeit vom Betrieb der Pumpen aufnehmen kann, wobei die Pumpen beispielsweise zwei Elektrodenansätze umfassen, (d) einer Schachtplatte (320) mit einem oder mehreren Schächten (350), die lösbar unter der Verteilungsplatte angeordnet sein können, um jeden Schacht mit einem Auslaß auszurichten, (e) wobei die Verteilungsplatte (310) eine an die Bodenfläche der Hindurchführungsplatte (300) dichtend angebrachte obere Oberfläche hat und das zweite Substrat elektrische Leitungen umfaßt, die sich durch das zweite Substrat erstrecken, um mit den Pumpen verbunden zu sein und sie mit Energie zu versorgen.
In einem Substrat ausgebildetes Verteilungssystem mit einer Hindurchführungsplatte (300) mit einer Alpha-Flüssigkeitsquelle (200A), einer Beta-Flüssigkeitsquelle (200B) und einer Verteilungsplatte (310) mit einem System von Kanälen mit Kapillarabmessungen, wobei die Verteilungsplatte einen ersten Satz paralleler und benachbarter erster und zweiter Kapillarzubringerkanäle (216A) und einen zweiten Satz paralleler und benachbarter dritter und vierter Kapillarzubringerkanäle (216B) umfaßt, die gegenüber den ersten und zweiten Zubringerkanälen versetzt sind, wobei (a) die ersten und dritten Zubnngerkanäle (216A) mit der Alpha-Flüssigkeitsquelle (200A) durch einen ersten Kapillarverbindungskanal, der oberhalb oder unterhalb der zweiten und vierten Zubringerkanäle angeordnet ist, und unabhängig von der Beta-Flüssigkeitsquelle sind, und (b) die zweiten und vierten Zubringerkanäle (216B) mit der Beta-Flüssigkeitsquelle (200B) durch einen zweiten Kapillarverbindungskanal verbunden sind, der oberhalb oder unterhalb der ersten und dritten Zubringerkanäle liegt, und unabhängig von der alpha-Flüssigkeitsquelle sind, worin beim Füllen mit alpha-Flüssigkeitsquelle mit einer Flüssigkeit die ersten und zweiten Zubringerkanäle durch Kapillarwirkung über den ersten Verbindungskanal gefüllt werden und worin beim Füllen der beta-Flüssigkeitsquelle mit einer Flüssigkeit die dritten und vierten Zubringerkanäle durch Kapillarwirkung über den zweiten Verbindungskanal gefüllt werden.
Verteilungssystem nach Anspruch 2, bei dem das Substrat Glas, geschmolzene Kieselsäure, Quarz, Siliziumdioxidplättchen oder Kunststoff ist.
Flüssigkeitsverteilungssystem zum Leiten von Flüssigkeiten zu zwei oder mehr Schächten mit: (a) drei oder mehr Platten, von denen jede eine Deckplatte und eine Bodenplatte hat, einschließlich (i) einer ersten Platte (300) und einer zweiten Platte (320) mit einem oder mehreren Schächten (350) und (ii) eine oder mehrere Verteilungsplatten (310), die ein Verteilungssubstrat begrenzen, hat, jede Verteilungsplatte Spitze an Boden verbunden ist, wobei die Spitze des Verteilungssubstrats mit dem Boden der ersten Platte (300) verbunden ist und der Boden des Verteilungssubstrats mit der Spitze der zweiten Platte (320) verbunden ist, und worin das Verteilungssubstrat wenigstens zwei erste Flüssigkeitsquellen (200) umfaßt, wenigstens ein erstes Zubringerkanalsegment (216) mit Kapillarabmessungen mit jeder ersten Quelle verbunden ist, jedes erste Zubringerkanalsegment entlang einer ersten Verbindung von zweien dieser Platte gebildet wird, und wenigstens ein Verteilungskanal (222) mit Kapillarabmessungen mit jedem Zubringerkanal verbunden ist und entlang einer zweiten Verbindung, von der ersten unterscheidbar, zweier dieser Platten ausgebildet ist, wobei jeder Verteilungskanal (222) mit einem Zubringerkanal (216) verbunden ist und eine Projektion wenigstens eines Verteilungskanals auf der ersten Verbindung einen anderen Zubringerkanal schneidet, worin das Füllen jeder ersten Quelle mit einer Flüssigkeit dazu führt, daß durch Kapillarwirkung die verbundenen ersten Zubringerkanalsegmente und verbundenen Verteilungskanäle gefüllt werden, und worin die Schächte durch die Flüssigkeitsquellen über die ersten Zubringerkanalsegmente, die Ausdehnungskanäle (212) und die verbundenen Verteilungskanäle gelenkt werden und worin wenigstens ein Schacht auf der zweiten Platte (320) durch zwei oder mehrere der Flüssigkeitsquellen über separate Zubringerkanäle und Verteilungskanäle lenkbar ist.
Verteilungssystem nach Anspruch 4, das in dem Verteilungssubstrat wenigstens vier erste Flüssigkeitsquellen (200) und wenigstens zwei Sätze paralleler benachbarter Zubringerkanä- le (216) umfaßt, worin jeder der Zubringerkanäle in jedem Satz mit einer separaten Flüssigkeitsquelle verbunden ist und worin jeder Satz paralleler benachbarter Zubringerkanäle mit wenigstens zwei Sätzen benachbarter, senkrechter Verteilungskanäle (222) verbunden ist.
Verteilungssystem nach Anspruch 5, weiterhin mit: (b) Mikropumpen (360, 361), die auf den Platten zur Regulierung des Flüssigkeitsflusses durch Kanäle sich entwickeln, und (c) eine Steuereinrichtung zum Steuern der Mikropumpen umfaßt, wobei die erste Platte (300) eine Hindurchführungsplatte ist, die Zuführkanäle aufweist, welche sich durch die Hindurchführungsplatte zu den ersten Flüssigkeitsquellen (200) erstrecken, und elektrische Leitungen sich durch die Hindurchführungsplatte erstrecken, wobei Mikropumpen (360, 361) an jedem Verteilungskanal angeordnet sind und mit der Steuereinrichtung durch die elektrischen Leitungen verbunden sind, welche sich durch die Hindurchführungsplatte erstrecken.