DE69735739T2

DE69735739T2 - Variable Überwachung von elektroosmotischen und/oder elektroforetischen Kräften in einer in einem Fluidum enthaltenen Anordnung durch elektrische Kräfte

Info

Publication number: DE69735739T2
Application number: DE69735739T
Authority: DE
Inventors: Calvin Y.H. Porta Valley Chow; J Wallace Palo Alto Parce
Original assignee: Caliper Life Sciences Inc
Current assignee: Caliper Life Sciences Inc
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: ZA975948B; EP0816837A1; EP0816837B1; US6413401B1; AU3672497A; CA2258699C; EP0909386A1; CA2258699A1; CN1143129C; CN1224498A; BR9710193A; TW345683B; US5800690A; EP0909386A4; NZ333438A; JP2000513813A; JP3496156B2; ATE324584T1; US5965001A; EP1241472A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Seit einiger Zeit besteht ein wachsendes Interesse an der Herstellung und Verwendung von Mikrofluidsystemen zur Erfassung von chemischen und biochemischen Informationen. Normalerweise mit der Halbleiter-Elektronikindustrie assoziierte Techniken, so wie Photolithographie, nasschemisches Ätzen etc., werden bei der Herstellung dieser Mikrofluidsysteme verwendet. Der Begriff "Mikrofluid-" bezieht sich auf ein System oder eine Vorrichtung mit Kanälen und Kammern, die im allgemeinen im Mikron- oder Submikron-Maßstab hergestellt werden, beispielsweise mit mindestens einer Querschnittsdimension im Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 500 μm. Frühere Diskussionen der Verwendung von Planchiptechnologie zur Herstellung von Mikrofluidsystemen sind bereitgestellt in Manz et al., Trends in Anal. Chem. (1990) 10(5):144-149 und Manz et al., Avd. in Chromatog. (1993) 33:1-66, die die Herstellung solcher Fluidvorrichtungen, insbesondere Mikrokapillarvorrichtungen, in Silicon- und Glassubstraten beschreiben.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Mikrofluidsystemen sind unzählig. Beispielsweise beschreibt die Internationale Patentanmeldung WO 96/04547, veröffentlicht am 15. Februar 1996, die Verwendung von Mikrofluidsystemen für kapillare Elektrophorese, Flüssigchromatographie, Flussinjektionsanalyse und chemische Reaktion und Synthese. Eine verwandte Patentanmeldung, US-Anmeldung Nr. 671987 mit dem Titel "HIGH THROUGHPUT SCREENING ASSAY SYSTEMS IN MICROSCALE FLUIDIC DEVICES (Hochdurchsatz-Screeningassay-Systeme in miniaturisierten Fluidvorrichtungen)", eingereicht am 28. Juni 1996 von J. Wallace Parce et al. und dem gegenwärtigen Rechtsnachfolger übertragen, offenbart breit gefächerte Anwendungsmöglichkeiten von Mikrofluidsystemen zur sehr schnellen Analyse von Verbindungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf verschiedene chemische und vorzugsweise biochemische Systeme. Der Begriff "biochemisches System" bezieht sich im allgemeinen auf eine chemische Wechselwirkung, die Moleküle des Typs involviert, der im allgemeinen in lebenden Organismen zu finden ist. Solche Wechselwirkungen schließen das gesamte Spektrum von katabolischen und anabolischen Reaktionen ein, die in lebenden Systemen vorkommen, einschließend enzymatische, Bindungs-, Signal- und andere Reaktionen. Biochemische Systeme von besonderem Interesse schließen beispielsweise ein: Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen, Enzym-Substrat-Wechselwirkungen, zelluläre Signalwege, Modell- Barrieren-Systeme (beispielsweise Zellen oder Membranfraktionen) involvierende Transportreaktionen zum Bioavailability-Screening sowie eine Vielzahl anderer allgemeiner Systeme.
Es wurden viele Verfahren zum Transport und zur Steuerung von Fluida, beispielsweise Proben, Analyten, Puffer und Reagenzien, innerhalb dieser Mikrofluidsysteme oder -vorrichtungen beschrieben. Ein Verfahren bewegt Fluida in im Mikromaßstab hergestellten Vorrichtungen mittels mechanischer Mikropumpen und -ventile innerhalb der Vorrichtung. Siehe die veröffentlichte UK-Patentanmeldung Nr. 2 248 891 (18.10.1990), die veröffentlichte Europäische Patentanmeldung Nr. 568 902 (02.05.1992), die US-Patente Nrs. 5,271,724 (21.08.1991) und 5,277,556 (03.07.1991). Siehe auch US-Patent Nr. 5,171,132 (21.12.1990), erteilt an Miyazaki et al. Ein anderes Verfahren verwendet akustische Energie, um Fluidproben innerhalb von Vorrichtungen mittels akustischer Strömungseffekte zu bewegen. Siehe die veröffentlichte PCT-Anmeldung Nr. 94/05414 von Northrup und White. Ein unkompliziertes Verfahren wendet externen Druck an, um Fluida innerhalb der Vorrichtung zu bewegen. Siehe beispielsweise die Diskussion in US-Patent Nr. 5,304,487, erteilt an Wilding et al.
Noch ein weiteres Verfahren verwendet elektrische Felder und die daraus resultierenden elektrokinetischen Kräfte, um Fluidmaterialien durch die Kanäle des Mikrofluidsystems zu bewegen. Siehe beispielsweise die veröffentlichte Europäische Patentanmeldung Nr. 544 969, die veröffentlichte Europäische Patentanmeldung Nr. 376 611 (30.12.1988) von Kovacs, Harrison et al., Anal. Chem. (1992) 64:1926-1932 und Manz et al. J. Chromatog. (1992) 593:253-258, US-Patent Nr. 5,126,022, erteilt an Soane. Elektrokinetische Kräfte haben die Vorteile der direkten Steuerung, der schnellen Reaktion und der Einfachheit. Dieses Verfahren zur Handhabung eines Mikrofluidsystems weist jedoch noch einige Nachteile auf.
Gegenwärtige Vorrichtungen verwenden ein Netzwerk von Kanälen in einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material. Die Kanäle verbinden eine Reihe von Fluidreservoirs, die mit Hochspannungselektroden in Kontakt sind. Um Fluidmaterialien durch das Netzwerk von Kanälen zu bewegen, werden spezifische Spannungen gleichzeitig an die verschiedenen Elektroden angelegt. Die Bestimmung der Spannungswerte für jede Elektrode in einem System wird komplex, wenn man versucht, den Materialfluss in einem Kanal zu steuern, ohne dabei den Fluss in einem anderen Kanal zu beeinflussen. Beispielsweise ist in einer relativ simplen Anordnung von vier sich in einem Kreuzungspunkt schneidenden Kanälen mit Reservoirs und Elektroden an den Enden der Kanäle eine unabhängige Erhöhung des Fluidflusses zwischen zwei Reservoirs nicht mehr nur eine Frage der Erhöhung der Spannungsdifferenzen an den beiden Reservoirs. Die Spannungen an den anderen beiden Reservoirs müssen ebenfalls angepasst werden, wenn deren ursprünglicher Fluss und ursprüngliche Richtung beibehalten werden sollen. Des weiteren wird die Steuerung von Fluid durch die Kanäle immer komplexer, je größer die Anzahl an Kanälen, Kreuzungspunkten und Reservoirs wird.
Auch können die an den Elektroden in der Vorrichtung angelegten Spannungen hoch sein, beispielsweise bis zu einem Tausende von Volt/cm unterstützenden Level. Geregelte Hochspannungsausrüstungen sind teuer, sperrig und oftmals ungenau und es wird für jede Elektrode eine Hochspannungszufuhr benötigt. Folglich können die Kosten für ein Mikrofluidsystem von einer gewissen Komplexität unerschwinglich werden.
Diese Probleme des elektrokinetischen Transports in einem Mikrofluidsystem, das anstelle der Spannung einen anderen elektrischen Parameter verwendet, um die Steuerung des Materialflusses durch die Kanäle des Systems zu vereinfachen, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst oder zumindest beträchtlich entschärft. Ein Hochdurchsatz-Mikrofluidsystem mit direkter, schneller und unkomplizierter Steuerung der Bewegung der Materialien durch die Kanäle des Mikrofluidsystems mit einem breiten Anwendungsspektrum, so wie auf den Gebieten der Chemie, Biochemie, Biotechnologie, Molekularbiologie sowie zahlreichen anderen Gebieten, ist möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mikrofluidsystem mit einer Vielzahl an miteinander verbundenen Kapillarkanälen gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren zur Verwendung eines Mikrofluidsystems gemäß Anspruch 1 sowie eine Verwendung eines Substrats gemäß Anspruch 8 bereit.
Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung Zeitmultiplexing der Stromquellenspannungen an den Elektroden des Mikrofluidsystems zur präziseren und effizienteren Steuerung. Die Spannung an einer Elektrode kann durch Verändern der relativen Einschaltdauer der Verbindung der Elektrode mit der Stromquelle, Verändern der Spannung an der Elektrode während der relativen Einschaltdauer oder einer Kombination aus beidem gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine Stromquelle mehr als eine Elektrode bedienen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ebenfalls die direkte Kontrolle der Spannungen in den Kanälen im Mikrofluidsystem. Leitende Zuführungen auf der Oberfläche des Mikrofluidsystems sind in einem Kanal ausreichend schmal, um Elektrolyse zu verhindern. Die Zuführungen sind mit ebenfalls an der Oberfläche des Substrats gelegenen Spannungsteilerschaltkreisen verbunden. Der Teilerschaltkreis verringert die Ausgangsspannung des Kanal-H-Reservoirs, so dass spezielle Hochspannungs-Voltmeter nicht erforderlich sind. Die Teilerschaltkreise sind ebenfalls so gestaltet, dass sie vernachlässigbare Ströme aus den Kanälen ziehen und dadurch unerwünschte elektrochemische Effekte, beispielsweise Gaserzeugung, Reduktions-/Oxidationsreaktionen, minimieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine repräsentative Darstellung eines Mikrofluidsystems;
2A veranschaulicht einen beispielhaften Kanal eines Mikrofluidsystems wie aus 1; 2B repräsentiert den elektrischen Schaltkreis, der entlang des Kanals in 2A gebildet wird;
3A ist ein Graph der Ausgangsspannung gegen die Zeit für eine Stromquelle aus dem Stand der Technik; 3B ist ein Graph der Ausgangsspannung gegen die Zeit für eine Zeitmultiplex-Stromquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
4A ist eine repräsentative Darstellung eines Mikrofluidsystems, das mit im Zeitmultiplex-Modus angelegten Spannungen gemäß der vorliegenden Erfindung operiert; 4B ist ein Blockdiagramm und zeigt die Elemente einer Stromquelle aus 4A;
5A ist eine repräsentative Darstellung eines Mikrofluidsystems mit spannungskontrollierten Knotenpunkten gemäß der vorliegenden Erfindung; 5B zeigt Details des Spannungsteilerschaltkreises aus 5A; und
6A ist ein Blockdiagramm des Stromversorgungsgeräts aus 4B; 6B ist eine Verstärker-Blockdarstellung des Gleichstromumrichterblocks aus 6A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 offenbart ein repräsentatives Diagramm eines Abschnitts eines beispielhaften Mikrofluidsystems 100, das gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet. Wie gezeigt, ist das gesamte System 100 in einem planen Substrat 102 gefertigt. Geeignete Substratmaterialien werden im allgemeinen aufgrund ihrer Kompatibilität mit den in der jeweiligen von der Vorrichtung auszuführenden Operation vorherrschenden Bedingungen ausgewählt. Solche Bedingungen können Extreme des pH-Werts, der Temperatur, der Ionenkonzentration und des Anlegens von elektrischen Feldern sein. Zusätzliche werden Substratmaterialien auch wegen ihrer Reaktivitätsträgheit gegenüber kritischen Komponenten einer von dem System durchzuführenden Analyse oder Synthese ausgewählt.
Das in 1 gezeigte System schließt eine Reihe von Kanälen 110, 112, 114 und 116 ein, die in die Oberfläche des Substrats 102 eingearbeitet sind. Wie in der Definition von "Mikrofluid" besprochen, weisen diese Kanäle typischerweise sehr kleine Querschnittsdimensionen auf. Für die speziellen nachfolgend besprochenen Anwendungen funktionieren Kanäle mit Tiefen von etwa 10 μm und Breiten von etwa 60 μm effektiv, wenngleich Abweichungen von diesen Dimensionen ebenfalls möglich sind. Das Mikrofluidsystem 100 transportiert die relevanten Materialien zu verschiedenen Zwecken, einschließlich dem der Analyse, des Testens, des Mischens mit anderen Materialien, der Untersuchung sowie Kombinationen dieser Operationen, durch die verschiedenen Kanäle des Substrats 102. Der Begriff "relevante Materialien" bezieht sich schlicht auf das Material von Interesse, so wie chemische oder biologische Verbindungen. Relevante Verbindungen können ein breites Spektrum verschiedener Verbindungen beinhalten, einschließlich chemischer Verbindungen, Gemische chemischer Verbindungen, beispielsweise Polysaccharide, kleine organische oder anorganische Moleküle, biologische Makromoleküle, beispielsweise Peptide, Proteine, Nukleinsäuren oder Extrakte aus biologischen Materialien, so wie Bakterien, Pflanzen, Pilze oder tierische Zellen oder Gewebe, natürlich vorkommend oder synthetisch hergestellt.
Geeignete Materialien schließen beispielsweise ein: Glas, Quarz, Keramik und Silikon sowie polymere Substrate, beispielsweise Kunststoffe. Bei leitenden oder halbleitenden Substraten sollte eine Isolierschicht auf dem Substrat sein. Dies ist wichtig, da sich das System elektroosmotischer Kräfte bedient, um Materialien im System zu bewegen, wie nachfolgend besprochen. Bei polymeren Substraten können die Substratmaterialien starr, halbstarr oder nicht starr, undurchsichtig, halbundurchsichtig oder transparent sein, je nach der Verwendung, für die sie vorgesehen sind. Beispielsweise werden Systeme, die ein optisches oder visuelles Detektionselement einschließen, im allgemeinen wenigstens teilweise aus transparenten Materialien gefertigt, um die Detektion zu ermöglichen oder zumindest zu erleichtern. Alternativ können für diese Arten von Detektionselementen transparente Fenster aus Glas oder Quarz beispielsweise in die Vorrichtung eingebaut werden. Zusätzlich können die polymeren Materialien lineare oder verzweigte Rückgrate aufweisen und sie können vernetzt oder unvernetzt sein. Beispiele für besonders bevorzugte polymere Materialien schließen beispielsweise ein: Polydimethylsiloxane (PDMS). Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol, Polysulfon, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA) und dergleichen.
Die Einarbeitung dieser Kanäle und anderer Mikroelemente in die Oberfläche des Substrats 102 kann mittels einer Reihe von Mikrofabrikationstechniken erfolgen, die im Stand der Technik wohl bekannt sind. Beispielsweise können lithographische Techniken bei der Herstellung von Glas-, Quarz- oder Silikonsubstraten angewendet werden, beispielsweise mit in der Halbleiter herstellenden Industrie wohl bekannten Verfahren. Photolithographische Maskierung, Plasma- oder Nassätzung und andere Halbleiter verarbeitende Technologien definieren Mikroelemente in und auf den Substratoberflächen. Alternativ können Verfahren zur Mikro-Materialbearbeitung, so wie Laserbohrung, Mikromahlen und dergleichen angewendet werden. In ähnlicher Weise können bei polymeren Substraten ebenfalls wohl bekannte Techniken angewendet werden. Diese Techniken beinhalten Spritzgusstechniken oder Pressgussverfahren, womit große Anzahlen von Substraten hergestellt werden können, unter Verwendung von beispielsweise Rollwalzen zur Herstellung von großen Lagen von Mikrosubstraten oder Polymer-Mikrogusstechniken, worin das Substrat im Inneren einer mikro-materialbearbeiteten Form polymerisiert wird.
Neben dem Substrat 102 schließt das Mikrofluidsystem 100 ein zusätzliches planes Element ein (nicht gezeigt), welches das mit Kanälen durchzogene Substrat 102 so überlagert, dass die verschiedenen Kanäle umschlossen und fluid abgedichtet werden, um so Rohrleitungen zu bilden. Das plane Deckelement kann durch eine Vielzahl von Mitteln am Substrat befestigt sein, beispielsweise einschließend Heißkleber, Klebstoffe oder, bei bestimmten Substraten, beispielsweise Glas oder halbstarre oder nicht starre polymere Substrate, eine natürliche Adhäsion zwischen den beiden Komponenten. Das plane Deckelement kann zusätzlich mit Zugangsöffnungen und/oder Reservoirs zum Einbringen der verschiedenen Fluidelemente, die für ein bestimmtes Screening benötigt werden, versehen sein.
Das in 1 gezeigte System 100 beinhaltet auch die Reservoirs 104, 106 und 108, die an den Enden der Kanäle 114, 116 bzw. 110 angeordnet und fluid miteinander verbunden sind. Wie gezeigt, wird der Kanal 112 dazu verwendet, eine Vielzahl relevanter Materialien in die Vorrichtung einzubringen. Zu diesem Zweck ist der Kanal 112 fluid mit einer Quelle von großen Anzahlen von separaten relevanten Materialien verbunden, die einzeln in den Kanal 112 und nachfolgend in einen weiteren Kanal 110, beispielsweise zur elektrophoretischen Analyse, eingebracht werden. Die relevanten Materialien werden in fluiden Slug-Bereichen 120 mit vorbestimmten Ionenkonzentrationen transportiert. Die Bereiche sind durch Pufferbereiche mit veränderlichen Ionenkonzentrationen getrennt und werden in 1 von den Pufferbereichen 121 repräsentiert. Verwandte Patentanmeldungen, US-Anmeldung Nr. 08/671,986, eingereicht am 28. Juni 1996, und US-Anmeldung Nr. 08/760,446, eingereicht am 6. Dezember 1996, beide mit dem Titel "ELECTROPIPETTOR AND COMPENSATION MEANS FOR ELECTROPHORETIC BIAS" (Elektropipettiergerät und Kompensationsmittel für elektrophoretische Vorspannung), von J. Wallace Parce und Michael R. Knapp, und dem gegenwärtigen Rechtsnachfolger übertragen, erklären verschiedene Anordnungen von Slugs und Pufferbereichen mit hohen und niedrigen Ionenkonzentrationen beim Transport von relevanten Materialien mittels elektrokinetischer Kräfte.
Um Materialien durch die Kanäle 110, 112, 114 und 116 zu bewegen kann ein Spannungsregler verwendet werden, der in der Lage ist, selektierbare Spannungspegel gleichzeitig an jedes der Reservoirs, einschließlich der Erdung, anzulegen. Solch ein Spannungsregler kann unter Verwendung von multiplen Spannungsteilern und Relais ausgeführt sein, um die selektierbaren Spannungspegel zu erhalten. Alternativ können multiple unabhängige Spannungsquellen verwendet werden. Der Spannungsregler ist über eine Elektrode, die in einem jeden Reservoir positioniert oder eingearbeitet ist, elektrisch mit jedem der Reservoirs 104, 106 und 108 verbunden. Siehe beispielsweise die veröffentlichte Internationale Patentanmeldung Nr. WO 96/04547 von Ramsey.
Neben der Komplexität gibt es noch andere Probleme mit der Spannungsregelung in einem Mikrofluidsystem. 2A illustriert einen beispielhaften Kanal 130 zwischen zwei Reservoirs 132 und 134, die jeweils in Kontakt mit den Elektroden 133 und 135 stehen und mit elektrischen Leitungen verbunden sind, die als vom Substrat 128 wegführend gezeigt sind. Um das Beispiel realistischer zu gestalten, wird der Kanal 130 als mit zwei anderen Kanälen 136 und 138 verbunden gezeigt. Im Betrieb ist das Reservoir 132 eine Quelle für Slugs 120, die das relevante Material enthalten. Die Slugs 120 werden auf das Reservoir 134 zu bewegt, welches als ein Abfluss fungiert. Die Kanäle 136 und 138 stellen Pufferbereiche 121 bereit, um die Slugs 120 im Kanal 130 zu trennen.
Die unterschiedlichen Widerstände der Slugs 120 und der Pufferbereiche 121 im Kanal 130 erzeugen einen elektrischen Schaltkreis, der in diesem einfachen Beispiel symbolisch angedeutet ist. Die zwischen den beiden Elektroden 133 und 135 angelegte Spannung V ist:
worin I der Strom zwischen den beiden Elektroden 133 und 135 ist (unter der Annahme, dass kein Strom in 136 und 138 fließt) und R; der Widerstand der verschiedenen Slugs 120 und Pufferbereiche 121 ist.
Ein Spannungsregelungssystem ist vielen Faktoren unterworfen, die in die Funktion des Systems eingreifen können. Beispielsweise kann der Kontakt an der Schnittstelle zwischen einer Elektrode und Fluid eine Problemquelle sein. Verändert sich der effektive Widerstand des Elektrode-zu-Fluid-Kontakts aufgrund von beispielsweise verunreinigenden Substanzen, Blasen oder Oxidation, so verändert sich die an das Fluid angelegte Spannung. Mit V an den Elektroden angelegt, verursacht eine durch Blasenbildung auf der Elektrode bedingte Abnahme der die Lösung kontaktierenden Elektrodenoberfläche einen Anstieg des Widerstands von der Elektrode zur Lösung. Dies reduziert den Strom zwischen den Elektroden, was wiederum die induzierten elektroosmotischen und elektrophoretischen Kräfte im Kanal 130 reduziert.
Andere Probleme können sich auf den Stromfluss im Kanal auswirken. Unerwünschte Schwebstoffe können den Kanalwiderstand durch effektive Modifikation des Querschnittsbereichs des Kanals beeinflussen. Wieder, einhergehend mit einer Veränderung des Kanalwiderstands, wird der physikalische Stromfluss verändert.
Bei anderen Kanälen, so wie Kanäle 136 und 138, die mit dem beispielhaften Kanal 130 verbunden sind, können Dimensionsvariationen in der Geometrie der Kanäle im Substrat 102 die Arbeitsweise eines Spannungsregelungssystems ernsthaft beeinträchtigen. Beispielsweise könnte der Kreuzungspunkt für die Kanäle 130, 136 und 138 in Entfernung X von der Elektrode für das Reservoir am Ende von Kanal 136 (nicht gezeigt) und in Entfernung Y von der Elektrode für das Reservoir am Ende von Kanal 138 (nicht gezeigt) liegen. Durch eine geringfügige seitliche Fehlausrichtung im photolithographischen Prozess sind die Entfernungen X und Y nicht mehr die gleichen für das Mikrofluidsystem auf einem anderen Substrat. Der Spannungsregler muss von Substrat zu Substrat neu kalibriert werden – ein zeitaufwändiger und kostenintensiver Prozess – damit die Fluidbewegung am Kreuzungspunkt korrekt gesteuert werden kann.
Um diese Probleme zu vermeiden verwendet die vorliegende Erfindung elektrische Stromregelung im Mikrofluidsystem 100. Der elektrische Stromfluss an einer gegebene Elektrode steht in direkter Relation zum Ionenfluss entlang des Kanals/der Kanäle, die mit dem Reservoir, in dem die Elektrode platziert ist, verbunden sind. Dies steht in Kontrast zu der Notwendigkeit, Spannungen an verschiedenen Knotenpunkten entlang des Kanals in einem Spannungsregelungssystem zu bestimmen. Folglich sind die Spannungen an den Elektroden des Mikrofluidsystems 100 so eingestellt, dass sie auf die elektrischen Ströme ansprechen, die durch die verschiedenen Elektroden des Systems 100 fließen. Die Stromregelung ist weniger anfällig gegenüber Dimensionsabweichungen beim Herstellungsprozess des Mikrofluidsystems auf dem Substrat 102. Stromregelung gestattet erheblich vereinfachte Arbeitsschritte zum Pumpen, Leiten durch Ventile, Verteilen, Mischen und Aufkonzentrieren der relevanten Materialien und Pufferfluida in einem komplexen Mikrofluidsystem. Stromregelung wird ebenfalls beim Abschwächen von unerwünschten temperaturabhängigen Nebeneffekten innerhalb der Kanäle bevorzugt.
Selbstverständlich können neben dem elektrischen Strom, der eine direkte Messung des Ionenflusses zwischen Elektroden ermöglicht, andere mit dem Strom verbundene elektrische Parameter, so wie die Leistung, als eine Regelung für das Mikrofluidsystem 100 verwendet werden. Die Leistung bietet eine indirekte Messung des elektrischen Stroms durch eine Elektrode. Daher kann der physikalische Strom zwischen Elektroden (und der Ionenfluss) durch die Leistung, die durch die Elektroden fließt, kontrolliert werden.
Sogar mit einem wie oben beschriebenen Stromregelungssystem müssen an die Elektroden des Mikrofluidsystems immer noch hohe Spannungen angelegt werden. Um die Notwendigkeit kostenintensiver Stromquellen, die in der Lage sind, kontinuierliche und präzise Hochspannungen zu erzeugen, zu eliminieren, stellt die vorliegende Erfindung Zeit-Multiplex-Stromquellen bereit. Diese Zeit-Multiplex-Stromquellen reduzieren ebenfalls die Anzahl der für das System 100 benötigten Stromquellen, da eine Zeit-Multiplex-Stromquelle mehr als eine Elektrode auf einmal bedienen kann.
3A illustriert die beispielhafte Ausgangsleistung einer Hochleistungsstromquelle, gegenwärtig verwendet in einem elektrokinetischen System. Die Ausgangsleistung zwischen zwei Elektroden über die Zeit liegt konstant bei 250 Volt. Im Gegensatz dazu illustriert 3B die Ausgangsleistung einer Stromquelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet. Um eine konstante Spannung von 250 Volt aufrecht zu erhalten, wird die Ausgangsspannung mit einer geviertelten relativen Einschaltdauer bei 1000 Volt Zeitmultigeplext. Über die Zeit gemittelt liegt die Ausgangsleistung der Zeit-Multiplex-Stromquelle bei 250 Volt, wie durch die durch den Graphen gezogene horizontale gepunktete Linie illustriert ist. Es ist zu beachten, dass, wenn die Spannung sich ändern muss, beispielsweise als Reaktion auf Stromregulierung, wie oben besprochen, sich die Ausgangsspannung der Zeit-Multiplex-Stromquelle ebenfalls durch eine Veränderung der angelegten Spannung oder durch eine Veränderung der relativen Einschaltdauer oder eine Kombination aus beidem verändern kann.
In Kanälen mit den hier beschriebenen Dimensionen kann der elektroosmotische Fluid-Fluss innerhalb von Mikrosekunden gestartet und angehalten werden. Daher führen Spannungsmodulationsfrequenzen unter einem Megahertz zu einer ruckartigen Bewegung der Fluida. Dies sollte aufgrund der in der Natur der elektroosmotischen Fluida liegenden idealen Strömungseigenschaften keine negativen Auswirkungen auf die Handhabung der Fluida haben. Da sich die meisten chemischen Misch-, Inkubations- und Trennungsereignisse innerhalb von 0,1 bis 100 Sekunden abspielen, könnten die wesentlich niedrigeren Frequenzen zur Spannungssteuerung akzeptabel sein. Als Faustregel gilt: die Modulationsperiode sollte weniger als 1% des kürzesten Schaltereignisses (beispielsweise Schalten des Flusses von einem Kanal zu einem anderen) in Anspruch nehmen, um die Misch- oder Pipettierungsfehler unter 1% zu halten. Für ein Schaltereignis von 0,1 Sekunde sollte die Spannungsmodulationsfrequenz bei 1 KHz oder darüber liegen.
4A ist ein Blockdiagramm eines Multiplex-Stromquellensystems mit zwei Stromquellen 200 und 202 und einem Steuerblock 204 für ein beispielhaftes und einfaches Mikrofluidsystem mit einem Kanal 180, der sich mit den Kanälen 182, 184, 186 und 188 schneidet. Der Kanal 180 endet in den Reservoirs 179 und 181, jeweils mit den Elektroden 190 und 191. Der Kanal 182 endet mit einem Reservoir 183 mit einer Elektrode 193; der Kanal 184 endet mit einem Reservoir 185 mit einer Elektrode 195; der Kanal 186 mit Reservoir 187 mit einer Elektrode 197; und der Kanal 188 mit Reservoir 189 mit einer Elektrode 199.
Die Stromquellen 200 und 202 sind mit den verschiedenen Elektroden 190, 191, 193, 195, 197 und 199 des Mikrofluidsystems verbunden. Die Stromquelle 200 ist mit den drei Elektroden 190, 193 und 195 verbunden und die Stromquelle 202 ist mit den verbleibenden drei Elektroden 191, 197 und 199 verbunden. Der Steuerblock 204 ist mit jeder der Stromquellen 200 und 202 verbunden, um deren Arbeitschritte zu koordinieren. Um beispielsweise die Bewegungen der Fluida durch die Kanäle 182, 184, 186 und 188 zu steuern, müssen die Spannungen an den Elektroden 190, 191, 193, 195, 197 und 199 zeitlich korrekt geplant werden. Die Spannungen an den Elektroden verändern sich in Reaktion auf den elektrischen Stromfluss, wie oben beschrieben, wenn beispielsweise der Steuerblock 204 die Stromquellen 200 und 202 steuert.
Jede der Stromquellen 200 und 202 ist in Elementen organisiert, wie in 4B illustriert. Eine Steuereinheit 212 empfängt Steuersignale vom Steuerblock 204 und steuert den Betrieb einer Schalteinheit 214. Die Schalteinheit 214, die mit einer Stromquelleneinheit 216 verbunden ist, stellt Verbindungen der Stromquelleneinheit 216 zu den angeschlossenen Elektroden her oder unterbricht diese. Mit anderen Worten: die Schalteinheit 214 Zeitmultiplext die Leistung der Stromquelleneinheit 216 unter ihren angeschlossenen Elektroden. Die Stromquelleneinheit 216 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 212 verbunden, die die Variation der Ausgangsleistung von der Stromquelleneinheit 216 zur Schalteinheit 214 steuert. In einer anderen Anordnung ist diese Verbindung zur Steuereinheit 212 nicht erforderlich, wenn die Stromquelleneinheit 216 eine konstante Spannung liefert und die gemittelte Spannung an einer Elektrode durch die Veränderung der relativen Verbindungsdauer durch die Schalteinheit 214 verändert wird.
6A ist ein Blockdiagramm einer Stromquelle, die als die Stromquelleneinheit 216 in 4B verwendet werden könnte. Alternativ kann die dargestellte Stromquelle direkt mit einer Elektrode eines Mikrofluidsystems verbunden sein, wenn kein Zeit-Multiplexing angewendet wird. Die Stromquelle kann eine stabile Spannung an eine Elektrode liefern oder einen stabilen Strom liefern oder absenken.
Die Stromquelle besitzt einen Eingangsanschluss 240, der mit einer steuerbaren Referenzspannung von –5 bis +5 Volt versorgt wird, die in einem Ausgangsanschluss 241 schrittweise bis zu einer Größenordnung von Hunderten von Volt erhöht wird. Der Eingangsanschluss ist durch einen Widerstand 227 mit dem negativen Eingangsanschluss eines Eingangsoperationsverstärkers 230 verbunden. Der positive Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 230 ist geerdet und sein Ausgangsanschluss ist durch einen mit einem Widerstand 228 seriell geschalteten Rückkopplungskondensator 220 mit dem negativen Eingangsanschluss verbunden. Der Ausgangsanschluss ist ebenfalls mit einem Eingangsanschluss eines Gleichstromwandlers 231 verbunden. Ein zweiter Eingangsanschluss ist geerdet. Die Ausgangsseite des Wandlers 231, die die vom Verstärker 230 empfangene Spannung schrittweise erhöht, ist mit dem Ausgangsanschluss 241 der Stromquelle verbunden. Der zweite Ausgangsanschluss des Wandlers 231 ist durch einen Widerstand 222 geerdet.
Der Ausgangsanschluss 241 der Stromquelle ist ebenfalls durch zwei seriell geschaltete Widerstände 221 und 223 geerdet, die einen Spannungsteilerschaltkreis bilden. Der Knotenpunkt zwischen den beiden Widerständen 221 und 223 ist mit einem Eingangsanschluss eines Strom-/Spannungsbetriebsmodusschalters 234 verbunden. Der Knotenpunkt ist durch einen Widerstand 225 ebenfalls mit dem negativen Eingangsanschluss eines Rückkopplungs-Operationsverstärkers 232 verbunden. Der negative Eingangsanschluss ist durch einen Widerstand 224 ebenfalls mit dem Ausgangsanschluss des Wandlers 231 und durch einen Rückkopplungswiderstand 226 mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkers 232 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Verstärkers 232 ist ebenfalls mit einem zweiten Eingangsanschluss des Schalters 234 verbunden, dessen Ausgangsanschluss durch einen Widerstand 229 mit dem negativen Eingangsanschluss des Eingangsoperationsverstärkers 230 verbunden ist.
Der Schalter 234 reagiert auf ein Signal des Steuerungsterminals 242. Wie in 6A gezeigt, verbindet der Schalter 234 seinen Ausgangsanschluss entweder mit dem Ausgangsanschluss des Rückkopplungs-Operationsverstärkers 232 oder mit dem Spannungsteilerknotenpunkt zwischen den beiden Widerständen 221 und 223. Die Verbindung bestimmt, ob der Stromquellenschaltkreis im Spannungsmodus (Verbindung mit dem Spannungsteilerknotenpunkt) oder im Strommodus (Verbindung mit dem Ausgang des Rückkopplungs-Operationsverstärkers 232) arbeitet. Es ist zu beachten, dass der Widerstand 221 sehr groß ist, in etwa 15 MΩ, so dass die Spannung am Ausgangsanschluss 241 einfach rückgekoppelt werden kann, wenn die Stromquelle arbeitet.
Der Schaltkreis aus 6A kann in verschiedene Arbeitsblocks aufgeteilt werden. Der Operationsverstärker 230, die Widerstände 226 bis 228 und der Kondensator 220 sind Teile eines Mischblocks. Der Mischblock empfängt die steuerbare Referenzspannung V_ref, bei der in etwa die Stromquelle arbeitet, am Eingangsanschluss 240 und eine Rückkopplungsspannung, wie nachstehend besprochen, um eine Ausgangsspannung, eine Kombination aus V_ref und Rückkopplungsspannungen, für den Gleichstromwandler 231 zu erzeugen. Der Wandler 231, in 6B als Spannungsverstärker dargestellt, verstärkt lediglich die Spannung aus dem Operationsverstärker 230. Ein Ausgangsanschluss des Spannungsverstärkers ist mit dem Ausgangsanschluss 241 und einem Anschluss des Widerstands 221 verbunden. Der andere Ausgang des Spannungsverstärkers ist durch den Widerstand 222 geerdet. Die Widerstände 221 bis 223 können als Teile eines Rückkopplungsblocks betrachtet werden, der ebenfalls Widerstände 224 bis 226 und einen Operationsverstärker 232 aufweist. Der Schalter 234 ist ebenfalls Teil des Rückkopplungsblocks und ist mit dem zweiten Eingangsanschluss des Mischblocks verbunden, wie vorstehend beschrieben.
Im Betrieb weist der Mischblock den Operationsverstärker 230 auf, der als Summierverstärker mit den Widerständen 226 bis 228 verbunden ist. Mit dem Kondensator 220 in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers 230 ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 230 die Spannung, die aus der Summe (oder Differenz) der Referenzspannung V_ref und der Rückkopplungsspannung aus dem Schalter 234 über die Zeit integrierte Spannung. Natürlich können die Referenzspannung V_ref und die Rückkopplungsspannung durch die Werte der Widerstände 226 und 227 selektiv gewichtet werden. Der Kondensator 220 und der Verstärker 230 agieren ebenfalls als Filter, um die Hochfrequenzfluktuationen von der Stromquelle zu entfernen.
Das Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 230 kann mittels zusätzlicher Elemente (nicht gezeigt) konditioniert werden, beispielsweise korrigiert oder gepuffert. Nichtsdestoweniger kann zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung V_IN, die vom Gleichstromwandler 231 empfangene Spannung, gleich der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 230 angenommen werden. Wie in 6B gezeigt, wird V_IN durch einen Zunahmefaktor A verstärkt und es wird die verstärkte Spannung AV_IN am Ausgangsanschluss 241 erzeugt.
Der Rückkopplungsblock besitzt einen Spannungsteilerschaltkreis, der durch die Widerstände 221 und 223 gebildet wird, die zwischen dem Ausgangsanschluss 241 und der Erdung geschaltet sind. Die Spannung am Knotenpunkt zwischen den Widerständen 221 und 223 ist direkt proportional zur Spannung am Ausgangsanschluss 241. Wählt der Schalter 234 als Reaktion auf das Signal am Steuerungsanschluss 242 den Spannungsrückkopplungsmodus, so wird die Knotenpunktspannung direkt zurück an den Mischblock und den Operationsverstärker 230 gespeist. Die negative Rückkopplung stabilisiert den Ausgang am Anschluss 241. Ist beispielsweise die Spannung am Anschluss 241 hoch, so ist die Rückkopplungsspannung hoch. Dies führt wiederum zu einem Abfallen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 230 und korrigiert somit die hohe Spannung am Ausgangsanschluss 241. Zur Kontrolle der Spannung am Ausgangsanschluss 241 wird der Knotenpunkt ebenfalls mit einem als ein einfacher Puffer konfigurierten Operationsverstärker 251 verbunden, um die Rückkopplungsspannung zu einem Kontrollschaltkreis (nicht gezeigt) zu leiten.
Der Rückkopplungsblock weist ebenfalls den Operationsverstärker 232 und die Widerstände 224 bis 226 auf, die so verbunden sind, dass sie den Operationsverstärker 232 als einen Summierverstärker konfigurieren. Ein Eingang zum Summierverstärker ist mit dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen 221 und 223 verbunden. Der zweite Eingang ist mit dem Knotenpunkt zwischen dem geerdeten Widerstand 222 und dem zweiten Ausgangsanschluss des Gleichstromwandlers 231 verbunden. Der Summierverstärker misst die Differenz zwischen den Strommengen, die durch die seriell geschalteten Widerstände 221 und 223 und durch den Wandler 231 fließen (der gesamte Strom, der durch die Widerstände 222 und 224 fließt). Der Summierverstärker misst also die Strommenge, die durch den Ausgangsanschluss 241 übermittelt wird. Folglich wird der Ausgang des als Summierverstärker agierenden Operationsverstärkers 232 zum Mischblock übermittelt und der Stromquellenschaltkreis wird um die Strommenge, die durch den Stromquellenanschluss 241 an eine angeschlossene Elektrode eines Mikrofluidsystems übermittelt wird, stabilisiert, wenn der Schalter 234 auf Stromrückkopplungsmodus eingestellt ist.
Der Ausgang des Summierverstärkers ist ebenfalls mit einem Operationsverstärker 250 verbunden, der als einfacher Puffer konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an den Kontrollschaltkreis (nicht gezeigt) zu übermitteln. Von den Ausgängen der Operationsverstärker 250 und 251 kann der Kontrollschaltkreis die Spannung am Ausgangsanschluss 241 und den durch den Anschluss fließenden Strom messen. Dies ermöglicht dem Kontrollschaltkreis auch, die vom Stromquellenschaltkreis gelieferte Leistungsmenge zu bestimmen und zu regulieren.
Durch die Fähigkeit der beschriebenen Stromquelle, als eine variable Quelle zu agieren, ist es möglich, die Richtung des Fluidflusses durch die Mikrokanäle eines Mikrofluidsystem elektronisch zu verändern. Wenn alle Elektroden mit einer oder mehreren der oben beschriebenen Stromquellen verbunden sind, wird die Handhabung des Mikrofluidsystem erheblich verbessert und die gewünschten Bewegungen von Fluida durch das Netzwerk von Kanälen im System sind wesentlich flexibler.
Trotz des Betriebes als ein Stromsteuerungssystem ist es oftmals noch immer erforderlich, die Spannung an einem Knotenpunkt in einem Mikrofluidsystem zu bestimmen. Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Mittel zur derartigen Spannungskontrolle bereit. Wie in 5A gezeigt, ist auf der Oberfläche eines Substrats 178 in der Nähe eines gewünschten Knotenpunkts 173 im Mikrofluidsystem eine elektrische Leitung 160 ausgebildet. Der Knotenpunkt 173 liegt am Kreuzungspunkt von Kanal 170, der an jedem seiner Enden die Reservoirs 169 und 171 aufweist, und den Kanälen 172 und 174. Das Ende von Kanal 174 weist ein Reservoir 175 auf, während das Ende des Kanals 172 (mit einem Reservoir) nicht gezeigt ist.
Die Leitung 160 wird vorzugsweise gebildet durch die Ablagerung eines leitfähigen Metalls oder einer leitfähigen Metalllegierung, vorzugsweise eines Edelmetalls so wie Gold auf Chrom oder Platin auf Titan, wie in integrierten Schaltkreisen verwendet. Mittels Halbleiter-Photolithographietechniken kann die Leitung 160 mit Breiten unter 1 μm definiert werden. Um Elektrolyse zu verhindern, ist die Breite der Leitung 160 im Kanal 170 ausreichend schmal, so dass die Spannung über der Leitung im Kanal 170 stets unter 1 Volt, vorzugsweise unter 0,1 Volt, liegen sollte.
Die im Mikrofluidsystem verwendeten Spannungen sind hoch. Ein Voltmeter, das die Spannung am Kanalknotenpunkt 173 direkt durch die Leitung 160 misst, muss eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweisen, um in der Lage zu sein, derart hohe Spannungen zu messen. Solche Voltmeter sind teuer. Des weiteren erhöht die Handhabung des Substrats der Mikrofluidsysteme die Möglichkeit der Verunreinigung. Eine solche Verunreinigung kann die Spannungen (und elektrischen Felder), die zur korrekten Handhabung der elektrokinetischen Kräfte in den Kanälen des Mikrofluidsystems erforderlich sind, ernsthaft beeinträchtigen.
Um diese Probleme und Kosten zu umgehen, wird die Leitung 160 mit einem Spannungsteilerschaltkreis 163 verbunden, der ebenfalls auf der Oberfläche des Substrats 178 ausgebildet ist. Die Ausgangsleistung der Spannungsteilerschaltkreises 163 wird von einer leitfähigen Ausgangsleitung 161 weitergeführt. Der Schaltkreis 163 ist durch eine leitfähige Leitung 162 ebenfalls mit einer Spannungsreferenz verbunden.
Der Spannungsteilerschaltkreis 163, in 5B detaillierter dargestellt, wird mittels standardisierter Halbleiterherstellungstechniken gebildet, mit den als ein Spannungsteilerschaltkreis geschalteten Widerständen 165 und 166. Die Leitung 160 ist mit dem Eingangsanschluss des Schaltkreises 163 verbunden, der ein Ende eines linearen Musters von Hochwiderstandsmaterialien, so wie nicht oder nur leicht gedoptes Polysilikon oder Aluminiumoxid, ist. Das andere Ende des linearen Musters ist mit der Referenzleitung 162 verbunden, die ebenfalls auf dem Substrat 168 ausgebildet ist und zu einer externen Referenzspannung, wahrscheinlich zur Erdung, führt. Wie beispielhaft gezeigt, wird die Spannung der Leitung 160 in einem 10:1-Verhältnis geteilt. Das lineare Muster ist in einen Widerstand 165 und einen Widerstand 166 aufgeteilt. Der Widerstand 165 weist neunmal mehr Schleifen auf als der Widerstand 166, d.h. der Widerstand des Widerstands 165 ist neunmal größer als der Widerstand des Widerstands 166. Natürlich können auch andere Verhältnisse verwendet werden; ein 1000:1-Verhältnis ist typisch. Die Ausgangsleitung 161, die zwischen den beiden Widerständen 165 und 166 geschaltet ist, führt zu einem externen Anschluss für das Ablesen von Niedrigspannung durch ein Voltmeter. Die Abdeckplatte schützt dann die Leitungen 160 bis 162, den Spannungsteilerschaltkreis 163 und die Oberfläche des Substrats vor Verunreinigung.
Wenngleich die vorangehende Erfindung zum Zwecke der Erläuterung und des besseren Verständnisses detailliert beschrieben wurde, wird dem Fachmann beim Lesen dieser Offenbarung klar sein, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Form oder Detail vorgenommen werden können, ohne vom tatsächlichen Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Verwenden eines Mikrofluidsystems (100) mit einer Mehrzahl an miteinander verbundenen kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) und einer Mehrzahl an Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199), wobei jede von der Mehrzahl an Elektroden jeweils an unterschiedlichen Reservoirs der kapillaren Kanäle (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) angeordnet ist, um elektrische Felder in den kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) zu erzeugen, um Materialien (120, 121) in einem Fluid elektrokinetisch durch die kapillaren Kanäle (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) zu bewegen, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: simultanes Anlegen von Potentialen an wenigstens drei der Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199), wobei die Potentiale auf Änderungen bei einem Strom durch die wenigstens drei Elektroden ansprechen, um die Materialien (120, 123) in und durch eine oder mehrere Kreuzungsstellen der Mehrzahl an Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) des Systems (100) zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Mikrofluidsystem (100) drei Elektroden aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Anlegens von Spannung ein Steuern der Spannungen umfasst, so dass der Strom im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zu bewegenden Materialien (120, 121) geladen sind und sich die geladenen Materialien (120, 121) zu und von den Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) des Systems (100) mittels Elektrophorese bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die zu bewegenden Materialien (120, 121) in einem Fluid befinden, und wobei der Schritt des Anlegens zu einer elektroosmotischen Bewegung des die Materialien (120, 121) enthaltenden Fluids zu und von den Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) des Systems (100) führt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl an miteinander verbundenen kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) wenigstens eine Kanalkreuzungsstelle einschließt, und die an die wenigstens drei Elektroden angelegten Spannungen Material (120, 121) in die Kreuzungsstelle aus Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) bewegt, die mit den wenigstens drei Elektroden verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Anlegens weiter Steuern der an die wenigstens drei Elektroden angelegten Spannungen umfasst, so dass ein Strom zwischen einer der wenigstens drei Elektroden und einer anderen der wenigstens drei Elektroden im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verwendung eines Substrates (102, 128, 178) mit einer Mehrzahl an miteinander verbundenen kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) und einer Mehrzahl an Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199), wobei jede von der Mehrzahl an Elektroden jeweils an unterschiedlichen Reservoirs der kapillaren Kanäle (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) angeordnet ist, um elektrische Felder in den kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) zu erzeugen, um Materialien (120, 121) in einem Fluid durch die kapillaren Kanäle (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) elektrokinetisch zu bewegen, wobei die Verwendung gekennzeichnet ist durch simultanes Anlegen von Potentialen an wenigstens drei der Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199), wobei die Potentiale auf Änderungen bei einem Strom durch die wenigstens drei Elektroden ansprechen, um die Materialien (120, 121) in und durch eine oder mehrere Kreuzungsstellen der Mehrzahl an Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) des Systems zu bewegen.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Spannungen simultan an mehr als drei der zugehörigen Elektroden angelegt wird.
Verwendung nach Anspruch 9, wobei die Spannungen so gesteuert werden, dass der Strom im Wesentlichen konstant ist.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Materialien (120, 121) geladen sind und sich die Materialien (120, 121) zu und von den Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) mittels Elektrophorese bewegen.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Spannungen angelegt werden zur elektroosmotischen Bewegung des die Materialien (120, 121) enthaltenden Fluids zu und von den Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188).
Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Mehrzahl an miteinander verbundenen Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) wenigstens eine Kanalkreuzungsstelle einschließt, die Spannungen an die wenigstens drei Elektroden angelegt sind. um das Material (120, 121) in die Kreuzungsstelle aus Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) zu bewegen, die mit den wenigstens drei Elektroden verbunden sind.
Verwendung nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Anlegens von Spannung weiter ein Steuern der an die wenigstens drei Elektroden angelegten Spannungen umfasst, so dass ein Strom zwischen einer der wenigstens drei Elektroden und einer anderen der wenigstens drei Elektroden im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Mikrofluidsystem (100), umfassend ein Substrat mit einer Mehrzahl an miteinander verbundenen kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) und einer Mehrzahl an Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199), wobei jede von der Mehrzahl an Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199) jeweils an unterschiedlichen Reservoirs der kapillaren Kanäle (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) angeordnet ist, um elektrische Felder in den kapillaren Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) zu erzeugen, um Materialien (120, 121) in einem Fluid elektrokinetisch durch die kapillaren Kanäle (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) zu bewegen, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen von elektrischem Strom und Mittel zum simultanen Anlegen von Potentialen an wenigstens drei der Elektroden (133, 135, 188, 190, 191, 193, 195, 199), wobei die Potentiale auf Änderungen bei einem Strom durch die wenigstens drei Elektroden ansprechen, um die Materialien (120, 123) in und durch eine oder mehrere Kreuzungsstellen der Mehrzahl an Kanälen (110, 112, 114, 116, 130, 136, 138, 170, 172, 174, 180, 182, 184, 186, 188) des Systems (100) zu bewegen.