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Dokumentenidentifikation DE10127522C1 27.02.2003
Titel Verfahren zur Manipulation von Lichtstrahlen mit Flüssigkeiten
Anmelder Advalytix AG, 85649 Brunnthal, DE
Erfinder Gauer, Christoph, Dr., 81667 München, DE
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Lorenz Seidler Gossel, 80538 München
DE-Anmeldedatum 06.06.2001
DE-Aktenzeichen 10127522
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.02.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.02.2003
IPC-Hauptklasse G02F 1/29
IPC-Nebenklasse G02B 26/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Manipulation von Lichtstrahlen mit Flüssigkeiten, wobei die Änderung der Charakteristik von Lichtstrahlen durch Bewegen einer kleinen Flüssigkeitsmenge, die sich in Kontakt mit der Oberfläche zumindest eines Festkörpers, vorzugsweise eines Chips, befindet und von ihrer Oberflächenspannung zusammengehalten wird, relativ zum Strahlengang des Lichtstrahles mit Hilfe des Impulsübertrages von zumindest einer auf der Oberfläche des Festkörpers generierten Oberflächenschallwelle.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Charakteristik von Lichtstrahlen mit Hilfe von Flüssigkeiten.

Optische Linsen werden heute meist aus Plastik oder Glas hergestellt. Wird in einer optischen Messung eine Linse mit anderen Charakteristika, z. B. einer anderen Brennweite oder einer anderen Apertur benötigt, so muß eine neue Linse hergestellt und in den optischen Strahlengang eingebaut werden. Solche Änderungen eines optischen Aufbaus ziehen häufig eine zeitaufwendige Justage nach sich.

Wim J. J. Welters et al. beschreiben in Langmuir 1998, 14, 1535-1538 den Einsatz von Flüssigkeitstropfen als Linsen, wobei die Brechungseigenschaften durch Anlegen einer Spannung zwischen der Flüssigkeit und einer leitfähigen Schicht auf einer Oberfläche gesteuert werden, die durch eine hydrophobe Beschichtung und eine Isolierschicht von der Flüssigkeit getrennt ist.

Aus WO 99/18 456 ist ein Verfahren zur Änderung der Charakteristik von Lichtstrahlen mit Hilfe einer kleinen Flüssigkeitsmenge bekannt, die sich in Kontakt mit der Oberfläche eines Festkörpers befindet. Die Flüssigkeitsmenge besteht dabei aus einer ersten, tropfenförmigen elektrisch isolierenden Flüssigkeitsmenge, die ringsum von einer zweiten, elektrisch leitenden Flüssigkeitsmenge umgeben ist, die sich mit der isolierenden Flüssigkeitsmenge nicht vermischt und einen anderen Brechungsindex als diese aufweist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an geeignet angebrachte Elektroden verformt die elektrisch leitfähige Flüssigkeit die isolierende Flüssigkeitsmenge, so dass diese eine Linse mit variabler Brennweite bildet, die in ihrer Arbeitsposition gehalten wird.

WO 00/58 763 beschreibt ein Verfahren zur Zentrierung eines Tropfens mit Hilfe einer glockenförmigen Öffnung mit einer speziell gewählten Krümmung.

In der Praxis kommt es häufig vor, dass ein optisches Linsensystem verschiedene Orte auf einer Oberfläche abbilden soll. Ein Beispiel hierfür ist ein Laserscanner, wie er für Fluoreszenzmessungen an Mikrotiterplatten oder DNA-Arrays in der pharmazeutischen Industrie und Diagnostik verwendet wird. Dazu wird entweder die Mikrotiterplatte bewegt, so daß eine Abbildung einzelner Punkte über ein ortsfestes Linsensystem möglich ist, oder es wird das Linsensystem bewegt und die Mikrotiterplatte festgehalten. In beiden Fällen ist aufwendige Mechanik notwendig, um die optische Abbildung verschiedener Orte zu realisieren.

Wünschenswert wäre es, wenn ortsabhängige Abbildungen einfach realisiert werden könnten, im speziellen auch bei Anwendungen mit kleinen Dimensionen, wie z. B. Mikrotiterplatten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Eine kleine Flüssigkeitsmenge, z. B. in der Größenordnung von Nano- bis Millilitern befindet sich dabei in Kontakt mit der Oberfläche eines Festkörpers, z. B. eines Chips, wie er auch in der Elektronikindustrie Verwendung findet. Die Flüssigkeitsmenge wird auf dem Chip durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten. Mit Hilfe des Impulsübertrages von zumindest einer auf der Oberfläche des Festkörpers generierten Oberflächenschallwelle wird die Flüssigkeit relativ zum Strahlengang eines Lichtstrahles bewegt. Möglich ist z. B. unter anderem das Bewegen der Flüssigkeitsmenge in den Strahlengang oder aus dem Strahlengang heraus. Somit läßt sich die Strahlengangcharakteristik des Lichtstrahles verändern, z. B. durch Reflexion an der Flüssigkeit, Brechung in der Flüssigkeit oder ein Abblenden des Lichtstrahles durch die Flüssigkeit. Der Lichtstrahl kann dabei z. B. im visuellen Bereich, aber auch infrarot oder ultraviolett sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Anwendungen in der Mikroanalytik. Speziell z. B. bei der in jüngster Zeit im Blickpunkt stehenden "lab- on-the-chip"-Technologie werden Analysen durchgeführt, die nur sehr kleine Meßaufbauten zulassen. Zum Beispiel werden kleine Flüssigkeitsmengen chemisch, biologisch oder physikalisch analysiert. Solche Verfahren werden unter anderem für anorganische Reagenzien oder organisches Material, wie Zellen, Moleküle, Makromoleküle oder genetische Materialien, ggf. in Pufferlösungen, eingesetzt, wie es z. B. von O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36-38 beschrieben ist. Solche Flüssigkeiten umfassen reine Flüssigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, z. B. biologisches Material, befinden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nicht nur z. B. die physikalische, biologische oder chemische Analyse dieser Probenflüssigkeit durchzunehmen, sondern auch den Meßaufbau in entsprechend kleiner Anordnung ggf. sogar auf demselben Chip bzw. in demselben Package zu realisieren.

Mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle läßt sich die Flüssigkeit sehr definiert bewegen. Dazu können Erzeugungseinrichtungen vorgesehen sein, die derart ausgerichtet sind, daß sie eine Oberflächenschallwelle in der gewünschten Bewegungsrichtung der Flüssigkeit schicken können. An anderer Stelle können entsprechende Erzeugungseinrichtungen vorgesehen sein, die die Flüssigkeit abbremsen. Eine Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung generiert dabei akustische Oberflächenwellen, die einen Impuls auf die zu manipulierende Flüssigkeitsmenge übertragen. Der Impulsübertrag wird entweder durch die mechanische Deformation der Festkörperoberfläche oder durch die Kraftwirkung der sie begleitenden elektrischen Felder auf geladene oder polarisierbare Materie erzielt. Oberflächenwellen lassen sich auf piezoelektrischen Substraten oder Substraten mit piezoelektrischen Bereichen, z. B. piezoelektrischen Beschichtungen, erzeugen. Besondere Vorteile des Impulsübertrages mittels Oberflächenwellen zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen sind:

  • 1. Die Stärke der Kraftwirkung auf die Flüssigkeit läßt sich in einem weiten Bereich über die Amplitude der Oberflächenschallwelle einstellen.
  • 2. Es lassen sich verschiedene zeitliche Verläufe der Kraft, wie z. B. Pulse verschiedener Länge, elektronisch definieren.
  • 3. Die Beschallung der Oberfläche mit der Oberflächenschallwelle bewirkt automatisch eine Reinigung der überstrichenen Bereiche.
  • 4. Eine Ansteuerung über entsprechende Software ist einfach zu realisieren.

Zur Erzeugung der Oberflächenschallwelle wird vorteilhaft ein an sich bekannter Interdigitaltransducer eingesetzt. Ein solcher Interdigitaltransducer hat in einfacher Ausführung zwei Elektroden, die fingerartig ineinander greifen. Durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes, z. B. in der Größenordnung von einigen 100 MHz, wird in einem piezoelektrischen Substrat bzw. in einem piezoelektrischen Bereich des Substrates eine Oberflächenschallwelle angeregt, wenn die Resonanzbedingung nahezu erfüllt ist, daß der Fingerabstand einer Elektrode dem Quotienten der Oberflächenschallgeschwindigkeit und der Frequenz entspricht. Die Oberflächenschallwelle hat die Wellenlänge des Fingerabstandes einer Elektrode und ihre Ausbreitungsrichtung ist senkrecht zu den ineinander greifenden Fingerelektrodenstrukturen. Mit Hilfe eines solchen Interdigitaltransducers läßt sich auf einfache Weise eine sehr definierte Oberflächenschallwelle erzeugen. Die Herstellung eines Interdigitaltransducers ist mit bekannten lithographischen Verfahren und Beschichtungstechnologien kostengünstig und einfach. Interdigitaltransducer können zudem, z. B. durch Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes in eine mit dem Interdigitaltransducer verbundene Antenneneinrichtung, drahtlos angesteuert werden.

Bei einer besonderen Ausgestaltung wird ein "getaperter" Interdigitaltransducer eingesetzt. Bei einem solchen getaperten Interdigitaltransducer ist der Fingerabstand entlang der Achse des Transducers, die sich zwischen den Elektroden erstreckt, nicht konstant. Der Fingerabstand bestimmt die Wellenlänge der Oberflächenschallwelle. Bei konstanter Oberflächenwellenschallgeschwindigkeit ist bei einer bestimmten angelegten Frequenz also nur für einen bestimmten Fingerabstand die Resonanzbedingung erfüllt, daß sich die Frequenz der Oberflächenschallwelle als Quotient aus der Oberflächenschallgeschwindigkeit und der Wellenlänge ergibt. Auf diese Weise läßt sich eine Oberflächenschallwelle anregen, die nur eine sehr geringe seitliche Ausdehnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung hat. So läßt sich die Lage der Flüssigkeitsmenge und damit des optischen Elementes sehr genau auf der Oberfläche steuern, ggf. durch eine entsprechende Anordnung von mehreren getaperten Interdigitaltransducern. Selbstverständlich sind auch andere Interdigitaltransducergeometrien einsetzbar, wie sie aus der Oberflächenschallwellenfiltertechnologie bekannt sind.

Bei Verwendung einer Flüssigkeitsmenge, die im Wellenbereich des verwendeten Lichtstrahles transparent ist, kann die Brechung des Lichtstrahles bewirkt werden. So kann z. B. mit Hilfe einer Flüssigkeitsmenge eine Linsenfunktion realisiert werden, die einen Lichtstrahl auf eine Probe oder einen Detektor fokussiert. Bei Einsatz einer Flüssigkeit, die in dem Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtstrahles reflektierend ist, kann eine Spiegelfunktion erhalten werden. Schließlich kann durch Verwendung einer opaken Flüssigkeit der Lichtstrahl abgeblendet werden. Durch Beschallen mit einer Oberflächenschallwelle kann die Flüssigkeitsmenge dabei in den Strahlengang oder aus ihm heraus bewegt werden, um das jeweils realisierte optische Element zur Wirkung kommen zu lassen oder nicht.

Durch eine entsprechende Anordnung von Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtungen läßt sich eine Flüssigkeitsmenge definiert in jedem Bereich der Oberfläche bewegen. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch anzuwenden, wenn die Flüssigkeit auf einen bevorzugten Aufenthaltsbereich der Oberfläche des Festkörpers bewegt wird, der von seiner lateralen Umgebung unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweist, die derart gewählt sind, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt in diesem Bereich aufhält. Die Oberflächenspannung der kleinen Flüssigkeitsmenge, die als optisches Element wirkt, bewirkt, daß die Flüssigkeit den bevorzugten Aufenthaltsbereich ohne Einwirkung einer äußeren Kraft nicht verlassen kann. Der so definierte Aufenthaltsbereich für die Flüssigkeit, die das optische Element bildet, kann z. B. in Form von "Leiterbahnen" auf der Oberfläche gegeben sein, die z. B. durch eine entsprechende Beschichtung entweder des Aufenthaltsbereiches oder dessen lateraler Umgebung realisiert werden können. Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß trotz des eingegrenzten Aufenthaltsbereiches der Flüssigkeit, der durch diese Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht wird, keinerlei Gräben, Ecken oder Kanten notwendig sind, an denen die Flüssigkeit in ihrer Bewegung beeinträchtigt werden könnte.

Die Modulation der Benetzungseigenschaften kann z. B. durch Definition hydrophiler bzw. hydrophober Bereiche erreicht werden. Bei der Manipulation von wäßrigen Lösungen wird der bevorzugte Aufenthaltsbereich z. B. so gewählt, daß er hydrophiler ist als die umgebende Festkörperoberfläche. Dies kann entweder durch eine hydrophile Beschichtung des Aufenthaltsbereiches oder durch eine hydrophobe Umgebung erreicht werden. Eine hydrophobe Umgebung kann z. B. durch eine silanisierte Oberfläche erhalten werden.

Je nach gewünschten optischen Eigenschaften wird die Flüssigkeitsmenge entsprechend ausgewählt. Zur Manipulation von nicht-wäßrigen Lösungen, kann es z. B. vorteilhaft sein, wenn der bevorzugte Aufenthaltsbereich lipophil im Vergleich zur Umgebung gewählt wird.

Die Definition des bevorzugten Aufenthaltsbereiches kann auch durch eine flache Ätzung der Oberfläche erfolgt sein, wobei die Ätztiefe klein gegenüber der kleinsten Ausdehnung des Aufenthaltsbereiches ist, z. B. ein Zehntel dieser Ausdehnung. So läßt sich z. B. im Fall einer wäßrigen Lösung als Flüssigkeitsmenge, die den optischen Effekt bewirken soll, der bevorzugte Aufenthaltsbereich dadurch definieren, daß die den bevorzugten Aufenthaltsbereich umgebende Oberfläche hydrophob beschichtet wird und im Bereich des Aufenthaltsbereiches einige Nanometer bis einige Mikrometer in die Oberfläche geätzt wird. So wird der Kontrast bezüglich des Benetzungswinkels erhöht. Dennoch ist die Oberfläche makroskopisch im wesentlichen planar. Die Benetzungseigenschaften können weiterhin z. B. durch Mikrostrukturierung moduliert werden, wie es beim sogenannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf der unterschiedlichen Rauhigkeit der Oberfläche beruht.

Mit Hilfe eines solchen bevorzugten Aufenthaltsbereiches läßt sich die kleine Flüssigkeitsmenge, die als optisches Element wirken soll, auch in ihrer lateralen Ausdehnung verändern. In einem in einer Dimension im Vergleich zum Volumen der Flüssigkeit schmalen Aufenthaltsbereich wird sich die Flüssigkeit in dieser Dimension nicht ausdehnen können. Es stellt sich somit eine andere Oberflächenkrümmung in dieser Dimension ein, die z. B. die Brechungseigenschaften einer transparenten Flüssigkeit verändern. Wird die Flüssigkeitsmenge also mit Hilfe einer Oberflächenschallwelle von einem Bereich einer ersten lateralen Ausdehnung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches in einen Bereich einer zweiten lateralen Ausdehnung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches bewegt, so ändern sich dabei die optischen Eigenschaften der Flüssigkeitsmenge.

Die optischen Eigenschaften hängen auch vom Benetzungswinkel der Flüssigkeit mit der Oberfläche ab. Bei einem flacheren Benetzungswinkel ist z. B. die Brechkraft einer Flüssigkeit geringer als bei einem steileren Benetzungswinkel. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die kleine Flüssigkeitsmenge, die als optisches Element wirken soll, also z. B. auch in Teilbereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften des bevorzugten Aufenthaltsbereiches bewegt werden, um die optischen Eigenschaften zu verändern.

Der Benetzungswinkel und somit die Form der gekrümmten Oberfläche der kleinen Flüssigkeitsmenge können auch durch Anlegen einer Spannung zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeitsmenge eingestellt werden. Dabei muß mit Hilfe einer Elektrode eine Spannung an der Flüssigkeit bezüglich einer Oberflächenelektrode angelegt werden, die durch eine isolierende Schicht von der Flüssigkeit getrennt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Flüssigkeitsmenge z. B. in den Bereich solcher Elektroden bewegt werden, so daß sie dort mit Hilfe verschiedener Spannungswerte auf die gewünschten optischen Eigenschaften eingestellt werden kann.

Ebenso läßt sich der Benetzungswinkel der kleinen Flüssigkeitsmenge mit der Oberfläche durch Einstellung der Temperatur verändern. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bewegung der kleinen Flüssigkeitsmenge in Bereiche verschiedener Temperaturen, die durch entsprechende Oberflächenheizungen, z. B. Widerstandsheizungen, hervorgerufen bwz. eingestellt werden können.

Die optischen Eigenschaften einer kleinen Flüssigkeitsmenge hängen auch von ihrem Volumen ab. Eine in etwa halbkugelförmige Flüssigkeitsmenge auf einer Oberfläche mit größerem Volumen hat einen größeren Radius als eine in etwa halbkugelförmige Flüssigkeitsmenge mit kleinerem Volumen. Entsprechend bekannten Gesetzen aus der Strahlenoptik verändert sich somit z. B. die Brennweite. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es z. B. möglich, eine kleine Flüssigkeitsmenge durch Einwirkung des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle in zwei Teile zu teilen, und somit den Radius der einzelnen Teilmengen kleiner zu gestalten als bei der Gesamtmenge. So lassen sich die optischen Eigenschaften anpassen. Andererseits ist es ebenso möglich, die Flüssigkeitsmenge durch Zuführen weiterer Flüssigkeit zu vermehren und somit die optischen Eigenschaften abzuwandeln. Erfindungsgemäß kann die Zuführung weiterer Flüssigkeit mit Hilfe einer auf der Oberfläche generierten Oberflächenschallwelle geschehen.

Selbstverständlich sind die optischen Eigenschaften von dem gewählten Material der Flüssigkeitsmenge abhängig. Um die optischen Eigenschaften eines Aufbaus zu verändern, ist es also auch möglich, die Flüssigkeitsmenge durch eine andere zu ersetzen. Auch dies kann erfindungsgemäß mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle geschehen. So kann z. B. eine Flüssigkeit eines ersten Brechungsindex durch eine Flüssigkeit mit einem anderen Brechungsindex ersetzt werden. Die dazu nötige Bewegung der Flüssigkeitsmenge oder der Flüssigkeitsmengen kann wiederum durch Impulsübertrag einer Oberflächenschallwelle erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. auf einem transparenten Substrat durchgeführt werden, wobei der zu manipulierende Lichtstrahl im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eingestrahlt werden kann. So kann z. B. eine Probe untersucht werden, die sich oberhalb oder unterhalb des Chips befindet, auf dem sich die Flüssigkeit bewegt, die zur optischen Manipulation dient. Zum Beispiel kann eine Probenflüssigkeit sich auf einer Oberfläche eines gegenüberliegenden Chips befinden. Auch die Probenflüssigkeit kann auf ihrem Chip z. B. mit Hilfe einer Oberflächenwelle bewegt werden. Die Flüssigkeit, die die optische Manipulation bewirken soll, kann in den Strahlengang des Lichtstrahles bewegt werden und z. B. den Lichtstrahl auf die Probenflüssigkeit auf der gegenüberliegenden Oberfläche fokussieren.

Bei ausreichender Oberflächenspannung wird die Flüssigkeit unabhängig von ihrer Ausrichtung im Raum an der Oberfläche gehalten. Insofern läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch durchführen, wenn die kleine Flüssigkeitsmenge auf einer nach unten gerichteten Oberfläche bewegt wird. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche, die nach oben gerichtet ist, kann sich z. B. eine zu untersuchende Materiemenge befinden. Ein Lichtstrahl kann dann ggf. von unten durch die optisch wirksame Flüssigkeit und das transparente Substrat zu der zu untersuchenden Materiemenge geschickt werden, wobei z. B. die Fokussierung oder die Intensität des Lichtstrahles mit Hilfe der optisch wirksamen Flüssigkeit auf der Unterseite des Chips eingestellt werden kann. Selbstverständlich läßt sich auf diese Weise auch eine einfache Blendenfunktion realisieren, indem eine Flüssigkeit, die opak für den Lichtstrahl ist, zwischen den Lichtstrahl und die zu untersuchende Materiemenge gebracht wird.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Verfahrensführung läuft der Lichtstrahl im wesentlichen parallel zur Oberfläche. Eine Flüssigkeitsmenge, die in den parallelen Lichtstrahl gebracht wird, kann ebenfalls die Strahlcharakteristik durch Abblenden, Reflektieren oder Brechen verändern.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren einsetzen, wenn die Flüssigkeitsmenge, die die optischen Eigenschaften des Lichtstrahles verändert, selbst die zu untersuchende Materie darstellt oder enthält. Der Lichtstrahl kann von einer solchen Flüssigkeitsmenge z. B. auf einen Detektor abgelenkt werden und gleichzeitig Information über die Flüssigkeitsmenge selbst transportieren. Solche Information kann z. B. in der Intensitätsabnahme des Lichtstrahles beim Passieren der Flüssigkeit gebildet werden, um Information über in der Flüssigkeit gelöstes Material zu erhalten.

Insofern kann bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Flüssigkeit, die die Charakteristik eines Lichtstrahles verändern soll, eine reine Flüssigkeit, eine Mischung, eine Dispersion oder eine Suspension, oder eine Flüssigkeit, in der sich feste Teilchen, z. B. biologisches Material, befinden, sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit einer Flüssigkeitsmenge durchgeführt werden, die von zwei Oberflächen eingeschlossen ist. Eine solche Flüssigkeitsmenge, die beide Oberflächen benetzt, kann durch Generierung einer Oberflächenschallwelle auf einer der beiden Oberflächen bewegt werden und so in den Strahlengang eines Lichtstrahles gelangen. Bei Verwendung zweier zumindest teilweise transparenter Festkörper, zwischen denen eine Flüssigkeitsmenge eingeschlossen ist, kann ein Lichtstrahl, der beide Festkörper und die dazwischen befindliche Flüssigkeitsmenge durchstrahlt, ohne jede Lichtbrechung Information über die Flüssigkeitsmenge selbst erzeugen, z. B. die Absorptionsstärke. Schließlich kann durch Bewegung einer Flüssigkeitsmenge zwischen zwei Oberflächen mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle auf einer der Oberflächen die Flüssigkeitsmenge als optisches Element auch in dem Strahlengang bewegt werden, um z. B. eine Blende, einen Spiegel oder eine Linse zu realisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine einfache Bewegung einer als optisches Element wirkenden Flüssigkeit und eignet sich besonders bei der Anwendung in der Mikroanalytik, in der Meßaufbauten von der Dimension einiger Millimeter oder kleiner üblich sind.

Mit Bezug zu den anliegenden Figuren wird im folgenden die Erfindung im Detail anhand bevorzugter Ausgestaltungen erläutert. Dabei sind die Figuren schematischer Natur und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Es zeigen

Fig. 1a die Draufsicht auf eine Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann,

Fig. 1b und 1c die Vorrichtung der Fig. 1a im Schnitt bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu verschiedenen Zeitpunkten,

Fig. 2a und 2b erläuternde Darstellungen eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren optischen Effektes,

Fig. 3a und 3b erläuternde Darstellungen eines anderen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren optischen Effektes,

Fig. 4a die Draufsicht auf eine weitere Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4b bzw. 4c Schnitte durch die Vorrichtung der Fig. 4a entlang der Linien A-A bzw. B-B bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 eine erläuternde Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren optischen Effektes,

Fig. 6 eine weitere erläuternde Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren optischen Effektes, und

Fig. 7 den Schnitt durch eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf einem Festkörperchip 10 befindet sich ein bevorzugter Aufenthaltsbereich 7. Der Festkörperchip 10 kann zur Erzeugung piezoelektrischer Eigenschaften z. B. aus Lithiumniobat bestehen oder eine Zinkoxidbeschichtung aufweisen. 3 bezeichnet einen Flüssigkeitstropfen, beim gezeigten Beispiel eine wäßrige Lösung. Der Aufenthaltsbereich 7 ist im Vergleich zu seiner Umgebung auf der Festkörperoberfläche hydrophil gewählt. Dies wird z. B. durch eine hydrophobe, den Aufenthaltsbereich 7 umgebende Oberfläche erreicht. Dazu kann die Oberfläche außerhalb des Bereiches 7 z. B. silanisiert sein. 5 bezeichnet einen transparenten Bereich. Selbstverständlich kann auch der gesamte Festkörper 10 transparent gewählt sein. Die Tranparenz muß selbstverständlich nur für die verwendete Lichtwellenlänge vorhanden sein. 9 und 17 bezeichnen Interdigitaltransducer mit ineinander greifenden Fingerelektroden 11 bzw. 19. Die Fingerelektroden können über die Elektroden 13, 15 bzw. 21, 23 elektrisch angeschlossen werden. Die Fingerelektroden haben typischerweise einen Abstand von wenigen Mikrometern und sind dementsprechend nicht maßstabsgetreu dargestellt. Die Gesamtausmaße des Chips 10 können z. B. einige Millimeter betragen.

Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an die Elektroden 13 und 15 bewirkt die Generierung einer Oberflächenschallwelle 25 in für Interdigitaltransducer bekannter Weise. Die Oberflächenschallwelle 25 bewegt sich auf die Flüssigkeitsmenge 3 zu und überträgt einen Impuls in Richtung 27.

Die Fig. 1b und 1c zeigen Schnitte durch die Vorrichtung der Fig. 1a in verschiedenen Verfahrensabschnitten. Fig. 1b zeigt den Zustand, der auch in Fig. 1a gezeigt ist. In der Fig. 1b ist die Oberflächenschallwelle 25 nur schematisch gezeichnet, wobei nur die Richtung angegeben ist. Die Oberflächenschallwelle 25 trifft auf die Flüssigkeitsmenge 3 und treibt diese zu einem transparenten Bereich 5. Der transparente Bereich wird von Lichtstrahlen 29 durchstrahlt, die beim gezeigten Beispiel z. B. parallel sind. In Fig. 1c ist ein Zustand erreicht, in dem die Oberflächenschallwelle 25 die Flüssigkeitsmenge 3 bis zum transparenten Bereich 5 bewegt hat. Bei entsprechender Auswahl der optischen Eigenschaften wird eine Fokussierung der Lichtstrahlen 29 erreicht. Mit Hilfe des zweiten Interdigitaltransducers 17, der in den Fig. 1b und 1c nicht gezeigt ist, läßt sich die kleine Flüssigkeitsmenge in dem Bereich 5 abbremsen bzw. wieder von dem Bereich 5 wegbewegen. Die nicht transparenten Oberflächenbereiche außerhalb des transparenten Bereiches 5 wirken dabei als Blende für die Lichtstrahlen. Selbstverständlich kann bei entsprechender räumlicher Lokalisierung der parallelen Lichtstrahlen 29 auch ein vollständig transparenter Festkörper eingesetzt werden.

Die erläuternden Fig. 2a und 2b zeigen, wie durch Änderung des Volumens der kleinen Flüssigkeitsmenge 3 der Fokus f bzw. F verändert werden kann. Die Lichtstrahlen 29 werden je nach Radius und damit Volumen des Flüssigkeitstropfens auf der Oberfläche des Festkörpers 1 verschieden stark gebrochen. 31 zeigt beispielhaft für den gezeigten gebrochenen Strahl die Abbildungsachse. Erfindungsgemäß läßt sich das Volumen des Flüssigkeitstropfens durch Hinzufügen weiterer Flüssigkeit vergrößern. Mit Hilfe einer Oberflächenwelle und einem entsprechend gestalteten Aufenthaltsbereich 7 wird eine zweite Flüssigkeitsmenge zu einer ersten Flüssigkeitsmenge getrieben, bis sie sich vereinigen und so einen größeren Flüssigkeitstropfen bilden, wie er in Fig. 2b gezeigt ist. Andererseits läßt sich ein großer Flüssigkeitstropfen, wie er in Fig. 2b dargestellt ist, durch Einwirkung einer Oberflächenschallwelle in zwei oder mehr Teile aufteilen, um kleinere Flüssigkeitstropfen zu erhalten, wie sie in Fig. 2a gezeigt sind.

Die Fig. 3a und 3b zeigen Erläuterungen, wie durch Einstellung des Benetzungswinkels α bzw. β die optischen Eigenschaften geändert werden können. Bei dem in den Fig. 3a und 3b gezeigten Beispiel befindet sich die Flüssigkeitsmenge 3 z. B. unterhalb eines Festkörpers 1 und wird durch seine Oberflächenspannung gehalten. Bei unterschiedlichen Benetzungswinkeln α bzw. β stellen sich unterschiedliche Foki f bzw. F ein. Der Benetzungswinkel kann z. B. durch Einwirkung von Temperatur oder durch die Oberflächenbeschichtung des Festkörpers 1 verändert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine kleine Flüssigkeitsmenge in einen Bereich anderer Oberflächeneigenschaften bzw. einen Bereich anderer Temperatur bewegt werden, um andere optische Eigenschaften zu erhalten.

Ebenso kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kleine Flüssigkeitsmenge in den Bereich von entsprechend angeordneten Elektroden gebracht werden, um durch Anlegen einer Spannung zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit den Benetzungswinkel zu verändern.

In den Fig. 4a bis 4c ist eine weitere Anwendung beschrieben. Bei der dort gezeigten Ausgestaltung des Verfahrens bewegen sich die Lichtstrahlen 35, 37 parallel zur Oberfläche. Der Aufenthaltsbereich 70 hat einen Bereich schmalerer seitlicher Ausdehnung. Die wäßrige Lösung 3, 33 verläßt den bevorzugten Aufenthaltsbereich 70 nicht, wenn sie von der Oberflächenwelle 25 getroffen wird. Insofern verändert sich die Form der kleinen Flüssigkeitsmenge 33, wenn sie in den schmalen Bereich auf der rechten Seite der Fig. 4a eintritt. Die Fig. 4a zeigt die Flüssigkeitsmenge 3, 33 zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

In Fig. 4b bzw. Fig. 4c sind Querschnitte entlang der Linien A-A bzw. B-B gezeigt. Durch die laterale Einschränkung, die im rechten Teil der Anordnung der Fig. 4a erzeugt wird, ändert sich der Krümmungsradius der Flüssigkeitsmenge 33. Ein Lichtstrahl 37 wird dementsprechend auf andere Art gebrochen als ein Lichtstrahl 35, der auf den flacheren Flüssigkeitstropfen 3 im linken Teil der Anordnung trifft.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der eine Flüssigkeitsmenge 39 gewählt ist, die für die verwendeten Lichtstrahlen 41, 43 reflektierend ist. Die spiegelnde Oberfläche des Flüssigkeitstropfens 39 kann mit Hilfe der Oberflächenschallwelle 25 in den Strahlengang bewegt oder relativ dazu in seiner Lage verändert werden.

In Fig. 6 ist eine Blendenfunktion realisiert. Eine Flüssigkeit 45 wird verwendet, die für das verwendete Licht 47 undurchlässig ist. Mit 49 ist gestrichelt der Strahlengang gezeigt, der bei Abwesenheit der Flüssigkeitsmenge 55 vorliegen würde. Mit Hilfe einer Oberflächenschallwelle, die beim gezeigten Beispiel z. B. senkrecht zur Bildebene läuft, kann eine Flüssigkeitsmenge 45 in den Strahlengang geschoben werden und den Strahl 47 abblocken, so daß eine Blendenfunktion realisiert ist.

Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls durchgeführt werden kann. Zwei Festkörper 1, 2 stehen sich z. B. im Abstand einiger Millimeter oder weniger gegenüber. Zwischen ihnen befindet sich eine Flüssigkeitsmenge 4, die beide Festkörper berührt. Die Flüssigkeitsmenge 4 kann mit einer Oberflächenschallwelle 26 bewegt werden, die wiederum nur schematisch dargestellt ist und z. B. mit Hilfe eines Interdigitaltransducers auf der Oberfläche des Festkörpers 2 erzeugt werden kann.

Bei Verwendung von transparenten Materialien kann ein Lichtstrahl 29 durch die Festkörper 1, 2 und die Flüssigkeitsmenge 4 treten und so Information über die Flüssigkeitsmenge 4 transportieren. Zum Beispiel kann die Absorption der Flüssigkeitsmenge 4 auf diese Weise gemessen werden. Ist für den Lichtstrahl 29 die Flüssigkeitsmenge 4 nicht durchlässig, kann durch Bewegung der Flüssigkeitsmenge 4 in dem Strahlengang 29 z. B. eine Blendenfunktion realisiert werden.

Ein ähnlicher Effekt läßt sich erreichen, wenn ein Lichtstrahl, der parallel zu den Oberflächen läuft, durch die Flüssigkeitsmenge 4 beeinflußt wird. Mit Hilfe einer Oberflächenwelle 26 kann die Flüssigkeitsmenge 4 in den Strahlengang bewegt werden oder aus ihm heraus. Durch die seitlichen gekrümmten Oberflächen kann bei entsprechender Wahl der optischen Eigenschaften auch Brechung bzw. Reflexion des Strahles 28 erreicht werden.

Selbstverständlich können die gezeigten Ausführungsformen auch untereinander kombiniert werden. Zum Beispiel können auch Flüssigkeitsmengen eingesetzt werden, die bei einer Anordnung der Fig. 1a oder der Fig. 4a wie eine Blende wirken, um den Lichtstrahl abzublocken. Ebenso kann z. B. bei einer Anordnung der Fig. 4a eine Spiegelfunktion mit Hilfe einer reflektierenden Flüssigkeit erhalten werden. Linsen-, Spiegel- und/oder Blendenfunktionen lassen sich sowohl mit zur Oberfläche parallelen als auch im wesentlichen senkrechten Lichtstrahlen realisieren.

Die Flüssigkeitsmenge muß nicht notwendigerweise auf einer Oberfläche angeordnet sein, sondern kann jeweils auch unterhalb einer Oberfläche angeordnet sein, solange sie sich durch die Oberflächenspannung an der Festkörperoberfläche hält.

Die Flüssigkeitsmenge 3, 4, 33 kann auch selbst untersucht werden oder zu untersuchendes Material enthalten. Zum Beispiel kann bei einem Aufbau der Fig. 1a bis 1c die Flüssigkeitsmenge 3 ein zu untersuchendes Material, z. B. biologisches Material, enthalten. Während die Flüssigkeit selbst für den Fokussierungseffekt sorgt, der in Fig. 1c schematisch angedeutet ist, kann die Lichtabsorption durch das darin enthaltene Material gemessen werden. Dabei befindet sich vorteilhafterweise im Fokus der Lichtstrahlen 29 in der Fig. 1c ein entsprechender nicht gezeigter Dektektor. Selbstverständlich lassen sich entsprechende Anordnungen auch mit den anderen gezeigten Ausführungsformen realisieren.

Die Form der optischen Elemente ist dabei nicht auf halbkugelartige Tröpfchen beschränkt. Ist z. B., wie im rechten Teil der Fig. 4a, der Aufenthaltsbereich 70 schmal genug bzw. rechteckig gewählt, kann die Form einer Zylinderlinse simuliert werden. Durch entsprechende äußere Form eines solchen Aufenthaltsbereiches kann die Form des durch die Flüssigkeit gebildeten optischen Elementes auf vielseitige Weise gestaltet werden. Zum Beispiel kann durch die Anordnung von mehreren konzentrischen Aufenthaltsbereichen, die in einem radialen Abstand zueinander angeordnet sind, eine Fresnelsche Zonenplatte simuliert werden. Auch diese verschiedenen Formen können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Flüssigkeit befüllt bzw. entleert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine optimal angepaßte optische Anordnung, die während des Experimentes verändert werden kann und es ermöglicht, daß optische Elemente, wie Linsen, Spiegel oder Blenden auf einer Festkörperoberfläche an die gewünschte Stelle in einen Strahlengang bewegt werden können oder daraus entfernt werden können. Eine solche Anwendung ist besonders in der Mikroanalytik wertvoll, die heutzutage mit sogenannten "lab-on-the-chip"- Einheiten realisiert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Änderung der Charakteristik von Lichtstrahlen (28, 29, 35, 37, 41, 43, 47) durch Bewegen einer kleinen Flüssigkeitsmenge (3, 4, 33, 39, 45), die sich in Kontakt mit der Oberfläche zumindest eines Festkörpers (1, 2, 5, 10), vorzugsweise eines Chips, befindet und von ihrer Oberflächenspannung zusammengehalten wird, relativ zum Strahlengang des Lichtstrahles (28, 29, 35, 37, 41, 43, 47) mit Hilfe des Impulsübertrages von zumindest einer auf der Oberfläche des Festkörpers (1, 2) generierten Oberflächenschallwelle (25, 26).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Erzeugung der Oberflächenwelle (25, 26) zumindest ein Interdigitaltransducer (9, 17) eingesetzt wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine kleine Flüssigkeitsmenge (3, 4, 33) eingesetzt wird, die im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtstrahles (29) transparent ist, um eine Brechung des Lichtstrahles zu bewirken.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine kleine Flüssigkeitsmenge (39) eingesetzt wird, die im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtstrahles (41, 43) reflektierend ist, um eine Reflektion des Lichtstrahles zu erreichen.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine kleine Flüssigkeitsmenge (4, 45) eingesetzt wird, die im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichtstrahles (28, 47) opak ist, um ein Abblenden des Lichtstrahles zu bewirken.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die kleine Flüssigkeitsmenge (3, 4, 33, 39, 45) auf einem bevorzugten Aufenthaltsbereich (7, 70) der Oberfläche des Festkörpers (1, 2) mit Hilfe der Oberflächenwelle bewegt wird, der von seiner lateralen Umgebung unterschiedliche Benetzungseigenschaften aufweist, die derart gewählt sind, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt in diesem Bereich aufhält.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die kleine Flüssigkeitsmenge (3, 33) in Bereiche mit unterschiedlicher Form und/oder lateraler Ausdehnung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches (70) bewegt wird, um eine gewünschte Form der gekrümmten Oberfläche der Flüssigkeitsmenge (3, 33) zur Erzeugung unterschiedlicher optischer Eigenschaften zu erreichen.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die kleine Flüssigkeitsmenge (3, 33, 39, 45) in Teilbereiche unterschiedlicher Benetzungseigenschaften des bevorzugten Aufenthaltsbereiches (7, 70) bewegt wird, um die Form der gekrümmten Oberfläche der Flüssigkeitsmenge zur Erzeugung unterschiedlicher optischer Eigenschaften zu verändern.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Benetzungswinkel (α, β) der kleinen Flüssigkeitsmenge (3) mit der Oberfläche des Festkörpers (1) durch Anlegen einer Spannung zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeitsmenge eingestellt wird, um die optischen Eigenschaften zu beeinflussen.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Benetzungswinkel (α, β) der kleinen Flüssigkeitsmenge (3) mit der Oberfläche des Festkörpers (1) durch Auswahl der Temperatur eingestellt wird, um die optischen Eigenschaften zu beeinflussen.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die optischen Eigenschaften der kleinen Flüssigkeitsmenge (3, 4) durch Volumenänderung eingestellt werden.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Volumen der Flüssigkeitsmenge durch Hinzufügen von Flüssigkeit zu der Flüssigkeitsmenge (3, 4) mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenwelle oder durch Teilen der Flüssigkeitsmenge (3, 4) durch Impulsübertrag einer Oberflächenwelle bewirkt wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Flüssigkeitsmenge zur Veränderung der optischen Eigenschaften ausgetauscht wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Festkörper (1, 2, 5, 10) zumindest teilweise transparent für das verwendete Licht gewählt wird und das Licht (28, 29) im wesentlichen senkrecht durch den Festkörper (1, 2, 5, 10) geschickt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Lichtstrahl (28, 35, 37, 47) im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Festkörpers (1, 2) geschickt wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Licht (28, 29) nach Wechselwirkung mit der Flüssigkeitsmenge (3, 4) analysiert wird, um Information über die Flüssigkeitsmenge (3, 4) zu erhalten.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die kleine Flüssigkeitsmenge (3) auf einer Oberfläche eines Chips (1) mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenwelle bewegt wird und sich auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Chips eine zu untersuchende Probenflüssigkeit befindet, auf die mit Hilfe der kleinen Flüssigkeitsmenge (3) der Lichtstrahl (29) gerichtet wird, um eine optische Analyse durchführen zu können.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Flüssigkeitsmenge (4) zwischen zwei Oberflächen (1, 2) durch Impulsübertrag einer Oberflächenschallwelle (26) auf zumindest einer der zwei Oberflächen (1, 2) bewegt wird, wobei die Flüssigkeit (4) beide Oberflächen (1, 2) berührt.






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