CN1926425A - 非接触检测单元 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于检测流道中一个或多个样品化合物电性能的非接触检测单元(1)。非接触检测单元(1)包括适用于将AC电流电容耦合到所述流道的检测通道(4)的发射电极(3)，和适用于接收已经耦合到检测通道(4)的AC电流的接收电极(5)。检测通道的至少一部分的内剖面(ID_DET)不同于流道(2)向着检测通道(4)的内剖面(ID_SEP)。

Description

非接触检测单元

技术领域

本发明涉及一种用于检测流道中一个或多个样品化合物电性能的非接触检测单元，涉及一种包括非接触检测单元的分离系统和涉及一种用于增加非接触检测单元的灵敏度的方法。

背景技术

样品化合物的电性能的非接触检测已经成为光学检测技术的重要替代技术。例如，在分析流体样品中的离子领域，非接触电导率检测(CCD)已成为有竞争力的技术。本发明能够应用到任何电性能的非接触检测。

发明内容

本发明目的是提供一种流道中的一个或多个样品化合物的电性能的改进的非接触检测。本目的通过独立权利要求解决。通过从属权利要求示出优选实施例。

根据本发明实施例，提供一种用于检测流道中一个或多个样品化合物的电性能的非接触检测单元。该非接触检测单元包括适用于将AC电流电容耦合到流道的检测通道的发射电极，和适用于接收已经耦合到检测通道的AC电流的接收电极。检测通道至少一部分的内剖面不同于流道向着检测通道的内剖面。

当检测流道的至少一部分的内剖面独立于前面流道的尺寸而改变时，可以根据由各非接触检测技术所提出的需要优化检测通道的几何形状。

存在描述非接触检测单元各种不同的参数。根据本发明的实施例，通过调整检测通道的几何形状能够影响所述参数的一个或多个。一个重要的参数是非接触检测单元的分离能力，该分离能力决定所获结果的解析度。另一个方面是发射电极和接收电极之间的串扰，该串扰劣化所获结果或谱的质量。如果由发射电极发射的AC电场直接被接收电极接收而没有通过样品体积，则会发生串扰。

另一个重要参数是检测单元的灵敏度。具有高灵敏度的检测单元允许检测样品化合物的小浓度。单元的灵敏度越高，各种化合物的各检测限度(LOD)将越小。灵敏度与测量的信噪比紧密相关，由此，大的信噪比对应于高的灵敏度。

通过独立于前面流道的剖面而选择检测通道至少一部分的内剖面，获得附加自由度。该附加自由度能够例如用于改进检测单元的性能，例如用于以下当中一个：增加分离能力，改进信噪比，减少串扰等。除此之外，附加的自由度还可以用于改进检测单元还未提及的任何其它性能，以为了在给定的情形下改进检测单元的性能。

根据本发明的一个优选实施例，通过缩小发射电极和接收电极之间的检测流道的内剖面而增加检测通道中的样品体积的电阻。通过使检测通道变窄，样品体积拉长和扩展，样品体积的电阻增加。结果，由各种样品化合物引起的电阻变化得到增强，因而能够更精确地监测。信噪比级增加，并且检测单元的灵敏度得到改进。而且，通过使检测通道变窄，分析物的电阻变成对电阻之间所测量的总阻抗具有最重要的影响作用。

在本发明的另一个实施例中，发射电极和接收电极布置成轴向几何形状。在检测单元保持足够小的情况下，轴向的靠近允许以良好的解析度记录分析物带。

根据一个优选实施例，发射电极和接收电极分开足够大，以用于减少或甚至避免有关串扰的失真。一方面，通过增加电极之间的距离，能够减少串扰量。另一方面，通过增加电极之间的距离，可以增加检测单元的体积，结果，所获的测量结果的解析度会降低。然而，通过缩小内剖面，能够保持小的检测单元体积，而不使电极靠得太近。因而，可以提供具有小的检测单元体积和以相当大距离轴向分开的电极的检测单元。结果，检测单元具有对串扰较低的敏感性，并且产生高解析度的测量结果。

根据本发明的一个优选实施例，在整个检测通道上保持小的检测通道的内剖面。在整个检测通道内，内剖面保持恒定。这可以例如从制造的角度是有利的。

根据另一个实施例，检测通道的内剖面沿轴向变化，其变化方式是使得在电极的位置处，内剖面内径大，而在电极之间，内剖面内径小。因而，获得沙漏形检测通道。这种几何形状还可以称为“倒立的泡泡”。通过增加环形电极定位的位置处的内径，发射电极和样品之间的电容耦合得到改进，并且接收电极和样品之间的电容耦合也得到改进。各电极与样品一起表示电容。通过增加电极定位处的检测通道的内径，各电容的有效“表面”增加，而样品和电极之间的距离减小。结果，各电容值增加。由于改进的电容耦合，能够更精确地测量电极之间样品的电阻，这是因为样品电阻提供了电极之间总(复)阻抗的主要影响作用。

在一个优选实施例中，检测通道借助于在发射电极和接收电极之间的部分具有缩小的内剖面的毛细管而实现。实现迁移流道的一个普通的方法是使用玻璃毛细管。

在一个优选实施例中，在发射电极和接收电极之间，毛细管内径约等于0.1微米到200微米，进一步优选为1.0微米到20微米。在电极之间，毛细管的外径与毛细管的内径比约等于1.1到50，优选为1.5到10。

根据本发明的另一个优选实施例，检测通道的形状使用微结构技术实现，该微结构技术对于制造微流体芯片器件是普遍的。这种微结构技术可以例如包括蚀刻、激光切除、直接模制。使用这些技术，能够以较高的精确度形成检测通道。微系统技术允许非接触电极相对于检测体积精确地定位。在另一个优选的实施例中，检测通道作为微流体芯片器件的一部分而实现。

在另一个优选的实施例中，电性能是以下当中至少一个：电导率、复电导率、阻抗、电阻、电抗、相对介电常数。当分析物带通过检测单元时，可以改变这些电性能中任何一个。因而，通过监测各电性能，可以检测各分析物带。具体地，检测单元可以例如适用于检测样品化合物的电导率。在这个情况下，检测单元通常称为非接触电导率检测(CCD)单元。不过，本发明不限于CCD检测。

根据一个优选的实施例，一个或多个样品化合物已经在前面分离流道中分离。首先，当各种样品化合物迁移通过分离流道时，它们被分离。接着，能够由检测单元分析分析物带。

根据另一个实施例，检测通道的内剖面小于流道向着检测通道的内剖面。在分离流道中，有利地使用大孔毛细管，这是因为大孔毛细管提供足够的样品装载能力。大孔毛细管允许将足够体积的界限分明的样品塞注入到分离流道。然而，在检测流道中，尤其是关于串扰、灵敏度、分离能力等，利用具有相当小内径的毛细管是有利的。

根据另一个实施例，检测通道的内剖面还可以大于流道向着检测通道上的内剖面。

根据本发明实施例的分离系统包括适用于分离给定样品的样品化合物的分离流道和上述类型的非接触检测单元。

根据一个优选实施例，分离系统是以下至少一种：电泳系统、液相色谱系统、电色谱系统或这些系统的组合。非接触检测单元能够与这些技术的每一个一起使用。

在一个优选的实施例中，采用分离系统用于离子分析。样品中离子或可电离的化合物的出现改变样品的电导率，为此，非接触检测尤其是CCD很适合于检测与不同类型的离子或可电离的化合物对应的分析物带。可以例如采用离子分析用于分析饮料(啤酒、酒、矿质水、汁等)、用于分析电厂的冷却水等。

而且，本发明的实施例涉及用于增加非接触检测单元的灵敏度的方法，且所述检测单元适用于检测一个或多个样品化合物的电性能。检测单元包括适用于将AC信号电容耦合到检测通道的发射电极和适用于响应于已经耦合到检测通道的AC信号接收AC响应信号的接收电极。该方法包括在检测通道的至少一部分中相对于流道向着检测通道的内剖面缩小检测通道内剖面的步骤。

附图说明

通过参照下面详细的描述，结合附图思考，本发明的其它目的和许多伴随的优点将易于理解，并且变得更好了解。大体或功能相同或类似的特征将以相同的参考符号指示。

图1示出包括非接触检测单元的测量装置；

图2示出根据本发明的第一实施例的检测流道；

图3描述对于三个不同内径的检测通道的已经记录的三个电泳谱图；

图4示出根据本发明的另一个实施例的检测流道；

图5示出非接触检测单元的等效电路。

具体实施方式

在图1中，描述包括非接触检测单元的测量装置。非接触检测单元1适用于检测具有已经迁移通过前面分离流道2的化合物，由此分离流道2可以例如是毛细管电泳(CE)系统、或者液相色谱(LC)系统等的一部分。非接触检测单元1包括发射电极3和接收电极5，该发射电极3适用于向检测体积4施加AC电场，接收电极5适于检测通过检测体积4的AC电流。发射电极3和接收电极5以轴向几何形状布置，这意味着它们在流动的方向上间隔一定的距离。发射电极3连接到高频(HF)AC电源6，该高频(HF)AC电源6向发射电极3提供HFAC电压信号7，由此HFAC电压的频率可以在例如从几kHz到几百MHz范围。HFAC电压信号的振幅由输入到HFAC电源6的控制电压8决定。

接收电极5连接到电流/电压转换器9，电流/电压转换器9适用于将所接收的AC电流转换到相应的电压信号。这种电压信号提供到整流器和滤波器单元10。在整流器和滤波器单元10的输出端，获得模拟的DC信号11，所述DC信号11表示检测体积4的电导率。通过模拟/数字转换器12，模拟DC信号11转换成相应的电导率读数13。

图2示出根据本发明的一个实施例的非接触检测单元的几何形状。在图2中，分离流道14的一部分连同非接触检测单元15一起示出。非接触检测单元15包括以环形电极实现的发射电极16。环形电极和溶质形成电容，并且经由所述环形电极，AC电流能够电容耦合到溶质。接收电极17沿轴向与发射电极16分开一轴向距离L。接收电极17还以环形电极实现，且所述环形电极和溶质形成电容。电容耦合到溶质的接收电极17，可以接收和检测已经由发射电极16耦合到溶质的AC电流。

通过作为时间函数来记录溶质的电性能，可以检测各种分析物带。非接触检测单元15的分离能力主要由包含在发射电极16和接收电极17之间的检测体积决定。当然，一般人会认为为了提高解析度，两个电极要靠得相当近。然而，如果电极互相靠得太近，称为串扰的现象将使所获得的信号劣化。如果由发射电极发射的AC电场直接由接收电极接收而没有通过样品体积，则发生串扰。

下面示例计算将有助于理解如何能够确定迁移通过分离流道的分析物带的半宽度。由于扩散的轴向分散S²通过以下公式给出

S²＝2D·t其中，D是扩散系数，t是迁移时间

介质分子分析物的典型扩散系数在2×10^-10m²s^-1到5×10^-10m²s^-1的范围内，典型的迁移时间在30s到100s的范围内。当这些范围的下限代入到上述方程时，获得分析物带的轴向扩散S²＝1.2×10^-8m²。在假定分析物带是高斯形状的情况下，分析物的半宽度p可以表示为p＝2.35s≈0.25mm。

该结果示出为了以良好的解析度检测分析物带，检测单元的两个电极必须移动，相互间靠得很近。然而，如果电极靠得太近，将发生串扰，这意味着由发射电极发射的HF电场将直接耦合到接收电极，所检测的AC信号将受到干扰。

根据本发明的实施例，在两个电极之间的流道的至少一部分中，减小检测流道的内径。结果，检测单元体积减少而不必将电极靠得太近。

在图2所示的实施例中，检测流道的内径ID_DET比前面分离流道的内径ID_SEP小得多。在流道的两个部分之间，形成肩部18。检测单元相当小的体积允许以足够的解析度单独地检测分析物带的每一个。通过减小检测单元体积，提高了仪器的分离能力。发射电极16和接收电极17能够相互间隔得足够地布置以避免，或至少减少，它们之间的串扰，由此，检测单元体积还保持足够小，以用于获得良好的解析度。

为什么发射电极16和接收电极17之间的距离L不应该太小，还有另一个原因。通过检测单元的AC电流趋于加热检测单元。因而，必须提供冷却设备，尤其是在发射电极16和接收电极17之间的检测流道部分。在这方面，两个电极之间的距离L不太小是有利的。

由于分离流道14的内径ID_SEP相当大，并且超过检测流道的内径ID_DET，所以，可以将相当大体积的样品塞注入到分离流道中，由此，样品塞在轴向上不会扩展太多。由于ID_SEP＞ID_DET，获得优良限定的注入塞。分离流道的大孔毛细管的样品装载能力能够与在检测流道中采用的窄孔毛细管的优良的分离能力和灵敏度结合在一起。

分离流道和检测流道能够借助于具有两个不同内剖面的玻璃毛细管实现。在检测单元部分的内径ID_DET可以例如等于50微米，而玻璃毛细管的外径OD可以有360微米大，以避免破裂性的排出(或者HV破损)。

除了利用玻璃毛细管，电迁移通道和检测流道可以借助于微流体芯片器件而实现。微流体芯片器件允许采用更便利的方法形成流道几何形状。微流体芯片一般包括布置在夹层结构中的两个或多个衬底。该结构能够例如通过蚀刻、激光切除或通过直接模制而制作。接着，不同的衬底被退火或接合。微系统技术允许电极相对于检测通道精确地定位。

在非接触检测领域另一个重要的性能是所记录信号的信噪比。信噪比是系统灵敏度的量度，由此，大信噪比对应于高灵敏度。在图3中，示出三个不同的电泳非接触电导率检测器轨迹。在下面，更详细给出测量的条件：

缓冲液：Agilent碱性阴离子缓冲液(PN 5064-8209)

样品：磷酸盐100mg/l

碳水化合物各200mg/l

其他各50mg/l

预处理：使缓冲液流动4分钟

毛细管：熔融硅

注入：400mbar*s

温度：30℃

电压：-20kV(反向电极)

电流：-36uA

检测：CCD数据速率2Hz

相应的CCD信号描述为时间的函数，由此曲线19对应于75微米的内径，由此曲线20涉及ID＝50微米，由此曲线21是利用内径为20微米的毛细管记录的。为了简化曲线19、20、21的各信噪比的比较，曲线单个地以一定方式按比例缩放，使得其各噪声级达到一个共同的值。引入了一个偏移来将这些轨迹置于一个共同的窗口内。

已经记录的窄孔毛细管(ID＝20微米)的电泳谱图示出最大峰值，而所获得的大孔毛细管(ID＝75微米)的电泳谱图包括相对小高度的峰值。通过利用具有小内径(ID＝20微米)的检测流道，能够获得优异的信噪比，而具有大直径(ID＝75微米)的毛细管导致了相当小的信噪比。结论是通过减小检测流道或其零件的内径，可以改进非接触检测的分离能力(解析度)和灵敏度(信噪比)。尽管当减小内径时包含在两个电极之间的各样品化合物的绝对量变得较小，但仍获得优异的信号质量。

灵敏度的增加还能够就检测限度(LOD)进行表述。检测限度定义为能将相应的测量峰值与下面的噪声级区别开的某物质的最小浓度。通过减小检测流道内径，用于各样品化合物的检测限度减少了。

图4示出本发明的另一个实施例。已经迁移通过分离流道22的样品化合物随后由非接触检测单元23分析。在电极24、25之间，检测通道内径ID_DET相对于前面的分离流道22的内径ID_SEP减小。因而，检测单元体积26的体积减少而没有减小两个电极24、25之间的距离。通过减少检测单元体积26，能够改进非接触检测单元的解析度和灵敏度。而且，在电极24、25定位的流道位置处27、28，各内径ID_C1和ID_C2相对于电极24、25之间的流道部分的内径ID_DET增加，获得具有沙漏状的几何形状的检测单元。在这点上，图4示出的实施例不同与图2中的实施例。

因为ID_C1＞ID_DET，由环形电极24和样品形成的电容C₁增加，结果，在电极24和样品之间的电容耦合得到改进。相应地，因为IDC₂＞ID_DET，由环形电极25和样品形成的C2的电容也增加。图4中的布置可以视为第一复电导率 $X_{C1}=\frac{1}{i\·\mathrm{\ω}\·C_1},$ 该第一复电导率X_C1与电极之间样品体积的电阻R和第二复电导率 $X_{C2}=\frac{1}{i\·\mathrm{\ω}\·C_2}$ 串联连接，其中，ω表示AC信号的频率。通过增加C₁、C₂，电阻R的影响作用相对于X_C1和X_C2增强。这允许以改进的精确度跟踪电阻R的变化dR，电阻R的变化dR可以归因于通过检测单元的分析物带。

在图4中，内径ID_SEP等于ID_C1和ID_C2。必须指出，能够独立于内径ID_C1和ID_C2地选择分离流道的内径ID_SEP。分离流道的ID_SEP还可以不同于ID_C1和ID_C2。

图5示出非接触检测单元的近似等效电路。原则上，发射电极和接收电极这两个电极电容耦合到检测通道中的实际电解质电阻，形成了空间分布的RC网络。这样一种空间分布结构难于精确地分析，因而我们假定在检测通道中的样品电阻率能够等距离地分成形成单个电阻器的多个段R1-R6。所有的电阻器串联连接。发射电极和接收电极与检测通道中的溶液的耦合借助于一组电容C1-C8建模。Rg是电阻器，表示置于发射电极和接收电极之间的样品电阻率。在两个电极之间的可能的电容串扰由电容C_V建模。进一步地，U是高频AC电源的电压。接收器29读取由接收电极所感测的电流。

这种等效电路(可以将分离通道划分成更多段)允许以足够的精确度对所有回路中所有复电流以及由接收电极所感测的电流进行完整计算。这能够优化非接触检测单元的几何形状和其它常数。

Claims (29)

1.一种非接触检测单元(15、23)，用于检测流道中一个或多个样品化合物的电性能，所述非接触检测单元(15、23)包括：

适用于将AC电流电容耦合到所述流道的检测通道的发射电极(16、24)；

适用于接收已经耦合到所述检测通道的所述AC电流的接收电极(17、25)；

其中，所述检测通道至少一部分的内剖面不同于所述流道向着所述检测通道的内剖面。

2.根据权利要求1所述的检测单元，其中，以使所述发射电极和所述接收电极之间的所述样品体积的电阻增加的方式，使所述检测通道的内剖面在所述电极之间变窄。

3.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述发射电极和所述接收电极在所述流道中沿轴向互相隔开。

4.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，在所述电极之间的轴向间隔足够大，以避免或至少减少所述发射电极和所述接收电极之间的交叉耦合。

5.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，在所述整个检测通道内，保持小的所述检测通道内剖面。

6.根据权利要求1或上述权利要求中任一项所述的检测单元，其中，在检测通道的所述发射电极(24)和所述接收电极(25)定位的各位置(27、28)处，检测通道的内剖面大于所述检测通道的所述电极之间部分的内剖面。

7.根据权利要求1或上述权利要求中任一项所述的检测单元，其中，所述检测单元的几何形状以获得所述检测通道的沙漏形几何形状的方式轴向变化。

8.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述检测单元借助于在所述发射电极和所述接收电极之间部分具有缩小的内剖面的毛细管而实现。

9.根据权利要求7或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，在所述电极之间所述检测通道的部分中，所述毛细管内径约等于0.1微米到200微米，优选地约等于1.0微米到20微米。

10.根据权利要求7或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，在所述电极之间所述检测通道的部分中，所述毛细管外径与所述毛细管的内径的比约等于1.1到50，优选地约等于1.5到10。

11.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述检测通道的形状使用对于制造微流体芯片器件是普遍的微结构技术而实现。

12.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述检测通道作为微流体芯片器件的一部分而实现。

13.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述电性能是以下当中至少一个：电导率、复电导率、阻抗、电阻、电抗、相对介电常数。

14.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述检测单元适用于检测所述样品化合物的电导率。

15.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述一个或多个样品化合物已经在前面分离流道中分离。

16.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述检测通道的内剖面小于所述流道向着所述检测通道的内剖面。

17.根据权利要求1或上述权利要求中的任一项所述的检测单元，其中，所述检测通道的内剖面大于所述流道向着所述检测通道的内剖面。

18.一种非接触电导率检测单元，用于检测已经在前面分离流道中分离的样品化合物的电导率，所述非接触电导率检测单元包括：

适用于将AC电流电容耦合到检测通道的发射电极；

适用于接收已经耦合到所述检测通道的所述AC电流的接收电极，且所述发射电极和所述接收电极轴向隔开；

检测通道，其中，所述检测通道的所述发射电极和所述接收电极之间的内剖面小于所述分离流道的内剖面。

19.一种分离系统，包括：

适用于分离给定样品的样品化合物的分离流道(14、22)；

根据权利要求1至17中的任一项所述的非接触检测单元(15、23)。

20.根据权利要求19所述的分离系统，其中，所述分离系统是以下当中至少一个：电泳系统、液相色谱系统、电色谱系统、或所述这些系统的组合。

21.根据权利要求19或上述权利要求中任一项所述的分离系统，其中，所述分离系统适用于分离和/或分析离子。

22.一种用于增加非接触检测单元(15、23)的灵敏度的方法，所述检测单元包括适用于将AC信号电容耦合到检测通道的发射电极(16、24)和适用于响应于已经耦合到所述检测通道的所述AC信号接收AC响应信号的接收电极(17、25)，且所述检测单元适用于检测一个或多个样品化合物的电性能，所述方法包括以下步骤：

在所述检测通道的至少一部分中，相对于所述流道向着所述检测通道的内剖面缩小所述检测通道的内剖面。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述电性能是以下当中至少一个：电导率、复电导率、阻抗、电阻、电抗、相对介电常数。

24.根据权利要求22或上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述检测单元适用于检测所述样品化合物的电导率。

25.根据权利要求22或上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个样品化合物已经在前面的分离流道(14、22)中分离。

26.根据权利要求22或上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述发射电极和所述接收电极在流道中互相轴向隔开。

27.根据权利要求22或上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述发射电极和所述接收电极之间的所述样品体积的电阻通过使所述电极之间的所述检测通道的内径变窄而增加。

28.根据权利要求22或上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使所述检测通道的体积减小，同时使所述电极之间的距离保持足够大，以避免或至少降低所述发射电极和所述接收电极之间的交叉耦合。

29.根据权利要求22或上述权利要求中的任一项所述的方法，包括以下步骤：通过在所述检测通道的所述发射电极和所述接收电极分别定位的位置处增加所述检测通道内径，增加所述电极和所述检测通道之间的所述电容耦合。

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