DE10029946A1

DE10029946A1 - Integrierte optische Wellenleiter für mikrofluidische Analysensysteme

Info

Publication number: DE10029946A1
Application number: DE10029946A
Authority: DE
Inventors: Matthias Joehnck; Thomas Greve; Guenter Hauke
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2000-06-17
Filing date: 2000-06-17
Publication date: 2001-12-20
Also published as: US20030161572A1; JP2004501372A; WO2001098759A1; AU2001281782A1; EP1292822A1

Abstract

Die Erfindung betrifft mikrostrukturierte miniaturrisierte Analysensysteme auf Polymerbasis mit integrierten optischen Polymerlichtwellenleitern für optische Detektionstechniken sowie Verfahren zu deren Herstellung.

Description

Die Erfindung betrifft mikrostrukturierte miniaturisierte Analysensysteme auf Polymerbasis mit integrierten optischen Polymerlichtwellenleitern für optische Detektionstechniken sowie Verfahren zu deren Herstellung.

Mikrofluidische Analysemethoden sind insbesondere im Bereich der Kapillarelektrophorese (CE) bekannt. Neben der "klassischen" CE mit Quarzglaskapillaren sind insbesondere sogenannte "Chip-Technologien" (mit planaren mikrostrukturierten Analyseeinheiten) Gegenstand zahlreicher Untersuchungen und Entwicklungen.

Sehr häufig verwendete Detektionsmethoden in der CE sind z. B. die optische Absorptions- bzw. Fluoreszenzdetektion. Die Absorptionsmessung im UV-Bereich ist aufgrund der Einschränkung durch die geringe optische Pfadlänge (Innendurchmesser der Kapillare) der Fluoreszenzmessung, insbesondere der Laserinduzierten Fluoreszenzmessung (LIF), hinsichtlich der Sensitivität deutlich unterlegen. Geeignete Anordnungen zur Fluoreszenz- und Absorptionsmessung in Quarzkapillaren sind zahlreich beschrieben. In der Regel ist diesen gemeinsam, daß sie optische Leistung über optische Fasern direkt an die Kapillare heran- bzw. wegführen. In EP 0616211 A1 z. B. wird Anregungslicht durch ein optisch höherbrechendes Material zu einer Kapillare geführt. Von dieser wird Fluoreszenzlicht über optische Fasern, welche direkt mit der Kapillare verbunden sind, zu einem Detektor geführt.

Ebenfalls mittels optischer Fasern, die allerdings direkt vor den Ausgängen der Kapillare angebracht sind, haben Hashimoto et al. (M. Hashimoto, K. Tsukagoshi, R. Nakajima, K. Kondo, "Compact detection cell using optical fiber for sensitization and simplification of capillary electrophoresis chemiluminescense detection," J. of Chromatography A, 832, 1999, 191- 202) einen Chemilumineszenz-Detektor realisiert. Eine alternative Vorgehensweise ist die direkte Positionierung der optischen Sender und Empfänger vor bzw. hinter die Kapillare.

Für die Anwendung in planaren mikrostrukturierten miniaturisierten Analyseeinheiten sind beide zuvor genannten Vorgehensweisen nur bedingt geeignet, da es schwierig ist, die optischen Fasern bzw. Sende- und Empfangseinheiten direkt an die Kanäle heranzuführen.

Für die Chip-CE Detektionstechnik wird daher in der Regel die laserinduzierte Fluoreszenzmessung verwendet. Hierzu wird über eine Freistrahloptik Laserlicht auf den Fluidikkanal fokussiert und die Emission ebenfalls mittels Freistrahloptik gemessen. Dies stellt jedoch eine große Einschränkung der Detektionsmethoden für planare mikrostrukturierte Analyseeinheiten dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, auch andere Detektionstechniken, wie z. B. die Absorptionsmessung, für planare mikrostrukturierte miniaturisierte Analyseeinheiten zugänglich zu machen.

Es wurde gefunden, daß optische Leistung über optische Fasern direkt an die Kanäle der Analyseeinheiten heran- bzw. weggeführt werden kann, indem optische Lichtwellenleiter während des Herstellungsprozesses direkt in die Analyseeinheiten integriert werden. Das Ein- oder Auskoppeln optischer Leistung in bzw. aus dem System kann somit in einfacher Weise gewährleistet werden. Mikrofluidische Strukturen können dabei im direkten oder indirekten Kontakt zu der optischen Struktur stehen. Die weiteren Herstellungsprozesse mikrostrukturierter Systeme auf Polymerbasis sind mit der Herstellung der optischen Strukturen kombinierbar bzw. beeinträchtigen diese nicht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher planare mikrostrukturierte miniaturisierte Analyseeinheiten auf Polymerbasis, die integrierte optische Polymerlichtwellenleiter enthalten.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten miniaturisierten Analyseeinheiten auf Polymerbasis, die integrierte optische Polymerlichtwellenleiter enthalten, wobei

a) geeignete Bauteile auf Polymerbasis bereitgestellt werden;
b) die optischen Polymerlichtwellenleiter in mindestens ein Bauteil integriert werden;
c) die Bauteile zu einer Analyseeinheit zusammengefügt werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der mikrostrukturierten Analyseeinheiten auf Polymerbasis, die integrierte optische Polymerlichtwellenleiter enthalten, zur optischen Analyse von Proben.

Abb. 1 zeigt eine mikrostrukturierte Analyseeinheit mit integrierten optischen Lichtwellenleitern.

Abb. 2 zeigt den Strahlengang einer Absorptionsmessung mit einer Analyseeinheit entsprechend Abb. 1.

Abb. 3 zeigt eine alternative mikrostrukturierte Analyseeinheit mit integrierten optischen Lichtwellenleitern.

Die Abb. 4 bis 7 verdeutlichen Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Analyseeinheiten mit integrierten Lichtwellenleitern.

In allen Abbildungen werden die Bestandteile der Analyseeinheiten mit folgenden Ziffern gekennzeichnet:
Die Analyseeinheit besteht aus einem Substrat (2) und einem Deckel (4). Das Substrat (2) besitzt eine Kanalstruktur (3). Die optischen Wellenleiter werden mit 1 bezeichnet. Sofern auf ein Bauteil Elektroden aufgebracht sind, so sind diese mit 7 bezeichnet. Bohrungen für z. B. Fluidikanschlüsse sind mit 5 gekennzeichnet. In den Abb. 1, 3, 4, 5, 6 und 7 ist in Abbildungsteil A das Substrat, in Abbildungsteil B der Deckel und in Abbildungsteil C die aus den beiden Bauteilen, Substrat und Deckel, zusammengefügte Analyseeinheit dargestellt. Zusätzlich findet sich auf den Abb. 1, 3, 4, 5 und 6 jeweils die Darstellung einer Seitenansicht entlang der in Abbildungsteil A oder C angedeuteten Achse F.

Die Erläuterung der anderen Kennziffern findet sich bei der Erläuterung der jeweiligen Abbildung.

Die erfindungsgemäße Kombination von integriert optischen Wellenleitern mit einer mikrostrukturierten fluidischen Analyseeinheit ist in den Abb. 1 und 2 schematisch gezeigt. Planare mikrostrukturierte Analyseeinheiten im Sinne der Erfindung bestehen in der Regel aus mindestens zwei Bauteilen, z. B. einem Substrat und einem Deckel. Alle Bauteile können Mikrostrukturierungen, Elektroden oder sonstige zusätzliche Funktionalitäten aufweisen. Das Analysensystem enthält jedoch zumindest ein Kanalsystem, das durch die Mikrostrukturierung mindestens eines Bauteils entsteht. Zusätzlich können die Bauteile weiter Mikrostrukturierungen, wie z. B. Aussparungen zur Integration oder zum Anschluß von Funktionalitäten, wie Ventilen, Pumpen, Reaktionsgefäßen, Detektoren etc., in die Bauteile eingearbeitete Reservoirs, Reaktionskammern, Mischkammern, Detektoren usw. enthalten. Die erfindungsgemäßen Analysensysteme können mit allen Funktionalitäten versehen sein, die zur Durchführung einer Analyse notwendig sind. Genauso kann es sich um Analysensysteme handeln, die lediglich die Kanalstruktur, den erfindungsgemäß integrierten optischen Lichtwellenleiter und Anschlüsse für weitere Funktionalitäten besitzen. In diesem Fall müssen die Analysensysteme vor Gebrauch mit allen notwendigen Funktionalitäten versehen werden. Die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Analysensysteme dienen zur Analyse von mikrofluiden Systemen, d. h. flüssigen Systemen und/oder Plasmaprozessen, wie z. B. im Falle eines miniaturisierten Mikrowellen- oder Gleichstromplasmas.

Bevorzugt enthält, wie in Abb. 1 dargestellt, lediglich ein Bauteil, das Substrat 2, die mikrostrukturierten Vertiefungen für die späteren Kanäle (Abbildungsteil A). Mit dem zweiten Bauteil, dem Deckel 4 (Abbildungsteil B), werden die offenen Strukturen im Substrat flüssigkeits- bzw. gasdicht verschlossen. Zumeist sind, falls vorhanden, die Elektroden auf den Deckel aufgebracht. Das Befüllen der mikrostrukturierten Kanäle erfolgt durch Bohrungen bzw. Aussparungen 5, welche in der Regel mit in das Substrat eingebracht werden.

Die Bauteile der Analyseeinheiten bestehen bevorzugt aus kommerziell erhältlichen thermoplastischen Kunststoffen, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), Polystyrol oder PMP (Polymethylpenten), cycloolefinischen Copolymeren oder duroplastischen Kunststoffen, wie beispielsweise Epoxidharzen. Bevorzugterweise bestehen alle Bauteile, d. h. Substrate und Deckel, eines Systems aus demselben Material.

Der optische Wellenleiter 1 kann entweder in das Substrat (Abb. 1, 5, 6 und 7) oder in den Deckel (Abb. 3 und 4) implementiert sein. Die Wellenleitergeometrie ist in weiten Bereichen variabel und kann den Querschnitten der Kanalstruktur und den Koppelbedingungen (Lichtquelle, Detektor) angepaßt werden. Die optischen Eigenschaften des Wellenleiters, wie z. B. Dämpfung und numerische Apertur, werden durch die Materialien von Substrat bzw. Deckel und Wellenleiter bestimmt.

Während sich die in Abb. 1 gezeigte Anordnung des Wellenleiters für Fluoreszenz- und Absorptionsmessungen besonders gut eignet, ist die in Abb. 3 gezeigte Anordnung z. B. insbesondere für Fluoreszenzmessungen geeignet.

Abb. 2 zeigt den Strahlengang für eine Absorptionsmessung mit einer Analyseeinheit entsprechend Abb. 1. Ausgehend von der Lichtquelle 10 wird optische Leistung in den Wellenleiter eingekoppelt. Je nach Entfernung zwischen Wellenleiterstirnfläche und Lichtquelle und in Abhängigkeit der Divergenz der Lichtquelle muß eventuell eine Linse für das Einkoppeln ergänzt werden. Insbesondere bei LED's bzw. SLED's ist aufgrund deren hoher Divergenz eine Linse in der Regel zu verwenden. Die aus dem Wellenleiter austretende optische Leistung wird nach Durchtritt durch das im Kanal 3 befindliche Fluid mit Hilfe des Detektors 11, typischerweise einem Photomultiplier, detektiert.

Der verwendbare Wellenlängenbereich ist durch die Absorptions charakteristika der Wellenleiter- und der Substratmaterialien bestimmt.

Für Fluoreszenzmessungen muß der Wellenleiter nicht zu beiden Seiten des Kanals positioniert sein. Auch kann in die Wellenleiter mit Hilfe der Abformtechnik eine Spiegelfläche oder Linsenoberfläche eingeprägt werden, die eine 90°-Lichtumlenkung bzw. eine Fokussierung ermöglicht. Dadurch läßt sich das Ein- und Auskoppeln der optischen Leistung in den bzw. aus dem Fluidikkanal für verschiedene Anwendungen optimieren.

Die Anregung der Fluoreszenz in dem Kanal 3 kann erfolgen, indem durch den Wellenleiter zur Anregung benötigte optische Leistung eingekoppelt wird. Geeigneter ist jedoch eine Einkopplung in einem 90°-Winkel zum Verlauf der eingebetteten optischen Wellenleiter, da dann deutlich weniger Streulichteffekte des Anregungslichtes durch optische Filter für die Detektion ausgeblendet werden müssen.

Lichtwellenleitende Komponenten auf Polymerbasis sind hinlänglich bekannt. Diese umfassen neben einmodigen und mehrmodigen integriert optischen Bauteilen, wie optischen Verzweigern, thermooptischen Schaltern, Wellenlängenmultiplexern vor allem sogenannte POFs (Polymer Optische Fasern). Die Herstellung integriert optischer Bauteile ist in mehrere Technologiefelder zu unterteilen:
das Photobleaching (M.B.J. Diemer, F.M.M. Suyten, E.S. Trommel, A. McDonach, J.M. Copeland, L.W. Jenneskens, W.H.G. Horsthuis, "Photoinduced channel waveguide formation in nonlinear optical polymers," Electron. Lett. 26, 379-380, 1990./von der Vorst et al. in "Polymers for lightwave and integrated optics", (Ed.L.A. Hornak), Marcel Dekker Inc., New York, 365-395, 1992.),
das Photolocking (E.A. Chandross, C.A. Pryde, W.J. Tomlinson, H.P. Weber, "Photolocking - A new technique for fabricating optical waveguide circuits", Appl. Phys. Lett. 24, 72-74, 1974./B.L Booth, "Low loss channel waveguides in polymers," J. Lightwave Techn. 7, 1445-1453, 1989.),
die selektive Photopolymerisation (R.R. Krchnavek, G.R. Lalk, D.H. Hartmann, "Laser direct writing of channel waveguides using spin-on polymers," J. Appl. Phys. 66 (11), 5156-5160, 1989,
das reaktive Ionenätzen (R. Yoshimura, M. Hikita, S. Tomaru, S. Imamuar, "Low-loss polymeric optical waveguides fabricated with deuterated polyfluoromethacrylate," J. Lightw. Techn. 16 (6), 1030-1037, 1998.),
die Replikationstechnologien (A. Neyer, T. Knoche, L. Müller, "Fabrication of low-loss polymer waveguides using injection moulding technology," Electron. Lett. 29, 399-401, 1993.)
sowie andere Techniken (Y.Y. Maruo, S. Sasaki, T. Tamamura, "Embedded channel polyimide waveguide fabrication by direct electron beam writing method," J. Lightwave Technol. 13, 1718-1723, 1995./R. Moosburger, K. Petermann, "4 × 4 digital optical matrix switch using poly meric oversized rib waveguides," IEEE Photonics Technology Lett. 10, 684- 686, 1998.).

Die Replikationstechnologien umfassen die Kombination der Abformtechnologie (z. B. Spritzguß, Heißprägen, Reaktionsguß) zur Herstellung von kostengünstigen Lichtwellenleiterstrukturen mit Klebetechniken. Die Formulierung der Wellenleiter erfolgt demnach durch Auffüllen von Gräben in Polymeren mit Klebstoffen, welche sowohl thermisch (z. B. mittels Reaktionsguß) als auch photochemisch (UV- Strahlung) polymerisiert werden können. Die dabei gebildeten Polymere haben einen höheren Brechungsindex als das Substrat- bzw. Deckelmaterial und bilden somit die Lichtwellenleiter.

Der Zweikomponentenspritzguß zur Herstellung optischer Wellenleiterkomponenten stellt ein weiteres Verfahren dar und eignet sich bislang nur zur Herstellung mehrmodiger Wellenleiter. Der Prozeß ist bei Groh (EP 0451549 A2) und Fischer (D. Fischer, "Mehrmodige integriert optische Wellenleiterschaltungen aus Polymeren", Fortschritt-Berichte, VDI Verlag, Reihe 10, Nr. 477) beschrieben. Mit dieser Technologie können die Wellenleiter sowohl in den Deckel als auch in das Substrat eingebracht werden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Analyseeinheiten mit integriert optischen Polymerlichtwellenleitern werden zunächst entsprechend konzipierte Bauteile bereitgestellt, von denen zumindest ein Bauteil mikrostrukturiert ist. Je nach dem Verfahren, das zum Einbringen der Wellenleiter verwendet wird, werden die Bauteile gegebenenfalls zusätzlich durch Mikrostrukturierung oder andere Vorbehandlung für die Integration der optischen Strukturen vorbereitet. Dann erfolgt die Integration der optischen Polymerlichtwellenleiter. In der Regel wird der Polymerlicht wellenleiter nur in eines der Bauteile integriert. Abschließend werden die Bauteile mit geeigneten Methoden, vorzugsweise einem Klebeprozeß, zusammengefügt.

Die Integration der optischen Struktur auf Polymerbasis in die Bauteile der mikrostrukturierten Analyseeinheit auf Polymerbasis kann durch verschiedene Techniken erfolgen:

1. Herstellung entsprechend Abb. 5 und 6

Diese Abbildungen zeigen zusätzlich die Kombination mit Dünnschicht elektroden 7 für Detektionszwecke oder als Leistungselektrode für den Fluidiktransport (elektrokinetischer Fluß). In einem Spritzguß-, Heißpräge- oder Reaktionsgußverfahren werden sowohl die fluidischen als auch die optischen Strukturen (Kanäle in z. B. PMMA) in einem Abformschritt in einen polymeren Träger, im folgenden Substrat genannt, eingebracht. Die Herstellung der optischen Strukturen erfolgt nun dadurch, daß die für die optische Wellenleiterführung vorgesehenen Gräben mit einem optisch höherbrechenden Material gefüllt werden. Beim Verfüllen der Wellenleiterstruktur muß die Fluidikstruktur vor dem typischerweise niedrigviskosen Kleber durch ein strukturiertes Nickel-Blech 6 geschützt werden. Das Nickel-Blech wird entsprechend der Vorformherstellung zum Prägen der Fluidik/Optik-Struktur hergestellt. Zu beachten hierbei ist, daß das Schrumpfen der PMMA-Fluidik/Optik-Struktur durch den Abformprozeß berücksichtigt wird. Dem Fachmann ist diese Vorgehensweise bekannt. Damit das zum Schutz der Fluidikstruktur verwendete Nickelblech nicht an dem optischen Kleber haftet, wird dem Kleber ca. 0,1 Gewichts% Palmitinsäure als Trennmittel zugesetzt. Einzufüllen ist der Klebstoff entweder durch Einfüll- und Entlüftunslöcher im Nickelblech, doch haben sich auch Öffnungen im Substrat als geeignet erwiesen. Ausgehärtet wird der Kleber typischerweise entweder photochemisch oder thermisch. Überstehender Klebstoff an den Einfüllöffnungen (Öffnungen im Nickelblech) muß nach der Aushärtung durch kurzes Polieren entfernt werden. Befinden sich die Einfüllöffnungen im Substrat ist eine Nachbearbeitung nicht notwendig, doch sind die Wellenleiterverluste dann geringfügig erhöht, da die Wellenleiterwände Aussparungen vom Durchmesser der Öffnungen aufweisen.

In Abb. 5 hat der Wellenleiter direkten Kontakt mit dem fluidischen Medium und ist von außerhalb des Chips leichter mit optischer Quelle und Detektor zu verbinden. Nachteilig ist, daß jenes zum Schutz der Fluidikstruktur verwendete strukturierte Nickelblech eine äußere Kante aufweisen muß, um das Hinausfließen des Klebstoffs aus dem Wellenleitergraben zu verhindern (Schnitt A in Abb. 5). Der in Abb. 6 dargestellte Wellenleitergraben endet ca. 20 bis 50 µm vor dem Fluidikkanal und ebenfalls ca. 20 bis 50 µm vor der Außenkante des Chips. Das Auffüllen eines solchen Wellenleitergrabens ist weitestgehend unproblematisch. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß zusätzliche Wellenleiter-Substrat-Grenzflächen die optischen Eigenschaften durch zusätzliche Fresnel-Verluste negativ beeinflussen.

Alternativ wird in einem Abformprozeß in den Deckel ein Graben eingeprägt, welcher mit einem höherbrechenden Polymer aufgefüllt wird. Die fluidischen Strukturen werden in einem getrennten Prozeßschritt in ein Substrat abgeformt. Das Auffüllen des in den Deckel geprägten Grabens ist wesentlich einfacher als das Auffüllen der in das Substrat geprägten Wellenleitergruben, da keine Fluidikstruktur vor dem optischen Kleber geschützt werden muß. Diese Ausführungsvariante ist daher bevorzugt.

Die Herstellung des Formeinsatzes für die Abformtechnik erfolgt je nach Kanalquerschnitt und Wellenleiterquerschnitt mit lithographischen und/oder mikromechanischen Fertigungstechniken sowie dem Ätzen von z. B. Silizium. Auch die Verwendung anderer Mikrostrukturierungstechniken ist möglich. Wesentliche Anforderung an die Strukturen, insbesondere die optischen Strukturen, ist die nach einer geringen Rauheit der Oberfläche.

Bei Verwendung von lithografischen Methoden (z. B. Mehrfachbelichtung in AR 3220, Allresist Berlin) werden nach Umkopieren der Struktur in Nickel (Nickelsulfamat-Elektrolyt) und dem Abformen in PMMA (Heißprägetechnik in PMMA XT, Röhm) Wellenleiter-Seitenwandrauheiten von R_a = 50 nm und Wellenleiter-Bodenrauheiten von R_a = 20 nm erreicht. Feinmechanisch (Diamant-Fräser in Messing Ms 58 mit Hochgeschwindigkeitsspindel) bearbeitete Strukturen weisen Rauheiten von minimal R_a = 50 nm und typisch ca. R_a = 130 nm auf.

Als Wellenleitermaterial wird z. B. ein Kleber der Fa. Norland (Brunswick, USA) verwendet (NOA 61). Dieser hat einen Brechungsindex von 1,559 (589 nm, 20°C). Die numerische Apertur (NA) des Wellenleiters beträgt bei Verwendung von PMMA (n 20|D = 1,491) als Deckel- bzw. Substratmaterial 0,46, was einem Öffnungswinkel von ca. 54° entspricht. Dieser Kleber, welcher im sichtbaren Wellenlängenbereich eine Dämpfung von < 0,2 dB/cm aufweist, wird photochemisch mit einer UV-Quelle (Quecksilberdampflampe HQL 125 W, Fa. Osram) ausgehärtet. Das verwendete Substratmaterial bzw. Deckelmaterial muß hierzu bei Wellenlängen < 350 nm transparent sein. Die optischen Verluste der hergestellten Wellenleiter betragen typischerweise zwischen 0,2 und 0,6 dB/cm bei einer Wellenlänge von 633 nm.

Abschließend werden die Bauteile der Analyseeinheit, typischerweise Substrat und Deckel, aufeinandergefügt. Eine mögliche Technik ist das in DE 198 46 958 offenbarte Verfahren. Dieses ist jedoch nur dann einsetzbar, wenn sowohl das Material von Deckel und Substrat als auch das Wellenleitermaterial nach diesem Verfahren zu verbinden sind. In EP 0 738 306 wird ein Verbindungsverfahren beschrieben, bei dem ein gelöster Thermoplast auf das strukturierte Polymersubstrat aufgeschleudert wird. Dieser Thermoplast hat eine niedrigere Schmelztemperatur als die zu verklebenden Teile. Das thermische Verbinden von Deckel und Substrat erfolgt bei 140°C. Sollen Wellenleiter in nach diesem Verfahren hergestellten Analyseeinheiten eingebracht werden, so muß der Brechungsindex dieses "Verbindungs"-Thermoplasten kleiner als der Brechungsindex des Wellenleiters sein. Auch die Temperaturstabilität des Wellenleitermaterials muß größer als die des "Verbindungs"-Thermoplasten sein. Dies stellt hinsichtlich der aufeinander abzustimmenden Materialeigenschaften einen erheblichen Nachteil dieser Technologie dar.

In WO 97/38300 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein mit PDMS (Polydimethylsiloxan) beschichteter Deckel mit einer Kanalstruktur auf Polyacrylatbasis verklebt wird. Aufgrund des niedrigen Brechungsindex von PDMS (n 20|D = 1,41) ist dieses Verfahren prinzipiell geeignet, Strukturen, die Wellenleiter auf Basis von Materialien mit höheren Brechungsindizes beinhalten, ohne Beeinträchtigung der Wellenleitereigenschaften zu verschließen. Alle funktionalen Bestandteile, d. h. Wellenleiter, offene Mikrostrukturen und Elektroden, müssen dann in z. B. dem Substrat vereinigt sein, da z. B. Elektroden sonst durch das Aufschleudern von PDMS elektrisch isoliert würden.

Bevorzugt erfolgt das Aufeinanderfügen der Bauteile durch ein Bondingverfahren, das in DE 199 27 533 beschrieben wird. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da alle Seiten des Kanalsystems aus demselben Material bestehen können und kein störender Klebstoff in den Kanal, auf die Elektroden oder die Stirnflächen der optischen Wellenleiter gelangt. Dadurch können besonders empfindliche und gut reproduzierbare Trennungen und Analysen durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren wird bevorzugt zunächst auf das mikrostrukturierte Bauteil an den Stellen, an denen keine Strukturierung vorliegt, ein Klebstoff aufgebracht. Die Schichtdicke beträgt zwischen 0,5 und 10 µm, bevorzugt zwischen 3 und 8 µm. Typischerweise erfolgt die Auftragung mittels einem aus der Drucktechnik bekannten flächigen Walzenauftrag. Der verwendete Klebstoff darf die Oberfläche der Bauteile nicht oder nur sehr schwach anlösen, damit die Elektroden beim Verklebungsprozeß nicht vom Klebstoff abgelöst oder unterbrochen werden. Bevorzugterweise wird daher als Klebstoff das Produkt NOA 72, Thiolacrylat der Firma Norland, New Brunswick NJ, USA verwendet. Dieser Kleber wird photochemisch ausgehärtet. Es können jedoch für das Verfahren auch andere Arten von Klebern, wie z. B. thermisch härtende Kleber, verwendet werden, die die oben genannten Voraussetzungen erfüllen.

Nach dem Aufbringen des Klebstoffs wird das zweite Bauteil mit den Dünnschichtelektroden beispielsweise auf einer Belichtungsmaschine zu dem Substrat geeignet positioniert und beide Bauteile mit geeignetem Druck in Kontakt gebracht. Bevorzugt ist die Verwendung von starken Glasplatten als Preßfläche, so daß direkt die photochemische Härtung des Klebers durch Bestrahlung mit einer Hg-Lampe (Emissionswellenlänge 366 nm) durchgeführt werden kann.

Die Positionierung des Deckels auf dem Substrat kann für den Klebe vorgang typischerweise visuell unter manueller Kontrolle, passiv mechanisch mit Hilfe einer Einrastvorrichtung, optisch mechanisch unter Zuhilfenahme von optischen Justagemarken oder elektrisch mechanisch mit Hilfe von elektrischen Marken (Kontakten) erfolgen.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das mit den Elektroden versehene Bauteil auf den Bereichen, die beim Zusammen setzen der beiden Bauteile nicht über einem Kanal liegen oder elektrisch kontaktiert werden müssen mit dem Kleber benetzt. Hierfür wird beispiels weise ein in der Drucktechnik bekanntes Verfahren (Tampon-Druck) verwendet. Das Bauteil mit den Kanalstrukturen wird anschließend geeignet zu seinem Gegenstück positioniert und aufgepreßt. Die Aushärtung erfolgt wie oben beschrieben.

Wird der Aushärteprozeß des Klebers außerhalb der zur Positionierung von Deckel und Substrat verwendeten Justagevorrichtung durchgeführt, können der metallisierte Deckel und das Substrat, nachdem sie zueinander justiert wurden, mittels Laserschweißen zunächst geheftet werden. Hiernach wird der Verbund aus der Justagevorrichtung genommen und in einer separaten Belichtungsapparatur oder einem Ofen wird der verwendete Klebstoff ausgehärtet. Diese Vorgehensweise bedeutet eine Prozeßbeschleunigung und Vereinfachung, da das Aushärten nicht mehr in der Justagevorrichtung erfolgen muß.

Da die bevorzugterweise verwendeten thermoplastischen Materialien für Laserlicht im sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich weitestgehend transparent sind, erfordert das Laserschweißen in diesem Wellenlängenbereich eine Absorberschicht zum Absorbieren der optischen Leistung an der Grenzfläche zwischen Deckel und Substrat. Diese Absorberschicht wird gleichzeitig mit dem Aufbringen der Leistungs- bzw. Detektorelektroden aufgebracht. Beispielsweise kann der Elektrodendeckel beim Besputtern der Elektroden mit Edelmetall zusätzlich an weiteren Stellen mit einer Edelmetallschicht als Absorberschicht besputtert werden.

Das Verschweißen eines mit 200 nm dicken Platin-Elektroden versehenen Elektrodendeckels, der somit auch zusätzliche Platin-Flächen zum Absorbieren der Laserleistung beinhaltet, mit einem Substrat (beide aus PMMA) erfolgt mit Diodenlaserstrahlung (Wellenlängengemisch aus 808, 940 und 980 nm) mit einer Leistung von 40 Watt bei einem Fokusdurchmesser von 1,6 mm. Die Platin-Schicht wird beim Verschweißen zerstört.

2. Herstellung mittels Mehrkomponentenspritzguß

Die Heranführung der optischen Struktur an die fluidische Struktur durch Anwendung des Mehrkomponentenspritzgusses ist eine potentiell sehr kostengünstige Herstellungsvariante.

Der Mehrkomponentenspritzguß ermöglicht es, sowohl die mikrofluidischen Strukturen als auch die optischen Wellenleiter zur Ankopplung an eine optische Einheit außerhalb der Analyseeinheit in einem Prozeßschritt herzustellen. Hierzu wird zunächst die Fluidikstruktur aus einem Standard- Spritzgußmaterial (z. B. PMMA VQ 101 S. n 20|D = 1,491) gespritzt. Die optische Wellenleiterstruktur, welche aus einem im Vergleich mit dem Basismaterial optisch höherbrechenden Kunststoff (z. B. SAN, n 20|D = 1,568, LURAN 358N, BASF) besteht, wird innerhalb des gleichen Prozesses auf dieses aufgespritzt.

In dieser Technologie wesentlich einfacher herstellbar ist die in den Deckel implementierte Wellenleiterstruktur. Hierbei wird in einem ersten Zyklus zunächst ein planarer Deckel abgeformt. Der mit dem höherbrechenden Polymer zu füllende Kanal (Abb. 3) wird nach dem Ziehen eines Kernzugs mit den Abmessungen des Wellenleiters ausgefüllt. Der Anguß wird durch Sägen und, sofern notwendig, kurzes Polieren entfernt.

In einer zweiten Ausführungsvariante (Abb. 4) wird auf einen planaren Deckel eine nicht durchgehende Wellenleiterstruktur aufgespritzt. Diese ist komplementär mit einer in das Substrat eingeprägten Wellenleiterstruktur.

Nach dem Zusammenfügen der Bauteile, welche ebenfalls Dünnschichtelektroden beinhalten können, mit den oben genannten Verfahren wird so die in Abb. 1 bzw. 4 gezeigte Anordnung von Wellenleiter zu Fluidikstruktur realisiert.

3. Kombination von Prägetechnik und Laminiertechnik

Eine andere Herstellungstechnologie zur Herstellung von Wellenleitern, welche auf einer planaren Kunststofffläche stehen (Deckel entsprechend Abb. 4), besteht in der Kombination von Prägetechnik und Laminiertechnik.

In einem ersten Prozeßschritt wird hierzu ein höherbrechendes Polymer in eine Grube in einem metallischen Formeinsatz (z. B. aus Nickel) gepreßt, die der Wellenleiterstruktur entspricht. In einem zweiten Prozeßschritt wird eine optisch niedriger brechende Polymerfolie auf das in den Gruben befindliche Wellenleiterpolymer laminiert. Zieht man diese Kombination aus der Grube hinaus, resultiert ein in Abb. 4 gezeigter Deckel mit Wellenleitern, welcher zusätzlich mit Dünnschichtelektroden versehen sein kann. Der Vorteil dieser Technologie gegenüber der Spritzgußtechnologie besteht darin, daß eine nachträgliche Bearbeitung der Wellenleiterstirnflächen (Abtrennen des Angusses unter Erhalt einer glatten Wellenleiterstirnfläche) nicht notwendig ist.

Eine weitere Herstellungstechnologie besteht darin, die Gräben mit der Wellenleiterstruktur mit einem optisch hochbrechenden Klebstoff zu füllen, welcher entweder thermisch oder photochemisch polymerisiert wird. Nach abgeschlossener Aushärtung wird auf dieses in den Gräben befindliche Polymer ebenfalls eine Polymerfolie auflaminiert, welche einen geringeren Brechungsindex als das in den Gräben befindliche Polymer hat. Zieht man diese Kombination aus der Grube hinaus, resultiert ebenfalls der in Abb. 4 gezeigte Deckel mit Wellenleitern.

Abschließend wird nach allen Verfahren der Deckelherstellung dieser mit dem Substrat entsprechend der oben beschriebenen Verfahren flüssigkeitsdicht verbunden.

4. Generierung der Wellenleiter durch Bestrahlung

Die Generierung der Wellenleiter erfolgt durch Bestrahlung definierter Bereiche entweder im Substrat (Abb. 7) oder im Deckel. Hierzu werden durch eine metallische Lochmaske 8, welche Aussparungen 9 mit den Dimensionen herzustellender Lichtwellenleiter beinhaltet, das Substrat oder der Deckel mit starker UV-Strahlung belichtet (Abbildungsteil A'). Die theoretischen und experimentellen Grundlagen dieser Technologie z. B. in W.F.X. Frank, B. Knödler, A. Schösser, T.K. Strempel, T. Tschudi, F. Linke, D. Muschert, A. Stelmaszyk, H. Strack, "Waveguides in polymers," SPIE 2290, 125-132, 1994 oder A. Schösser, B. Knödler, T. Tschudi, W.F.X. Frank, A. Stelmaszyk, D. Muschert, D. Rück, S. Brunner, F. Pozzi, S. Morasca, C. de Bernardi, "Optical components in polymers", SPIE 2540, 110-117, 1995, zusammengefaßt worden.

Der Vorteil dieser Technologie ist ihre einfache Durchführbarkeit, doch ist die Wellenleiterqualität deutlich schlechter als bei den bereits genannten Verfahren. Die Tiefe der Wellenleiter kann über die Bestrahlungszeit mit einer Quecksilber-Niederdrucklampe (TMN 15, Heraeus Noblelight) bestimmt werden, beträgt aber typischerweise nur wenige Mikrometer. Die Breite der Wellenleiter wird durch die Schlitzbreite in den Masken bestimmt. Aufgrund des nur geringen erzeugten Brechzahlhubs von < 0,01 ist die numerische Apertur der erzeugten Wellenleiter nur gering. Auch die Wellenleiterdämpfung ist mit ca. 1,5 dB/cm bei 633 nm sehr hoch.

5.)

Das Einlegen von präzisen z. B. Polycarbonat-Folienabschnitten in dafür vorgesehene Gruben, welche vorzugsweise in das PMMA-Substrat bzw. den PMMA-Deckel geprägt werden, führt zur Bildung von optischen Wellenleitern. Bei Verwendung von PC-Folien mit einem n 20|D = 1,590 (Europlex PC, Fa. Otto Wolff, Bochum) und PMMA als Substrat- bzw. Deckelmaterial ergibt sich eine NA von 0,55. Das Schneiden mit einer Wafersäge bzw. Prägen von Polycarbonat resultiert in Folien mit hinreichend geringen Rauheiten von R_a ≈ 120 nm). Durch das Einbetten der Folienabschnitte in PMMA mit einem optisch hochbrechenden Klebstoff, wie dem NOA 72 (Norland, n 20|D = 1,56), werden die Rauheiten aus optischer Sichtweise weiter gemindert. Das präzise Einlegen der Folie in den Graben wird durch die Grabenstruktur selbst und einen seitlichen Anschlag mit einer Genauigkeit von < 8 µm gewährleistet. Die optischen Einfügeverluste derart hergestellter Wellenleiter betragen ca. 0,5 dB/cm bei einer Wellenlänge von 633 nm.

Durch die Kombination dieser Wellenleiter-Herstellungstechnologien mit der Herstellungstechnologie für mikrofluidische Analyseeinheiten lassen sich alle gängigen optischen Detektionstechniken, die auf Absorption, Streuung, Brechung, als auch auf optischer Emission, wie z. B. Lumineszenz- oder Fluoreszenz, beruhen, auf diesen Analyseeinheiten realisieren. Die in der Regel kostenintensive Optik ist somit von der planaren Analyseeinheit, die z. B. als Einmalartikel (Plastikchip) konzipiert ist, getrennt. Das Heranführen und Wegführen optischer Leistung von definierten Bereichen der Fluidikstruktur kann auf kostengünstige Weise realisiert werden.

Die typischerweise planaren mikrofluidischen Komponenten werden bevorzugt im Bereich der chemischen und biochemischen Analytik verwendet. Auch für die Detektion von optischer Emission bzw. Absorption in miniaturisierten Analytikkomponenten auf Polymerbasis, die z. B. auf Plasmaprozessen beruhen, eignet sich die Integration von optischen Wellenleitern.

Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fach mann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offen barung aufzufassen.

Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.

Claims

1. Planare mikrostrukturierte miniaturisierte Analyseeinheit auf Polymerbasis, die integrierte optische Polymerlichtwellenleiter enthält.

2. Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten miniaturisierten Analyseeinheiten auf Polymerbasis, die integrierte optische Polymerlichtwellenleiter enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß

a) geeignete Bauteile auf Polymerbasis bereitgestellt werden;
b) optische Polymerlichtwellenleiter in mindestens ein Bauteil integriert werden;
c) die Bauteile zu einer Analyseeinheit zusammengefügt werden.

3. Verwendung der mikrostrukturierten Analyseeinheiten auf Polymerbasis entsprechend Anspruch 1 zur optischen Analyse von Proben.