DE10107439A1 - Probenanalysesystem mit einem antisynchron angesteuerten berührungslosen Leitfähigkeitsdetektor - Google Patents

Abstract

Eine Elektrophoresesystem liefert zweckmäßige Serie-Von-Peaks-Ausgaben sowohl in dem CZE-Modus als auch in dem ITP-Modus. Das Elektrophoresesystem umfaßt eine planare Probenkomponententrennungseinrichtung und einen berührungslosen Probenkomponentenleitfähigkeitsdetektor. Die Trennungseinrichtung umfaßt einen Trennungskanal, der in einer Polyimid-Anordnung gebildet ist. Der Detektor umfaßt drei Treiberelektroden, eine Wechselleistungsversorgung, einen Erfassungszustandsschalter, eine Erfassungselektrode und eine Signalverarbeitungseinrichtung. Alle drei Treiberelektroden sind mit der Erfassungselektrode elektrisch gekoppelt, wobei jedoch lediglich zwei Treiberelektroden durch den Kanal hindurch mit derselben gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der analytischen Chemie und insbesondere auf Leitfähigkeitsde­ tektoren für Elektrophorese- und andere Analyseverfahren, bei denen Probenflußkanäle verwendet werden. Ein Hauptvor­ teil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß für elek­ trophoretisch getrennte Probenkomponenten eine verbesserte berührungslose Leitfähigkeitserfassung vorgesehen werden kann.

Ein Großteil der heutigen Errungenschaften auf dem Gebiet der Medizin, der Umwelttechnik, der Forensik (Gerichtsme­ dizin) und bei anderen Wissenschaften kann den Fortschritten auf dem Gebiet der analytischen Chemie zugeschrieben werden. Eine wichtige Klasse von analytischen Geräten trennt Proben­ komponenten, indem diese mit unterschiedlichen Raten entlang einem Trennungskanal bewegt werden. Ein Hauptinteresse liegt hierbei bei der Elektrophorese, bei der ein elektrisches Feld Probenkomponenten entlang einem Trennungskanal bewegt. Die Komponenten werden entsprechend ihren elektrophoreti­ schen Beweglichkeiten (die ungefähr den Ladungs-Zu-Masse- Verhältnissen entsprechen) getrennt.

Es gibt zwei vorherrschende Elektrophoresetypen. Bei der Ka­ pillarzonenelektrophorese (CZE; CZE = capillary zone elec­ trophoresis) wird eine Probe in einem ansonsten einheitli­ chen Puffer aufgelöst. Entlang dem Trennungskanal wird ein Konstantspannungspotential angelegt, so daß sich Ionen mit Raten, die ihren elektrophoretischen Beweglichkeiten ent­ sprechen, bewegen. Da unterschiedliche Ionenarten unter­ schiedliche Ladungs-Zu-Masse-Verhältnisse aufweisen, trennen sich dieselben, wenn diese den Kanal entlang wandern.

Bei der Isotachophorese (ITP) ist der Trennungskanal anfäng­ lich mit einem "führenden" Puffer gefüllt, wobei die Probe an einem Ende des Kanals eingebracht wird. Ein elektrischer Potentialgradient entlang dem Kanal bewirkt, daß die Proben­ ionen entsprechend ihren elektrophoretischen Beweglichkeiten wandern. Wenn sich die Probe entlang dem Kanal bewegt, folgt derselben ein nachlaufender Puffer, der eine niedrigere elektrophoretische Beweglichkeit als der führende Puffer aufweist. Probenkomponenten mit dazwischenliegenden elek­ trophoretischen Beweglichkeiten bleiben zwischen den Puf­ fern, wobei sich diese zu benachbarten Bändern ausbilden.

Sobald die Probenkomponenten getrennt sind, ist es üblicher­ weise erwünscht, die Komponenten zu identifizieren und mög­ licherweise zu quantifizieren. Dies erfordert typischerweise eine Erfassung der Komponenten. Es sind Detektoren bzw. Er­ fassungseinrichtungen verfügbar, die die Komponenten erfas­ sen, indem bestimmte Parameter, wie z. B. die Leitfähigkeit, die Fluoreszenz oder die Absorption von ultravioletter (UV) elektromagnetischer Energie, überwacht werden, wenn die Pro­ benkomponenten an denselben vorbei laufen.

Eine Leitfähigkeitserfassung ist für eine Elektrophorese sehr attraktiv, da diese mit dem gleichen Parameter arbei­ tet, der verwendet wird, um die Komponenten zu trennen. Das heißt mit anderen Worten, Probenkomponenten, die nicht durch eine Überwachung der Leitfähigkeit erfaßt werden können, sind diejenigen Komponenten, die wahrscheinlich auch nicht durch eine Elektrophorese getrennt werden können. Getrennte Komponenten weisen notwendigerweise eine meßbare Leitfähig­ keit auf, die deren elektrophoretischen Beweglichkeiten zu­ geordnet ist.

Eine Berührungsleitfähigkeitserfassung kann implementiert werden, indem Elektroden auf den inneren Kanalwänden eines elektrophoretischen Kanals angeordnet werden. Typischerweise können sich die Elektroden quer über einer Querbreite oder einem Querdurchmesser des elektrophoretischen Kanals einan­ der gegenüberliegen. An einer Treiberelektrode kann ein Wechselstrom angelegt werden, während das Potential an einer Erfassungselektrode (die als ein Zwischenknoten in einem Spannungsteiler angeordnet ist) überwacht werden kann, um eine Anzeige hinsichtlich der Probenleitfähigkeit zu lie­ fern. Da sich die Elektroden jedoch mit dem Probenfluid in Kontakt befinden, können chemische Reaktionen an den Elek­ troden sowohl die Elektroden als auch die Probe beeinflus­ sen. Eine solche Wechselwirkung kann während eines Durch­ laufs unerwünschte Meßfehler (Artefakte) hervorrufen und die Wiederholbarkeit zwischen den Durchläufen beeinträchtigen.

Bei einer berührungslosen Leitfähigkeitserfassung sind typi­ scherweise Elektroden auf den Außenwänden, die den Elektro­ phoresekanal definieren, gebildet. Die Elektroden können durch den Kanal hindurch miteinander elektrisch gekoppelt sein (d. h. ein elektrisches Signal an einer Elektrode kann von der anderen Elektrode erfaßt werden). Da die Probe die Elektroden nicht berührt, wird dem Problem einer chemischen Wechselwirkung zwischen der Probe und den Elektroden wirksam begegnet.

Wenn die Komponenten an den Elektroden vorbei laufen, bewir­ ken Änderungen der Probenleitfähigkeit Änderungen der Impe­ danz zwischen den Elektroden. Diese Impedanz kann unter Ver­ wendung einer Spannungsteileranordnung überwacht werden. Die Impedanzschwankungen sind jedoch aufgrund des konstanten Ka­ pazitätsbeitrags der Kanalwände zu der Impedanz relativ ge­ ring. Kleine Signal-Zu-Hintergrund-Verhältnisse ergeben eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Leitfähigkeitsänderun­ gen. Die Ausgangsverstärkung des Detektors kann erhöht wer­ den, um die Wirkung der Leitfähigkeitsänderungen auf das De­ tektorausgangssignal zu verstärken. Unerwünschte Meßfehler (Artefakte), wie z. B. Schwankungen der Wechselspannungstrei­ beramplitude, die aufgrund von Leistungsquellenschwankungen auftreten, werden jedoch ebenfalls verstärkt.

Im Fall der Isotachophorese treten weitere Probleme auf. Das Leitfähigkeitsprofil einer typischen Probe, die durch eine Isotachophorese getrennt wird, ist eine Stufenfunktion. Dies bedeutet, daß sich das Hintergrundsignal erhöht, wenn sich die Probenkomponentenbänder fortlaufend an dem Detektor vor­ bei bewegen. Dies reduziert das Signal-Zu-Hintergrund-Ver­ hältnis des Detektorausgangssignals weiter.

Schließlich können die Beiträge der einzelnen Probenkompo­ nenten nicht ohne weiteres aus einer Stufenfunktion ausgele­ sen werden. Eine lesbarere Funktion wird erhalten, indem die Stufenfunktion differenziert wird, um ein Profil der Leitfä­ higkeitsänderungsrate über der Zeit zu erhalten. Dies er­ zeugt eine einigermaßen lesbare Serie von Peaks bzw. Spitzen an den Grenzen zwischen den Komponentenbändern. Die mathe­ matische Differentiation führt jedoch zu einem weiteren Schritt bei dem Verfahren und bringt Rechenfehler in die endgültigen Daten ein.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, verbesserte Leitfähig­ keitsdetektoren für Probenanalysesysteme zu schaffen, die ei­ nerseits empfindlicher als die früheren berührungslosen Leitfähigkeitsdetektoren sind, aber andererseits zuverlässi­ ger als die früheren Berührungsleitfähigkeitsdetektoren sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Probenanalysesystem gemäß An­ spruch 1 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß im Fall einer Isotachophorese den Problemen, die einer Stufen­ funktion zugeordnet sind, begegnet werden kann.

Die vorliegende Erfindung schafft Probenanalysesysteme mit antisynchron angesteuerten, berührungslosen Leitfähigkeits­ detektoren. Die Erfindung ist aufgrund ihrer Eignung und An­ wendbarkeit für eine Leitfähigkeitserfassung besonders gut bei einer Elektrophorese einsetzbar. Die Erfindung ist je­ doch in ihrer allgemeinsten Hinsicht nicht von der Tren­ nungstechnologie abhängig.

Das Probenanalysesystem umfaßt eine Probenkomponententren­ nungseinrichtung und einen Probenkomponentendetektor. Die Trennungseinrichtung liefert einen Kanal, entlang dem sich Probenkomponenten an dem Detektor vorbei bewegen. Der Detek­ tor umfaßt eine Wechselspannungsquelle, zumindest zwei Trei­ berelektroden, zumindest eine Erfassungselektrode und eine Signalverarbeitungseinrichtung. Die Wechselspannungsquelle treibt zwei Treiberelektroden antisynchron (180°+/-45° aus der Phase, wobei gilt, um so näher an 180°, um so besser). Eine Erfassungselektrode ist mit beiden Treiberelektroden elektrisch gekoppelt, so daß sich die Treibersignale tenden­ ziell auslöschen. Der Auslöschungsgrad variiert entsprechend der lokalen Leitfähigkeit in dem Trennungskanal. Die Signal­ verarbeitungseinrichtung liefert eine Ausgabe bzw. einen Auslesewert, die/der den Auslöschungsgrad und folglich die Leitfähigkeit darstellt.

Damit Leitfähigkeitsänderungen erfaßt werden können, ist zu­ mindest eine Treiberelektrode durch den Trennungskanal hin­ durch mit der Erfassungselektrode gekoppelt. Bei Differen­ tialrealisierungen der Erfindung sind beide antisynchron ge­ triebenen Elektroden durch den Kanal hindurch mit der Erfas­ sungselektrode gekoppelt, während bei direkten Realisierun­ gen der Erfindung eine der antisynchron getriebenen Elektro­ den mit der Erfassungselektrode elektrisch gekoppelt ist, jedoch nicht durch den Kanal hindurch. Die direkten Reali­ sierungen liefern eine direkte Ausgabe der lokalen Leitfä­ higkeit, während die Differentialrealisierungen eine direkte Ausgabe der Änderungen der lokalen Leitfähigkeit liefern. Folglich liefern die direkten Realisierungen eine gewünschte "Serie-Von-Peaks"-Ausgabe für die CZE, während die Differen­ tialrealisierungen eine "Serie-Von-Peaks"-Ausgabe für die ITP liefern. Die direkte Realisierung liefert eine bessere räumliche Auflösung, während die Differentialrealisierung eine bessere Hintergrundsignalauslöschung liefert.

Die Erfindung liefert analytische Hybrid-Erfassungssysteme, die sowohl einen Differential- als auch einen Direkt-Detek­ tormodus implementieren. Es können beispielsweise drei Trei­ berelektroden verwendet werden, von denen zwei durch einen Trennungskanal hindurch mit der Erfassungselektrode gekop­ pelt sind, und von denen eine mit der Erfassungselektrode gekoppelt ist, jedoch nicht durch den Kanal hindurch. Es kann ein Schalter verwendet werden, um auszuwählen, ob die Wechselspannungsleistungsquelle für eine Differentialerfas­ sung oder eine direkte Erfassung angeschlossen ist. Solche Hybrid-Erfassungssysteme können eine gewünschte Serie-Von- Peaks-Ausgabe sowohl für eine CZE- als auch eine ITP-Tren­ nung liefern, indem ein jeweiliger Direkt- oder Differen­ tialerfassungsmodus ausgewählt wird.

Die nicht-hybriden Differential- und Direkt-Systeme können auch entweder bei dem CZE- oder dem ITP-Modus die gewünsch­ ten Serie-Von-Peaks-Ausgaben liefern. Bei einem Direkterfas­ sungssystem kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Differentiator aufweisen, um eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe für ITP-Trennungen zu liefern. Bei einem Differentialerfas­ sungssystem kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Integrator aufweisen, um eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe für CZE-Trennungen zu liefern.

Die Erfindung liefert eine Vielzahl von Geometrien. Bei pla­ naren Konfigurationen kann bzw. können die Erfassungselek­ trode(n) quer über einen sich längs erstreckenden Trennungs­ kanal mit Treiberelektroden gekoppelt sein. Alternativ kön­ nen die Erfassungselektroden und Treiberelektroden jeweils alle auf der gleichen Seite eines Trennungskanals gebildet sein. In diesem Fall kann die Abschirmung verwendet werden, um eine unerwünschte elektrische Umgehung des Trennungska­ nals zu verhindern. Bei einer Kapillartrennungskanalkonfigu­ ration können die Elektroden als Ringe mit kreisförmigem Querschnitt auf der Außenseite der Kapillare gebildet sein. In diesem Fall kann eine Erfassungselektrode längs zwischen den Treiberelektroden angeordnet sein.

Die vorliegende Erfindung liefert ein verbessertes Erfas­ sungssignal, indem Treibersignalkomponenten ausgelöscht wer­ den. Diese Auslöschung entfernt Meßfehler, die aufgrund von Spannungsschwankungen der Wechselspannungsquelle auftreten, und liefert eine empfindlichere Erfassung von Leitfähig­ keitsschwankungen. Die Erfindung liefert ferner erwünschte Serie-Von-Peaks-Ausgaben sowohl für eine CZE- als auch eine ITP-Trennung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines planaren Elektro­ phoresesystems mit einem hybriden, antisynchron ge­ triebenen, berührungslosen Direkt-/Differential- Leitfähigkeitsdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht eines Kapillarelektro­ phoresesystems mit einem antisynchron getriebenen, berührungslosen Differentialleitfähigkeitsdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht eines planaren Elek­ trophoresesystems mit einem antisynchron getriebe­ nen, abgeschirmten, berührungslosen Direktleitfä­ higkeitsdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die ein Leitfähig­ keitsprofil und ein Leitfähigkeitsdifferentialpro­ fil für eine ITP-Trennung durch die Systeme von Fig. 1, 2 und 3 zeigt.

Die vorliegende Erfindung liefert eine antisynchron getrie­ bene, berührungslose Leitfähigkeitserfassung, die durch ein Elektrophoresesystem AP1 von Fig. 1, ein Elektrophoresesy­ stem AP2 von Fig. 2 und ein Elektrophoresesystem AP3 von Fig. 3 veranschaulicht ist. Alle drei Systeme liefern einen CZE- und einen ITP-Betriebsmodus mit einer Serie-Von-Peaks- Ausgabe bei jedem Modus. Eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe für einen ITP-Modus ist in Fig. 4 als dσ/dt gezeigt, wobei "σ" das Symbol für die Leitfähigkeit ist.

Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt das Elektrophoresesy­ stem AP1 eine Probenkomponententrennungseinrichtung 110 und einen Probenkomponentendetektor 120. Die Trennungseinrich­ tung 110 kann in einem ITP- und einem CZE-Trennungsmodus ar­ beiten, während der Detektor 120 in einem Differential- und Direkt-Erfassungsmodus arbeiten kann. Um eine Serie-Von- Peaks-Ausgabe zu erhalten, kann der Direkt-Erfassungsmodus mit dem CZE-Trennungsmodus verwendet werden, wobei der Dif­ ferentialerfassungsmodus mit dem ITP-Trennungsmodus verwen­ det werden kann.

Die Trennungseinrichtung 110 umfaßt eine Polyimid-Anordnung 111, die ein bedecktes Substrat ist. Ein Trennungskanal 113 ist als Vertiefung in dem Substrat der Anordnung 111 gebil­ det. Eine Gleichleistungsversorgung 115 drängt die Probe und das Pufferfluid dazu, in dem Kanal 113 mit Raten, die durch die jeweiligen elektrophoretischen Beweglichkeiten bestimmt sind, in der durch den Pfeil 117 angegebenen Richtung zu fließen. Ein Fluidhandhabungssystem führt den Puffer dem Ka­ nal 113 zu und handhabt den Abfluß.

Der Detektor 120 umfaßt Treiberelektroden 121, 123 und 125, eine zweiphasige, transformatorgekoppelte Wechselleistungs­ versorgung 127, einen Erfassungsmodusschalter 129, eine Er­ fassungselektrode 130 und eine Signalverarbeitungseinrich­ tung 140. Die Signalverarbeitungseinrichtung 140 liefert die Detektorausgabe Z. Zu diesem Zweck umfaßt die Signalverar­ beitungseinrichtung 140 einen Wechselspannungsverstärker 141, einen Peak-Detektor 143 und einen Gleichspannungsver­ stärker (Niederfrequenzverstärker) 145.

Bei dem ITP-Trennungsmodus ist der Kanal 113 anfänglich mit einem führenden Puffer mit hoher elektrophoretischer Beweg­ lichkeit gefüllt. Die Probe wird in den Kanaleingang (linke Seite) injiziert. Durch die Leistungsversorgung 115 wird entlang dem Kanal ein Potential angelegt. Dies zieht den führenden Puffer längs entlang dem Kanal 113 in Richtung seines (rechten) Endes. Die Probenkomponenten folgen dem führenden Puffer, wobei das Volumen, das von den Komponenten geräumt wird, fortlaufend mit einem Puffer mit niedriger elektrophoretischer Beweglichkeit gefüllt wird.

Die Probenkomponenten mit elektrophoretischen Beweglichkei­ ten, die zwischen denjenigen der Puffer liegen, bleiben zwi­ schen den Puffern, wenn bzw. während der Inhalt des elektro­ phoretischen Kanals entlang dem Kanal wandert. Diese Kompo­ nenten trennen sich und bilden benachbarte Bänder. Die Leit­ fähigkeit ist mit der elektrophoretischen Beweglichkeit fest korreliert. Folglich wird die Leitfähigkeit der Probenkompo­ nenten zusammen mit dem führenden und nachlaufenden Puffer­ material durch die Stufenfunktion σ von Fig. 4 dargestellt.

Der Erfassungsmodusschalter 129 befindet sich vorzugsweise für den ITP-Trennungsmodus in seinem Differentialzustand. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, koppelt der Schalter 129 in seinem Differentialzustand die Wechselleistungsversorgung 127 mit den Elektroden 121 und 123, um dieselben antisyn­ chron zu treiben, während die Elektrode 125 von den Treiber­ signalen entkoppelt ist.

Die Elektroden 121 und 123 sind durch den Kanal 113 hindurch an jeweiligen Längspositionen desselben mit der Erfassungs­ elektrode 130 gekoppelt. Die Verstärkungen der elektrischen Signale, die durch die Erfassungselektrode 130 von den Trei­ berelektroden 121 und 123 empfangen werden, werden teilweise durch die Leitfähigkeiten des dazwischenliegenden Fluids be­ stimmt. Falls die Leitfähigkeiten übereinstimmen, wie es der Fall ist, wenn keine Bandgrenzen in dem Längsbereich, der durch die Treiberelektroden 121 und 123 überspannt wird, vorliegen, löschen sich die Erfassungssignale an der Erfas­ sungselektrode 130 aus. Eine vollständige Auslöschung ergibt eine Ausgabe bzw. einen Auslesewert Z von Null aus der Si­ gnalverarbeitungseinrichtung 140.

Wenn sich eine Bandgrenze unter der Treiberelektrode 121 be­ wegt, geht die mittlere Leitfähigkeit zwischen der Treiber­ elektrode 121 und der Erfassungselektrode 130 nach unten, während die Leitfähigkeit zwischen der Treiberelektrode 123 und der Erfassungselektrode 130 gleich bleibt. Folglich do­ miniert das Signal von der Treiberelektrode 123, und die Auslöschung an der Erfassungselektrode 130 ist unvollstän­ dig. Als Ergebnis empfängt die Signalverarbeitungseinrich­ tung 140 ein Wechselsignal mit ansteigender Amplitude von der Erfassungselektrode 130.

Der Wechselspannungsverstärker 140 verstärkt das Wechselsi­ gnal. Der Peak-Detektor 143 bestimmt den Peak-Pegel des ver­ stärkten Wechselsignals. Das Peak-Erfassungssignal wird von dem Gleichspannungsverstärker 145 verstärkt, der die Detek­ torausgabe Z liefert. Die Ausgabe Z erhöht sich, wenn sich eine Bandgrenze an der Treiberelektrode 121 vorbei bewegt, wobei ein Peak bzw. eine Spitze erreicht wird, wenn sich die Probenkomponentengrenze zwischen den Treiberelektroden 121 und 123 befindet. Die Ausgabe verringert sich, wenn das Band an der Treiberelektrode 123 vorbei läuft. Über eine Reihe von Bändern nimmt die Ausgabe Z die gewünschte Serie-Von- Peaks-Ausgabe, die in Fig. 4 als dσ/dt gezeigt ist, an.

Bei dem System AP1 weist der Kanal 113 eine Breite und Tiefe von 100 Mikrometer (µm) auf. Die Treiberelektroden 121, 123, 125 sind quadratisch mit einer Kantenlänge von 120 µm. Die Beabstandung zwischen der Treiberelektrode 121 und der Trei­ berelektrode 123 beträgt 120 µm, so daß der Differentialer­ fassungsmodusbereich für den Detektor 120 360 µm beträgt. Die Beabstandung zwischen der Treiberelektrode 121 und der Trei­ berelektrode 125 beträgt auch 120 µm. Da die Treiberelektrode jedoch nicht entlang dem Kanal 113 angeordnet ist (und folg­ lich nicht durch den Kanal 113 hindurch mit der Erfassungs­ elektrode 130 elektrisch gekoppelt ist), beträgt der Erfas­ sungsbereich im Direkt-Erfassungsmodus lediglich 120 µm.

Allgemeiner ausgedrückt heißt dies, daß die Elektrodenbeab­ standung in der Größenordnung der Querabmessungen des elek­ trophoretischen Kanals liegen sollte. Der Ausdruck "in der Größenordnung von" kann hierin als Hälfte (× 1/2) bis fünf­ fach (× 5) der mittleren Querabmessung des Elektrophoreseka­ nals angenommen werden. Größere Beabstandungen können das Nebensprechen reduzieren, wobei jedoch auch die Auflösung reduziert wird. Kleinere Beabstandungen können zwar eine hö­ here Auflösung ergeben, wobei dies jedoch aufgrund des Ne­ bensprechens zwischen den Treiberelektroden eine geringere Empfindlichkeit zur Folge hat. Andererseits kann eine geeig­ nete Abschirmung das Nebensprechen reduzieren. Im allgemei­ nen sollten die Treiberelektroden nicht weiter voneinander getrennt sein als die minimale Bandlänge, so daß sich zu ei­ nem gegebenen Zeitpunkt lediglich eine Bandgrenzfläche zwi­ schen den Treiberelektroden befindet.

Wenn das System AP1 ein CZE-Trennungsmodus ist, befindet sich der Modus-Schalter 129 vorzugsweise in seinem "Direkt- Zustand", wobei die Treiberelektrode 125 mit der Wechsellei­ stungsversorgung 127 gekoppelt und die Treiberelektrode 123 getrennt ist. Peak-Amplitudenschwankungen, die einer fehler­ haften Regelung der Wechselleistungsversorgung 127 zugeord­ net sind, werden ausgelöscht. Wenn sich lediglich ein Puffer in der Region des Kanals 113 in der Nähe der Treiberelektro­ de 121 befindet, ergibt sich als Ergebnis ein Wechselsignal mit fester Amplitude von der Erfassungselektrode 113. Vor­ zugsweise ist in dieser Situation die feste Amplitude Null, wobei jedoch, falls dies nicht der Fall ist, eine Ausgabe Z von Null erreicht werden kann, indem der Gleichspannungsver­ stärker 145 vorgespannt wird.

Wenn eine Probenkomponentenspitze an der Treiberelektrode 121 vorbei läuft, erhöht sich die Leitfähigkeit zwischen derselben und der Erfassungselektrode 130. Folglich ver­ stärkt sich das Signal, das durch die Erfassungselektrode 130 von der Treiberelektrode 121 empfangen wird. Anderer­ seits bleibt das Signal, das durch die Erfassungselektrode 130 von der Treiberelektrode 125 empfangen wird, unverändert (da die Letztgenannte nicht mit dem Kanal 113 gekoppelt ist). Folglich gibt es eine Netto-Änderung der Amplitude des Wechselsignals, die durch die Signalverarbeitungseinrichtung 140 von der Erfassungselektrode 130 empfangen wird, wobei dies durch eine Pegelerhöhung des Ausgabesignals Z wiederge­ geben wird. Das Ausgabe- bzw. Auslesesignal Z erreicht einen Maximalwert, wenn der Komponenten-Peak mittig an der Trei­ berelektrode 121 angeordnet ist, und nimmt dann ab. Grob gesprochen heißt dies, wenn ein CZE-Trennungsmodus und dazu ein Direkt-Erfassungsmodus vorliegt, liefert das Ausgabesi­ gnal Z eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe, die mit der Probenkon­ zentrationsverteilung, die sich entlang dem Kanal 113 be­ wegt, übereinstimmt.

Zusammenfassend heißt dies, wenn sich das System AP1 in dem ITP-Trennungsmodus befindet, kann der Detektor 120 differen­ tiell arbeiten (d. h. die Leitfähigkeit an den zwei Kanalpo­ sitionen vergleichen), um eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe zu liefern; wenn sich das System AP1 in einem CZE-Trennungsmo­ dus befindet, kann der Detektor 120 in einem Direkt-Erfas­ sungsmodus arbeiten, um eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe zu lie­ fern, die die Leitfähigkeitsschwankungen über der Zeit an­ gibt. Es ist möglich, daß der Detektor 120 in einem Direkt- Erfassungsmodus arbeitet, wenn sich das System AP1 in einem ITP-Trennungsmodus befindet, um einen Vorteil aus der höhe­ ren Auflösung zu ziehen. In diesem Fall nimmt das Ausgabesi­ gnal Z die Form einer Stufenfunktion an, wie es durch Z = σ in Fig. 4 angegeben ist. Der Detektor 120 kann ferner in ei­ nem Differentialerfassungsmodus arbeiten, wenn sich das Sy­ stem AP1 in einem CZE-Trennungsmodus befindet.

Es sollte beachtet werden, daß die Erfassungselektrode 130 die drei Bereiche überspannt, die jeweils von den Treiber­ elektroden 121, 123 und 125 überspannt werden. Eine entspre­ chende Funktionalität kann unter Verwendung von drei Erfas­ sungselektroden erreicht werden, von denen jede einer jewei­ ligen Treiberelektrode gegenüber liegt. In diesem Fall kön­ nen die Erfassungselektroden kurzgeschlossen werden, um als eine einzige Elektrode zu arbeiten. Hierin wird eine kurzge­ schlossene Anordnung aus Elektroden als eine einzelne Elek­ trode betrachtet.

Ein zweites Elektrophoresesystem AP2 weist ein Kapillarelek­ trophoresetrennungssystem 210 und einen Detektor 220 auf, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dem System AP2 definiert eine Kapillarröhre 211 einen Trennungskanal 213. Unter dem elektrischen Feld, das durch die Gleichleistungsversorgung 215 angelegt wird, bewegen sich die Probenkomponenten in der durch den Pfeil 217 angegebenen Richtung. Insbesondere ist eine Erfassungselektrode 230 in Längsrichtung zwischen den Treiberelektroden 221 und 223 auf der Kapillarröhre 211 an­ geordnet. Jede Elektrode 221, 223, 230 ist ein Aluminiumring mit einem Kreisquerschnitt, der auf der Außenwand der Kapil­ larröhre 211 gebildet ist. Die Länge und Beabstandungen der Elektroden betragen jeweils 100 µm, wobei dies mit dem Durch­ messer des Kapillarkanals übereinstimmt.

Eine induktiv gekoppelte Wechselleistungsversorgung 227 lie­ fert komplementäre Wechseltreibersignalverläufe an die Trei­ berelektroden 221 und 223. Diese Signalverläufe rufen ent­ sprechende Signalverläufe an der Erfassungselektrode 230 hervor. Die hervorgerufenen Erfassungssignalverläufe löschen sich an der Erfassungselektrode 230 abhängig von den relati­ ven Leitfähigkeiten zwischen der Erfassungselektrode 230 und jeder der Treiberelektroden 221 und 223 jeweils teilweise oder vollständig aus.

Der Erfassungssignalverlauf wird durch eine analogen Signal­ verarbeitungseinrichtung 240 verarbeitet, die einen Wechsel­ spannungsverstärker 241, einen Peak-Detektor 243, einen Gleichspannungsverstärker 245 und einen Integrator 247 (ein Niederfrequenzfilter) umfaßt, um Ausgangssignale ZC und ZI zu liefern. Das Ausgangssignal ZI liefert ein Ausgangssignal in Peak-Form für den ITP-Modus, während das Ausgangssignal ZE ein Ausgangssignal in Peak-Form für den CZE-Modus lie­ fert.

Bei dem ITP-Modus befindet sich das Ausgangssignal ZI auf Null, während sich die Elektroden 221, 223 und 230 innerhalb des gleichen Probenkomponentenbands befinden. Wenn sich das System AP2 in dem ITP-Modus befindet, ändert sich das Aus­ gangssignal ZI, während eine Probenkomponentengrenze zwi­ schen den Elektroden fortschreitet. Wenn die Grenze mittig unter der Erfassungselektrode 230 angeordnet ist, weist das Ausgangssignal ZI einen Peak bzw. eine Spitze auf. Wie bei dem System AP1 sind die Ausgangssignale des Systems AP2 in dem ITP-Modus in Fig. 4 dargestellt, wobei ZC = σ und ZI = dσ/dt ist.

Ein planares, quasi-symmetrisches Direktelektrophoresesystem AP3 ist in Fig. 3 gezeigt. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen und zur Vereinfachung der Herstellung sind alle Elektroden auf der gleichen Oberfläche gebildet. Um eine unerwünschte elektrische Kopplung entlang der Oberfläche zu vermeiden, ist eine Abschirmung dazwischen angeordnet.

Das System AP3 umfaßt eine Trennungseinrichtung 310 und ei­ nen Detektor 320. Die Trennungseinrichtung 310 umfaßt einen Elektrophoresekanal 313, der in einer Polyimid-Anordnung 311 angeordnet ist, und eine Gleichleistungsversorgung 315. Der Fluß entlang dem Kanal 313 findet in der durch den Pfeil 317 angegebenen Richtung statt.

Der Detektor 320 umfaßt eine induktiv gekoppelte Wechsellei­ stungsversorgung 327, Treiberelektroden 321 und 323, Ab­ schirmungselektroden 322 und 324, eine Erfassungselektrode 330 und eine Erfassungssignalverarbeitungseinrichtung 340.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 340 umfaßt einen Wechsel­ spannungsverstärker 341, einen Peak-Detektor 343, einen Gleichspannungsverstärker 345 und einen Differentiator 347. Der Gleichspannungsverstärker 345 liefert eine Serie-Von- Peaks-Ausgabe für den CZE-Modus, während der Differentiator 347 eine Serie-Von-Peaks-Ausgabe für den ITP-Modus liefert.

Die Treiberelektrode 321 befindet sich über dem Kanal 313, während dies für die Treiberelektrode 323 nicht der Fall ist. Wenn sich die Erfassungselektrode 330 auf der gleichen Oberfläche wie die Treiberelektroden 321 und 323 befindet, kann die elektrische Energie von der Treiberelektrode 321 und 323 in die Erfassungselektrode 330 einkoppeln, ohne das Substrat 511 oder den Kanal 513 zu durchlaufen. Um diese Fehlkopplung zu begrenzen, sind Masseelektroden 322 und 324 zwischen der Erfassungselektrode 330 und den jeweiligen Treiberelektroden 321 und 323 angeordnet.

Die Erfindung liefert Elektrophoresesysteme mit einem dualen CZE- und ITP-Modusbetrieb und Systeme, die für den einen Mo­ dus oder für den anderen Modus vorgesehen sind. Es sind ver­ schiedene Konfigurationen, Abmessungen und Beabstandungen der Elektroden vorgesehen. Es ist möglich, eine unterschied­ liche Anzahl, unterschiedliche Geometrien und unterschiedli­ che Anordnungen von Treiber-, Erfassungs- und Abschirmungs­ elektroden zu verwenden. Es kann ferner eine unterschiedli­ che Treiber- und Verarbeitungsschaltungsanordnung verwendet werden. Anstelle der Peak-Detektoren können beispielsweise RMS-Detektoren (RMS = Effektivwert) oder Hüllkurvenfolger verwendet werden. Obwohl die dargestellten Ausführungsbei­ spiele zwei Treiberelektroden und eine Erfassungselektrode aufweisen, sieht die Erfindung auch eine größere Anzahl von Elektroden vor. Hinsichtlich der Ansprüche bilden mehrere Elektroden, die kurzgeschlossen sind, eine einzelne Elektro­ de. Obwohl die Leitfähigkeitsdetektoren im Zusammenhang von Elektrophoresesystemen gezeigt sind, können die Detektoren auch für Erfassungskomponenten verwendet werden, die durch andere Einrichtungen getrennt werden.

Claims (11)

1. Probenanalysesystem (AP1; AP2; AP3) mit folgenden Merk­ malen:
einer Trennungseinrichtung (110; 210; 310) zum Trennen von Probenkomponenten, wenn sich dieselben entlang einem sich längs erstreckenden Kanal (113; 213; 313) bewegen, wobei die Trennungseinrichtung den Kanal umfaßt;
einem Detektor (120; 220; 320) zum Erfassen von Proben­ komponenten, die sich entlang dem Kanal bewegen, wobei der Detektor folgende Merkmale aufweist:
eine Erfassungselektrode (130; 230; 330), die mit dem Kanal kapazitiv gekoppelt ist;
eine erste und zweite Treiberelektrode (121, 123; 121, 125; 221, 223; 321, 323), wobei die erste Trei­ berelektrode (121; 221; 321) durch den Kanal hindurch mit der Erfassungselektrode elektrisch gekoppelt ist;
eine Treibereinrichtung (127; 227; 327) zum antisyn­ chronen Treiben der ersten und zweiten Treiberelek­ trode, wobei die Treibereinrichtung mit den Treiber­ elektroden elektrisch gekoppelt ist; und
eine Signalverarbeitungseinrichtung (140; 240; 340) zum Bereitstellen eines Ausgabesignals, das den In­ halt des Kanals darstellt, wenn sich die Probenkompo­ nenten an dem Erfassungselektrodensatz vorbei bewe­ gen.

2. Probenanalysesystem (AP1; AP2) gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Treiberelektrode (123; 223) durch den Kanal hindurch mit der Erfassungselektrode gekoppelt ist.

3. Probenanalysesystem (AP1; AP2) gemäß Anspruch 2, bei dem die Trennungseinrichtung einen ITP-Modus (ITP = Isota­ chophorese) aufweist, bei dem die Probenkomponenten durch eine Isotachophorese getrennt werden, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung das Ausgabesignal als eine Serie von Peaks bereitstellt, wenn sich die Tren­ nungseinrichtung in dem ITP-Modus befindet.

4. Probenanalysesystem (AP1) gemäß Anspruch 3, das ferner eine dritte Elektrode und einen Schalter aufweist, wobei die dritte Elektrode mit der Erfassungselektrode elek­ trisch gekoppelt ist, jedoch nicht durch den Kanal hin­ durch, wobei der Schalter "Differential"- und "Direkt"- Zustände aufweist, wobei der Schalter, wenn sich dersel­ be in dem Differentialzustand befindet, die Treiberein­ richtung mit der ersten und zweiten Treiberelektrode koppelt, um dieselben antisynchron zu treiben, und wobei der Schalter, wenn sich derselbe in dem Direkt-Zustand befindet, die Treibereinrichtung mit der ersten und dritten Treiberelektrode koppelt, um dieselben antisyn­ chron zu treiben.

5. Probenanalysesystem (AP1) gemäß Anspruch 4, bei dem die Trennungseinrichtung einen CZE-Modus (CZE = chemische Zonen-Elektrophorese) aufweist, bei dem die Probenkompo­ nenten durch eine chemische Zonen-Elektrophorese ge­ trennt werden, wodurch:
die Signalverarbeitungseinrichtung eine Serie-Von- Peaks-Ausgabe liefert, bei der die Peaks Probenkomponen­ te-Peaks darstellen, wenn sich die Trennungseinrichtung in dem CZE-Modus und sich der Schalter in dem Direkt-Zu­ stand befindet, und
die Signalverarbeitungseinrichtung eine Serie-Von- Peaks-Ausgabe liefert, bei der die Peaks Grenzen zwi­ schen Probenkomponentenbändern darstellen, wenn sich die Trennungseinrichtung in dem ITP-Modus und sich der Schalter in dem Differentialzustand befindet.

6. Probenanalysesystem (AP2) gemäß Anspruch 3, bei dem die Trennungseinrichtung einen CZE-Modus aufweist, bei dem Probenkomponenten durch eine chemische Zonen-Elektropho­ rese getrennt werden, wobei die Signalverarbeitungsein­ richtung einen Integrator (237) aufweist, um das Ausga­ besignal als eine Serie von Peaks bereitzustellen, wenn sich die Trennungseinrichtung in dem CZE-Modus befindet.

7. Probenanalysesystem (AP1; AP3) gemäß Anspruch 1, bei dem die zweite Treiberelektrode (125; 323) mit der Erfas­ sungselektrode gekoppelt ist, jedoch nicht durch den Ka­ nal hindurch.

8. Probenanalysesystem (AP1; AP3) gemäß Anspruch 7, bei dem die Trennungseinrichtung einen CZE-Modus aufweist, bei dem die Probenkomponenten durch eine chemische Zonen- Elektrophorese getrennt werden, wobei die Signalverar­ beitungseinrichtung das Ausgabesignal als eine Serie von Peaks bereitstellt, wenn sich die Trennungseinrichtung in dem CZE-Modus befindet.

9. Probenanalysesystem (AP3) gemäß Anspruch 8, bei dem die Trennungseinrichtung einen ITP-Modus aufweist, bei dem die Probenkomponenten durch eine Isotachophorese ge­ trennt werden, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Differentiator (337) aufweist, um das Ausgabesi­ gnal als Serie von Peaks bereitzustellen, wenn sich die Trennungseinrichtung in dem ITP-Modus befindet.

10. Probenanalysesystem (AP2) gemäß Anspruch 1, bei dem die Erfassungselektrode (230) in Längsrichtung zwischen der ersten (221) und der zweiten (223) Treiberelektrode an­ geordnet ist.

11. Probenanalysesystem (AP1; AP3) gemäß Anspruch 1, bei dem die Erfassungselektrode (130; 330) in Querrichtung durch den Kanal von der ersten Treiberelektrode (121; 321) ge­ trennt ist.