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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die analytische Chemie und
insbesondere auf Leitfähigkeitsdetektoren,
die beispielsweise verwendet werden, um Probenfluidkomponenten zu
erfassen, während
dieselben in einem Kanal durch eine Erfassungsregion fließen. Eine
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine einfachere und unaufwendigere kontaktlose
Leitfähigkeitserfassung
zu liefern.
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Ein
großer
Teil des heutigen Fortschritts bei der Medizin-, Umwelt-, forensischen
und anderen Wissenschaften kann Fortschritten bei der analytischen
Chemie zugeschrieben werden. Eine wichtige Klasse analytischer Werkzeuge
trennt Komponenten eines Probenfluids (typischerweise eine Mischung aus
Probenkomponenten und Nichtprobenkomponenten, wie z. B. Träger, Puffer
und oberflächenaktive
Mittel) durch Bewegen derselben entlang eines Trennkanals mit unterschiedlichen
Raten. Sobald die Komponenten getrennt sind, ist es normalerweise wünschenswert,
die Komponenten quantitativ zu bestimmen und vielleicht zu identifizieren.
Dies erfordert typischerweise die Erfassung der Komponenten. Es
stehen Detektoren zur Verfügung,
um bestimmte Parameter zu überwachen,
wie z. B. Leitfähigkeit, Fluoreszenz
oder Absorption von ultravioletter (UV) elektromagnetischer Energie,
während
die Komponenten durch eine Erfassungsregion verlaufen.
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Die
Leitfähigkeitserfassung
ist wichtig beider Elektrophorese, bei der Komponenten durch ein elektrisches
Feld gemäß ihrer
elektrophoresischen Bewegbarkeit getrennt werden. Komponenten, die durch
Elektrophorese getrennt sind, weisen notwendigerweise eine meßbare elektrische
Leitfähigkeit auf,
die der elektrophoretischen Beweglichkeit derselben zugeordnet ist.
Allgemeiner gesagt, die Leitfähigkeitser fassung
ist nützlich
zum Erfassen der Komponenten mit meßbarer Leitfähigkeit,
unabhängig
davon, wie dieselben an der Detektorregion ankommen.
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Die
Leitfähigkeitserfassung,
kann durch Positionieren von Elektroden auf den Innenwänden eines
elektrophoretischen Kanals in direktem Kontakt mit dem Probenfluid
implementiert werden. Typischerweise liegen „Übertragungs-" (oder „Treiber-") und „Empfänger-" oder („Erfassungs"-) Elektroden einander über eine
transversale Breite oder einen transversalen Durchmesser des elektrophoretischen Kanals
gegenüber.
Da die Elektroden jedoch in Kontakt mit dem Probenfluid sind, können elektrochemische
Reaktionen an den Elektroden sowohl die Elektroden als auch die
Probe beeinflussen. Eine solche Interaktion bzw. Wechselwirkung
kann ungewünschte
Artefakte innerhalb eines Durchgangs bewirken und untergräbt die Wiederholbarkeit
zwischen den Durchgängen.
Diese ungewünschte
Interaktion zwischen Probe und Elektroden wird durch eine „kontaktlose" Leitfähigkeitserfassung
vermieden.
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Die
kontaktlose Leitfähigkeitserfassung
wird gelehrt von Jose A. Fracassi da Silva & Claudimir L. do Lago, „An Oscillometric
Detector for Capillary Electrophoresis", Analytical Chemistry, Bd. 70, 1998, S.
4.339 – 4.343;
Jirí Vacik,
Jirí Zuska & Iva Muselasova, „Improvement
of the Performance of a High-Frequency Conductivity Detector for
Isotachophoresis",
Chromatography, 17,322, 1985, 5 Seiten; Andress J. Zemann, Erhard
Schnell, Dietmar Volger & Günther K.
Bonn, „Contactless
Conductivity Detection for Capillary Electrophoresis", Analytical Chemistry,
Bd. 70, 1998, S. 563 – 567.
Außerdem
ist ein antisynchron getriebener kontaktloser Leitfähigkeitsdetektor
der Gegenstand der
US
64 91 805 B1 eingereicht am 23. Mai 2000, mit dem Titel „Sample-analysis
system with antisynchronously driven contactless conductivity detection" von Gary B. Gordon
und Tom A. van de Goor, die an den Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung übertragen
ist.
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Bei
der kontaktlosen Leitfähigkeitserfassung sind
Elektroden durch eine Kanalwand kapazitiv an das Probenfluid gekoppelt.
Zu diesem Zweck können die
Elektroden auf der äußeren Oberfläche der
Kanalwand gebildet sein. Da die Elektroden nicht mit dem Probenfluid
in Kontakt sind, werden Artefakte aufgrund chemischer Interaktionen
an den Elektroden eliminiert und die Reproduzierbarkeit verbessert.
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Da
die Kanalleitfähigkeit
durch Kanalwände gemessen
wird, ist die Erfassungsempfindlichkeit ein Thema für kontaktlose
Leitfähigkeitsdetektoren.
Bei vielen kontaktlosen Leitfähigkeitsdetektoren
ist die Empfindlichkeit bei einer Spitzenfrequenz maximal und fällt bei
geringeren und größeren Frequenzen
ab. Unvorteilhafterweise variiert die Spitzenfrequenz typischerweise
mit der Fluidleitfähigkeit,
die der zu messende Parameter und somit unbekannt ist. Dies kann
es schwierig machen, die Detektorausgangssignale zu interpretieren.
Darüber
hinaus kann die Empfindlichkeit leiden, wenn die Erfassungsfrequenz nicht
richtig an das Probenfluid angepaßt ist.
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Die
Treiberfrequenz kann durchgefahren werden, um sicherzustellen, daß jede Probenkomponente
an ihre Spitzenfrequenz angepaßt
ist. Um eine optimale Erfassungsempfindlichkeit sicherzustellen, kann
die Erfassungselektronik synchron mit der Treiberelektronik eingestellt
werden. Obwohl dieser Lösungsansatz
durchführbar
ist, erhöht
derselbe die Kosten und die Komplexität eines kontaktlosen Leitfähigkeitsdetektors
erheblich. Außerdem
beschränkt der
Bereich der Frequenzdurchfahrbeschränkungen den Bereich der Leitfähigkeiten,
die erfaßt
werden können.
Was benötigt
wird, ist ein einfacherer und unaufwendigerer Lösungsansatz für kontaktlose
Leitfähigkeitserfassung.
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Aus
der
US 5,341,100 ist
ein System zur Charakterisierung von Fluiden bekannt, einschließlich der
Messung der Leitfähigkeit
von Wasser. Dabei wird unter Verwendung einer Koaxialübertragungsleitung
als eine Flussröhre
in einem Multitestergerät eine
elektromagnetische Welle erzeugt, die sich durch das Fluid in einem
transversalen elektromagnetischen Mode ausbreitet. Phasenverschiebung und
Dämpfung
der elektromagnetischen Welle werden gemessen, um das Fluid bezüglich dielektrischer Konstante
und Leitfähigkeit
zu charakterisieren.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfacheren und
unaufwendigeren kontaktlosen Leitfähigkeitsdetektor sowie ein
einfacheres und unaufwendigeres kontaktloses Verfahren zum Messen
der Leitfähigkeit
eines Fluids in einem Kontakt mit einer Kanalwand zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Leitfähigkeitsdetektor
gemäß Anspruch
1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch
5 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen kontaktlosen Leitfähigkeitsdetektor,
bei dem eine „Signal"-Elektrode verwendet
wird, um sowohl das Erregungssignal zu treiben als auch die Antwort
zu erfassen. In anderen Worten, die gleiche Elektrode wird sowohl
für die Übertragung
(zum Treiben) als auch den Empfang (zur Erfassung) verwendet. Eine
oder mehrere Masseelektroden halten das Probenfluid an einem Abstand
von der Signalelektrode auf einem bekannten Potential (Wechselsignalmasse).
Die Treiberelektronik umfaßt
einen Erfassungswiderstand und einen Oszillator, der durch den Erfassungswiderstand
mit der Signalelektrode gekoppelt ist. Die Erfassungselektronik
liest das Signal, das an der Signalelektrode erzeugt wird.
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Die
Signalelektrode ist der Zentralknoten eines Spannungsteilers, der
zwischen dem Erfassungswiderstand und dem Widerstandswert liegt,
der dem Probenfluid zugeordnet ist, das sich zwischen der Signalelektrode
und der Masseelektro de erstreckt. Die Wechselsignalamplitude an
dem Spannungsteilerknoten variiert mit dem elektrischen Widerstandswert
des Fluids, der der Kehrwert der Leitfähigkeit desselben ist. Durch Überwachen
der Wechselsignalamplitude an der Signalelektrode kann die Fluidleitfähigkeit über die
Zeit charakterisiert werden; somit können getrennte Komponenten
seriell erfaßt
werden, während
sie eine Region eines Fluidkanals durchlaufen, die durch den Detektor überwacht wird.
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Wenn
ein Kapillarrohr als Fluidkanal verwendet wird, können sich
Erdungselektroden sowohl stromaufwärts als auch strom abwärts von
der Signalelektrode befinden. Geeigneterweise können die Erdungselektroden
monolithisch sein (d. h. ein Teil von) dem Metallgehäuse, das
die Detektorelektronik von externen elektrischen Einflüssen elektrisch trennt.
Alternativ können
die Erdungselektroden auf den Kapillarwänden gebildet sein. In dem
alternativen Fall kann das Gehäuse
die Erdungselektroden kontaktieren. In beiden Fällen kann die Kapazität der Erdungselektroden
sehr groß sein
und im wesentlichen ein Wechselsignalmassepotential in dem Fluidkanal
an der Betriebsfrequenz liefern. Außerdem ist ein kompakterer
Detektor vorgesehen, da nur eine Elektrode (die Signalelektrode)
im Inneren des Gehäuses
sein muß (im
Gegensatz zu zwei oder mehreren beim Stand der Technik).
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In
dem Fall eines planaren Ausführungsbeispiels
können
die Signalelektrode, die Treiberelektronik und die Erfassungselektronik
herkömmlicherweise
hergestellt sein und auf einer Seite des Kanals verbunden sein.
Nur eine Erdungselektrode und eine Masseverbindung müssen auf
der gegenüberliegenden
Seite definiert sein. Diese Topologie vereinfacht die Herstellung
des planaren Detektors erheblich, mit gleichzeitigen wirtschaftlichen
Vorteilen.
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Günstigerweise
liefert der erfindungsgemäße Detektor
eine eher flache Antwort auf Leitfähigkeit über eine Bereich von Frequenzen.
Dies bedeutet, daß für einen
ganzen Probenlauf eine einzige Treiberfrequenz verwendet werden
kann. Die Frequenzdurchfahrelektronik, die erforderlich ist, um
einige herkömmliche
kontaktlose Leitfähigkeitsdetektoren zu
optimieren, ist nicht erforderlich. Als Folge ist eine einfachere
und unaufwendigere Leitfähigkeitserfassung
geschaffen. Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden von der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich werden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines kontaktlosen Leitfähigkeitsdetektors
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Schaltbild, das eine vereinfachte Ersatzschaltung für den Leitfähigkeitsdetektor
von 1 zeigt;
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3 ein
Verfahren der Erfindung, das im Zusammenhang mit dem Detektor von 1 anwendbar
ist;
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4 eine
Graphik von Detektorausgangssignalen als eine Funktion von Frequenz
für einen
Bereich von Probenkomponentenleitfähigkeiten für den Detektor von 1.
Die Leitfähigkeiten
sind als Widerstandswerte von 1 MΩ bis 111 MΩ in 10-MΩ-Schritten ausgedrückt; und
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5 eine
schematische Darstellung eines weiteren kontaktlosen Leitfähigkeitsdetektors
gemäß der vorliegenden
Erfindung und für
eine planare Trennsäule.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt ein
kontaktloser Leitfähigkeitsdetektor
AP1 für
eine kapillare Trennsäule 101 einen
Sender 103, einen Erfassungswiderstand 105, einen
Empfänger 107,
eine Signalelektrode 109 und ein geerdetes Metallgehäuse 111,
wie in 1 gezeigt. Die Säule 101 erstreckt sich
durch das Gehäuse 111,
das zu der Säule 101 benachbarte
Gehäusemetall
definiert ein Paar von Erdungselektroden 113 und 115.
Die kapillare Trennsäule 101 umfaßt eine
Kanalwand 117, die einen inneren Fluidflußkanal 118 definiert.
Die Migrationsrichtung entlang des Kanals 118 ist durch
einen Pfeil 119 angezeigt.
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Der
Sender 103 umfaßt
einen Oszillator 121, der eine Wechselspannung vt liefert. Der Sender 103 umfaßt außerdem ei nen
inhärenten
Reihenwiderstand Rt, der durch den Widerstand 123 dargestellt ist.
Der Erfassungswiderstand 105 weist einen zugeordneten Widerstandswert
Ry auf. Der Empfänger 107 liefert ein
Ausgangssignal Vout, das proportional ist
zu der Wechselgröße der Spannung
vy an der Signalelektrode 109.
Der Empfänger 107 ist
mit einem Spitzendetektor 125 gezeigt, der verwendet wird,
um das Wechselsignal vy zu dem Gleichausgangssignal Vout umzuwandeln. Außerdem umfaßt der Empfänger 107 einen Wechselsignalverstärker, der
eine verstärkte
Version einer Signalelektrodenspannung vy zu
dem Spitzendetektor 125 liefert, und einen Gleichstromverstärker, der
das Ausgangssignal des Spitzendetektors 125 verstärkt, um
das Ausgangssignal Vout zu erzielen. Alternative
Ausführungsbeispiele verwenden
unterschiedliche Empfänger
mit unterschiedlichen Einrichtungen zum Erfassen der Wechselsignalgröße.
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Die
Elektroden 109, 113 und 115 sind mit dem
Fluid in dem Kanal 118 durch die Kanalwand 117 kapazitiv
gekoppelt. Somit ist eine Kapazität Cg0 der
Signalelektrode 119 zugeordnet, eine Kapazität Cg1 ist der Erdungselektrode 113 zugeordnet
und eine Kapazität
Cg2 ist der Erdungselektrode 115 zugeordnet.
Die Kapazitäten
Cg0 und Cg1 sind
durch das Fluid im Kanal 118 zwischen der Signalelektrode 109 und
der Erdungselektrode 113 elektrisch gekoppelt, dieser elektrischen
Kopplung sind ein Widerstandswert Rf1 und
eine Kapazität
Cf1, parallel mit dem Widerstandswert Rf1, zugeordnet. Gleichartig dazu sind die
Kapazitäten
Cg0 und Cg2 durch
einen Widerstandswert Rf2 und eine Kapazität Cf2, die dem Kanalfluid zwischen der Signalelektrode 109 und
der Erdungselektrode 115 zugeordnet ist, elektrisch gekoppelt.
Inhärent
gibt es eine Lastkapazität
CL und einen Lastwiderstandswert RL, der dem Empfänger 107 zugeordnet
ist, die Lastkapazität
CL sollte so klein wie möglich sein.
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Der
elektrische Weg von dem Oszillator 121 durch den Widerstand 123,
den Erfassungswiderstand 105, die Signalelektrode 109,
die benachbarte Region der Kanalwand 117, das Fluid in
dem Kanal 118, die Region der Kanalwand 117 an
der Erdungselektrode 113, zu der Erdungselektrode 113 definiert einen
Spannungsteiler, wobei die Signalelektrode 109 an dem Spannungsteilerzentrumsknoten
vy liegt. Die Spannungsteileranordnung ist
am besten in dem Ersatzschaltbild in 2 gezeigt,
bei dem Rf1||Rf2 der Widerstandswert
(Rf1 Rf2)/(Rf1 + Rf2) ist, der
den Parallelwiderstandswerten Rf1 und Rf2 zugeordnet ist. Der Widerstandswert Rt + Ry ist konstant,
aber der Fluidwiderstandswert Rf1||Rf2 variiert inversiv mit der Fluidleitfähigkeit.
Somit variiert die Größe der Spannung
vy mit der Probenfluidleitfähigkeit.
Die gleiche Analyse gilt für
den parallelen Weg von dem Oszillator 121 zu der Erdungselektrode 115.
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Ein
Verfahren M1, das unter Verwendung des Leitfähigkeitsdetektors AP1 durchgeführt werden kann,
ist in 3 in einem Flußdiagramm dargestellt. In dem
Schritt ST1 wird ein Wechselsignal über einen Erfassungswiderstand
zu einer Signalelektrode übertragen,
wobei die Signalelektrode durch einen Trennkanal mit einer Erdungselektrode
gekoppelt ist. In dem Schritt ST2, der gleichzeitig mit dem Schritt
ST1 ausgeführt
wird, wird ein Detektorausgangssignal erzeugt als eine Funktion
der Größe des Wechselsignals,
das an der Signalelektrode entwickelt wird. Selbstverständlich ermöglicht es
das Verfahren, daß die
Signalelektrode durch den Trennkanal mit zwei oder mehr Erdungselektroden
gekoppelt ist. Die Erdungselektroden können Teil des Gehäuses sein.
Die Elektroden können
longitudinal angeordnet sein, wobei die Signalelektrode in der Mitte
liegt. Alternativ kann die Signalelektrode transversal zu einer
Erdungselektrode angeordnet sein, wie es nachfolgend näher erklärt ist.
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Eine
SPICE-erzeugte Simulationsgraphik der Ausgangsspannung aufgetragen
gegen die Frequenz für
unterschiedliche Fluidwiderstandswerte ist in 4 dargestellt.
Die unterschiedlichen Kurven stellen 10-MΩ-Inkremente von Hochfrequenz
von 1 MΩ bis
111 MΩ dar.
Es ist zu beachten, daß die 11-MΩ- bis zu
der 111-MΩ-Kurve
zwischen 100 kHz und 1 MHz relativ flach sind. Eine Wechselsignalfrequenz
von beispielsweise 500 kHz könnte
zuverlässig
unterschiedliche Fluidleitfähigkeiten
unterscheiden. Die Nichtflachheit der 1-MΩ-Kurve wird durch ihre sehr
unterschiedliche Größe von den
anderen Kurven ausgeglichen.
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Die
Kapazitäts-
und Widerstandswerte, die verwendet werden, um die Graphik von 4 zu
erzeugen, folgen nun. Ry ist 5 MΩ, Rt ist 100 Ω (und kann somit ignoriert
werden). Die Kapazitäten
Cf1, Cf2 sind jeweils
1 Femtofarad. Cg1 und Cg2 sind
jeweils etwa 5 Picofarad (pF) , während Cg0 0,4
pF ist. CL entspricht der Eingangskapazität eines
modellierten Empfängers,
weniger als 1 pF. Diese Werte entsprechen der Detektorimplementierung
auf Kapillarbasis. Eine alternative planare Implementierung ist
nachfolgend näher
beschrieben.
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Drei
Frequenz-Break-Points ω1, ω2 und ω3 sind in 4 identifiziert.
Wenn man Rt ignoriert und Symmetrie annimmt,
so daß Rf2 = Rf1 ist und
Cg2 = Cg1, können die
Break-Points unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt werden: ω1 = ((Rf1/2 + Ry)·Cg0)–1 + ((Rf1/2
+ Ry)·(Cg1)–1 ω2 = (Rf1/2·Cg0)–1 + (Rf1/2·Cg1)–1 ω3 = (Ry·CL)–1 + (Rf1/2·CL)–1 + (RL·CL)–1
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Die
flache Region erstreckt sich von ω2 bis ω3. Um dieselbe zu vergrößern, kann ω2 reduziert werden,
z. B. durch Erhöhen
von Cg0, und/oder ω3 kann
erhöht
werden, z. B. durch Reduzieren von CL.
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Je
breiter die flache Region ist, desto weniger kritisch ist die Übertragungsfrequenz.
Eine breitere flache Region kann durch Erhöhen der Kapazität Cg0 zwischen dem Fluid und der Signalelektrode und/oder
durch Verringern der Lastkapazität
CL erreicht werden. Die Kapillarwandkapazität kann durch Verlängern der
Signalelektrode erhöht
werden, aber dies verringert die räumliche Auflösung. Alternativ kann
die Kapillarwand dünner
gemacht werden, oder mit einem Material mit einer höheren dielektrischen Konstante
oder beides. In der Praxis sollte CL minimiert
werden, und Cg0 sollte optimiert werden,
um einen vorteilhaften Kompromiß zwischen
Empfindlichkeit und Auflösung
zu schaffen. Der Detektor AP1 kann für maximale Empfindlichkeit
für einen
speziellen Frequenzbereich durch Einstellen des Werts des Erfassungswiderstands 105 eingestellt
werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung liefert ein Erfassungssystem AP2 für einen planaren Trennkanal 201. Ähnlich wie
das System AP1 umfaßt
das Erfassungssystem AP2 einen Sender 203, einen Erfassungswiderstand 205,
einen Empfänger 207 und
eine Signalelektrode 209. Alle diese Komponenten sind auf
oder in einer planaren Polyimidanordnung 211 hergestellt,
die ein Substrat und eine Abdeckung umfaßt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen
werden andere Materialien und mechanische Konfigurationen verwendet.
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Der
Trennkanal 201 wird in das Substrat geätzt. Eine Erdungselektrode 213 ist
auf der Basis des Substrats gebildet und mit der Masse verbunden.
Der Sender 203, ein Erfassungswiderstand 205,
ein Empfänger 207 und
eine Signalelektrode 209 sind auf der Abdeckung für die Polyimidanordnung 211 gebildet.
Es ist anzumerken, daß die
Signalelektrode 209 und die einzelne Erdungselektrode 213 bezüglich des
Trennkanals 201 transversal angeordnet sind (im Gegensatz
zu der longitudinalen Anordnung bei dem Detektorsystem AP1). Andernfalls
sind der Betrieb und die Leistungsfähigkeitsbetrachtungen ähnlich.
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Obwohl
die vorhergehenden Ausführungsbeispiele
Trennkanäle
umfassen, liefert die Erfindung Leitfähigkeitsmessung unabhängig von
der Vorgeschichte des Probenfluids. Die Erfindung kann verwendet
werden, um die Leitfähigkeit
eines einheitlichen Fluids zu messen. Die Erfindung kann verwendet
werden, um eine Reihe von Proben zu erfassen, die nie ge mischt wurden,
aber statt dessen zu unterschiedlichen Zeitpunkten in einen fließenden Träger eingeführt wurden.
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Die
vorliegende Erfindung findet industrielle Anwendbarkeit in Feldern,
die chemische Analyse von Proben erfordern. Diese Felder umfassen
medizinische, pharmazeutische, forensische und Umweltwissenschaften.
Diese und andere Anwendungen sind durch die vorliegende Erfindung,
deren Schutzbereich durch die folgenden Ansprüche definiert ist, vorgesehen.