DE10154601A1

DE10154601A1 - Ein Mikrobauelement mit einem integrierten hervorstehenden Elektrospray-Emitter und ein Verfahren zum Herstellen des Mikrobauelements

Info

Publication number: DE10154601A1
Application number: DE2001154601
Authority: DE
Inventors: Reid A Brennen; Hongfeng Yin; Kevin P Killeen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: GB0126980D0; DE10154601B4; GB2370519B; GB2370519A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrobauelements, das folgende Merkmale umfaßt: ein Substrat mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche, wobei das Substrat einen Mikrokanal umfaßt, der in einer im wesentlichen planaren Oberfläche gebildet ist, eine Abdeckungsplatte, die über der im wesentlichen planaren Oberfläche angeordnet ist, wobei die Abdeckungsplatte in Kombination mit dem Mikrokanal eine Leitung zum Befördern der Probe umfaßt, einen Elektrospray-Emitter, der einen integrierten und hervorstehenden Abschnitt des Substrats und/oder der Abdeckungsplatte darstellt, und ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der Leitung, wobei es das Probeneinlaßtor der Fluidprobe von einer externen Quelle erlaubt, in einem definierten Probenflußweg befördert zu werden, der nacheinander durch das Probeneinlaßtor, die Leitung und ein Probenauslaßtor auf dem Elektrospray-Emitter und in die Sprühkammer verläuft. Durch eine nicht-mechanische Materialentfernungstechnik, die keine Verwendung einer Photoresistmarkierung erfordert, wird Material von der Abdeckungsplatte, dem Substrat oder beiden entfernt, um eine äußere Oberfläche des Mikrobauelements und einen integrierten Elektrospray-Emitter zu bilden, der von demselben hervorsteht. Das Verfahren kann verwendet werden, um ein Mikrobauelement mit einem integrierten Elektrospray-Emitter zu bilden, der geformt ist, um die Bildung eines Taylor-Konus mit geringem Volumen aus einer Probe zu ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Probenionisierung und -analyse. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Mikrobauelement mit einem integrier ten und hervorstehenden Elektrospray- bzw. Elektrosprüh- Emitter bzw. Emittierer für die Probenionisierung bei der Massenspektrometrie und auf ein Verfahren zum Herstellen des Emitters. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Ionisieren einer Fluidprobe unter Verwendung des neuartigen integrierten Mikrobauelements.

Molekulare Analysetechniken ermöglichen exakte Messungen von kleinsten Mengen von Probenmaterialien. Gebräuchliche analytische Techniken umfassen die Massenspektrometrie, ei ne allgemein weit verbreitete Technik. Für Fluidproben ist die Probeneinbringung ein kritischer Faktor, der die Lei stungsfähigkeit der Analysegeräteausstattung, wie z. B. Massenspektrometern, bestimmt.

Die Elektrospraytechnologie ermöglicht es, daß IonEn aus einer flüssigen Lösung erzeugt werden und in ein Analysege rät, wie z. B. einen Massenspektrometer, eingeführt werden. Typischerweise wird in einer Sprühkammer des Analysegeräts durch Leiten einer Fluidprobe durch eine Kapillare ein Ae rosol erzeugt. Die Kapillare dient als ein Elektrospray- Emitter und umfaßt ein Ende, das einem elektrischen Feld ausgesetzt ist. Das elektrische Feld wird normalerweise durch Plazieren einer Quelle von elektrischem Potential, z. B. einer Elektrode oder einer Probeneinbringungsöffnung, in der Nähe des Kapillarendes erzeugt, wobei die Elektrode be züglich dem Kapillarende an einer Spannungspotentialdiffe renz gehalten wird. Als Folge wird an dem Ende des Elektro spray-Emitters ein großer elektrischer Gradient erzeugt. Es sollte offensichtlich sein, daß der Emitter in einem posi tiven oder negativen Ionenmodus betrieben werden kann, durch Erzeugen eines positiven bzw. negativen Spannungsgra dienten. In beiden Fällen beeinflußt das elektrische Feld die Form der Fluidprobe an dem Ende des Emitters.

Wenn kein elektrisches Feld angelegt ist, ist die Form der Fluidprobe, die von dem Ende des Emitters austritt, eine Funktion der Oberflächenenergie der Probe, wobei die End oberfläche durch die Fluidprobe und Gravitationskräfte be netzt ist. Somit bildet eine ungeladene Fluidprobe im all gemeinen ein rundes Tröpfchen auf der Endoberfläche des Emitters, während dasselbe von dem Emitter herauskommt. Das normalerweise runde Tröpfchen der Fluidprobe wird jedoch, sobald es durch eine nahegelegene Quelle von elektrischem Potential geladen wird, verzerrt und nimmt die Form eines Konus an, der im allgemeinen in der Technik als ein "Tay lor-Cone" bezeichnet wird (siehe z. B. Ramsey u. a. (1997), "Generating Electrospray from Microchip Devices Using Elec troosmotic Pumping", Anal. Chem. 69: 1.174-1.178), der zu der elektrischen Potentialquelle zeigt. Dies liegt daran, daß Ionen in den Fluidproben zu der Elektrode angezogen werden, aber nicht von der Probe entkommen können. Bei ei nem ausreichend hohen elektrischen Feld wird der Taylor- Konus instabil, Tröpfchen werden von dem Konus weggezogen und die Tröpfchen werden in noch kleinere geladene Tröpf chen in der Sprühkammer dispergiert. Diese Tröpfchen werden dann von dem Emitter zu einem Einlaß eines Analysegeräts gerichtet und wahlweise einer Lösungsmittelverdunstung und einer Spaltung unterzogen. Als Folge können Ionen, gasför mige oder andere, erzeugt werden und zu dem Analysegerät zugeführt werden. Wenn das Analysegerät ein Massenspektro meter ist, werden die Ionen in das Vakuum des Massenspek trometers zugeführt und einer massenspektrometrischen Ana lyse unterzogen.

Im allgemeinen ist die Leistungsfähigkeit eines Elektro spray-Emitters zu großen Teilen durch seine Gesamtgeometrie beschränkt, die wiederum durch die Technik bestimmt wird, die verwendet wird, um den Emitter herzustellen. Eine An zahl von Elektrospray-Emitter-Formungstechniken wurden be schrieben und umfassen z. B. gewöhnliche Halbleiterherstel lungstechniken. Diese Halbleiterherstellungstechniken kön nen verwendet werden, um Elektrospraygeräte aus Silizium zu bilden (siehe z. B. internationale Patentanmeldung Nr. WO 98/35376 und Schultz u. a. (1999), "A Fully Integrated monolithic Microchip-Based Electrospray Device for Micro fluidic Separations", 47^th ASMS Conference on Mass Spec trometry and Allied Topics), aus Glas (siehe z. B. Xue u. a. (1997), "Multichannel Microchip Electrospray Mass Spec trometry", Anal. Chem. 69: 426-430) oder aus Kunststoff (siehe z. B. Licklider u. a. (2000), "A Micromachined Chip Based Electrospray Source for Mass Spectrometry", Anal. Chem. 72: 367-375). Solche Halbleiterherstellungstechni ken weisen jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf. In der Regel sind gewöhnliche Halbleiterherstellungsverfahren im allgemeinen nicht gut geeignet für Großserienbauteile mit großer Größe, die für bestimmte Anwendungen von Mikrobau elementen wünschenswert sind. Außerdem sind Halbleiterher stellungsverfahren relativ langsam und haben strenge Be grenzungen bei Materialien, die während der Anwendung ver wendet werden dürfen. Beispielsweise muß normalerweise eine Photoresistmaskierung verwendet werden, um die Geometrie des Emitters zu steuern. Es ist schwierig, unter Verwendung von Photoresistverfahren beliebige dreidimensionale Formen zu bilden. Außerdem sind die Chemikalien, die bei der Pho to resistmaskierung verwendet werden, hochgiftig und schäd lich für die Umwelt. Folglich umfaßt das Herstellen von Elektrospray-Emittern unter Verwendung dieses Verfahrens hohe Abfallverwertungskosten und stellt eine mögliche Ge sundheitsgefahr dar. Die mechanische Herstellung von Elek trospray-Emittern wurde ebenfalls beschrieben. Siehe z. B. Wen u. a. (2000), "Microfabricated Isoelectric Focusing De vice for Direct Electrospray Ionization-Mass Spectrometry", Electrophoresis 21 : 191-197. Die mechanische Bearbeitung bietet jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Halbleiterver arbeitungstechniken eine schlechtere Abmessungssteuerung.

Derzeit werden Mikrobauelemente, die eine mikrofluidische Technologie verwenden, als Werkzeuge für die chemische Ana lyse und die klinische Diagnose verwendet. Ihre geringe Grciße ermöglicht die Analyse von sehr kleinen Mengen einer Fluidprobe, was ein Vorteil ist, wenn die Probe teuer oder schwierig zu erhalten ist. Siehe z. B. U. S.-Patente Nr. 5,500,071 an Kaltenbach u. a., 5,571,410 an Swedberg u. a. und 5,645,702 an Witt u. a. Es wurde vorgeschlagen, Proben präparations-, Trennungs- und Erfassungsabteilungen in sol che Elemente zu integrieren.

Viele haben versucht, Elektrospray-Technologie in solche Mikrobauelemente zu integrieren. Ein solcher Versuch, eine Schnittstelle eines Mikrobauelements mit einem Massenspek trometer zu bilden, umfaßt das Vorsehen eines Tors auf ei ner unbegrenzten Oberfläche eines Mikrobauelements, von dem eine Fluidprobe dispergiert wird. Siehe z. B. U. S.-Patent Nr. 5,872,010 an Karger u. a. und Ramsey u. a. (1997), "Generating Electrospray from Microchip Devices Using Elec troosmotic Pumping", Anal. Chem. 69: 1.174-1.178. Dieser Lösungsansatz ist aus einer Vielzahl von Gründen problema tisch. Erstens hängt das Volumen des Fluids, das aus dem Tor, das den Taylor-Konus bildet, herauskommt, von der Wechselwirkung zwischen dem Fluid und der Oberfläche ab, die zu dem Tor benachbart ist. Das Volumen des Konus erhöht sich, während sich der Bereich der Oberfläche, der durch das Fluid benetzt wird, erhöht. Es sollte dann offensicht lich sein, daß ein unbegrenzter Bereich das Potential auf weist, zu einem weit größeren benetzten Bereich zu führen als ein begrenzter Bereich. Dementsprechend neigt dieser Lösungsansatz dazu, ein größeres Probenvolumen zu erfor dern. Außerdem hängt die Ionisierungseffizienz von dem elektrischen Feldgradienten ab und der elektrische Feldgra dient ist im allgemeinen umgekehrt proportional zum Volu men. Ferner liefert ein Konus mit großem Volumen ein "Tot volumen", das eine Fluidzirkulation in demselben ermög licht. Als Folge können sich getrennte Bänder von konzen trierten Proben mischen und dadurch die Bandauflösung be einträchtigen. Daher ist es wünschenswert, das Volumen des Fluids, das den Taylor-Konus bildet, zu minimieren, um den erzeugten elektrischen Feldgradienten zu maximieren. Dar über hinaus ist es in der Technik gut bekannt, daß für die höchste Stabilität von Elektrospray-Ionisierung, insbeson dere bei einer niedrigen Probenflußrate, ein scharfer Emit ter mit einem kleinen Außendurchmesser und einem glatten Rand im allgemeinen wünschenswert ist. Eine unbegrenzte Oberfläche, die zu einem Tor benachbart ist, ist daher im Widerspruch zu einer stabilen Elektrospray-Ionisierung.

Ein weiterer Lösungsansatz zum Integrieren von Elektro spray-Technologie in Mikrobauelementen ist es, einen Elek trospray-Emitter getrennt von dem Mikrobauelement zu bilden und den Emitter dann an dem Mikrobauelement zu befestigen. Dieser Lösungsansatz kann jede von einer Anzahl von Emit ter-Formungstechniken verwenden, wie sie durch die oben aufgelisteten Veröffentlichungen und Patente beschrieben sind, oder andere Techniken, die in der Technik gut bekannt sind. Außerdem beschreiben eine Anzahl von Veröffentlichun gen Verfahren, bei denen getrennt gebildete Elektrospray- Emitter an Mikrobauelementen befestigt sein können. Bei spielsweise wurde beschrieben, daß eine getrennt gebildete Nano-Elektrospray-Kapillare in einen Kanal auf einem Mikro bauelement eingefügt werden oder in die Nähe desselben ge bracht werden kann. Siehe z. B. internationale Patentanmel dung Nr. WO 00/022409 Figeys u. a. (1997), "A Microfabri cated Device for Rapid Protein Identification by Microelec trospray Ion Trap Mass Spectrometry", Anal. Chem. 69: 3.153-3.160; Zhang u. a. (1999), "A Microfabricated Devices for Capillary Electrophoresis-Electrospray Mass Spectrometry", Anal. Chem. 71: 3.258-3.264; Li u. a. (2000), "Separation and Identification of Peptide from Gel Isolated Membrane Proteins Using a Micromachined Device for Combined Capil lary Electrophoresis", Anal. Chem. 72: 799-609; und Zhang u. a. (2000), "A Microdevice with Integrated Liquid Junc tion for Facile Peptide and Protein Analysis by Capillary Electrophoresis/Electrospray Mass Spectrometry", Anal. Chem. 72: 1.015-1.022. Dieser Einfügungsansatz erfordert jedoch bestens ausgebildete Fachkräfte und die Wahrschein lichkeit des Erfolgs beim Implementieren dieses Lösungsan satzes hängt stark von der Qualität der Einfügungsoperation ab. Darüber hinaus erzeugt die Schnittstelle zwischen dem Emitter und dem Mikrobauelement eine Vielzahl von Proble men. Beispielsweise ist es sehr schwierig, das Mischvolumen zwischen dem Kanal und der Kapillare vollständig zu elimi nieren. Darüber hinaus kann ein Haftmittel, das beim Ver binden des Elektrospray-Emitters mit dem Mikrobauelement verwendet wird, eine Quelle möglicher Verunreinigung dar stellen.

Die gemeinschaftlich übertragene U. S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/324,344 ("Miniaturized Device for Sam ple Processing and Mass Spectroscopic Detection of Liquid Phase Samples"), Erfinder Yin, Chakel und Swedberg (bean sprucht Priorität für die provisorische Patentanmeldung Nr. 60/089,033), beschreibt ein miniaturisiertes Bauelement für eine Probenverarbeitung und Massenspektroskopieerfassung von Flüssigphasenproben. Das beschriebene Bauelement umfaßt ein Substrat mit einem Merkmal auf einer Oberfläche in Kom bination mit einer Abdeckungsplatte. Zusammen können ein Vorsprung auf dem Substrat und ein entsprechender Vorsprung auf der Abdeckungsplatte eine Massenspektrometerzuführein richtung auf dem Bauelement liefern. Merkmale auf dem Bau element, wie z. B. Mikrokanäle und Öffnungen, können durch Laserablation oder andere Techniken gebildet werden. Die Anmeldung beschreibt jedoch keinen Prozeß, bei dem eine äußere Oberfläche des Bauelements geformt wird.

Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein Mikrobauele ment zum Einführen einer Fluidprobe in eine Sprühkammer, wobei das Mikrobauelement einen integrierten Elektrospray- Emitter mit genauen Abmessungen umfaßt, die es ermöglichen, daß eine Fluidprobe effizient ionisiert wird, während nur eine kleine Menge der Fluidprobe erforderlich ist. Außerdem gibt es einen Bedarf zum Überwinden von Verarbeitungsbe grenzungen im Zusammenhang mit herkömmlichen Halbleiterher stellungs- oder Mikrobearbeitungstechniken zum Bilden sol cher integrierter Elektrospray-Emitter.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikro bauelement zum Einbringen einer Fluidprobe in eine Sprüh kammer, ein Verfahren zum Herstellen derselben sowie ein Verfahren zum lonisieren einer Fluidprobe in einer Sprüh kammer mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 37 und ein Mikrobauelement gemäß Anspruch 17 gelöst.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, durch Schaf fen eines Verfahrens zum Bilden eines vorstehenden inte grierten Elektrospray-Emitters eines Mikrobauelements durch Verwendung einer nichtmechanischen Materialentfernungstech nik, die sich nicht auf die Verwendung von Photore sistmaskierung verläßt, die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, ein Mikrobauele ment mit einem hervorstehenden integrierten Elektrospray- Emitter zum Einbringen einer Fluidprobe in eine Sprühkammer zu schaffen.

Es ist noch ein weiterer Vorteil der Erfindung, ein solches Mikrobauelement zu schaffen, bei dem der Elektrospray- Emitter geformt ist, um das Volumen eines Taylor-Konus zu minimieren, der aus Fluid gebildet ist, das unter Einfluß eines elektrischen Felds aus dem Elektrospray-Emitter he rauskommt.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, ein Verfahren zum Ionisieren einer Fluidprobe unter Verwendung eines sol chen Mikrobauelements zu schaffen.

Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung aufgeführt und werden teilweise für den Fachmann auf diesem Gebiet beim Überprüfen des Folgenden offensichtlich werden oder können durch die Anwendung der Erfindung gelernt wer den.

Bei einem Ausführungsbeispiel bezieht sich die vorliegende Erfindung dann auf ein Verfahren zum Herstellen eines inte grierten Elektrospray-Emitters eines Mikrobauelements, das ein Substrat mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche umfaßt, wobei das Substrat einen Mikrokanal, der in einer im wesentlichen planaren Oberfläche gebildet ist, eine Ab deckungsplatte, die über der im wesentlichen planare Ober fläche angeordnet ist, wobei die Abdeckungsplatte in Kombination mit dem Mikrokanal eine Leitung bzw. Rohrleitung zum Befördern der Probe definiert, einen Elektrospray-Emitter, der einen integrierten und hervorstehenden Abschnitt des Substrats und/oder der Abdeckungsplatte darstellt, und ein Probeneinlaßtor, das in Fluidkommunikation mit der Leitung ist, aufweist, wobei es das Probeneinlaßtor der Fluidprobe von einer externen Quelle erlaubt, in einem definierten Probenflußweg, der in Reihenfolge durch das Probeneinlaßtor, die Leitung und ein Probenauslaßtor auf dem Elektrospray-Emitter und in die Sprühkammer verläuft, befördert zu werden. Das Verfahren umfaßt das Entfernen von Material von der Abdeckungsplatte und/oder dem Substrat, um eine äußere Oberfläche des Mikrobauelements und des integrierten Elektrospray- Emitters, der von demselben hervorsteht, zu bilden. Das Material wird unter Verwendung einer nichtmechanischen Materialentfernungstechnik entfernt, die keine Verwendung von Photoresistmaskierung erfordert.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel bezieht sich die Er findung auf ein Mikrobauelement zum Einbringen einer Fluid probe in eine Sprühkammer. Das Mikrobauelement ist aus ei nem Substrat mit einem Mikrokanal, der in einer ersten pla naren Oberfläche gebildet ist, und einer Abdeckungsplatte, die über der ersten planaren Oberfläche angeordnet ist, aufgebaut, wobei die Abdeckungsplatte in Kombination mit dem Mikrokanal eine Leitung zum Befördern der Probe defi niert. Ein Elektrospray-Emitter, der einen integrierten Ab schnitt des Substrats und/oder der Abdeckungsplatte dar stellt, steht von dem Mikrobauelement hervor. Das Mikrobau element liefert außerdem ein Probeneinlaßtor in Fluidkommu nikation mit der Leitung, wie es oben beschrieben ist. Der integrierte Elektrospray-Emitter ist geformt, um die Bil dung eines Taylor-Konus mit geringem Volumen von einer Pro be, die von dem Probenauslaßtor unter dem Einfluß eines elektrischen Felds herauskommt, zu ermöglichen.

Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Tonisieren einer Fluid probe in einer Sprühkammer. Das Verfahren umfaßt das Lie fern eines Mikrobauelements, das im allgemeinen wie oben beschrieben ist. Die Fluidprobe wird in ein Probeneinlaßtor injiziiert und durch das Innere des Mikrobauelements beför dert. Während die Fluidprobe von einem Probenauslaßtor ei nes Emitters heraus- und in eine Probeneinbringungsöffnung hineinkommt, wird dieselbe einem elektrischen Feld unterzo gen und bildet aufgrund der Form des Elektrospray-Emitters einen Taylor-Konus mit geringem Volumen. Als Folge werden Probenionen erzeugt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A bis 1C die zusammen als Fig. 1 bezeichnet werden, ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Elek trospray-Emitters eines Mikrobauelements, wobei das Mikrobauelement ein Substrat mit einer im we sentlichen planaren Oberfläche mit einem Mikroka nal auf derselben und eine Abdeckungsplatte um faßt;

Fig. 1A ein Vorform-Mikrobauelement in einer offenen Form, bei dem das Substrat und die Abdeckungs platte getrennt sind, wodurch der Mikrokanal auf der Substratoberfläche freigelegt ist;

Fig. 1B das Vorform-Mikrobauelement von Fig. 1A in einer geschlossenen Form, bei dem die Abdeckungsplatte mit der im wesentlichen planaren Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist und gegen dieselbe plaziert ist;

Fig. 1C das Vorform-Mikrobauelement von Fig. 1B mit Mate rial, das von derselben entfernt ist, um das Mi krobauelement mit dem integrierten Elektrospray- Emitter, der sich von einer frisch freigelegten äußeren Mikrobauelementoberfläche erstreckt, her zustellen;

Fig. 2A bis 2C die zusammen als Fig. 2 bezeichnet werden, ein alternatives Verfahren zum Herstellen eines her vorstehenden und integrierten Elektrospray- Emitters eines Mikrobauelements, bei dem das Mi krobauelement ein Substrat mit einer Oberfläche mit einem Mikrokanal auf derselben und eine Ab deckungsplatte umfaßt;

Fig. 2A ein festes Bauglied, das schließlich in die Ab deckungsplatte des Mikrobauelements geformt wird;

Fig. 2B das feste Bauglied von Fig. 2A mit Material, das von demselben entfernt wurde, um die Abdeckungs platte des Mikrobauelements herzustellen. Die Ab deckungsplatte weist eine äußere Oberfläche, die durch die Materialentfernung freigelegt wurde, und den integrierten Elektrospray-Emitter auf, der von der freigelegten Außenoberfläche hervor steht;

Fig. 2C das Mikrobauelement in einer offenen Form, das die Abdeckungsplatte von Fig. 2B und das Substrat mit der Oberfläche mit dem Mikrokanal auf demsel ben aufweist;

Fig. 3A und 3B die zusammen als Fig. 3 bezeichnet werden, Mate rialentfernung von einem festen Bauglied, um ei nen Elektrospray-Emitter zu formen;

Fig. 3A einen Elektrospray-Emitter mit einem quadrati schen Querschnittsbereich, der unter Verwendung von zwei Richtungsquellen von elektromagnetischer Strahlung von einer Richtung orthogonal zu der des Elektrospray-Emitters geformt ist;

Fig. 3B einen Elektrospray-Emitter mit einem kreisförmi gen Querschnittsbereich, der unter Verwendung ei ner Richtungsquelle von elektromagnetischer Strahlung von einer Richtung parallel zu der des Elektrospray-Emitters geformt ist;

Fig. 4A bis 4D die gemeinsam als Fig. 4 bezeichnet werden, ver schiedene Geometrien, in denen ein hervorstehen der integrierter Elektrospray-Emitter eines Mi krobauelements mit einem quadratischen Quer schnittsbereich geformt sein kann;

Fig. 4A einen quadratischen Standardemitter mit einem senkrechten flachen Endschnitt;

Fig. 4B einen quadratischen Emitter mit einem schrägen flachen Endschnitt;

Fig. 4C einen quadratischen Emitter mit einer zweidimen sional gebogenen konkaven Oberfläche, die benach bart zu einem Probenauslaßtor ist;

Fig. 4D einen quadratischen Emitter mit einer dreidimen sional gebogenen konkaven Oberfläche, die zu dem Probenauslaßtor benachbart ist;

Fig. 5A bis 5D die zusammen als Fig. 5 bezeichnet werden, ver schiedene Geometrien, in denen ein hervorstehen der integrierter Elektrospray-Emitter eines Mi krobauelements mit einem kreisförmigen Quer schnittsbereich geformt sein kann;

Fig. 5A einen runden Standardemitter mit einem senkrech ten flachen Endschnitt;

Fig. 5B einen runden Emitter mit einem schrägen flachen Endschnitt;

Fig. 5C einen runden Emitter mit einer zweidimensional gebogenen konkaven Oberfläche, die benachbart zu einem Probenauslaßtor ist;

Fig. 5D einen runden Emitter mit einer dreidimensional gebogenen konkaven Oberfläche, die zu dem Proben auslaßtor benachbart ist;

Fig. 6A und 6B die zusammen als Fig. 6 bezeichnet werden, eine vereinfachte Querschnittsansicht von zwei Elek trospray-Emittern;

Fig. 6A den Elektrospray-Emitter von Fig. 5A mit einer flachen Endoberfläche; und

Fig. 6B einen Elektrospray-Emitter mit einem Aufbau, der es einem festen Abschnitt des Elektrosprays er möglicht, einen Fluidabschnitt eines Taylor-Konus zu verschieben.

Bevor die Erfindung näher beschrieben wird, wird darauf hingewiesen, daß diese Erfindung, sofern nicht anders ange zeigt, nicht auf bestimmte Materialien, Komponenten oder Herstellungsprozesse beschränkt ist, da solche variieren können. Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß die hierin verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung spe zieller Ausführungsbeispiele dient und nicht beschränkend sein soll. Es wird angemerkt, daß die Singularformen "ein", "eine" und "der/die/das", wie sie in der Spezifikation und den angehängten Ansprüchen verwendet werden, Pluralbezug nahmen umfassen, außer der Zusammenhang schreibt dies deut lich anders vor. Somit umfaßt beispielsweise die Bezugnahme auf "ein Material" eine Mischung von Materialien, die Be zugnahme auf "die Leitung" umfaßt mehr als eine Leitung und dergleichen.

Bei dieser Spezifikation und in den folgenden Ansprüchen wird auf eine Anzahl von Begriffen Bezug genommen, die de finiert werden sollen, um die folgenden Bedeutungen aufzu weisen:

Der Begriff "Prägen" wird verwendet, um sich auf einen Pro zeß zum Bilden von Polymer-, Metall- oder Keramikformen durch in Kontaktbringen einer Prägungspreßform mit einem bereits bestehenden Rohteil aus Polymer, Metall oder Kera mik zu beziehen. Eine gesteuerte Kraft wird zwischen der Prägungspreßform und dem bereits existierenden Rohteil aus Material angelegt, so daß die Struktur und die Form, die durch die Prägungspreßform bestimmt werden, in das bereits existierende Rohteil aus Polymer, Metall oder Keramik ge drückt werden. Optional wird das bereits existierende Roh teil aus Material erwärmt, so daß es sich an die Preßform anpaßt, während eine gesteuerte Kraft zwischen der Prä gungsform und dem bereits existierenden Rohteil angelegt wird. Die resultierende Polymer-, Metall- oder Keramikform wird gekühlt und dann von der Prägungspreßform entfernt.

Der Begriff "Spritzgießen" wird verwendet, um sich auf ei nen Prozeß zum Formen von Kunststoff- oder Nichtkunststoff keramikformen durch Einspritzen einer abgemessenen Menge eines geschmolzenen Kunststoff- oder Keramiksubstrats in Preßformen (oder Formen) zu beziehen. Bei einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können miniaturi sierte Bauelemente unter Verwendung von Spritzgießen herge stellt werden.

Der Begriff "nacheinander" wird hierin verwendet, um sich auf eine Sequenz von Ereignissen zu beziehen. Wenn ein Flu id "nacheinander" durch ein Einlaßtor und eine Leitung ver läuft, verläuft das Fluid durch das Einlaßtor, bevor es durch die Leitung verläuft. "Nacheinander" bedeutet nicht unbedingt aufeinander folgend. Beispielsweise kann ein Flu id, das nacheinander durch ein Einlaßtor und durch ein Aus laßtor verläuft, auch durch eine Leitung verlaufen, nachdem es durch das Einlaßtor verlaufen ist und bevor es durch das Auslaßtor verläuft.

Die Begriffe "integriert" und "einstückig" werden hierin austauschbar verwendet, um sich auf einen nichtgetrennten Abschnitt eines festen Stücks zu beziehen. Beispielsweise bedeutet ein Substrat mit einem integrierten Elektrospray- Emitter, daß das Substrat und der Elektrospray-Emitter eine monolithische Einheit bilden. Wie hier verwendet, unter scheidet sich "integriert" von "befestigt" dadurch, daß ei ne Schnittstelle zwischen zwei befestigten Einheiten gebil det ist, während ein integrierter Abschnitt eines Objekts keine Schnittstelle mit dem verbleibenden Abschnitt des Ob jekts bildet. Somit umfaßt der Begriff "integrierter Elek trospray-Emitter" keinen vorgeformten Emitter, der in ein Mikrobauelement eingefügt und daran befestigt wird.

Der Begriff "LIGA-Verfahren" wird verwendet, um sich auf einen Prozeß zum Herstellen von Mikrostrukturen mit hohen Seitenverhältnissen und erhöhter struktureller Präzision unter Verwendung von Lithographie, Galvanobildung und Kunststofformung zu beziehen. Bei einem LIGA-Verfahren wer den strahlungsempfindliche Kunststoffe lithographisch mit einer hohen Energiebestrahlung unter Verwendung einer Syn chrotonquelle bestrahlt, um gewünschte Mikrostrukturen (wie z. B. Kanäle, Tore, Öffnungen und Mikroausrichtungseinrich tungen) zu erzeugen, und dadurch eine Primärschablone zu bilden.

Der Begriff "Mikroausrichtungseinrichtung" ist hierin defi niert, um sich auf jede Einrichtung zum Sicherstellen der genauen Mikroausrichtung von mikrohergestellten Merkmalen in einem Mikrobauelement zu beziehen. Eine Mikroausrich tungseinrichtung kann entweder durch Laserablation oder durch andere Verfahren zum Herstellen geformter Stücke ge bildet werden, die in der Technik gut bekannt sind. Typi sche Mikroausrichtungseinrichtungen, die hierin verwendet werden können, umfassen eine Mehrzahl von koaxial angeord neten Öffnungen, die in Komponententeilen mikrohergestellt sind, und/oder eine Mehrzahl von entsprechenden Merkmals substraten, z. B. Vorsprünge und Zusammenpaßvertiefungen, Rillen und Paßstege oder dergleichen. Eine alternative Aus richtungseinrichtung umfaßt Merkmalformen in Komponenten teilen, wie z. B. eine Stecker- und Verbindungsöffnung, ist aber nicht darauf beschränkt.

Der Begriff "Mikrobauelement" bezieht sich auf ein Bauele ment mit Merkmalen von Mikrometer- oder Submikrometerabmes sungen, und das in jeder Anzahl von chemischen Prozessen verwendet werden kann, die sehr kleine Mengen von Fluid um fassen. Solche Prozesse umfassen die Elektrophorese (z. B. CE oder MCE), die Chromatographie (z. B. µLC), Screening (Untersuchung) und Diagnose (unter Verwendung z. B. von Hy bridisierung oder anderer Bindungseinrichtungen) und chemi sche und biochemische Synthese (z. B. DNA-Verstärkung, wie sie unter Verwendung der Polymerkettenreaktion oder "PCR" durchgeführt werden kann), sind aber nicht darauf be schränkt. Die Merkmale der Mikrobauelemente werden für die spezielle Verwendung angepaßt. Beispielsweise umfassen Mi krobauelemente, die bei Trennungsprozessen, z. B. MCE, ver wendet werden, Mikrokanäle (hierin als "Mikrosäulen" be zeichnet, wenn dieselben umschlossen sind, d. h. wenn die Abdeckungsplatte auf der den Mikrokanal enthaltenden Sub stratoberfläche angeordnet ist) in der Größenordnung von 1 µm bis 200 µm im Durchmesser, typischerweise 5 µm bis 75 µm und etwa 0,1 bis 100 cm lang. Mikrobauelemente können einen oder mehrere Probenpräparationsabschnitte enthalten, z. B. Reaktionszonen zum Ändern einer Eigenschaft der Fluidprobe mit einem Volumen von etwa 1 nl bis 1.000 nl, typischerwei se etwa 10 nl bis 200 nl.

Der Begriff "Triebkraft" wird verwendet, um sich auf jede Einrichtung zum Induzieren von Bewegung einer Probe entlang einer Säule bei einer Flüssigphasenanalyse zu beziehen, und umfaßt das Anlegen eines elektrischen Potentials über jeden Abschnitt der Säule, das Anlegen eines Druckdifferentials über jeden Abschnitt der Säule oder eine Kombination der selben.

Der Begriff "nichtmechanische Materialentfernungstechnik" bezieht sich auf eine Materialentfernungstechnik, die kei nen physikalischen Kontakt zwischen einer festen Schnitt oberfläche und einem festen Bauglied erfordert, von dem Ma terial entfernt wird. Beispielsweise bildet das Entfernen von Material von einem festen Bauglied durch Abrieb mit Po liermedien, wie z. B. Teilchen mit einer Härte, die größer oder gleich ist wie die Härte des festen Bauglieds, eine mechanische Materialentfernung. Beispiele von nichtmechani schen Materialentfernungstechniken umfassen Laserablation, Plasmaätzen, chemisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen und photochemisches Ätzen, sind aber nicht darauf beschränkt.

"Optional", wie es hierin verwendet wird, bedeutet, daß das nachfolgend beschriebene Merkmal oder die nachfolgend be schriebene Struktur vorliegen kann oder nicht, oder daß das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der Umstand auftre ten kann oder nicht, und daß die Beschreibung Fälle umfaßt, in denen ein spezielles Merkmal oder eine spezielle Struk tur vorliegt, und Fälle, in denen das Merkmal oder die Struktur nicht vorliegt, oder Fälle, in denen das Ereignis oder der Umstand auftritt, und Fälle, in denen dies nicht geschieht.

Der Begriff "Scheitelpunkt" wird verwendet, um sich auf ei nen Punkt auf einem dreidimensionalen Objekt zu beziehen, der zwei oder mehreren "Kanten" gemeinsam ist. Wie er hier in verwendet ist, bezieht sich der Begriff "Kante" auf ei nen äußeren Abschnitt eines dreidimensionalen Objekts, der einen Übergang zwischen zumindest zwei Oberflächen defi niert, von denen einige oder alle planar oder gebogen sein können. Beispielsweise weist eine Kugel keine Kanten und daher keinen Scheitelpunkt auf. Ein Zylinder weist zwei Kanten, aber keinen Scheitelpunkt auf, weil sich diese zwei Kanten nicht schneiden. Ein Würfel weist zwölf Kanten und acht Scheitelpunkte auf. Eine "Oberfläche" eines dreidimen sionalen Objekts mit der Ausnahme von kantenlosen Objekten, wie z. B. Kugeln und Toroide, wird im allgemeinen durch zu mindest eine Kante begrenzt. Beispielsweise umfaßt ein Zy linder drei Oberflächen, die aus zwei planaren kreisförmi gen Oberflächen bestehen, von denen jede durch eine kreis förmige Kante begrenzt ist, und eine gebogene Oberfläche, die durch zwei Kanten begrenzt ist. Ein Würfel weist sechs quadratische Oberflächen auf, von denen jede durch vier Kanten begrenzt ist.

Die Erfindung ist hierin mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Jede Figur, auf die hierin Bezug genommen wird, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen be zeichnet werden, ist nicht maßstabsgetreu und bestimmte Di mensionen können für die Klarheit der Darstellung übertrie ben sein.

Fig. 1 stellt ein Verfahren zum Herstellen eines integrier ten Elektrospray-Emitters eines Mikrobauelements dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Vorform-Mikrobauelement 10 aus einem Substrat 12 und einer Abdeckungsplatte gebil det. Fig. 1A stellt das Vorform-Mikrobauelement in einer offenen Form dar. Das Substrat 12 umfaßt im allgemeinen ei ne erste und eine zweite im wesentlichen planare gegenüber liegende Oberfläche, die sich gegenüberliegen und bei 14 bzw. 16 angezeigt sind, und besteht aus einem Material, das bezüglich der Probe im wesentlichen inert bzw. inaktiv ist. Das Substrat 12 weist einen Probenmikrokanal 18 in der er sten planaren Oberfläche 14 auf. Der Probenmikrokanal endet an einem Ende in einem Probeneinlaßende 20 und an einem an deren Ende in einem Probenauslaßende 22. Es ist offensicht lich, daß Probenmikrokanäle eine Vielzahl von Konfiguratio nen aufweisen können, wie z. B. in einem geraden, serpenti nenförmigen, spiralförmigen oder jedem gewünschten gewunde nen Weg, obwohl der Probenmikrokanal 18 in einer allgemein ausgedehnten Form dargestellt wird. Ferner kann der Proben mikrokanal in einer Vielzahl von Kanalquerschnittsgeometri en gebildet sein, einschließlich halbkreisförmig, rechtec kig, rhomboidisch bzw. rautenförmig und dergleichen, und die Kanäle können in einem großen Bereich von Seitenver hältnissen gebildet sein. Es wird außerdem angemerkt, daß ein Bauelement mit einer Mehrzahl von Probenmikrokanälen auf demselben in die Wesensart der Erfindung fällt. Optio nal kann die erste planare Oberfläche 14 des Substrats an dere Merkmale, wie z. B. Hohlräume, Öffnungen, zusätzliche Mikrokanäle und dergleichen, umfassen, abhängig von der ge wünschten Funktion/den gewünschten Funktionen des Mikrobau elements. Wie dargestellt, ist ein solches Merkmal eine Re servoireinrichtung 24 auf dem Bauelement, die aus einem Hohlraum in der ersten planaren Oberfläche 14 gebildet ist. Der Hohlraum kann in jeder Geometrie und mit jedem Seiten verhältnis gebildet werden, nur beschränkt durch die Ge samtdicke des Substrats 12, um eine Reservoireinrichtung mit einem gewünschten Volumen zu liefern. Die Reservoirein richtung kann verwendet werden, um z. B. ein Ausgleichs- Flußfluid oder eine Fluidregelungsfunktion zu liefern. Die Reservoireinrichtung 24 ist über den Ausgleichs- Fluidmikrokanal 26 in der ersten planaren Oberfläche 12 in Fluidkommunikation mit dem Probenmikrokanal 18.

Die Abdeckungsplatte 30 ist mit einer im wesentlichen pla na ren Abdeckungsplattenoberfläche 36 vorgesehen, die in der Lage ist, eine enge Schnittstelle mit der ersten planaren Oberfläche 14 des Substrats 12 zu bilden. Wie es in Fig. 1B gezeigt ist, ist das Mikrobauelement in einer geschlossenen Form, bei der die Abdeckungsplatte 30 über der ersten pla naren Oberfläche 14 angeordnet ist. In Verbindung mit dem Probeneinlaßende 20, dem Probenmikrokanal 18 und dem Probe nauslaßende 22 auf der ersten planaren Substratoberfläche 11 definiert die Abdeckungsplattenoberfläche 36 ein Proben einlaßtor, eine Probenleitung bzw. ein Probenauslaßtor zum Befördern der Probe. Ferner bildet die Abdeckungsplatten oberfläche 36 in Verbindung mit der Reservoireinrichtung 24 ein Reservoirabteil und gleichartig dazu in Kombination mit dem Ausgleichs-Fluidmikrokanal 26 eine Ausgleichs- Fluidleitung, die Fluidkommunikation zwischen dem Reser voirabteil und der Probenleitung ermöglicht. Die Abdek kungsplatte 30 kann aus jedem geeigneten Material zum Bil den des Substrats 12 gebildet werden, wie nachfolgend be schrieben ist. Ferner kann die Abdeckungsplatte 30 befe stigbar über der ersten planaren Oberfläche 14 ausgerichtet sein, um sicherzustellen, daß die Leitung, das Reservoirab teil und das fluidleitende Abteil unter Verwendung von Druckabdichtungstechniken flüssigkeitsfest sind, unter Ver wendung von externen Einrichtungen, um die Stücke zusammen zuzwingen (wie z. B. Klammern, Spannfedern oder eine zuge ordnete Klemmvorrichtung), oder durch Verwenden von Haft mitteln, die in der Technik zum Binden von Polymeren, Kera mik und dergleichen gut bekannt sind.

Wie es in Fig. 1A gezeigt ist, können das Substrat und die Abdeckungsplatte in einem einzigen, festen, flexiblen Stück gebildet sein. Das flexible Substrat umfaßt einen ersten und einen zweiten Abschnitt, die dem Substrat 12 und der Abdeckungsplatte 30 entsprechen, wobei jeder Abschnitt eine im wesentlichen planare innere Oberfläche aufweist. Der er ste und der zweite Abschnitt sind durch zumindest eine Falteinrichtung getrennt, die im allgemeinen bei 32 ange zeigt ist, so daß die Abschnitte ohne weiteres gefaltet werden können, um übereinander zu liegen. Die Falteinrich tung 32 kann eine Reihe von voneinander beabstandeten Per forationen umfassen, die in dem flexiblen Substrat abgetra gen sind, eine Reihe voneinander beabstandeten schlitzarti gen Vertiefungen oder Öffnungen, die abgetragen wurden, um sich nur teilweise durch das flexible Substrat zu erstrec ken, oder dergleichen. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, Rauten-, hexagonale oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimm ten geraden Linie unterstützen. Die Falteinrichtung 32 dient dazu, die Abdeckungsplatte mit dem Substrat 12 auszu richten. Alternativ kann die Abdeckungsplatte 30 aus einer getrennten Komponente gebildet werden, d. h. getrennt von dem Substrat. Eine getrennte Abdeckungsplatte kann jedoch eine Mikroausrichtungseinrichtung erfordern, die hierin be schrieben ist oder für einen Durchschnittsfachmann auf die sem Gebiet bekannt ist, um die Abdeckungsplatte mit dem Substrat auszurichten.

Wie das Substrat kann die Abdeckungsplatte 30 des oben be schriebenen Bauelements außerdem eine Vielzahl von Merkma len, wie z. B. Öffnungen, Mikrokanäle, Hohlräume, umfassen, die darin gebildet wurden. Beispielsweise kann ein optiona les Ausgleichs-Fluidtor 34, z. B. in der Form einer Öffnung auf der Abdeckungsplatte 30, die in Fig. 1A gezeigt ist, angeordnet werden, um mit dem Reservoir 24 auf dem Bauele ment zu kommunizieren, um den Verlauf von Ausgleichs-Fluid zu ermöglichen, um das Reservoir 24 auf dem Bauelement zu füllen, wenn die Abdeckungsplatte 30 über der ersten plana ren Oberfläche 14 angeordnet ist. Insbesondere kann, falls gewünscht wird, z. B. daß die Leitung einen kreisförmigen Querschnittsbereich aufweist, ein Zusammenpaßmikrokanal mit einem halbkreisförmigen Querschnittsbereich auf der Ober fläche der Abdeckungsplatte gebildet werden, die mit der ersten Oberfläche des Substrats in Kontakt ist. Ein solcher Zusammenpaßmikrokanal in Kombination mit einem anderen Mikrokanal, der einen halbkreisförmigen Mikrokanal aufweist, der auf der ersten Oberfläche des Substrats gebildet ist, kann eine Leitung mit einem kreisförmigen Querschnitt bilden.

Fig. 1C zeigt eine geschlossene Form des Mikrobauelements von Fig. 1B mit Material, das sowohl von der Oberfläche als auch von der Abdeckungsplatte entfernt wurde. Gepunktete Linien zeigen die Position von Material an, das von dem Vorform-Mikrobauelement entfernt wurde. Das Entfernen des Materials bildet eine neue Mikrobauelementaußenoberfläche 40 und einen integrierten Elektrospray-Emitter 42, der da von hervorsteht. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß das Material unter Verwendung einer nichtmechanischen Materialentfernungstechnik entfernt wird, die sich nicht auf die Verwendung von Photoresistmaskierung verläßt. Bei spiele solcher Techniken umfassen, sind aber nicht be schränkt auf, Ionenstrahlätzen, Laserablation, photochemi sches Ätzen und Elektronenstrahlätzen. Wie gezeigt ist, weist der Elektrospray-Emitter einen quadratischen Quer schnittsbereich auf. Der Emitter kann jedoch ferner geformt sein, um eine von einer Vielzahl von Geometrien zu bilden, wie sie nachfolgend erörtert werden. Als Folge bildet das Verfahren ein Mikrobauelement 10 mit einem hervorstehenden und integrierten Elektrospray-Emitter 42 zum Einbringen ei ner Fluidprobe in eine Sprühkammer. Beim Betrieb ist das Mikrobauelement 10 wirksam mit einer Sprühkammer (nicht ge zeigt) verbunden, und eine Fluidprobe von der externen Quelle fließt in einem Probenflußweg, der nacheinander durch das Probeneinlaßtor, die Leitung und das Probenaus laßtor auf dem Elektrospray-Emitter und in die Sprühkammer verläuft. Die Probe wird geladen und in Tröpfchen disper giert, während dieselbe von dem Probenauslaßtor heraus und in die Sprühkammer kommt. Optional ist Trocknungsgas zum Verdampfen vorgesehen, um gasförmige Ionen zu bilden.

Fig. 2 stellt eine weitere Version des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines integrierten Elektrospray- Emitters eines Mikrobauelements dar. Ein festes Bauglied 30, das schließlich geformt wird, um eine Abdeckungsplatte eines Mikrobauelements 10 zu bilden, ist in Fig. 2A ge zeigt. Das feste Bauglied 30 umfaßt im wesentlichen plana re, einander gegenüberliegende Oberflächen, die bei 35 und 36 angezeigt sind. Ein Probeneinlaßtor 37 und ein Auslaßtor 38 sind gebildet und erstrecken sich jeweils durch das fe ste Bauglied 30 und liefern einen Durchgang zwischen der Oberfläche 35 und der Oberfläche 36. Von der Oberfläche 35 wird Material entfernt, um die Oberfläche 40 und einen in tegrierten Elektrospray-Emitter 42 freizulegen, der sich von derselben erstreckt, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Das Material wird unter Verwendung einer nichtmechanischen Ma terialentfernungstechnik entfernt, die, wie oben beschrie ben ist, keine Verwendung von Photoresistmaskierung erfor dert. Auf diese Weise kann das feste Bauglied in eine Ab deckungsplatte 30 (oder ein Substrat) des Mikrobauelements 10 umgewandelt werden, wobei die Oberfläche 40 eine Außen oberfläche des Mikrobauelements darstellt.

Fig. 2C stellt das Mikrobauelement 10 in einer offenen Form dar. Dieses Mikrobauelement 10 umfaßt eine Abdeckungsplatte 30 und ein Substrat 12. Das Substrat 12 umfaßt im allgemei nen eine erste und zweite im wesentlichen planare, einander gegenüberliegende Oberflächen, die bei 14 bzw. 16 angezeigt sind, und wird aus einem Material ausgewählt, das bezüglich der Probe im wesentlichen inert ist. Das Substrat 12 weist auf der ersten planaren Oberfläche 14 einen Probenmikroka nal 18 auf. Der Probenmikrokanal 18 weist ein Probeneinla ßende 20 an einem Ende und ein Probenauslaßende 22 an einem anderen Ende auf. Die Oberfläche 36 der Abdeckungsplatte 30 ist in der Lage, mit der ersten planaren Oberfläche 14 des Substrats 12 eine enge Schnittstelle zu bilden. Die Abdec kungsplatte 30 ist über der ersten planaren Oberfläche 14 angeordnet und definiert in Kombination mit dem Probenmi krokanal 18 eine Probenleitung zum Befördern der Probe. Ferner kann die Abdeckungsplatte 30 befestigbar über der ersten planaren Oberfläche 14 ausgerichtet sein, um durch eine Mikroausrichtungseinrichtung, wie sie oben beschrieben ist oder für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, eine Flüssigkeitsdichtheit sicherzustellen. Insbesondere kann das Probeneinlaßtor 37 angeordnet werden, um mit dem Probeneinlaßende 20 des Probenmikrokanals 22 zu kommunizieren. Das Probeneinlaßtor 37 ermöglicht den Durch gang von Fluid von einer externen Quelle (nicht gezeigt) in den Probenmikrokanal 18, wenn die Abdeckungsplatte 30 über der ersten planaren Oberfläche 14 angeordnet ist. Gleichar tig dazu kann das Probenauslaßtor 38 angeordnet sein, um mit dem Probenauslaßende 22 zu kommunizieren. Beim Betrieb ist die Abdeckungsplatte 30 befestigbar mit dem Substrat ausgerichtet und das Mikrobauelement ist wirksam mit einer Sprühkammer (nicht gezeigt) verbunden. Die Fluidprobe von der externen Quelle fließt in einem Probenflußweg, der nacheinander durch das Probeneinlaßtor 37, die Leitung und das Probenauslaßtor 38 auf dem Elektrospray-Emitter 42 und in die Sprühkammer fließt. Die Probe wird geladen und in Tröpfchen dispergiert, während dieselbe von dem Probenaus laßtor 38 heraus in die Sprühkammer kommt. Optional ist Trocknungsgas vorgesehen, um die Tröpfchen zu verdampfen, um gasförmige Ionen zu bilden, die zu einem Analysegerät, wie z. B. einem Massenspektrometer, geliefert werden.

Die Materialien, die verwendet werden, um das Substrat und die Abdeckungsplatte in dem Mikrobauelement der Erfindung, wie oben beschrieben, zu bilden, werden bezüglich physika lischer und chemischer Charakteristika ausgewählt, die für die Probenhandhabung und den Elektrospray-Vorgang wün schenswert sind. In allen Fällen muß das Substrat aus einem Material hergestellt sein, das die Bildung von Merkmalen mit hoher Definiertheit (oder hoher Auflösung) ermöglicht, d. h. Mikrokanälen, Kammern und dergleichen, die Mikrome ter- oder Submikrometerabmessungen aufweisen. Das heißt, das Material muß für eine Mikrobearbeitung unter Verwendung von z. B. Trockenätzen, Naßätzen, Laserätzen, Formen, Prä gen oder dergleichen geeignet sein, um gewünschte miniatu risierte Oberflächenmerkmale aufzuweisen; vorzugsweise ist das Substrat geeignet, auf solche Weise mikrobearbeitet zu werden, um Merkmale in, auf und/oder durch die Oberfläche des Substrats zu bilden. Mikrostrukturen können auch auf der Oberfläche eines Substrats gebildet werden durch Hinzu fügen von Material zu demselben, beispielsweise können Po lymerkanäle auf der Oberfläche eines Glassubstrats unter Verwendung von photobelichtbarem Polyimid gebildet werden. Außerdem sollten alle verwendeten Bauelementmaterialien be züglich jeder Substanz, mit der dieselben in Kontakt kommen im wesentlichen chemisch inert und physikalisch stabil sein, wenn dieselben verwendet werden, um eine Fluidprobe einzubringen (z. B. bezüglich pH, elektrischen Feldern, usw.). Geeignete Materialien zum Bilden der vorliegenden Bauelemente umfassen Polymermaterialien, Keramik (ein schließlich Aluminiumoxid und dergleichen), Glas, Metalle, Verbindungen und Laminate derselben, sind aber nicht darauf beschränkt.

Darüber hinaus muß der Abschnitt des Mikrobauelements, von dem der integrierte Elektrospray-Emitter gebildet wird, aus einem Material bestehen, das unter Verwendung einer nicht mechanischen Materialentfernungstechnik entfernt werden kann. Elektrospray-Emitter können aus einem leitfähicren Ma terial und/oder einem isolierenden Material bestehen, d. h. ein Material mit einer Widerstandsfähigkeit von nicht weni ger als etwa 10^-3 Ohm/cm. Polymermaterialien werden hierbei besonders bevorzugt und sind typischerweise organische Po lymere, die entweder Homopolymere oder Copolymere sind, die natürlich auftreten oder synthetisch vernetzt oder nicht vernetzt sind. Spezifische Polymere von Interesse umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Polyimide, Polyketone, Po lykarbonate, Polyester, Polyamide, Polyether, Polyurethane, Polyfluorkarbonate, Polystyrene, Poly-(Acrylonitril- Butadien-Styren) (ABS), Acrylate und Acrylsäurepolymere, wie z. B. Polymethylmethacrylat, und andere substituierte und nicht substituierte Polyolefine und Copolymere dersel ben. Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Biobe wuchs sind Polyimide und Polyketone von speziellem Interes se und sind ein sehr wünschenswertes Substratmaterial in einer Anzahl von Zusammenhängen. Polyimide sind im Handel erhältlich, z. B. unter dem Markennamen Kapton® (DuPont, Wilmington, DE) und Upilex® (Ube Industries, Ltd., Japan). Außerdem wurde herausgefunden, daß Polyetheretherketon (PEEK) eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber Biobewuchs zeigt und daher ein bevorzugtes Polyketon ist.

Die Elemente der Erfindung können auch aus einem "Verbund stoff" hergestellt sein, d. h. einem Verbundstoff, der aus ungleichen Materialien besteht. Der Verbundstoff kann ein Blockverbundstoff sein, z. B. ein A-B-A-Blockverbundstoff, ein A-B-C-Blockverbundstoff oder dergleichen. Alternativ kann der Verbundstoff eine heterogene Kombination von Mate rialien sein, d. h. bei dem sich die Materialien von ge trennten Phasen unterscheiden, oder eine homogene Kombina tion von ungleichen Materialien. Wie hierin verwendet, wird der Begriff "Verbundstoff" verwendet, um einen "Laminat"- Verbundstoff zu umfassen. Ein "Laminat" bezieht sich auf ein Verbundstoffmaterial, das aus mehreren unterschiedli chen verbundenen Schichten aus identischen oder unter schiedlichen Materialien gebildet ist. Andere bevorzugte Verbundstoffsubstrate umfassen Polymerlaminate, Polymer- Metall-Laminate, z. B. Polymer überzogen mit Kupfer, einen Keramik-in-Metall- oder einen Polymer-in-Metall- Verbundstoff. Ein bevorzugtes Verbundstoffmaterial ist ein Polyimidlaminat, das aus einer ersten Schicht von Polyimid, wie z. B. Kapton®, erhältlich von DuPont (Wilmington, Dela ware), gebildet ist, die mit einer zweiten dünnen Schicht aus einem thermischen Haftmaterial coextrudiert ist, das aus einem Polyimid gebildet ist, das als KJ® bekannt ist und ebenfalls von DuPont (Wilmington, Delaware) erhältlich ist.

Aufgrund der Nachteile im Zusammenhang mit der Verwendung vom Photoresist erfordert die bevorzugte Materialentfer nungstechnik keine Verwendung von Photoresist, um den Elek trospray-Emitter mit dimensionaler Präzision zu formen. Beispielsweise kann herkömmliches chemisches Ätzen nicht verwendet werden, um Merkmale des Mikrobauelements mit di mensionaler Präzision ohne Photoresistmaskierung zu ätzen. Andererseits ermöglicht Laserablation dimensional präzises Formen des Elektrospray-Emitters und ist daher eine bevor zugte Materialentfernungstechnik zum Herstellen des inte grierten Emitters des vorliegenden Mikrobauelements. Bei der Laserablation werden kurze Impulse von intensivem ul traviolettem Licht in einer dünnen Oberflächenschicht von Material absorbiert. Bevorzugte Impulsenergien sind größer als etwa 100 mJ pro cm² und die Impulsdauern sind kürzer als etwa 1 Mikrosekunde. Unter diesen Bedingungen photo dissoziiert das intensive ultraviolette Licht die chemi schen Verbindungen in der Substratoberfläche. Die absor bierte ultraviolette Energie wird in einem solchen kleinen Materialvolumen konzentriert, daß sie die dissoziierten Fragmente sehr schnell erwärmt und dieselben von der Sub stratoberfläche ausstößt. Weil diese Prozesse so schnell auftreten, hat die Wärme keine Zeit, sich zu dem umgebenden Material auszubreiten. Als Folge wird die umgebende Region nicht geschmolzen oder anderweitig beschädigt, und der Um fang der ablatierten Merkmale kann die Form des einfallen den optischen Strahls mit einer Präzision auf der Skala von etwa 1 Mikrometer oder weniger reproduzieren. Die Lasera blation umfaßt typischerweise die Verwendung eines Hoch energie-Photonenlasers, wie z. B. eines Excimerlasers des F₂-, ArF-, KrCl-, KrF- oder XeCl-Typs. Andere ultraviolette Lichtquellen mit im wesentlichen den gleichen optischen Wellenlängen und Energiedichten können ebenfalls verwendet werden. Laserablationstechniken werden beispielsweise von Znotins u. a. (1987), Laser Focus Electro Optics, Seiten 54-70, und in den U. S.-Patenten Nr. 5,291,226 und 5,305,015 an Schantz u. a. beschrieben. Laserablation wird ebenfalls bevorzugt zum Bilden von anderen Merkmalen des Mikrobauele ments außer dem hervorstehenden Elektrospray-Emitter.

Eine weitere bevorzugte Technik zum Bilden des Elektro spray-Emitters ist photochemisches Ätzen. Photochemisches Ätzen ist ein Prozeß, bei dem ein festes Bauglied einem chemischen Ätzmittel ausgesetzt wird. Das Ätzmittel ent fernt im wesentlichen kein Material von dem festen Bau glied, solange kein Licht vorliegt. Somit kann durch Ein tauchen des festen Bauglieds in das Ätzmittel und Richten von Licht, z. B. durch Verwenden eines Lasers, auf Bereiche des festen Bauglieds, von dem Materialentfernung erwünscht wird, der Elektrospray-Emitter der Erfindung ohne Verwen dung von Photoresist gebildet werden.

Fig. 3 stellt zwei Möglichkeiten dar, wie eine oder mehrere Quellen von elektromagnetischer Strahlung positioniert wer den können, um Material von einem festen Bauglied zu ent fernen, um den integrierten Elektrospray-Emitter zu formen. Wie hierin verwendet, bezieht sich festes Bauglied auf die Abdeckungsplatte, das Substrat oder eine einzelne oder mehrfach geschichtete Struktur, die die Abdeckung und/oder das Substrat umfaßt. Unter Verwendung des bevorzugten Ver fahrens von Laserablation als ein Beispiel können Elektro spray-Emitter auf eine Weise hergestellt werden, die dem Betrieb einer Standardfräsmaschine ähnlich ist. Fig. 3A stellt einen integrierten Elektrospray-Emitter 42 dar, der von einem Mikrobauelement 10 hervorsteht und einen quadra tischen Querschnittsbereich aufweist. Der Emitter ist unter Verwendung von Laserablation von einer Richtung orthogonal zu der Vorsprungsrichtung geformt. Zwei Laser können auf gegenüberliegende Weise positioniert sein, um aufeinander folgende Schichten von einem festen Bauglied zu entfernen, wie es durch die Pfeile L angezeigt ist, um den Elektro spray-Emitter 42 zu bilden. Gepunktete Linien zeigen die Position von entfernten Schichten an. Alternativ kann ein Laser verwendet werden, um aufeinanderfolgende Schichten wie oben zu entfernen, aber jeweils nur von einer Richtung zu einem Zeitpunkt. Als noch eine weitere Alternative kann Material unter Verwendung von einem Laser in einer Richtung parallel zu der des schließlich gebildeten Elektrospray- Emitters entfernt werden. Fig. 3B stellt beispielsweise ei nen integrierten Elektrospray-Emitter 42 dar, der von einem Mikrobauelement 10 hervorsteht und einen kreisförmigen Querschnittsbereich aufweist. Der Emitter wird unter Ver wendung von Laserablation von einer Richtung, die durch den Pfeil L angezeigt ist und parallel zu der Vorsprungsrich tung ist, geformt. Jeder Laserimpuls während einem Inkre ment in der Zeit schneidet ein Stück des Materials, um den Emitter zu bilden. Aufeinanderfolgende zylindrische Ab schnitte werden entfernt, wie es durch die gepunkteten Li nien angezeigt ist, bis nur die gewünschte Form zurück bleibt. Es sollte offensichtlich sein, daß das Formen des Elektrospray-Emitters erfordert, daß entweder das Bauglied, der Laser oder beide auf spezifische Weise bewegt werden, um eine richtige Materialentfernung sicherzustellen.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Materialentfer nungstechniken kann ein Mikrobauelement zum Senden einer Fluidprobe in eine Sprühkammer geformt werden. Der inte grierte Elektrospray-Emitter ist geformt, um die Bildung eines Taylor-Konus mit kleinem Volumen zu ermöglichen und eine akzeptable Geometrie zu liefern, um eine optimale Io nisierung der Probe zu ermöglichen.

Fig. 4 stellt verschiedene Elektrospray-Emitter mit einem quadratischen Querschnittsbereich dar. Jeder Emitter 42 stellt einen integrierten Abschnitt eines Mikrobauelements 10 dar. Obwohl jeder Emitter als orthogonal von einer äuße ren Oberfläche 40 des Mikrobauelements 10 hervorstehend ge zeigt ist, das als eine Basis des Emitters dient, ist die Orthogonalität keine Bedingung. An dem Ende des Elektro spray-Emitters, d. h. dem Abschnitt des Emitters, der am weitesten von der Basis entfernt ist, befindet sich ein Probenauslaßtor 38, von dem eine Probe, die durch das Mi krobauelement 10 fließt, herauskommt und ionisiert wird. Angrenzend an das Probenauslaßtor 38 befindet sich eine Endoberfläche 50. Die Länge des Elektrospray-Emitters, d. h. der Abstand von der Basis zu dem Ende des Emitters, ist ausgewählt, um sicherzustellen, daß das elektrische Feld an dem Ende des Emitters mit dem verbleibenden Abschnitt des Mikrobauelements 10 nicht nachteilig interagiert. Eine Mög lichkeit zum Bilden eines Taylor-Konus mit einem kleinen Volumen ist es, den Endoberflächenbereich zu minimieren. Fig. 4A stellt einen einfachen quadratischen Emitter 42 mit einem senkrechten flachen Endschnitt mit einem kleinen Be reich dar, d. h. die Endoberfläche 50 ist im wesentlichen planar und senkrecht zu der Länge des Emitters. Die End oberfläche, die durch diesen senkrechten flachen Schnitt erzeugt wird, weist vier Scheitelpunkte 52 auf. Diese Scheitelpunkte werden an der Schnittstelle zwischen den Kanten 54 der Endoberfläche und den Kanten 55 des Elektro spray-Emitters gebildet, die sich von der Endoberfläche zu der Basis des Elektrospray-Emitters erstrecken. Obwohl die Geometrie dieser Emitteroberfläche in bestimmten Fällen die Bildung eines Taylor-Konus mit einem reduzierten Volumen erlauben kann, wurde herausgefunden, daß sich Fluid gele gentlich dochtförmig entwickelt oder entlang den Kanten 55, die sich entlang der Länge des Elektrospray-Emitters 42 und weg von der Endoberfläche 50 spannen, verläuft. Als eine Folge ist die Leistung des Elektrospray-Emitters beein trächtigt. Es ist jedoch vorteilhaft, eine Endoberfläche 50 zu bilden, die im wesentlichen planar ist, weil planare Oberflächen im allgemeinen leichter gebildet werden als ge bogene Oberflächen.

Fig. 4B stellt einen quadratischen Emitter 42 mit einem schrägen flachen Endschnitt dar, der eine Verbesserung im Vergleich zu dem in Fig. 4B gezeigten Emitter darstellt. Abgesehen von dem schrägen flachen Endschnitt ist dieser Emitter mit dem in Fig. 4A dargestellten identisch. Obwohl die Endoberfläche ebenfalls vier Scheitelpunkte 52 auf weist, sind die Scheitelpunkte weiter von dem Auslaßtor 38 entfernt, als in Fig. 4A gezeigt ist. Als Folge ist es we niger wahrscheinlich, daß eine Probe, die von dem Proben auslaßtor 38 des Emitters 42 herauskommt, die Kanten 55 er reicht, die sich entlang der Elektrospray-Emitterlänge spannen, wie es in Fig. 4A der Fall ist.

Gleichartig dazu stellen die in Fig. 4C und 4D dargestell ten Emitter eine Verbesserung im Vergleich zu dem in Fig. 4A dargestellten Emitter dar. Fig. 4C stellt einen quadra tischen Emitter 42 mit einer zweidimensional gebogenen kon kaven Endoberfläche 50 dar und Fig. 4D stellt einen quadra tischen Emitter 42 mit einer dreidimensional gebogenen kon kaven Endoberfläche 50 dar. Für jeden der Emitter, die in den Fig. 4C und 4D dargestellt sind, sind aufgrund der Kon kavität der Endoberflächen die Winkel, die zwischen der Endoberfläche 50 und den Kanten 55, die sich über die Länge der Emitter spannen, scharf, d. h. sehr spitz. Es wird an genommen, daß die spitzen Winkel die Fluidprobe auf der Endoberfläche davon abhalten, sich dochtförmig zu entwic keln oder entlang der Kanten 55, die sich über den Elektro spray-Emitter spannen, zu verlaufen, wie es in Fig. 4A der Fall ist. Als Folge sollten die Emitter, die in Fig. 4C und 4D dargestellt sind, im allgemeinen eine bessere Leistungs fähigkeit zeigen als die Emitter, die in Fig. 4A und 4B dargestellt sind. Der in Fig. 4D dargestellte Emitter soll te einen höheren Grad an Symmetrie zeigen als der in Fig. 40 dargestellte Emitter und wird daher bevorzugt, wenn eine solche Symmetrie für die Ionisierung unter Verwendung eines speziellen elektrischen Felds gewünscht ist.

Aus der obigen Erörterung ist offensichtlich, daß ein Scheitelpunkt an der Endoberfläche aufgrund von ungesteuer tem Fluidfluß ein problematischer Bereich bezüglich der Taylor-Konusbildung sein kann. Somit ist es vorzuziehen, daß die Endoberfläche keinen Scheitelpunkt aufweist. Ein Elektrospray-Emitter mit einem kreisförmigen Querschnitts bereich an der Endoberfläche kann beispielsweise keinen Scheitelpunkt aufweisen. Ein im wesentlichen kreisförmiger Querschnitt wird bevorzugt.

Fig. 5 stellt verschiedene Elektrospray-Emitter mit einem kreisförmigen Querschnittsbereich dar. Jeder Emitter stellt einen integrierten Abschnitt eines Mikrobauelements dar. diese Emitter sind ähnlich wie diejenigen in Fig. 4, außer daß statt dem quadratischen Querschnittsbereich der Quer schnitt dieser Emitter kreisförmig ist. Beispielsweise ist jeder Emitter wie die Emitter von Fig. 4 als orthogonal von einer Außenoberfläche des Mikrobauelements hervorstehend gezeigt, das als eine Basis des Emitters dient. Wieder ist jedoch Orthogonalität keine Bedingung. Fig. 5A stellt einen kreisförmigen Standardemitter mit einem senkrechten flachen Endschnitt mit einem kleinen Bereich dar, d. h. die End oberfläche ist im wesentlichen planar und senkrecht zu der Länge des Emitters. Die Endoberfläche, die durch diesen senkrechten flachen Schnitt erzeugt wird, weist eine kreis förmige Kante 54 auf, aber keinen Scheitelpunkt. Ohne eine Kantenschnittstelle der Endkante des Elektrospray-Emitters, ist das potentielle dochtförmige Wegentwickeln des Proben fluids von der Endoberfläche geringer. Gleichartig dazu zeigen die Fig. 5B, 5C und 5D jeweils einen kreisförmigen Emitter mit einem Endschnitt, der dem Endschnitt der in Fig. 4B, 4C bzw. 4D dargestellten Emitter entspricht. Die Merkmale der Emitter von Fig. 4 und Fig. 5 sind gleichartig numeriert. Diese Emitter zeigen eine verbesserte Leistung, gleichartig zu derjenigen, die durch ihre quadratischen Ge genstücke gezeigt wird, mit einem reduziertem Potential für Fluid, sich dochtförmig von der Endoberfläche wegzuentwic keln, aufgrund des kreisförmigen Querschnittsbereichs.

Fig. 6 stellt einen weiteren Aufbau für einen Elektrospray- Emitter dar. Der Aufbau umfaßt das Bereitstellen einer Elektrospray-Emittergeometrie, die es einem Endabschnitt des Emitters ermöglicht, das Probenvolumen des Taylor-Konus zu verschieben und dadurch das Probenvolumen des Konus zu verringern. Um den Unterschied zwischen dieser Geometrie und der Geometrie von anderen Emittern darzustellen, stellt Fig. 6A eine vereinfachte Querschnittsansicht des Elektro spray-Emitters von Fig. 5A dar. Der Elektrospray-Emitter 42 weist eine im wesentlichen planare und kreisförmige End oberfläche 50 und ein Probenauslaßtor 38 auf, das auf der selben positioniert ist. Das Probenauslaßtor 38 ist in Fluid kommunikation mit einer Elektrospray-Emitterleitung 56, die sich entlang der Achse des Elektrospray-Emitters 42 er streckt. Die Leitung 56 dient dazu, Fluid von dem Inneren des Mikrobauelements zu dem Probenauslaßtor 38 auf der End oberfläche 50 zu befördern. Unter dem Einfluß eines elek trischen Felds wird ein Taylor-Konus 58 von der Fluidprobe gebildet, die von dem Auslaßtor 38 herauskommt. Wie darge stellt, ist das Volumen des gebildeten Konus vollständig von Probenfluid eingenommen.

Fig. 6B stellt einen Elektrospray-Emitter 50 in einer ver einfachten Querschnittsansicht mit einer Geometrie dar, die es einem Endabschnitt des Emitters ermöglicht, das Proben volumen des Taylor-Konus zu verschieben und dadurch das Probenvolumen des Konus zu verringern. Wie der in Fig. 6A dargestellte Emitter ist der Querschnittsbereich dieses Elektrospray-Emitters kreisförmig. Wie dargestellt ist, gibt es jedoch zwei Probenauslaßtore 38, die auf der End oberfläche 50 des Emitters 42 angeordnet sind. Zwischen den Auslaßtoren 38 ist ein fester Konus 60 angeordnet, der von der Endoberfläche 50 hervorsteht. Die Probenauslaßtore 38 kommunizieren mit einer Elektrospray-Emitterleitung 56, die dazu dient, Fluid von dem Inneren des Mikrobauelements zu dem Probenauslaßtor 38 auf der Endoberfläche 50 zu beför dern. Unter dem Einfluß eines elektrischen Felds wird aus der Fluidprobe, die von dem Auslaßtor herauskommt ein Tay lor-Konus 58 gebildet. Ein Abschnitt des Volumens des ge bildeten Taylor-Konus 58 ist jedoch von dem hervorstehenden festen Konus 60 eingenommen. Somit ist das Fluidvolumen, das benötigt wird, um den Taylor-Konus für den Elektro spray-Emitter von Fig. 6B zu bilden, im wesentlichen gerin ger als dasjenige, das benötigt wird, um den Taylor-Konus für den Elektrospray-Emitter von Fig. 6A zu bilden. Es wird angemerkt, daß diese Konfiguration, bei der ein Abschnitt des Taylor-Konus durch einen festen Abschnitt des Emitters eingenommen ist, nur größere oder weniger als zwei Proben auslaßtore aufweisen kann, wie gezeigt ist. Das heißt, der Emitter kann einen Probenauslaß umfassen, der eine, zwei, drei oder mehr Öffnungen auf dem Emitter aufweist.

Beim Betrieb unterliegt der Elektrospray-Emitter unabhängig von der Geometrie einem elektrischen Feld, das sich zwi schen dem Mikrobauelement und der Probeneinbringungsöffnung für ein Analysegerät befindet. Das elektrische Feld an den Emitterspitzen überwindet die Flüssigoberflächenspannung des voluminösen Fluids an der Spitze derart, daß sich fein geladene Tröpfchen von der Fluidmenge trennen und nachfol gend gemäß ihrer elektrischen Ladung und dem umgebenden elektrischen Feld bewegen. Optional kann eine Oberflächen energie modifizierende Beschichtung auf dem Emitter vorge sehen sein, um ferner eine Dochtbildung oder einen anderen unerwünschten Fluidfluß auf der Außenoberfläche des Emit ters zu reduzieren. Als eine weitere Option kann ein Ab schnitt der Gesamtheit der äußeren Emitteroberfläche mit einem leitfähigen Material beschichtet werden. Das leitfä hige Material dient dazu, den Sprühprozeß zu unterstützen. Obwohl das leitfähige Material Polymer oder Keramik sein kann, zeigen Polymer- und Keramikmaterialien normalerweise eine geringere Leitfähigkeit als Metalle. Somit sind Metal le ein bevorzugtes leitfähiges Beschichtungsmaterial für den Elektrospray-Emitter. Die Beschichtung kann eines oder mehrere metallische Elemente enthalten. Vorzugsweise ist die Beschichtung außerdem bezüglich der Probe inert und kann z. B. Gold, Platin, Chrom, Nickel und andere Elemente umfassen, die dazu neigen, hohe chemische Inertheit zu zei gen. Die Beschichtung kann durch eine Anzahl von Verfahren aufgetragen werden, die einem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet bekannt sind und Elektroplattieren, Elektro nenstrahlsputtern, Magnetronsputtern, Verdampfung, Fremd stromloses Plattieren und Lösungsmittelbeschichtung umfas sen, aber nicht darauf beschränkt sind.

Mit der Ausnahme des Elektrospray-Emitters kann das Mikro bauelement unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt werden, das für die Mikrobauelementherstellung geeignet ist, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Mikrofor mungs- und Gießtechniken, Prägungsverfahren, Oberflächenmi krobearbeitung und Massenmikrobearbeitung. Die letzte Tech nik umfaßt das Bilden von Mikrostrukturen durch Ätzen di rekt in ein Volumenmaterial, typischerweise unter Verwen dung von chemischem Naßätzen oder reaktivem Ionenätzen ("RIE"). Die Oberflächenmikrobearbeitung umfaßt die Her stellung von Filmen, die auf der Oberfläche eines Substrats aufgetragen sind. Ein beispielhafter Oberflächenmikrobear beitungsprozeß ist als "LIGA" bekannt. Siehe z. B. Becker u. a. (1986), "Fabrication of Microstructures with High As pect Ratios and Great Structural Heights by Synchrotron Ra diation Lithography Galvanoforming, and Plastic Moulding (LIGA Process)", Microelectronic Engineering 4(1): 35-36; Ehrfeld u. a. (1988), "1988 LIGA Process: Sensor Construc tion Techniques via X-Ray Lithography", Tech. Digest from IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC; Guckel u. a. (1991), J. Micromech. Microeng. 1: 135-138. LIGA umfaßt das Aufbringen einer relativ dicken Schicht aus einem Röntgenstrahlresist auf einem Substrat, gefolgt durch Aussetzen zu bzw. Belichten mit hochenergeti scher Röntgenbestrahlung durch eine Röntgenmaske, und Ent fernen der bestrahlten Resistabschnitte unter Verwendung eines chemischen Entwicklers. Die so gelieferte LIGA-Form kann verwendet werden, um Strukturen mit horizontalen Ab messungen, d. h. Durchmessern, in der Größenordnung von Mi kronmetern vorzubereiten.

Jede der obigen Techniken kann auch verwendet werden, um Merkmale mit ausreichend hoher Auflösung zu schaffen, d. h. Mikrokomponenten, Kanäle, Kammern usw., so daß eine genaue Ausrichtung - "Mikroausrichtung" - dieser Merkmale mög lich ist, d. h. die laserablatierten Merkmale sind präzise und genau ausgerichtet, einschließlich z. B. der Ausrich tung der komplementären Mikrokanäle oder Mikroabteile zu einander, der Einlaß- und/oder Auslaßtore mit den Mikrosäu len oder Reaktionskammern, der Erfassungseinrichtung mit den Mikrosäulen oder Trennabteilen, der Erfassungseinrich tung mit anderen Erfassungseinrichtungen, Vorsprüngen und Zusammenpaßvertiefungen, Rillen und Zusammenpaßfugen und dergleichen.

Das Substrat jedes Ausführungsbeispiels der Erfindung kann auch aus einem einzelnen Stück hergestellt werden, oder es kann aus zwei planaren Segmenten hergestellt werden, von denen eines als eine Basis dient und keine Merkmale, Öff nungen oder dergleichen enthält, und das andere auf der Ba sis plaziert ist und die gewünschten Merkmale, Öffnungen oder dergleichen ablatiert oder anderweitig durch den gan zen Körper des Segments gebildet aufweist. Wenn die beiden planaren Segmente ausgerichtet und zusammengedrückt werden, ist auf diese Weise eine Substrat gebildet, das äquivalent zu einem monolithischen Substrat ist.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von integrierter Bau elementtechnologie liegt darin, daß Fluidproben vor der Io nisierung durch Probenpräparationsschritte, wie z. B. Fil tern, Konzentrieren oder Extraktion auf dem Bauelement, verarbeitet werden können. Solche Probenpräparationsschrit te können unter Verwendung von miniaturisierten Reaktoren ausgeführt werden, wie z. B. denjenigen, die z. B. in der gemeinschaftlich übertragenen U. S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/502,596 beschrieben sind. Die ablatierten Merkmale können aufgebaut sein, um als ein miniaturisierter Reaktor zu wirken und um chemische oder biochemische Pro zesse durchzuführen. Beispielsweise kann der Mikrokanal als eine Konzentrationseinrichtung in der Form einer Mikrosäu le, um die Konzentration einer speziellen Analyt- oder che mischen Komponente zu erhöhen, als ein Mikroreaktor für vorbereitende chemische oder biochemische Prozesse, wie z. B. Etikettieren (Labeln), Proteinaufschließen und derglei chen, oder als eine Reinigungseinrichtung, um unerwünschte Komponenten, unreagierte Materialien usw. nach der Beendi gung der chemischen Verarbeitung von der Reaktionskammer zu entfernen, verwendet werden. In jedem Fall kann eine Trieb kraft verwendet werden, um die Probenbewegung von dem Pro beneinlaßende zu dem Probenauslaßende zu verbessern. Die Triebkraft kann für die speziellen chemischen oder bioche mischen Prozesse eingestellt werden, die von dem Mikrobau element ausgeführt werden.

Es ist offensichtlich, daß ein Bauelement so hergestellt werden kann, um zwei oder mehr Reaktionszonen und optionale Mikrokanäle, die in Fluidkommunikation mit denselben sind, au umfassen. Die Reaktionszonen können angepaßt werden, um Chemische Prozesse unabhängig oder abhängig, in Reihe oder parallel auszuführen.

Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein. Beispielsweise sollte offensichtlich sein, daß eine Kombination von Materialentfernungstechniken verwendet wer den kann, um den erfindungsgemäßen Elektrospray-Emitter zu bilden. Da außerdem die Fluidflußsteuerung ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist, können bekannte Einrichtungen für Fluidsteuerung integrierte und/oder zusätzliche Merkmale des erfindungsgemäßen Mikrobauelements darstellen. Solche Fluidflußsteuereinrichtungen umfassen Ventile, Triebkraft einrichtungen, Sammelleitungen und dergleichen, sind aber nicht darauf beschränkt. Solche Fluidflußsteuereinrichtun gen können einen integrierten Abschnitt der erfindungsgemä ßen Mikrobauelemente oder Moduleinheiten bilden, die wirk sam mit den erfindungsgemäßen Mikrobauelementen verbindbar sind. Es sollte ferner offensichtlich sein, daß zusätzliche Substrate umfaßt sein können, um ein mehrschichtiges Netz werk von Leitungen zum Befördern von Fluid zu bilden, ob wohl die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ein Sub strat und eine Abdeckungsplatte umfassen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Mikrobauelements (10), das folgende Merkmale umfaßt:
ein Substrat (12) mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche (14), wobei das Substrat (12) einen Mikro kanal (18) aufweist, der in der im wesentlichen plana ren Oberfläche (14) gebildet ist,
eine Abdeckungsplatte (30), die über der im wesentli chen planaren Oberfläche (14) angeordnet ist, wobei die Abdeckungsplatte (30) in Kombination mit dem Mi krokanal (18) eine Leitung zum Befördern der Probe de finiert,
einen Elektrosprüh-Emitter (42), der einen integrier ten und hervorstehenden Abschnitt des Substrats (12) und/oder der Abdeckungsplatte (30) darstellt, und
ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der Lei tung, wobei es das Probeneinlaßtor der Fluidprobe er möglicht, von einer externen Quelle in einem definier ten Probenflußweg befördert zu werden, der nacheinan der durch das Probeneinlaßtor, die Leitung und ein Probenauslaßtor (38) an dem Elektrosprüh-Emitter und in die Sprühkammer verläuft, mit folgenden Schritten:
Entfernen von Material von der Abdeckungsplatte (30), dem Substrat (12) oder beiden durch eine nichtmechani sche Materialentfernungstechnik, die keine Verwendung von Photoresistmaskierung erfordert, um eine äußere Oberfläche des Mikrobauelements (10) und einen inte grierten Elektrosprüh-Emitter (42), der von derselben hervorsteht und an einem distalen Ende das Probenaus laßtor (38) aufweist, zu bilden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Entfernungs schritt ausgeführt wird, nachdem der Mikrokanal 18, das Probeneinlaßtor (37) oder das Probenauslaßtor (38) gebildet ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Entfernungs schritt ausgeführt wird, bevor der Mikrokanal (18), das Probeneinlaßtor (37) oder das Probenauslaßtor (38) gebildet wird.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das fer ner den Schritt des Beschichtens des integrierten Elektrosprüh-Emitters (42) mit einem Metall umfaßt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat (12) und/oder die Abdeckungsplatte (20) aus einem Polymermaterial bestehen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Material bio bewuchsresistent ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyimiden und Polyketonen besteht.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Materialentfernungstechnik eine Quelle von elek tromagnetischer Strahlung erfordert.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Materialent fernungstechnik eine Laserablation ist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Materialent fernungstechnik ein photochemisches Ätzen ist.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das fer ner das Entfernen von Material von dem distalen Ende des integrierten Elektrosprüh-Emitters (42) umfaßt, um ein geformtes distales Ende zu liefern, das zu dem Auslaßtor (38) benachbart ist.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem das geformte di stale Ende eine im wesentlichen planare Oberfläche aufweist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die Endoberfläche keine Kante aufweist, die einen Scheitelpunkt bildet.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Kante im we sentlichen kreisförmig ist.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die Endoberfläche konkav ist.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Mikrobauelement (10) ferner eine zusätzliche Plat te über der Abdeckungsplatte (30) oder dem Substrat (12) umfaßt.

17. Mikrobauelement (10) zum Einbringen einer Fluidprobe in eine Sprühkammer, das folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat mit einem Mikrokanal (18), der in einer ersten planaren Oberfläche (14) gebildet ist;
eine Abdeckungsplatte (30), die über der ersten plana ren Oberfläche (14) angeordnet ist, wobei die Abdec kungsplatte (30) in Kombination mit dem Mikrokanal (18) eine Leitung zum Befördern der Probe in den Elek trosprüh-Emitter (42) definiert;
einen Elektrosprüh-Emitter (42), der einen einstücki gen und hervorstehenden Abschnitt des Substrats (12) und/oder der Abdeckungsplatte (30) darstellt; und
ein Probeneinlaßtor (37) in Fluidkommunikation mit der Leitung, wobei es das Probeneinlaßtor (37) der Fluid probe erlaubt, von einer externen Quelle in einem de finierten Probenflußweg befördert zu werden, der nach einander durch das Probeneinlaßtor (37), die Leitung und ein Probenauslaßtor (38) an dem Elektrosprüh- Emitter (42) und in die Sprühkammer verläuft; und
bei dem ferner der integrierte Elektrosprüh-Emitter (42) geformt ist, um die Bildung eines Taylor-Konus (58) mit geringem Volumen aus der Probe, die von dem Probenauslaßtor (38) unter dem Einfluß eines elektri schen Felds herauskommt, zu ermöglichen.

18. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 17, bei dem der Elektrosprüh-Emitter (42) eine Endoberfläche (50) auf weist, die zu dem Probenauslaßtor (38) benachbart ist.

19. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 18, bei dem die Endoberfläche (50) konkav ist.

20. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 18, bei dem die Endoberfläche (50) im wesentlichen planar ist.

21. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Endoberfläche (50) keine Kante auf weist, die einen Scheitelpunkt bildet.

22. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die Endoberfläche (50) eine im wesentli chen runde Kante aufweist.

23. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 22, bei dem die runde Kante (54) im wesentlichen kreisförmig ist.

24. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, das ferner einen Probenpräparationsabschnitt zum Präparieren der Fluidprobe in stromabwärtiger Fluid kommunikation mit dem Einlaßtor (37) umfaßt, so daß der Probenflußweg nacheinander durch das Einlaßtor, den Probenpräparationsabschnitt und das Auslaßtor (38) verläuft.

25. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 24, bei dem der Probenpräparationsabschnitt angepaßt ist, um als eine Reaktionszone zum Ausführen einer chemischen oder bio chemischen Reaktion mit der Fluidprobe zu dienen.

26. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 25, bei dem der Probenpräparationsabschnitt angepaßt ist, um die Flu idprobe in eine Mehrzahl von Bestandteilen zu trennen, von denen zumindest einer zu dem Probenauslaßtor (38) befördert wird.

27. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 26, bei dem der Probenpräparationsabschnitt eine Mehrzahl von Proben präparationskammern umfaßt, wobei jede Kammer angepaßt ist, um eine Eigenschaft der Fluidprobe zu ändern.

28. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 27, bei dem das Probenauslaßtor eine Mehrzahl von Öff nungen auf dem Elektrosprüh-Emitter (42) umfaßt.

29. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 28, bei dem die Sprühkammer eine Komponente eines Mas senspektrometers ist.

30. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 29, das ferner eine metallische Beschichtung auf dem Elektrosprüh-Emitter (42) umfaßt.

31. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 30, bei dem der Mikrokanal (18) einen Durchmesser von etwa 1 µm bis 200 µm aufweist.

32. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 30, bei dem der Mikrokanal (18) einen Durchmesser von etwa 5 µm bis 75 µm aufweist.

33. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 32, bei dem das Substrat (12) und/oder die Abdeckungs platte (30) aus einem Polymermaterial besteht.

34. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 33, bei dem das Material biobewuchsresistent ist.

35. Mikrobauelement (10) gemäß Anspruch 34, bei dem das Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyi miden und Polyketonen besteht.

36. Mikrobauelement (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 35, das ferner eine zusätzliche Platte über der Abdec kungsplatte (30) oder dem Substrat (12) umfaßt.

37. Verfahren zum lonisieren einer Fluidprobe in einer Sprühkammer, das folgende Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen eines Mikrobauelements (10), das folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (12) mit einer im wesentlichen pla naren Oberfläche (14), wobei das Substrat. (12) einen Mikrokanal aufweist, der in einer im we sentlichen planaren Oberfläche (14) gebildet ist;
eine Abdeckungsplatte (30), die über der im we sentlichen planaren Oberfläche (14) angeordnet ist, wobei die Abdeckungsplatte (30) in Kombina tion mit dem Mikrokanal (18) eine Leitung zum Be fördern der Probe definiert;
einen Elektrosprüh-Emitter (42), der einen inte grierten und hervorstehenden Abschnitt des Sub strats (14) und/oder der Abdeckungsplatte (30) darstellt; und
ein Probeneinlaßtor (37) in Fluidkommunikation mit der Leitung, wobei es das Probeneinlaßtor (37) der Fluidprobe ermöglicht, von einer exter nen Quelle in einem definierten Probenflußweg be fördert zu werden, der nacheinander durch das Probeneinlaßtor (37), die Leitung und ein Proben auslaßtor (38) an dem Elektrosprüh-Emitter (42) und in die Sprühkammer verläuft;
wobei der integrierte Elektrosprüh-Emitter (42) geformt ist, um die Bildung eines Taylor-Konus (58) mit einem geringen Volumen aus der Probe, die unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes von dem Probenauslaßtor (38) herauskommt, zu ver einfachen;
b) Einbringen der Fluidprobe in das Probeneinlaßtor (37);
c) Befördern des Fluids in dem definierten Proben flußweg zu der Sprühkammer; und
d) Aussetzen des Fluids, das von dem Tor (38) an dem Elektrosprüh-Emitter (42) herauskommt, zu einem elektrischen Feld.