DE102007019695B4 - Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina - Google Patents

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Abstract

Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina bestehend aus einer strukturierten Schicht (Trägersubstrat), welche zumindest mit einem Kanal versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht planar sowie optisch durchlässig ist und der Kanal zumindest zwei Messzellen mit unterschiedlichen Kanaltiefen aufweist, wobei eine Seite der strukturierten Schicht mit einer dünnen, optisch durchlässigen Schicht verschlossen ist, die über zumindest zwei fluidische Schnittstellen verfügt, die mit dem Kanal flüssigkeitsleitend verbunden sind, und die andere Seite der strukturierten Schicht mit einer dünnen, optisch durchlässigen Schicht verschlossen ist, wobei die Küvette aus drei Schichten aufgebaut ist und die strukturierte Schicht von beiden Seiten mit dünner, optisch durchlässiger Folie verschossen ist und wobei die Küvette mit einer Vertiefung oberhalb des Kanals zur Minimierung der Materialdicke versehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina.
  • Küvetten für die optische Analyse an sich sind seit Jahrzehnten bekannt. Diese sind als konventionelle Küvetten aus Glas oder Quarz, wie beispielsweise von den Firmen Hellma oder Starna angeboten, als auch Kunststoffküvetten, wie beispielsweise von den Firmen Eppendorf oder Brand, erhältlich.
  • Ein Nachteil dieser bekannten Küvetten besteht darin, dass die Materialstärke nicht beliebig minimiert werden kann. D. h. die Materialstärke dieser Küvetten ist deutlich dicker ist als die von dünnen Folien, so dass ein höheres und störendes Untergrundsignal bei deren bestimmungsgemäßen Verwendung entsteht. Dies ist insbesondere bei den als Einwegküvetten angebotenen Kunststoffsystemen problematisch, da gerade im UV-Bereich die Einsetzbarkeit auf den Wellenlängenbereich oberhalb 220 nm, z. T. weit oberhalb dieses Bereiches, eingeschränkt ist.
  • Der zweite Nachteil der bekannten Küvetten besteht darin, dass deren Mess-Volumina relativ groß sind und als Messraum nur geometrisch einfache Strukturen realisierbar sind. D. h. unnötig große Volumina an Proben sind zur bestimmungsgemäßen Verwendung notwendig und die Realisierung unterschiedlicher Schichtdicken für die Messung ist nicht oder nur eingeschränkt realisierbar.
  • Auch bei Küvetten, die für kleinere Volumina eingesetzt werden können, sind die Volumina auf den Bereich oberhalb von 50 μl begrenzt. Eine Ausnahme stellt die Küvette der Firma Hellma mit dem Namen „TrayCell" dar, deren Messvolumen bei 0,7–4 μl bzw. 3–5 μl bei einer Schichtdicke von 0,2 bzw. 1 mm liegt.
  • Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass es sich um eine Glasküvette handelt, die fertigungstechnisch aufwändig durch Glasstrukturierung und Fügen von Glaselementen hergestellt werden muss.
  • Der Messbereich der bekannten Küvetten ist fast ausschließlich, bis auf die Küvette der Eppendorf mit dem Namen „UVette" welche zwei Dicken realisiert, auf eine Schichtdicke begrenzt. Für die Erfassung weiterer Messbereiche sind somit Verdünnungen außerhalb der Küvette und eine neue Messung notwendig.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass bei der Vermessung mehrerer Proben die Küvette ausgetauscht bzw. gereinigt werden muss.
  • Ist eine Lagerung der vermessenen Proben gewünscht, eignet sich keine der Küvetten für eine einfache, Platz sparende Lagerung.
  • Der Zeitschriftenartikel von D. Schepers, G. Schulze und W. Frenzel [„Spectrophotometric flow-through gas sensor for the determination of atmospheric nitrogen dioxide” (Analytika Chimica Acta 308 (1995) 109–114] offenbart eine Mikrofluidmesszelle, insbesondere für Fotometer oder Spektrometer, die vorzugsweise schmalbandig arbeiten, beinhaltend miteinander flächig verbundene Wafer, in die Mikrokanäle derart eingebracht sind, dass in zumindest einem Bereich zwei Mikrokanalabschnitte parallel zueinander verlaufend angeordnet sind und diese durch eine, entsprechend einer zu analysierenden Substanz vorgebbar ausgewählten selektiven Membran voneinander räumlich getrennt sind, so dass eine Extraktionsstrecke gebildet ist, wobei in einem ersten Wafer wenigstens genannter erster Mikrokanalabschnitt sowie dessen Kanalenden erfassende Zu- und Abströmöffnungen oder Zu- und Abströmkanäle für die Durchleitung eines Analyten eingebracht sind, in einem zweiten Wafer wenigstens genannter zweiter Mikrokanalabschnitt sowie dessen Kanalenden erfassende Zu- und Abströmöffnungen oder Zu- und Abströmkanäle für die Durchleitung eines Extraktionsmittels (E) eingebracht sind, und wenigstens ein Wafer für einen zum Einsatz gelangenden Messlichtstrahl durchlässig oder mit einem dies gewährleistenden Fensterbereich versehen ist, wobei der Ein- und Austritt des Messlichtstrahls durch den als Extraktionskanal dienenden zweiten Mikrokanalabschnitt derart festgelegt ist, dass, in Abhängigkeit von der eingesetzten Strahlungsquelle (L), eine möglichst lange optische Messstrecke realisiert ist.
  • Der Nachteil dieser Lösung ist, dass es sich bei dem offenbarten System nicht um eine einfach zu handhabende Messvorrichtung, wie einer Küvette handelt. Weiterhin ist das System nicht für die Messung unterschiedlicher Flüssigkeitsvolumina bzw. in unterschiedlichen Schichtdicken geeignet.
  • Die DE 197 07 044 C1 offenbart eine mikromechanische Transmissionszelle zur Bestimmung einer optischen Absorption eines Probenfluids oder als Reaktor zum Ausführen einer optisch erfassbaren chemischen Reaktion. Die mikromechanische Transmissionszelle weist einen Behälter zum Halten des Probenfluids, eine Lichtdurchlassöffnung zum Einführen des Lichts in den Behälter und eine Reflektoreinrichtung auf, die das Licht derart bezüglich des Behälters richtet, dass ein Großteil des Lichts den Behälter ohne Mehrfachreflexionen an einer der Behälterwände durchläuft.
  • Aus der genannten DE 197 07 044 C1 ist ferner ein Mikroflussmodul zur chemischen Analytik bekannt bei dem ein schneller Probenwechsel und damit preiswerte Untersuchungen schnell ablaufender Prozesse zeitaufgelöst sowie mit kleinen Zeitkonstanten ermöglicht wird und wahlweise zugleich die Möglichkeit der Durchführung einer Scanning-Kalorimetrie ermöglicht, wobei das Mikroflussmodul aus einem ersten Chip, in den ein ausgestreckter Kanalbereich mit einem Y-förmig verzweigtem Eingangsbereich, an den sich zwei Eingangskanäle anschließen, eingebracht ist und der erste Chip mit einem zweiten Chip abdeckend verbunden ist, der kanalseitig mit wenigstens einem thermosensitiven Dünnschichtelement versehen ist, besteht.
  • Der Nachteil dieser Lösungen ist, dass es sich bei den offenbarten Systemen nicht um eine einfach zu handhabende Messvorrichtung, wie einer Küvette handelt. Weiterhin sind die Systeme nicht für die Messung unterschiedlicher Flüssigkeitsvolumina bzw. in unterschiedlichen Schichtdicken geeignet.
  • In der WO 2005/090970 A1 wird ein Fluidiksystem mit Kanälen unterschiedlicher Tiefe beschrieben. Dieses System weist nicht die Möglichkeit einer selbständigen Befüllung mittels Pipetten auf und hat nur einen Probenauftragungskanal. Zusätzliche Elemente zur Lichteinkopplung fehlen und ebenso sind keine Bereiche vorgesehen, die eine Materialabdünnung aufweisen, um den Störeinfluss des Materials auf eine Messung zu minimieren, so dass sich die vorliegende Erfindung von dieser Druckschrift abhebt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Küvette für kleine Volumina anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere direkt in einem System, lediglich durch Zuführung weiterer Proben, Messungen ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird durch eine Küvette mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
  • Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Chipküvette für die optische Analyse kleiner Volumina.
  • Die Chipküvette hat eine flache, Planare Form, welche sich dadurch auszeichnet, dass sie bei ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung in einem Messkanal an den Messpunkten eine minimale Schicht Küvettenmaterial besitzt. Dadurch wird der Einfluss des Küvettenmaterials an sich (bspw. durch Eigenfluoreszenz oder Eigenabsorption) auf die Messung minimiert. Die Nutzung dieses dünnen, in Form von Folien ausgebildeten Küvettenmaterials überwindet die Nachteile der bisher bekannten, konventionellen Küvetten und ermöglicht Messungen sogar bis in den VUV-Bereich, sogar in dem Fall, dass das Küvettenmaterials ein Kunststoffpolymer ist.
  • Die Chipküvette ist aus mindestens drei Schichten aufgebaut ist, wobei mindestens zwei Schichten optisch durchlässig sind. Allen Ausführungsformen ist dabei gemeinsam, dass sie aus einer strukturierten Schicht (Trägersubstrat) mit Kanälen oder Durchgangslöchern bestehen, die von beiden Seiten mit dünner, optisch durchlässiger Folie verschlossen ist.
  • Das Kanalsystem in der strukturierten Schicht (Trägersubstrat) dient der Zuführung der Probe zur eigentlichen, in der strukturierten Schicht (Trägersubstrat) gelegenen Messzelle, als Reservoir und als Reaktionsgefäß, wobei es strukturell in die Messzelle übergeht.
  • Das Trägersubstrat kann auch Durchgangslöcher aufweisen, die mit Kanälen verbunden sind, die in der einen äußeren Schicht bzw. den beiden äußeren Schichten verlaufen.
  • Durch die flache Bauweise, die bis in den Mikrometerbereich präzise Minimierung der Kanalstrukturen und die Reduzierung von unnötigen Totvolumina können vermittels der erfindungsgemäßen Chipküvette gegenüber den bekannten, kommerziellen Küvetten deutlich kleinere Volumina analysiert werden
  • Der Anschluss der Kanalstrukturen nach Außen ist durch mindestens zwei fluidische Schnittstellen realisiert, dies dient zur Befüllung mit Probe oder zur Entnahme von Probe.
  • Diese Anschlüsse sind in einer Ausführung der erfindungsgemäßen Chipküvette als einfache oder konische Durchgangslöcher gestaltet. Die Chipküvette ist dadurch unproblematisch in der Handhabung, da verschiedene Pipetten zum Befüllen der Kanalstrukturen über die Anschlüsse eingesetzt werden können. Weiterhin ist die automatische Befüllung der Kanalstrukturen über die Anschlüsse bspw. mit Pipettierrobotern möglich.
  • Alternativ dazu können die Anschlüsse der Kanalstrukturen in anders gestalteter Fluidanschluss-Form, wie bspw. in Form von Oliven, Luer oder miniaturisierten Luer-ähnlichen Anschlüssen zum Einsatz kommen.
  • Bei der bestimmungsgemäßen Verwendung ggf. auftretende Verdunstungsprobleme können einfach durch das Abdecken oder Abkleben der Einfüllöffnungen der strukturierten Schicht (Trägersubstrat), bspw. mit einer Folie, vermieden werden.
  • Als Materialien für die erfindungsgemäße Chip-Küvette kommen verschiedenste Kunststoff-Polymere, vorzugsweise transparente Polymere mit geringen optischen Störeinflüssen wie COC, COP, PMMA, PC etc., aber auch Glas, Quarzglas oder andere kristalline oder amorphe Materialien in Kombination mit dünnen Glas-, Quarz oder andere transparente kristalline Scheiben als Deckel zum Einsatz. D. h. die Chipküvette kann ausschließlich aus einem Kunststoff, aus verschiedenen Kunststoffen oder aus einem der oben genannten Nicht-Kunststoffmaterialien, die auch miteinander kombiniert werden können, bzw. hybriden Aufbauten aus Kunststoffen und Nicht-Kunststoff bestehen (bspw. einer Kombination von Glas-Plastik, Glas-Plastik-Glas, Glas-Plastik-Glas plus zusätzlicher Verbindeschicht etc.). In der strukturierten Schicht (Trägersubstrat) können gleichzeitig mehrere Kanalsysteme integriert sein, so dass gleichzeitig oder hintereinander mehrere Messungen mit unterschiedlichen Proben durchgeführt werden können.
  • Durch eine spezielle Gestaltung der Kanalsysteme der Chipküvette mit mehreren, unter einander verbundenen Messzellen unterschiedlicher Kanaltiefe ist es möglich, dass eine Probe gleichzeitig oder hintereinander in verschiedenen Messbereichen gemessen werden kann.
  • Dadurch vergrößert sich der dynamische Bereich für die Messungen der Probe deutlich und aufwendige Verdünnungsreihen reduzieren sich deutlich oder werden gar überflüssig.
  • Ausbaustufen dieser Plattform sind sowohl die Integration von Mischern vor den Messkanälen als auch die Integration von Verteilersystemen (Kanalsystemen) auf dem Chip, um eine Probe an verschiedene Messpunkte zu führen, in denen ggf. durch vorgelegte Reagenzien auch zu verfolgende Reaktionen stattfinden. Integrierte Mischer zur Erstellung von Verdünnungsreihen sind eine weitere Option, um gleich sehr unterschiedliche Messbereiche auch für die gleichzeitige Erfassung mehrerer Analyte zu ermöglichen.
  • Durch die Integration optischer Elemente in die Chipküvette können die Ein- bzw. Auskopplung von Licht optimal gestaltet, das Streulicht deutlich reduziert und somit auch empfindliche Fluoreszenzmessungen ermöglicht werden.
  • Die Chipküvette in ihrer Ausführung als flache Küvette mit mehreren Kanalsystemen beherbergt unterschiedliche Proben oder Probenserien und eröffnet somit die Möglichkeit einer sehr einfachen und Platz sparenden späteren Lagerung. Ggf. können die Chipküvetten auch eingefroren und somit späteren Analysen zugängig gemacht werden. Für die Archivierung ist eine Kennzeichnung sowohl über Permanentmarker als auch Barcode oder RFID-tag möglich.
  • Die Kanäle der erfindungsgemäßen Chipküvette sind so ausgestaltet, dass bei gleicher Messanordnung gleichzeitig oder nacheinander in unterschiedlichen Messbereichen gemessen werden kann. So kann in zwei oder mehr verschiedenen optischen Bereichen gemessen werden, da durch die unterschiedliche Kanaltiefe zwei und mehr Schichtdicken (unterschiedlichen Kanaltiefen, bzw. vollständige Durchbrüche im Material) realisiert sind.
  • Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Chipküvette kann bspw. in der Art gestaltet sein, dass ein kleiner Kanal auf der einen und ein größerer Kanal auf der anderen Seite des Trägersubstrats angeordnet sind und deren Enden durch ein Duchgangsloch verbunden sind oder durch ihre Tiefen an den Enden zusammenstoßen und so bereits einen Durchbruch bilden.
  • Die Chipküvette ist mit einer Vertiefung oberhalb des Kanals zur Minimierung der Materialdicke zwischen Probe und Anregungslichtquelle sowie Detektor versehen.
  • Die Chipküvette besitzt einen dreilagigen Aufbau, bei dem die Verbindung des kleinen Messvolumens mit dem großen Messvolumen durch einen kleinen Durchgangskanal oder ein kleines Durchgangsloch im Chip realisiert ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Chipküvette können Ein- und Ausgänge der jeweiligen Messelemente unterschiedliche fluidische Schnittstellen, bspw. Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern besitzen, um verschiedene Möglichkeiten der Fluidzuführung zu realisieren (z. B. um mit unterschiedlich großen Pipettenspitzen Proben injizieren oder entnehmen zu können.
  • Diese Schnittstellen können in Form von konischen Eingangs- bzw. Ausgangsstutzen, die unterschiedlich gestaltet sein können, um ein möglichst breites Spektrum unterschiedlicher Pipettenspitzen mit der Chipküvette nutzen zu können, ausgeführt sein.
  • Diese konischen Eingangsstutzen gewährleisten eine gute Abdichtung gegenüber Pipettenspitzen und verhindern aber gleichzeitig ein Verschließen des Kanals durch die Pipettenspitze.
  • Die fluidischen Schnittstellen können mit Dichtungsringen versehen sein, um eine gute Abdichtung, bspw. gegenüber einem fluidischen Betriebsgeräteanschluss zu ermöglichen. Vermittels dieser direkt integrierten Dichtungen ist ein flüssigkeits- und/oder gasdichter Abschluss der Chipküvette an weitere Komponenten, wie bspw. ein Betriebsgerät, realisierbar.
  • Bei der erfindungsgemäßen Chipküvette können zahlreiche, vorzugsweise parallele Kanäle zur Messung verschiedener Proben vorgesehen sein, die einer Messeinheit zuordenbar sind. Durch verschiedene Kanalbreiten sind dabei verschiedene Messvolumina realisierbar.
  • Die Chipküvette kann das Format eines Objektträgers, ggf. mit geringerer oder größerer Dicke, aufweisen, wobei die fluidischen Schnittstellen derart angeordnet sind, dass diese mit gängigen Pipettierrobotern befüllt werden können, d. h. den Well-Abstand von Mikrotiterplatten (18 mm, 9 mm, 4,5 mm, 2,25 mm ...) besitzen.
  • Die Chipküvette kann auch das Format einer Titerplatte haben, wobei die fluidischen Schnittstellen derart angeordnet sind, dass diese mit gängigen Pipettierrobotern befüllt werden können, d. h. den Well-Abstand von Mikrotiterplatten (18 mm, 9 mm, 4,5 mm, 2,25 mm ...) haben.
  • Die Chipküvette kann mit integrierten optischen Elementen zur Nutzung der Totalreflexion versehen sein, um einen möglichst langen optischen Weg durch den Kanal zu erhalten bzw. ein Einkopplung und/oder Auskopplung des Licht zu ermöglichen.
  • Die erfindungsgemäße Chipküvette kann mit verschiedenen Messelementen, bspw. unterschiedlichen Volumina, Kanalgeometrien, etc. ausgestaltet sein, um verschiedene analytische Aufgaben mit einer Probe auf dem Chip messen zu können.
  • Bei der Chipküvette kann das Trägersubstrat nach dem Befüllen mit einer Folie (z. B. selbstklebende, selbsthaftende oder dicht aufliegende Folie oder Alufolie) oder einer plan aufliegenden oder geometrisch angepasster Abdeckung abgedichtet werden, um bspw. Langzeitmessungen ohne Verdunstungseffekte durchführen zu können. Um die Probe anschließend wieder entnehmen zu können, sind Ausführungsformen der Chipküvette mit anschließend wieder entfernbaren oder durchstoßbaren Folien versehbar.
  • Die Chipküvette kann bspw. um einen Mischer erweitert sein, der in dem Kanal innerhalb des Trägersubstrates integriert ist, um bestimmte Substanzen vor der Messung zu mischen bzw. um bestimmte Substanzen auf der Chipküvette sowohl verdünnt als auch in einer oder mehreren Verdünnungsstufen gleichzeitig oder Zeit versetzt messen zu können.
  • Die Chipküvette kann auch über ein Verteilersystem (Kanalsystem) verfügen, um die Probe an verschiedene Messpunkte zu führen, in denen ggf. durch vorgelegte Reagenzien Reaktionen durchgeführt und verfolgt werden können.
  • Als Einwegkomponente konzipiert weist die erfindungsgemäße Chipküvette wie auch bereits kommerziell erhältliche Einwegkunststoffküvetten keine Kontaminationsprobleme auf.

Claims (7)

  1. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina bestehend aus einer strukturierten Schicht (Trägersubstrat), welche zumindest mit einem Kanal versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht planar sowie optisch durchlässig ist und der Kanal zumindest zwei Messzellen mit unterschiedlichen Kanaltiefen aufweist, wobei eine Seite der strukturierten Schicht mit einer dünnen, optisch durchlässigen Schicht verschlossen ist, die über zumindest zwei fluidische Schnittstellen verfügt, die mit dem Kanal flüssigkeitsleitend verbunden sind, und die andere Seite der strukturierten Schicht mit einer dünnen, optisch durchlässigen Schicht verschlossen ist, wobei die Küvette aus drei Schichten aufgebaut ist und die strukturierte Schicht von beiden Seiten mit dünner, optisch durchlässiger Folie verschossen ist und wobei die Küvette mit einer Vertiefung oberhalb des Kanals zur Minimierung der Materialdicke versehen ist.
  2. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht mit integrierten optischen Elementen zur Nutzung der Totalreflexion versehen ist.
  3. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht eine Folie ist.
  4. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht und die beiden Folien aus Kunststoff bestehen.
  5. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht aus Glas oder Quarz besteht.
  6. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Schicht und die Folien aus einer Kombination von Glas-Kunststoff, Glas-Kunststoff-Glas oder Glas-Kunststoff-Glas mit zusätzlicher Verbindungsschicht bestehen.
  7. Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Verwendung als Einwegkomponente.
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