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Die Erfindung betrifft eine mikrostrukturierte Anordnung
zur Behandlung mindestens eines Fluids nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Unter Behandlung sind hier die Durchführung von
Reaktionen, insbesondere aber die Analyse, beispielsweise durch Kapillarelektrophorese,
zu verstehen.
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Eine Anordnung der eingangs angegebenen Art
ist beispielsweise aus der
EP
1 162 455 A1 bekannt. Dort weist ein Mikrochip-Laborsystem mehrere
Reservoirs auf, die zusammen mit einem Kanalsystem auf mikromechanischem
Wege in einem Substrat ausgebildet sind. Einige der Reservoirs enthalten
zu bearbeitende Fluide, hier ein Proben-Fluid und ein Puffer-Fluid,
die nach ihrer Bearbeitung, hier der Analyse des gepufferten Proben-Fluids
durch Kapillarelektrophorese, als Abfallprodukte in anderen Reservoirs
gesammelt werden. Die Förderung
der Fluide durch das Kanalsystem erfolgt elektrokinetisch durch
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den betreffenden Reservoirs,
wozu in diesen Elektroden angeordnet sind, die an eine Spannungsquelle
schaltbar sind.
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Bisher wurden die Reservoirs mit
den Elektroden und dem Kanalsystem auf einem Substrat ausgebildet,
wobei die Reservoirs diskontinuierlich mit den Fluiden gefüllt wurden,
so wie dies im Laborbetrieb üblich
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
mikrostrukturierte Anordnung der eingangs angegebenen Art im Hinblick
auf ihre praktische Verwendbarkeit zu verbessern und insbesondere
für den
Einsatz im industriellen oder sonstigen Prozessbetrieb zu ertüchtigen.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch
die in Anspruch 1 angegebene Anordnung gelöst, von der vorteilhafte Weiterbildungen
in den Unteransprüchen
angegeben sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
sind die Strukturen für
die Fluidbehandlung und die Strukturen für die fluidische und elektrische
Versorgung voneinander entkoppelt und auf unterschiedlichen Trägerplatten
realisiert, so dass insbesondere die Trägerplatte mit den in der Regel
sehr viel feineren und damit störungs-
und verschleißanfälligeren Strukturen
für die
Fluidbehandlung als konstruktiv einfaches und preiswertes Austauschteil
hergestellt werden kann. So sind die zur elektrokinetischen Förderung
des Fluids dienenden Elektroden nicht mehr, wie bisher üblich, in
Dünnschichttechnik
auf dem Substrat mit den Strukturen für die Fluidbehandlung aufgebracht,
sondern auf der Trägerplatte
mit den Strukturen für
die fluidische und elektrische Versorgung angeordnet, wo sie wesentlich
robuster, beispielsweise aus Vollmaterial, realisiert werden können. Durch
Aneinanderfügen
der beiden Trägerplatten
werden die darin ausgebildeten Strukturen, nämlich die Reservoirs mit den
Elektroden und das Kanalsystem, miteinander verbunden, wobei die
Verbindung nach außen
hin fluidisch dicht erfolgt.
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Die Reservoirs und das Kanalsystem
können in
unterschiedlicher Weise als mikrofluidische Strukturen realisiert
sein, wobei sie vorzugsweise in Form von grabenförmigen Vertiefungen auf jeweils
einer Seite der beiden Trägerplatten
ausgebildet sind und wobei die beiden Trägerplatten an diesen Seiten
miteinander verbunden sind. Die Verbindung beider Trägerplatten
kann unmittelbar oder mittelbar unter Zwischenlage einer Verbindungsplatte
erfolgen, welche Fluidpassagen zur fluidischen Verbindung der Reservoirs
mit dem Kanalsystem enthält
und im Übrigen die
Vertiefungen in den beiden Trägerplatten
fluidisch dicht abdeckt. Vorzugsweise sind die Trägerplatten auf
ihren die grabenförmigen
Vertiefungen enthaltenden Seiten mit Deckelplatten abgedeckt, die
Fluidpassagen zur fluidischen Verbindung der Reservoirs mit dem
Kanalsystem enthalten.
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Das jeweils zur Aufnahme des Fluids
vor seiner Behandlung dienende Reservoir weist in vorteilhafter
Weise zwei Fluidanschlüsse
zur kontinuierlichen Zufuhr und Abfuhr des Fluids in das bzw. aus dem
Reservoir auf, wobei die Elektrode in einem Strömungsweg des Fluids zwischen
beiden Fluidanschlüssen
angeordnet ist und die Stelle, an der das Reservoir mit dem Kanalsystem
verbindbar ist, bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids, vor
der Elektrode in dem Reservoir liegt. Das Reservoir wird von dem
Fluid durchströmt,
welches dazu kontinuierlich aus einem industriellen oder sonstigen
Prozess entnommen und druckgetrieben durch das Reservoir gefördert werden
kann. Die Verweildauer des Fluids von dem Zeitpunkt seiner Entnahme
aus dem Prozess bis zu dem Zeitpunkt, an dem ein Teil von ihm zur
Behandlung in dem Kanalsystem elektrokinetisch aus dem Reservoir
abgezweigt und in das Kanalsystem gefördert wird, ist daher bei entsprechend
hohem Volumenstrom des durch das Reservoir strömenden Fluids sehr kurz und
von dem Zeitpunkt oder den Zeitpunkten der Abzweigung unabhängig. Da
die Abzweigung des Fluids aus dem Reservoir in das Kanalsystem,
in Richtung der Strömung
des Fluids durch das Reservoir gesehen, vor der Elektrode erfolgt,
können
durch Elektrolyse an der Elektrode entstehende Gasblasen nicht in
das Kanalsystem gelangen und dieses blockieren. Da für die Behandlung des
Fluids jedes Mal nur ein Teil davon aus dem Reservoir in das Kanalsystem
abgezweigt wird, ist der Strömungsquerschnitt
des Reservoirs größer als
der des Kanalsystems. In jedem Fall ist der Querschnitt des Kanalsystems
klein genug, um überhaupt
eine elektrokinetische Förderung
des Fluids zu ermöglichen.
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Die Verbindung zwischen dem Reservoir
in der ersten Trägerplatte
und dem Kanalsystem in der zweiten Trägerplatte erfolgt vorzugsweise über einen in
der ersten Trägerplatte
ausgebildeten und von dem Reservoir abzweigenden Stichkanal, dessen Strömungsquerschnitt
kleiner als der des Reservoirs ist und eine elektrokinetische Förderung
des Fluids ermöglicht.
Der Stichkanal zweigt von der Elektrode ausgesehen vorzugsweise
unter einem Winkel ≥ 90° von dem
Reservoir ab, so dass das Fluid, welches das Reservoir druckgetrieben
durchströmt,
nicht in den Stichkanal gedrückt
wird.
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Zur kontinuierlichen Entleerung der
jeweils zur Aufnahme des Fluids nach seiner Behandlung dienenden
Reservoirs können
diese jeweils einen Fluidanschluss aufweisen, über den das Fluid aus dem Reservoir
abgeführt
und gegebenenfalls entsorgt wird.
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Bevorzugt sind die Elektroden derart
angeordnet, dass sie jeweils in den Strömungsweg des Fluids durch das
jeweilige Reservoir hineinragen und von dem Fluid umströmt werden.
Das ermöglicht
es, die Elektroden als robuste Drahtelektroden auszubilden, die
durch Elektrolyse weniger schnell abgebaut werden, als beispielsweise
Dünnschichtelektroden. Damit
die Strömung
des Fluids durch die Elektroden nicht gestört wird, kann das Innere des
Reservoirs im Bereich der hineinragenden Elektrode aufgeweitet sein,
so dass der Strömungsquerschnitt
des Reservoirs zumindest annähernd
konstant bleibt.
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Um die Elektroiden bei Bedarf, z.
B. aufgrund von Abnutzung, leicht austauschen zu können, sind sie
bevorzugt jeweils Bestandteil eines Elektroden-Steckers, der lösbar und
fluidisch dicht in einem Elektrodenanschluss in der ersten Trägerplatte
gehalten ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im
Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen mikrostrukturierten
Anordnung mit Fluid-Reservoirs und Elektroden auf einer ersten Trägerplatte
und einem Kanalsystem zur Fluidanalyse auf einer zweiten Trägerplatte,
die
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2 und 3 ein Beispiel für die zweite
Trägerplatte
mit dem Kanalsystem und aufliegender Trägerplatte in Seitenansicht
und Draufsicht, die
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4 bis 6 ein Beispiel für die erste
Trägerplatte
mit den Reservoirs und Elektroden und aufliegender Trägerplatte
in Draufsicht, Seitenansicht und Unteransicht,
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7 ein
Beispiel für
die mit der ersten Trägerplatte
verbundene Deckelplatte in Draufsicht, die
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8 und 9 ein Beispiel für die fluidische Verbindung
eines Reservoirs in der ersten Trägerplatte mit dem Kanalsystem
in der zweiten Trägerplatte
in zwei unterschiedlichen Schnittdarstellungen, und die
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10 und 11 ein Beispiel für ein von
dem Fluid durchströmtes
Reservoir mit einem davon abzweigenden Stichkanal in zwei unterschiedlichen Schnittdarstellungen.
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1 zeigt
eine mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung von Fluiden, mit
Reservoirs 2, 3, 4 und 5 zur
Aufnahme der Fluide vor bzw. nach ihrer Behandlung und mit einem
Kanalsystem 6, das die Reservoirs 2 bis 5 untereinander
verbindet und in dem die Behandlung der Fluide erfolgt. Bei dem
gezeigten Ausführungsbeispiel
besteht das Kanalsystem 6 aus vier Kanälen 7, 8, 9 und 10,
die von jeweils einem der vier Reservoirs 2 bis 5 abzweigen
und an einer Kreuzungsstelle 11 miteinander verbunden sind.
In den Reservoirs 2 bis 5 sind Elektroden 12, 13, 14 und 15 angeordnet,
die an einer vierpoligen Spannungsquelle 16 angeschlossen
sind, mittels der zwischen den Elektroden 12 bis 15 unterschiedliche Hochspannungen
einstellbar sind. In Abhängigkeit von
den eingestellten Hochspannungen werden Fluide aus vorgebbaren Reservoirs,
hier 2 und 3, über das
Kanalsystem 6 in andere Reservoirs, hier 4 und 5,
elektrokinetisch gefördert.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
werden beispielsweise zunächst
ein Puffer-Fluid aus dem Reservoir 3 über die Kanäle 8 und 9 in
das Reservoir 4 und gleichzeitig ein Proben-Fluid aus dem Reservoir 2 über die
Kanäle 7 und 10 in
das Reservoir 5 gefördert.
Durch Verändern
der Hochspannungen an den Elektroden 12 bis 15 wird
dann das Proben-Fluid an der Kreuzungsstelle 11 für eine vorgegebene
Zeit und damit in einer vorgegebenen Menge in den Kanal 9 eingeleitet,
bevor es anschliessend wieder in den Kanal 10 umgeleitet
wird. Das in den Kanal 9 eingeleitete und anschließend durch
das nachfolgende Puffer-Fluid durch den Kanal 9 hindurch
geförderte
Proben-Fluid wird dort elektrophoretisch in seine Bestandteile getrennt,
die mittels einer Detektoreinrichtung 17 detektiert werden;
eine der Detektoreinrichtung 17 nachgeordnete Auswerteeinrichtung 18 bestimmt
die detektierten Bestandteile des Proben-Fluids qualitativ und quantitativ.
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Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel
kann zunächst
aus dem Reservoir 3 ein Proben-Fluid über die Kanäle 8 und 10 und
aus dem Reservoir 2 ein Puffer-Fluid über die Kanäle 7 und 10 in das
Reservoir 5 gefördert
werden. Durch Verändern der
Hochspannungen an den Elektroden 12 bis 15 wird
das Puffer-Fluid an der Kreuzungsstelle 11 in den Kanal 9 umgeleitet
und injiziert dabei das sich im Bereich der Kreuzungsstelle 11 befindende
Proben-Fluid in den Kanal 9. Dort wird das Proben-Fluid elektrophoretisch
in seine Bestandteile getrennt, die mittels der Detektoreinrichtung 17 detektiert
werden. Die Menge des in den Kanal 9 injizierten Proben-Fluids
entspricht dem Volumen der Kreuzungsstelle 11 und kann
dadurch vergrössert
werden, dass der Kanal 10 gegenüber dem Kanal 8 in
Richtung auf die Detektoreinrichtung 17 zu versetzt in
den Kanal 9 einmündet.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Reservoirs 2 bis 5 in Form von weiteren
Kanälen mit
Fluidanschlüssen 19, 20, 21, 22, 23 und 24 ausgebildet.
Dabei weisen die zur Fluid-Einspeisung in das Kanalsystem 6 dienenden
Reservoirs 2 und 3 jeweils zwei Fluidanschlüsse 19 und 20 bzw. 21 und 22 auf,
wobei die Kanäle 7 und 8 jeweils
im Bereich zwischen den beiden Fluidanschlüssen 19 und 20 bzw. 21 und 22 mit
den Reservoirs 2 bzw. 3 verbunden sind. Wie am
Beispiel des Reservoirs 2 gezeigt ist, wird das Proben-Fluid 25 kontinuierlich
aus einem industriellen Prozess, hier einer Rohrleitung 26,
entnommen und nach Aufbereitung, beispielsweise Filterung und Pufferung,
in einer Probenaufbereitungseinrichtung 27 durch eine Pumpe
oder ähnliches druckgetrieben über den
Fluidanschluss 19 in das Reservoir 2 eingespeist.
Das Proben-Fluid 25 durchströmt das Reservoir 2 und
wird über
den Fluidanschluss 20 entsorgt.
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Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, sind
die Reservoirs 2 bis 5 mit den Elektroden 12 bis 15 auf
einer, hier mit 28 angedeuteten, ersten Trägerplatte und das Kanalsystem 6 in
einer, hier mit 29 angedeuteten, weiteren Trägerplatte ausgebildet, wobei beide
Trägerplatten 28 und 29 unter
Herstellung fluidisch dichter Verbindungen zwischen den Reservoirs 2 bis 5 und
dem Kanalsystem 6 lösbar
miteinander verbunden sind.
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Die 2 und 3 zeigen die zweite Trägerplatte 29 in
Seitenansicht bzw. mit Sicht auf die Seite 30 der Trägerplatte 29,
auf der das Kanalsystem 6 in Form von grabenförmigen Vertiefungen
ausgebildet ist. Diese sind durch eine Deckelplatte 53 abgedeckt, die
an den Enden der vier Kanäle 7 bis 10 hier
nicht gezeigte Fluidpassagen enthält. Neben Zentriermitteln
31 weist
die Trägerplatte 29 auch
noch Kontakte 32 der hier nicht gezeigten Detektoreinrichtung 17 zum
Anschluss an die Auswerteeinrichtung 18 auf.
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4 zeigt
die erste Trägerplatte 28 mit Sicht
auf ihre Seite 33, auf der die Reservoirs 2 bis 5, ebenfalls
in Form von grabenförmigen
Vertiefungen, ausgebildet sind. Diese sind, ebenso wie bei der in den 2 und 3 gezeigten Trägerplatte 29, mit
einer Fluidpassagen enthaltenden Deckelplatte 54 abgedeckt.
Die 5 und 6 zeigen die erste Trägerplatte 28 mit
ihrer Deckelplatte 54 in Seiten- und Unteransicht; 7 zeigt die Deckelplatte 54 mit
den darin enthaltenen Fluidpassagen 55 in Draufsicht. Die
Fluidanschlüsse 19 bis 24 sowie
Elektrodenanschlüsse 34, 35, 36 und 37 für die Elektroden 12 bis 15 und
Anschlüsse 38 für die Kontakte 32 sind
auf der von der Seite 33 abgewandten Seite 39 der Trägerplatte 28 in Form
von Steck- oder Schraubanschlüssen
für Leitungen
mit daran angeschlossenen Steckerteilen ausgebildet. Zur fluidischen
Verbindung der Reservoirs 2 bis 5 in der ersten
Trägerplatte 28 mit
den Fluidpassagen 55 in der Deckelplatte 54 sind
in der ersten Trägerplatte 28 Stichkanäle 40, 41, 42 und 43 vorgesehen,
die von dem jeweiligen Reservoir 2 bis 5 abzweigen
und deren jeweiliger Strömungsquerschnitt
kleiner als der des Reservoirs 2 bis 5 ist und eine
elektrokinetische Förderung
der Fluide ermöglicht.
Dabei liegen die Enden der Stichkanäle 40 bis 43 den
Fluidpassagen 55 in der Deckelplatte 54 direkt
gegenüber.
Um die Reservoirs 2 bis 5 und das Kanalsystem 6 miteinander
zu verbinden, liegen die beiden Trägerplatten 28 und 29 mit
ihren Deckelplatten 54 und 53 unter Druck aneinander,
wobei die Fluidpassagen in den Deckelplatten 54 und 53 miteinander
fluchten. Der Anpressdruck für
die Trägerplatten 28 und 29 mit
ihren Deckelplatten 54 und 53 wird durch eine
hier nicht gezeigte Klemmeinrichtung erzeugt, in der die Trägerplatten 28 und 29 lösbar gehalten
sind.
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8 zeigt
einen Längsschnitt
durch die einschließlich
ihrer Deckelplatten 54 und 55 miteinander verbundenen
Trägerplatten 28 und 29 im
Bereich des Reservoirs 4. 9 zeigt
eine Draufsicht auf die Trägerplatte 28 im
Bereich des Reservoirs 4. Das Reservoir 4 ist
auf der Seite 33 der Trägerplatte 28 als
grabenförmige
Vertiefung mit einem Querschnitt von beispielsweise 0,3 × 0,3 mm
ausgebildet und wird unter Bildung eines Kanals von der Deckelplatte 54 abgedeckt.
Auf der davon abgewandten Seite 39 der Trägerplatte 28 sind
der Fluidanschluss 23 und der Elektrodenanschluss 36 ausgebildet,
die sich durch die Trägerplatte 28 hindurch
bis in das Reservoir 4 erstrecken. In dem Fluidanschluss 23 ist
ein Fluid-Stecker 47 mit
Fluid-Leitung 48 und in dem Elektrodenanschluss 36 ein
Elektroden-Stecker 49 mit Elektroden-Leitung 50 und
der Elektrode 14 eingeschraubt. Die als Drahtelektrode
ausgebildete Elektrode 14 erstreckt sich quer durch das
an dieser Stelle auf geweitete Reservoir 14 und ist mit
ihrem Ende in der Ausnehmung 46 der Verbindungsplatte 44 gehalten. Die
Elektrode 14 wird daher von dem das Reservoir 4 durchströmenden und über den
Fluidanschluss 23 abgeführten
Fluid beidseitig umströmt.
Von dem Reservoir 4 geht, in Strömungsrichtung des Fluids gesehen,
vor der Elektrode 14 der Stichkanal 42 ab, welcher
beispielsweise einen Querschnitt von 0,1 × 0,1 mm aufweist, also ausreichend
klein für
eine elektrokinetische Förderung
des Fluids zur Elektrode 14 hin ist. Die Fluidpassage 55 in
der Deckelplatte 54 liegt im Endbereich des Stichkanals 42 und
verbindet diesen über
die Fluidpassage 56 in der Deckelplatte 53 mit
dem Kanalsystem 6 in der Trägerplatte 29. Der Querschnitt
des Kanalsystems 6 beträgt
beispielsweise 0,05 × 0,05
mm. Um die Ausrichtung der Fluidpassagen 56 und 55 in
den Deckelplatten 53 und 54 zueinander zu erleichtern
und bei der Verbindung der beiden Trägerplatten 28 und 29 einen
konstruktions- und montagebedingten Versatz zwischen beiden Fluidpassagen 55 und 56 zu
ermöglichen,
ist die Fluidpassage 55 in der Deckelplatte 54 auf
der der Deckelplatte 53 zugewandten Seite in Form einer
Ausnehmung 57 erweitert, deren Tiefe mit beispielsweise 0,1
mm ausreichend gering ist, um die elektrokinetische Förderung
des Fluids durch die Fluidpassagen 55 und 56 nicht
zu behindern. Zur Abdichtung der fluidischen Verbindungsstelle zwischen
den beiden Deckelplatten 53 und 54 kann in der
flachen Ausnehmung 57 ein Dichtungsring 58 angeordnet
sein.
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Die 10 und 11 zeigen jeweils in unterschiedlichen
Schnittdarstellungen einen Ausschnitt aus dem Reservoir 2 im
Bereich zwischen den beiden Fluidanschlüssen 19 und 20.
Die Elektrode 12 ist zumindest in ihrem Endbereich drahtförmig ausgebildet
und durchdringt die erste Trägerplatte 28 von
der Seite 39 kommend. Im Weiteren verläuft die Elektrode 12 quer
durch das Reservoir 2 bis in eine Ausnehmung 46,
in der Deckelplatte 54, wo sie mit ihrem Ende gehalten
ist. Dadurch wird erreicht, dass die Elektrode 12 beidseitig
von dem Proben-Fluid 25 umströmt wird. Im Bereich der Elektrode 12 ist
das Reservoir 2 aufgeweitet, so dass sich an dieser Stelle sein
Strömungsquerschnitt
nur gering oder überhaupt
nicht verengt. Der Abzweig des Stichkanals 40 von dem Reservoir 2 ist,
bezogen auf die Strömungsrichtung
des Proben-Fluids 25,
vor der Elektrode 12 angeordnet, so dass durch Elektrolyse
an der Elektrode 12 entstehende Gasblasen 52 von
dem strömenden
Proben-Fluid 25 vom Abzweig des Stichkanals 40 weg transportiert
und ausgetragen werden und somit nicht in den Stichkanal 40 und
nachfolgend in das Kanalsystem 6 gelangen. Außerdem zweigt der
Stichkanal 40, von der Elektrode 12 aus gesehen, unter
einem Winkel α ≥ 90° von dem
Reservoir 2 ab, so dass das druckgetrieben durch das Reservoir 2 strömende Proben-Fluid 25 nicht
in den Stichkanal 40 gedrückt wird.