DE19905983C2 - Verfahren zum Herstellen eines Kapillarenhalters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kapillarenhalters mit einem Substrat, das eine Aufnahme für eine Kapillare hat.

Derartige Kapillarenhalter werden beispielsweise in der Mikrohochleistungs­ flüssigkeitschromatographie (MikroHPLC) sowie zur Kapillar-Elektrophorese (CE) bzw. Kapillarzonen-Elektrophorese (CZE) verwendet.

Die WO 97/40363 A1 zeigt einen Kapillarenhalter, bei dem eine Kapillare in einer Aufnahme eines Substrats gehalten wird. Der dort gezeigte Kapillarenhalter hat ein Bündel Eingangslichtleiter und ein Bündel Ausgangslichtleiter, die jeweils zumindest nahe der Aufnahme rechtwinklig zur Axialrichtung der Kapillare und koaxial zueinander sind. Jedem Eingangslichtleiter ist dabei ein Ausgangslichtleiter zugeordnet.

Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, daß der dem jeweiligen Eingangslichtleiter zugeordnete Ausgangslichtleiter so justiert werden muß, daß er in der Nähe der Aufnahme rechtwinklig zu der Axialrichtung der Kapillare und koaxial zu dem betreffenden Eingangslichtleiter ist. Diese Justierung ist aufwendig und zeitintensiv und führt in der Regel nicht zu einem optimalen Ergebnis.

Es ist Aufgabe der. Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kapillarenhalters der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem mit minimalem Justageaufwand eine maximale Transmission erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bei einem derart hergestellten Kapillarenhalter müssen der Eingangslichtleiter und der Ausgangslichtleiter nicht erst koaxial zueinander justiert werden. Da sie Teile eines Lichtleiters sind, der durch einen Einschnitt unterbrochen ist und dadurch den Eingangslichtleiter und den Ausgangslichtleiter jeweils bildet, sind diese zwangsläufig koaxial zueinander. Die Herstellung des Kapillarenhalters vereinfacht sich auf diese Weise wesentlich. Außerdem werden Intensitätsverluste im Betrieb dadurch zuverlässig vermieden, daß der Eingangslichtleiter und der zugehörige Ausgangslichtleiter zuverlässig und genau koaxial zueinander sind. Der Einschnitt kann z. B. mit Hilfe eines Lasers, einer Ultraschall-, Scheiben- oder Seilsäge durchgeführt werden.

Es können jeweils mehrere Lichtleiter parallel nebeneinander auf dem Substrat befestigt werden, die jeweils einen Eingangslichtleiter und einen Ausgangslichtleiter ergeben. Ohne daß sich der Aufwand bei der Herstellung dadurch wesentlich erhöht, kann so das untersuchte Volumen vergrößert werden, was zu einem größeren Signal beim Verwenden des Kapillarenhalters führt. Mehrere Ausgangslichtleiter bieten außerdem die Möglichkeit, in der Auswerteeinheit Licht zweier oder mehrerer Wellenlängen gleichzeitig nachzuweisen und das Ergebnis z. B. durch Bilden eines Differenzsignals weiter zu verarbeiten.

Die Einschnittiefe wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sich die Kapillarenachse und die Achse des gemeinsamen Lichtleiters zumindest nahezu schneiden bzw. in einer Ebene liegen. Dadurch treten die Lichtstrahlen weitgehend radial in die Kapillare ein. Außerdem durchqueren die Lichtstrahlen die Kapillare dann im Bereich deren größter Dicke, wodurch ein hohes Signal erreicht wird.

Der Kapillarenhalter kann eine Abdeckung haben, welche die Kapillare und das von dem Eingangslichtleiter und dem Ausgangslichtleiter gebildete Lichtleiterpaar mindestens im Bereich der Aufnahme abdeckt und durch die sich störende Fremdlichteinflüsse beim Anwenden des Kapillarenhalters vermeiden lassen. Die Abdeckung wird fest mit dem Substrat verbunden, wobei der Einschnitt auch durch die Abdeckung geführt wird. Bei der Fertigung werden dann in einem Arbeitsgang der gemeinsame Lichtleiter sowie die Abdeckung auf das Substrat geklebt oder dergleichen. Erst im Anschluß wird der Einschnitt durch die Abdeckung und den Leiterleiter hindurch bis in das Substrat soweit geführt, daß die Kapillare in dem Einschnitt angeordnet werden kann.

Als Lichtleiter wird vorzugsweise ein Faserleiter verwendet, der beispielsweise aus Glas, Quarzglas oder Kunststoff bestehen kann. Diese Faserleiter lassen sich besonders einfach und vielseitig handhaben. Der Lichtleiter kann aber auch als Lichtleitkanal in einem Träger, vorzugsweise Schwarzglas geätzt werden. Ein solcher Lichtleitkanal kann die Lichtstrahlen mit besonders geringen Verlusten übertragen. Außerdem ist es damit möglich, den gesamten Innenraum der Kapillare in einem vorgegebenen Bereich zu durchstrahlen.

Für den den Eingangslichtleiter und den Ausgangslichtleiter bildenden Faserleiter kann eine Einmodenfaser oder auch eine Multimodenfaser verwendet werden, deren Kerndurchmesser gleich oder geringfügig großer als der Kapillareninnendurchmesser ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß hergestellter Kapillarenhalter anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines gemäß dem Verfahren hergestellten Kapillaren­ halters in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 den Kapillarenhalter nach dem ersten Ausführungs­ beispiel in einer schematischen Aufsicht auf die Eingangsseite der Lichtleitfasern,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Kapillarenhalter nach dem ersten Ausführungsbeispiel mit abgenommener Abdec­ kung,

Fig. 4 eine Innenansicht einer Abdeckung mit einer Öffnung für den Kapillarenhalter nach dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 5 eine Innenansicht einer Abdeckung mit einem ver­ spiegelten Bereich für den Kapillarenhalter nach dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines gemäß dem Verfahren hergestellten Kapillaren­ halters in einer Seitenansicht,

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 des Kapillarenhalters nach dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel eines gemäß dem Verfahren hergestellten Kapillaren­ halters in einer Ansicht ähnlich Fig. 2, und

Fig. 9 eine Schnittansicht des Kapillarenhalters nach dem dritten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 10 einen achsnormalen Querschnitt durch eine Kapillare.

Fig. 1 zeigt einen ersten Kapillarenhalter 10 in einer Seitenansicht. Der Kapillarenhalter 10 hat ein Substrat 12 und eine Abdeckung 14. Das Substrat 12 besteht z. B. aus Quarz, Glas, Kunststoff oder Keramik. Die lichtundurchlässige Abdeckung 14 ist mit dem Substrat 12 mit nicht eingezeichneten Schrauben verschraubt.

Auf das Substrat 12 sind - im dargestellten Beispiel - sechs Lichtleitfasern aufgeklebt, von denen in Fig. 1 nur eine Lichtleitfaser 16 zu sehen ist. Diese ist innerhalb der Abdeckung 14 durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Anzahl der Lichtleitfasern 16 ist beliebig und kann entsprechend den jeweiligen Meßanforderungen oder räumlichen Gegebenheiten gewählt werden. Es kann z. B. auch nur eine Faser 16 vorgesehen sein. Die Lichtleitfasern 16 sind durch einen Einschnitt 18 in Eingangslichtleitfasern 16a und Ausgangslichtleitfasern 16b unterbrochen, wobei der Einschnitt 18 bis in das Substrat 12 hineinreicht. In dem Einschnitt 18 ist eine Kapillare 20 angeordnet. Die Breite des Einschnitts 18 ist dabei etwas größer als der Außendurchmesser der Kapillare 20, so daß diese mit geringem Spiel zwischen den Stirnflächen der Lichtleitfasern 16 gehalten wird. Die Tiefe des Einschnitts 18 ist so gewählt, daß die Achse der Kapillare 20 die optische Achse der Lichtleitfasern 16 schneidet.

In der Abdeckung 14 ist eine Aussparung 22 vorgesehen, die mit dem Einschnitt 18 im Bereich des Substrats 12 bündig ab­ schließt, wenn die Abdeckung 14 mit dem Substrat 12 ver­ schraubt ist. Die Kapillare 20 wird dann in der Öffnung ge­ halten, die von der Aussparung 22 und dem Einschnitt 18 ge­ bildet wird. Dabei drückt die Abdeckung 14 die Kapillare 20 auf das Substrat 12.

Die Kapillare kann einen kreisförmigen oder polygonalen, vorzugsweise rechteckigen oder quadratischen Querschnitt (Fig. 10) haben und hat vorzugsweise einen Mantel 21 aus Polyimid oder Teflon, der im Bereich der Faserenden der Eingangslichtleiter 16a und Ausgangslichter 16b ein Fenster hat.

Das Substrat 12 hat in einem mittleren Bereich eine Bohrung 24, die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist. In die Boh­ rung 24 ist eine weitere Lichtleitfaser 26 gesteckt. Dies kann z. B. eine sogenannte Einmodenfaser mit kleinem Kernbereich sein, die vor allem mit Laserlichtquellen eingesetzt wird und oberhalb der Grenzwellenlänge der Einmodigkeit eine nahezu gaußförmige Intensitätsverteilung im Nah- und Fernfeld hat. Der Durchmesser der Lichtleitfasern 16, 26 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, daß ihr aktiver Faserkern gleich dem oder kleiner als der Innen­ durchmesser der Kapillare 20 ist.

Auf der von den Lichtleitfasern 16 abgewandten Seite des Sub­ strats 12 sind in Fig. 1 ein Kühlkörper 28 und ein Temperatur­ fühler 30 eingezeichnet, die mit einer Regeleinheit 32 ver­ bunden sind. Die Regeleinheit 32 dient zum Regeln der Sub­ strattemperatur.

Im Betrieb führen die Eingangslichtleitfasern 16a Licht von einer schematisch dargestellten Lichtquelle 34 zu der Kapillare 20. Es können dabei alle geeigneten Lichtquellen verwendet werden. Die Eingangslichtleitfasern 16a haben nicht eingezeichnete Anschlüsse, mit denen sie mit ebenfalls nicht eingezeichneten Lichtleitern oder direkt mit der Lichtquelle 34 verbunden sind. Das Licht durchdringt die Kapillare 20 und ein fluides Medium 36 in deren Innerem.

Anschließend wird das Licht von den Ausgangslichtleitfasern 16b empfangen und zu einer schematisch eingezeichneten Aus­ werteeinheit 38 weitergeleitet, die die Absorption oder auch die Emission des Lichtes in dem fluiden Medium 36 ermittelt. Auch die Ausgangslichtleitfasern 16b haben Anschlüsse, die in Fig. 1 nicht eingezeichnet sind, und mit denen sie mit gleichfalls nicht eingezeichneten Lichtleitern oder direkt mit der Auswerteeinheit 38 verbunden sind.

Zum Durchführen einer Fluoreszenzmessung kann dem fluiden Medium 36 auch Licht von einer Lichtquelle 40 durch die Lichtleitfaser 26 zugeführt werden. Die Lichtquelle 40 ist in diesem Fall ein Laser oder eine geeignete monochromatische Lichtquelle. Diese hat einen nicht eingezeichneten Anschluß, mit dem sie mit einem nicht eingezeichneten Lichtleiter oder direkt mit der Lichtquelle 40 verbunden ist. Das Medium 36 wird dadurch angeregt und gibt diese Anregungsenergie in Form von Fluoreszenzlicht wieder ab. Mit den Ausgangslichtleitfasern 16b kann dieses Fluoreszenzlicht empfangen und zu der Auswerteeinheit 38 weitergeleitet werden. Diese ermittelt entweder die Intensität des gesamten Fluoreszenzlichts oder durch Vorschalten eines geeigneten Filters nur die einer ausgewählten Wellenlänge.

Fig. 2 zeigt den Kapillarenhalter 10 nach dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel in einer Aufsicht auf die Eingangsseite der Lichtleitfasern 16. Die Lichtleitfasern 16 sind darin in einer geschnittenen Darstellung abgebildet. Die Lichtleitfasern 16 sind mit einem möglichst kleinen Abstand zuein­ ander auf dem Substrat 12 angeordnet. In der Abdeckung 14 ist eine weitere Aussparung 42 angeordnet, durch die die Lichtleitfasern 16 aus der Abdeckung 14 austreten, wenn diese mit dem Substrat 12 verschraubt ist.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Kapillarenhalter 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Abdeckung 14 von dem Substrat 12 abgenommen ist. Gezeigt sind die auf das Sub­ strat 12 geklebten Eingangslichtleitfasern 16a und Ausgangs­ lichtleitfasern 16b, die in einem Abstand von dem Substrat 12 jeweils zu einem Lichtleitfaserbündel verdrillt sind.

Außerdem sind in Fig. 3 drei Bohrungen 24 in dem Substrat 12 gestrichelt eingezeichnet. Dadurch wird ein großes Nachweis­ volumen für die Laserfluoreszenzmessungen verwendet, was wie­ derum zu einem großen Signal führt. Die drei Bohrungen 24 lassen sich aber auch zum gleichzeitigen Anregen des fluiden Materials 36 mit Licht verschiedener Wellenlängen verwenden.

Fig. 4 zeigt eine Innenansicht der Abdeckung 14 für den Kapil­ larenhalter 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Im mitt­ leren Bereich der Abdeckung 14 ist eine Öffnung 44 vorgese­ hen. Wenn die Abdeckung 14 mit dem Substrat 12 wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt verbunden ist, ist die Öffnung 44 derart über den Bohrungen 24 in dem Substrat 12 angeordnet, daß die Lichtstrahlen aus den Lichtleitern 26 ungehindert aus der Öffnung 44 austreten können.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Abdeckung 14' für den Kapillarenhalter 10 nach dem ersten Ausführungsbei­ spiel in einer Innenansicht ähnlich Fig. 4. Die Abdeckung 14' hat einen mittleren verspiegelten Bereich 46. Dieser ist den Bohrungen 24 in dem Substrat 12 zugewandt und über diesen an­ geordnet, wenn die Abdeckung 14' ähnlich Fig. 1 und 2 mit dem Substrat 12 verbunden ist. Auf diese Weise werden die der Ka­ pillare 20 mit den Lichtleitern 26 zugeführten Lichtstrahlen nach dem Passieren der Kapillare 20 von dem verspiegelten Be­ reich 46 zurück reflektiert und der Kapillare 20 erneut zuge­ führt.

Fig. 6 zeigt einen zweiten Kapillaren­ halter 50 in einer Ansicht axial zu der Kapillare 20. Glei­ che Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem Kapillarenhalter 50 sind die Lichtleitfasern 16 nicht nur auf das Substrat 12 geklebt, sondern komplett mit einem geeigneten Kunstharz mit diesem vergossen. Dadurch wird eine Abdeckung 52 gebildet, die die Lichtleitfasern 16 einschließt und die diesen zugewandte Seite des Substrats 12 bedeckt. Ein Einschnitt 18' ähnlich dem Einschnitt 18 nach dem ersten Ausführungsbeispiel durch­ trennt die Lichtleitfasern 16 und die Abdeckung 52 und reicht bis in das Substrat 12.

An der von dem Susbtrat 12 abgewandten Seite der Abdeckung 52 ist ein Halter 54 schwenkbar um eine Achse 56 angeordnet. Der< Halter 54 wird durch eine nicht gezeigte Feder auf das Substrat 12 hin vorgespannt. Dadurch läßt sich die Kapillare 20 nach Anheben des Halters 54 gegen die Federkraft einfach in den Einschnitt 18' einführen. Sie wird anschließend nach Loslassen des Halters 54 durch die Federkraft sicher in dem Einschnitt 18' gehalten.

Fig. 7 zeigt eine Ansicht ähnlich Fig. 2 des Kapillarenhalters 50 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche Elemente tragen auch hier die gleichen Bezugszeichen. Der Halter 54 hat die gleiche Breite wie die Abdeckung 52 und das Substrat 12. Dadurch wird die Kapillare 20 über die gesamte Breite des Substrats 12 festgeklemmt.

Fig. 8 zeigt einen dritten Kapillaren­ halter 60 in einer Ansicht ähnlich Fig. 2. Der Kapillarenhal­ ter 60 ist im wesentlichen ähnlich aufgebaut wie der Kapil­ larenhalter 50. Abweichend davon hat der Kapillarenhalter 60 ein Substrat 62, in dessen Boden Bohrungen 24' ähnlich den Bohrungen 24 für Lichtleitfasern 26 angeordnet sind. Anstelle der Lichtleitfasern 16 hat der Kapillarenhalter 60 einen in das Substrat 62 geätzten Lichtleitkanal 64.

Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht des dritten Kapillarenhalters 60. Abgebildet ist ein Schnitt durch den Lichtleitkanal 64 parallel zur Oberfläche des Sub­ strats 62. Das dem Lichtleitkanal 64 zugewandte Ende eines Querschnittswandlers 66 hat einen dem Lichtleitkanal 64 ent­ sprechenden Querschnitt und steckt ein kurzes Stück in die­ sem.

Der Querschnittswandler 66 ist vorzugsweise ein Kunststoffaserleiter und ist an seinem dem Lichtleitkanal 64 zugewandten Ende in eine diesem entsprechende Form gedrückt. Dadurch kann Licht aus dem Querschnittswandler 66 gleichmäßig verteilt in den Lichtleitkanal 64 eingestrahlt werden. Als Querschnittswandler kann aber auch eine Quarzglasfaser verwendet werden, von der ein Abschnitt bei einer geeigneten hohen Temperatur (oderhalb von 1300°C) mit geeigneten temperaturbeständigen Werkzeugen in die entsprechende rechteckige Form gebracht wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Kapillarenhalters (10, 50, 60) mit einem Substrat (12, 62), das eine Aufnahme für eine Kapillare (20) hat, bei dem mindestens ein durchgehender Lichtleiter (16, 64) auf dem Substrat (12, 62) befestigt und anschließend durch einen Einschnitt (18, 18') mindestens annähernd rechtwinklig zu dem Lichtleiter (16, 64) in einen Eingangslichtleiter (16a) zum Zuführen von Lichtstrahlen zu der Kapillare (20) und einen Ausgangslichtleiter (16b) zum Empfangen und Weiterleiten der Lichtstrahlen aus der Kapillare (20) zu einer Auswerteeinheit (38) aufgetrennt wird, wobei die Breite des Einschnitts (18, 18') dem Außendurchmesser der Kapillare (20) entspricht und wobei der Einschnitt (18, 18') derart tief in das Substrat (12, 62) reicht, daß die Achse der in dem Einschnitt (18, 18') angeordneten Kapillare (20) zumindest annähernd in der gleichen Ebene liegt wie die Achse des Lichtleiters (16, 64).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnitt (18, 18') mit Hilfe eines Lasers, einer Ultraschall-, Scheiben- oder Seilsäge erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (20) und der Lichtleiter mindestens im Bereich der Aufnahme durch eine Abdeckung abgedeckt werden, die mit dem Substrat fest verbunden wird, wobei der Einschnitt (18') auch durch die Abdeckung (52) geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiter jeweils ein Faserleiter (16, 26) verwendet wird, der vorzugsweise aus Glas, Quarzglas oder Kunststoff besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Faserleiter (16) eine Einmodenfaser verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Faserleiter (16) eine Multimodenfaser verwendet wird, deren Kerndurchmesser gleich oder geringfügig größer als der Kapillareninnendurchmesser ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter als Lichtleitkanal (64) in einem Träger (62), vorzugsweise Schwarzglas, geätzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (16, 26) auf das Substrat (12, 62) geklebt, gekittet oder geschmolzen werden.