DE19949538C2 - Mikrokapillare und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrokapillare und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Für die chemische, medizinische, biologische oder genetische Analyse wird heutzutage die Methode der Kapillarelektrophorese (CE) eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Probe in eine dünne Kapillare eingebracht und über Kontakte eine elektrische Spannung angelegt. Die Bestandteile der Probe bewegen sich auf­ grund des elektrischen Feldes unterschiedlich schnell durch die Kapillare, sodaß eine Trennung in ihre Bestandteile auftritt und deren Analyse ermöglicht wird.

Analyseeinheiten für die CE werden in großer Stückzahl benötigt und müssen deshalb zu einem möglichst geringen Preis gefertigt werden. Als sehr aussichtsreiches Verfahren zur preiswerten Fer­ tigung der Gehäuse von solchen Analyseeinheiten gelten die be­ kannten Methoden der Mikroabformung in thermoplastischen Kunst­ stoffen. In diesen Gehäusen werden für die Durchführung einer CE Leiterbahnen benötigt, über die eine elektrische Spannung ange­ legt werden kann.

Aus DE 43 04 424 ist ein Verfahren bekannt, mit dem elektrisch leitfähige Kontakte in einer Mikrostruktur aus einem thermopla­ stischen Kunststoff hergestellt werden können. Auf einem Substrat, auf dem Leiterbahnen angebracht worden sind, wird ein Kunststoff aufgebracht und vermittels Heißprägen mit Mikrostruk­ turen versehen.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß auf dem Strukturgrund eine dünne Schicht aus Kunststoff zurückbleibt, die mit einem aufwendigen Verfahren wie z. B. reaktivem Ionenätzen entfernt werden muß, bevor eine elektrisch leitfähige Verbindung in die Mikrostruktur hinein zustandekommt.

Aus DE 40 10 669 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Kunststoffplatte mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen wird und auf deren Oberfläche dann durch Heißprägen Mikrostruk­ turen eingebracht werden. Die leitfähige Schicht steht am Struk­ turgrund in Zusammenhang und ist von der leitfähigen Schicht auf der Oberfläche der Kunststoffplatte elektrisch isoliert.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß sich keine voneinander isolierten elektrischen Kontakte auf dem Strukturgrund erzeugen lassen und daß keine elektrische Zuleitung von der Oberfläche der Kunststoffplatte her möglich ist.

Eine weitere bekannte Methode zur Kontaktierung von CE-Analyse­ einheiten besteht darin, in Öffnungen in den Analyseeinheiten Elektroden wie z. B. elektrisch leitfähige Drähte einzuhängen.

Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist es, daß Teile der zu analysierenden Probe an den Drähten verbleiben und die folgende Analyse beeinträchtigen können. Darüber hinaus kann die Größe der Anschlußdrähte nicht im gewünschten Maße verringert werden, weil eine gewisse mechanische Stabilität erforderlich ist.

Es ist auch denkbar, die Mikrostrukturen durch ein Abformverfah­ ren in einen thermoplastischen Kunststoff einzubringen, und nachträglich leitfähige Strukturen auf der Oberfläche entweder der Mikrostrukturen oder eines Deckels, der darüber angebracht wird, aufzubringen.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die nachträglich ange­ brachte Leiterbahn sowohl am Strukturgrund als auch auf der Oberfläche zwischen Deckel und mikrostrukturiertem Kunststoff eine kleine Stufe bildet, die einerseits das Strömungsverhalten der zu analysierenden Probe beeinträchtigen kann und anderer­ seits eine dichtende Verbindung von Deckel und Kunststoffteil behindern kann.

Des weiteren ist aus der EP 0 620432 A1 eine Trenneinrichtung mit einer Kapillarsäule bekannt, bei der die verschiedenen Reservoirs mit Elektroden versehen sind. Diese Elektroden reichen jedoch nicht bis in die Kapillaren.

Die Erfindung hat die Aufgabe, Mikrokapillaren aus einem thermo­ plastischen Kunststoff, die trotz leitfähiger Strukturen in ihrem Inneren keine unerwünschten Stufen an ihrer Innenfläche auf­ weisen und ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine unerwünschten Stufen im Inneren oder an der Oberfläche des Ge­ samtaufbaus vorhanden sind, obwohl elektrische Leiterbahnen hin­ ein geführt werden. Darüber hinaus ist das Verfahren, mit dem diese Mikrokapillaren hergestellt werden, einfach und preiswert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von den Fig. 1 bis 5 und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren schematisch den Aufbau der Mikrokapillaren bzw. einzelne Stadien während deren Herstellung. Die Figuren sind nicht maßstäblich gezeichnet, um sehr dünne bzw. kleine Strukturen neben vergleichsweise großen Strukturen deutlich werden zu las­ sen. Im Anwendungsbeispiel werden der Übersichtlichkeit halber nur zwei Leiterbahnen und eine kurze Kapillare gezeigt, mit dem Verfahren lassen sich aber ohne weiteres komplexe fluidische und elektrische Systeme erzeugen.

Die Länge einer Kapillare kann zwischen einigen Millimetern und einem Meter variieren. Breite und Höhe liegen zwischen 20 und 200 µm.

Auf eine Kunststoffplatte 3 aus PMMA mit den Abmessungen 30 . 70 . 1 mm³ wird durch Kathodenzerstäubung eine 200 nm dicke Schicht aus Gold aufgebracht und mit den bekannten Methoden der Fotoli­ thografie und durch Ätzen in einer wäßrigen Lösung so struktu­ riert, daß Leiterbahnen 2 mit einer Breite von 100 µm entstehen, wie es in Fig. 1 unten schematisch dargestellt ist. Der Verbund von Kunststoffplatte 3 und Leiterbahnen 2 wird in eine Heißprägemaschine verbracht. Die Heißprägemaschine wird evakuiert und die Probe wird auf eine Temperatur von 130°C erwärmt. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wird ein Werkzeug 1 aus Messing, das das Negativ der zu erzeugenden Kapillarstruktu­ ren enthält, justiert relativ zu den Leiterbahnen 2 mit einer Kraft von 10 KN in die Oberfläche der Probe eingeprägt und die Temperatur der Probe wird auf 90°C vermindert. In Fig. 3 ist zu sehen, wie das Werkzeug 1 aus der Probe zurückgezogen worden ist und eine Mikrokapillare 3a in der Oberfläche der Kunststoff­ platte 3 zurückbleibt. Das Werkzeug 1 kann auch eine gekrümmte Kontur im Prägebereich aufweisen. Die Leiterbahnen 2 werden beim Prägen der Kunststoffplatte 3 in die Oberfläche der Kunststoff­ platte 3 mit eingedrückt, sodaß sich ein stufenloser Übergang sowohl in der Mikrokapillare 3a als auch auf der Oberfläche 3b der Kunststoffplatte 3 ausbildet. Dadurch kann sich in der Mi­ krokapillare 3a ein ungestörtes Strömungsprofil ausbilden und die Kunststoffplatte 3 weist eine glatte Oberfläche 3b auf, auf der sich ein glatter Deckel 4 ohne weiteres dichtend anbringen läßt. Im glatten Deckel 4 können ebenfalls Leiterbahnen 2 einge­ prägt sein. Fig. 4 zeigt schematisch eine Aufsicht auf die Kunststoffplatte 3 mit einer Mikrokapillare 3a und Leiterbahnen 2.

Die Seitenwand 3c der Mikrokapillare 3a ist schräg ausgeführt. Dadurch wird erreicht, daß die Leiterbahn 2 beim Einbringen der Mikrokapillare 3a nicht so leicht zerrissen und unterbrochen wird. Schon ein Winkel von 2, den die Seitenwand 3c aus der Senkrechten heraus abweicht, führt zu einer merklichen Verminde­ rung der Gefahr, daß die Leiterbahn 2 beim Einbringen der Kapil­ lare 3a beschädigt wird. Außerdem können Verrundungen der Kanten mindestens in dem Bereich der Mikrokapillare 3a vorgesehen wer­ den, in dem Leiterbahnen 2 angebracht werden. Darüber hinaus wird dadurch die Gefahr, daß die Leiterbahnen 2 beschädigt werden, vermindert.

Fig. 5 zeigt einen Deckel 4, der eine Mikrokapillare 3a ver­ schließt. Ein Deckel wird benötigt, weil kleine Probenmengen schnell verdunsten und eine Analyse deshalb ohne einen Deckel 4 nicht möglich wäre. Im Deckel sind Öffnungen 4a vorgesehen, über die fluidische Anschlüsse zu Mikrokapillaren bzw. elektrische Anschlüsse zu den Leiterbahnen 2 hergestellt werden können. Der Deckel kann auch so geformt sein und auf der Kunststoffplatte 2 aufgebracht werden, daß an deren Rand ein Teil der Leiterbahnen 2 und/oder der Kapillaren 3a für Anschlüsse oder Zugänge frei bleibt. Dabei werden fluidische Anschlüsse entweder durch eine Öffnung 4a im Deckel 4 oder über eine Kanüle ausgeführt, die an den Endflächen mit den Kapillaren verbunden sind.

Eine mögliche Anwendung der Erfindung sind Kapillaren für die Elektrophorese. Bei dieser Anwendung wird in der Nähe der Enden einer Kapillare geeigneter Länge Elektroden angebracht. Dabei können mehrere Kapillaren parallel und/oder mit Kreuzungen auf einer Einheit zusammengefaßt sein. Durch das Herstellungsverfah­ ren ist es möglich, die Kapillare platzsparend mäanderförmig zu erzeugen und gegebenenfalls mehrere Elektrodenpaare einzuprägen.

Außerdem kann die Erfindung eingesetzt werden, um nach dem am­ perometrischen oder potentiometrischen Prinzip Detektionen in einem Kapillarsystem auszuführen. Desweiteren können in einer Kapillare angebrachte, dicht beieinander liegenden Elektroden dazu dienen, die Probe über joulsche Wärme zu erhitzen, z. B. als Start für eine Polymerase-Kettenreaktion. Es ist auch mög­ lich, durch stromführende Elektroden, die z. B. in Form einer Schleife in einen Teil der Oberfläche der Kapillare eingebracht sind, die Wärmeleitfähigkeit einer Probe zu ermitteln und dar­ über deren Eigenschaften zu untersuchen oder den Zeitpunkt des Eintreffens einer Probe an einer bestimmten Stelle der Kapillare zu messen. Über den Wärmeabtransport von einer durch joulsche Wärme erhitzten Elektrode an der Kapillarwand kann auf die Strö­ mungsgeschwindigkeit der Probe geschlossen werden.

Claims (9)

1. Mikrokapillare bestehend aus

• a) einer Platte (3) aus thermoplastischen Kunststoff, in die eine grabenförmige Vertiefung (3a) eingeprägt ist und
• b) mindestens 2 integrierten elektrischen Leiterbahnen (2), die in die Oberfläche der Platte (3) einge­ lassen sind, wobei die elektrischen Leiterbahnen (2) in die grabenförmige Vertiefung (3a) hineinführen.

2. Mikrokapillare nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffstrukturen mindestens an der Stelle, an der elektrischen Leiterbahnen (2) in die grabenförmige Vertiefung (3a) hineinführen eine schräge Wand aufweist.

3. Mikrokapillare nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kunststoffstrukturen mindestens an der Stelle, an der elektrischen Leiterbahnen (2) in die grabenförmige Vertiefung (3a) hineinragen, abgerundete Kanten aufweisen.

4. Mikrokapillare nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Platte (3) dicht mit einem Deckel (4) verbunden ist.

5. Mikrokapillare nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2) von außen zugänglich sind.

6. Mikrokapillare nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verbund von Platte (3) und Deckel (4) Zugangsöffnungen für die grabenförmige Vertiefung (3a) auf­ weist.

7. Verfahren zur Herstellung von Mikrokapillaren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) auf mindestens einer Oberfläche einer Platte (3) aus einem thermoplastischen Kunststoff elektrisch leit­ fähige Strukturen (2) angebracht werden und
• b) auf dieser Oberfläche mit einem Werkzeug (1) in die Platte (3) und die leitfähigen Strukturen (2) eine grabenförmige Struktur eingeprägt wird.

8. Verfahren zur Herstellung von Mikrokapillaren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeug (1) verwendet wird, das an mindestens einer Stelle Strukturen mit schrägen Seitenwänden aufweist.

9. Verfahren zur Herstellung von Mikrokapillaren nach Anspruch oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeug (1) verwen­ det wird, das an mindestens einer Stelle verrundete Kanten aufweist.