DE29607911U1

DE29607911U1 - Elektrochemische Meßzelle für die amperometrische Detektion in der Kapillarelektrophorese

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Publication number: DE29607911U1
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Priority date: 1996-05-02
Filing date: 1996-05-02
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2006-05-03

Description

Beschreibung:

Elektrochemische Meßzelle fur die amperometrische Detektion in der Kapillarelektrophorese

Kommerziell erhältliche Kapillarelektrophoresegeräte sind in der Regel mit einem UV-Detektor ausgestattet. Die Detektion erfolgt "on-column", d. h. die Kapillare bildet die Meßzelle. Bei den geringen Kapillardurchmessern von üblicherweise 50 bis 75 &mgr;&eegr;&igr; ergeben sich schlechte relative Nachweisgrenzen. Weniger verbreitet sind Fluoreszenzdetektoren, die bessere Nachweisgrenzen haben, aber eine Derivatisierung voraussetzen. Weitere Probleme bei der Fluoreszenz sind das Quenching und Streueffekte aufgrund der runden Kapillaren. Noch weniger verbreitet sind Leitfähigkeitsdetektoren, zu deren Betrieb speziell angefertigte, teure Kapillaren benötigt werden. Deshalb besteht ein großes Interesse, die Detektionsmöglichkeiten für die Kapillarelektrophorese (CE) zu erweitern. Die amperometrische Detektion ist aus der Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) als sehr nachweisstarke und selektive Detektionsmethode bekannt. Bisherige Anordnungen einer CE mit einer amperometrischen Detektion benötigen einen Mikromanipulator und ein Mikroskop zur Justierung der Arbeitselektrode am Ende der Trennkapillare. Eine solche Anordnung ist in dem Patent (EP 0 475 713 Al) beschrieben. Ahnliche Anordnungen sind in den folgenden Veröffentlichungen dargelegt: Analytical Chemistry 59 (1987) 1762-1766; Analytical Chemistry 63 (1991) 189-192; Analytica Chimica Acta 305 (1995) 114-120. Die Verwendung eines festen Zellblocks ist in der Zeitschrift Chromatographia Vol. 37, Nr. 1/2 (1993) S. 79-85 erläutert. Diese Anordnung erlaubt keine definierte Einstellung des Abstandes zwischen Elektrode und Kapillare, sondern kann nur ausprobiert werden. Eine Weiterentwicklung dieser Meßzelle ist in Analytical Chemistry 67 (1995) 4010-4014 vorgestellt, wobei dieses grundlegende Problem nicht gelöst ist. Das Patent (EP 0 679 885 A2) beschreibt eine Positionierungshilfe der Kapillare zur Elektrode, geht aber nicht auf die Einstellung des Abstandes ein. Bei den am häufigsten verwendeten Edelmetallelektroden ist ein Polieren der Oberfläche routinemäßig notwendig, um dem Elektrodenfouling vorzubeugen. Dies bedeutet eine immer wieder neue, aufwendige Justierung, wobei das Gesamtsystem sehr stoßempfindlich ist und bei der Verwendung von Graphitfaserelektroden, diese sehr leicht abbrechen können. Der beschriebene Apparat in dem Patent (EP 0 679 885 A2) muß zu diesen Zwecken komplett zerlegt werden. Überhaupt nicht möglich ist dies bei der aufwendig herzustellenden Meßzelle, beschrieben in dem Patent (WO 95/10040). Die Zelle ist sehr stark verkleinert, wobei die Meßelektroden photoüthographisch auf einen Silizium-Wafer aufgebracht sind und die Meßzelle dann zusammengeklebt wird.

Der im Schutzanspruch 1 angegebeoen»£ffindu»g*l*egf das JBrobiem zugrunde, eine feste Meßzelle zu schaffen, bei der die Komponenten Arbeitselektrode und Kapillare leicht montiert werden können, daß durch einfaches Zusammensetzen eine brauchbare und reproduzierbare Meßanordnung (die amperometrische Detektion gekoppelt mit der CE) ohne Verwendung eines Mikromanipulators und Mikroskops entsteht. Desweiteren soll die Elektrodenoberfläche leicht zugänglich sein, um diese routinemäßig polieren zu können.

Dieses Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Arbeitselektrode sowie die Trennkapillare können mit Hilfe der Fittings, der Führung in einem Teflonschlauch und bei entsprechender Ausführung der Bohrungen im Zellober- und unterteil, planar abschließend montiert werden, indem ein planarer Gegenstand (z. B. ein Plexiglaswürfel) gegen die Bohrung gedruckt wird, während die Kapillare oder die Elektrode mit dem Fitting eingeschraubt wird. Das Zellunterteil besitzt eine Ausfräsung, die exakt das Zelloberteil aufnehmen kann und ist durch vier Schrauben fixiert. Die Meßzelle wird im zusammengesetzten Zustand mit einer fest gewählten Orientierung endgültig hergestellt, indem dann das Zelloberteil und das Unterteil gleichzeitig durchbohrt wird. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Kapillare wird mit einer eingelegten Folie ( Spacer) eingestellt, der auch die Zelle abdichtet.

Mit der vorgestellten Meßzelle entfällt das zeitaufwendige Justieren mit einem Mikromanipulator unter einem Mikroskop. Die unabhängig voneinander montierten wesentlichen Bestandteile Arbeitselektrode und Kapillare können einfach ausgetauscht werden, bzw. die Elektrodenoberfläche ist leicht zugänglich, um routinemäßig poliert werden zu können; indem das Zellenoberteil vom Unterteil getrennt wird. Die Zelle ist für einen Durchmesser der Arbeitselektrode von 0,5 mm und einen Außendurchmesser der Kapillare von 0,36 mm ausgelegt. Eine weitere Verringerung der Durchmesser ist leicht möglich, indem zum Beispiel eine dünnere Arbeitselektrode in ein Stück Schlauch oder Glaskapillare mit entsprechendem Innendurchmesser plaziert wird. Durch die geringen Kosten und die leichte Handhabung ist die aus Plexiglas gefertigte Meßzelle für analytische Routineanwendungen einsetzbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Schutzanspruch 2 angegeben. Durch die konisch zulaufende Auslaßbohrung, die gleichzeitig den Zugang für die Masse Elektrode der Hochspannung bildet, ist ein luftblasenfreies Befüllen der Meßzelle mit HiMe einer Spritze möglich. Die Minimierumg der oberen Fläche des Kegels (20), die die Arbeitselektrode umgibt, verhindert das Festsetzen von Luftblasen, die aus der Kapillare zum Beispiel beim Spülen austreten können.

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Ein Ausfuhrungsbeispiel wird anhänger Figuren 4*bfs 5 eriaulert. Es zeigen:

Figur 1 Das Meßzellenoberteil, von oben

Figur 2 Das Meßzellenoberteil und Meßzellenunterteil von der Seite mit entsprechender Orientierung zueinander

Figur 3 Das Meßzellenunterteil, von oben; Verlauf der Schnittzeichnungen in den Figuren 4 und

Figur 4 Schnitt A durch zusammengesetzte Meßzelle

Figur 5 Schnitt B durch zusammengesetzte Meßzelle

Figur 6 Elektropherogramm eines Anionenstandards detektiert mit der vorgestellten Meßzelle.

Figur 7 Elektropherogramm eines Standards mit organischen Substanzen detektiert mit der vorgestellten Meßzelle.

Die Figur 1 zeigt das Meßzellenoberteil (3) von oben mit der Anordnung der verschiedenen Bohrungen. Die genau zentrierte Bohrung (5) dient zur Aufnahme der Trennkapillare. Die Bohrung (9) ist der Zellenausgang, durch den die Masse-Elektrode der Trennspannung geführt wird. Der Aufsatz (10) trägt eine entsprechende Steckerbuchse. Durch die Bohrungen (4) werden das Zellenoberteil und -unterteil mit Schrauben fixiert. Die entsprechenden Bohrungen sind auch im Zellenunterteil (1) (Fig. 3) eingezeichnet.

In Figur 3 ist desweiteren die 1 mm tiefe Ausfräsung (2), die das Zellenoberteil (3) aufnimmt und die Lage des Spacers (7) eingezeichnet. In dem Zellenunterteil sind die drei zur Messung benötigten Elektroden (11,12,13) montiert.

Figur 2 zeigt die beiden Meßzellenteile von der Seite mit der entsprechenden Orientierung zueinander. Entscheidend ist die exakt gegenüberliegende Bohrung (8) des Zellenober- und Unterteils. Alle Elektroden ragen in den Zelleninnenraum (14) hinein, der mit Elektrolyt bzw. dem zur Trennung benötigten Puffer gefüllt ist.

Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils eine Schnittzeichnung durch die zusammengesetzte Meßzelle, deren Verlauf in der Figur 3 angegeben ist. Die Kapillare (15), sowie die Arbeits- (11) und Gegenelektrode (12) werden auf die gleiche Weise in dem jeweiligen Zellenteil montiert. Die Kapillare und die Elektroden sind in einem Teflonschlauch (16) mit entsprechenden Innendurchmesser geführt. Durch das Eindrehen mit der Fittingschraube (17) dichtet der Teflonschlauch an den Punkten (18,19) ab, da sich der Schlauch mit Kapillare bzw. Elektrode mit in Schraubrichtung bewegt. Dieser Effekt wird ausgenutzt, um die Trennkapillare (15) bzw. die Arbeitselektrode (11) exakt planar abschließend am Zellenteil zu plazieren, indem beim Einschrauben ein planarer Gegenstand ( z. B. ein Plexiglaswürfel) dagegengehalten wird. Im Kegel (20) ist die Arbeitselektrode geführt, die am oberen Ende mit diesem planar abschließt.

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Figur 6 zeigt einen Anionenstandardmil^K) &mgr;&Mgr;·&iacgr;hiosulfat«(»f)*4^M Iodid (2), 10 &mgr;&Mgr; Nitrit (3), 10 &mgr;&Mgr; Thiocyanat (4), 10 &mgr;&Mgr; Sulfit (5). Hydrostatische Aufgabe: 10 cm / 30 s; Trennbedingung: -20 kV / 100 mbar Druckunterstützung; Detektion: U = 900 mV / I_[max] = 5 nA / Gold-Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 0,5 mm (gegen Ag/AgCl); Kapillare: 100 cm / 50 &mgr;&eegr;&igr; I.D.; Pufferzusammensetzung: 2 mM Na₂HPO₄ / 8 mM NaH₂PO₄ / pH = 6. Figur 7 zeigt einen Standard mit den organischen Analyten Noradrenalin (1) und Brenzkatechin (2) jeweils mit einer Konzentration von 5 &mgr;&Mgr;. Hydrostatische Aufgabe: 10 cm / 30 s; Trennbedingung: +20 kV / 20 cm hydrostatische Unterstützung; Detektion: U = 700 mV/ I_[max] = 2 nA / Gold-Arbeitselektrode mit einem Durchmesser von 0,5 mm (gegen Ag/AgCl); Kapillare: 80 cm / 50 &mgr;&eegr;&igr; I.D.; Pufferzusammensetzung: 5 mM Na₂HPO₄ / 5 mM NaH₂PO₄ / pH 0 6,7.

Claims

Schutzansprüche:

1. Elektrochemische Meßzelle fur die amperometrische Detektion in der Kapillarelektrophorese ist dadurch gekennzeichnet,

- daß die amperometrische Meßzelle aus zwei Teilen besteht, wobei in das Meßzellenunterteil (1) die Arbeitselektrode (11), sowie die Referenz- und Hilfselektrode (12,13) und in das Meßzellenoberteil (3) die Trennkapillare (15) fest montiert werden können.

- daß das Meßzellenunterteil (1) eine runde Ausfräsung (2) besitzt, die exakt dem Zelloberteil (3) entspricht und dieses genau reproduzierbar an derselben Stelle mit Hufe von vier Schrauben durch die Bohrungen (4) fixiert werden kann,

- daß in dem zusammengesetzten Zustand die Bohrung (8) für das Zellober- und unterteil in einem Schritt erstellt wird und dadurch die genau gegenüberliegende zentrierte Plazierung der Kapillare und der Arbeitselektrode gegeben ist.

- daß die Bohrungen im Zellober- und unterteil (5,6) derart gestaltet sind, daß durch die Führung der Trennkapillare und der Arbeitselektrode in einem Teflonschlauch mit entsprechendem Innendurchmesser eine exakte, mit dem Zellenteil planar abschließende Plazierung mit Hilfe der Fittings gewährleistet ist.

- daß der Abstand mit Hilfe einer zwischen die Zellteile eingelegten ringförmigen Folie eingestellt wird, der dadurch leicht zu variieren ist.

- daß die Folie ( Spacer ) auch die Funktion einer Dichtung (7) übernimmt.

2. Die Meßzelle nach Schutzanspruch 1

ist dadurch gekennzeichnet,

- daß die Bohrung (9) im Zelloberteil zum einen als Pufferauslaß und zum anderen die Plazierung der Hochspannungselektrode für die Trennspannung erlaubt. Diese wird durch die Halterung (10) fixiert, in die eine Steckerbuchse für die Hochspannung montiert ist.

- daß die Bohrung zur zelleninneren Seite hin konisch gestaltet ist, damit ein einfaches, blasenfreies Befüllen der Meßzelle mit Pufferlösung möglich ist.

- daß der Kegel (20) des Meßzellenunterteils, der die Arbeitselektrode umgibt, derart ausgearbeitet ist, daß die obere planare Fläche um die Arbeitselektrode herum möglichst klein wird, damit sich keine Luftblasen in dem Zwischenraum festsetzen.