DE4105107A1 - Kontinuierliches durchfluss-analysesystem, insbesondere fliess-injektions-analysesystem und verfahren zum betrieb eines derartigen analysesystems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Durchfluß-Analysesystem, insbesondere ein Fließ-Injektions-Analysesystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Analysesystems gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 16.

In seiner breitesten Bedeutung bezieht sich der Ausdruck kontinuierliches Durchfluß- Analysesystem auf jede Art von Analysesystem, bei dem kontinuierlich chemische und physikalische Kenngrößen, insbesondere Konzentrationen einer Probe in einem Flüssigkeits- oder Gasstrom bestimmt werden. Dabei werden die Proben zusammen mit dem Flüssigkeits- oder Gasstrom durch ein Leitungssystem zu einem Detektor trans­ portiert. Je nach Art des Detektors und der daran angeschlossenen Auswerteeinheit und Auswerteroutinen erhält man Angaben über den pH-Wert, die Leitfähigkeit, spektral- photometrische Kenngrößen und andere physikalische oder chemische Kenngrößen. Insbesondere erlaubt die Kenntnis dieser Größen auch Rückschlüsse auf die Konzen­ tration der Probe. Der Wunsch nach einer Reduktion des Probenvolumens bei gleich­ bleibender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Analyse führte zu sogenannten Fließ-Injektions-Analysesystemen, kurz FIA-Systemen. Bei diesen FIA-Systemen wird die Probe portionsweise einem Trägermedium zugesetzt, um von diesem zum Detektor transportiert zu werden. Diverse Verfeinerungen des Verfahrens erlauben es auch, die Probe vor dem Einspritzen in das Trägermedium noch zu verdünnen, mit weiteren Reagenzien umzusetzen oder noch andere gewünschte Reaktionen und Analysen, beispielsweise Chromatographie oder Elektrophorese, durchzuführen.

In den letzten Jahren haben kontinuierliche Durchfluß-Analysesysteme vielfältige Anwendungen in Analyse- und Qualitätslabors gefunden. Im Zuge der Automatisierung von Herstellungsverfahren finden derartige Analysesysteme und insbesondere Fließ- Injektions-Analysesysteme auch Einzug in die On-line-Kontrolle von Herstellungs­ verfahren. So ist beispielsweise in der EP-A 2 43 310 ein Verfahren zur Steuerung und Optimierung von Herstellungsverfahren von Textilveredlungsmitteln und Textilausrüst­ mitteln und deren Zwischenprodukten unter Anwendung der Methode der Fließ-Injektions- Analyse beschrieben. Mit Hilfe der Fließ-Injektions-Analyse werden dabei beispielsweise optimale Verfahrensendpunkte gesteuert; Konzentrationsmengen der Reaktionsprodukte werden über Rückkoppelschleifen zur Steuerung der Konzentration der Ausgangsprodukte benutzt usw.

Bei all den bislang bekannten und verwendeten kontinuierlichen Durchfluß-Analysesystemen und insbesondere bei den Fließ-Injektions-Analysesystemen werden das Träger­ medium (üblicherweise ein Flüssigkeitsstrom), die Probe und gegebenenfalls ein Lösungsmittel und weitere Reagenzien mit Hilfe von Pumpen durch Kapillarensysteme zum Detektor gepumpt. Die Probe wird über Ventile dem Flüssigkeitsstrom zugesetzt. In den Fällen, in denen die Probe vor dem Einspritzen noch vorbehandelt, verdünnt oder umgesetzt wird, sind noch weitere Ventile und Pumpen vorgesehen, um kontrollierte Umsetzungsbedingungen zu schaffen. Die Steuerung aller Ventile und der Pumpen muß sehr genau erfolgen, insbesondere bei der Fließ-Injektions-Analyse muß der Zeitablauf exakt eingehalten werden, um eine möglichst genaue Reproduzierbarkeit der Analyse zu gewährleisten. Der Pumpenbetrieb muß auf den Ventilbetrieb abgestimmt sein, insbesondere bei intermittierenden Durchfluß-Analysesystemen müssen die Stop/Go- Intervalle genauestens mit den Steuerzeiten für die Ventile gekoppelt sein. Intermittieren­ de Durchfluß-Analysesysteme werden insbesondere auch dort eingesetzt, wo es erwünscht ist, daß die Probe vor oder während ihrer Analyse mit dem Flüssigkeitsstrom oder darin enthaltenen Reagenzien reagiert. Der Stop/Go-Betrieb dient dabei der Verlängerung der Reaktionszeit. Vorteilhaft bei derartigen Analysesystemen ist insbesondere, daß die Probe auch innerhalb eines als Durchflußzelle ausgebildeten Detektors gestoppt werden kann. So ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, eine Absorptionsanalyse als Funktion der Reaktionszeit zwischen der Probe und dem Flüssigkeitsstrom durchzuführen.

Voraussetzung für derartige Analysen sind Pumpen mit kurzen Hochlauf- und Stopzeiten und variablen Pumpleistungen. Die üblicherweise eingesetzten peristaltischen Pumpen weise an sich kurze Ansprechzeiten auf, auch kann man sie relativ gut regeln. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung derartiger, aber auch mechanischer Pumpen besteht jedoch darin, daß jede Pumpe zu einem mehr oder weniger gepulsten Durchfluß führt. Die Durchflußbedingungen durch das Kapillarsystem und den Detektor sind nicht mehr völlig kontinierlich, durch die mechanischen Pumpbewegungen beispielsweise der Membranen oder der Kolben der Pumpen entstehen Stoßwellen, die sich durch das Kapillarsystem fortpflanzen. Dadurch kann es zu unvorhersehbaren Verdünnungen der Probe im Flüssigkeitsstrom kommen, bei einem Stop/Go-Betrieb sind keine eindeutigen Stillstandszustände mehr erstellbar, die Meßergebnisse können vielfach verfälscht werden und sind oft nur mehr schwer reproduzierbar. Durch den Betrieb der mechanischen Ventile werden diese Effekte noch verstärkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kontinuierliches Durchfluß- Analysesystem, insbesondere ein Fließ-Injektions-Analysesystem dahingehend zu verbessern, daß vorstehend genannte Nachteile behoben sind. Darüber hinaus soll durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Durchfluß-Analysesystems die Voraussetzung für eine Miniaturisierung, insbesondere für eine On-Chip-Integration eines derartigen Durchfluß-Analysesystems geschaffen werden.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines kontinuierlichen Durchfluß-Analysesystems, insbesondere eines Fließ-Injektions- Analysesystems, gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Durchfluß-Analysesystems gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 16 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausbildungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Im folgenden wird die Erfindung mit ihren ihr als wesentlich zugehörenden Einzelheiten anhand mehrerer beispielsweiser Ausführungsformen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine Prinzipskizze einer Chip-Version des Durchfluß-Analysesystems,

Fig. 4 ein Layout eines Analysechips,

Fig. 5a und 5b je ein Layout der beiden aneinandergeklappten Hälften des Analysechips aus Fig. 4 und

Fig. 6 den Injektionsbereich aus Fig. 5a in vergrößertem Maßstab.

Das in Fig. 1 dargestellte Durchfluß-Analysesystem umfaßt ein Kapillarsystem 1 mit Zuleitungen 11 für ein Trägermedium C und eine zu untersuchende Probe P und mit Abflüssen 21 für das Gemisch W aus Probe P und Trägermedium C und einen mit dem Kapillarsystem 1 in Verbindung stehenden Detektor 6. Die Zuleitungen 11 münden in Reservoirs 2 und 3 für das Trägermedium C bzw. für die Probe P. Die Abflüsse 21 münden in Auffangbehältnisse 4 und 5 für das Gemisch W aus Probe P und Trägermedium C. Die Einspeisung der Probe P in das Trägermedium C erfolgt an einer Verzweigung 12 des Kapillarsystems 1, die in Transportrichtung T des Trägermediums C zum Detektor 6 gesehen vorzugsweise stromaufwärts des Detektors 6 angeordnet ist. Eine weitere Verzweigung 13 im Kapillarsystem 1 ist in Transportrichtung T des Trägermediums C zum Detektor 6 gesehen gleichfalls stromaufwärts des Detektors 6 nach der Verzweigung 12 vorgesehen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine irrtümlich oder falsch in das Trägermedium C eingespeiste Probe P zusammen mit einem geringen Volumen des Trägermediums C wieder aus dem Kapillarsystem 1 entfernt werden, ohne den Detektor 6 passieren zu müssen. Auch ist es möglich, auf diese Weise den Einspeisebereich 12 in das Kapillarsystem 1 zu spülen, indem das Trägermedium C vom Reservoir 2 zum Auffangbehälter 4 transportiert wird. Selbstverständlich erfolgt dabei an der Verzweigung 12 keine Einspeisung der Probe P in das Trägermedium C.

Soweit enspricht der Aufbau des Durchfluß-Analysesystems im wesentlichen den bislang bekannten Systemen. Der Transport des Trägermediums C und der Probe P würde bei diesen konventionellen Systemen mit Hilfe von Pumpen, üblicherweise mit Membranpumpen erfolgen, was zu den eingangs erwähnten Problemen führt. Auch wären bei einem Durchfluß-Analysesystem konventioneller Bauart die Verzweigungen 12 und 13 als Ventile ausgebildet, hier beispielsweise als Dreiwegventile mit all ihren Nachteilen in steuerungstechnischer Hinsicht und bezüglich der Durchflußbedingungen im Kapillarsystem 1.

Erfindungsgemäß weist daher das Durchfluß-Analysesystem, wie in Fig. 1 dargestellt ein Elektrodensystem auf, wobei jedem Behältnis 2, 3, 4 oder 5 eine Elektrode 7, 70, 71 bzw. 72 zugeordnet ist, die in die jeweilige Flüssigkeit P, C bzw. W eintaucht. Die Elektroden 7, 70, 71, 72 sind über Kabel 10 mit einer oder mehreren Spannungsquellen 9 verbunden. Auf diese Weise kann zwischen beliebigen Elektroden ein elektrisches Feld angelegt werden, so daß der Transport des Trägermediums C und der Probe P segmentweise zwischen denjenigen Elektroden erfolgt, zwischen denen das elektrische Feld angelegt ist. Das Kapillarsystem 1 wird somit in einzelne Segmente unterteilt, denen jeweils Elektroden 7 zugeordnet sind. Zur Erleichterung des Umschaltens des elektrischen Feldes zwischen den einzelnen Elektroden 7,70, 71 bzw. 72, sind zwischen den Elektroden und der mindestens einen Spannungsquelle 9 ein oder mehrere Trennschalter 8 angeordnet. Insbesondere sind der oder die Trennschalter 8 derart ausgebildet, daß ein sukzessives Anlegen des elektrischen Feldes an die einzelnen Segmente des Kapillarsystems 1 zur Festlegung der Transportrichtung T des Trägermediums C und der Probe P zum Detektor 6 möglich ist. Für den Fachmann, der berücksichtigt, daß für den Transport des vorzugsweise wäßrigen Trägermediums C und der Probe P Feldstärken von etwa 200 V/cm bis etwa 10 000 V/cm nötig sind, ist die normgerechte und sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechende Ausbildung derartiger Trennschalter 8 selbstverständlich, so daß hier darauf verzichtet werden kann, den Aufbau derartiger Trennschalter 8, die üblicherweise Relais und Schütze umfassen, zu erläutern.

Vorzugsweise sind die Spannungsquellen 9 regelbar, um über variable Feldstärken variable Transportgeschwindigkeiten des Trägermediums C und der Probe P im Kapillarsystem 1 zu ermöglichen.

Durch geeignete Auswahl der Elektroden, zwischen denen das elektrische Feld angelegt werden soll, wird das Kapillarsystem 1 in wenigstens drei Segmente unterteilt. Diese einzelnen Segmente sind im Fall des anhand Fig. 1 dargestellten Prinzips als Füllkreislauf 2-1-4, als Injektionskreislauf 3-1-5 und als Analysekreislauf 2-1-5 ausgebildet. Der Füllkreislauf 2-1-4 wird dadurch erstellt, daß ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode 7 im Reservoir 2 für das Trägermedium C und der Elektrode 71 im Auffangbehältnis 4 für das Gemisch W aus Trägermedium C und Probe P angelegt wird. Auf diese Weise wird das Kapillarsystem 1 etwa bis zur Verzweigung 13 mit frischem Trägermedium C gefüllt. Der Injektionskreislauf 3-1-5 wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode 70 des Probenreservoirs 3 und der Elektrode 72 des in Durchflußrichtung T nach dem Detektor 6 angeordneten Auffangbehälters 5 erstellt. Auf diese Weise wird an der Verzweigung 12 ein bestimmtes Probenvolumen in das Trägermedium C eingespeist bzw. injiziert, solange das Feld zwischen den Elektroden 70 und 72 aufrechterhalten wird. Aufgrund dieses Injektionsvorganges wird diese Art von Durchfluß-Analysesystemen auch als Fließ-Injektions-Analysesystem bezeichnet. Der Analysekreislauf 2-1-5 schließlich wird dadurch erstellt, daß ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 7 und 72 angelegt wird. Auf diese Weise wird das Trägermedium C zusammen mit dem injizierten Probenvolumen zum Detektor 6 transportiert und anschließend weiter in den Auffangbehälter 5. Das Anlegen der elektrischen Felder zwischen den einzelnen Elektroden erfolgt vorzugsweise in einem vorbestimmten zeitlichen Takt, so daß in ganz bestimmten zeitlichen und damit auch räumlichen Abständen entweder nur reines Trägermedium C oder eine in das Trägermedium injizierte Portion der Probe P den Detektor 6 erreicht. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß das Detektorsignal immer auf einen zuvor kalibrierten "Nullpegel" zurückkehren kann, bevor eine neue Portion Probe P eintrifft. Die Steuerung des eingespeisten Probenvolumens kann über die zeitliche Dauer des angelegten Feldes zwischen den Elektroden 70 und 72 des Einspeisekreislaufes erfolgen. Durch die Regelung der Spannungsquelle(n) 9 kann auch auf einfache Art die jeweilige Feldstärke geregelt werden, und somit kann die Durchflußgeschwindigkeit des Trägermediums C und der Probe P durch das Kapillarsystem 1 gesteuert werden. Insbesondere erlaubt die Regelung der Durchflußgeschwindigkeit auch eine einfache Realisierung des erwähnten Stop/Go-Betriebes. Bei als Durchflußzellen ausgebildeten Detektoren 6 kann die Probe P einfach innerhalb der Zelle gestoppt werden um auch "längere" Messungen an einem quasi-stationären Probenvolumen durchzuführen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Absorptionsanalyse der Probe P als Funktion der Reaktionszeit der Probe P mit dem Trägermedium C durchgeführt werden.

Durch den Transport des Trägermediums C und der Probe P mit Hilfe von elektrischen Feldern ergeben sich praktisch keine Verzögerungen beim Starten und Stoppen der Medien, die Felder wirken praktisch augenblicklich. Pumpbewegungen und Stoßwellen im Trägermedium C oder der Probe P, welche bei mechanischen Pumpen oft als Folge der Bewegungen der Kolben oder der Membranen auftreten, entfallen. Als besonders vorteilhaft erweist sich aber auch, daß die Verzweigungen 12 bzw. 13 des Kapillar­ systems 1 nicht als Ventile ausgebildet sein müssen. Da ein Transport des Trägermediums C bzw. der Probe P jeweils nur in den mit einem elektrischen Feld beaufschlag­ ten Segmenten erfolgt, müssen die übrigen Bereiche nicht mehr durch Ventile abgekoppelt werden. Die Entkopplung eines bestimmten Bereiches des Kapillarsystems 1 vom restlichen System durch Versperren eines bestimmten Durchflußweges nicht mehr nötig. Die Verzweigungen 12 und 13 sind daher vorzugsweise als einfache T-Stücke ausgebildet und vorzugsweise in das Kapillarsystem 1 integriert.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Durchfluß-Analysesystems erlaubt auch eine einfache Fernsteuerbarkeit des Meßvorganges. Die Spannungsquelle(n) 9 und die Trennschalter 8, sowie die Ausweiteeinheit können fernab des eigentlichen Analysesystems angeordnet sein. Eine Datenleitung 66 verbindet dabei den Detektor 6 mit der Auswerteeinheit (nicht dargestellt).

In Fig. 2 ist das Prinzip eines etwas modifizierten Durchfluß-Analysesystems dargestellt. Insbesondere weist dieses etwas komplexere Fließ-Injektions-Analysesystem noch weitere Verzweigungen 17, 18 und 19 des Kapillarsystems 1 auf. Über diese Verzweigungen 17, 18, 19 steht das Kapillarsystem 1 mit weiteren Reservoirs und Auffangbehälter 14, 15 bzw. 16 in Verbindung, die weitere Reagenzien R, Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel beinhalten. Jedem Reservoir und Behältnis 14, 15 und 16 sind wiederum Elektroden 73, 74, 75 usw. zugeordnet, welche durch Kabel 10, vorzugsweise über einen oder mehrere Trennschalter 8, mit einer oder mehreren, vorzugsweise regelbaren, Spannungsquellen 9 verbunden sind. Auf diese Weise kann das erweiterte Kapillarsystem 1 durch geeignete Auswahl der Elektroden, zwischen denen jeweils die elektrischen Felder angelegt werden, noch in weitere Misch-, Umsetz- und/oder Reaktionsstrecken unterteilt werden. In diesen Bereichen kann beispielsweise die Leitfähigkeit des Trägermediums C durch Zugabe weiterer Substanzen verändert werden, oder die Probe P vor der Injektion nach Wunsch gemischt, verdünnt oder mit einem weiteren Reagens R umgesetzt werden, um die Anwendungsvielfalt des Durchfluß- Analysesystems zu erhöhen. Diese zusätzlichen Verzweigungen könnten auch dazu benutzt werden, das Kapillarsystem 1 zu spülen und zu reinigen. Beispielsweise könnte gemäß Fig. 2 ein Spülkreislauf 14-1-5 dadurch erstellt werden, daß ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode 73 in einem Spülmittelreservoir 14 und der Elektrode 72 im Auffangbehältnis 5 ausgangs des Kapillarsystems 1 angelegt wird.

Die Innendurchmesser der Kapillaren des Kapillarsystems 1 betragen üblicherweise etwa 0,5-200 µm. Als Materialien für die Kapillaren kommen üblicherweise sogenannte "Fused Silica" zum Einsatz. Die Elektroden 7, 70, 71, 72, 73, 74, 75 sind üblicherweise aus Platin, welches auch aggressiveren Substanzen gegenüber eine sehr gute Resistenz aufweist. Der Detektor 6 ist vorzugsweise als Durchflußküvette ausgebildet. Derartige Durchfluß­ küvetten 6 sind für verschiedenste Arten von Messungen erhältlich, beispielsweise für Leitfähigkeitsmessungen, Potentialmessungen oder Reaktivitätsmessungen. Besonders vorteilhaft für Fließ-Injektions-Analysesysteme ist es jedoch, wenn der Detektor 6 zur Bestimmung spektralphotometrischer Kenngrößen oder zur Bestimmung von pH-Werten ausgebildet ist.

In Fig. 3 ist das Prinzip einer verkleinerten Version eines kontinuierlichen Durchfluß-Analysesystems, insbesondere ein sogenanntes µ-Fließ-Injektions-Analysesystem, dargestellt. Dieses µ-Fließ-Injektions-Analysesystem umfaßt einen Analysechip 50, der in Glas oder auf ein- oder polykristallinem Siliziumplättchen erstellt ist. Insbesondere weist der Analysechip 50 das Kapillarsystem 1 mit Anschlüssen 110 und 210 für die Zuleitungen 11 und die Abflüsse 21 und mit den Verzweigungen 12, 13, 17, 18, 19 auf, sowie dem Kapillarsystem 1 zugeordnete Elektroden 71, 72, 74 und 78. Vorzugsweise werden das Kapillarsystem 1 und die Elektroden auf photolithographische Weise in planarer Chip-Technologie erstellt. Die Anschlüsse 110 und 210 für die Zuleitungen 11 und die Abflüsse 21 sind vorzugsweise im Boden oder in der Deckfläche des Chips 50 ausgebildet. Über Leitungen 11 und 21, welche vorzugsweise als Kapillaren ausgebildet sind, ist der Analysechip 50 an Reservoirs 2, 16 für das Trägermedium C und etwaige weitere Reagenzien R und mit einem Auffangbehältnis 5 für das Gemisch W aus Trägermedium C und Probe P angeschlossen. Elektroden 7, 75 und 72 sind mit den Reservoirs und Behältnissen einerseits, und vorzugsweise über einen oder mehrere Trennschalter 8 mit einer Spannungsquelle 9 andererseits elektrisch verbunden. Als Verbindungsleitungen sind Kabel 10 vorgesehen. Eine mehrpolige Leitung 10 verbindet auch die Elektroden des Analysechips 50 mit der Spannungsquelle 9, vorzugsweise ebenfalls über den bzw. die dazwischengeschalteten Trennschalter 8. Gemäß der Prinzipdarstellung in Fig. 3 taucht der Analysechip 50 in das Reservoir 3 mit der zu untersuchenden Probe P ein. Ein Anschluß 111 dient als Eintrittsöffnung für die Probe P in das Kapillarsystem 1. Das Reservoir 3 muß nicht, wie dargestellt, ein abgeschlossener Behälter sein. Der Analysechip könnte auch beispielsweise innerhalb eine Bypass-Rohres einer Produktleitung angeordnet sein. Der Transport des Trägermediums C, etwaiger Reagenzien R und der Probe P zum Analysechip 50, der Transport im Kapillarsystem 1 zum Detektor und der Transport wieder weg vom Analysechip 50 in das Auffangbehält­ nis 5 erfolgt wiederum mit Hilfe von elektrischen Feldern, die jeweils zwischen den Elektroden außerhalb und den Elektroden innerhalb des Analysechips 50 angelegt werden.

In Fig. 4 ist ein Layout einer beispielsweisen Ausbildungsform des Analysechips 50 dargestellt. Deutlich erkennbar sind die innerhalb des Chips angeordneten Elektroden 71, 72, 74 und 78, die jeweils senkrecht einen Ast des Kapillarsystems 1 kreuzen. Ebenfalls erkennbar sind die als Bohrungen ausgebildeten Anschlüsse 110, 210 für die Zuleitungen 11 bzw. die Abflüsse 21. Vorzugsweise sind die Zu- und Ableitungskapilla­ ren 11, 21 in diese Anschlüsse 110, 210 einsteckbar. Die Elektroden 71, 72, 74 und 78 kreuzen in unmittelbarer Umgebung der Anschlüsse 110 und 210 die jeweiligen Äste des Kapillarsystems 1.

Der in Fig. 4 dargestellte Analysechip 50 weist drei Detektoren 6 auf, die den eigentlichen Analyseast des Kapillarsystems kreuzen. Auf diese Weise können nach verschiedenen Laufzeiten der Probe P Messungen gemacht werden und zusätzliche Informationen über die Probe P gewonnen werden. Die Detektoren 6 und die Elektroden 71, 72, 74, 78 sind mit Kontaktierflächen 76 bzw. 77 verbunden, welche als Verbindung nach außen dienen. Die Kontaktierung der Kontaktflächen erfolgt dabei auf an sich aus der Herstellung integrierten Schaltkreise bekannte Art und Weise. Vorzugsweise werden als Verbindungsdrähte Platindrähte gewählt.

Der Analysechip 50 wird üblicherweise auf einen Bausteinträger konventioneller Bauart, wie er auch aus der Fertigung von integrierten Schaltkreisen bekannt ist, geklebt oder sonstwie befestigt und sodann innerhalb eines flüssigkeitsdichten Keramik- oder Kunststoffgehäuses angeordnet.

Der beispielsweise Analysechip 50 aus Fig. 4 ist in den Fig. 5a und 5b mit seinen aneinandergeklappten Chiphälften 51 und 52 dargestellt. Die Chiphälfte 51 in Fig. 5a weist das vorzugsweise photolithographisch erstellte Kapillarsystem 1 und den Anschluß 111 für den Probeneintritt auf. Das Kapillarsystem 1 ist als System von Gräben ausgebildet, deren Tiefe etwa 5 µm bis etwa 30 µm, vorzugsweise etwa 15 µm beträgt und deren Breite etwa 10 µm bis etwa 1 mm beträgt. Es ist klar erkennbar, daß das Kapillarsystem 1 zwei Bereiche mit unterschiedlich dimensionierten Gräben aufweist. Die eingangsseitigen Gräbenbereiche 101, die sich von den Zuleitanschlüssen 110 bis zu den Verzweigungen 12, 17, 18 und 19 erstrecken, an denen die Reagenzien R, das Träger­ medium C und die Probe P zusammengeführt werden, sind wesentlich breiter und tiefer ausgebildet als die übrigen Grabenbereiche 102 des Kapillarsystems 1. Insbesondere beträgt das Verhältnis des Querschnittes der eingangsseitigen Gräben 101 zu dem der übrigen Gräben 102 von etwa 10 : 1 bis etwa 1000 : 1, insbesondere etwa 100 : 1. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der eigentliche Transportwiderstand, den die transportierten Medien C, P, R im Kapillarsystem 1 erleiden, erst nach dem Zusammenführen, bzw. nach der Injektion der Probe P in den Gräbenbereichen 102 mit geringerem Querschnitt auftritt.

In Fig. 6 ist der Injektionsbereich aus Fig. 5a in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Probe P gelangt durch den Eintrittsanschluß 111 in das Kapillarsystem 1, insbesondere bereits in den Bereich 102 mit kleineren Gräbenquerschnitten. An der Verzweigung 17 wird die Probe P mit einem ersten Reagens R zusammengeführt und gelangt sodann im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine erste Reaktionskammer 103. In dieser beispielsweise etwa rechteckig ausgebildeten Vertiefung wird die Probe P mit dem Reagens R verdünnt oder umgesetzt oder ähnliches. An der Verzweigung 19 wird die derart behandelte Probe P beispielsweise mit einem weiteren Reagens zusammengeführt und damit in einer Reaktionskolonne 104 gut vermischt oder verdünnt. Wie beispielsweise dargestellt ist diese Reaktionskolonne 104 zickzackförmig ausgebildet. Die derart weiterbehandelte Probe wird schließlich an der Verzweigung 12 in das Trägermedium C injiziert. Die Probe P wird sodann beispielsweise im Trägermedium C elektrophoretisch aufgetrennt und zu den Detektoren 6 transportiert. Die Verzweigungen 18 und 13 und auch die im vorliegenden Beispiel als Vierwegkreuzung ausgebildete Verzweigung 12 führen in Kapillarabschnitte, über die die Medien C, R, P unter Umgehung der Detektoren 6 aus dem Kapillarsystem 1 wieder herausgeführt werden können. Diese Abschnitte könnten aber auch noch weitere Detektoren aufweisen, so daß beispielsweise verschiedene Reaktionsstufen einer Probe innerhalb eines Analysechips 50 analysiert oder andere Kenngrößen bestimmt werden können. Die Festlegung der Transportwege für die Medien C, R, P und somit die Festlegung der einzelnen Segmente des Kapillarsystems erfolgt wiederum durch geeignete Auswahl der Elektroden inner- und außerhalb des Analysechips 50, zwischen denen die elektrische Felder angelegt werden. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel muß nur beachtet werden, daß die Felder immer jeweils zwischen einer innerhalb des Chips 50 befindlichen Elektrode und einer Elektrode außerhalb des Analysechips 50 angelegt werden.

Fig. 5b zeigt die zweite Hälfte 52 des Analysechips 50. Diese, vorzugsweise transparent ausgebildete Chiphälfte 52 weist die Elektroden 71, 72, 74 und 78, die Detektoren 6 und die zugehörigen Kontaktierflächen 76 bzw. 77 auf. Die Elektroden und die Kontaktier­ flächen, aber auch die Detektoren und ihre Verbindungsleitungen zu den zugehörigen Kontaktierflächen sind als vorzugsweise photographisch erstellte Leiterbahnen ausgebildet. Diese zweite Chiphälfte 52 bildet die obere Begrenzungsfläche für die Gräben des Kapillarsystems 1. Da die Leiterbahnen zumindest in den Bereichen, in denen sie die Graben queren mit den oftmals auch aggressiven Medien C, R, P in Berührung kommen, sind sie aus Platin. Zusätzlich sind in der zweiten Chiphälfte 52 auch noch die Bohrungen als Anschlüsse 110 und 210 für die Zuleitungen 11 und Abflüsse der Medien vorgesehen. Vorzugsweise sind die Anschlüsse als Einstecköffnungen ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eines kontinuierlichen Durchfluß-Analysesystems, insbesondere eines Fließ-Injektions-Analysesystems, erlaubt einen flexiblen Einsatz ohne die Nachteile konventioneller Systeme mit mechanischen Pumpen und Ventilen. Die Trägermedien C, Reagenzien R und Proben P auf wäßriger oder auch auf Methanolbasis können auf einfache und problemlose Weise beliebig transportiert werden. Vorzugsweise beträgt der Wasseranteil bei wäßrigen Medien bis 50% und mehr. Es lassen sich sehr hohe Fließgeschwindigkeiten, beispielsweise bis zu 100 mm/s und mehr, problemlos erzielen. Die erfindungsgemäße Ausbildung erlaubt die Bestimmung verschiedenster physikalischer und chemischer Kenngrößen der zu untersuchenden Probe. Insbesondere aber kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfachste Weise miniaturisiert und in automatisierte Mini- und Mikromeßsysteme integriert werden.

Claims (26)

1. Kontinuierliches Durchfluß-Analysesystem, insbesondere ein Fließ-Injektions- Analysesystem, mit einem Kapillarsystem (1) zum Transport eines vorzugsweise wäßrigen Trägermediums (C) und einer zu untersuchenden Probe (P) zu einem Detektor (6), welches Kapillarsystem (1) Zuleitungen (11) für das Trägermedium (C) und die Probe (P), Verzweigungen (12) für die Einspeisung der Probe (P) in das Träger­ medium (C), sowie Abflüsse (21) für das Gemisch (W) aus Probe- und Trägermedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) in einzelne Segmente unterteilbar ist, und daß den Segmenten Elektroden (7, 70, 71, 72) zugeordnet sind, welche vorzugsweise über Kabel (10) derart mit einer oder mehreren Spannungsquellen (9) verbunden sind, daß ein elektrisches Feld zwischen beliebigen Elektroden (7) der einzelnen Segmente des Kapillarsystems (1) anlegbar ist.

2. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) in wenigstens drei Segmente unterteilbar ist, welche als Füllkreislauf (2-1-4) zwischen einem Reservoir (2) für das Trägermedium (C), und einem Sammelbehältnis (4), als Injektionskreislauf (3-1-5) für die Probe (P) zwischen einem Probenbehältnis (3) und einem Auffangbehältnis (5) und als Analysekreislauf (2-1-5) zwischen dem Reservoir (2) und dem Auffangbehältnis (5) nach dem Detektor (6) ausgebildet sind, und daß je eine Elektrode (7, 70, 71, 72) mit dem Reservoir (2), mit dem Probebehältnis (3), mit dem Sammelbehältnis (4) und mit dem Auffangbehältnis (5) verbunden ist.

3. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigung (12) für die Einspeisung der Probe (P) in das Kapillarsystem (1) in Durchflußrichtung (T) des Trägermediums (C) gesehen stromaufwärts des Detektors (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen den Elektroden und der mindestens einen Spannungsquelle (9) ein oder mehrere Trennschalter (8) angeordnet sind, welche ein sukzessives Anlegen des elektrischen Feldes an die einzelnen Segmente des Kapillarsystems (1) erlauben.

5. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärken zwischen den jeweiligen zwei Elektroden regelbar sind.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (9) regelbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) weitere Verzweigungen (17, 18, 19) aufweist und mit weiteren Reservoirs und Auffangbehältnissen (14, 15, 16) für Lösungsmittel und Reagenzien (R, W) in Verbindung steht, denen jeweils weitere Elektroden (73, 74, 75, 78) zugeordnet sind, die mit einer oder mehreren Spannungsquellen (9) derart verbunden sind, daß zwischen beliebigen Elektrodenkombinationen elektrische Felder anlegbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) als Durchflußküvette ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) zur Bestimmung spektralphotometrischer Kenngrößen, von pH-Werten, von Leitfähigkeiten oder anderen physikalischen oder chemischen Kenngrößen ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als integrierter Analysechip (50) ausgebildet ist, mit vorzugsweise in planarer Chiptechnologie erstelltem Kapillarsystem (1) mit Verzweigungen (12, 13, 17, 18, 19) und Anschlüssen (110, 210) und mit einem vorzugsweise photolithographisch erstellten und dem Kapillarsystem (1) zugeordneten Elektrodensystem.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Analysechip zwei zusammengefügte Hälften aus Glas und/oder ein- oder polykristallinem Silizium (52, 52) umfaßt, wobei eine erste Hälfte (51) das Kapillarsystem (1, 101, 102) mit den Verzweigungen (12, 13, 17, 18, 19), und eine zweite Hälfte (52) das Elektroden­ system mit Kontaktierflächen (77) und Zufluß- und Abflußanschlüssen (110, 210, 220) aufweist.

12. Vorrichtung nach Patentanspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) als System von Gräben ausgebildet ist, deren Tiefe etwa 5 µm bis etwa 30 µm, vorzugsweise etwa 15 µm beträgt und deren Breite etwa 10 µm bis etwa 1 mm beträgt.

13. Vorrichtung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) zwei unterschiedlich dimensionierte Gräbenbereiche aufweist, einen eingangs­ seitigen Gräbenbereich (101), der sich von den Einleitanschlüssen (110) bis zu den Ver­ zweigungen (12, 17, 18, 19) erstreckt, an denen das Trägermedium C, etwaige Reagenzien R und die Probe P zusammengeführt werden, und einen übrigen Gräbenbereich (102), und daß deren Querschnitte im Verhältnis von etwa 10 : 1 bis etwa 1000 : 1, vorzugsweise etwa 100 : 1 stehen.

14. Vorrichtung nach Patentanspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysechip (50) wenigstens einen Detektor (6) aufweist, der in die zweite Chiphälfte (52) integriert ist und mit einer Kontaktierfläche (76) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Feldstärken von etwa 200 V/cm bis etwa 10 000 V/cm regelbar sind.

16. Verfahren zum Betrieb eines kontinuierlichen Durchfluß-Analysesystems, insbesondere eines Fließ-Injektions-Analysesystems, bei dem eine zu analysierende Probe (P) zusammen mit einem vorzugsweise wäßrigen Trägermedium (C) in einem Kapillarsystem (1) mit Zuleitanschlüssen (11) und Verzweigungen (12, 13) für das Trägermedium (C) und die Probe (P) zu einem Detektor (6) transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium (C) und die Probe (P) mit Hilfe elektrischer Felder bewegt werden, welche sukzessive zwischen Elektroden (7, 70, 71, 72) angelegt werden, die mit einzelnen Segmenten des Kapillarsystems (1) und mit wenigstens einer Spannungsquelle (9) verbunden sind.

17. Verfahren gemäß Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) in wenigstens drei Segmente unterteilt ist, in einen Füllkreislauf (2-1-4), in einen Injektionskreislauf (3-1-5) zum Einspeisen der Probe (P) in das Trägermedium (C) und in einen Analysekreislauf (2-1-5), und daß sukzessive elektrische Felder zwischen den Elektroden der einzelnen Segmente angelegt werden.

18. Verfahren nach Patentanspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ speisung der Probe (P) in ds Kapillarsystem (1) stromaufwärts des Detektors (6) erfolgt.

19. Verfahren nach Patentanspruch 16 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) und das Trägermedium (C) nach dem Passieren des Detektors (6) in ein Auffangbehältnis (5) transportiert werden, welches stromabwärts des Detektors (6) angeordnet wird.

20. Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärken zwischen den jeweiligen Elektroden (7) je nach Art des verwendeten Trägermediums (C) von 200 V/cm bis 10 000 V/cm geregelt werden.

21. Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das segmentweise Anlegen der elektrischen Felder über einen oder mehrere Trennschalter (8) gesteuert wird, welche zwischen den Elektroden (7) und den Spannungsquellen (9) angeordnet werden.

22. Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) mit einem Spülkreislauf verbunden wird, der stromaufwärts des Detektors (6) angeordnet wird.

23. Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermedium (C) und/oder die Probe (P) vor dem Zusammenmischen noch mit Lösungsmitteln oder anderen Reagenzien (R) umgesetzt oder vermischt werden.

24. Verfahren nach Patentanspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarsystem (1) mit weiteren Verzweigungen (17, 18, 19) versehen wird, welche als Anschlüsse für Misch-, Umsetz- und/oder Reaktionsstrecken verwendet werden, und daß der Transport des Trägermediums (C), der Probe (P), der Lösungsmittel und der anderen Reagenzien (R) mit Hilfe von elektrischen Feldern erfolgt, welche zwischen mit den einzelnen Strecken in Verbindung stehenden Elektroden (73, 74, 75, 78) angelegt werden.

25. Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder in den einzelnen Segmenten bzw. Strecken intermittierend angelegt werden, um einen Stop/Go-Transport des Transportmediums (C) und der Probe (P) zu erzeugen.

26. Verfahren nach einem der Patentansprüche 16-25, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) im Kapillarsystem (1) stromaufwärts des Detektors (6) elektrophoretisch in ihre chemischen Bestandteile zerlegt wird und vorzugsweise chromatographisch untersucht wird.