DE4314755C2 - Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren sowie Vorrichtung zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kapillarelektrophoretisches Trennverfahren sowie eine Vorrich­ tung zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen.

Es ist bekannt, daß auf dem Gebiet der Umweltanalytik kontinuierliche oder zumindest schnelle, quasi-kontinuierlich repetierbare Messungen sehr gefragt sind, weil häufig eine Schadstoff-Dosis erfaßt werden soll, um das toxikologische Gefährdungspotential hinrei­ chend seriös abschätzen zu können. (Die Dosis ist das Produkt aus Konzentration und Ein­ wirkungsdauer.) Um auch plötzliche Konzentrationsänderungen zuverlässig erfassen zu können, werden mindestens quasi-kontinuierliche Analyseverfahren benötigt.

Es ist ferner bekannt, daß schon weit mehr als 100 000 toxikologisch bedenkliche Stoffe in die Umwelt gelangt sind. Dies bedeutet, daß die chemische Analysemethode für einen be­ stimmten (Schad-) Stoff äußerst selektiv sein muß. Wegen des Mangels an selektiven Rea­ gentien müssen in der Regel effiziente Trennoperationen vor die eigentliche Messung (Bestimmung) vorgeschaltet werden. Für unzersetzt verdampfbare Stoffe hat sich hierbei die Kapillar-Hochleistungs-Gas-Chromatographie bestens bewährt. Andere Moleküle wurden bisher überwiegend mit der High Performance Flüssigkeitschromatographie (HPLC) ge­ trennt, wobei in jüngster Zeit die Chromatographie unter überkritischen Bedingungen (Superfluid Chromatography, SFC) als schnellere Methode mit besseren Trennleistungen an Bedeutung gewonnen hat. Sie ist jedoch apparativ wegen der Randbedingungen für den überkritischen Gaszustand (meist CO₂, N₂O, SF₆ etc. mit < 70 atm und < 33°C) sehr aufwendig.

In jüngster Zeit wurde die Kapillarelektrophorese (CE) als eine alternative flüssigkeitschro­ matographische Trennmethode entwickelt. Sie benötigt im Gegensatz zu der HPLC in der Regel keine organischen Lösungsmittel unterschiedlicher Eluationskraft, sondern nur Pufferlösungen, bzw. einen überwiegend wäßrigen Grundelektrolyten.

Die Trennung beruht auf mehreren Effekten, auf die hier nur sehr kurz eingegangen werden soll, da sie dem Fachmann bekannt sind.

Bei der elektrophoretischen Trennung wandern die Kationen zur Kathode und die Anionen zur Anode. Wegen ihrer unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten, die von der Art, der Größe, Form und der Ladung abhängt, wandern die zu trennenden Ionen entsprechend ihrem Ladungsvorzeichen auch in unterschiedliche Richtungen und können so getrennt wer­ den.

An der Grenzfläche zwischen Kapillarinnenwand und dem Elektrolyten bilden sich auf­ grund von dort lokalisierten Oberflächenladungen eine innere und eine äußere "Stern"- Schicht aus. In der diffusen äußeren "Stern"-Schicht kommt es zusätzlich zum elektropho­ retischen auch zu einem elektroosmotischen Fluß.

Dieser elektroosmotische Fluß kann auch ungeladene Moleküle transportieren, die dann aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungskräfte mit oberflächennahen Regionen ebenfalls aufgetrennt werden.

Die Kapillarelektrophorese kann also Ionen und neutrale Moleküle trennen. Die Trennlei­ stung ist der angelegten elektrischen Feldstärke in etwa proportional. Bei den üblicherweise verwendeten Glas- oder Quarzkapillaren mit Innendurchmessern zwischen 20 und 100 µm und Längen zwischen 20 und 100 cm werden dazu elektrische Spannungen bis 50 kV benö­ tigt.

Organische Substanzen, die sich in einer wäßrigen Pufferlösung nicht ausreichend lösen las­ sen, können mittels der micellaren Kapillarelektrophorese durch Tensidzugabe in micellarer Form gelöst und ebenfalls getrennt werden.

Ähnlich der trägergestützten klassischen Elektrophorese, die Papier oder Kunststoff-Folien als Träger verwendet, kann bei der CE die Trennleistung auch noch durch analog wirkende Füllmaterialien optimiert werden.

Die Kapillarelektrophorese steht bezüglich ihrer Trennleistungen zwischen der Kapillar- Hochleistungs-Chromatographie und der SFC, also mit an der Spitze aller Chromatographiear­ ten, wobei sie jedoch äußerst schnelle Trennungen ermöglicht. So konnten beispielsweise die extrem schwer zu trennenden seltenen Erden mit der CE in weniger als 10 Minuten vollständig aufgetrennt werden. Die wichtigsten Anionen der Wasseranalytik sind in weni­ ger als 5 Minuten aufzutrennen.

Neben dieser hohen Trennkraft und hohen Trenngeschwindigkeit fallen bei der CE auch keine zu entsorgenden Lösungsmittel an. Dies macht sie zu einer idealen Trennmethode.

Nachteilig sind allerdings noch der komplizierte Aufbau und die Probendosierung in die Kapillarenden, die in der Regel in Trögen enden, die mit Pufferlösung gefüllt sind und in die auch die Hochspannungselektroden tauchen. Dies ergibt einen relativ großen Geräteauf­ bau. Andere Detektoren wie optische, die die Kapillare auf einem kurzen Bereich einfach durchstrahlen oder integrierbare Detektoren, sind schwer adaptierbar, weil Totzonen und Verwirbelungsstrecken, scharfe Kanten oder enge Blindkapillaren im Interesse der hohen Auflösung vermieden werden müssen.

Da das Trennvermögen nicht vom Absolutwert der angelegten Spannung sondern von der Feldstärke abhängt, lassen sich die Arbeitsspannungen proportional zur Verkürzung der Kapillaren herabsetzen. Wegen der Unhandlichkeit und Zerbrechlichkeit kurzer Glas- oder Quarzkapillaren bietet sich hierzu ein mikrosystemtechnischer Ansatz auf einer flachen Substartoberfläche (Chip) an. In die Oberfläche geätzte Strömungskanäle können so leichter und ohne Vergrößerung des Totvolumens mit ebenfalls mikrosystemtechnischen Detektoren auf dem gleichen Chip und vorteilhafterweise mit der gleichen Massenproduktionstechno­ logie integriert werden.

So ist in der Vergangenheit schon versucht worden, solche miniaturisierten Trennvorrich­ tungen auf Silizium-Chips oder Glasträgern zu realisieren (vergl.: A. Manz, D.J. Harrison, E.M.J. Verpoorte, J.C. Fettinger, A. Paulus, H. Lüdi and M. Widmer: "Planar chips technology for miniaturization and integration of separation techniques into monitoring sy­ stems", Journal of Chromatography, 593 (1992) 253-258).

Mit Hilfe dieser Techniken könnten sich zukünftig die Vorteile der Massenprodukti­ onstechnologien zur Herstellung solcher Analysensysteme sowie die Möglichkeiten der Integration und Kombination mit anderen miniaturisierten Analyseverfahren oder Sensoren ausnutzen lassen.

Nachteilig bei diesen miniaturisierten Vorrichtungen und Verfahren ist, daß hohe elektrische Spannungen (bis ca. 50 000 Volt) auf dem Chip auftreten. Dies stellt extreme Anforderun­ gen an die Isolationsschichten des Chips. Diese Schichten müssen sehr dick sein und hohe Durchbruchfeldstärken aufweisen.

Mit den mikroelektronik-kompatiblen Technologien lassen sich solche Schichten auf Silizi­ um-Chips kaum realisieren.

Wird ferner versucht, die Anoden- und Kathodenkontakte in den Kapillarkanal zu integrie­ ren, stellt sich das Problem der Gasbildung an den Kontaktoberflächen durch Elektrolyse.

Bei den für die kapillarelektrophoretische Trennung notwendigen elektrischen Spannungen und den im Kapillarkanal für die Elektroden verfügbaren Flächen ist diese Gasbildung nicht vermeidbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, die obigen Nachteile zu vermeiden und ein kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von che­ mischen und biochemischen Analysen zu realisieren, das ohne Verlust von Trennleistung mit geringeren elektrischen Spannungen arbeitet, und bei dem das Problem der elektrolyti­ schen Gasbildung an den Elektrodenoberflächen gelöst ist.

Darüber hinaus sollen sich miniaturisierte Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfah­ rens mit Hilfe mikroelektronik-kompatibler Technologien auf Silizium-Chips oder anderen Trägern herstellen lassen.

Geringere elektrische Spannungen (weit unterhalb des kV-Bereichen und typisch < 100 V) erleichtern ferner die Transportierbarkeit der gesamten miniaturisierten CE-Vorrichtung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß anders als in allen anderen bis­ herigen Mikrochip-CE-Ansätzen eine kaskadenförmige Elektrodenanordnung gewählt wird, mit der die elektrischen Spannungen pulsartig und in zeitlicher Folge über unterschiedlichen und einander überlappenden Abschnitten eines gestreckten oder gefalteten Trennkanals so angelegt werden, daß die Pulsdauern mit den Migrationszeiten der zu trennenden Analytmo­ leküle korreliert sind, daß ferner die Elektroden außerhalb des Trennkanals angeordnet und über Verbindungskanäle mit dem Trennkanal verbunden sind.

Erfindungswesentlich ist hierbei, daß die Trennkanalabschnitte zwischen den Verbindungs­ kanälen so kurz sind, daß auch durch niedrige elektrische Spannungen (kompatibel zu Strukturen der Siliziumtechnologie) die zur optimalen Trennung erforderlichen Feldstärken erreicht werden, und daß durch die erfindungsgemäß gesteuerte Aufschaltung von Spannungspulsen auch eine Anordnung erhalten werden kann, die wie ein extrem selektives Molekül- oder Ionenfilter wirkt (Molecular Tuning).

Nur durch mehr als zwei Elektroden lassen sich allein durch elektrisches Schalten die unter­ schiedlichen Mikroströme der CE (elektrophoretischer und elektroosmotischer Fluß) über die gesamte Trennstrecke lokal individuell regeln und optimieren.

Die weitere Aufgabe einer Spannungsversorgung mit blasenfreien Elektrodenoberflächen ist durch den niedrigen Spannungsbereich leicht mittels redoxaktiver Hilfsreagentien lösbar, die in die unmittelbare Elektrodennähe eingebracht werden. Hierdurch wird verhindert, daß es an den Elektroden zu einer nachteiligen Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklung kommt, was zu undefinierten Änderungen der elektrischen Feldstärke führt. Hierbei wird der Hilfs­ stoff jeweils oxidiert oder reduziert. Alternativ können auch die Elektrodenoberflächen chemisch modifiziert werden (z. B. auf der Anodenseite mit Polypyrrol; auf der Kathoden­ seite mit einem ähnlichen jedoch unter kathodischen Bedingungen leitfähigen Material), so daß es zu keiner Gasentwicklung kommt.

Erfindungsgemäß müssen die Dimensionen der Verbindungskanäle zu denen des Trennka­ nals in einem solchen Verhältnis stehen, daß die die Trennung ermöglichende Feldstärke auch über dem jeweils wirkenden Teil des Trennkanals erreicht wird.

Vorteilhaft haben sich hierbei auch zusätzliche diffusionsmindernde, gelartige Füllmateriali­ en wie PHema ect. bewährt.

Es lassen sich erfindungsgemäß auch Kaskaden unterschiedlicher Detektoren (z. B. optische, konduktometrische, potentiometrische, amperometrische Detektoren bzw. Sensorelemente) durch die modernen Verfahren der Mikrosystemtechnik in die Trennstrecke integrieren. Auch lassen sich Chemo- und Biosensoren viel leichter in einen Trennkanal integrieren, der sich auf einem planaren Substrat befindet. Die genannten Sensoren sind bis in den Mikrometerbereich hinein miniaturisierbar. So können die Vorteile der CE erst voll genutzt werden, da die notwendigen Meßzellenvolumina im Nanoliterbereich gehalten werden können.

In den folgenden Figuren sollen das Verfahren und die Vorrichtung näher beschrieben wer­ den. Aus Gründen der Einheitlichkeit werden immer Anionen betrachtet. Selbstverständlich lassen sich alle beschriebenen Effekte auch auf Kationen sowie ungeladene Moleküle über­ tragen, die sich jeweils mit ihren spezifischen Migrationsgeschwindigkeiten im Trennkanal bewegen.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzip der Korrelation zwischen der Migrationsgeschwindigkeit eines Anions und einer zeitlich verschiebbaren Potentialrampe.

In einem Kapillarkanal, dessen Achse in x-Richtung orientiert ist, sei über der Strecke x_u eine elektrische Spannung U angelegt, die eine Potentialrampe ϕ(x,t) hervorruft. Diese Po­ tentialrampe wird nach jeweils der Zeitdauer Δt in x-Richtung verschoben, so daß sich nach der ersten Verschiebung der Potentialverlauf ϕ(x,t+Δt) einstellt. Die Verschiebung der Po­ tentialrampe erfolgt dabei so, daß die Verschiebung Δx kleiner ist als der Bereich x_u, über dem die Spannung U abfällt.

Befindet sich im Bereich der Potentialrampe ein Anion, so bewegt es sich im elektrischen Feld E=U/x_u mit der Migrationsgeschwindigkeit

v_a = (µ_e+µ_o)·E

in x-Richtung.

In dieser Gleichung stehen die Größen µ_e für die elektrophoretische und µ_o für die elektro­ osmotische Mobilität.

Da sich die Potentialrampe schrittweise verschiebt und das Anion kontinuierlich driftet, kann das Anion nur unter folgender Bedingung im Bereich der Potentialrampe bleiben:

Δx/Δt = v_a = (µ_e+µ_o)·U/x_u

Anionen, die diese Bedingung einhalten, driften unter der Wirkung des elektrischen Feldes E=U/x_u über die gesamte Länge der Trennstrecke. Dies ist in Fig. 2 für drei Anionen mit unterschiedlichen Migrationsgeschwindigkeiten gezeigt.

Die Figur zeigt drei Anionen, die zur Zeit t₀ an der gleichen Stelle in den Trennkanal inji­ ziert werden. Während der Zeit t₁ liegt über einem Abschnitt des Trennkanals ein Potenti­ algradient vor, der die Anionen gemäß ihrer Migrationsgeschwindigkeiten unterschiedliche Strecken zurücklegen läßt.

Anschließend wird der Potentialgradient verschoben. Während der Zeit t₂ mit (t₁ = t₂) nehmen jetzt nur noch die Anionen 1 und 2 am Transport teil, da das langsamere Anion 3 während der Zeit t₂ nicht mehr im Wirkungsbereich des elektrischen Feldes ist. Analog ge­ schieht dies bei Zeittakt t₃ für das Anion 2, das nur eine größere Migrationsgeschwindigkeit als Anion 3 hat.

Da in diesem Beispiel nur die Migrationsgeschwindigkeit des Anions 1 mit der mittleren Verschiebungsgeschwindigkeit der Potentialrampe korreliert ist, bleibt nur dieses im Trenn­ kanal und kann dessen Ende erreichen. Am Ende des Trennkanals befindet sich ein Detek­ tor, der das von den anderen Anionen getrennte Anion 1 anzeigt.

Eine erfindungsgemäße Realisierung einer verschiebbaren Potentialrampe ist in Fig. 3 schematisch in der Draufsicht dargestellt.

Die Fig. 3a zeigt einen Trennkanal 1 (Durchmesser z. B. 30 µm), der sich als Vertiefung z. B. in einem oxidierten Siliziumwafer befindet. Der Trennkanal 1 ist über Kanaläste 2 (Durchmesser z. B. 50 µm) mit größerflächigen Kontaktwannen 3 (Fläche z. B. 1 mm²) ver­ bunden, die sich auch auf dem Siliziumwafer befinden und in denen sich die Edelmetallkon­ takte 4 befinden.

Die Kontakte sind so großflächig (Größenordnung mm²) ausgeführt, daß beim Anlegen der elektrischen Spannung U an den Kontakten die Zersetzungsspannung nicht erreicht wird und damit elektrolytisch hervorgerufenen Gasbildung ausgeschlossen ist.

Der Kapillarkanal und die Kanaläste haben typische Durchmesser zwischen 10 und 50 µm.

Diese Kanäle und die Kontaktwannen sind mit Pufferlösung gefüllt. Die gesamte Struktur ist z. B. mit einem Glasdeckel abgedeckt.

In der Fig. 3b ist gezeigt, wie sich durch Umschaltung der Spannung U für die Zeiten t₁ und t₂ die Potentialrampe über der Kanalachse verschiebt.

Liegt zum Beispiel die Spannung U = 30 Volt über einem Kanalabschnitt der Länge von 1 mm an, so wird in diesem Kanalabschnitt eine Feldstärke von 30 kV/m erreicht, die ver­ gleichbar mit der Feldstärke in konventionellen Vorrichtungen der Kapillarelektrophorese ist.

Anionen, deren Migrationsgeschwindigkeiten mit der mittleren Verschiebungsgeschwindig­ keit der Potentialrampe korreliert sind (vergl. Anion 1 in Fig. 2) unterliegen während ihres gesamten Transports im Kapillarkanal der oben genannten hohen Feldstärke.

Bei der gezeigten Konfiguration nach Fig. 2 und 3 ist es notwendig, jeden Kanalabschnitt einzeln mit der für jeden Zeitabschnitt t₁ bis t_n notwendigen Spannung zu beaufschlagen. Dies ist selbstverständlich möglich und läßt sich besonders gut realisieren, wenn die Trenn­ vorrichtung mit Kanälen und Kontakten gemeinsam mit einer Ansteuerelektronik auf dem selben Silizium-Chip integriert wird.

Im Gegensatz dazu ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt, wie die elektrischen Potentiale in regelmäßiger Folge so an den Kanalabschnitten aufgeschaltet werden können, daß nur noch vier Ansteuerspannungen für den Betrieb dieser Trennstrecke notwendig sind.

Die Fig. 4 zeigt die Potentialverläufe und die Fig. 5a die grobe schematische Darstellung der Trennvorrichtung mit den zugeordneten Potentialverläufen für zwei Taktzeiten.

Zur Zeit t₁ liegen die elektrischen Spannungen so an, daß sich der in Fig. 4 dargestellte Verlauf ergibt. Zur Zeit t₂ wird dieser Potentialverlauf verschoben. Die Potentialverläufe der Zeiten t₄, t₆, t₈ sowie aller anderen geradzahligen Zeiten entsprechen dem Potential­ verlauf von t₂. Die Potentialverläufe der Zeiten t₃, t₅, t₇ sowie aller anderen ungeradzah­ ligen Zeiten entsprechen dem Potentialverlauf von t₁ (vergl. Fig. 4).

Analog zum Beispiel nach Fig. 2 und 3 bleibt nur das Anion (Anion 1) im Trennkanal, des­ sen Migrationsgeschwindigkeit mit der mittleren Verschiebungsgeschwindigkeit korreliert ist. Die langsameren Anionen werden zunächst in die Kanaläste und dann weiter in die Kon­ taktwannen transportiert.

Eine besonders einfache Möglichkeit zur Trennung von Analytmolekülen mit relativ großen Unterschieden ihrer Migrationsgeschwindigkeiten ist in Fig. 6 dargestellt. Hier werden an einer sehr kurzen Trennstrecke (1 . . . 10 mm) wieder zwei unterschiedliche Potentialver­ läufe in zeitlicher Folge erzeugt. Nur Anionen, deren Migrationsgeschwindigkeit mit der Umschaltfrequenz der Potentialverläufe korreliert sind, erreichen das Ende des Trennkanals. Alle langsamere Anionen werden währen der Zeit t₂ (sowie aller geradzahligen Zeittakte) um den gleichen Betrag der Trennstrecke zurücktransportiert, den sie während der Zeit t₁ (bzw. aller ungeradzahliger Zeittakte) zurückgelegt haben. Diese langsamen Anionen sind also in diesem Kanalabschnitt aufgrund ihrer geringen Laufzeiten gefangen, so daß eine solche Anordnung als Laufzeitfalle eingesetzt werden kann.

Werden nach der Probenaufgabe am Ort x_i die Taktzeiten t₁ bis t_i kontinuierlich verlängert, so erreichen die Anionen je nach ihrer Migrationsgeschwindigkeit in zeitlicher Folge das Ende der Trennstrecke, an der sich am Ort x_d ein Detektor befinden kann.

Die Fig. 7 zeigt die schematische Darstellung der beschriebenen Trennanordnung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die elektrische Spannung nicht wie sonst üblich über der gesamten Länge des Trennkanals anliegt, sondern nur über kurzen Kanalabschnitten.

Somit lassen sich bei einer Beibehaltung der für kapillarelektrophoretische Trennverfahren üblichen Feldstärken elektrische Spannungen verwenden, die um mehrere Größenordnungen unter den sonst üblichen Werten liegen.

Darüber hinaus liegen bei diesem Verfahren die elektrischen Kontakte nicht im Trennkanal.

So lassen sich Elektrodenflächen verwenden, die nicht durch die Kanalgeometrie beschränkt sind.

Die Realisierung solcher miniaturisierten Trennvorrichtungen erlaubt es, die Vorteile der eingeführten Massenproduktionstechnologien wie sie aus der Mikroelektronik bzw. Mikro­ systemtechnik bekannt sind, zu nutzen.

In der Fig. 8 ist eine konkrete Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Als Beispiel wurde eine Struktur nach Fig. 7 gewählt, deren Potentialverhältnisse in Fig. 6 beschrieben sind. An der Oberfläche eines Siliziumsubstrates 7 wurde z. B. durch anisotropes Ätzen ein Sy­ stem aus Trennkanal 1, Verbindungskanälen 2 sowie Kontaktwannen 3 realisiert. Die ge­ samte Oberfläche des Siliziumwafers wurde anschließend z. B. thermisch oxidiert oder mit­ tels bekannter CVD-Verfahren mit einer SiO₂-Schicht überzogen.

An der Oberfläche des Wafers wurden mit Hilfe bekannter lithographischer Verfahren Edelmetall-Strukturen (z. B. Au) erzeugt, die als elektrische Kontakte 4 in den Kontaktwan­ nen und z. B. als Leitfähigkeits-Sensorelement 6 am Kanalende dienen.

Die Probe bzw. der Analyt wird über eine Zuleitung am Punkt 10 zugeführt und mittels einer zwischen den Kontakten der Kontaktwannen 5 und 9 angelegten Spannung in den Trennkanal transportiert.

Die gesamte Struktur ist z. B. mit einem Glasdeckel 8 z. B. durch anodisches Bonden ver­ schlossen.

Analyt und Elektrolyt können über die Kanalenden 10 bzw. 10′ zugeführt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist vereinfacht in Fig. 9 schematisch dargestellt. Hier ist ein langer Trennkanal einer mit dem Beispiel nach Fig. 3 vergleichbaren Struktur nicht ge­ streckt sondern in gefalteter Form in der Draufsicht gezeigt.

Eine solche Faltung minimiert den Flächenbedarf des Chips und begrenzt dessen Ausdeh­ nung in einer Dimension.

Claims (16)

1. Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen, dadurch gekennzeichnet, daß an eine kaskadenförmige Elektrodenanordnung elektrische Spannungen pulsartig und in zeitlicher Folge über unterschiedlichen und einander überlappenden Abschnitten eines gestreckten oder gefalteten Trennkanals so angelegt werden, daß die Pulsdauern mit den Migrationszeiten der zu trennenden Analytmoleküle korreliert sind.

2. Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch mehr als zwei Elektroden durch elektrisches Aufschalten elektrischer Potentiale unterschiedliche Mikroströme der Kapillarelektrophorese (elektrophoretischer oder elektroosmotischer Fluß) über den gesamten Trennkanal lokal individuell geregelt und optimiert werden.

3. Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung von blasenfreien Elektrodenoberflächen redoxaktive Hilfsreagentien in unmittelbare Elektrodennähe eingebracht werden.

4. Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Strecke x_u eine elektrische Spannung U angelegt wird, die eine Potentialrampe ϕ(x,t) hervorruft, daß ferner diese Potentialrampe nach jeweils der Zeitdauer Δt in x-Richtung verschoben wird, so daß sich nach der ersten Verschiebung der Potentialverlauf ϕ(x,t+Δt) einstellt, und daß die Verschiebung der Potentialrampe dabei so erfolgt, daß die Verschiebung Δ kleiner ist als der Bereich x_u, über dem die Spannung U abfällt.

5. Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Potentiale in regelmäßiger Folge so an den Kanalabschnitten angelegt werden, daß nur vier Ansteuerspannungen für den Betrieb dieses Trennkanals notwendig sind.

6. Kapillarelektrophoretisches Trennverfahren zur Durchführung von chemischen oder biochemischen Analysen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung von Analytmolekülen mit relativ großen Unterschieden ihrer Migrationsgeschwindigkeiten an einer sehr kurzen Trennstrecke (1 . . . 10 mm) zwei unterschiedliche Potentialverläufe in zeitlicher Folge erzeugt werden.

7. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß entlang eines gestreckten oder gefalteten Trennkanals mittels einer kaskadenförmigen Elektrodenanordnung, deren Elektroden außerhalb des Trennkanals angeordnet und über Verbindungskanäle mit dem Trennkanal verbunden sind, unterschiedliche und einander überlappende Abschnitte ausgebildet sind.

8. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkanalabschnitte zwischen den Verbindungskanälen so kurz sind, daß auch durch niedrige elektrische Spannung (kompatibel zur Siliziumtechnologie) die zur optimalen Trennung erforderlichen Feldstärken erreicht werden und daß durch die gesteuerte Aufschaltung von Spannungspulsen auch eine Anordnung erhalten werden kann, die wie ein extrem selektives Molekül- oder Ionenfilter wirkt (Molecular Tuning).

9. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung von blasenfreien Elektrodenoberflächen die Elektrodenoberflächen chemisch modifiziert werden.

10. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionen der Verbindungskanäle zu denen des Trennkanals in einem solchen Verhältnis stehen, daß die die Trennung ermöglichende Feldstärke auch über dem jeweils wirkenden Teil des Trennkanals erreicht wird.

11. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Trennstrecke konduktometrische, potentiometrische oder amperometrische Sensorelemente integriert sind.

12. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Trennkanal 1 als Vertiefung in einem oxidierten Siliziumwafer befindet und der Trennkanal 1 über Kanaläste 2 mit größerflächigen Kontaktwannen 3 verbunden ist, in denen sich die Edelmetallkontakte 4 befinden.

13. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte so großflächig (Größenordnung mm²) ausgeführt sind, daß beim Anlegen der elektrischen Spannung U an den Kontakten die Zersetzungsspannung nicht erreicht wird und damit elektrolytisch hervorgerufene Gasbildung ausgeschlossen ist.

14. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkanal und die Kanaläste typische Durchmesser zwischen 10 und 50 µm haben, die Kanäle und die Kontaktwannen mit Pufferlösung gefüllt sind und die gesamte Struktur mit einem Glasdeckel abgedeckt ist.

15. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung mit Kanälen und Kontakten gemeinsam mit einer Ansteuerelektronik auf dem selben Silizium-Chip integriert ist.

16. Kapillarelektrophoretische Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche eines Siliziumsubstrates 7 durch anisotropes Ätzen ein System aus Trennkanal 1, Verbindungskanälen 2 sowie Kontaktwannen 3 realisiert ist, die gesamte Oberfläche des Siliziumwafers anschließend thermisch oxidiert oder mittels bekannter CVD-Verfahren mit einer SiO₂-Schicht überzogen ist, daß ferner an der Oberfläche des Wafers mit Hilfe bekannter lithographischer Verfahren Edelmetall-Strukturen erzeugt sind, die als elektrische Kontakte 4 in den Kontaktwannen und z. B. als Leitfähigkeits-Sensorelement 6 am Kanalende dienen, daß ferner die Probe bzw. der Analyt über eine Zuleitung an einem Punkt 10 zugeführt und mittels einer zwischen den Kontakten der Kontaktwannen 5 und 9 angelegten Spannung in den Trennkanal geführt wird und die gesamte Struktur mit einem Glasdeckel 8 durch anodisches Bonden verschlossen ist.