DE4342849A1 - Anordnung und Verfahren zur Mikrodosierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikro-Dosiersystem und ein Verfahren zur Dosierung von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikrodosiersysteme dienen der Applikation von Flüssigkeiten mit chemischen Substanzen und sind auf verschiedenen Gebieten im Gesundheitswesen, dem Umweltschutz, der Biotechnologie sowie in der pharmazeutischen und chemi­ schen Industrie einsetzbar.

Bei bekannten Mikrodosiersystemen erfolgt die Dosierung der Flüssigkeiten durch die Erzeugung eines Druckes mit mechanischen Elementen, wie Pumpen oder Kolben, oder durch chemische Vorgänge, wie Elektrolyse, Osmose, Quel­ lung oder eine chemische Reaktion. Der zu fördernde Stoff wird dabei üblicher­ weise aus einem Reservoir mit oder ohne Abtrennung von der fördernden Kraft heraus gepreßt. Die üblichen Dosiersysteme, die eine zeitlich und mengenmäßig kontrollierte Abgabe ermöglichen, haben den Nachteil der aufwendigen Herstel­ lung, weil die erforderlichen mechanischen Elemente kompliziert nur begrenzt miniaturisierbar sind. Bei den bekannten Mikrodosiervorrichtungen auf der Ba­ sis von Quell- und Osmosevorgängen ist eine zeitliche Kontrolle nur sehr be­ grenzt möglich, da diese Prozesse nicht steuerbar bzw. anzuhalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion eines Mikro-Dosier­ systems anzugeben und ein Verfahren zur Dosierung aufzuzeigen, bei denen eine Miniaturisierung in mikromechanischer oder in Chiptechnologie möglich ist und eine zeitlich gut kontrollierbare Dosierung zu realisieren ist. Diese Aufga­ be wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Mikro-Dosiereinrichtung ermöglicht die portionsweise, d. h. quasi-digitale Dosierung durch die Aufteilung in einzelne Mikroreservoirs auch Kompartments genannt. Die in jedem Kompartment vorhandenen Elektro­ den (3) ermöglichen es, jedes Kompartment einzeln durch Elektrolyse und eine gegebenenfalls gekoppelte chemische Reaktion mit einem Gas zu füllen und da­ durch nur das in dem jeweiligen Kompartment befindliche Volumen der Dosier­ flüssigkeit kontrolliert auszutreiben.

Nach Anspruch 2 sind die Mikro-Kompartments (4) aus strukturierbarem Mate­ rial, z. B. durch Ätzen von Glas, Silizium oder Siliziumverbindungen, gefertigt. Solche Kompartments können auch in Keramik vor einem Brennvorgang oder aus organischen Polymeren durch Preßvorgänge erzeugt sein. Durch Methoden der Feinwerktechnik können die Kompartments auch mechanisch gefertigt sein. Eine kompartmentanaloge Anordnung kann dadurch ausgebildet werden, daß man in einer langgestreckten Anordnung einem Mikrokanal die Elektrotypezel­ len nacheinander anordnet.

Der Anspruch 3 betrifft die Mehrfach-Anordnung von Elektroden (3) in jedem Kompartment. Durch die Mehrfachanordnung wird erreicht, daß bei Gasfüllung nur die Elektroden angesteuert werden, an denen eine elektrochemische Reak­ tion ablaufen kann, d. h. die noch von Flüssigkeit bedeckt sind. In Abhängigkeit von der Art der gaserzeugenden Reaktionen können Elektroden mit unter­ schiedlichem Potential wahlweise durch Mikrokanäle getrennt werden. Die Elek­ trolyse von Flüssigkeiten zu Gas, z. B. die Trennung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff läßt sich in Mikrovolumina auch ohne Diaphragma realisieren, wie in der Meßkurve 2 gezeigt ist. Auch chemische Reaktionen können durch die Elektroden im gleichen Mikro-Kompartment initialisiert werden.

Nach Anspruch 4 bestehen die Elektroden vorzugsweise aus dünnen strukturier­ ten Schichten von Edelmetallen. Es sind aber auch Metalloxid oder Kohle sowohl in feinstrukturierten als auch in größerflächigen Elektroden-Konfigurationen einsetzbar.

Nach Anspruch 5 werden die Dosieröffnungen zum mechanischen Schutz von außen mit einer Schutzvorrichtung vorzugsweise einem Wall oder auch einer Abdeckung ausgestattet. Die Öffnung kann wahlweise auch mit aktiven Ventilen zur besseren Kontrolle und als Sicherheitsmaßnahme verschlossen werden.

Das Verfahren zum quasi-digitalen Betrieb der Mikro-Dosiervorrichtung wird nach Anspruch 6 dadurch erreicht, daß an zwei Elektroden ein Potential angelegt wird, das z. B. durch Elektrolyse einer elektrolythaltigen wäßrigen Lösung Was­ serstoff und Sauerstoff erzeugt, die einen Gasdruck aufbauen und dadurch die Dosierflüssigkeit austreiben. Jeweils zwei Elektroden eines oder verschiedener Mikro-Kompartments wird diese Spannung zeitlich kontrolliert aufgeprägt. Dabei beginnt an den jeweils aktiven Elektroden eine Gasentwicklung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff. Ein Mikro-Elektrodenpaar kann je­ weils soviel Gas erzeugen, daß seine Oberfläche im Mikro-Kompartment von diesem Gas bedeckt wird.

Das Treibgas kann wahlweise auch dadurch erzeugt werden, daß man ein proto­ nenhaltiges Intermediat erzeugt, das aus einer carbonathaltigen Lösung CO₂ aus­ treibt. Die elektrochemische Oxidation von Glucose zu Glucuronsäure ist bei­ spielsweise eine solche Reaktion.

Infolge der mehrfachen Anordnung der Elektroden im Mikro-Kompartment können die Elektroden stillgelegt werden, die von Gas bedeckt sind, während an­ dere zur weiteren Förderung zugeschaltet werden können. Durch die Größe der angelegten Spannung und den Parallelbetrieb von Elektroden kann die Dosierge­ schwindigkeit geregelt werden.

Nach Anspruch 8 sind die Mikroelektroden selbst oder zusätzliche, z. B. als Inter­ digital-Elektroden ausgeführte Mikroelektroden geeignet, den Füllstand in den Mikro-Kompartments und den Ausfluß durch die Dosieröffnungen als Sensoren zu messen. Anhand des Stromflusses ist eine Kontrolle des Verlaufs der Elektro­ lyse an jeweils einem bestimmten Elektrodenpaar möglich, da infolge Gasbe­ deckung kein Strom mehr fließt und demzufolge keine weitere Gasentwicklung stattfindet. Mit Hilfe im Mikrokanal benachbarten Elektroden kann die Flußge­ schwindigkeit zusätzlich ermittelt werden. In der Nähe der Dosieröffnung liegt im Kanal eine interdigitale Bandelektrode, die die Messung der Menge der vor­ beifließenden Flüssigkeit durch selbst erzeugte Sondenmoleküle ermöglicht. Damit wird eine zusätzliche Kontrollfunktion und Sicherheitsmaßnahme er­ möglicht.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Mikro-Dosiervorrichtung und des Verfah­ rens der digitalen Dosierung bestehen insbesondere darin, daß es sich um eine miniaturisierbare und zur Massenproduktion geeignete Vorrichtung handelt. Vorrichtung und Verfahren sind weder auf besondere Materialien noch Dosier­ flüssigkeiten begrenzt. Durch das Fehlen von beweglichen Teilen zeichnet es sich durch besondere Einfachheit und Robustheit aus. Die Aufteilung in viele Teil­ vorgänge garantiert eine hohe Präzision und sichere Kontrolle der Dosierung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung beschrieben (Abb. 1). In einem Protokoll wird die Druckerzeugung in den Kompartments zur Dosie­ rung aufgezeigt (Abb. 2) und in einem Anwendungsbeispiel die Kopplung von elektrochemischer und chemischer Reaktion zur Gaserzeugung beschrieben.

Abb. 1: Schema einer Mikro-Dosiervorrichtung
1 Elektrodenchip (Silizium)
2 Kanalchip (Glas)
3 Dünnfilm-Platin-Elektroden
4 Geätzte Kompartments.

Abb. 2: Protokoll einer Wasserstoff-Sauerstoff-Gaserzeugung in einem 20 µl Kompartment.

Anwendungsbeispiel

Das Anwendungsbeispiel beschreibt die Erzeugung von CO₂ im Mikro-Kom­ partment durch Glucose-Elektrolyse. Dazu wird das erfindungsgemäße Mikro- Dosiersystem und Verfahren eingesetzt.

In einen 8 × 8 mm großen Siliziumchip (1) werden isotrop oder anisotrop Kom­ partments entsprechend Abb. 1 (4) eingeätzt. Die nach einer Seite offenen graben- oder kanalartigen Strukturen werden mit einer Platte, auf der die strukturierten Platin-Mikroelektroden aufgebracht sind, bedeckt und durch anodisches Bonden verbunden. Danach werden die Kompartments auf geeignete Weise mit einer wäßrigen carbonat- und glucosehaltigen Dosierflüssigkeit, die gegebenenfalls weitere Substanzen enthält, gefüllt.

An die von den Elektroden nach außen geführten Kontakte wird dann an je 2 Elektroden eine kontrollierte Spannung zwischen 2-3 V angelegt. An einer Elek­ trode entsteht Glucuronsäure, die sofort mit dem Natriumcarbonat in der Lö­ sung reagiert und CO₂-Gas austreibt. Das entstehende Gas füllt das Mikro-Kom­ partment allmählich aus und verdrängt die Dosierflüssigkeit, die aus der Öff­ nung austritt. Die verschiedenen Elektrodenpaare in den Kompartments werden nach Bedarf nacheinander angeschaltet.

Claims (8)

1. Dosiervorrichtung bestehend aus einer Kanalstruktur mit einem oder mehreren Kompartments mit Mikroelektroden, die durch Kanäle mit einer oder mehreren Dosieröffnungen verbunden sind.

2. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß sie vor­ zugsweise aus Glas, Keramik, Silizium und seine Verbindungen oder orga­ nischen Polymeren besteht und mikrostrukturiert wird.

3. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden strukturiert und mehrfach in Kompartments angeordnet sind, wobei einzelne oder mehrere Elektroden durch ein Diaphragma getrennt sein können.

4. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroelektroden aus Metallen oder Metalloxiden oder Kohle in Form von dünnen Schichten oder sphärischen Gebilden ausgebildet sind.

5. Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Dosieröffnungen ohne oder mit einer passiven Schutzvorrichtung vorzugs­ weise einen Wall oder einer Abdeckung ausgeformt sind und/oder wahl­ weise mit aktiven oder passiven Ventilen ausgestattet sind.

6. Verfahren zum Betrieb einer Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 da­ durch gekennzeichnet, daß durch Anlegen einer regelbaren Spannung an die Mikroelektroden eine elektrochemische Reaktion und gegebenenfalls Folgereaktionen in Gang gesetzt werden, bei denen Treibgase entstehen, die die Dosierflüssigkeit kontrolliert austreiben.

7. Verfahren zum Betrieb einer Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 6 da­ durch gekennzeichnet, daß die Mikroelektroden sowohl in einem als auch in verschiedenen Mikro-Kompartments einzeln oder in Gruppen angesteu­ ert werden und damit eine kontrollierte Gaserzeugung erreicht wird.

8. Verfahren zum Betrieb einer Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 da­ durch gekennzeichnet, daß Mikroelektroden gleichzeitig oder unabhängig als Füllstands- und/oder Flußsensoren genutzt werden.