EP1188048A1 - Miniaturized analytical system with a device for withdrawing substances - Google Patents

Miniaturized analytical system with a device for withdrawing substances

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EP1188048A1
EP1188048A1 EP00940331A EP00940331A EP1188048A1 EP 1188048 A1 EP1188048 A1 EP 1188048A1 EP 00940331 A EP00940331 A EP 00940331A EP 00940331 A EP00940331 A EP 00940331A EP 1188048 A1 EP1188048 A1 EP 1188048A1
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EP
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channel
electrodes
adhesive
sample
components
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Withdrawn
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EP00940331A
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German (de)
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Friedhelm Eisenbeiss
Bernd Stanislawski
Thomas Greve
Roland HERGENRÖDER
Günther Weber
Benedikt Grass
Andreas Neyer
Matthias JÖHNCK
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Merck Patent GmbH
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Abstract

The invention relates to a device for withdrawing defined components of samples from the separation channel and transporting them to another channel after a preparative or analytical liquid phase separation in flat, miniaturized analytical systems. The withdrawal device can be directly integrated into the analytical system by positioning detectors, for example for measuring the conductivity, any place in the analytical system.

Description

Miniaturisiertes Analysensystem mit Vorrichtung zum Ausschleusen von Substanzen Miniaturized analysis system with device for discharging substances
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausschleusen definierter Fraktionen von Proben nach einer präparativen oder analytischenThe invention relates to a device for discharging defined fractions of samples after a preparative or analytical
Flussigphasentrennung in planaren, miniaturisierten Analysensystemen aus dem Trennkanal in einen weiteren Kanal bzw. in eine weitere analytische Vorrichtung.Liquid phase separation in planar, miniaturized analysis systems from the separation channel into another channel or into another analytical device.
Planare, miniaturisierte Analysensysteme bestehen aus Bauteilen mit eingearbeiteten Kanälen, in denen der Transport und/oder die Auftrennung gelöster Analyte beispielsweise mittels Kapillarelektrophorese oder Isotachophorese erfolgt. Ein derartiges Kanalsystem kann Y-förmige Verzweigungen und/oder X-förmige Kreuzungen (siehe Abbildung 1 ) aufweisen. Dabei sind die Winkel zwischen den Kanälen frei wählbar.Planar, miniaturized analysis systems consist of components with integrated channels in which the transport and / or separation of dissolved analytes takes place, for example, by means of capillary electrophoresis or isotachophoresis. Such a channel system can have Y-shaped branches and / or X-shaped crossings (see Figure 1). The angles between the channels are freely selectable.
Für das Einschleusen von Probenmaterial wird üblicherweise eine X- förmige Anordnung der Kanäle benutzt, zum Ausschleusen eine Y- Verzweigung. Die Probenbestandteile werden dazu durch Anlegen einer Spannung an den Enden der Kanäle elektrokinetisch transportiert. Bei Y- verzweigten Kanälen kann beispielsweise der elektrokinetische Transport umgelenkt werden, wenn die elektrischen Potentiale von dem einen Kanal auf den anderen abzweigenden Kanal geschaltet werden. Auf diese Weise kann eine Fraktion einer Probe durch den abzweigenden Kanal ausgeschleust werden.An X-shaped arrangement of the channels is usually used for introducing sample material, and a Y-branching for discharging. For this purpose, the sample components are transported electrokinetically by applying a voltage to the ends of the channels. In the case of Y-branched channels, for example, the electrokinetic transport can be redirected if the electrical potentials are switched from one channel to the other branching channel. In this way, a fraction of a sample can be discharged through the branching channel.
Die Steuerung derartiger Ausschleusevorgänge erfolgt entweder zeitlich definiert oder aktiv gesteuert bei vorheriger Durchgangsanalyse. Bei der zeitgesteuerten Ausschleusung wird sowohl die exakte Kenntnis des Elektropherogramms als auch eine exakte Reproduzierbarkeit des Trennvorgangs vorausgesetzt. Der zu isolierende Analyt kann also nur aus einer bekannten Probe nach vorhergehender experimenteller Bestimmung seiner Trennzeit ausgeschleust werden. Besonders für die Kapillarelektrophorese ist dieses Verfahren ungeeignet, da es durch Anlagerung von oberflächenaktiven Substanzen zu einer Veränderung des Zeta-Potentials an den Kanalwänden kommt. Dadurch tritt eine Modulation der elektroosmotischen Kraft und somit auch eine Modulation des zeitlichen Musters desSuch discharge processes are controlled either in a time-defined manner or actively controlled in the case of a previous passage analysis. Precise knowledge of the electropherogram and exact reproducibility of the separation process are required for time-controlled discharge. The analyte to be isolated can therefore only be obtained from a known sample after its experimental determination Separation time can be removed. This method is particularly unsuitable for capillary electrophoresis, since the addition of surface-active substances leads to a change in the zeta potential on the channel walls. This causes a modulation of the electroosmotic force and thus also a modulation of the temporal pattern of the
Elektropherogramms auf. Aus diesem Grund wird eine zeitgesteuerte Ausschleusung meist nur zur Kontrolle oder Bestätigung durchgeführt.Electropherogram. For this reason, time-controlled rejection is usually only carried out for checking or confirmation.
Wesentlich genauer ist eine Ausschleusung der Analyte nach voran- gegangener direkter Analyse. Von F. von Heeren et al. (Anal. Chem 68(13) (1996), 2044-2053) wird die aktiv gesteuerte Ausschleusung von Natrium- Fluoreszein beschrieben. Die Position des Fluoreszeins während des Trennprozesses kann kontinuierlich von einem Beobachter mit einer geeigneten optischen Vorrichtung verfolgt werden. Sobald sich die Fluoreszein-Bande an der Ausschleusungsstelle befindet, wird manuell ein Schaltvorgang ausgelöst, der zum Ausschleusen führt. Jedoch könnten selbst bei Automatisierung dieses Systems lediglich farbige oder fluoreszierende Substanzen detektiert und gezielt ausgeschleust werden. Dies bedeutet eine starke Einschränkung.Removal of the analytes after a direct analysis is much more precise. By F. von Heeren et al. (Anal. Chem 68 (13) (1996), 2044-2053) describes the actively controlled removal of sodium fluorescein. The position of the fluorescein during the separation process can be continuously monitored by an observer using a suitable optical device. As soon as the fluorescein band is at the discharge point, a switching process is triggered manually, which leads to the discharge. However, even when this system is automated, only colored or fluorescent substances could be detected and specifically discharged. This means a severe limitation.
Andere Detektorsysteme für Ausschleusevorrichtungen konnten bislang nicht direkt in miniaturisierte, planare Analysensysteme integriert werden, so daß die Detektion und Separierung von Substanzen meist nach deren Austritt aus dem Analysensystem erfolgt.Other detector systems for ejection devices have so far not been able to be integrated directly into miniaturized, planar analysis systems, so that substances are usually detected and separated after they have left the analysis system.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, für miniaturisierte planare Analysensysteme eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Substanzen bereitzustellen, die direkt in die Analysensysteme integriert ist und aktiv gesteuert werden kann. Bevorzugterweise sollte die Vorrichtung zum Ausschleusen mit Detektionsvorrichtungen kombinierbar sein, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen; somit wäre das Ausschleusen von Analyten vielseitig anwendbar. Für planare Vorrichtungen für elektrophoretische Trennverfahren wurde eine Anordnung umfassend zumindestens drei Transportelektroden, eine Detektionsvorrichtung und eine Schaltvorrichtung gefunden, die es erlaubt, gezielt Fraktionen während des Trennvorgangs auszuschleusen. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Detektionsvorrichtung als elektrische Leitfähigkeits- Impedanz- oder Potentialmeßvorrichtung ausgebildet.The object of the present invention is therefore to provide a device for discharging substances for miniaturized planar analysis systems which is integrated directly into the analysis systems and can be actively controlled. The device for discharging should preferably be combinable with detection devices which are based on different principles; thus the removal of analytes would be very versatile. For planar devices for electrophoretic separation processes, an arrangement comprising at least three transport electrodes, a detection device and a switching device has been found, which makes it possible to selectively discharge fractions during the separation process. In preferred embodiments, the detection device is designed as an electrical conductivity, impedance or potential measuring device.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Fraktionen einer Probe für planare mikrostrukturierte Analysensysteme, die im wesentlichen aus einem Kanalsystem mit mindestens einer Y- Verzweigung , mindestens drei Transportelektroden und mindestens einer Detektionsvorrichtung vor besagter Verzweigungsstelle des Kanalsystems und einer elektrischen Schaltvorrichtung bestehen.The invention therefore relates to a device for discharging fractions of a sample for planar microstructured analysis systems, which essentially consist of a channel system with at least one Y branch, at least three transport electrodes and at least one detection device in front of said branch point of the channel system and an electrical switching device.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ausschleusen, in der die Detektionsvorrichtung ein elektrochemischer Detektor ist.A preferred embodiment of the invention is a device for discharging, in which the detection device is an electrochemical detector.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem planaren mikrostrukturierten Analysensystem.The present invention furthermore relates to the use of a device according to the invention in a planar microstructured analysis system.
Abbildung 1 zeigt beispielhaft eine X-Kreuzung (X) und eine Y-Verzweigung (Y) eines Kanalsystems entsprechend dem Stand der Technik.Figure 1 shows an example of an X crossing (X) and a Y branch (Y) of a channel system according to the prior art.
Abbildung 2 veranschaulicht das Prinzip der Ausschleusung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Abbildung 3 und 4 zeigen schematisch Analysensysteme, in die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausschleusen von Substanzen integriert ist.Figure 2 illustrates the principle of discharge using the device according to the invention. Figures 3 and 4 schematically show analysis systems in which an inventive device for discharging substances is integrated.
Analysensysteme, in die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zumAnalysis systems in which an inventive device for
Ausschleusen von Substanzen integriert werden kann, sind planare mikrostrukturierte Systeme, die zur Auftrennung von Substanzen dienen. Derartige überwiegend zweidimensionale Analysensysteme, bieten durch ihre geringe Größe und einfache Herstellung viele Vorteile gegenüber makrospkopischen Analysensystemen. Die Analysensysteme können zusätzliche Analysevorrichtungen oder Vorrichtungen zur mikro- präparativen Derivatisierung beinhalten. Durch die Möglichkeit, Detektoren bzw. eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausschleusen schon bei der Herstellung von Analysensystemen direkt in diese Systeme zu integrieren, können Substanzen schon während oder nach der Trennung in dem Analysensystem analysiert und separiert werden. Beispielsweise in Analysensysteme, in denen Substanzen nicht nur getrennt und analysiert werden, sondern auch weiteren z.B. Derivatisierungsschritten unterzogen werden, können auch mehr als eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausschleusen integriert werden.Discharge of substances that can be integrated are planar microstructured systems that serve to separate substances. Such predominantly two-dimensional analysis systems, due to their small size and simple manufacture, offer many advantages over macro-scope analysis systems. The analysis systems can include additional analysis devices or devices for micro-preparative derivatization. Due to the possibility of integrating detectors or a device according to the invention for discharging directly into these systems during the manufacture of analysis systems, substances can be analyzed and separated in the analysis system already during or after the separation. For example in analysis systems in which substances are not only separated and analyzed, but also other e.g. Are subjected to derivatization steps, more than one device for discharging according to the invention can also be integrated.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausschleusen besteht aus einem Detektorsystem, das ein Kanalsegment direkt vor dem Ausschleusungskanal analysiert, und einem verzweigten Kanalsystem mit entsprechenden Transportelektroden. Sobald der Detektor anzeigt, daß sich der gewünschte Analyt kurz vor der Abzweigung befindet, werden die Transportelektroden an den Enden der Kanäle umgeschaltet. Der weitere Transport erfolgt nicht mehr entlang des Trennkanals sondern in den abzweigenden Ausschleusungskanal. Dieser Vorgang wird beendet, wenn der Detektor anzeigt, daß die Analytbande die Ausschleusungsstelle passiert hat. Auf diese Weise lassen sich definierte Teile einer Probe präzise vom Rest der Probe trennen. Der Vorgang des Ausschleusens umfaßt demnach folgende Schritte:The discharge device according to the invention consists of a detector system which analyzes a channel segment directly in front of the discharge channel, and a branched channel system with corresponding transport electrodes. As soon as the detector indicates that the desired analyte is just before the branch, the transport electrodes are switched at the ends of the channels. The further transport no longer takes place along the separation channel but in the branching discharge channel. This process ends when the detector indicates that the analyte band has passed the ejection point. In this way, defined parts of a sample can be precisely separated from the rest of the sample. The process of discharging therefore comprises the following steps:
• Die räumlich aufgetrennte Probe wird durch entsprechende elektrische Spannung zu einer Verzweigungsstelle transportiert. • Ein Detektor, der dicht vor der Verzweigungsstelle sitzt, mißt die vorbeiströmenden Komponenten oder eine Markersubstanz, die jeweils den Anfang und das Ende eines auszuschleusenden Bereichs kennzeichnet.• The spatially separated sample is transported to a branching point by appropriate electrical voltage. • A detector, which sits close to the branching point, measures the components flowing past or a marker substance, which marks the beginning and the end of an area to be discharged.
• Sobald die gewünschte Komponente detektiert wird, werden die Spannungen so umgeschaltet, daß der Fluß in den abzweigenden• As soon as the desired component is detected, the voltages are switched so that the flow in the branches
Kanal gelenkt wird.Channel is directed.
• Nachdem die gewünschte Komponente den Detektor passiert hat, wird die Spannung zurückgeschaltet.• After the desired component has passed the detector, the voltage is switched back.
Auf diese Weise ist nun ein Teil der Probe räumlich vom Rest der Probe getrennt.In this way, part of the sample is now spatially separated from the rest of the sample.
Die Steuerung des gesamten Vorgangs, besonders das Umschalten der Potentiale zwischen den Elektroden, erfolgt bevorzugt mittels einer elektronischen Schaltvorrichtung. Derartige Vorrichtungen und deren Anwendung sind dem Fachmann bekannt. Die abgetrennten Substanzen können anschließend innerhalb des Analysensystems weiterführenden Schritten, wie gesonderten Analysen, Derivatisierungen etc. unterzogen werden. Weiterhin können sie auch gezielt aus dem Kanalsystem des Analysensystems entnommen werden. Dazu wird das Kanalsystem mit zusätzlichen Ausgängen versehen. Diese Ausgänge befinden sich vorzugsweise in den Ausschleusungskanälen und werden mittels eines Fluidikanschlusses, wie einer dichtschließenden Pumpe oder Pumpen und Ventilen, abgeschlossen. Typischerweise schließt sich direkt eine Kapillare an, über die die abgetrennte Fraktion in weitere Behältnisse oder Geräte außerhalb des Analysensystems überführt werden kann. Befindet sich demnach eine separierte Fraktion in einem Ausschleusungskanal, so kann 0/77508 . g . PCT/EPO0/052O5The entire process, in particular the switching of the potentials between the electrodes, is preferably controlled by means of an electronic switching device. Such devices and their use are known to the person skilled in the art. The separated substances can then be subjected to further steps, such as separate analyzes, derivatizations, etc., within the analysis system. Furthermore, they can also be removed from the channel system of the analysis system. For this purpose, the duct system is provided with additional outputs. These outputs are preferably located in the discharge channels and are closed off by means of a fluid connection, such as a tightly closing pump or pumps and valves. Typically, a capillary directly follows, via which the separated fraction can be transferred to other containers or devices outside of the analysis system. Accordingly, if there is a separated fraction in a discharge channel, it can 0/77508. g. PCT / EPO0 / 052O5
sie hydromechanisch, beispielsweise elektroosmotisch oder mittels Mikropumpen, aus einem Ausgang heraus aus dem Analysensystem entfernt werden.they are removed hydromechanically, for example electroosmotically or by means of micropumps, from an outlet from the analysis system.
Bei der ausgeschleusten Fraktion kann es sich sowohl um einen störendenThe removed fraction can be bothersome
Bestandteil handeln, der abgesondert werden soll, damit der Rest der Probe weiter untersucht werden kann, als auch um eine Fraktion, d.h. einen Teil der Probe, der von dem Rest der Probe getrennt weiteren Analyseoder Derivatisierungsschritten unterzogen werden soll. Die so zu analysierenden und separierenden Probenbestandteile können ionisch gelöst, emulgiert, suspendiert, kolloidal oder biologisch zellulär in vorwiegend wässriger Lösung vorliegen.Act a component that is to be separated so that the rest of the sample can be examined further, as well as a fraction, i.e. a part of the sample which is to be subjected to further analysis or derivatization steps separately from the rest of the sample. The sample components to be analyzed and separated in this way can be ionically dissolved, emulsified, suspended, colloidal or biologically cellular in predominantly aqueous solution.
Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein auf dem zwei- dimensionalen Analysensystem befindlicher Detektor. Da miniaturiserte Analysensyteme je nach ihrer konkreten Anwendung sehr unterschiedlich strukturiert sein können, muß der Detektor an beliebigen Stellen des Analysensystems positionierbar sein. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung können sowohl Detektoren eingesetzt werden, deren maßgeblichste Teile integriert werden können, wieThe device according to the invention is based on a detector located on the two-dimensional analysis system. Since miniaturized analysis systems can be structured very differently depending on their specific application, the detector must be able to be positioned anywhere in the analysis system. Both detectors can be used for the device according to the invention, the most important parts of which can be integrated, such as
- Leitfähigkeitsdetektoren ( kapazitive, induktive, ohmsche Messung),- conductivity detectors (capacitive, inductive, ohmic measurement),
- elektrochemische Detektoren (z.B. Amperometrie, ISFET),- electrochemical detectors (e.g. amperometry, ISFET),
- elektrische Temperaturmessung, aber auch externe Detektoren, bei denen nur Teile, z.B. Linsen oder Faseroptik, in das Analysensystem integriert werden, wie- electrical temperature measurement, but also external detectors in which only parts, e.g. Lenses or fiber optics can be integrated into the analysis system, such as
- optische Detektoren ( z.B. Brechungsindex, Temperatur, Absorption, Fluoreszenz, Raman, Lumineszenz)- optical detectors (e.g. refractive index, temperature, absorption, fluorescence, Raman, luminescence)
- NMR- NMR
- radioaktives Labeling - magnetisches Labeling- radioactive labeling - magnetic labeling
Als Detektorvorrichtung werden erfindungsgemäß bevorzugt Leitfähigkeitsdetektoren und optische Detektoren eingesetzt. Für optische Detektoren kann beispielsweise eine Aufnahmevorrichtung für Lichtleitfaseroptik integriert werden.According to the invention, conductivity detectors and optical detectors are preferably used as the detector device. For optical detectors For example, a recording device for optical fiber optics can be integrated.
Für Analysensysteme, in denen Substanzen elektrophoretisch aufgetrennt werden, wird die Forderung einer universellen Detektionsmethode besonders gut von elektrischen Detektionsmethoden wie der Leitfähigkeitsmessung erfüllt. Die Charakterisierung der Analyte erfolgt dabei über deren spezielle elektrische Leitfähigkeit. Eine bestimmte Substanz generiert in einem gegebenen Elektrolytsystem immer die gleiche relative Leitfähigkeit. Dies gilt für aufeinander folgende Messungen in einem miniaturisiertemFor analysis systems in which substances are separated electrophoretically, the requirement for a universal detection method is particularly well met by electrical detection methods such as conductivity measurement. The analytes are characterized by their special electrical conductivity. A given substance always generates the same relative conductivity in a given electrolyte system. This applies to successive measurements in a miniaturized
Analysensysten und auch für Messungen, die in mehreren miniaturisierten Analysensystemen eines Bautyps erfolgen.Analysis systems and also for measurements that are carried out in several miniaturized analysis systems of one type.
Bevorzugt wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung daher eine elektrische Leitfähigkeitsmessung verwendet, die im Falle von direkt kontaktierenden Elektroden den elektrischen Strom oder den elektrischen Spannungsabfall erfaßt oder aber im Falle von galvanisch entkoppelten Elektroden über die Messung des dielektrischen Widerstandes erfolgt.An electrical conductivity measurement is therefore preferably used in the device according to the invention, which measures the electrical current or the electrical voltage drop in the case of directly contacting electrodes or, in the case of galvanically decoupled electrodes, is carried out by measuring the dielectric resistance.
Zur Integration eines Leitfähigkeitsdetektors in einem zweidimensionalen Analysensytem müssen Leitfähigkeitselektroden an beliebigen Stellen des Systems, vor allem kurz vor Abzweigungen entlang des Kanalsystems, integriert werden. Dies ist nur durch eine besondere Art des Aufbaus eines solchen Systems möglich. Zum einen muß das Kanalsystem gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen sein, zum anderen muß gewährleistet werden, daß chemisch inerte Elektroden präzise und reproduzierbar an den gewünschten Positionen angebracht werden können. Nur durch spezielle Techniken zur Herstellung zweidimensionaler Analysensysteme können die obengenannten Anforderungen erfüllt werden.To integrate a conductivity detector in a two-dimensional analysis system, conductivity electrodes must be integrated at any point in the system, especially shortly before branches along the channel system. This is only possible through a special type of construction of such a system. On the one hand, the channel system must be sealed gas and liquid-tight, on the other hand, it must be ensured that chemically inert electrodes can be attached precisely and reproducibly at the desired positions. The above-mentioned requirements can only be met by special techniques for the production of two-dimensional analysis systems.
Mikrofluide bzw. mikrostrukturierte Analysensysteme bestehen in der Regel aus einer Durchflußeinheit, die zumindest das Kanalsystem sowie optional Aussparungen zur Integration peripherer Einrichtungen aufweist, und peripheren Einrichtungen, wie Detektoren, Fluidikanschlüssen, Vorratsgefäßen, Reaktionskammern, Pumpen, Steuervorrichtungen etc., die in die Durchflußeinheit integriert bzw. daran angeschlossen werden können. Als Durchflußeinheiten für mikrofluide Analysensysteme mit Meß- und Steuervorrichtungen zur elektrischen Leitfähigkeit gelten erfindungs- gemäß Systeme, in denen durch Zusammenfügen von mindestens zwei Bauteilen, wie z.B. Substrat und Deckel, Mikrokanalstrukturen erzeugt werden, die flüssigkeits- und/oder gasdicht verschlossen werden können.Microfluids or microstructured analysis systems usually consist of a flow unit, which is at least the channel system and optional Has recesses for the integration of peripheral devices, and peripheral devices, such as detectors, fluid connections, storage vessels, reaction chambers, pumps, control devices etc., which can be integrated into the flow unit or connected to it. According to the invention, flow units for microfluidic analysis systems with measuring and control devices for electrical conductivity are systems in which microchannel structures are produced by joining at least two components, such as substrate and cover, which can be closed in a liquid-tight and / or gas-tight manner.
Die erfindungsgemäßen Systeme bestehen typischerweise aus mindestens zwei Bauteilen, einem Deckel, der mit den Elektroden versehen ist, und einem mikrostrukturierten Substrat. Nach Produktion der Bauteile werden diese durch ein spezielles Bonding-Verfahren zusammengefügt. Auf diese Weise ist es möglich, die erfindungsgemäße Ausschleusevorrichtung in planare Analysensysteme zu integrieren.The systems according to the invention typically consist of at least two components, a cover which is provided with the electrodes and a microstructured substrate. After the components have been produced, they are joined using a special bonding process. In this way, it is possible to integrate the discharge device according to the invention in planar analysis systems.
Die Bauteile der Durchflußeinheit der Analysensysteme bestehen bevorzugt aus kommerziell erhältlichen thermoplastischen Kunststoffen, wie PMMA (Polymethylmethacrylat), PC (Polycarbonat), Polystyrol oder PMP (Polymethylpenten), cycloolefinischen Copolymeren oder duroplastischen Kunststoffen, wie beispielsweise Epoxidharzen. Bevorzugterweise bestehen alle Bauteile eines Systems aus demselben Material.The components of the flow unit of the analysis systems preferably consist of commercially available thermoplastics, such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), polystyrene or PMP (polymethylpentene), cycloolefinic copolymers or thermosetting plastics, such as epoxy resins. All components of a system preferably consist of the same material.
Die Bauteile können nach dem Fachmann bekannten Methoden hergestellt werden. Bauteile, die MikroStrukturen enthalten, können beispielsweise durch etablierte Verfahren, wie Heißprägen, Spritzguß oder Reaktionsguß, produziert werden. Besonders bevorzugt werden Bauteile eingesetzt, die nach bekannten Techniken zur Massenproduktion vervielfältigt werden können. Mikrostrukturierte Bauteile können Kanalstrukturen mit Querschnittsflächen zwischen 10 und 250000 μm2 besitzen. Für die erfindungsgemäße Ausschleusevorrichtung muß das Kanalsystem neben Bereichen zur Probenaufgabe und einem Trennkanal mindestens eine von einem Trennkanal ausgehende X- oder Y-Verzweigung aufweisen. Zur Integration mehrerer Ausschleusungsvorrichtungen können an beliebigen Stellen des Kanalsystems weitere Verzweigungen eingeführt werden.The components can be produced by methods known to the person skilled in the art. Components that contain microstructures can be produced, for example, by established processes such as hot stamping, injection molding or reaction molding. Components which can be reproduced using known techniques for mass production are particularly preferably used. Microstructured components can have channel structures with cross-sectional areas between 10 and 250,000 μm 2 . For the According to the discharge device according to the invention, in addition to areas for sample application and a separation channel, the channel system must have at least one X or Y branch originating from a separation channel. In order to integrate several ejection devices, further branches can be introduced at any point in the channel system.
Die Elektroden, die für die erfindungsgemäße Ausschleusevorrichtung benötigt werden, sind Transportelektroden, die sich an den Enden der verzweigten Kanäle befinden und ein Umschalten des Potentials zwischen den beiden Kanälen ermöglichen, sowie Detektionselektroden, die bevorzugt zwischen 40 mm und 0,1 μm vor der Abzweigung positioniert sind.The electrodes which are required for the discharge device according to the invention are transport electrodes which are located at the ends of the branched channels and enable the potential to be switched between the two channels, and detection electrodes which are preferably between 40 mm and 0.1 μm before the branch are positioned.
Zur Integration der Elektroden in das Analysensystem bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung, werden die Elektroden bevorzugt an einem Bauteil des Systems, dem Deckel angebracht. Sie müssen dazu eine hinreichende Haftfestigkeit auf dem Kunststoffbauteil aufweisen. Dies ist sowohl für das Zusammenfügen der einzelnen Bauteile als auch für den späteren Einsatz der Analysensysteme von Bedeutung. Werden bei der Verbindung der Bauteile z.B. Klebstoffe eingesetzt, darf der Klebstoff die Elektrode nicht von der Kunststoffoberfläche ablösen. Weiterhin sollten die Elektroden aus chemisch inerten Materialien, wie z.B. Edelmetallen (Platin, Gold) bestehen.To integrate the electrodes into the analysis system or the device according to the invention, the electrodes are preferably attached to a component of the system, the cover. To do this, they must have sufficient adhesive strength on the plastic component. This is important for the assembly of the individual components as well as for the later use of the analysis systems. If, for example, If adhesives are used, the adhesive must not detach the electrode from the plastic surface. Furthermore, the electrodes should be made of chemically inert materials such as e.g. Precious metals (platinum, gold) exist.
Die Metallisierung von Kunststoff Oberflächen erfolgt typischerweise durch elektrochemisches Abscheiden von Metallen aus Metallsalzlösungen.Plastic surfaces are typically metallized by electrochemical deposition of metals from metal salt solutions.
Hierfür ist es allgemein üblich, in einem mehrstufigen Prozeß zunächst die Kunststoffoberfläche chemisch oder mechanisch vorzubehandeln, einen diskontinuierlichen Primer aufzubringen und abschließend die elektrochemische Abscheidung durchzuführen. Beschreibungen dieser Metallisierungstechniken finden sich z.B. in US 4,590,115, EP 0 414 097, EP 0 417 037 und bei Wolf und Gieseke (G.D. Wolf, H. Gieseke, „Neues Verfahren zur ganzflächigen und partiellen Metallisierung von Kunst- Stoffen," Galvanotechnik 84, 2218-2226, 1993). Den naßchemischen Verfahren gemeinsam ist, daß relativ aufwendige Vorbehandlungsprozesse notwendig sind, um ausreichende Haftfestigkeiten zu erreichen.For this purpose, it is common practice to first pretreat the plastic surface chemically or mechanically in a multi-stage process, to apply a discontinuous primer and finally to carry out the electrochemical deposition. Descriptions of these metallization techniques can be found, for example, in US Pat. No. 4,590,115, EP 0 414 097, EP 0 417 037 and in Wolf and Gieseke (DG Wolf, H. Gieseke, "New Process for All-Over and Partial Metallization of Art Stoffen, "Galvanotechnik 84, 2218-2226, 1993). Common to the wet chemical processes is that relatively complex pretreatment processes are necessary in order to achieve sufficient adhesive strengths.
In DE 196 02 659 wird das haftfeste Aufbringen von Kupfer auf mehrphasige Polymermischungen mittels Aufdampfen oder Sputtern beschrieben. Als Ursache der guten Haftung wird die Zusammensetzung der Polymermischungen genannt. Demnach müssen die Mischungen Polyarylensulfide, Polyimide oder einen aromatischen Polyester enthalten.DE 196 02 659 describes the adherent application of copper to multiphase polymer mixtures by means of vapor deposition or sputtering. The composition of the polymer mixtures is mentioned as the cause of the good adhesion. Accordingly, the mixtures must contain polyarylene sulfides, polyimides or an aromatic polyester.
Der Einfluß von Plasmavorbehandlungen zur Erzielung besserer Hafteigenschaften von Metallen auf Kunststoffoberflächen wird von Friedrich (J. Friedrich, „Plasmabehandlung von Polymeren", kleben & dichten 41 , 28-33, 1997) am Beispiel verschiedener kommerziell erhältlicher Thermoplaste zusammengefaßt.The influence of plasma pretreatments to achieve better adhesive properties of metals on plastic surfaces is summarized by Friedrich (J. Friedrich, "Plasma treatment of polymers", kleben & dichten 41, 28-33, 1997) using the example of various commercially available thermoplastics.
Besonders bevorzugt werden die Elektrodenstrukturen auf den Kunststoffbauteilen mittels einer Zwei-Schicht-Technik erzeugt. Dazu wird zunächst eine haftvermittelnde Schicht aus Chromoxid erzeugt. Im Gegensatz zu Edelmetallen zeigt Chromoxid hervorragende Hafteigenschaften auf Kunststoffoberflächen. Zudem ist Chromoxid im Gegensatz zu elementarem Chrom und anderen Übergangsmetallen wesentlich beständiger gegenüber Redoxprozessen. Auf die Haftschicht aus Chromoxid wird dann das Edelmetall, wie beispielsweise Platin oder dessen Legierungen oder Gold, aufgetragen.The electrode structures on the plastic components are particularly preferably produced by means of a two-layer technique. For this purpose, an adhesion-promoting layer made of chromium oxide is first created. In contrast to precious metals, chromium oxide shows excellent adhesive properties on plastic surfaces. In addition, unlike elemental chromium and other transition metals, chromium oxide is much more resistant to redox processes. The noble metal, such as platinum or its alloys or gold, is then applied to the chromium oxide adhesive layer.
Das selektive Aufbringen von Chromoxid und der darauf abzuscheidenden Edelmetallschicht auf Kunststoffsubstraten erfolgt bevorzugt im lift-off- Verfahren oder mittels der Schattenmaskentechnik oder der Strukturierung von zunächst ganzflächig aufgebrachten metallischen Schichten. Diese Verfahrenstechniken sind Standardprozesse der Mikrostrukturtechnik. Im folgenden werden die für die Zwei-Schicht-Technik erforderlichen Arbeitsschritte für die genannten Verfahren kurz beschrieben.The selective application of chromium oxide and the noble metal layer to be deposited thereon is preferably carried out on plastic substrates using the lift-off method or by means of the shadow mask technique or the structuring of metallic layers initially applied over the entire surface. These process technologies are standard processes in microstructure technology. in the In the following, the work steps required for the two-layer technique for the mentioned processes are briefly described.
Lift-off-Verfahren: Das selektiv zu metallisierende Kunststoffbauteil wird mit einem Photolack beschichtet. Dieser Photolack darf dabei das zu metallisierende Kunststoffteil nicht bzw. nur leicht anlösen. Für PMMA hat sich z.B. ein Photolack der Firma Allresist, Berlin (AR 5300/8) als geeignet erwiesen. Nach Belichtung und Entwicklung der zu metallisierenden Strukturen erfolgt das Aufbringen der metallischen Schichten in einer Sputteranlage. Das Aufbringen der Chromoxidschicht erfolgt während des Sputterprozesses durch das Einleiten von Sauerstoff in das typischerweise verwendete Argon-Plasma der Sputteranlage. Als Sputtertarget wird ein konventionelles Chrom-Target verwendet. Typische Chromoxid- Schichtdicken sind 10-50 nm. Alternativ kann direkt ein Chromoxid-Target eingesetzt werden. Das Sputtern von Platin bzw. dessen Legierungen oder von Gold wird direkt anschließend unter Standardbedingungen, d.h. im Argon-Plasma, durchgeführt. Als vorteilhaft für die Haftfestigkeit der Chromoxidschicht hat sich außerdem ein vor dem Sputtern des Chromoxids durchgeführtes Rücksputtem des Kunststoffs in einem Sauerstoff/Argon (ca. 5 Vol% / 95 Vol%) Plasma erwiesen. In dem eigentlichen lift-off-Prozeß wird der noch vorhandene Photolack und mit diesem die auf dem Lack befindliche Metallschicht in einem Entwickler der Firma Allresist (AR 300-26) von dem Kunststoffbauteil abgelöst.Lift-off process: The plastic component to be selectively metallized is coated with a photoresist. This photoresist must not or only slightly dissolve the plastic part to be metallized. For PMMA e.g. a photoresist from Allresist, Berlin (AR 5300/8) has proven to be suitable. After exposure and development of the structures to be metallized, the metallic layers are applied in a sputtering system. The chromium oxide layer is applied during the sputtering process by introducing oxygen into the typically used argon plasma of the sputtering system. A conventional chrome target is used as the sputtering target. Typical chromium oxide layer thicknesses are 10-50 nm. Alternatively, a chromium oxide target can be used directly. The sputtering of platinum or its alloys or of gold is carried out immediately afterwards under standard conditions, i.e. in argon plasma. It has also proven to be advantageous for the adhesive strength of the chromium oxide layer to have the plastic sputtered back in an oxygen / argon (approx. 5 vol% / 95 vol%) plasma before the chromium oxide is sputtered. In the actual lift-off process, the still existing photoresist and with it the metal layer on the lacquer are detached from the plastic component in a developer from Allresist (AR 300-26).
Schattenmaskentechnik: Das selektiv zu metallisierende Kunststoffteil wird mit einer sogenannten Schattenmaske abgedeckt. Diese hat an den zu metallisierenden Bereichen Aussparungen. Durch diese hindurch werden die Metallschichten in Analogie zum lift-off-Verfahren aufgespürter!Shadow mask technique: The plastic part to be selectively metallized is covered with a so-called shadow mask. This has cutouts in the areas to be metallized. Through this, the metal layers are tracked down in analogy to the lift-off process!
Strukturierung flächiger metallischer Schichten: Auf einem selektiv zu metallisierenden Kunststoffteil wird zunächst ganzflächig eine Metallschicht in Analogie zum bereits beschriebenen Sputterprozeß aufgebracht. Diese wird in nachfolgenden Prozeßschritten, entweder durch selektiven Abtrag mittels z.B. Laserablation (Gold und Platin) oder z.B. durch selektives naßchemisches Ätzen, strukturiert. Zur Strukturierung mittels naßchemischem Ätzen wird auf die Metallschicht zunächst ein Photolack (Hoechst AG, Deutschland; AZ 5214) aufgebracht, belichtet und entwickelt. Gold wird dann in Cyanid-Lösung in den belichteten Bereichen abgelöst. Die elektrisch nicht leitende Chromoxid-Schicht bleibt zurück. Abschließend wird der verbliebene Photolack mit einem Entwickler (z.B. AR 300-26, Fa. Allresist, Berlin) abgelöst.Structuring of flat metallic layers: A metal layer is first applied to the entire surface of a plastic part that is to be selectively metallized, analogously to the sputtering process already described. This is structured in subsequent process steps, either by selective ablation using, for example, laser ablation (gold and platinum) or, for example, by selective wet-chemical etching. For structuring by means of wet chemical etching, a photoresist (Hoechst AG, Germany; AZ 5214) is first applied, exposed and developed on the metal layer. Gold is then stripped off in cyanide solution in the exposed areas. The electrically non-conductive chromium oxide layer remains. Finally, the remaining photoresist is removed with a developer (eg AR 300-26, Allresist, Berlin).
Die Haftfestigkeit von mit Chrom als auch mit Chromoxid als Haftschicht mittels Sputtertechnik hergestellten Elektroden wurde mit Hilfe von Abreißtests überprüft. Die Haftfestigkeit der Chromoxidschichten ist deutlich größer. Auch bei Ultraschallbehandlung in alkalischer Lösung sind die Metallschichten, welche mit Chromoxid als Haftschicht hergestellt wurden, verglichen mit Metallschichten, die mit Chrom als Haftschicht hergestellt wurden, deutlich beständiger.The adhesive strength of electrodes produced with chromium as well as with chromium oxide as an adhesive layer using sputter technology was checked with the aid of tear tests. The adhesive strength of the chrome oxide layers is significantly greater. Even in the case of ultrasound treatment in alkaline solution, the metal layers which have been produced using chromium oxide as the adhesive layer are significantly more stable compared to metal layers which have been produced using chromium as the adhesive layer.
Nach Produktion und Vorbereitung der einzelnen Bauteile werden diese nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengefügt. Bevorzugterweise ist ein Bauteil, das Substrat, mikrostrukturiert und mit rückseitigen Bohrungen bzw. Aussparungen zum Befüllen der Kanäle und/oder Kontaktieren der Elektroden versehen. Desweiteren hat sich auch die Verwendung einer sogenannten Dichtlippe, d.h. einer die Kanalstrukturen vollständig umschließenden Erhebung auf den Substraten mit Höhen zwischen typischerweise 0,5 bis 5 μm, hinsichtlich des Verklebeprozesses als sehr vorteilhaft erwiesen. Das andere Bauteil, der Deckel, dient zur Abdeckung und ist z.B. bei elektrophoretischen Analysensystemen mit den Elektroden versehen. In diesem Fall wird der Deckel erfindungsgemäß als Elektrodendeckel bezeichnet. Für bestimmte Anwendungen können dieAfter production and preparation of the individual components, these are assembled using the method according to the invention. A component, the substrate, is preferably microstructured and provided with bores or cutouts on the back for filling the channels and / or contacting the electrodes. Furthermore, the use of a so-called sealing lip, i.e. an elevation completely surrounding the channel structures on the substrates with heights between typically 0.5 to 5 μm, has proven to be very advantageous with regard to the bonding process. The other component, the lid, is used for covering and is e.g. with electrodes in electrophoretic analysis systems. In this case, the lid is referred to as an electrode lid according to the invention. For certain applications, the
Analysensysteme eine von dieser bevorzugten Anordnung abweichende Funktionalisierung der Bauteile erfordern. In diesem Fall können beispielsweise mehr als zwei Bauteile, z.B. zwei Deckel und ein Substrat etc, zusammengefügt werden, um übereinander liegende Kanalstrukturen zu erzeugen, oder weitere Funktionalitäten, wie Detektionssysteme, Reaktionskammern etc., in die Bauteile integriert werden. Erfindungsgemäß werden alle Teile der Durchflußeinheit des Analysensystems, die mittels eines Bondingverfahrens zusammengefügt werden, als Bauteile bezeichnet. Sie können mikrostrukturiert sein, mit Elektroden versehen sein oder andere Funktionalitäten aufweisen. Eine Unterteilung der Bauteile in Substrate und Deckel oder auch Elektrodendeckel, falls das entsprechende Bauteil mit Elektroden versehen ist, dient lediglich der näherenAnalysis systems require a functionalization of the components that deviates from this preferred arrangement. In this case, you can For example, more than two components, for example two lids and a substrate, etc., are joined together to produce superimposed channel structures, or further functionalities, such as detection systems, reaction chambers, etc., are integrated into the components. According to the invention, all parts of the flow unit of the analysis system that are joined together by means of a bonding method are referred to as components. They can be microstructured, provided with electrodes or have other functionalities. A subdivision of the components into substrates and cover or also electrode cover, if the corresponding component is provided with electrodes, only serves the closer
Beschreibung der Ausführungsform der speziellen Bauteile und stellt keine Einschränkung bezüglich weiterer Eigenschaften der Bauteile, wie Mikrostrukturierung etc., oder deren Kombination untereinander dar.Description of the embodiment of the special components and does not constitute a restriction with regard to further properties of the components, such as microstructuring etc., or their combination with one another.
Das Zusammenfügen der Bauteile erfolgt erfindungsgemäß mit hoher Präzision. Der Klebstoff darf nicht in die Kanäle hineinlaufen und deren Oberfläche bedecken, da dies die Oberflächeneigenschaften der Kanäle verändern kann. Es wurde gefunden, daß dies beispielsweise zu verstärkter Adhäsion von Analyten, wie z.B. Proteinen, an den Kanalbereichen führt, die mit Klebstoff benetzt sind. Dies wiederum beeinflußt die Trennqualität der Analysensysteme. Genauso beeinträchtigt das Verkleben der Elektroden mit Klebstoff deren Funktionsfähigkeit.The assembly of the components takes place according to the invention with high precision. The adhesive must not run into the channels and cover their surface, as this can change the surface properties of the channels. It has been found that this leads, for example, to increased adhesion of analytes, e.g. Proteins, leads to the channel areas that are wetted with adhesive. This in turn affects the separation quality of the analysis systems. Likewise, gluing the electrodes with adhesive affects their functionality.
Weiterhin ist es von großer Bedeutung, daß das Volumen der Kanäle nicht verändert wird, wie dies beispielsweise durch das unkontrollierte Einfließen von Klebstoff geschehen würde. Erfindungsgemäß wird der Kanal zur Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit bevorzugt in der Umgebung der Detektionselektroden verengt. Dadurch ist es gerade in diesen Bereichen wichtig, daß kein Klebstoff in den Kanal gelangt.It is also of great importance that the volume of the channels is not changed, as would be the case, for example, due to the uncontrolled inflow of adhesive. According to the invention, the channel for improving the detection sensitivity is preferably narrowed in the vicinity of the detection electrodes. It is important in these areas that no glue gets into the channel.
Zum Zusammenfügen der Bauteile wird erfindungsgemäß bevorzugt zunächst auf das mikrostrukturierte Bauteil an den Stellen, an denen keine 00/77508 . 14 . PCT/EP0O/O52O5To assemble the components, it is preferred according to the invention firstly to the microstructured component at the locations where none 00/77508. 14. PCT / EP0O / O52O5
Strukturierung vorliegt, ein Klebstoff aufgebracht. Die Schichtdicke beträgt zwischen 0,5 und 10 μm, bevorzugt zwischen 3 und 8 μm. Typischerweise erfolgt die Auftragung mittels einem aus der Drucktechnik bekannten flächigen Walzenautrag.Structuring is present, an adhesive is applied. The layer thickness is between 0.5 and 10 μm, preferably between 3 and 8 μm. Typically, the application takes place by means of a flat roller application known from printing technology.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird hierzu über eine strukturierte metallische Rasterwalze, die ein definiertes Volumen an Klebstoff aufnimmt, ein dünner Klebstofffilm auf eine zweite nicht strukturierte Walze, die mit einem Polymer beschichtet ist, aufgetragen. Von dieser wiederum erfolgt der Auftrag direkt auf das strukturierte Substrat in der Weise, daß sich bevorzugt eine Klebstoffdicke zwischen 3 und 8 μm auf der nicht strukturierten Oberfläche des Substrates ergibt. Je nach verwendetem Kunststoff (Substratmaterial) wird der Übertrag zwischen der Kunststoffwalze und dem Substrat durch eine eventuelle Viskositätssteigerung des Klebstoffes (Vorpolymerisation) beeinflußt. Ein bedeutender Vorteil dieses Verfahrens ist, daß das Substrat relativ zu der den Klebstoff auftragenden Walze nicht positioniert werden muß und trotzdem Klebstoff ausschließlich nur in den nicht strukturierten Bereichen des Substrates aufgebracht ist. Wird zuviel Klebstoff aufgetragen, wird beim Zusammenpressen von Deckel und Substrat Klebstoff in den Kanal einfließen. Ist partiell unzureichend Klebstoff aufgetragen worden, resultieren Undichtigkeiten der Kanalstruktur. Dieses Verbindungsverfahren erfordert eine Ebenheit der Bauteile von bevorzugt kleiner ca. 5 //m/cm Bauteillänge.In a preferred embodiment, a thin film of adhesive is applied to a second unstructured roller, which is coated with a polymer, by means of a structured metallic anilox roller which holds a defined volume of adhesive. This in turn is applied directly to the structured substrate in such a way that there is preferably an adhesive thickness between 3 and 8 μm on the unstructured surface of the substrate. Depending on the plastic used (substrate material), the transfer between the plastic roller and the substrate is influenced by a possible increase in the viscosity of the adhesive (prepolymerization). An important advantage of this method is that the substrate does not have to be positioned relative to the roller applying the adhesive, and nevertheless adhesive is only applied in the non-structured areas of the substrate. If too much adhesive is applied, adhesive will flow into the channel when the lid and substrate are pressed together. If insufficient adhesive has been applied in some areas, the channel structure will leak. This connection method requires a flatness of the components of preferably less than approx. 5 // m / cm component length.
Der verwendete Klebstoff darf die Oberfläche der Bauteile nicht oder nur sehr schwach anlösen, damit die Elektroden beim Verklebungsprozeß nicht vom Klebstoff abgelöst oder unterbrochen werden. Bevorzugterweise wird daher als Klebstoff das Produkt NOA 72, Thiolacrylat der Firma Norland, New Brunswick NJ, USA verwendet. Dieser Kleber wird photochemisch ausgehärtet. Es können jedoch für das Verfahren auch andere Arten von Klebern, wie z.B. thermisch härtende Kleber, verwendet werden, die die oben genannten Voraussetzungen erfüllen. Nach dem Aufbringen des Klebstoffs wird das zweite Bauteil mit den Dünnschichtelektroden beispielsweise auf einer Belichtungsmaschine zu dem Substrat geeignet positioniert und aufgepreßt. Hierzu wird bevorzugt das Substrat mit dem aufgebrachten Klebstoff in der Belichtungsmaschine in der sonst für Silizium-Wafer vorgesehenen Position fixiert. Bevorzugt ist die Verwendung von starken Glasplatten als Preßfläche, da so direkt die Positionierung und die photochemische Härtung des Klebers durch Bestrahlung mit einer Hg-Lampe (Emissionswellenlänge 366 nm) durchgeführt werden kann. Der Elektrodendeckel wird in der für die Belichtungsmaske vorgesehenen Position fixiert, indem er mit einer Glasplatte eingefrästen Vakuumvorrichtung gehalten wird. Da sowohl der Elektrodendeckel als auch die zur Halterung des Deckels verwendete Glasplatte transparent sind, kann durch diese Anordnung hindurch der Deckel bezüglich des Substrates justiert werden. Falls der Deckel über das Substrat hinausragt, kann dieser auch mechanisch gehalten werden.The adhesive used must not or only very slightly dissolve the surface of the components so that the electrodes are not detached or interrupted by the adhesive during the bonding process. The product NOA 72, thiol acrylate from Norland, New Brunswick, NJ, USA is therefore preferably used as the adhesive. This adhesive is cured photochemically. However, other types of adhesives, such as, for example, thermosetting adhesives, which meet the above-mentioned requirements can also be used for the method. After the adhesive has been applied, the second component with the thin-film electrodes is suitably positioned and pressed onto the substrate, for example on an exposure machine. For this purpose, the substrate with the applied adhesive is preferably fixed in the exposure machine in the position otherwise provided for silicon wafers. The use of strong glass plates as the pressing surface is preferred since the positioning and the photochemical curing of the adhesive can be carried out directly by irradiation with an Hg lamp (emission wavelength 366 nm). The electrode cover is fixed in the position provided for the exposure mask by holding it with a vacuum device milled into a glass plate. Since both the electrode cover and the glass plate used to hold the cover are transparent, the cover can be adjusted with respect to the substrate through this arrangement. If the cover extends beyond the substrate, it can also be held mechanically.
Die Positionierung des Deckels auf dem Substrat kann für den Klebevorgang typischerweise neben einer optisch mechanischen Justage unter Zuhilfenahme von optischen Justagemarken auch passiv mechanisch mit Hilfe einer Einrastvorrichtung, optisch mechanisch ohne besondere Justagemarken oder elektrisch mechanisch mit Hilfe von elektrischen Marken (Kontakten) erfolgen.The positioning of the lid on the substrate can typically take place in addition to an optical mechanical adjustment with the aid of optical adjustment marks, also passively mechanically with the aid of a snap-in device, optically mechanically without special adjustment marks or electrically mechanically with the aid of electrical marks (contacts).
Es wurde gefunden, daß die bevorzugten optischen metallischenThe preferred optical metallic ones have been found
Justagemarken auf dem Deckel in demselben Prozeßschritt wie die Elektroden aufgebracht, d.h. bevorzugt aufgesputtert, werden können, d.h. es ist kein Mehraufwand notwendig. Auch die entsprechenden Gegenstrukturen auf dem Substrat erfordern keine zusätzliche Prozessierung, da diese gemeinsam mit den Kanalstrukturen in einemAdjustment marks applied to the lid in the same process step as the electrodes, i.e. preferably sputtered on, i.e. no additional effort is necessary. The corresponding counter structures on the substrate do not require any additional processing, since these are combined with the channel structures in one
Abformschritt in das Substrat eingebracht werden. Für die optisch mechanische Justage muß zumindest ein Bauteil aus einem transparenten Kunststoff bestehen. Mit Hilfe der erfindungsgemäß aufgebrachten Justagemarken werden die beiden Bauteile mit einer Genauigkeit von mindestens ± 10 μm, typischerweise sogar ± 2 μm (z.B. Soll- zu Ist-Position der Detektorelektrode) zueinander positioniert und zusammengepreßt. Die hohe Positioniergenauigkeit unterstützt die Realisierung reproduzierbarerImpression step can be introduced into the substrate. For the optical mechanical adjustment, at least one component must be made of a transparent one Plastic. With the aid of the alignment marks applied according to the invention, the two components are positioned with one another and pressed together with an accuracy of at least ± 10 μm, typically even ± 2 μm (for example the target position to the actual position of the detector electrode). The high positioning accuracy supports the realization of reproducible
Analyseergebnisse. Nun wird mit einer UV-Lampe der Klebstoff polymerisiert. Nach dem Abschalten des Vakuums für die Deckelhalterung bzw. Lösen der mechanischen Fixierung wird die Durchflußeinheit aus der Belichtungsmaschine entnommen.Analysis results. Now the adhesive is polymerized with a UV lamp. After switching off the vacuum for the lid holder or loosening the mechanical fixation, the flow unit is removed from the exposure machine.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein Bauteil mittels eines in der Drucktechnik bekannten Verfahren (Tampon-Druck) mit Klebstoff versehen. Das mit den Elektroden versehene Bauteil wird dazu auf den Bereichen, die beim Zusammensetzen der beiden Bauteile nicht über einem Kanal liegen oder elektrisch kontaktiert werden müssen mit dem Kleber benetzt. Mikrostrukturierte Bauteile werden so benetzt, daß kein Klebstoff in die Kanalstruktur oder sonstige Aussparungen gelangt. Bei dem Tampon-Druck handelt es sich um einen strukturierten Kleberauftrag. In einer Negativform des Substrates wird Klebstoff bevorratet. Durch ein typischerweise Silikonkissen wird dieser Klebstoff strukturiert aufgenommen und z.B. auf den Deckel so aufgebracht, daß die Bereiche, die später eine Wand eines Fluidikkanals bilden, nicht mit Klebstoff benetzt werden. Das Bauteil mit den Kanalstrukturen wird anschließend, wie bereits beschrieben, geeignet zu seinem Gegenstück positioniert und aufgepreßt. Die Aushärtung erfolgt wie oben beschrieben.In another preferred embodiment, a component is provided with adhesive by means of a process known in printing technology (pad printing). For this purpose, the component provided with the electrodes is wetted with the adhesive on the areas which do not lie over a channel when the two components are assembled or which need to be electrically contacted. Microstructured components are wetted so that no adhesive gets into the channel structure or other recesses. The pad printing is a structured adhesive application. Adhesive is stored in a negative form of the substrate. This adhesive is absorbed in a structured manner by a typically silicone cushion and e.g. applied to the cover so that the areas that later form a wall of a fluidic channel are not wetted with adhesive. The component with the channel structures is then, as already described, suitably positioned and pressed onto its counterpart. The curing takes place as described above.
Auch ein strukturierter Kleberauftrag mittels Sprühtechniken (z.B. microdrop-Verfahren) oder unter Verwendung der Siebdrucktechnik ist möglich, sofern die laterale Auflösung des Kleberauftrags ausreicht.A structured adhesive application using spray techniques (e.g. microdrop process) or using the screen printing technique is also possible, provided that the lateral dissolution of the adhesive application is sufficient.
Unter Aufpressen des zweiten Bauteils bzw. Zusammenpressen der Bauteile ist erfindungsgemäß zu verstehen, daß die Bauteile geeignet miteinander in Kontakt gebracht werden. Um nach der Aushärtung eine dauerhafte Verbindung der Bauteile zu erzielen, ist es zumeist nicht notwendig, eine große Kraft auszuüben, d.h. die Bauteile sehr stark aufeinander zu pressen.According to the invention, pressing the second component or pressing the components together means that the components are suitable be brought into contact with each other. In order to achieve a permanent connection of the components after curing, it is usually not necessary to exert a large force, that is to say to press the components very strongly together.
Wird der Aushärteprozeß des Klebers außerhalb der zur Positionierung von Deckel und Substrat verwendeten Justagevorrichtung durchgeführt, können der metallisierte Deckel und das Substrat, nachdem sie zueinander justiert wurden, mittels Laserschweißen zunächst geheftet werden. Hiernach wird der Verbund aus der Justagevorrichtung genommen und in einer separaten Belichtungsappartur oder einem Ofen wird der verwendete Klebstoff ausgehärtet. Diese Vorgehensweise bedeutet eine Prozeßbeschleunigung und Vereinfachung, da das Aushärten nicht mehr in der Justagevorrichtung erfolgen muß.If the curing process of the adhesive is carried out outside of the adjustment device used for positioning the lid and substrate, the metallized lid and the substrate, after they have been adjusted to one another, can first be tacked by means of laser welding. The composite is then removed from the adjustment device and the adhesive used is cured in a separate exposure apparatus or an oven. This procedure means process acceleration and simplification, since curing no longer has to take place in the adjustment device.
Da die bevorzugterweise verwendeten thermoplastischen Materialien für Laserlicht im sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich weitestgehend transparent sind, erfordert das Laserschweißen in diesem Wellenlängenbereich eine Absorberschicht zum Absorbieren der optischen Leistung an der Grenzfläche zwischen Deckel und Substrat. DieseSince the thermoplastic materials which are preferably used are largely transparent to laser light in the visible and near-infrared wavelength range, laser welding in this wavelength range requires an absorber layer for absorbing the optical power at the interface between the cover and the substrate. This
Absorberschicht wird gleichzeitig mit dem Aufbringen der Leistungs- bzw. Detektorelektroden aufgebracht. Beispielsweise kann der Elektrodendeckel beim Besputtern der Elektroden mit Edelmetall zusätzlich an weiteren Stellen mit einer Edeimetallschicht als Absorberschicht besputtert werden.The absorber layer is applied simultaneously with the application of the power or detector electrodes. For example, when the electrodes are sputtered with noble metal, the electrode cover can additionally be sputtered with an Edei metal layer as an absorber layer at other points.
Das Verschweißen eines mit 200 nm dicken Platin-Elektroden versehenen Elektrodendeckels, der somit auch zusätzliche Platin-Flächen zum Absorbieren der Laserleistung beinhaltet, mit einem Substrat (Basismaterial PMMA) erfolgt mit Diodenlaserstrahlung (Wellenlängengemisch aus 808, 940 und 980 nm) mit einer Leistung von 40 Watt bei einem Fokusdurchmesser von 1 ,6 mm. Die Platin-Schicht wird beim Verschweißen zerstört. Alternativ ist auch die Verwendung eines z.B. mit Rußpartikeln gefüllten Substrates oder Deckels als Absorber möglich. Diese letztgenannte Vorgehensweise, hat aber zum Nachteil, daß dann mindestens eine Kanalwand aus einem anderen Material besteht. Auch die Möglichkeiten, optische Leistung für optische Detektionszwecke in den Kanal ein- oder auszukoppeln, werden dadurch eingeschränkt.The welding of an electrode cover provided with 200 nm thick platinum electrodes, which therefore also includes additional platinum surfaces for absorbing the laser power, to a substrate (PMMA base material) is carried out using diode laser radiation (wavelength mixture of 808, 940 and 980 nm) with a power of 40 watts with a focus diameter of 1.6 mm. The platinum layer is destroyed during welding. Alternatively, the use of a substrate or cover filled with soot particles, for example, is also possible as an absorber. This latter procedure has the disadvantage that at least one channel wall is made of a different material. This also limits the possibilities of coupling optical power into or out of the channel for optical detection purposes.
Die Kontaktierung der Transport- und Detektionselektroden sowie die automatische Regelung und das Umschalten des elektrischen Flusses erfolgen nach dem Fachmann bekannten Methoden.The contacting of the transport and detection electrodes as well as the automatic control and the switching of the electric flow take place according to methods known to the person skilled in the art.
Auf diese Weise können Transport- und Detektionselektroden derart in die mikrostrukturierten Analysensysteme integriert werden, daß eine oder mehrere erfindungsgemäße Ausschleusevorrichtungen erzeugt werden.In this way, transport and detection electrodes can be integrated into the microstructured analysis systems in such a way that one or more discharge devices according to the invention are produced.
Die Integration der Ausschleusevorrichtungen erfordert weder zusätzlichen Aufwand noch wird die Qualität (Stabilität, Größe etc.) der Analysensysteme beeinflußt.The integration of the discharge devices does not require any additional effort nor is the quality (stability, size, etc.) of the analysis systems influenced.
Somit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine wichtige zusätzliche Funktionalität für planare mikrostrukurierte Analysensysteme dar. Sie ermöglicht erstmals das Design multifunktioneller mikrostrukturierter Analysensysteme bzw. Durchflußeinheiten für Analysensysteme. Die Systeme sind nicht nur in der Lage, Proben aufzutrennen, sie können vielmehr Proben trennen, identifizieren und selektieren, ohne daß die Probe das Analysensystem verläßt. Dies eröffnet auch die Möglichkeit, lediglich bestimmte Probenbestandteile nach der Ausschleusung aus dem Analysensystem auszuführen, oder diese im System weiteren Derivatisierungs- oder Analyseschritten zu unterwerfen.The device according to the invention thus represents an important additional functionality for planar microstructured analysis systems. For the first time, it enables the design of multifunctional microstructured analysis systems or flow units for analysis systems. The systems are not only able to separate samples, they can also separate, identify and select samples without the sample leaving the analysis system. This also opens up the possibility of only executing certain sample components after being removed from the analysis system, or of subjecting them to further derivatization or analysis steps in the system.
Durch die beschriebenen Herstellverfahren der Elektroden und Bondingverfahren können erstmals geschlossenen Mikrokanalstrukturen 0/77508 . -j g . PCT/EP00/05205Closed microchannel structures can be achieved for the first time through the described manufacturing processes of the electrodes and bonding processes 0/77508. -jg. PCT / EP00 / 05205
erzeugt werden, in denen Elektroden an beliebigen Stellen innerhalb der Kanäle positioniert werden können. Strukturierte Bauteile (Substrate) können flüssigkeits- und gasdicht mit beispielsweise Elektrodendeckeln versehen werden. Durch die Verwendung zumeist kommerziell erhältlicher Kunststoffe und einfacher Verarbeitungsschritte können derartigeare generated in which electrodes can be positioned anywhere within the channels. Structured components (substrates) can be provided in a liquid-tight and gas-tight manner, for example with electrode covers. By using mostly commercially available plastics and simple processing steps, such
Analysensysteme kostengünstig und in großen Zahlen produziert werden. Durch das spezielle Verfahren zum Zusammenfügen bzw. Bonden, werden die Bauteile so mit Klebstoff benetzt, daß nach dem Zusammenfügen kein Klebstoff in das Innere des Kanalsystems, d.h. in die Kanäle, die Wände oder auf in das Kanalsystem ragende Elektroden oder sonstige Vorrichtungen gelangt. Dadurch wird die Trennqualität und Analyseempfindlichkeit der Systeme verbessert. Sie erfüllen alle Anforderungen, die an ein variabel einsetzbares, genau arbeitendes Analysensystem gestellt werden müssen: • Sie zeigen hohe Dimensions- und Volumenstabilität der Kanäle.Analysis systems can be produced inexpensively and in large numbers. Due to the special procedure for joining or bonding, the components are wetted with adhesive in such a way that after joining, no adhesive enters the interior of the duct system, i.e. gets into the channels, the walls or electrodes or other devices protruding into the channel system. This improves the separation quality and analysis sensitivity of the systems. They meet all the requirements that must be placed on a variably usable, precisely working analysis system: • They show high dimensional and volume stability of the channels.
• Durch die Festigkeit der Klebeverbindungen sind sie im Inneren der• Due to the strength of the adhesive connections, they are inside the
Kanäle druckstabil.Channels pressure stable.
• Es besteht eine große Variabilität bezüglich der verwendbaren• There is great variability in what can be used
Kunststoffe. • Es können chemisch inerte Materialien für Bauteile und Elektroden verwendet werden.Plastics. • Chemically inert materials can be used for components and electrodes.
• Alle vier Kanalwände bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material.• All four channel walls are preferably made of the same material.
• Die Elektroden sind auf ±10 μm genau an beliebigen Stellen der Kanäle positionierbar.• The electrodes can be positioned at any point on the channels with an accuracy of ± 10 μm.
• Die Kontaktflächen der Elektroden sind frei von Verunreinigungen durch• The contact surfaces of the electrodes are free from contamination
Klebstoff.Adhesive.
• Die Elektroden können leicht angeschlossen werden.• The electrodes can be easily connected.
• Die Systeme zeigen geringen Innenwiderstand und erlauben potentiell hohe Stromdichten. Abbildung 2 veranschaulicht das Ausschleusen einer Substanz mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es werden drei verschiedene Stadien des Ausschleusens in den Bildern A, B und C gezeigt. Die schematisierte Ausschleusungsvorrichtung besteht aus einem Y-verzweigten Kanalsystem mit den Transportelektroden 1 , 2 und 3 an den Enden der Kanäle. Das• The systems show low internal resistance and allow potentially high current densities. Figure 2 illustrates the discharge of a substance using the device according to the invention. Three different stages of discharge are shown in pictures A, B and C. The schematic discharge device consists of a Y-branched channel system with the transport electrodes 1, 2 and 3 at the ends of the channels. The
Kanalstück zwischen Elektrode 1 und 2 dient als Trennkanal, der zu Elektrode 3 abzweigende Kanal ist der Ausschleusungskanal. Kurz vor Abzweigung des Ausschleusungskanals befindet sich im Trennkanal eine Detektorelektrode 4. In Bild A wandern die zu trennenden Substanzen 5 und 6 aufgrund eines Potentials zwischen den Elektroden 1 und 2 entlang des Trennkanals. Bild B zeigt den Moment, in dem die gesuchte Substanz 5 die Detektorelektrode passiert. Das detektierte Signal, beispielsweise die spezifische relative Leitfähigkeit, bewirkt ein Umschalten des Potentials, so daß nun ein Potential zwischen Elektrode 1 und 3 besteht. Dadurch wandert, wie in Bild C gezeigt, Substanz 5 in den Ausschleusekanal und wird so von Substanz 6, die sich im Trennkanal befindet, separiert. Nachdem Substanz 5 den Detektorbereich passiert hat und in den Ausschleusungskanal gewandert ist, kann das Potential erneut umgeschaltet werden, damit keine weiteren Substanzen in den Ausschleusungskanal gelangen.Channel section between electrodes 1 and 2 serves as a separation channel, the channel branching off to electrode 3 is the discharge channel. Shortly before the discharge channel branches off, there is a detector electrode 4 in the separation channel. In Figure A, substances 5 and 6 to be separated migrate along the separation channel due to a potential between electrodes 1 and 2. Image B shows the moment in which the substance 5 being sought passes the detector electrode. The detected signal, for example the specific relative conductivity, causes the potential to be switched so that there is now a potential between electrodes 1 and 3. As a result, as shown in Figure C, substance 5 migrates into the discharge channel and is thus separated from substance 6, which is located in the separation channel. After substance 5 has passed the detector area and migrated into the discharge channel, the potential can be switched over again so that no further substances get into the discharge channel.
Abbildung 3 zeigt schematisch ein Beispiel eines miniaturisierten planaren Analysensystems mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung zum Ausschleusen von Proben. Das System enthält einen Trennkanal T1 mit zwei Transport- bzw. Leistungselektroden E3 und E5 an den Enden und zwei Detektionselektroden E1 und E2 kurz vor der Verzweigungsstelle V des Kanalsystems. An der Verzweigungsstelle V zweigt ein Kanal ab, der sich wiederum dreifach verzweigt. An den Enden befinden sich ein Reservoir P, ein Mischungsreaktor R und ein weiteres Reservoir mit einer Leistungselektrode E4. Wird nun ein Substanzgemisch entlang desFigure 3 shows schematically an example of a miniaturized planar analysis system with an integrated device according to the invention for ejecting samples. The system contains a separation channel T1 with two transport or power electrodes E3 and E5 at the ends and two detection electrodes E1 and E2 just before the branch point V of the channel system. At the branching point V, a channel branches off, which in turn branches into three. At the ends there is a reservoir P, a mixing reactor R and another reservoir with a power electrode E4. If a mixture of substances along the
Trennkanals T1 aufgetrennt, kann mithilfe der Detektionselektroden E1 und E2 festgestellt werden, wann die gewünschte Probensubstanz an die Verzweigungsstelle V des Kanalsystems gelangt. In diesem Moment wird das Potential umgeschaltet, so daß nun eine Potentialdifferenz zwischen E5 und E4 besteht. Dadurch wandert die ausgewählte Substanz in die Abzweigung des Kanalsystems. Nachdem die Detektionselektroden E1 und E2 anzeigen, daß die Substanz die Verzweigungsstelle passiert hat, kann das Potential erneut umgeschaltet werden. Die in die Abzweigung abgesonderte Substanz kann nun mechanisch durch einen Flüssigkeitsstrom aus dem Reservoir bei E4 in den Mischungsreaktor R transportiert werden. Zusätzlich können durch einen ähnlichen Flüssigkeitsstrom ausgehend von dem Reservoir P parallel weitere Substanzen, z.B.Separation channel T1 separated, can be determined using the detection electrodes E1 and E2, when the desired sample substance to the Branch point V of the channel system arrives. At this moment the potential is switched so that there is now a potential difference between E5 and E4. As a result, the selected substance migrates into the branch of the canal system. After the detection electrodes E1 and E2 indicate that the substance has passed the junction, the potential can be switched again. The substance secreted into the branch can now be transported mechanically by a liquid stream from the reservoir at E4 into the mixing reactor R. In addition, other substances, for example
Reaktanden zur Derivatisierung, in den Mischungsreaktor geleitet werden, wo sie sich mit der Probensubstanz mischen und gegebenenfalls mit dieser reagieren.Reactants for derivatization are passed into the mixing reactor, where they mix with the sample substance and, if necessary, react with it.
Abbildung 4 zeigt schematisch ein Beispiel eines miniaturisierten planaren Analysensystems mit integrierter erfindungsgemäßer Vorrichtung zum Ausschleusen von Proben, einer Vorrichtung zur Aufgabe definierter Probenvolumina und einem Trennkanal. Ein solchen Analysensystem bietet die Möglichkeit, ein definiertes großes Probenvolumen aufzugeben, dieses beispielsweise mittels ITP aufzutrennen, durch die erfindungsgemäßeFigure 4 schematically shows an example of a miniaturized planar analysis system with an integrated device according to the invention for ejecting samples, a device for feeding defined sample volumes and a separation channel. Such an analysis system offers the possibility of giving up a defined large sample volume, for example separating it by means of ITP, by means of the invention
Ausschleusevorrichtung eine bestimmte Fraktion der Probe zu separieren und optional die abgetrennte Fraktion oder den Rest der Probe erneut aufzutrennen und zu analysieren oder aus dem System zu entfernen. Die Vorrichtung zur Probenaufgabe besteht aus den Kanalabschnitten K1 und K2, die von den Fluidikanschlüssen F1 und F2 bzw. F2 und F3 begrenzt werden. Als Fluidikanschlüsse dienen typischerweise dichtschließende Mikropumpen oder Mikropumpen und Ventile. Das Volumen des Kanalabschnitts K1 beträgt typischerweise 5 oder 10 μl, das des Kanalabschnitts K2 0,5 oder 1 μl. Durch Öffnen des Fluidikanschlusses F2 und gleichzeitiges Befüllen des Kanalabschnitts K1 mit der Probenlösung über den Fluidikanschluß F1 wird ein durch das Volumen von K1 bestimmtes definiertes Volumen der Probe in das Kanalsystem gefüllt. Ein größeres Volumen kann aufgegeben werden, wenn statt des Fluidikanschlusses F2 der Fluidikanschluß F3 geöffnet wird. Dann ergibt sich das aufgegebene Volumen der Probe aus der Summe der Volumina der Kanalabschnitte K1 und K2. Soll das Volumen der aufgegebenen Probe dagegen kleiner sein, wird durch Öffnen der Fluidikanschlüsse F2 und F3 lediglich der Kanalabschnitt K2 befüllt. Durch Variation der Größe der Kanalabschnitte K1 und K2 oder auch durch Hinzufügen weiterer mit Fluidikanschlüssen begrenzter Kanalabschnitte kann so das Aufgabe- volumen variiert und an die entsprechenden Anforderungen der Probe angepasst werden. Die Auftrennung der Probe erfolgt in dem sich anschließenden Kanalsystem (K3, K4, K5). Dazu befinden sich an den Enden des gesamten Kanalsystems, d.h. anschließend an K1 , K4 und K5 jeweils Flüssigkeits- oder Pufferreservoire R1 , R2 und R3 sowie Leistungselektroden L1 , L2 und L3. Die Pufferreservoire können über die Fluidikanschlüsse F1 , F4 bzw. F5 befüllt werden. Falls lediglich Kanalabschnitt K1 zur Probenaufgabe verwendet wird, kann zusätzlich Kanalabschnitt K2 zur Verlängerung der Trennstrecke eingesetzt werden. Die Trennung der Probe kann z.B. bei rein analytischen Fragestellungen über Kanalabschnitt K3 bis zu Kanalabschnitt K5 ausgedehnt werden. Die Detektion erfolgt dann mittels der kurz vor R3 angebrachten Detektionselektroden D3 und D4. Soll eine Fraktion der Probe von dem Rest getrennt werden, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausschleusen verwendet. Diese wird gebildet durch den Trennkanal- abschnitt K3, die Verzweigungsstelle Vz, die beiden abzweigendenDischarge device to separate a certain fraction of the sample and optionally to separate and analyze the separated fraction or the rest of the sample again or to remove it from the system. The device for sample application consists of the channel sections K1 and K2, which are delimited by the fluid connections F1 and F2 or F2 and F3. Tightly closing micropumps or micropumps and valves are typically used as fluid connections. The volume of the channel section K1 is typically 5 or 10 μl, that of the channel section K2 0.5 or 1 μl. By opening the fluid connection F2 and simultaneously filling the channel section K1 with the sample solution via the fluid connection F1, the volume of K1 certain defined volume of the sample is filled into the channel system. A larger volume can be added if the fluid connection F3 is opened instead of the fluid connection F2. Then the given volume of the sample results from the sum of the volumes of the channel sections K1 and K2. If, on the other hand, the volume of the sample is to be smaller, only the channel section K2 is filled by opening the fluid connections F2 and F3. By varying the size of the channel sections K1 and K2 or also by adding further channel sections limited by fluid connections, the application volume can be varied and adapted to the corresponding requirements of the sample. The sample is separated in the subsequent channel system (K3, K4, K5). For this purpose, liquid or buffer reservoirs R1, R2 and R3 as well as power electrodes L1, L2 and L3 are located at the ends of the entire channel system, ie subsequently to K1, K4 and K5. The buffer reservoirs can be filled via the fluid connections F1, F4 or F5. If only channel section K1 is used for sample application, additional channel section K2 can be used to extend the separation distance. For purely analytical questions, the separation of the sample can be extended to channel section K3 up to channel section K5. The detection is then carried out by means of the detection electrodes D3 and D4 which are attached just before R3. If a fraction of the sample is to be separated from the rest, the device according to the invention is used for the removal. This is formed by the separating channel section K3, the branching point Vz, the two branches
Kanalabschnitte K4 und K5, die vor der Verzweigunsstelle Vz befindlichen Detektionselektroden D1 und D2 sowie durch eine nicht in der Abbildung dargestellte Schaltvorrichtung zur Steuerung der Leistungselektroden. Sobald die gewünschte Fraktion während der Trennung die Detektions- elektroden D1 und D2 passiert, kann das Potential der Leistungselektroden L1 , L2 und L3 entsprechend modifiziert werden. Falls zunächst der Transport von L3 zu L2 erfolgte, kann die Fraktion durch Umschalten auf eine Potentialdifferenz zwischen L3 und L1 an der Verzweigungsstelle Vz in den Kanal K4 ausgeschleust werden. Nachdem die Fraktion Vz passiert hat, wird durch erneutes Umschalten der Rest der Probe wieder in K5 transportiert. Die ausgeschleuste Fraktion kann dann über den Fluidik- anschluß F4 aus dem Analysensystem entnommen werden. Der in K5 verbliebene Rest der Probe kann über die Detektionselektroden D3 und D4 erneut analysiert werden. Genauso kann die auszuschleusende Fraktion durch andere Schaltung der Leistungselektroden an Vz in Kanalabschnitt K5 ausgeschleust werden, während der Rest der Probe in Kanalabschnitt 4 transportiert wird. In diesem Fall kann die ausgeschleuste Fraktion an D3/D4 erneut detektiert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Kanalsystem mit zwei unterschiedlichen Puffersystemen zu befüllen und so zwei unterschiedliche Trennungen direkt hintereinander durchzuführen. Dazu werden die Kanalabschnitte K3 und optional zusätzlich K2 mit dem ersten Puffersystem gefüllt. Ab der Verzweigungsstelle Vz werden die Kananlabschnitte K4 und K5 mit dem zweiten Puffersystem befüllt. Die erste Trennung erfolgt entlang K2/K3. An Vz kann dann eine Fraktion der Probe in Kanalabschnitt K5 ausgeschleust werden oder auch die gesamt Probe in diesen Kanalabschnitt überführt werden. Sobald die Probe diesen Kanalabschnitt mit dem anderen Puffersystem erreicht, erfolgt dann die zweite Trennung. Die Kontrolle der beiden Trennungen erfolgt über die Detektionselektroden D1 und D2 für die erste Trennung und das optionale Ausschleusen, sowie mit D1/D2 für die Kontrolle der zweiten Trennung. Auf diese Weise können z.B. eine isotachophoretische Trennung und eine elektrophoretische Trennung oder auch zwei isotachophoretische Trennungen kombiniert werden.Channel sections K4 and K5, the detection electrodes D1 and D2 located in front of the branch point Vz, and by a switching device (not shown in the figure) for controlling the power electrodes. As soon as the desired fraction passes through the detection electrodes D1 and D2 during the separation, the potential of the power electrodes L1, L2 and L3 can be modified accordingly. If the transport from L3 to L2 took place first, the fraction can be switched to a potential difference between L3 and L1 at the junction Vz can be discharged into the channel K4. After the fraction Vz has passed, the rest of the sample is transported back to K5 by switching again. The discharged fraction can then be removed from the analysis system via the fluidic connection F4. The rest of the sample remaining in K5 can be analyzed again via the detection electrodes D3 and D4. In the same way, the fraction to be discharged can be discharged by switching the power electrodes at Vz in channel section K5, while the rest of the sample is transported in channel section 4. In this case, the removed fraction at D3 / D4 can be detected again. There is also the option of filling the duct system with two different buffer systems and thus performing two different separations directly one after the other. For this purpose, the channel sections K3 and optionally additionally K2 are filled with the first buffer system. From the branch point Vz, the channel sections K4 and K5 are filled with the second buffer system. The first separation takes place along K2 / K3. At Vz, a fraction of the sample can then be discharged into channel section K5 or the entire sample can be transferred into this channel section. As soon as the sample reaches this channel section with the other buffer system, the second separation then takes place. The two separations are checked via the detection electrodes D1 and D2 for the first separation and the optional discharge, and with D1 / D2 for checking the second separation. In this way, for example, an isotachophoretic separation and an electrophoretic separation or two isotachophoretic separations can be combined.
Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fach- mann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.Even without further explanations, it is assumed that a person skilled in the art can use the above description to the greatest extent. The preferred embodiments and examples are therefore only as descriptive disclosure, in no way to be construed as limiting in any way.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, sowie der korrespondierenden Anmeldung DE 199 27 535, eingereicht am 16.06.1999, ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt. The complete disclosure of all of the applications, patents and publications mentioned above and below, and the corresponding application DE 199 27 535, filed on June 16, 1999, is incorporated by reference into this application.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung zum Ausschleusen von Fraktionen für planare mikrostrukturierte Analysensysteme, im wesentlichen bestehend aus einem verzweigten Kanalsystem, mindestens drei Transportelektroden , mindestens einer Detektionsvorrichtung vor einer Verzweigungsstelle des Kanalsystems und einer elektrischen Schaltvorrichtung.1. Device for discharging fractions for planar microstructured analysis systems, consisting essentially of a branched channel system, at least three transport electrodes, at least one detection device in front of a branching point of the channel system and an electrical switching device.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsvorrichtung ein elektrochemischer Detektor ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the detection device is an electrochemical detector.
3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 in einem planaren, mikrostrukturierten Analysensystem. 3. Use of a device according to claim 1 or 2 in a planar, microstructured analysis system.
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