NL1021269C2 - Elektrodesysteem en werkwijze voor het aanleggen van elektrische spanningen en het teweegbrengen van elektrische stromen. - Google Patents

Description

Elektrodesysteem en werkwijze voor het aanleggen van elektrische spanningen en het teweegbrengen van elektrische stromen

De uitvinding heeft betrekking op een elektrodesysteem voor aansluiting op een 5 hydraulisch systeem, met name een elektro-hydraulisch microsysteem waarin elektro-osmose en/of elektroforese kan plaatsvinden, welk elektrodesysteem omvat: - een reservoir welk reservoir ten minste gedeeltelijk kan worden gevuld met een eerste elektrisch geleidende vloeistof, en een elektrode, bij voorkeur een vaste-stof elektrode, bijvoorbeeld een platina elektrode, 10 in contact met in het reservoir aanwezige vloeistof.

De uitvinding betreft voorts een werkwijze voor het aanleggen van elektrische spanningen en het teweegbrengen van elektrische stromen in een hydraulisch systeem middels zo een elektrodesysteem.

15 Bekend zijn elektro-hydraulische microsystemen waarin middels elektroden elektrokinetische verschijnselen worden opgewekt. Dergelijke systemen worden onder andere ingezet bij chemische analyses, en kunnen hydraulische componenten als reservoirs, pompen en kleppen en (netwerken van) capillairen en kanaaltjes omvatten. Vloeistoftransport door de kanaaltjes kan plaatsvinden middels elektro-osmose, en een 20 chemische scheiding kan worden bewerkstelligd door gebruik te maken van capillaire (zone) elektroforese. Dergelijke systemen vinden onder andere toepassing in draagbare compacte analyseapparatuur en in de ruimtevaart.

Een bekend probleem bij het opwekken van de benodigde, meestal relatief grote, 25 elektrische spanningen en stromen in genoemde elektro-hydraulische microsystemen is gasvorming, met name bij de elektroden, bijvoorbeeld door de elektrolyse van water of een ander oplosmiddel, of door andere ongewenste nevenreacties. Het gevormde gas kan zich op ongewenste plaatsen in het systeem ophopen en zo gasbellen vormen welke kunnen interfereren met de elektrische stroomdoorvoering, met de elektrokinetische processen en 30 met het hydraulisch transport in delen van het systeem. Daardoor wordt de goede werking van het complete systeem verstoord. Met name in microsystemen met componenten met zeer kleine afmetingen kunnen deze gasbellen een groot en lastig probleem vormen.

1021269· 2

Een mogelijke oplossing is het afvoeren van het gevormde gas, waartoe veelal complexe en derhalve kostprijsverhogende maatregelen dienen te worden getroffen. Ook het chemisch binden van het gevormde gas behoort tot de mogelijkheden, zie bijvoorbeeld DE 4221970. Daartoe dienen één of meer bindende stoffen te worden toegevoegd. Een andere 5 mogelijkheid is toevoegen van een stof die een passiverende laag vormt op de elektrode en zo een gasvormende interactie tussen oplosmiddel en elektrode verhindert, zie bijvoorbeeld US 5853917. Toegevoegde stoffen kunnen het systeem echter vervuilen en bijvoorbeeld interfereren met een chemische analyse.

10 Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een doeltreffende en kostprijsgunstige oplossing voor het hierboven geschetste probleem van ongewenste gasvorming, met name aan de elektroden, in het bijzonder toepasbaar in elektro-hydraulische microsystemen.

De uitvinding verschaft daartoe een elektrodesysteem van het in de aanhef van conclusie 1 15 genoemde type, met het kenmerk, dat het elektrodesysteem tevens een hydraulische restrictie omvat, bij voorkeur een capillair kanaal met een kenmerkende doorsnedenafmeting van bij voorkeur tussen 1 en 100 pm, bij nadere voorkeur tussen 5 en 20 pm, welke hydraulische restrictie ten minste gedeeltelijk kan worden gevuld met een tweede elektrisch geleidende vloeistof voor het realiseren van een elektrische verbinding 20 tussen het reservoir en het hydraulisch systeem, waarbij de hydraulische restrictie een, ten opzichte van de aangrenzende componenten van het elektrodesysteem en het hydraulisch systeem, relatief grote hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand vormt tussen het reservoir en het hydraulisch systeem.

Door de grote hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand van de restrictie zal 25 de uitwisseling van materie, vloeistof en daarin aanwezige deeltjes, tussen reservoir en hydraulisch systeem gering zijn, dat wil zeggen relatief traag ten opzichte van de elektrokinetische processen in het hydraulisch systeem en de elektrochemische processen in het reservoir. Terwijl in het gegeven gebied van doorsnedenafmetingen van de restrictie, indien reservoir en restrictie zijn gevuld met voldoende elektrisch geleidende vloeistof, het 30 geheel toch genoeg elektrische stroom zal kunnen geleiden voor bijvoorbeeld het aandrijven van een elektro-osmotisch proces.

1021269* 3

In een voorkeursuitvoering is het reservoir ten minste gedeeltelijk gevuld met een eerste elektrisch geleidende waterige oplossing, bij voorkeur een bloedloogzout (kaliumijzercyanaat) oplossing.

In de eerste vloeistof aanwezige geladen deeltjes verzorgen de elektrische stroom door het 5 reservoir. Bij een juiste keuze van toegevoegde of opgeloste stof kan een ongewenste gasvormende reactie worden voorkomen. Een waterige oplossing van geel respectievelijk rood bloedloogzout is in het bijzonder geschikt omdat Fe(CN)64' een sterkere reductor is dan water, terwijl Fe(CN)63' een sterkere oxidator is dan water, zodat de betrokken halfreactie waarbij zuurstofgas respectievelijk waterstofgas ontstaat, kan worden 10 verdrongen door oxidatie van Fe(CN)64* respectievelijk reductie van Fe(CN)63'. Indien een mengsel van geel en rood bloedloogzout wordt toegepast, kan het betreffende elektrodesysteem zowel anodisch als kathodisch worden gebruikt waarbij in beide situaties ongewenste gasvorming ten minste gedeeltelijk wordt verhinderd.

De restrictie is bij voorkeur ten minste gedeeltelijk gevuld met een tweede elektrisch 15 geleidende vloeistof, bijvoorbeeld een tweede elektrisch geleidende waterige oplossing. In de tweede vloeistof aanwezige geladen deeltjes verzorgen dan de elektrische stroom door de restrictie. Uiteraard kan de tweede elektrisch geleidende vloeistof gelijk zijn aan de eerste elektrisch geleidende vloeistof.

20 In een voorkeursuitvoering omvat het elektrodesysteem tevens middelen, bij voorkeur een spoelkanaal, voor het ten minste gedeeltelijk opvangen en/of afvoeren van: - uit het reservoir of de restrictie afkomstige, bijvoorbeeld vanuit het reservoir door de restrictie gestroomde vloeistof en gediffundeerde, materie, en/of zich in de richting van de restrictie en het reservoir verplaatsende, bijvoorbeeld uit het 25 hydraulisch systeem afkomstige, materie.

Ondanks de hoge hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand van de restrictie, zal een relatief kleine hoeveelheid materie toch vanuit het reservoir door de restrictie in de richting van het hydraulisch systeem stromen of diffunderen, in elk geval de geladen deeltjes die de elektrische stroom in reservoir respectievelijk restrictie verzorgen, 30 bijvoorbeeld in het geval van bloedloogzout Fe(CN)é4’ en Fe(CN)ö3\ Door het opvangen en/of afvoeren van deze materie middels het spoelkanaal wordt de verdere verspreiding ervan verhinderd en zal bijvoorbeeld het hydraulisch systeem niet vervuilen, en zo kan ook 1011269· 4 de verspreiding van uit het hydraulisch systeem afkomstige materie naar de restrictie en het reservoir toe, worden voorkomen.

Daartoe zijn de middelen bij voorkeur voorzien van een ingang en een uitgang zodanig dat de middelen ten minste gedeeltelijk doorspoeld kunnen worden.

5 Ook kan het spoelkanaal middels deze ingang en uitgang, tijdens de uitvoering van bijvoorbeeld een chemische analyse, naar believen worden gevuld met bijvoorbeeld een sample oplossing, een bufferoplossing en dergelijke.

Voorts verschaft de uitvinding een werkwijze van het in de aanhef van conclusie 6 10 genoemde type, met het kenmerk, dat een elektrische verbinding tussen het reservoir en het hydraulisch systeem wordt gerealiseerd middels een hydraulische restrictie, bij voorkeur een capillair kanaal met een kenmerkende doorsnedenafmeting van bij voorkeur tussen 1 en 100 pm, bij nadere voorkeur tussen 5 en 20 pm, waartoe de hydraulische restrictie ten minste gedeeltelijk wordt gevuld met een tweede elektrisch geleidende vloeistof, waarbij de 15 hydraulische restrictie een, ten opzichte van de aangrenzende componenten van het elektrodesysteem en het hydraulisch systeem, relatief grote hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand vormt tussen het reservoir en het hydraulisch systeem.

Zo kunnen op de geëigende plaatsen en tijdstippen elektrische spanningen worden 20 aangelegd en elektrische stromen worden opgewekt in het hydraulisch systeem, bijvoorbeeld voor het aandrijven van een elektro-osmotisch proces of voor het teweegbrengen van een elektroforetische scheiding. In het gegeven gebied van doorsnedenafmetingen van de restrictie tussen 1 en 100 pm, en met name in het gebied tussen 5 en 20 pm, en bij vullen van reservoir en restrictie met voldoende geschikte 25 elektrisch geleidende vloeistof, zal het geheel genoeg elektrische stroom kunnen geleiden terwijl de hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand van de restrictie groot genoeg is om de uitwisseling van materie tussen reservoir en hydraulisch systeem voldoende traag te laten verlopen.

30 Daarbij wordt het reservoir bij voorkeur ten minste gedeeltelijk gevuld met een eerste elektrisch geleidende waterige oplossing, bij voorkeur een bloedloogzout (kaliumijzercyanaat) oplossing, en wordt voor de tweede geleidende vloeistof bij voorkeur een tweede elektrisch geleidende waterige oplossing genomen.

1021269* 5

Geladen deeltjes in de elektrisch geleidende oplossingen kunnen dan de elektrische stroomvoering in reservoir respectievelijk restrictie verzorgen. Bij een juiste keuze van toegevoegde of opgeloste stof of stoffen kan een ongewenste gasvormende reactie ten minste gedeeltelijk worden voorkomen. Bij toepassen van geel of rood bloedloogzout zal de 5 vorming van zuurstofgas respectievelijk waterstofgas ten minste gedeeltelijk worden verdrongen door oxidatie van FefCNjö4" respectievelijk reductie van Fe(CN)63‘. In het geval van een mengsel van geel en rood bloedloogzout zowel bij anodisch als kathodisch gebruik van het elektrodesysteem.

Uiteraard kan de tweede elektrisch geleidende vloeistof ook gelijk zijn aan de eerste 10 elektrisch geleidende vloeistof.

In een voorkeurstoepassing van een werkwijze volgens de uitvinding wordt: - uit het reservoir of de restrictie afkomstige, bijvoorbeeld vanuit het reservoir door de restrictie gestroomde of gediffundeerde, materie, en/of 15 - zich in de richting van de restrictie en het reservoir verplaatsende, bijvoorbeeld uit het hydraulisch systeem afkomstige, materie, ten minste gedeeltelijk opgevangen en/of afgevoerd middels daartoe voorziene middelen, bij voorkeur een spoelkanaal.

Zo kan ongewenste uitwisseling van vloeistof en deeltjes tussen reservoir en restrictie aan 20 de ene kant en het hydraulisch systeem aan de andere kant, ten minste gedeeltelijk worden voorkomen.

Daartoe kunnen de middelen middels een daartoe voorziene ingang en uitgang ten minste gedeeltelijk worden doorspoeld.

En middels deze ingang en uitgang kan het spoelkanaal ook, bijvoorbeeld tijdens de 25 uitvoering van een chemische analyse, naar believen worden gevuld met bijvoorbeeld een sample oplossing, een bufferoplossing en dergelijke.

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van een voorbeeld van een hydraulisch systeem voorzien van vier elektrodesystemen volgens de uitvinding.

30 Daartoe toont figuur 1 schematisch een eenvoudig elektro-hydraulisch microsysteem voor capillaire zone elektroforese, voorzien van en geïntegreerd vervaardigd met vier elektrodesystemen volgens de uitvinding.

1021269· 6

Figuur 1 toont een elektro-hydraulisch microsysteem voor capillaire (zone) elektroforese opgebouwd uit een eerste capillair 2 en een tweede capillair 3 welke met elkaar zijn verbonden ter plaatse van een kruising 4, en vier elektrodesystemen 1-Γ”.

Elk elektrodesysteem 1-1”” omvat een reservoir 11-11”” gevuld met een waterige 5 oplossing van een mengsel van geel en rood bloedloogzout, een platina elektrode 12-12””, en een restrictie 13-13”” welke een elektrische verbinding vormt tussen het betrokken reservoir 11-11”” en het betrokken capillair 2,3. Elke restrictie 13-13”” vormt een grote hydraulische weerstand en diffusieweerstand zodat er slechts weinig vloeistof en deeltjes uit het betreffende reservoir 11-11”” door de betrokken restrictie 13-13”” zal ‘bloeden’. 10 De elektrische geleiding in de elektrodesystemen 1-1”” wordt verzorgd door Fe(CN)64’ respectievelijk Fe(CN)é waarbij tevens zowel zuurstofgasvorming als waterstofgasvorming in de reservoirs 11-11”” wordt voorkomen omdat de betreffende halfreacties worden verdrongen door de oxidatie van Fe(CN)ó4’ respectievelijk reductie van Fe(CN)63'. De elektrodesystemen 1-1 ”’ kunnen dus zowel anodisch als kathodisch worden 15 gebruikt waarbij in beide gevallen geen of slechts minimale zuurstofgasvorming respectievelijk waterstofgasvorming optreedt.

Elk elektrodesysteem 1-1”” omvat tevens een spoelkanaal 16-16”” voor het opvangen en afvoeren van door de restricties ‘bloedende’ bloedloogzoutoplossing. De spoelkanalen 16— 16”” verhinderen tevens diffusie van ongewenste materie uit de capillairen 2,3 naar de 20 restricties 13-13”” en reservoirs 11-11””. Omdat bovendien de afstanden tussen de aansluitpunten 14-14”” van de restricties 13-13”” en de aansluitpunten 15-15”” van de capillairen 2,3 op de spoelkanalen 16-16””’ betrekkelijk groot zijn, zijn de reservoirs 11-11”” goed gescheiden van de capillairen 2,3 en is uitwisseling van materie daartussen vrijwel uitgesloten.

25 De spoelkanalen 16-16”’, reservoirs 11-1Γ” en restricties 13-13”’ zijn voorzien van middels kleppen (niet getoond) afsluitbare aansluitingen 17-17’”,18-18’”,19-19’” zodat ze gevuld, gespoeld en geleegd kunnen worden.

Een meetcyclus kan er als volgt uitzien: 30 A. middels aansluitingen 17-17”’ en 18-18”’ worden de reservoirs 11-11’” hydraulisch gevuld met bloedloogzoutoplossing, B. middels aansluitingen 17-17”’ en 19-19’” worden de spoelkanalen 16-16’” hydraulisch gevuld met een bufferoplossing, 1021269* 7 C. middels elektroden 12-12’ en 12”-12’” worden de capillairen 2 en 3 elektro-osmotisch gevuld met een bufferoplossing, D. middels aansluitingen 17 en 19 wordt spoelkanaal 16 hydraulisch gevuld met een sampleoplossing, 5 E. middels elektroden 12-12’ wordt het eerste capillair 2 elektro-osmotisch gevuld met sampleoplossing, F. middels elektroden 12”-12’” wordt ter plaatse van de kruising 4 een sample plug ingebracht in het tweede capillair 3. Deze sample plug wordt electro-osmotisch getransporteerd in de richting van een detector 5 waarbij samplecomponenten 10 elektroforetisch ruimtelijk worden gescheiden om vervolgens gescheiden in de tijd de detector 5 te passeren.

Een meetcyclus, stappen D-F, duurt typisch minder dan een minuut. Vervolgens kan het systeem weer geconditioneerd worden voor een volgende meting door het doorlopen van de 15 stappen A-C.

De capillairen 2,3 en restricties 13-13”” in dit uitvoeringsvoorbeeld hebben elk een doorsnede van 10 x 50 pm2, en de spoelkanalen 14-14”” en de reservoirs 11-11 ”” elk een doorsnede van 150 x 150 pm2. Het gehele netwerk van capillairen en kanalen is 20 geïntegreerd vervaardigd in een glazen substraat middels ‘sand-blasting’ en etsen, maar ook andere fijnmechanische en/of micromechanische technieken kunnen hiervoor worden ingezet. Het complete systeem met elektroden en detector kan modulair worden opgebouwd compatibel met MATAS, een in het betreffende vakgebied door de onderhavige aanvrager geïntroduceerd technologisch platform voor de vervaardiging van analytisch-chemische 25 microsystemen zoals beschreven in “MATAS: A modular assembly technology for hybrid pTAS”, Jeroen. M. Wissink, MST news 1/00,2000, pp. 20-22.

Het gebruik van bloedloogzout in de elektrodesystemen 1-1”” in combinatie met de toepassing van restricties 13-13”” en spoelkanalen 16-16”” vormt een doeltreffende en 30 kostprijsgunstige oplossing voor het probleem van ongewenste gasvorming, waarbij vervuiling en interferentie door uitwisseling van materie tussen reservoirs 11-11”” en capillairen 2,3 niet optreedt.

1021269· δ

Een dergelijk elektro-hydraulisch microsysteem kan onderdeel uitmaken van een groter microfluïdisch systeem waarbij in het totale systeem ook andere functies worden verricht zoals sample voorbehandeling, filtratie, labelling, ligeren, mengen en pompen.

5 Het zal duidelijk zijn voor een in het betreffende vakgebied geschoold persoon dat de uitvinding niet tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden en toepassingsvoorbeelden is beperkt en dat binnen het kader van de uitvinding nog een aantal variaties en combinaties mogelijk zijn.

10 1021289#

Claims (10)

1. Elektrodesysteem (1) voor aansluiting op een hydraulisch systeem, met name een elektro-hydraulisch microsysteem waarin elektro-osmose en/of elektroforese kan 5 plaatsvinden, welk elektrodesysteem omvat: een reservoir (11) welk reservoir ten minste gedeeltelijk kan worden gevuld met een eerste elektrisch geleidende vloeistof, en - een elektrode (12), bij voorkeur een vaste-stof elektrode, bijvoorbeeld een platina elektrode, in contact met in het reservoir aanwezige vloeistof, 10 met het kenmerk, dat het elektrodesysteem tevens een hydraulische restrictie (13) omvat, bij voorkeur een capillair kanaal met een kenmerkende doorsnedenafmeting van bij voorkeur tussen 1 en 100 pm, bij nadere voorkeur tussen 5 en 20 pm, welke hydraulische restrictie ten minste gedeeltelijk kan worden gevuld met een tweede elektrisch geleidende vloeistof voor het realiseren van een elektrische verbinding tussen 15 het reservoir en het hydraulisch systeem, waarbij de hydraulische restrictie een, ten opzichte van de aangrenzende componenten van het elektrodesysteem en het hydraulisch systeem, relatief grote hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand vormt tussen het reservoir en het hydraulisch systeem.

2. Elektrodesysteem (1) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het reservoir ten 20 minste gedeeltelijk is gevuld met een eerste elektrisch geleidende waterige oplossing, bij voorkeur een bloedloogzout (kaliumijzercyanaat) oplossing.

3. Elektrodesysteem (1) volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de restrictie ten minste gedeeltelijk is gevuld met een tweede elektrisch geleidende vloeistof, bijvoorbeeld een tweede elektrisch geleidende waterige oplossing.

4. Elektrodesysteem (1) volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het elektrodesysteem tevens omvat middelen (16), bij voorkeur een spoelkanaal, voor het ten minste gedeeltelijk opvangen en/of afvoeren van: - uit het reservoir of de restrictie afkomstige, bijvoorbeeld vanuit het reservoir door de restrictie gestroomde of gediffundeerde, materie, en/of 30. zich in de richting van de restrictie en het reservoir verplaatsende, bijvoorbeeld uit het hydraulisch systeem afkomstige, materie. 1021269«

5. Elektrodesysteem (1) volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de middelen zijn voorzien van een ingang en een uitgang (17-19) zodanig dat de middelen ten minste gedeeltelijk doorspoeld kunnen worden.

6. Werkwijze voor het aanleggen van elektrische spanningen en het teweegbrengen van 5 elektrische stromen in een hydraulisch systeem, met name een elektro-hydraulisch microsysteem waarin elektro-osmose en/of elektroforese kan plaatsvinden, middels een elektrodesysteem (1) welk elektrodesysteem omvat: - een reservoir (11) welk reservoir ten minste gedeeltelijk kan worden gevuld met een eerste elektrisch geleidende vloeistof, en 10. een elektrode (12), bij voorkeur een vaste-stof elektrode, bijvoorbeeld een platina elektrode, in contact met in het reservoir aanwezige vloeistof, met het kenmerk, dat een elektrische verbinding tussen het reservoir en het hydraulisch systeem wordt gerealiseerd middels een hydraulische restrictie (13), bij voorkeur een capillair kanaal met een kenmerkende doorsnedenafmeting van bij 15 voorkeur tussen 1 en 100 pm, bij nadere voorkeur tussen 5 en 20 pm, waartoe de hydraulische restrictie ten minste gedeeltelijk wordt gevuld met een tweede elektrisch geleidende vloeistof, waarbij de hydraulische restrictie een, ten opzichte van de aangrenzende componenten van het elektrodesysteem en het hydraulisch systeem, relatief grote hydraulische stromingsweerstand en diffusieweerstand vormt tussen het 20 reservoir en het hydraulisch systeem.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het reservoir ten minste gedeeltelijk wordt gevuld met een eerste elektrisch geleidende waterige oplossing, bij voorkeur een bloedloogzout (kaliumijzercyanaat) oplossing.

8. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat voor de tweede geleidende 25 vloeistof een tweede elektrisch geleidende waterige oplossing wordt genomen.

9. Werkwijze volgens één der conclusies 6-8, met het kenmerk, dat: uit het reservoir of de restrictie afkomstige, bijvoorbeeld vanuit het reservoir door de restrictie gestroomde of gediffundeerde, materie, en/of - zich in de richting van de restrictie en het reservoir veiplaatsende, bijvoorbeeld uit 30 het hydraulisch systeem afkomstige, materie, ten minste gedeeltelijk wordt opgevangen en/of afgevoerd middels daartoe voorziene middelen (16), bij voorkeur een spoelkanaal. 1021269·

10. Werkwijze volgens conclusies 9, met het kenmerk, dat: de middelen middels een daartoe voorziene ingang en uitgang (17-19) ten minste gedeeltelijk worden doorspoeld.