WO1998037408A1 - Mikroflussmodul zur chemischen analytik - Google Patents

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WO1998037408A1
WO1998037408A1 PCT/EP1998/000836 EP9800836W WO9837408A1 WO 1998037408 A1 WO1998037408 A1 WO 1998037408A1 EP 9800836 W EP9800836 W EP 9800836W WO 9837408 A1 WO9837408 A1 WO 9837408A1
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microflow
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Ulrich Dillner
Ernst Kessler
Johann Michael KÖHLER
Martin Zieren
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Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a microflow module, in particular for calorimetric measurements in the context of research, quality control and on a laboratory scale and for other analytical tasks.
  • Measuring apparatuses, evaluation units and sampling devices for the applications mentioned are known in principle and are offered commercially. With the measuring method of scanning calorimetry it is possible, for example, to recognize the temperature at which a sample is converted or reacted and how large the amount of heat required for this, which is a quantity which is necessary to be known for the stated purposes. Compared to purely optical measurement methods for the same or similar purposes, the method mentioned has the advantage that optically non-transparent samples are also accessible for measurement. According to the prior art, thermostatted chambers, which can optionally be pressurized with a defined pressure, are used to take the measurement sample. A typical sample chamber of the type mentioned is e.g. can be found in the brochure of BAHR The ⁇ noanalysis GmbH DSC301 4/94.
  • a sample receiver and sensor for scanning calorimetry in particular differential scanning calorimetry, which includes a heating element and a sample receiving area, one with a recess provided support frame has a membrane-shaped thin support layer, on which a layer arrangement consisting of at least one sensor arrangement and an electrically heatable thin metal layer structure, which are separated from one another by an electrical insulation layer, is applied and provide this with a further layer receiving the sample to be examined is.
  • this device has a significantly improved time constant in relation to a single measurement compared to the otherwise known devices, it, like the other known calorimeters, only allows a very low sample throughput.
  • thermocouples are provided in the vicinity of the channel outlet, where the beads mentioned also collect and in fact the biochemical reaction is only catalyzed there, which locally heats up the liquid.
  • This microbiosensor is not very suitable for analyzing chemical reactions which are induced, for example, by mixing two reactants present in solution, since it does not allow the reaction to be recorded in its entirety. This applies in particular to very fast chemical reactions which, when using the I-shaped channel, may have taken place before the sample volume has even reached the detectable channel area. An analysis of the reaction kinetics is not possible with this microbiosensor.
  • the invention has for its object to provide a microflow module for chemical analysis, the fast sample change and thus inexpensive investigations of fast-running processes time-resolved and with small time constants and optionally also the possibility of performing a scanning calorimetry offers and can be used as a transducer for miniaturized analysis of a wide range of substances.
  • the microflow module contains a first chip, into which an extended channel area with a Y-shaped branched input area, to which two input channels adjoin, is introduced and the first chip is connected to cover a second chip, which is provided on the channel side with at least one thermosensitive thin-film element, preferably in the form of a thermopile.
  • FIG. 1 shows a first assembly of the microflow module
  • FIG. 2 shows a second assembly of the microflow module
  • FIG. 3 shows a lateral section of the complete microflow module along a section plane A-A according to FIG. 2.
  • the microflow module comprises a first chip 1, as indicated in plan view in FIG. 1, which preferably consists of glass or silicon.
  • An elongated channel region 10 is etched into this chip 1 by wet chemistry; the etching depth in the example is 100 ⁇ m with a chip 1 thickness of 500 ⁇ m.
  • the stretched channel area 10 is followed by a Y-shaped branched input area 11 with two input channels 12, 13, which is produced in the same etching step.
  • the sum of the area cross sections of the input channels 12, 13 should preferably correspond to the area cross section of the extended channel area 10.
  • the extended channel region 10 is essentially above to assign its extension length on both sides to a chamber 14 filled with a gas in the assembled state.
  • the microflow module comprises a second chip 2, which is shown in plan view with its essential components in FIG. 2.
  • This chip 2 can also be made of glass or silicon again. With a view to achieving a good signal-to-noise ratio and the greatest possible sensitivity, the most advantageous choice is glass for the first chip 1 and silicon for the second chip 2.
  • thermosensitive thin-film element 21 is formed by three thermopiles 211, 212, 213, each of which consists of 48 BiSb / Sb thermocouple pairs.
  • thermopiles are arranged with respect to the channel 10 on the chip 2 such that the hot contact points 214 arranged symmetrically to the longitudinal axis of the channel essentially capture the channel 10, whereas the cold contact points 215 in heat sink areas of the microflow module, in the example on the support frame 27, are arranged.
  • twenty-three thermocouples are on one side and twenty-four thermocouples on the opposite side of the channel, one thermocouple forming the contact between the two thermocouple areas.
  • Each of these thermopiles 211, 212, 213 is furthermore assigned, separated by the electrical insulation layer 22, an electrical thin-film heating element 23 such that it only covers the channel region 10.
  • each thin-film heating element is formed by a meandered NiCr layer.
  • the thin-film heating element 25 is preferably designed such that it also covers the areas of the input channels 12, 13. All of the last-mentioned electrical assemblies 211 to 213, 23 and 25 are covered with a final second insulation layer 29.
  • This layer 29 is designed as a lacquer layer and serves to protect the metallic functional layers against mechanical and chemical influences and to avoid electrical coupling between the hot contact points via the liquid.
  • the two chips 1 and 2 mentioned are connected to one another by an adhesive 28, as indicated in a section along the plane AA in FIG. 2. Anodic bonding can also be considered for the connection.
  • the input channels 12, 13 are connected to corresponding supply lines, not shown.
  • a microflow module designed in this way can be calibrated and used as described below.
  • the microflow module is calibrated in such a way that distilled water is passed through the two channels 12, 13 at a defined flow rate into the extended channel area 10.
  • the following procedure is carried out for each of the thermopiles 211, 212, 213 provided in the example: a defined heating power is applied to the thin-film heater assigned to each heating element and the response signal of the associated thermopile is recorded. This process is repeated for different heating powers, which are typically between 1 ⁇ W - 1 mW, and different flow rates, which in the example are between 0.1 - 50 ⁇ l / min.
  • calibration curves or calibration hyper surfaces are obtained for each thermopile, which represent the thermoelectric signal as a function of the heating power fed in and the flow rate.
  • Kahbrier curves can be used in the analysis of chemical reactions for the evaluation of individual thermopile signals in order to determine the power fed in by the reaction from the signal level.
  • the calibration of the Thermopiles if they are connected in series to be able to evaluate an integral signal.
  • thermopiles 211, 212, 213 are to be connected in series in this example.
  • the reagents are mixed in the Y-shaped entrance area and a chemical reaction begins.
  • the heat that is converted is integrally detected by the thermopiles, a thermal equilibrium being established over time; the initially rising thermoelectric signal saturates.
  • the microflow module is to be used as a scanning calorimeter.
  • a liquid to be examined for characteristic temperatures, phase transitions, crystallization processes or the like is fed through the input channels 12, 13 to the device.
  • the liquid is heated more and more by a linearly increasing, optionally sinusoidal or other modulated electrical heating power application of the thin-film heaters 23 and 25 and the associated thermoelectric signal is detected.
  • This signal shows a proportional increase in the thermoelectric signals following the heating power with slight deviations from the linearity at the temperatures corresponding to a specific heating power at which heat is consumed or released by physicochemical processes. The location of these deviations over time corresponds to the associated heating power and temperature.
  • thermoelectric signal with the linearly interpolated undisturbed signal as the baseline.
  • a reactant in solution should flow in through the first input channel, while a liquid, such as distilled water, which is initially free of reactants, is fed in through the second input channel.
  • This second input channel is provided with a supply hose, which is provided with a T-branching piece, not shown, to which a reservoir with an analyte liquid is connected, in such a way that analyte volumes defined in a timed manner can be added to the carrier stream.
  • analyte volumes With sufficiently small analyte volumes and a low flow rate, the entire chemical reaction takes place in the channel region 10 and is therefore detectable in its entirety.
  • analyte volumes there are defined analyte volumes in this mode of operation, so that here, in addition to a statement about the detected concentration, one can also obtain information about the amount of substance detected.
  • thermopiles used in the example have the advantage over thermoresistive measuring elements, the alternative use of which is also possible within the scope of the invention, that they do not have to be addressed with an electrical signal.
  • thermoresistive measuring elements the alternative use of which is also possible within the scope of the invention, that they do not have to be addressed with an electrical signal.
  • Example used thermopile has an expansion in the direction of
  • thermopiles Channel longitudinal axis of 3.2 mm, each covering a channel volume of 0.64 ⁇ l with the channel geometry provided here.
  • the spacing of the thermopiles from one another is chosen so that analyzer volumes up to the named size are not at all
  • thermoelectric signals of each individual thermopile are read out individually, which means that the time and location of the flow rate are also resolved
  • the thin-film heating element 25 With the help of the thin-film heating element 25 provided, extremely fast chemical reactions at low flow rates can be simulated, in which the sample volume forms the first thermopile Reached the point in time at which the simulated reaction would have practically been completed.
  • the thin-film heating element 25 can advantageously also be used when performing the scanning calorimetry described above, in order to be able to couple in a greater overall power. In addition, its use offers the possibility of thermally activating chemical reactions and then subsequently thermoelectrically recording them, as described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikroflussmodul zur chemischen Analytik. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen solchen Mikroflussmodul zu schaffen, der einen schnellen Probenwechsel und damit preiswerte Untersuchungen schnell ablaufender Prozesse zeitaufgelöst und mit kleinen Zeitkonstanten ermöglicht und wahlweise zugleich die Möglichkeit der Durchführung einer Scanning-Kalorimetrie bietet, wird dadurch gelöst, dass der Mikroflussmodul aus einem ersten Chip (1), in den ein ausgestreckter Kanalbereich (10) mit einem Y-förmig verzweigten Eingangsbereich (11), an den sich zwei Eingangskanäle (12, 13) anschliessen, eingebracht ist und der erste Chip (1) mit einem zweiten Chip (2) abdeckend verbunden ist, der kanalseitig mit wenigstens einem thermosensitiven Dünnschichtelement (21) versehen ist, besteht.

Description

Mikroflußmodul zur chemischen Analytik
Die Erfindung betrifft einen Mikroflußmodul, insbesondere für kalorimetrische Messungen im Rahmen von Forschung, Qualitätskontrolle und im Labormaßstab und für andere analytische Aufgaben.
Meßapparaturen, Auswerteeinheiten und Probenaπfhahmevorrichtungen für die genannten Anwendungen sind grundsätzhch bekannt und werden kommerziell angeboten. Mit der Meßmethode der Scanning-Kalorimetrie läßt sich bspw. erkennen, bei welcher Temperatur sich eine Probe umwandelt oder reagiert und wie groß die dazu erforderliche Wärmemenge ist, was für die genannten Anwendungszwecke eine notwendig zu wissende Größe darstellt. Gegenüber rein optischen Meßmethoden für gleiche oder ähnliche Zwecke hat die genannte Methode den Vorteil, daß auch optisch nicht transparente Proben einer Messung zugänglich sind. Gemäß dem Stand der Technik finden zur Meßprobenaufhahme thermo- statisierte Kammern, die ggf. wahlweise mit einem definierten Druck beaufschlagbar sind, Anwendung. Eine typische Probenkammer genannter Art ist z.B. dem Prospekt der Firma BAHR Theπnoanalyse GmbH DSC301 4/94 entnehmbar. Neben dem relativ kostenaufwendigen Geräteaufbau haftet solchen Lösungen im wesentlichen der Nachteil an, daß die recht voluminöse Probenkammerausbildung, mit großen Massen und isolierenden Materiahen, hohe parasitäre Wärmekapazitäten bedingen, die sich in einer zeitlichen Trägheit des Gesamtsystems bemerkbar machen.
Aus DE 44 38 785 AI ist eine als Analyse- und Dosiersystem bezeichnete Vorrichtung bekannt, bei der die eigentliche Analyse erst in einer nicht zum Dosiersystem gehörigen externen weiteren Baugruppe erfolgt, wobei zur Detektion keine thermischen Transducer zum Einsatz gelangen. Das dort vorgeschlagene System ist ein Reaktor- und Dosiersystäm, bei dem die vorgesehenen thermischen Elemente ausschließlich zur Ansteuerung von Fluidaktoren dienen. Aus der DE 44 29067 AI ist ein Probenaufhehmer und Sensor für die Scanning-Kalorimetrie, insbesondere differentielle Scanning- Kalorimetrie, bekannt, der ein Heizelement und einen Probenaumahmebereich beinhaltet, wobei ein mit einer Ausnehmung versehener Trägerrahmen eine membranförmig ausgebildete dünne Trägerschicht aufweist, auf der eine Schichtanordnung, bestehend aus wenigstens einer Sensoranordnung und einer elektrisch beheizbaren dünnen MetaUschichtstruktur, die voneinander durch eine elektrische Isolationsschicht getrennt sind, aufgebracht ist und diese mit einer weiteren, die zu untersuchende Probe aufnehmenden Schicht versehen ist. Diese Vorrichtung besitzt zwar gegenüber den sonst bekannten Vorrichtungen eine wesentlich verbesserte Zeitkonstante bezogen auf eine Einzelmessung, ermöglicht aber, wie auch die anderen bekannte Kalorimeter, nur einen sehr geringen Probendurchsatz.
Weiterhin beschreiben Xie, Mecklenberg, Danielsson, Ohmn, Winquist in "Microbiosensor based on an integrated thermopile", Analytica Chimica Acta 299 (1994), S. 165-170 einen πiiniaturisierten Biosensor zur Erfassung und Untersuchung enzymatisch katalysierter biochemischer Reaktionen, bei denen die katalysierten Enzyme auf kleine Kügelchen immobilisiert sind, welche sich in einem Untersuchungsraum befinden, der als I-förmiger Flußkanal gebildet ist. Innerhalb dieses Kanals sind Thermoelemente vorgesehen, die von der Probenflüssigkeit umspült werden. Dabei sind die heißen Kontaktstellen der Thermoelemente in der Nähe des Kanalauslaß vorgesehen, wo sich auch die genannten Kügelchen sammeln und tatsächlich auch nur dort die biochemische Reaktion katalysiert wird, was lokal zur Aufheizung der Flüssigkeit führt. Zur Analytik chemischer Reaktionen, die bspw. durch Mischung zweier in Lösung vorliegender Reaktanden induziert werden, ist dieser Mikrobiosensor wenig geeignet, da er die Reaktion nicht in ihrer Gesamtheit erfassen läßt. Dies gilt insbesondere für sehr schnelle chemische Reaktionen, die bei Verwendung des I-förmigen Kanals schon abgelaufen sein können, bevor das Probenvolumen überhaupt den detektiven Kanalbereich erreicht hat. Eine Analytik der Reaktionskinetik ist mit diesem Mikrobiosensor nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikroflußmodul zur chemischen Analytik zu schaffen, der einen schnellen Probenwechsel und damit preiswerte Untersuchungen schnell ablaufender Prozesse zeitaufgelöst und mit kleinen Zeitkonstanten ermöglicht und wahlweise zugleich die Möglichkeit der Durchführung einer Scanmng-Kalorimetrie bietet und der als Transducer für die miniaturisierte Analyse eines breiten Substanzspektrums einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt. Wesentüch im Rahmen der Erfindung ist, daß der Mikroflußmodul einen ersten Chip enthält, in den ein ausgestreckter Kanalbereich mit einem Y-förmig verzweigtem Eingangsbereich, an den sich zwei Eingangskanäle anschließen, eingebracht sind und der erste Chip mit einem zweiten Chip abdeckend verbunden ist, der kanalseitig mit wenigstens einem thermosensitiven Dünnschichtelement, bevorzugt in Form einer Thermosäule, versehen ist.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Baugruppe des Mikroflußmoduls, Fig. 2 eine zweite Baugruppe des Mikroflußmoduls und Fig. 3 einen seitlichen Schnitt des vollständigen Mikroflußmoduls entlang einer Schnittebene A-A gemäß Fig. 2.
Der Mikroflußmodul umfaßt einen ersten Chip 1, wie in Fig. 1 in Draufsicht angedeutet, der bevorzugt aus Glas oder Silizium besteht. In diesen Chip 1 ist naßchemisch ein ausgestreckter Kanalbereich 10 eingeätzt; die Ätztiefe beträgt dabei im Beispiel 100 μm bei einer Dicke des Chips 1 von 500 μm. An den ausgestreckten Kanalbereich 10 schließt sich ein Y-förmig verzweigter Eingangsbereich 11 mit zwei Eingangskanälen 12, 13 an, der im gleichen Ätzschritt hergestellt wird. Die Summe der Flächenquerschnitte der Eingangskanäle 12, 13 soll dabei bevorzugt dem Flächenquerschnitt des ausgestreckten Kanalbereiches 10 entsprechen. Jedoch sind auch andere Geometrien, insbesondere düsenähnlich wirkende Querschnittsverengungen der Eingangskanäle in Richtung des Y-förmigen Eingangsbereichs denkbar, wenn man gezielt turbulente Strömungsabschnitte schaffen will. Zur weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit des vollständigen Mikroflußmoduls ist weiterhin vorgesehen, dem ausgestreckten Kanalbereich 10 im wesentlichen über seine Erstreckungslänge beidseitig je eine, im zusammengebauten Zustand mit einem Gas gefüllte Kammer 14 zuzuordnen. Weiterhin umfaßt der Mikroflußmodul einen zweiten Chip 2, der mit seinen wesentlichen Baugruppen in Figur 2 in Draufsicht dargestellt ist. Dieser Chip 2 kann ebenfalls wieder aus Glas oder Silizium gefertigt sein. Im Hinblick auf die Erzielung eines guten Signal-Rausch- Verhältnisses und einer größtmöglichen Empfindlichkeit ist am vorteilhaftesten die Wahl von Glas für den ersten Chip 1 und von Silizium für den zweiten Chip 2. Dabei wird im Falle der Verwendung von Silizium für den zweiten Chip 2 dieser mittels bekannter Stmkturierungsschritte so ausgebildet, daß ihm eine membranbildende Ausnehmung 26 (vgl. Fig. 3) derart gegeben ist, daß die Membran mindestens den ausgestreckten Kanalbereich 10 überdeckt, bevorzugt jedoch größer ausgebildet ist, und ein als Wärmesenke wirkender Trägerrahmen 27 verbleibt. Auf diesen Chip 2 ist auf der, im zusammengebauten Zustand, dem Kanal 10 zugewandten Seite wenigstens ein thermosensitives Dünnschichtelement 21 und ein zu diesem durch eine erste Isolationsschicht 22 getrenntes elektrisches Heizelement 23 vorgesehen. Im Beispiel ist das thermosensitive Dünnschichtelement 21 durch drei Thermosäulen 211, 212, 213 gebildet, die jeweils aus 48 BiSb/Sb-Thermoschenkelpaarungen bestehen. Diese Thermosäulen sind in bezug auf den Kanal 10 so auf dem Chip 2 angeordnet, daß die heißen Kontaktstellen 214 symmetrisch zur Kanallängsachse angeordnet den Kanal 10 im wesentlichen mittig erfassen, wohingegen die kalten Kontaktstellen 215 in Wärmesenkenbereichen des Mikroflußmoduls, im Beispiel auf dem Trägerrahmen 27, angeordnet sind. Dabei liegen im Beispiel dreiundzwanzig Thermoelemente auf der einen und vierundzwanzig Thermoelemente auf der gegenüberliegenden Kanalseite, wobei ein Thermoelement den Kontakt zwischen den beiden Thermoelementbereichen bildet. Jeder dieser Thermosäulen 211, 212, 213 ist weiterhin, getrennt durch die elektrische Isolationsschicht 22, ein elektrisches Dünnschichtheizelement 23 so zugeordnet, daß dieses ausschließlich den Kanalbereich 10 überdeckt. Jedes Dünnschichtheizelement ist im Beispiel durch eine mäandrierte NiCr- Schicht gebildet. Außerdem ist zumindest über dem Gebiet des Y-förmigen Eingangsbereiches 11 ein weiteres Dünnschichtheizelement 25 vorgesehen. Für die weiter unten beschriebenen Einsatzfälle des Mikroflußmoduls wird das Dünnschichtheizelement 25 bevorzugt jedoch so ausgeführt, daß es auch die Bereiche der Eingangskanäle 12, 13 überdeckt. Alle letzt genannten elektrischen Baugruppen 211 bis 213, 23 und 25 sind mit einer abschließenden zweiten Isolationsschicht 29 überdeckt. Diese Schicht 29 ist als Lackschicht ausgeführt und dient als Schutz der metallischen Funktionsschichten gegen mechanische und chemische Einflüsse sowie zur Vermeidung eines elektrischen Überkoppelns zwischen den heißen Kontaktstellen über die Flüssigkeit. Beide genannten Chips 1 und 2 sind, wie in Fig. 3 in einem Schnitt entlang der Ebene A-A nach Fig. 2 angedeutet, miteinander durch eine Verklebung 28 verbunden. Ebenso kann für die Verbindung ein anodisches Bonden in Betracht kommen. Die Eingangskanäle 12, 13 werden mit entsprechenden, nicht dargestellten Zuleitungen verbunden.
Ein derart ausgebildeter Mikroflußmodul kann wie nachstehenden beschrieben geeicht und verwendet werden.
Die Kalibrierung des Mikroflußmoduls erfolgt derart, daß durch die beiden Kanäle 12, 13 destilliertes Wasser mit einer definierten Flußrate in den ausgestreckten Kanalbereich 10 geleitet wird. Für jede der im Beispiel vorgesehenen Thermosäulen 211, 212, 213 wird folgender Vorgang durchgeführt: der pro Heizelement zugeordnete Dünnschichtheizer wird mit einer definierten Heizleistung beaufschlagt und das Anwortsignal der zugehörigen Thermosäule erfaßt. Dieser Vorgang wird für unterschiedliche Heizleistungen, die typischerweise zwischen 1 μW - 1 mW liegen, und unterschiedliche Flußraten, die im Beispiel zwischen 0,1 - 50 μl/min liegen, wiederholt. Auf diese Weise erhält man für jede Thermosäule Kalibrierkurven, respektive Kalibrier- Hyperflächen, die das thermoelektrische Signal in Abhängigkeit von der eingespeisten Heizleistung und der Flußrate darstellen. Diese Kahbrierkurven sind bei der Untersuchung chemischer Reaktionen für die Auswertung einzelner Thermosäulensignale heranziehbar, um aus der Signalhöhe die durch die Reaktion eingespeiste Leistung zu ermitteln. In gleicher Weise, wie oben beschrieben, erfolgt die Kalibrierung der Thermosäulen, wenn diese in Serie geschaltet sind, um ein integrales Signal auswerten zu können.
In einem Beispiel der Verwendung des Mikroflußmoduls wird durch die Eingangskanäle 12, 13 je ein Strom einer in Lösung befindlichen Reagenz in den Kanalbereich 10 geleitet. Die Thermosäulen 211, 212, 213 sollen in diesem Beispiel in Serie geschaltet sein. Im Y-förmigen Eingangsbereich findet die Vermischung der Reagenzien statt, und eine chemische Reaktion beginnt zu starten. Die dabei umgesetzte Wärme wird durch die Thermosäulen integral detektiert, wobei sich im Laufe der Zeit ein thermisches Gleichgewicht einstellt; das zunächst ansteigende thermoelektrische Signal verläuft in eine Sättigung. Je geringer dabei die eingestellte Flußrate gewählt wird, womit die Verweilzeit eines bestimmten Volumens der Mischung sich verlängert, desto länger ist die Erfassung der in diesem Volumen ablaufenden Reaktion und um so größer ist die erfaßbare Wärmemenge und damit das thermoelektrische Signal und desto geringer ist das Detektionslimit für gering konzentrierte Reagenzien.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel soll der Mikroflußmodul als Scanning-Kalorimeter Verwendung finden. Dazu wird eine auf charakteristische Temperaturen, Phasenübergänge, Kristallisationsvorgänge o.a. zu untersuchende Flüssigkeit durch die Eingangskanäle 12, 13 der Vorrichtung zugeführt. Die Flüssigkeit wird durch eine linear ansteigende, wahlweise sinusförmig oder anderes modulierte elektrische Heizleistungsbeaufschlagung der Dünnschichtheizer 23 und 25 immer mehr erwärmt und das zugehörige thermoelektrische Signal erfaßt. Dieses Signal zeigt einen der Heizleistung folgenden proportionalen Anstieg der thermoelektrischen Signale mit leichten Abweichungen von der Linearität bei den einer bestimmten Heizleistung entsprechenden Temperaturen, bei denen durch physikochemische Vorgänge Wärme konsumiert oder freigesetzt wird. Die Lage dieser Abweichungen über der Zeit korrespondiert jeweils mit der zugehörigen Heizleistung und dieser zugehörigen Temperatur. Die konsumierte oder freigesetzte Wärme ergibt sich als Integral des thermoelektrischen Signals mit dem linear interpolierten ungestörten Signal als Basislinie. In einer weiteren Verwendung des Mikroflußmoduls soll durch den ersten Eingangskanal ein Reaktand in Lösung einströmen, während durch den zweiten Eingangskanal eine zunächst reaktandenfreie Flüssigkeit, wie destilliertes Wasser, zugeführt wird. Dieser zweite Eingangskanal ist mit einem Zufuhrungsschlauch, der mit einem nicht näher dargestellten T- Verzweigungsstück, an das ein Reservoir mit einer Analytflüssigkeit angeschlossen ist, derart versehen, daß zeitlich getaktet definierte Analytvolumina dem Trägerstrom zugegeben werden können. Diese Analytproben kommen im Y-förmigen Eingangsbereich mit der durch den ersten Eingangskanal zugeführten Reaktandenlösung zur Vermischung. Bei hinreichend kleinen Analytvolumina und kleiner Flußrate läuft die gesamte chemische Reaktion im Kanalbereich 10 ab und ist somit in ihrer Gesamtheit detektierbar. Im Gegensatz zu oben beschriebenen Verwendungen des Mikroflußmoduls liegen bei dieser Betriebsweise definierte Analytvolumina vor, so daß hier neben einer Aussage über die detektierte Konzentration auch eine über die detektierte Stoffmenge erhalten werden kann.
Die im Beispiel eingesetzten Thermosäulen haben gegenüber thermoresistiven Meßelementen, deren alternativer Einsatz im Rahmen der Erfindung aber ebenso möglich ist, den Vorteil, daß sie nicht mit einem elektrischen Signal angesprochen werden müssen. Jeder der im
Beispiel eingesetzten Thermosäulen hat eine Ausdehnung in Richtung der
Kanallängsachse von 3,2 mm, wobei sie jeweils bei der hier vorgesehenen Kanalgeometrie ein Kanalvolumen von 0,64 μl überdecken. Die Beabstandung der Thermosäulen voneinander ist so gewählt, daß Analyvolumina bis hinauf zu genannter Größe zu keinem
Zeitpunkt wesentliche Teile zweier benachbarter Thermosäulen erfassen.
Unter dieser Voraussetzung ist eine Einzelauslesung der thermoelektrischen Signale jeder einzelnen Thermosäule gegeben, wodurch weiterhin eine flußratenabhängige zeit- und ortsaufgelöste
Analyse der Reaktionskinetik ermöglicht wird.
Mit Hilfe des vorgesehenen Dünnschichtheizelementes 25 können äußerst schnelle chemische Reaktionen bei geringen Flußraten simuliert werden, bei denen das Probenvolumen die erste Thermosäule zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem die simulierte Reaktion praktisch schon vollständig abgelaufen wäre. Das Dünnschichtheizelement 25 kann vorteilhaft auch bei Durchführung der oben beschriebenen Scanning- Kalorimetrie Verwendung finden, um eine größere Gesamtleistung einkoppeln zu können. Darüber hinaus bietet sein Einsatz die Möglichkeit chemische Reaktionen thermisch zu aktivieren und sie dann, wie oben beschrieben, im weiteren thermoelektrisch zu erfassen.
Die beispielhaft aufgezeigten vielfältigen Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Mikroflußmoduls verdeutlichen die Multivalenz der geschaffen Vorrichtung.
Bezuεszeichenliste
1 erstes Chip
10 ausgestreckter Kanalbereich
11 Y-förmig verzweigter Eingangsbereich
12, 13 Eingangskanäle
14 gasbefüllte Kammern
2 zweites Chip
21 thermosensitives Dünnschichtelement
211, 212,
213 Thermosäulen
214 heiße Kontaktstellen der Thermosäulen
215 kalte Kontaktstellen der Thermosäulen
22 erste elektrische Isolationsschicht
23 den Thermosäulen zugeordnetes elektrisches
Dünschichtheizelement
25 elektrisches Dünnschichtheizelement
26 membranartige Ausnehmung
27 Trägerrahmen
28 Verklebung, Bondung
29 zweite Isolationsschicht
A-A Schnittebene

Claims

Patentansprüche
1. Mikroflußmodul, bestehend aus einem ersten Chip (1), in den ein ausgestreckter Kanalbereich (10) mit einem Y-förmig verzweigtem Eingangsbereich (11), an den sich zwei Eingangskanäle (12, 13) anschließen, eingebracht ist, wobei der erste Chip (1) mit einem zweiten Chip (2) abdeckend verbunden ist, der kanalseitig mit wenigstens einem thermosensitiven Dünnschicht-element (21) versehen ist.
2. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiclmet, daß dem thermosensitiven Dünnschichtelement (21) ein zu diesem durch eine erste Isolationsschicht (22) getrenntes elektrisches Dünnschichtheizelement (23) zugeordnet ist.
3. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ausgestreckten Kanalbereich (10) im ersten Chip (1) beidseitig je eine gasgefüllte Kammer (14) zugeordnet ist.
4. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermosensitive Dünnschichtelement (21) durch wenigstens eine Thermosäule (211), bestehend aus mehreren thermoelektrischen Schenkelpaarungen, gebildet ist, deren heiße Kontaktstellen (214) über dem ausgestreckten Kanalbereich (10) und deren kalte Kontaktstellen (215) in Wärmesenkenbereichen des Mikroflußmoduls angeordnet sind.
5. Mikroflußmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Thermosäulen (211, 212, 213) einander nachgeordnet über dem ausgestreckten Kanalbereich (10) vorgesehen sind, wobei eine
Möglichkeit zur getrennten Auslesung der Signale jeder einzelnen Thermosäule (211, 212, 213) als auch der eines Summensignals aller Thermosäulen (211 bis 213) vorgesehen ist.
6. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Chip (2) im Bereich des Y-förmig verzweigten Eingangsbereiches (11) mit einem weiteren Dünnschichtheizelement (25) versehen ist.
7. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Chip (1 ; 2) aus einem Glas gefertigt sind.
8. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Chip (1 ; 2) aus Silizium gefertigt sind.
9. Mikroflußmodul nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Chip (1) aus einem Glas und der zweite Chip (2) aus Silizium gefertigt ist.
10. Mikroflußmodul nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den zweiten Chip (2) abseitig des ausgestreckten Kanalbereiches (10) eine membranbildende Ausnehmung (26) eingebracht und im übrigen mit einem verbleibenden Trägerrahmen (27) versehen ist.
11. Mikroflußmodul nach Ansprach 1, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Chip (1) und der die elektrischen Baugruppen (22; 23; 25) tragende zweite Chip (2) miteinander durch eine Verklebung (28) verbunden sind.
12. Mikroflußmodul nach Ansprach 1, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Chip (1) und der die elektrischen Baugruppen (22; 23; 25) tragende zweite Chip (2) miteinander durch anodisches Bonden verbunden sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005018798A1 (en) * 2003-08-25 2005-03-03 Casio Computer Co., Ltd. Junction substrate and method of bonding substrates together
WO2011066663A1 (de) 2009-12-01 2011-06-09 Acl Instruments Ag Wärmefluss-kalorimeter
GB2499727A (en) * 2012-02-22 2013-08-28 Univ Freiberg Tech Bergakad Chip calorimeter for determining the effect of nanoparticle materials on living cells

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6703246B1 (en) * 1999-07-06 2004-03-09 The Dow Chemical Company Thermal method and apparatus
EP1627218A2 (de) * 2003-04-28 2006-02-22 Arizona Board of Regents, acting for and on behalf of, Arizona State University Thermoelektrischer biosensor für analyten in einem gas
DE10355126A1 (de) * 2003-11-24 2005-06-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Messung der bei chemischsen oder physikalischen Umsetzungen frei werdenden Wärme
FR2894668B1 (fr) * 2005-12-08 2008-01-18 Univ Maine Calorimetre permettant l'etude d'une reaction chimique en continu
JP4851831B2 (ja) * 2006-04-07 2012-01-11 学校法人明治大学 微小熱量測定装置および微小熱量測定方法
DE102007019695B4 (de) 2007-04-24 2009-08-13 Analytik Jena Ag Küvette für die optische Analyse kleiner Volumina
JP6492050B2 (ja) * 2013-03-15 2019-03-27 ザ チャールズ スターク ドレイパー ラボラトリー インク マイクロ流体熱量計のためのシステムおよび方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4408352A1 (de) * 1994-03-12 1995-09-14 Meinhard Prof Dr Knoll Miniaturisierte Durchflußmeßkammer mit integrierten Chemo- und Biosensorelementen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
DE4429067A1 (de) * 1994-08-17 1996-02-22 Inst Physikalische Hochtech Ev Probenaufnehmer und Sensor für die Scanning-Kalorimetrie
DE4438785A1 (de) * 1994-10-24 1996-05-02 Wita Gmbh Wittmann Inst Of Tec Analyse- und Dosiersystem sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4408352A1 (de) * 1994-03-12 1995-09-14 Meinhard Prof Dr Knoll Miniaturisierte Durchflußmeßkammer mit integrierten Chemo- und Biosensorelementen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung
DE4429067A1 (de) * 1994-08-17 1996-02-22 Inst Physikalische Hochtech Ev Probenaufnehmer und Sensor für die Scanning-Kalorimetrie
DE4438785A1 (de) * 1994-10-24 1996-05-02 Wita Gmbh Wittmann Inst Of Tec Analyse- und Dosiersystem sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005018798A1 (en) * 2003-08-25 2005-03-03 Casio Computer Co., Ltd. Junction substrate and method of bonding substrates together
US7205625B2 (en) 2003-08-25 2007-04-17 Casio Computer Co., Ltd. Junction substrate and method of bonding substrates together
US7867346B2 (en) 2003-08-25 2011-01-11 Casio Computer Co., Ltd. Junction substrate and method of bonding substrates together
WO2011066663A1 (de) 2009-12-01 2011-06-09 Acl Instruments Ag Wärmefluss-kalorimeter
GB2499727A (en) * 2012-02-22 2013-08-28 Univ Freiberg Tech Bergakad Chip calorimeter for determining the effect of nanoparticle materials on living cells

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