Mikrosäulenreaktor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Mikrosäulenreaktor zur Durchführung von Reaktionen an festen Phasen und/oder mit biologischen Zellen. Dabei kann der vorgeschlagene Mikrosäulenreaktor beispielsweise bei nachfolgenden Synthese- und Trennprozessen:
- Grignardreaktion und Herstellung anderer metallorganischer Verbindungen,
- Trocknen von Lösungsmitteln mit Hilfe metallischer oder oxidischer Trocknungsmittel,
- Ionenaustauschprozessen und
- der Extraktion von festen Phasen vorteilliäft zur Anwendung gelangen. Insbesondere findet die Erfindung im Bereich von komplexen kombinatorisch-chemischen oder Screening-Operationen Anwendung oder um biologische Screening- Prozesse automatisiert durchführen zu können.
Probenpartikel ("Perlen", "Beads") werden seit Jahrzehnten für die Separation und Synthese im labortechnischen Bereich eingesetzt. Meistens handelt es sich dabei um Glas- oder Polymerkügelchen, welche Durchmesser von 0.01 mm bis 1 mm, typischerweise um die 0.1 mm, besitzen und trocken oder vorgequollen als loses Schüttgut in einen Behälter gefüllt und dann mit Flüssigkeit umspült werden, wobei zwischen der Festphasenoberfläche der Partikel und der sie umgebenden Flüssigkeit ein Adsorptions- oder Reaktionsprozeß abläuft. Verfahren der Säulenchromatographie (z.B. Gelfiltration), der Säulenextraktion, der Immundiagnostik, der Biomolekülreinigung (z.B. DNA-Reinigung) sowie der homogenen und heterogenen Synthese (von Oligonukleotiden, Peptiden oder kombinatorischen Substanzbibliotheken) nutzen diese Technik aus. Bei allen diesen Verfahren und Vorrichtungen ist eine feste Phase, an die Reaktionspartner angebunden sind, oder die als Reaktionsoberfläche dient, im Reaktionsgefaß während der Reaktion fest eingebunden. Die Prozesse werden durch eine Abfolge von einzelnen Binde- und Abspaltungsvorgängen geführt. Die Entfernung der stationär
angeordneten festen Phase aus dem Reaktor ist während einer Betriebsserie derartiger Vorrichtungen nicht vorgesehen, nicht möglich oder sie ist zeitraubend und wenig praktikabel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Synthese- und Trennprozesse an kleinen Probenvolumina, einen Mikrosäulenreaktor zu schaffen, mit Hilfe dessen, anstelle einer alternierenden Folge von Binde- und Elutionsprozessen an einer während einer Betriebsserie stationär eingebundenen Phase, ein Austausch der stationären Phase, z.B. nach Beladung, erfolgen kann, um etwa komplexe Stoffgemische oder auch Partikel und Zellen effizienter zu trennen und kombinatorische Synthesen leichter und schneller durchfuhren zu können.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein Mikrosäulenreaktor zur Durchfuhrung von Reaktionen an festen Phasen und/oder mit biologischen Zellen geschaffen ist, der aus mindestens einem ersten und einem zweiten Substratplättchen besteht, die miteinander flächig verbunden sind, wobei in wenigstens eins der Substratplättchen wenigstens ein längserstreckter Kanal eingebracht ist, der in einem vorgebbaren Abschnitt seiner Länge von zwei Durchtrittsöf-hungen, die in das gegenüberliegende Substratplättchen eingebracht sind, erfaßt ist, wobei die Durchtrittsöf-hungen vom Kanal durch eine teildurchlässige siebartige Membran getrennt sind, deren Durchlaßbereiche so bemessen sind, daß sie in den Kanal eingebrachte Mikroperlen und/oder Zellen vorgebbar am Eintritt in die Durchtrittsöf-hungen hindern, und daß der Kanal, außerhalb des durch die Durchtrittsöffhungen erfaßten Abschnitts, mit wenigstens zwei weiteren Öffnungen versehen ist, die ein Einbringen und/oder Verschieben der über dem Abschnitt vorgesehenen Mikroperlen und/oder Zellen durch Anlegen eines fluidischen Drucks ermöglichen und wenigstens eine der Durchtrittsöf-hungen und eine der Öffnungen verschließbar sind. Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsform eines Mikrosäulenreaktors mit seinen --ünktionsbestimmenden Baugruppen in einer
Explosionsdarstellung, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Mikrosäulenreaktors mit seinen ftu-Mionsbestimmenden Baugruppen in einer
Explosionsdarstellung, Fig. 2a eine andere Art der Verbindung von Durchtrittsöffiiungen mit zu- bzw. abführenden Kanälen, Fig. 3 einen Längsteilschnitt durch eine Ausfuhrimgsform nach Fig. 1 oder Fig. 2,
Fig. 4 und 5 mögliche Anordnungsformen mehrerer
Mikrosäulenreaktoren, Fig. 6 eine beispielhafte Verschaltung mehrere
Mikrosäulemeaktoren zur Synthese einer speziellen Substanzbibliothek in einem Blockschema und
Fig. 7a-d eine weitere Ausfuhrungsform eines Mikrosäulenreaktors in verschiedenen Fertigungsschritten.
In Figur 1 ist 1 eine erste Ausfuhrungsform eines Mikrosäulenreaktors mit seinen fi ktionsbestimmenden Baugruppen in einer Explosionsdarstellung dargestellt. Nach Fig. 1 besteht der Mikrosäulenreaktor aus zwei Substratplättchen 1, 2, wobei im Beispiel in das erste Substratplättchen 1, hier bestehend aus Glas, mit den Abmessungen 15 mm • 8 mm • 1 mm, ein längserstreckter Kanal 3 eingebracht ist, dem eine Breite von 1 mm, eine Tiefe von 100 μm und eine Länge von 10 mm gegeben ist. Dieser Kanal ist durch zwei Öffnungen 61, 62, hier Bohrungen, mit zwei nicht dargestellten Fluidanschlüssen verbunden. Für das zweite Substratplättchen 2 ist im Beispiel ein Silizium wafer mit den Abmessungen 15 mm • 8 mm • 0.5 mm gewählt, in welches zwei Durchtrittsöffiiungen 41, 42 derart eingearbeitet sind, daß sie bei paßgenauer Positionierung zum Glasplättchen 1 einen Abschnitt a erfassen, der im Beispiel über den Endbereichen des Kanals 3 zu liegen kommt. Die Durchtrittsöfl&iungen 41, 42 sind mit einer teildurchlässigen siebartigen Membran, hier in Form einer Sihziumoxinitridporenmembran überspannt. Die Dicke der Membran beträgt im Beispiel 2 μm und die Durchlaßbereiche 51 der Membran
weisen Poren mit Durchmessern von 5 μm auf. Je nach Einsatzfall und der zum Einsatz gelangenden Mikroperlen 6 können die konkreten Größen der Durchlaßbereiche 51 variabel vorgebbar festgelegt werden. Die Porenmembran dient dem Zurückhalten der in den Kanal 3 einzubringenden Partikel oder Zellen 7. Ebenso kann im Rahmen der Erfindung, je nach Einsatz des Mikrosäulemeaktors, die Membran (5) durch eine nanoporöse Dünnschichtmembran gebildet sein, deren Porengrößen in einem Bereich zwischen 5 ... 500 um festgelegt sind. Soll den Durchtrittsöf-hungen 41, 42 eine Stmktur gegeben werden, wie sie in Fig. 3 angedeutet ist, bei der die Durchtrittsöffiiungen durch zwei an ihren schmalen Basisflächen aufeinanderstellende pyramidenstumpfförmige Kanalbereiche parallel zur Flächennormalen n des zweiten Substratplättchens 2 gebildet ist, setzt man für das Substratplättchen 2 einen Si(l 00)- Wafer ein, der beidseitig mit einer geeigneten Ätzmaske (z.B. Si-Oxinitrid) versehen ist. Diese Maske bildet an der Vorderseite ein Array von Mikrofenstera, deren Abmessungen die Porenweite festlegen. Typischerweise wird eine Porenweite von 5 μm realisiert. Diese ist bequem mit herkömmlichen Mitteln der Fotolithografie und Ätztechnik herstellbar. Mittig zu dieser Porenstruktur werden von der Rückseite des Si-Wafers zwei Fenster so strukturiert, daß beim Ätzen von beiden Seiten zwei pyramidenstrunpfförmige Kanäle entstehen, die an ihrer dem ersten Substratplättchen 1 zugewandten Oberfläche durch Siebböden verschlossen sind. Sollen mit den Durchtrittsöffnungen 41, 42 gleichzeitig Kanalstrukturen zur Fluidkontaktierung der mobilen Phase innerhalb der Substratebene des Substratplättchens 2 erzeugt werden, so daß die Anschlüsse 41, 42 bspw. seitlich an den Stirnseiten aus dem Mikrosäulenreaktor herausgeführt sind, ist für das Substratplättchen im Beispiel ein Si- Wafer (in 100-Orientierung für geneigte Kanalwände oder in 110-Orientierung für senkrechte Kanalwände) eingesetzt, der mit einer Siebporenmebranmaskenstruktur 5 versehen ist, die im Bereich des weiter verlaufenden Kanals 411, 412 durch ein der Kanalweite entsprechendes Fenster, das bis zum Chiprand reicht, begleitet wird (vgl. Fig. 7a-d). Die Rückseite des Si-Wafers bleibt völlig von einer ätzresistenten Schutzschicht (z.B. Si3N-j) bedeckt. Zunächst wird der Si- Wafer mit einem isotrop wirkenden Ätzbad (z.B. auf HF-Basis) so
geätzt, daß die Stege zwischen den Einzelporen der Siebstrukturmaske vollständig unterätzt werden. Anschließend wird mit einem anisotropen Ätzbad (z.B. auf KOH-Basis) weitergeätzt, um die geneigten bzw. senkrechten Kanalkanten zu erhalten. Die Figuren 7a-d zeigen das Ergebnis vorstehend beschriebenen Vorgehens anhand einer beispielhaften Struktur. Dabei ist aus Fig. 7 a ein in das erste Substratplättchen 1 eingebrachter Kanal 3 ersichtlich. Fig. 7b zeigt die in das zweite Substratplättchen eingebrachte Struktur mit den zum Substratrand verlängert ausgebildeten Kanalabschnitten 411 und 421, wobei Fig. 7c die Verhältnisse nach Fig. 7b im seitlichen Schnitt darstellt und Fig. 7d verdeutlicht in transparenter Darstellung in Draufsicht die Orientierung der einzelnen genannten Teile zueinander, wenn das erste und zweite Substratplättchen miteinander verbunden sind. Die zur Fig. 1 beschriebenen ersten und zweiten Substratplättchen (1, 2) werden nach Herstellung der beschriebenen Strukturen miteinander durch anodisches Bonden verbunden.
Die zuvor beschriebenen speziellen Ausfimrungsformen sind besonders vorteilhaft mit herkömmlichen Bearbeitungsschritten emgeftihrter Mikrostrakti-riemngstechniken herstellbar, beschränken die Erfindung jedoch nicht darauf. Ebenso können für das erste und/oder zweite Substratplättchen 1 , 2 ein Glasplättchen und/oder ein Plättchen aus einem Kunststoff gewählt sein, wobei der Kanal 3 in das erste Substratplättchen 1 eingebracht ist und die dem ersten Substratplättchen 1 zugewandte Oberfläche des zweiten Substratplättchens 2 durchgängig mit einer Membran überzogen ist, in die zumindest im Bereich der Durchtrittsöf-hungen 41, 42 eine mikrostrukturierte Perforation zur Bildung der Durchlaßbereiche 51 eingebracht ist. Insbesondere kann hier das zweite Substratplättchen 2 mit einer das Substratplättchen überspannenden perforierten Polymerfolie 50 versehen sein, wie es in Fig. 2 schematisch angedeutet ist. Auch eine solche Ausführung läßt andere Kanalführungen zu, wie es in Fig. 2a anhand einer beispielhaften Kanalführung 411, 421 im Substratplättchen 2 angedeutet ist.
In Figur 3 ist ein Längsteilschnitt durch eine der bislang beschriebenen Ausführungsformen nach Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt. Dabei ist
ersichtlich, wie der Kanal 3 im zusammengefugten Zustand der Substratplättchen 1, 2 mit der festen Phase, hier in Form von Mikroperlen 7 verfällt ist. Bei vorliegendem Vorschlag ist es nicht erforderlich, extreme Packungsdichten der stationären Phase 7 zu erreichen. Wichtig ist nur, daß die Abstände zwischen den Partikeln der stationären Phase 7 so bemessen sind, daß während der Verweilzeit eines Moleküls im Reaktorraum, worunter hier der durch die Durchtrittsöffiiungen 41, 42 erfaßte Abschnitt des Kanals 3 zu verstehen ist, ein genügend häufiger Kontakt mit der stationären Phase stattfindet. Das sollte bereits bei Partikelgrößen im mittleren bis unteren Mikrometerbereich bei Verweilzeiten von weniger als einer Sekunde, z.T. im unteren Millisekundenbereich, gegeben sein. Die Festlegung der Partikelgrößen und/oder der zurückzuhaltenden oder durchzulassenden Zellen erfolgt in Abhängigkeit von der vorgegebenen konkreten Aufgabenstellung und der daraufhin anzupassenden Porengröße der teildurchlässigen siebartigen Membran 5, die so festzulegen ist, daß ein Verstopfen der Poren ausgeschlossen ist. In Fig. 3 ist weiterhin schematisch angedeutet, daß die einzelnen Flußwege im dargestellten einzelne Mikrosäulenreaktor mit Hilfe von mindestens zwei Ventilen 91, 92 wahlweise verschließbar sind. Optional können auch die Öffnungen 42, 62 mit jeweils einem weiteren, in Fig. 3 nicht dargestellten Ventil verschließbar sein. Dadurch ist eine wahlfreie Adressierung der beiden Zu- 61, 41 und der beiden Abläufe 42, 62 des Mikrosäulenreaktors ermöglicht. Damit liegt ein Mikrosäulenreaktor vor, bei dem nicht nur die mobile Phase, z.B. eine homogene Flüssigkeit, deren Flußweg in Fig. 3 durch Pfeile i und o angedeutet ist, sondern auch die stationäre Phase, hier die Mikroperlen 7, bewegt werden kann. Durch Verschließen jeweils eines Zu- oder Abflusses läßt sich nun wahlweise nur die mobile Phase oder aber auch die stationäre Phase 7 als Suspension transportieren. Dadurch wird ein rascher Austausch von Trennmaterial möglich und es lassen sich durch Kombination mehrerer der beschriebenen Mikroreaktoren sogar Festphasentrenn- und Syntheselogiken aufbauen. Es können somit, aufgrund der mikrofluidischen Trennung von mobiler und stationärer Phase, auch spezifische Binde- und Abspaltprozesse durchgeführt werden, die weiter nachstehend beschrieben werden sollen.
In den Figuren 4 und 5 sind mögliche Anordnungsformen mehrerer Mikrosäulenreaktoren schematisch angedeutet. Je nach Ausführung können dabei die Mikrosäulenreaktoren diskret, analog zu den Figuren 1 und 2, ausgeführt und miteinander in Verbindung gebracht sein, oder wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, können mehrere solcher Mikrosäulenreaktoren linear (Fig. 4) jeweils eines ersten und zweiten Substratplättchens sein, oder es können auch mehrere solcher Mikrosäulenreaktoren in unterschiedlichen Ebenen (Fig. 5) miteinander in Verbindung gebracht sein, wobei jeweils eine Ebene analog zu Fig. 4 ausgeführt sein kann. Je nach vorzugebenden Reaktionsablauf können die eigentlichen Reaktorabschnitte, bestimmt durch die Länge des Abschnitts a, durch die der den Kanal 3 durch die Durchtrittsöffnungen 41, 42 erfaßt ist, zueinander in einem äquidistanten Abstand b oder in einem variabel festlegbaren Abstand c angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, die Abstände der Durchtrittsöffnungen 41, 42 von Reaktor zu Reaktor in ihrer Länge unterschiedlich festzulegen, vgl. Fig. 4, Abstände a und al. Vorgenannte Möglichkeiten sind einzig durch die mit den Mikrosäulenreaktoren durchzuführende Reaktion bestimmt. Weitere, insbesondere ebenfalls in Mikrosystemtechnik ausgeführte Baugruppen, wie bspw. optische Detektoren, Analyseeinheiten, Kalorimeter, elektrochemische Detektoren etc., können in die Zusammenschaltung mehrerer Mikrosäulenreaktoren eingebunden sein, wie es in Fig. 5 durch eine derartige Baugruppe 8 lediglich schematisch angedeutet ist.
Der vorgeschlagene Mikrosäulemeaktor und sein mehrfacher Einsatz durch Zusammenschaltung mehrere einzelner Mikrosäulenreaktoren eignet sich insbesondere für die Durchführung von automatisierten Prozessen der Wirkstoffentwicklung mittels beadgebundener Festphasensynthese. Mehrere solche Mkrosäulenreaktoren können auch untereinander und mittels vorzusehender Ventile zu Fluidlogiken zusammengeschaltet werden, um z.B. komplexere kombinatorisch-chemische oder Screening-Operationen mikroautomatisiert durchführen zu können. Speziell für biologische Screening-Prozesse können anstelle der in Fig. 3 angedeuteten Mikroperlen auch Zellen in das System eingebracht werden. Der Reaktor eignet sich auch für die mikromodulare Kombination mit
Mikrodurchflußküvetten für mikrophotometrische, mil ofluorimetrische oder mikrochemoluminometrische Messungen.
Der vorgeschlagene Mikrosäulemeaktor läßt ein Nachschieben neuer Reaktionspartner (Mikroperlen und/oder Zellen) durch den Kanal 3 durch Anlegen eines fluidischen Drucks p zu, so daß eine weitere Variabilität der Gesamtvorrichtung bei gleichzeitig geringst möglichem Totvolumen gegeben ist.
Die dargestellten vorteilhaften Einsatzmöglichkeiten sollen anhand nachfolgender Ausfuhrungsbeispiele detaillierter angedeutet werden.
Zunächst soll die Synthese einer Bibliothek der 4 Tripetide Gly-Val-Leu, Gly-Gly-Leu, Gly-Val-Ala und Gly-Gly-Ala in einem Mikroreaktorfluidsystem beschrieben werden. Zum Einsatz kommt im Beispiel ein System mit 16 Mikroreaktorsäulen, die fluidisch, wie in Fig. 6 angedeutet, verschaltet sind. Zunächst werden die Mikroreaktoren AI und Bl, sowie Cl und Dl mit Mikroperlen in Form von Polystyrol-Synthesebeads beladen, an deren Oberfläche die Aminosäure Glycin über eine Esterbindung zu einer Benzylgruppe als Spacer angekoppelt ist. Die vier Mikrosäulemeaktoren werden nach Sperrung der Fluidkanäle für die stationären Phasen (beads) durch die mit Siebböden ausgestatteten Zu- und Abführungen der Kanäle für die mobilen Phasen paarweise (A/B) mit einer 1:1 gemischten warmen Lösung von Dicyclohexylcarbodiimid und Valin, bzw. (C/D) mit einer 1:1 gemischten warmen Lösung von Dicyclohexylcarbodiimid und Glycin bespült. Die Aminogruppen der zugefiihrten Aminosäuren sind dabei durch tertiär-Butyloxycarbonylgruppen geschützt. Nach dem ersten Spülschritt werden alle stationäre Phasen in die Modulreihe 2 durch jeweiliges Anlegen eines fluidischen Drucks weiterbefördert und dort durch die in Reihe geschalteten Kanäle für die mobilen Phasen gespült und durch Durchleiten von leicht wasserhaltiger Trifluoressigsäure entschützt. Anschließend werden die fluidischen Phasen in die Modulgruppe 3 befördert, wobei die stationäre Phase von B2 nach C3 und die von C2 nach B3 geführt wird. In der Modulreihe 3 vollzieht sich analog zur Modulreihe 1 die Umsetzung mit geschützten Aminosäuren, wobei jetzt anstelle von Valin Leucin und anstelle von Glycin Alanin
zugeführt werden. Nach dieser Operation und einem ersten Spülschritt werden die stationären Phasen in die Modulreihe 4 befördert und dort die Schutzgruppen abgespalten. Die vier Gruppen von Synthesebeads werden anschließend in separaten Ausgängen entnommen und zur Freisetzung der Tripeptide die Benzylesterbindungen gespalten.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel soll die Herstellung von Ethylgrignard aus Ethylchlorid für Mikrofluidsynthesen beschrieben werden. Als stationäre Phase wird zunächst eine Suspension von Magnesiumpulver in trocknem Ethylether in einen Mikrosäulemeaktor eingetragen. Nach Sperrung des Kanals für diese stationäre Phase wird über die Zu- und Abführung für die mobile Phase der Ether durch eine warme Lösung von Ethylchlorid in Ether verdrängt. Am Ablauf der mobilen Phase wird der Ethylgrignard als Etherlösung entnommen.
Der Mikrosäulemeaktor kann wie eine Chip-Kartusche auch für die Bereitstellung von nahezu beliebigen Grignards und anderen metallorganischen Verbindungen für Mikrofluidsynthesen im Chipformat eingesetzt werden. Das System ist besonders vorteilhaft, da die Lösungen leicht wasser- und sauerstoff-frei gehalten werden können (z.B. im Gegensatz zu Mikrotite latten und Nanotiterplatten) und aufgrund des geringen Reaktionsvolumens kann die freiwerdende Reaktionswärme leicht abgeführt werden, und es kann dadurch nicht zu einem gefährlichen Überhitzen des Reaktors kommen.
Entsprechend der eingangs geschilderten Anwendungsmöglichkeiten, läßt sich der vorgeschlagene Mikrosäulemeaktor in vielfaltiger Weise vorteilhaft einsetzen.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in behebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 - erstes Substratplättchen
2 - zweites Substratplättchen
3 - Kanal
41, 42 - Durchtrittsöffhungen
411, 421 - Kanalabschnitte im zweiten Substratplättchen
5 - teildurchlässige siebartige Membran
50 - Polymerfolie
51 - Durchlaßbereiche (Poren)
61, 62 - Öffnungen im ersten Substratplättchen
7 - Mikroperlen und/oder Zellen
8 - Baugruppen, wie wie bspw. optische Detektoren,
Analyseeinheiten, Kalorimeter, elektrochemische
Detektoren etc 91, 92 - Ventile a, al - durch die Durchtrittsöffiiungen erfaßter Abschnitt b - äquidistante Abstände zwischen zusammengehörigen
Durchtrittsöffnungen c - unterschiedliche Abstände zwischen zusammengehörigen Durchtrittsöffhungen i - Zufluß für die mobile Phase o - Abfluß für die mobile Phase n - Flächennormale p - fluidischer Druck
AI bis D4 - Mikrosäule eaktoren