WO2000077511A1 - Vorrichtung zur probenvorbereitung - Google Patents

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Friedhelm Eisenbeiss
Bernd Stanislawski
Thomas Greve
Renate Bender
Roland HERGENRÖDER
Günther Weber
Benedikt Grass
Andreas Neyer
Matthias JÖHNCK
Dirk Siepe
Dusan Kaniansky
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Merck Patent Gmbh
Gesellschaft zur Förderung der Spektrochemie und angewandten Spektroskopie e.V.
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    • G01N30/62—Detectors specially adapted therefor
    • G01N30/74—Optical detectors

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized device for preparing sample material with analytes in predominantly aqueous solution.
  • sample preparation for example, precipitation or extraction.
  • sample preparation many samples remain too complex even after such pretreatments.
  • Sample preparation is represented by chromatographic or electrophoretic methods. However, in order to obtain sufficiently cleaned samples with these methods, a lot of equipment is often required.
  • Miniaturized microstructured analysis systems with planar channel systems have recently been developed for analytical applications.
  • Miniaturized analysis systems offer the advantage of mostly performing electrophoretic separations without great expense and consumption of reagents.
  • An example of this is the bioanalyzer from Agilent Technologies, Germany.
  • Analysis units for sample preparation important that large sample volumes can be processed.
  • analytes e.g. after purification If further analyzes (e.g. mass spectrometry) or derivatizations are to be carried out, they must be able to be taken from the analysis unit for sample preparation.
  • the analyte should be in the most concentrated form possible.
  • the analysis unit according to the invention has in particular a device for the precise feeding of large sample volumes over 0.1 ⁇ l and preferably a device for discharging sample parts.
  • the separation is preferably isotachophoretic.
  • the present invention therefore relates to an analysis unit for sample preparation, at least comprising a plastic flow unit with a microstructured channel system, an adapter chamber for reversibly accommodating the flow unit, a fluid supply, a voltage supply and at least one detector, characterized in that a channel section for receiving the sample is provided, at the ends of which there are fluid connections.
  • the analysis unit has a device for discharging sample parts, which essentially consists 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 branching point of the channel system and an electrical switching device.
  • peristaltic pumps, syringes or syringe pumps are used as fluid connections.
  • the present invention also relates to the use of the analysis unit according to the invention for the isotachophoretic separation of a sample.
  • the present invention also relates to the use of the analysis unit according to the invention for the depletion of matrix components from a primary sample, for the extraction of analytes from a primary sample, for the separation of analytes from the primary sample or for the enrichment of analytes in deficit.
  • Figure 1 shows a possible arrangement of the channel system for the device for sample application according to the invention
  • Figure 2 shows a possible procedure for filling a miniaturized analysis unit.
  • Figure 3 shows schematically the channel system of a flow unit with a device according to the invention for sample application and various possibilities for taking samples.
  • Figure 4 illustrates the discharge of a substance using the discharge device according to the invention.
  • Figure 5 shows a suitable device for coupling and / or decoupling optical power into defined areas of microstructured planar fluidic systems
  • Figure 6 shows schematically the connection of fluidics and electrics to a flow unit.
  • the present invention relates to an analysis unit with which more than 0.1 ⁇ l of liquid sample material can be removed quantitatively, cleaned in a controlled manner by means of electrophoretic processes and optionally analyzed or fed to further systems.
  • the total concentration of dissolved ionic components can be in a range from 1 ⁇ M to 10 mM.
  • the analysis unit according to the invention for sample preparation consists at least of the following components: _ a flow unit made of plastic with a microstructured channel system - An adapter chamber for the reversible reception of the flow unit
  • the flow unit is further structured so that a device for
  • Sample volumes between 0.1 and typically 20 ⁇ l with a deviation of less than 5% are present. If the other device parameters of the analysis unit, e.g. the power supply, which is important for effective separation and analysis, can also be applied to larger sample volumes.
  • the sample volume is only defined by the volume of the channel section, which is limited by the fluid connections.
  • a device for discharging sample parts is also preferably integrated.
  • the core of microfluidic or microstructured systems is usually a flow unit, which has at least the channel system and optional recesses for the integration of peripheral devices, and peripheral devices such as detectors, fluid connections, storage vessels, reaction chambers, pumps, control devices, etc. the flow unit can be integrated or connected to it.
  • systems are suitable as flow units for an analysis unit, in which microchannel structures are produced by joining together at least two components, such as substrate and cover, which can be closed in a liquid-tight and / or gas-tight manner.
  • the channel system of the flow unit typically has two or more channel segments for receiving separation buffers. These channel segments are each provided with fluid connections for inserting and removing the buffers. If the channel segments also serve as a separation channel, the fluid connections can also be used to remove
  • Analytes or matrix components can be used.
  • the channel system contains at least one channel segment for receiving the sample with fluid connections for introducing the sample or for removing the cleaned sample or the matrix.
  • the samples are preferably separated isotachophoretically, since this gives the possibility of enriching and separating the smallest amounts of analytes from large sample volumes.
  • the flow unit must allow the sample volume to be introduced directly between two zones of aqueous buffers at the start of the isotachoporetic separation, one buffer, the so-called lead buffer, having ions of higher electrophoretic mobility than the components of the sample to be analyzed and the other buffer, the Final buffer, ions of less electrophoretic mobility.
  • the components of the flow unit of the analysis unit preferably consist of commercially available thermoplastics, such as PMMA (polymethyl methacrylate), PC (polycarbonate), polystyrene or PMP
  • thermosetting plastics such as epoxy resins. All components of a system preferably consist of the same material.
  • the components can be produced by methods known to the person skilled in the art.
  • Components that contain microstructures can, for example, by established processes such as hot stamping, injection molding or reaction molding, to be produced.
  • 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 ⁇ m 2 .
  • 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 for the assembly of the individual components as well as for the later use of the entire one
  • the adhesive must not detach the electrode from the plastic surface.
  • the electrodes should be made of chemically inert materials such as e.g. Precious metals (platinum, gold) exist.
  • Plastic surfaces are typically metallized by electrochemical deposition of metals from metal salt solutions. 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 e.g. in US 4,590,115, EP 0 414 097, EP 0 417 037 and in Wolf and Gieseke (GD Wolf, H. Gieseke, "New Process for All-Over and Partial Metallization of Plastics," Galvanotechnik 84, 2218-2226, 1993). The wet chemical The process has in common that relatively complex pretreatment processes are necessary in order to achieve sufficient adhesive strengths.
  • the electrode structures on the plastic components are particularly preferably produced by means of a two-layer technique.
  • an adhesion-promoting layer made of chromium oxide is first created.
  • chromium oxide shows excellent adhesive properties on plastic surfaces.
  • chromium oxide is much more resistant to redox processes.
  • the noble metal such as platinum or gold or alloys of these metals, is then applied to the chromium oxide adhesive layer.
  • Precious metal layer on plastic substrates is preferably carried out in the lift-off process or by means of shadow mask technology or the structuring of metallic layers initially applied over the entire surface.
  • These process technologies are standard processes in microstructure technology. The work steps required for the two-layer technique for the above-mentioned processes are briefly described below.
  • 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. A photoresist from Allresist, Berlin (AR 5300/8), for example, has proven suitable for PMMA. After exposure and development of the 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.
  • 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 advantageous for the adhesive strength of the chromium oxide layer before the sputtering of the
  • Chromium oxide back-sputtering of the plastic in an oxygen / argon (approx. 5 vol% / 95 vol%) plasma has been proven.
  • the photoresist still present and with it the metal layer on the lacquer are detached from the plastic component in a developer from Allresist (AR 300-26).
  • 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. The metal layers are sputtered through them in analogy to the lift-off process.
  • 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 done in subsequent process steps, either by selective removal using e.g. Laser ablation (gold and platinum) or e.g. structured by selective wet chemical etching.
  • a photoresist Hoechst AG, Germany; AZ 5214
  • Au 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).
  • a developer eg AR 300-26, Allresist, Berlin.
  • 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.
  • 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.
  • the use of a so-called sealing lip ie an elevation on the substrates completely surrounding the channel structures, with heights between typically 0.5 to 5 ⁇ m, has also proven to be very advantageous with regard to the bonding process.
  • the other component, the cover is used for covering and is provided with the electrodes, for example in the case of electrophoretic analysis units.
  • the lid is referred to as an electrode lid according to the invention.
  • the flow units may require functionalization of the components that differs from this preferred arrangement. In this case, for example, more than two components, for example two lids and a substrate etc., can be joined together in order to produce channel structures lying one above the other, or further functionalities such as detection systems, reaction chambers etc. can be integrated into the components.
  • components all parts of the flow unit 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.
  • the assembly of the components is preferably carried out with high precision using an adhesive process.
  • the adhesive must not run into the channels and cover their surface, as this
  • 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.
  • an adhesive is preferably first applied to the microstructured component at the locations where there is no structuring.
  • the layer thickness is between 0.5 and 10 ⁇ m, preferably between 3 and 8 ⁇ m.
  • the application takes place by means of a flat roller application known from printing technology.
  • this is done via a structured metallic anilox roller that has a defined volume of adhesive records, a thin film of adhesive applied to a second unstructured roller, which is coated with a polymer. 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 ⁇ m on the unstructured surface of the substrate.
  • a structured metallic anilox roller that has a defined volume of adhesive records
  • a thin film of adhesive applied to a second unstructured roller, which is coated with a polymer.
  • This is applied directly to the structured substrate in such a way that there is preferably an adhesive thickness between 3 and 8 ⁇ m on the unstructured surface of the substrate.
  • Plastic (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 approximately 5 / m / cm component length.
  • 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.
  • other types of adhesives such as e.g. thermally curing adhesives are used that meet the above requirements.
  • the second component with the thin-film electrodes is suitably positioned and pressed onto the substrate, for example on an exposure machine.
  • the substrate with the applied adhesive is preferably fixed in the exposure machine in the position otherwise provided for silicon wafers.
  • 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.
  • 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).
  • the preferred optical metallic alignment marks can be applied to the lid in the same process step as the electrodes, ie preferably sputtered on, ie no additional effort is necessary.
  • the corresponding counter structures on the substrate do not require any additional processing, since these are introduced into the substrate together with the channel structures in one molding step.
  • at least one component must consist of a transparent plastic.
  • the two components are positioned with one another and pressed together with an accuracy of at least ⁇ 10 ⁇ m, typically even ⁇ 2 / m (for example the target position to the actual position of the detector electrode).
  • the high positioning accuracy supports the realization of reproducible separation and analysis results.
  • 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.
  • a component is attached using a method known in printing technology (pad printing)
  • 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.
  • a structured adhesive application using spray techniques e.g. microdrop process
  • screen printing technique is also possible, provided that the lateral dissolution of the adhesive application is sufficient.
  • pressing on the second component or pressing the components together means that the components are brought into suitable contact with one another.
  • the metallized lid and the substrate after they have been adjusted to one another, are first 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.
  • 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 absorber layer is applied simultaneously with the application of the power or detector electrodes.
  • the electrode cover can additionally be sputtered with a noble metal layer as an absorber layer at other points.
  • Absorbing the laser power includes, with a substrate (base material PMMA) with diode laser radiation (wavelength mixture of 808, 940 and 980 nm) with an output of 40 watts with a focus diameter of 1.6 mm.
  • the platinum layer is destroyed during welding.
  • 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.
  • 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.
  • the microstructuring of the components i.e. the design of the duct system can be adapted to the respective application.
  • the detection electrodes can be positioned anywhere in the channel system. However, they are particularly preferably positioned at narrow points where the channel system has a smaller diameter. A particularly good analytical resolution is thereby achieved in the detection.
  • a flow unit preferably has a plurality of segments of separation channels arranged in a row or in a branch.
  • the segments have a relatively large cross section of typically 0.01 to 1.0 mm 2 .
  • volume ratio separation channel / primary sample Flow units with different volume ratios from separation channel to primary sample (corresponds to channel segment for sample application).
  • the range of the volume ratio separation channel / primary sample typically ranges from 2/1 to 30/1. With small volume ratios a separation with low resolution is possible in a short time, with large volume ratios a separation with high resolution can be carried out with a longer separation time.
  • This device is created by the design of the channel system of the flow unit and the integration of fluid connections.
  • the channel system is opened at two points during the sample application. One opening serves to introduce the liquid, ie for example the sample solution, the other opening allows the liquid or air previously in the system to escape.
  • the principle of the application device according to the invention is accordingly the displacement of a liquid or gas volume located in a specific channel section by the sample solution.
  • the inlet and outlet opening By a suitable choice of the inlet and outlet opening, only the liquid in the intermediate channel section is displaced or the intermediate channel section is filled.
  • the liquid in any adjacent side channels that may be present is not exchanged, since there are no open inlet or outlet openings in the side channels, and so the liquid is not moved in these areas by pressure or suction. Losses or dilutions due to liquid flows at the contact surfaces to side channels are small in relation to the total sample volume, which is typically in the ⁇ l range. With a suitable constant dosing speed, the sample application can be reproduced very well. This is a great advantage over methods in which very small sample volumes of a few nanoliters are applied.
  • a feed device according to the invention is also suitable for task volumes of less than 50 nl. However, compromises are then necessary with regard to precision and accuracy.
  • the sample liquid can be transported via fluid connections, i.e. tightly connected pumps, syringes, micromixers, electro-osmosis or hydrostatic pressure, preferably via pumps and valves.
  • fluid connections i.e. tightly connected pumps, syringes, micromixers, electro-osmosis or hydrostatic pressure, preferably via pumps and valves.
  • These devices can preferably be installed outside, as close as possible to the flow unit.
  • the escaping liquid does not have to be pumped out additionally. It is displaced sufficiently effectively by the pressure of the replacement fluid injected.
  • This type of filling avoids the disadvantages of electroosmotic injection, i.e. the filling is largely independent of the sample composition, pH value and the material of the flow unit. Any disruptive fluid movement, such as hydrostatic pressure differences or electro-osmosis, is prevented by the existing valves or tightly closing pumps.
  • Viscosity and ionic strength of the sample solution or the solution to be displaced i.e. e.g. of a transport buffer have little influence on the dosage or the filling speed. It is possible,
  • the choice of material for the construction of the analysis device is subject to, i.e. in particular, the nature of the walls of the channel system of the device for sample application according to the invention has no restriction. Pressure fluctuations, pulsations, start-up or stop effects during the introduction of the sample also have no influence on the dosing accuracy.
  • the device according to the invention has wide limits with regard to the task volume due to the system.
  • the volume of the sample liquid that can be injected is determined solely by the volume of the channel section located between the openings. By varying the geometric dimensions of this section in the design of the channel system of the flow unit, sample volumes adapted to the analytical problem can be determined in advance. It is also possible to implement sections of different sizes in parallel and / or in series, so that the volume of that to be displaced by the sample solution / 77511. -ig. PCT / EP00 / 05518
  • a system for using the device according to the invention is therefore preferably provided with a plurality of channel sections of different dimensions, which can be used for the sample application via independent fluid connections. This means that sample volumes between 0.1 and 20 ⁇ l can be injected in different increments as required. In this case, variation coefficients of approximately 5%, typically below 2%, are typically achieved when sample volumes from 1 ⁇ l are applied.
  • Figure 1 shows an example of a possible arrangement of the channel system of the feed device according to the invention.
  • the channel system is divided into two channel sections 1A and 1 B with different volumes.
  • the separation channel 1C is adjacent to it.
  • the sample in section 1C is separated by applying a voltage. If only section 1A has been filled with the sample, section 1B can also be used as a separating section so that the separating section can be extended if necessary.
  • Figure 2 shows a possible procedure for filling a miniaturized analysis unit.
  • a channel system is shown consisting of three reservoirs R1 to R3, the channel sections K1 to K4
  • Fluidic connections F1 to F6 and a branch point Vz That in the The system shown in the figure has a channel section K1 for sample application.
  • the separation can take place along the channel section K2 and K3 or K2 and K4.
  • the system To carry out an isotachophoretic separation, the system must be filled with a sample and appropriate buffers.
  • the sample volume must be in contact with a buffer (leading buffer) on one side in the direction of the separation section and with another buffer (terminating buffer) on the other side.
  • Vz of the channel system it is possible to fill in different leading buffers via the reservoirs R2 and R3. Separated components can be removed from the sample via the fluid connection F3.
  • the fluid connections F2 (outlet), F4, F5 and F6 (inlets) are first opened as shown schematically under A in the figure, and the channel system via the three reservoirs with the both leading buffers (above R2 and R3, shown hatched or dotted) and the terminating buffer (above R1, shown in vertical stripes). Excess buffer can escape through the fluid connection F2.
  • channel section K1 fills with terminating buffer, section K3 with leading buffer (LE2) via R2, section K4 with leading buffer (LE1) via R3 and channel section K2 contains a mixture of the two leading buffers.
  • the fluid connections F1 and F3 remain closed in this step.
  • the channel section K2 can optionally be filled with leading buffers via R2 or R3.
  • K2 represents the first section of the separation section
  • Part B of the figure shows how the sample is introduced into the channel section K1 and how the channel section K2 is filled with a leading buffer via R3.
  • the fluid connections F5 and F6 are closed and there is no further terminating buffer via R1 or another Leading buffer (LE2) pumped over R2.
  • Fluid connection F4 is open and channel section K2 is filled with leading buffer (LE1) via R3.
  • the fluid connection F1 is open and the sample is fed via F1 (shown as wavy lines). Excess sample and excess leading buffer (LE1) can escape via the opened fluid connection F2. Because the leading buffer (LE1) and the sample volume are simultaneously pumped against each other, a particularly precise filling of the channel sections K1 and K2 is achieved. In this way it is also possible to carry out an exact filling with pumps that have a low pulsation.
  • the fluid connections are closed.
  • a closed system without hydrodynamic flow is obtained in which the separation can be carried out reproducibly.
  • the sample can be whole or in fractions over the
  • Channel sections K2 and K3 or via the channel sections K2 and K4 are separated. As soon as the sample or a selected fraction has migrated through the channel section K2 and has reached the branch Vz, it can be decided whether the separation should be carried out in the direction of K4 or K3. This is done by switching the anode potential from F4 to F6 continuously or temporarily.
  • Figure 3 shows schematically the channel system of a flow unit with a device according to the invention for sample application and various possibilities for taking samples.
  • the sections or segments of the channel system are designated by K1 to K7
  • F1 Fluid connection for filling K1 (and possibly other subsequent channel segments) with final buffer.
  • F2 fluid connection for filling with primary sample (inlet)
  • F3 fluid connection for displacing the prepared sample from K3
  • F4 fluid connection for taking the prepared primary sample from K3 (outlet)
  • F5 fluid connection for filling the flow unit with primary sample (outlet)
  • F6 Fluid connection for taking the prepared sample from K6
  • K1 is filled with final buffer, K2, K3 and K4 with the primary sample and K5, K6 and K7 with the lead buffer.
  • matrix components now migrate out of K2 - K4 into the channel segments K5-K7.
  • the analyte remains in K2-K4.
  • the final buffer in K1 the prepared secondary sample with the analyte in K2 to K4 and the master buffer and the separated matrix of the primary sample in K5 to K7.
  • the secondary sample with the analyte can now be taken from K3 via F3 (inlet) and F4 (outlet). The removal is preferably carried out under focussing conditions.
  • the separation of the analyte from the sample the channel system is filled exactly as in the case, ie K1 is filled with final buffer, K2, K3 and K4 with the primary sample and K5, K6 and K7 with the lead buffer.
  • the analyte migrates from channel segment K2-K4 Direction K5-K7.
  • the detector D1 can determine when the analyte passes the detection point and the separation is ended at the desired time.
  • the separation is ideally ended when the analyte is located in channel section K6.
  • the end buffer is then in K1, in K2 to K5 end buffer with matrix components, in K6 the analyte and in K7 the master buffer and matrix components.
  • the analyte can be taken from K6 via F6 (inlet) and F7 (outlet).
  • the removal is preferably carried out under a focusing field.
  • the channel system of the flow unit in addition to areas for sample application and a separation channel, must have at least one X or Y branching from a separation channel.
  • further branches can be introduced at any point in the channel system.
  • the electrodes that are required for the discharge device 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 ⁇ m, preferably between 20 mm to 0.1 mm in front of the junction.
  • FIG. 4 illustrates the discharge of a substance using the discharge 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 on the
  • Substance 5 in 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.
  • valves, pumps or micropumps, tight-closing micropumps, micromixers or other connections of the device according to the invention which serve to fill the channel system or to remove gas and liquid residues are referred to as fluid connections.
  • the fluid connections according to the invention are not integrated into the flow unit, but are connected to the flow unit for use from the outside, ie from the adapter chamber. In this way, only corresponding recesses have to be provided in the flow unit are, which is much cheaper, especially for flow units that are replaced after use, than the installation of expensive valves, etc.
  • the zones of the buffers and the sample liquid within the channel system of the flow unit must be reproducible at the locations specified by the geometry of the flow unit.
  • micropumps can be done using commercially available micropumps. However, it has been shown that these micropumps frequently have disadvantages, such as inadequate service life, non-reproducible flow rates or gas evolution under pump load. The use of micropumps is therefore not preferred according to the invention. Rather, it has been found that conventional pumps / syringes and valves can be used for miniaturized applications. The prerequisite for this is the time synchronization of the hydrodynamic processes.
  • the voltage supply serves to carry out the electrophoretic separation. It is carried out by connecting power electrodes to the flow unit or preferably by contacting power electrodes integrated in the flow unit via corresponding connections.
  • the device for voltage supply preferably supplies current strengths between 0 and 50 ⁇ A at a maximum voltage of 8 KV. The voltage fluctuation should not exceed ⁇ 2%. Detectors:
  • the analytes are preferably detected optically or electrochemically.
  • the detectors of the analysis unit according to the invention are designed such that corresponding ones are located on the flow unit
  • Contact points which are then from the outside, i.e. usually from the adapter chamber, can be connected.
  • an electrical detection there are accordingly either integrated electrodes in the flow unit, which can be contacted from the outside, or recesses, into which electrodes can be introduced reversibly from the outside.
  • optical detectors there are accordingly either integrated electrodes in the flow unit, which can be contacted from the outside, or recesses, into which electrodes can be introduced reversibly from the outside.
  • the detector electrodes and the conductivity detector must be decoupled. This is preferably done using PTFE (polytetrafluoroethylene) insulated coils.
  • 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.
  • methods are predominantly used in which optical fibers are positioned directly in front of a glass capillary (eg "classic CE").
  • LIF laser-induced fluorescence measurement
  • microstructured channels in Planar two-dimensional systems have become established in which the exciting laser light is focused on the channel using free-beam optics and the fluorescence is detected using a free-beam optical system (microscope, possibly confocal, with an optical detector, e.g. CCD camera).
  • the coupling in and / or coupling out of optical power into defined areas of microstructured planar fluidic systems is implemented in a suitable manner by the arrangement shown in FIG.
  • This preferred arrangement allows one or more optical fibers to be brought up to the microstructured channels.
  • the arrangement consists of a so-called double cone (7) into which optical fibers (8) are introduced.
  • this double cone closes the channel, i.e. the fluid system (6) is liquid and gas tight and at the same time enables optical power to be guided into and out of the channel at defined positions.
  • the optical fiber is essentially replaced by a tube with a very thin diameter for the fluidic connection technology, the fluidic and optical connections can be combined in a simple manner.
  • the connection by means of a double cone can therefore also be used for fluid connections if a tube or a capillary is inserted instead of the optical fibers.
  • optical fiber is not to be in direct contact with the liquid in order to avoid contamination of it, a thin one can
  • Material layer (9) remain in the substrate (2). In this case the cone has no sealing function.
  • the adapter chamber typically has a device for locking the flow unit. Furthermore, it serves the reversible connection of fluidics, electrics, electronics and optical connections. In this way, the flow unit can contain only the channel system and necessary recesses for connecting fluidics, electrics, etc., if possible. All other functionalities are provided by the adapter chamber and, if required, can be connected to the flow unit.
  • the flow unit can be replaced as often as required or with regard to the design of the channel structure and optional additional functions such as certain detectors.
  • the adapter chamber thus contains, for example, a selection of the following functionalities: reversible connections of the power electrodes to the power supply, reversible connection of the detection electrodes to the measuring device for electrical conductivity, supply and discharge capillaries for separating buffers and sample material, connections for invasive detectors (potentiometric or amperometric detectors, optical fibers for Transmitted light, scattered light or fluorescence measurement etc.), dissipative capillaries for discharging separated components, cooling device for dissipating Joule heat during electrophoresis, device for controlling the relative air humidity and dust particle density in the vicinity of the flow unit.
  • connection elements are connections which ensure the connection between the flow unit and the functionalities in the adapter chamber.
  • the force that is required for the seal between the connection elements and the recesses on the flow unit is preferably conveyed by a pressure plate which presses the holder with the connection elements onto the flow unit.
  • the connection elements are preferably supplied by leads from the rear side of the holder.
  • connection elements are not fixed in position in a holder, but can be connected to any position in the flow unit via variable hoses or telescopic arms.
  • the seal for each connection must be individually e.g. with brackets etc. This embodiment allows greater variability in the design of the flow unit, but requires greater effort in connecting it.
  • the line and detection electrodes are therefore connected to the supply voltage and the conductivity detector via telescopic electrodes which are attached to one side of the holder.
  • the fluid connections are mounted on the holder in a positionally corresponding manner to the flow unit. Should a flow unit with modified Capillary geometry are used, the holder must be replaced with a holder with appropriately positioned fluid connections.
  • FIG. 6 shows schematically the connection of fluidics and electrics to a flow unit.
  • the flow unit consists of a substrate (1) and a cover (2).
  • the substrate (1) is microstructured so that the channel system (3) is created.
  • a power or detection electrode (4) is applied to the cover (2).
  • the flow unit is held by a locking device (5).
  • the holder (6) with the connection elements, a fluid connection (8a-8c) and an electrode connection (9a-9c) is located above the flow unit.
  • the fluid connection is additionally held here by an exchangeable sealing plate (7) with contact elements.
  • the fluid connection consists essentially of a hose connection (8a) with a pressure screw for fastening and sealing the supplying capillary, a sealing element (8b) and a further sealing element (8c), which can be inserted with a precise fit into the recess in the substrate (1) and thus the connection of the fluid connection with the channel structure.
  • the electrode connection essentially consists of an electrical one
  • control of the analysis unit according to the invention including the
  • Power supply, the switching of the voltage, the detectors, the fluid connections etc. are preferably carried out by means of appropriate computer systems. It is also possible to provide manual control for certain switching operations. If the analysis unit has a device for discharging substances, the switching device required for this process is typically also integrated into the general switching system.
  • the combination of the sample application according to the invention enables the analysis unit according to the invention, the possibility of integrating electrodes at any point in the flow unit and the discharge device according to the invention for carrying out the most varied separations and analyzes. Since very large sample volumes can be placed, the analysis unit is particularly suitable for sample preparation. For example, the following separation and analysis problems can be dealt with:
  • Low molecular weight salts are extracted electrophoretically from the primary sample.
  • the secondary sample thus produced is then preferably fed hydrodynamically to a further analytical process. More details on the matrix depletion in acidic or basic proteins can be found in Examples 1 and 2.
  • Example 4 shows the separation of organic acids from wine.
  • the analysis unit permits the enrichment of analytes which are contained in traces in a matrix of similarly electrophoretically mobile substances if conditions can be found under which the electrokinetic mobilities of the analytes differ by a few percent from the electrokinetic molilities of the excess components.
  • the process of isotachophoresis enables the separation of dissolved ionic components.
  • molecular interactions between components of the primary sample with a stationary, heterogeneous phase play no role.
  • no homogeneous, stationary phases such as immobilized buffers or pore-forming gels are used.
  • a so-called spacer is preferably used, which is added to the primary sample.
  • the spacer has a similar electrophoretic
  • the analysis unit according to the invention is preferably used in such a way that series of sample feeds which follow one another in time can be carried out without renewing reagents or the flow unit. After completing the series, the reagents and flow unit can be easily replaced.
  • a great advantage of the invention is that the analytical performance of the sample preparation is repeatedly available over a long period of time without maintenance and the location and time of the analytical use can be selected within a wide range. In a preferred one
  • the analysis unit according to the invention combines the advantages of a software-monitored complete system: standardization of sample preparation, repeatability of separation, quality control, intrinsic error detection, with the advantages of miniaturization, such as low device costs, mobility, small size, low operating costs and simple operation
  • the power electrode of the end buffer is connected as a cathode.
  • the acidic proteins have a negligible net charge and do not migrate in the electrical field, but remain in the sample input segment during isotachophoresis.
  • the basic proteins have a positive excess charge and migrate in the direction of the cathode.
  • Matrix-depleted, acidic proteins can be taken as a secondary sample from the sample input segment, or the basic proteins are taken from a separation channel segment. The extraction of the basic proteins requires a longer separation time.
  • Lead buffer 20 mM sodium acetate + acetic acid + MHEC (methylhydroxyethyl cellulose to suppress the electroosmotic
  • the composition of the sample is according to Example 1.
  • the power electrode of the end buffer is connected as an anode.
  • Buffer system :
  • the power electrode of the lead buffer is connected as an anode:
  • Lead buffer 20mM HCL + Histdin + MHEC
  • pH 7-8 lead buffer 20 mM HCI + imidazole + MHEC
  • the primary sample, serum, is diluted 10-fold with water and filtered through a 0.45 ⁇ m membrane.
  • Figures 8 to 10 show the separation of the following samples. The time in seconds is shown on the abscissa, the resistance R on the ordinate.
  • the aspartate added in Example 4 b) and c) acts as an internal standard and as a spacer between gluconate (9) and succinate (11).

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Analyseeinheit zur Probenvorbereitung, zumindest umfassend eine Durchflusseinheit aus Kunststoff mit einem mikrostrukturierten Kanalsystem, eine Adapterkammer zur reversiblen Aufnahme der Durchflusseinheit, eine Fluidikversorgung, eine Spannungsversorgung und mindestens einen Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Kanalabschnitts, an dessen Enden jeweils Fluidikanschlüsse vorhanden sind, Probenvolumina zwischen 0,1 und 20 νl mit einer Abweichung von unter 5 %, zumeist zwischen 1 bis 5 %, aufgegeben werden können.

Description

Vorrichtung zur Probenvorbereitung
Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Vorrichtung zur Vorbereitung von Probenmaterial mit Analyten in überwiegend wässriger Lösung.
Insbesondere bei der Analyse und Extraktion von komplexen Materialien wie z.B. Zellen, Blut oder Nahrungsmitteln müssen vor der eigentlichen Analyse oder Isolierung bestimmter Komponenten aufwendige Reinigungsschritte durchgeführt werden, um die Analyten von der komplexen und oft störenden Matrix zu befreien. Erst durch diese Vorreinigung wird die weitere Analyse oder Aufreinigung möglich.
Bekannte Methoden zur Probenvorbereitung sind beispielsweise Fällungen oder Extraktionen. Doch auch nach derartigen Vorbehandlungen bleiben viele Proben noch zu komplex. Eine weitere Möglichkeit zur
Probenvorbereitung stellen chromatographische oder elektrophoretische Methoden dar. Um mit diesen Verfahren jedoch ausreichend gereinigte Proben zu erhalten, ist oftmals ein hoher apparativer Aufwand nötig.
Für analytische Anwendungen wurden in der letzten Zeit miniaturisierte mikrostrukturierte Analysensysteme mit planaren Kanalsystemen (Mikrochips) entwickelt. Miniaturisierte Analysensysteme bieten den Vorteil, zumeist elektrophoretische Trennungen ohne großen Aufwand und Verbrauch an Reagenzien durchzuführen. Ein Beispiel hierfür ist der Bioanalyzer von Agilent Technologies, Deutschland.
Diese Systeme sind jedoch ausschließlich für analytische Zwecke konzipiert. Voraussetzung für eine effektive und empfindliche Analyse ist jedoch oftmals eine effektive Probenvorbereitung, die diese Systeme nicht leisten können. Nur ein sehr geringer Teil des Probenvolumens gelangt letztendlich in den Trennkanal. Dadurch ist es schwierig, ein Volumenelement einzubringen, das eine statistisch repräsentative Zusammensetzung der ursprünglichen Probe besitzt. Nach erfolgter Analyse wird der Mikrochip verworfen. Die Analyten verbleiben auf dem Mikrochip.
Demnach sind derartige Analysensyteme nicht zur Probenvorbereitung geeignet. Es ergibt sich daher die Aufgabe, das vorteilhafte Konzept der miniaturisierten Analysensysteme zu nutzen und Systeme zu entwickeln, die insbesondere für die Probenvorbereitung geeignet sind. Dazu müssen die Analyseeinheiten folgende Anforderungen erfüllen: - im Gegensatz zu rein analytischen Systemen ist es bei
Analyseeinheiten zur Probenvorbereitung wichtig, daß große Probenvolumina verarbeitet werden können.
- Falls die Analyten nach der Aufreinigung z.B. weiteren Analysen (z.B. Massenspektrometrie) oder Derivatisierungen zugeführt werden sollen, müssen sie aus Analyseeinheit zur Probenvorbereitung entnommen werden können.
- Sehr geringe Mengen an Analyt müssen aus einer großen Menge an Probenmatrix isoliert werden können.
- Nach der Aufreinigung sollte der Analyt in möglichst konzentrierter Form vorliegen.
Es wurde gefunden, daß die oben genannten Anforderungen zur Probenvorbereitung von einer miniaturisierten Analyseeinheit, bestehend aus einem mikrostrukturierten planaren Kanalsystem aus Kunststoff als Durchflußeinheit, einer Adapterkammer zur reversiblen Aufnahme der Durchflußeinheit, einer Fluidikversorgung, einer Spannungsversorgung und
Detektoren, erfüllt werden. Die erfindungsgemäße Analyseeinheit besitzt insbesondere eine Vorrichtung zur präzisen Aufgabe von großen Probenvolumina über 0,1 μl und bevorzugt eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Probenteilen. Die Auftrennung erfolgt bevorzugt isotachophoretisch. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Analyseeinheit zur Probenvorbereitung, zumindest umfassend eine Durchflußeinheit aus Kunststoff mit einem mikrostrukturierten Kanalsystem, eine Adapterkammer zur reversiblen Aufnahme der Durchflußeinheit, eine Fluidikversorgung, eine Spannungsversorgung und mindestens einen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Probe ein Kanalabschnitt vorgesehen ist, an dessen Enden sich jeweils Fluidikanschlüsse befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Analyseeinheit eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Probenteilen, die im wesentlichen aus einem Kanalsystem mit mindestens einer Y- Verzweigung, mindestens drei Transportelektroden und mindestens einer Detektionsvornchtung vor besagter Verzweigungsstelle des Kanalsystems und einer elektrischen Schaltvorrichtung besteht.
In einer bevorzugte Ausführungsform werden als Fluidikanschlüsse Peristaltikpumpen, Spritzen oder Spritzenpumpen verwendet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Analyseeinheit zur isotachophoretischen Auftrennung einer Probe.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zudem die Verwendung der erfindungsgemäßen Analyseeinheit zur Abreicherung von Matrixkomponenten aus einer Primärprobe, zur Extraktion von Analyten aus einer Primärprobe, zur Abtrennung von Analyten aus der Primärprobe oder zur Anreicherung von Analyten im Unterschuß.
Abbildung 1 zeigt eine mögliche Anordnung des Kanalsystems für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Probenaufgabe Abbildung 2 zeigt eine mögliche Vorgehensweise bei der Befüllung einer miniaturisierten Analyseeinheit.
Abbildung 3 zeigt schematisch das Kanalsystem einer Durchflußeinheit mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probenaufgabe und verschiedenen Möglichkeiten zur Probenentnahme.
Abbildung 4 veranschaulicht das Ausschleusen einer Substanz mithilfe der erfindungsgemäßen Ausschleusevorrichtung.
Abbildung 5 zeigt eine geeignete Vorrichtung zum Ein- und/oder Auskoppeln optischer Leistung in definierte Bereiche mikrostrukturierter planarer fluidischer Systeme
Abbildung 6 zeigt schematisch die Anbindung von Fluidik und Elektrik an eine Durchflußeinheit.
Die Erläuterungen zu den Abbildungen 7 bis 10 finden sich in den Beispielen 3 und 4.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Analyseeinheit, mit der über 0,1 μl flüssiges Probenmaterial quantitativ entnommen, mittels elektrophoretischer Prozesse kontrolliert aufgereinigt und optional analysiert oder weiteren Systemen zugeführt werden kann. Die Gesamtkonzentration an gelösten, ionischen Komponenten kann dabei in einem Bereich von 1 μM bis 10 mM liegen.
Die erfindungsgemäße Analyseeinheit zur Probenvorbereitung besteht zumindest aus den folgenden Bestandteilen: _ einer Durchflußeinheit aus Kunststoff mit einem mikrostrukturierten Kanalsystem - einer Adapterkammer zur reversiblen Aufnahme der Durchflußeinheit
- einer Fluidikversorgung
- einer Spannungsversorgung
- mindestens einem Detektor Die Durchflußeinheit ist weiterhin so strukturiert, daß eine Vorrichtung zur
Aufgabe von Probenvolumina zwischen 0,1 und systembedingt typischerweise 20 μl mit einer Abweichung von unter 5% vorhanden ist. Falls die übrigen Geräteparameter der Analyseeinheit, wie z.B. die Stromversorgung, die für eine effektive Trennung und Analyse wichtig sind, angepasst werden, können auch größere Probenvolumina aufgegeben werden. Das Probenvolumen wird lediglich durch das Volumen des Kanalabschnittes definiert, der von den Fluidikanschlüssen begrenzt wird. Bevorzugt ist zudem eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Probenteilen integriert.
Im folgenden wird der Aufbau der einzelnen Teile der erfindungsgemäßen Analyseeinheit beschrieben:
Durchflußeinheit: Das Kernstück mikrofluider bzw. mikrostrukturierter Systeme sind in der Regel eine Durchflußeinheit, die zumindest das Kanalsystem sowie optional Aussparungen zur Integration peripherer Einrichtungen aufweist, und peripheren Einrichtungen, wie Detektoren, Fluidikanschlüsse, Vorratsgefäße, Reaktionskammern, Pumpen, Steuervorrichtungen etc., die jn die Durchflußeinheit integriert bzw. daran angeschlossen werden können. Als Durchflußeinheiten für eine Analyseeinheit sind erfindungsgemäß Systeme geeignet, in denen durch Zusammenfügen von mindestens zwei Bauteilen, wie z.B. Substrat und Deckel, Mikrokanal- strukturen erzeugt werden, die flüssigkeits- und/oder gasdicht verschlossen werden können. Das Kanalsystem der Durchflußeinheit weist typischerweise zwei oder mehrere Kanalsegmente für die Aufnahme von Trennpuffern auf. Diese Kanalsegmente sind jeweils mit Fluidikanschlüssen zum Ein- und Ausbringen der Puffer versehen. Falls die Kanalsegmente zusätzlich als Trennkanal dienen, können die Fluidikanschlüsse auch zur Entnahme von
Analyten oder Matrixkomponenten genutzt werden.
Weiterhin enthält das Kanalsystem mindestens ein Kanalsegment für die Aufnahme der Probe mit Fluidikanschlüssen zum Einbringen der Probe bzw. zum Ausbringen der aufgereinigten Probe oder der Matrix.
Bevorzugt werden mit der erfindungsgemäßen Analyseeinheit die Proben isotachophoretisch aufgetrennt, da damit die Möglichkeit gegeben ist, kleinste Mengen von Analyten aus großen Probenvolumina anzureichern und zu separieren. Dafür muß die Durchflußeinheit es gestatten, das Probenvolumen zu Beginn der isotachoporetischen Trennung direkt zwischen zwei Zonen von wässrigen Puffern einzubringen, wobei ein Puffer, der sogenannte Leitpuffer, Ionen von höherer elektrophoretischer Mobilität aufweist als die zu analysierenden Komponenten der Probe und der andere Puffer, der Schlußpuffer, Ionen von geringerer elektrophoretischer Mobilität.
Die Bauteile der Durchflußeinheit der Analyseeinheit 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.
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.
Zur Integration von Elektroden in die Durchflußeinheit 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 gesamten
Vorrichtung 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.
Die Metallisierung von Kunststoffoberflächen erfolgt typischerweise durch elektrochemisches Abscheiden von Metallen aus Metallsalzlösungen. 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 Kunststoffen," Galvanotechnik 84, 2218-2226, 1993). Den naßchemischen Verfahren gemeinsam ist, daß relativ aufwendige Vorbehandlungsprozesse notwendig sind, um ausreichende Haftfestigkeiten zu erreichen.
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.
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.
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 Gold oder Legierungen dieser Metalle, aufgetragen.
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.
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.
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 aufgesputtert.
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.
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.
Nach Produktion und Vorbereitung der einzelnen Bauteile werden diese 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 elektro- phoretischen Analyseeinheiten mit den Elektroden versehen. In diesem Fall wird der Deckel erfindungsgemäß als Elektrodendeckel bezeichnet. Für bestimmte Anwendungen können die Durchflußeinheiten 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, 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 näheren Beschreibung der Ausführungsform der speziellen Bauteile und stellt keine Einschränkung bezüglich weiterer Eigenschaften der Bauteile, wie Mikrostrukturierung etc., oder deren Kombination untereinander dar.
Das Zusammenfügen der Bauteile erfolgt bevorzugt mit hoher Präzision mittels eines Klebeverfahrens. 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. Genauso beeinträchtigt das Verkleben der Elektroden mit Klebstoff deren Funktionsfähigkeit.
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.
Zum Zusammenfügen der Bauteile wird erfindungsgemäß bevorzugt zunächst auf das mikrostrukturierte Bauteil an den Stellen, an denen keine 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.
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.
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.
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.
Es wurde gefunden, daß die bevorzugten optischen metallischen 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 einem 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 /m (z.B. Soll- zu Ist-Position der Detektorelektrode) zueinander positioniert und zusammengepreßt. Die hohe Positioniergenauigkeit unterstützt die Realisierung reproduzierbarer Trenn- und Analyseergebnisse. Nun wird mit einer UV-Lampe der Klebstoff poiymerisiert. Nach dem Abschalten des Vakuums für die Deckelhalterung bzw. Lösen der mechanischen Fixierung wird die Durchflußeinheit aus der Belichtungsmaschine entnommen.
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.
Auch ein strukturierter Kleberauftrag mittels Sprühtechniken (z.B. microdrop-Verfahren) oder unter Verwendung der Siebdrucktechnik ist möglich, sofern die laterale Auflösung des Kleberauftrags ausreicht.
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.
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.
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. Diese Absorberschicht wird gleichzeitig mit dem Aufbringen der Leistungs- bzw. Detektorelektroden aufgebracht. Beispielsweise kann der Elektrodendeckel beim Besputtem der Elektroden mit Edelmetall zusätzlich an weiteren Stellen mit einer Edelmetallschicht als Absorberschicht besputtert werden.
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. Die Kontaktierung der Transport- und Detektionselektroden sowie die automatische Regelung und das Umschalten des elektrischen Flusses erfolgen nach dem Fachmann bekannten Methoden.
Die Mikrostrukturierung der Bauteile, d.h. die Konzeption des Kanalsystems kann auf die jeweilige Anwendung angepaßt werden. Die Detektionselektroden können an jeder beliebigen Stelle im Kanalsystem positioniert werden. Besonders bevorzugt werden sie jedoch an Engstellen positioniert, an denen das Kanalsystem einen geringeren Durchmesser hat. Dadurch wird bei der Detektion eine besonders gute analytische Auflösung erzielt.
Bevorzugterweise besitzt eine Durchflußeinheit mehrere Segmente von Trennkanälen in Reihenanordnung oder in Verzweigung. Die Segmente besitzen einen relativ großen Querschnitt von typischerweise 0,01 bis 1 ,0 mm2. Zwischen den Segmenten sind Engstellen von Querschnitten < 0,01 mm2, die bei der Herstellung wahlweise mit einem Detektor versehen werden können. Auf diese Weise ist es möglich, mit einem Baumuster für die Kapillarstruktur durch Variation der Position des Detektors
Durchflußeinheiten mit verschiedenen Volumenverhältnissen von Trennkanal zu Primärprobe (entspricht Kanalsegment zur Probenaufgabe) herzustellen. Die Spanne des Volumenverhälnisses Trennkanal/Primärprobe reicht typischerweise von 2/1 bis 30/1. Bei kleinen Volumenverhältnissen ist eine Trennung mit geringer Auflösung in kurzer Zeit möglich, bei großen Volumenverhältnissen kann eine Trennung mit hoher Auflösung bei längerer Trennzeit durchgeführt werden.
Vorrichtung zur Probenaufgabe:
Diese Vorrichtung wird durch die Konzeption des Kanalsystems der Durchflußeinheit und die Integration von Fluidikanschlüssen erzeugt. Im Gegensatz zu anderen Aufgabemethoden wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Kanalsystem während der Probenaufgabe an zwei Stellen geöffnet. Eine Öffnung dient zur Einleitung der Flüssigkeit, d.h. beispielsweise der Probenlösung, die andere Öffnung ermöglicht den Austritt der vorher im System befindlichen Flüssigkeit oder Luft. Prinzip der erfindungsgemäßen Aufgabevorrichtung ist demnach das Verdrängen eines in einem bestimmten Kanalabschnitt befindlichen Flüssigkeits- oder Gas-Volumens durch die Probenlösung.
Durch geeignete Wahl der Eintritts- und Austrittsöffnung wird lediglich die Flüssigkeit in dem dazwischenliegenden Kanalabschnitt verdrängt bzw. der dazwischenliegende Kanalabschnitt gefüllt. Die Flüssigkeit in eventuell vorhandenen angrenzenden Seitenkanälen wird nicht ausgetauscht, da sich in den Seitenkanälen keine geöffneten Eintritts- oder Austritts- Öffnungen befinden und so die Flüssigkeit in diesen Bereichen weder durch Druck noch durch Sog bewegt wird. Verluste bzw. Verdünnungen durch Flüssigkeitsströme an den Kontaktflächen zu Seitenkanälen sind im Verhältnis zum gesamten Probenvolumen, das typischerweise im μl- Bereich liegt, gering. Bei geeigneter konstanter Dosiergeschwindigkeit kann die Probenaufgabe sehr gut reproduzierbar erfolgen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Methoden, bei denen sehr kleine Probenvolumina von wenigen Nanolitem aufgegeben werden. Eine erfindungsgemäße Aufgabevorrichtung ist prinzipiell auch für Aufgabenvolumina von weniger als 50 nl geeignet. Jedoch sind dann bezüglich Präzision und Genauigkeit Kompromisse notwendig.
Der Transport der Probenflüssigkeit kann über Fluidikanschlüsse, d.h. dicht angeschlossene Pumpen, Spritzen, Mikromischer, Elektroosmose oder hydrostatischen Druck erfolgen, bevorzugt über Pumpen- und Ventile.
Diese Vorrichtungen können bevorzugt außerhalb, möglichst dicht an der Durchflußeinheit, angebracht werden. Die austretende Flüssigkeit muß nicht zusätzlich abgepumpt werden. Sie wird durch den Druck der injizierten Ersatzflüssigkeit hinreichend effektiv verdrängt.
Durch diese Art des Befüllens werden die Nachteile der elektroosmotischen Injektion vermieden, d.h. die Befüllung ist weitgehend unabhängig von Probenzusammensetzung, pH-Wert und dem Material der Durchflußeinheit. Durch die vorhandenen Ventile oder dichtschließenden Pumpen wird jede störende Flüssigkeitsbewegung, wie beispielsweise durch hydrostatische Druckdifferenzen oder Elektroosmose, unterbunden.
Viskosität und lonenstärke der Probenlösung oder der zu verdrängenden Lösung, d.h. z.B. eines Transportpuffers, haben nur geringen Einfluß auf die Dosierung oder die Einfüllgeschwindigkeit. Es ist möglich,
Suspensionen, Emulsionen, partikel- und zellhaltige Flüssigkeiten einzufüllen. Genauso unterliegt die Wahl des Materials zum Aufbau der Analysenvorrichtung, d.h. besonders die Beschaffenheit der Wände des Kanalsystems der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probenaufgabe keiner Einschränkung. Auch Druckschwankungen, Pulsationen, Anlaufoder Stopeffekte während des Einbringens der Probe haben auf die Dosiergenauigkeit keinen Einfluß.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt bezüglich des Aufgabevolumens systembedingt weite Grenzen. Das Volumen der Probeflüssigkeit, die injiziert werden kann, wird allein durch das Volumen des Kanalabschnitts bestimmt, der sich zwischen den Öffnungen befindet. Durch Variation der geometrischen Abmessungen dieses Abschnitts bei dem Design des Kanalsystems der Durchflußeinheit lassen sich vorab an das analytische Problem angepasste Probenvolumina festlegen. Genauso ist es möglich, verschieden große Abschnitte parallel und/oder in Reihe zu implementieren, so daß das Volumen des durch die Probenlösung zu verdrängenden /77511 . -i g . PCT/EP00/05518
Abschnitts variiert werden kann. Bevorzugterweise wird deshalb ein System zur Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Kanalabschnitten unterschiedlicher Dimension versehen, die über jeweils unabhängige Fluidikanschlüsse für die Probenaufgabe verwendet werden können. Dadurch können Probenvolumina zwischen 0,1 und 20 μl in unterschiedlicher Abstufung je nach Bedarf injiziert werden. Dabei werden üblicherweise Variationskoeffizienten bei der Aufgabe von Probenvolumina ab 1 μl von etwa 5%, typischerweise unter 2% erreicht.
Auf diese Weise können quantitativ reproduzierbare und leicht handhabbare repräsentative Probenmengen eines flüssigen Analyten in ein mikrostrukturiertes System eingebracht werden.
Abbildung 1 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung des Kanalsystems der erfindungsgemäßen Aufgabevorrichtung. Das Kanalsystem ist in zwei Kanalabschnitte 1A und 1 B mit unterschiedlichem Volumen unterteilt. Daran angrenzend befindet sich der Trennkanal 1C. Über die Fluidikanschlüsse 11 , 12 und 13 kann entweder der Kanalabschnitt 1 A (Bei Öffnen der Anschlüsse 11 und 12) oder der Kanalabschnitt 1 B (Bei Befüllen über die Anschlüsse 12 und 13) oder die beiden Kanalabschnitte zusammen (bei Befüllen über die Anschlüsse 11 und 13) mit der Probenlösung gefüllt werden. Nach Befüllen der Aufgabeabschnitte wird durch Anlegen einer Spannung die Probe in Abschnitt 1C aufgetrennt. Falls nur Abschnitt 1A mit der Probe befüllt wurde, kann auch Abschnitt 1 B als Trennstrecke genutzt werden, so daß die Trennstrecke bei Bedarf verlängert werden kann.
Abbildung 2 zeigt eine mögliche Vorgehensweise bei der Befüllung einer miniaturisierten Analyseeinheit. Dargestellt ist ein Kanalsystem bestehend aus drei Reservoiren R1 bis R3, den Kanalabschnitten K1 bis K4, den
Fluidikanschlüssen F1 bis F6 und einer Verzweigungsstelle Vz. Das in der Abbildung gezeigte System besitzt einen Kanalabschnitt K1 zur Probenaufgabe. Die Trennung kann entlang des Kanalabschnitts K2 und K3 oder K2 und K4 erfolgen. Zur Durchführung einer isotachophoretischen Trennung muß das System mit einer Probe und entsprechenden Puffern befüllt werden. Dabei muß das Probevolumen an einer Seite in Richtung der Trennstrecke mit einem Puffer (Leading-Puffer) und an der anderen Seite mit einem anderen Puffer (Terminating-Puffer) in Kontakt sein. Durch die Verzweigung Vz des Kanalsystems besteht die Möglichkeit, über die Reservoire R2 und R3 unterschiedliche Leading-Puffer einzufüllen. Das Ausschleusen von aufgetrennten Komponenten aus der Probe kann über den Fluidikanschluß F3 erfolgen.
Um die gewünschte Anordnung von Probe und Puffern im Kanalsystem zu erreichen, werden zunächst, wie unter A in der Abbildung schematisch dargestellt, die Fluidikanschlüsse F2 (Auslaß), F4, F5 und F6 (Einlasse) geöffnet und das Kanalsystem über die drei Reservoirs mit den beiden Leading-Puffern (über R2 und R3, schräg schraffiert bzw. gepunktet dargestellt) und dem Terminating-Puffer (über R1 , senkrecht gestreift dargestellt) gefüllt. Überschüssiger Puffer kann durch den Fluidikanschluß F2 austreten. Auf diese Weise füllt sich Kanalabschnitt K1 mit Terminating- Puffer, der Abschnitt K3 mit Leading-Puffer (LE2) über R2, Abschnitt K4 mit Leading-Puffer (LE1) über R3 und Kanalabschnitt K2 enthält eine Mischung der beiden Leading-Puffer. Die Fluidikanschlüsse F1 und F3 bleiben bei diesem Schritt geschlossen.
Der Kanalabschnitt K2 kann wahlweise mit Leading-Puffern über R2 oder R3 gefüllt werden. K2 stellt den ersten Abschnitt der Trennstrecke dar
In Teil B der Abbildung wird gezeigt, wie die Probe in den Kanalabschnitt K1 eingebracht wird und der Kanalabschnitt K2 mit einem Leading-Puffer über R3 gefüllt wird. Die Fluidikanschlüsse F5 und F6 sind geschlossen und es wird kein weiterer Terminating-Puffer über R1 sowie kein weiterer Leading-Puffer (LE2) über R2 gepumpt. Fluidikanschluß F4 ist geöffnet und Kanalabschnitt K2 wird mit Leading-Puffer (LE1) über R3 gefüllt. Gleichzeitig ist der Fluidikanschluß F1 geöffnet und die Probe wird über F1 zugeführt (dargestellt als Wellenlinien). Über den geöffneten Fluidikanschluß F2 kann überschüssige Probe und überschüssiger Leading-Puffer (LE1) austreten. Dadurch, daß der Leading-Puffer (LE1) und das Probevolumen simultan gegeneinander gepumpt werden, wird eine besonders präzise Füllung der Kanalabschnitte K1 und K2 erreicht. Auf diese Weise ist es möglich auch mit Pumpen, die eine geringe Pulsation besitzen, eine exakte Befüllung vorzunehmen.
Nach Beendigung des Füllvorganges werden die Fluidikanschlüsse geschlossen. Man erhält so ein abgeschlossenes System ohne hydrodynamischen Fluß, in dem die Trennung reproduzierbar durchgeführt werden kann. Die Probe kann ganz oder in Fraktionen über die
Kanalabschnitte K2 und K3 oder über die Kanalabschnitte K2 und K4 getrennt werden. Sobald die Probe oder eine gewählte Fraktion durch den Kanalabschnitt K2 gewandert ist und an der Verzweigung Vz angekommen ist, kann entschieden werden, ob die Trennung weiter in Richtung K4 oder K3 geführt werden soll. Dies geschieht durch dauerndes oder zeitweises Umschalten der Anodenpotentials von F4 auf F6.
Die folgende Tabelle zeigt nochmals im Überblick die Schaltung der Fluidikanschlüsse während der einzelnen Schritte der Probenaufgabe:
Figure imgf000022_0001
Nach Beendigung des Füllvorganges werden die Fluidikanschlüsse (F1-F6) geschlossen.
Im folgenden werden beispielhaft einige Schaltvorgänge für verschiedene analytische Prozesse auf einer Analyseeinheit entsprechend Abbildung 2 aufgeführt: (Die Spannung wird jeweils hinter den Fluidikanschlüssen angelegt)
1.) Einfache Trennung (Trennkanäle K2 und K4) Anode : F4 Kathode : F5
2.) 2-stufige Trennung (Ausschleusung in internen Kanal K3) a.) Trennung in K2 Anode : F4 Kathode : F5
(Umschalten, wenn Probenkomponente kurz vor Vz) b.) Trennung in K3 Anode : F6 Kathode : F5
3.) 2-stufige Trennung (Ausschleusung und Überführung in externen Kanal) a.) Trennung in K2 Anode : F4 Kathode : F5
(Umschalten, wenn Probenkomponente kurz vor Vz) b.) Überführung nach außen über F3 Anode : F3 Kathode : F5
Abbildung 3 zeigt schematisch das Kanalsystem einer Durchflußeinheit mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probenaufgabe und verschiedenen Möglichkeiten zur Probenentnahme. Die Abschnitte bzw. Segmente des Kanalsystems sind mit K1 bis K7 bezeichnet, die
Fluidikanschlüsse mit F1 bis F8 und die Detektorelektroden mit D1. Das gezeigte System bietet die Möglichkeit, Analyten aufzureinigen, indem
1. der Analyt nicht bewegt wird und die Matrix abgetrennt wird
2. der Analyt abgetrennt wird.
Im folgenden wird die Funktion der einzelnen Fluidikanschlüsse bei diesen beiden möglichen Vorgehensweisen erläutert: F1 : Fluidikanschluß zum Befüllen von K1 (und eventuellen weiteren anschließenden Kanalsegmenten) mit Endpuffer. Bei F1 erfolgt der
Anschluß an eine externe Leistungselektrode.
F2: Fluidikanschluß zum Befüllen mit Primärprobe (Einlaß) F3: Fluidikanschluß zum Verdrängen der aufbereiteten Probe aus K3
(Einlaß)
F4: Fluidikanschluß zum Entnehmen der aufbereiteten Primärprobe aus K3 (Auslaß)
F5: Fluidikanschluß zum Befüllen der Durchflußeinheit mit Primärprobe (Auslaß)
F6: Fluidikanschluß zur Entnahme der aufbereiteten Probe aus K6
(Einlaß)
F7: Fluidikanschluß zur Entnahme der aufbereiteten Probe aus K6
(Auslaß) F8: Fluidikanschluß zum Befüllen des Kanalsystems mit Leitpuffer. Bei
F8 wird die zweite externe Leistungselektrode angeschlossen.
Somit ergibt sich für Fall 1 folgende Vorgehensweise: K1 wird mit Endpuffer, K2, K3 und K4 mit der Primärprobe und K5, K6 und K7 mit dem Leitpuffer befüllt. Während einer isotachophoretischen Auftrennung wandern nun Matrix-Bestandteile aus K2 - K4 heraus in die Kanalsegmente K5-K7. Der Analyt verbleibt in K2-K4. Demnach befindet sich am Ende der Trennung in K1 Endpuffer, in K2 bis K4 die aufbereitete Sekundärprobe mit dem Analyten und in K5 bis K7 der Leitpuffer und die abgetrennte Matrix der Primärprobe. Die Sekundärprobe mit dem Analyten kann nun aus K3 über F3 (Einlaß) und F4 (Auslaß) entnommen werden. Bevorzugt erfolgt die Entnahme unter fokussierenden Bedingungen.
Bei Fall 2, dem Abtrennen des Analyten aus der Probe wird das Kanalsystem genau wie in Fall befüllt, d.h. K1 wird mit Endpuffer, K2, K3 und K4 mit der Primärprobe und K5, K6 und K7 mit dem Leitpuffer befüllt. Während der Trennung wandert der Analyt aus Kanalsegment K2-K4 in Richtung K5-K7. Durch den Detektor D1 kann festgestellt werden, wann der Analyt die Detektionsstelle passiert und die Trennung zum gewünschten Zeitpunkt beendet werden. Idealerweise wird die Trennung beendet, wenn sich der Analyt in Kanalabschnitt K6 befindet. In K1 befindet sich dann der Endpuffer, in K2 bis K5 Endpuffer mit Matrixbestandteilen, in K6 der Analyt und in K7 der Leitpuffer und Matrixbestandteile. Der Analyt kann aus K6 über F6 (Einlaß) und F7 (Auslaß) entnommen werden. Die Entnahme erfolgt bevorzugt unter fokussierendem Feld.
Ausschleusevorrichtung:
Für die erfindungsgemäße Ausschleusevorrichtung muß das Kanalsystem der Durchflußeinheit 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.
Die Elektroden, die für die 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 , bevorzugt zwischen 20 mm bis 0,1 mm vor der Abzweigung positioniert sind.
Weiterhin wird zur Steuerung des Ausschleusevorgangs eine Schaltvorrichtung benötigt, mit der das Potential umgeschaltet werden kann. Das Umschalten kann manuell oder bevorzugt computergesteuert erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erhält die Schaltvorrichtung ein Signal, sobald der Analyt den Detektor passiert und schaltet dann selbständig zu einem geeigneten Zeitpunkt das Potential um. Abbildung 4 veranschaulicht das Ausschleusen einer Substanz mithilfe der erfindungsgemäßen Ausschleusevorrichtung. 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 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.
Fluidikversorgung:
Erfindungsgemäß werden alle Ventile, Pumpen bzw. Mikropumpen, dichtschließende Mikropumpen, Mikromischer oder sonstigen Anschlüsse der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zum Befüllen des Kanalsystems bzw. zum Entfernen von Gas und Flüssigkeitsresten dienen, als Fluidikanschlüsse bezeichnet. In der Regel sind die Fluidikanschlüsse erfindungsgemäß nicht in die Durchflußeinheit integriert, sondern werden zum Gebrauch von außen, d.h. von der Adapterkammer aus, an die Durchflußeinheit angeschlossen. Auf diese Weise müssen in der Durchflußeinheit lediglich entsprechende Aussparungen vorgesehen werden, was insbesondere für Durchflußeinheiten, die nach Gebrauch ersetzt werden, wesentlich kostengünstiger ist als der Einbau teurer Ventile etc..
An die hydrodynamische Reagenz- und Primärprobenzufuhr müssen zwei wesentliche Anforderungen gestellt werden:
1. Zu Beginn der elektrophoretischen Trennung müssen sich innerhalb des Kanalsystems der Durchflußeinheit die Zonen der Puffer und der Probenflüssigkeit reproduzierbar an den durch die Geometrie der Durchflußeinheit vorgegebenen Orten befinden.
2. Während der gesamten elektrophoretischen Trennung sind hydrodynamische Effekte, etwa das Verschieben der Flüssigkeitssäule durch Elektroosmose, auszuschließen.
Die Erzeugung der Hydrodynamik in der erfindungsgemäßen
Analyseeinheit kann mittels kommerziell erhältlicher Mikropumpen erfolgen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Mikropumpen häufig Nachteile, wie unzureichende Standzeiten, nicht reproduzierbare Flußraten oder Gasentwicklung unter Pumplast, aufweisen. Daher wird der Einsatz von Mikropumpen erfindungsgemäß nicht bevorzugt. Es wurde vielmehr gefunden, daß konventionelle Pumpen/Spritzen und Ventile für die miniaturisierte Anwendung eingesetzt werden können. Voraussetzung dafür ist die zeitliche Synchronisierung der hydrodynamischen Prozesse.
Für Punkt 1 ist es erforderlich, etwa vorhandene Gasblasen aus dem
Kanalsystem zu entfernen. Dies ist mit einem aktiven hydrodynamischen System, wie etwa einer peristaltischen Pumpe leicht möglich, indem ein Gasbolus zum Einsammeln von kleineren Gasblasen benutzt wird. Aufgrund der durch die Geometrie des Durchflußeinheit fest vorgegebenen Volumina und der im Bereich der miniaturisierten Dimensionen zu vernachlässigenden Mischeffekte, ist es nicht notwendig eine präzise Volumendosierung vorzunehmen. Die mit dem Betrieb von Peristaltikpumpen einhergehende Pulsation der Flüssigkeitsäule erwies sich als unschädlich, sobald zwei Pumpen synchronisiert im Gegenstrom zueinander eingesetzt wurden. Ebenso ist das Meßprinzip weitgehend unempfindlich gegenüber Schwankungen in den Flußraten. Dies ermöglicht die Verwendung von robusten und preiswerten Vorrichtungen, wie z.B.
Peristaltikpumpen, Spritzen oder Spritzenpumpen. Der Einsatz von teuren und störanfälligen sogenannten Mikropumpen ist nicht erforderlich.
Für Punkt 2 ist es erforderlich, daß das Kanalsystem der Durchflußeinheit während der Elektrophorese hydrodynamisch geschlossen ist. Dies wird entweder durch Pumpen mit inhärenter Ventilfunktion oder durch die Kombination von Pumpen mit zusätzlichen Ventilen erreicht. Das Totvolumen der verwendeten Ventile erwies sich überraschenderweise als unschädlich sobald der Schließvorgang der Ventile zeitlich synchron durchgeführt wurde.
Bei dieser optimierten Steuerung der hydrodynamischen Funktionen konnten typische Volumenabweichungen von unter 2 % erreicht werden.
Spannungsversorgung:
Die Spannungsversorgung dient der Durchführung der elektrophoretischen Trennung. Sie erfolgt durch Anschluß von Leistungselektroden an die Durchflußeinheit oder bevorzugt durch Kontaktierung von in der Durchflußeinheit integrierten Leistungselektroden über entsprechende Anschlüsse. Bevorzugt liefert die Vorrichtung zur Spannungsversorgung Stromstärken zwischen 0 und 50 μA bei einer maximalen Spannung von 8 KV. Die Schwankung der Spannung sollte nicht über ±2% liegen. Detektoren:
Die Detektion der Analyte erfolgt bevorzugt optisch oder elektrochemisch. Im allgemeinen sind die Detektoren der erfindungsgemäßen Analyseeinheit derart gestaltet, daß sich auf der Durchflußeinheit entsprechende
Kontaktstellen befinden, die dann von außen, d.h. in der Regel von der Adapterkammer aus, angeschlossen werden können. Im Falle einer elektrischen Detektion befinden sich demnach in der Durchflußeinheit entweder integrierte Elektroden, die von außen kontaktiert werden können, oder Aussparungen, in die reversibel Elektroden von außen eingebracht werden können. Entsprechendes gilt für optische Detektoren.
Bei Leitfähigkeitsmessungen müssen die Detektorelektroden und der Leitfähigkeitsdetektor entkoppelt sein. Dies erfolgt bevorzugt über PTFE (Polytetrafluorethylen) isolierte Spulen.
Für Analyseeinheiten, in denen Substanzen elektrophoretisch aufgetrennt werden, wird die Forderung einer universellen Detektionsmethode besonders gut von elektrischen Detektionsmethoden wie der Leitfähigkeits- messung 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 einer miniaturisierten Analyseeinheit und auch für Messungen, die in mehreren miniaturisierten Analyseeinheiten eines Bautyps erfolgen.
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. Zum Einkoppeln bzw. Auskoppeln von optischer Leistung in bzw. aus einem Kanal werden überwiegend Verfahren verwendet, bei denen optische Fasern direkt vor einer Glaskapillare (z.B. „klassische CE") positioniert werden. Für die Laser-induzierte Fluoreszenzmessung (LIF) in mikrostrukturierten Kanälen in planaren zweidimensionalen Systemen haben sich Verfahren etabliert, bei denen das anregende Laserlicht auf den Kanal über eine Freistrahloptik fokussiert wird und die Fluoreszenz über ein freistrahloptisches System (Mikroskop, evtl. konfokal, mit optischem Detektor, z.B. CCD-Kamera) detektiert wird.
Das Ein- und/oder Auskoppeln optischer Leistung in definierte Bereiche mikrostrukturierter planarer fluidischer Systeme wird durch die in Abbildung 5 gezeigte Anordnung in geeigneter Weise realisiert. Diese bevorzugte Anordnung erlaubt das Heranführen einer bzw. mehrerer optischer Fasern an die mikrostrukturierten Kanäle. Die Anordnung besteht aus einem sogenannten Doppelkonus (7), in den optische Fasern (8) eingebracht sind. Dieser Doppelkonus verschließt in dieser Ausführungsform den Kanal, d.h. das fiuidische System (6) flüssigkeits- und gasdicht und ermöglicht gleichzeitig, optische Leistung an definierte Positionen in den Kanal hinein- bzw. hinauszuführen. Da für die Fluidik-Anschlußtechnik im wesentlichen die optische Faser gegen einen Schlauch mit sehr dünnem Durchmesser ersetzt wird, sind Fluidik- und Optik-Verbindung in einfacher Weise kombinierbar. Der Anschluß mittels einem Doppelkonus kann daher ebenso für fiuidische Anschlüsse verwendet werden, wenn statt der optischen Fasern ein Schlauch oder eine Kapillare eingebracht wird.
Im Falle eines optischen Anschlusses ist es zusätzlich möglich, durch denselben Anschluß Anregungslicht ein- und Emission auszukoppeln. Hierzu werden entweder zwei Fasern in den Konus eingesetzt, um Anregung und Emission in zwei getrennten Fasern führen zu können oder es wird in einer Faser sowohl die Anregungswellenlänge als auch die Emissionswellenlänge geführt. Dann sind ein zusätzlicher 3 dB-Koppler und ein optischer Filter zum Eliminieren der Anregungswellenlänge notwendig.
Soll die optische Faser keinen direkten Kontakt zur Flüssigkeit haben, um eine Verschmutzung derselben zu vermeiden, kann eine dünne
Materialschicht (9) im Substrat (2) verbleiben. Der Konus hat in diesem Fall keine Dichtfunktion.
Adapterkammer:
Die Adapterkammer besitzt typischerweise eine Vorrichtung zur Arretierung der Durchflußeinheit. Weiterhin dient sie dem reversiblen Anschluß von Fluidik, Elektrik, Elektronik und Optikverbindungen. Auf diese Weise kann die Durchflußeinheit möglichst nur das Kanalsystem und notwendige Aussparungen zum Anschluß von Fluidik, Elektrik etc. enthalten. Alle weiteren Funktionalitäten werden durch die Adapterkammer zur Verfügung gestellt und können, wenn sie benötigt werden, an die Durchflußeinheit angeschlossen werden. So kann die Durchflußeinheit beliebig oft ausgetauscht werden oder bezüglich des Designs der Kanalstruktur und optionaler weiterer Funktionen, wie bestimmter Detektoren,
Reaktionskammern etc. verändert werden, ohne daß die Adapterkammer stark verändert werden muß. Die Adapterkammer enthält also z.B. eine Auswahl folgender Funktionalitäten: reversible Verbindungen der Leistungselektroden mit der Spannungsversorgung, reversible Verbindung der Detektionselektroden mit dem Meßgerät für elektrische Leitfähigkeit, Zuleitungs- und Ableitungskapillaren für Trennpuffer und Probenmaterial, Anschlüsse für invasive Detektoren (potentiometrische oder amperometrische Detektoren, Lichtleitfasern für Durchlicht-, Streulicht- oder Fluoreszenzmessung etc.), ableitende Kapillaren zum Ausschleusen von abgetrennten Komponenten, Kühlvorrichtung zur Ableitung von Joule'scher Wärme während einer Elektrophorese, Einrichtung zur Kontrolle der relativen Luftfeuchte und Staubpartikeldichte in der Umgebung der Durchflußeinheit.
Der Anschluß der Funktionalitäten an die Durchflußeinheit erfolgt typischerweise über eine in die Adapterkammer integrierte Halterung, meist in Form einer Platte. Auf dieser Halterung befinden sich an Positionen, die zu entsprechenden Aussparungen in der Durchflußeinheit korrespondierend sind, passende Anschlußelemente. Als Anschlußelemente werden erfindungsgemäß Anschlüsse bezeichnet, die für die Verbindung zwischen der Durchflußeinheit und den Funktionalitäten in der Adapterkammer sorgen. Die Kraft, die für die Dichtung zwischen den Anschlußelementen und den Aussparungen auf der Durchflußeinheit erforderlich ist, wird bevorzugt durch eine Anpressplatte vermittelt, die die Halterung mit den Anschlußelementen an die Durchflußeinheit anpresst. Die Versorgung der Anschlußelemente erfolgt bevorzugt durch Zuleitungen von der rückwärtigen Seite der Halterung.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Anschlußelemente nicht in einer Halterung positionsgenau fixiert, sondern können über variable Schläuche oder Teleskoparme an jede beliebige Position in der Durchflußeinheit angeschlossen werden. In diesem Fall muß die Abdichtung für jeden Anschluß individuell z.B. über Klammern etc. erfolgen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine größere Variabilität bezüglich des Designs der Durchflußeinheit erfordert jedoch größeren Aufwand bei deren Anschluß.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt daher die Verbindung der Leitungs- und Detektionselektroden mit der Versorgungsspannung und dem Leitfähigkeitsdetektor über Teleskopelektroden, die an einer Seite der Halterung angebracht sind. Die Fluidikanschlüsse dagegen sind positionsgenau korrespondierend zur Durchflußeinheit auf der Halterung angebracht. Soll eine Durchflußeinheit mit geänderter Kapillargeometrie verwendet werden, so muß die Halterung gegen eine Halterung mit entsprechend positionierten Fluidikanschlüssen ausgetauscht werden.
Abbildung 6 zeigt schematisch die Anbindung von Fluidik und Elektrik an eine Durchflußeinheit. Die Durchflußeinheit besteht aus einem Substrat (1) und einem Deckel (2). Das Substrat (1) ist mikrostrukturiert, so daß das Kanalsystem (3) entsteht. Auf den Deckel (2) ist eine Leistungs- oder Detektionselektrode (4) aufgebracht. Die Durchflußeinheit wird von einer Arretiervorrichtung (5) gehalten. Oberhalb der Durchflußeinheit befindet sich die Halterung (6) mit den Anschlußelementen, einem Fluidikanschluß (8a-8c) und einer Elektrodenanbindung (9a-9c). Der Fluidikanschluß wird hier zusätzlich durch eine austauschbare Dichtungsplatte (7) mit Kontaktelementen gehalten. Der Fluidikanschluß besteht im wesentlichen aus einem Schlauchanschluß (8a) mit einer Anpressschraube zur Befestigung und Abdichtung der zuführenden Kapillare, einem Dichtelement (8b) und einem weiteren Dichtelement (8c), das paßgenau in die Ausparung in dem Substrat (1) eingefügt werden kann und so die Verbindung des Fluidikanschlusses mit der Kanalstruktur bewirkt. Die Elektrodenanbindung besteht im wesentlichen aus einem elektrischen
Kontakt für Hochspannung oder zur Detektion (9a), einer Feder (9b) und einem Kontaktteil (9c), das mithilfe der Feder mit der Elektrode (4) in Kontakt gebracht werden kann.
Die Steuerung der erfindungsgemäßen Analyseeinheit, inklusive der
Spannungsversorgung, dem Umschalten der Spannung, der Detektoren, der Fluidikanschlüsse etc. erfolgt bevorzugt mittels entsprechender Computersysteme. Es ist ebenso möglich, für bestimmte Schaltvorgänge eine manuelle Steuerung vorzusehen. Falls die Analyseeinheit eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Substanzen besitzt, ist typischerweise auch die für diesen Vorgang notwendige Schaltvorrichtung in das allgemeine Schaltsystem integriert. Die erfindungsgemäße Analyseeinheit ermöglicht durch die Kombination der erfindungsgemäßen Probenaufgabe, der Möglichkeit, an jeder beliebigen Stelle der Durchflußeinheit Elektroden zu integrieren und der erfindungsgemäßen Ausschleusevorrichtung die Durchführung verschiedenster Trennungen und Analysen. Da sehr große Probenvolumina aufgegeben werden können, ist die Analyseeinheit insbesondere für die Probenvorbereitung geeignet. Beispielsweise können folgende Trenn- und Analysenprobleme behandelt werden:
1. Abreicherung von Matrixkomponenten aus einer Primärprobe, bevorzugt dann, wenn die Primärprobe einen wesentlichen Anteil an ionischen Matrixkomponenten enthält, die eine höhere elektrophoretische Beweglichkeit als der Analyt besitzen.
Beispielsweise sind dies Analyten, wie Proteine, komplexe Kohlehydrate oder Fragmente biologischer Membranen. Aus der Primärprobe werden niedermolekulare Salze elektrophoretisch extrahiert. Anschließend wird die so hergestellte Sekundärprobe bevorzugt hydrodynamisch einem weiteren analytischen Prozeß zugeführt. Nähere Angaben zur Matrixabreicherung bei sauren oder basischen Proteinen finden sich in Beispiel 1 und 2.
2. Extraktion von Analyten aus der Primärprobe, bevorzugt wenn die Primärprobe einen wesentlichen Anteil von Matrixkomponenten enthält, die eine geringere elektrophoretische Beweglichkeit besitzen als der Analyt.
Ein Beispiel hierfür ist die Abtrennung von Alkalikationen aus Serum, Plasma oder Vollblut (siehe Beispiel 3). Bei diesem Beispiel ist sicherzustellen, daß es in der Sekundärprobe nicht zu einer Verdünnung der extrahierten Elektrolyte kommt. Die Durchflußeinheit muß wegen der nach der Extraktion verbleibenden Matrixrückstände entweder ausgewechselt oder gereinigt werden.
3. Abtrennung der Analyten aus der Primärprobe, wenn sowohl wesentliche Anteile von elektrophoretisch mobileren als auch elektrophoretisch weniger mobilen Bestandteilen vorhanden sind. Dieser in der Praxis häufige Fall erfordert die Überwachung der elektrophoretischen Trennung, wobei die Volumenelemente, die Analyten enthalten, 1. identifiziert werden müssen, 2. deren geometrische Ausdehnung bestimmt werden muß und 3.die Volumenelemente der
Sekundärprobe durch einen gesteuerten Fluidikvorgang (Ausschleusen) von den Volumenelementen der Matrix abgetrennt werden müssen. In Beispiel 4 ist die Auftrennung von organischen Säuren aus Wein gezeigt.
4. Anreicherung von Analyten im Unterschuß
Die erfindungsgemäße Analyseeinheit gestattet die Anreicherung von Analyten, die in Spuren in einer Matrix aus ähnlich elektrophoretisch mobilen Substanzen enthalten sind, falls Bedingungen gefunden werden können, unter denen sich die elektrokinetischen Mobilitäten der Analyten um einige Prozent von den elektrokinetischen Molilitäten der Überschußkomponenten unterscheiden. Das Verfahren der Isotachophorese ermöglicht die Entmischung von gelösten ionischen Komponenten. Im Gegensatz zu chromatographischen Verfahren spielen molekulare Wechselwirkungen zwischen Komponenten der Primärprobe mit einer stationären, heterogenen Phase keine Rolle. Ebenso werden keine homogenen, stationären Phasen wie immobilisierte Puffer oder porenbildende Gele verwendet. Weiterhin kommt es im Verlauf der Abtrennung der Analyten nicht zu einer zunehmenden Verdünnung mit dem Lösungsmittel. Im Gegenteil ist es möglich, die Analyten in homogenen Zonen aufzukonzentrieren. Neben den Abtrennen und Aufkonzentrieren des Spurenanalyten muß sichergestellt werden, daß das sehr kleine Volumenelement, welches den Spureneanalyten enthält, in einfacher Weise detektiert werden kann. Dazu verwendet man bevorzugt einen sogenannten Spacer, der der Primärprobe zugesetzt wird. Der Spacer besitzt eine ähnliche elektrophoretische
Mobilität wie der Analyt und wird mit ihm zusammen detektiert und selektioniert. Der Spacer hat keinen oder geringen Einfluß auf den mit der Sekundärprobe vollzogenen analytischen Prozeß. In Beispiel 4 b) und c) wurde der Probe jeweils Aspartat als interner Standard und Spacer zwischen Gluconat und Succinat zugesetzt.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Analyseeinheit derart eingesetzt, daß Serien von zeitlich aufeinander folgenden Probenzuführungen durchgeführt werden können, ohne Reagenzien oder die Durchflußeinheit zu erneuern. Nach dem Abschluß der Serie können die Reagenzien und die Durchflußeinheit in einfacher Weise ausgetauscht werden. Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die analytische Leistung der Probenvorbereitung über einen langen Zeitraum ohne Wartungsaufwand wiederholt verfügbar ist und Ort sowie Zeitpunkt des analytischen Einsatzes in einem weiten Rahmen wählbar sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform vereinigt die erfindungsgemäße Analyseeinheit die Vorteile eines softwareüberwachten Komplettsystems: Normierbarkeit der Probenvorbereitung, Wiederholbarkeit der Auftrennung, Qualitätskontrolle, intrinsische Fehlererkennung, mit den Vorteilen der Miniaturisierung, wie geringe Gerätekosten, Mobilität, geringe Größe, niedrige Betriebskosten und einfache Bedienung
Weiterhin ist es in einfacher Weise möglich verschiedene Detektoren in den direkten Kontakt zum aufgetrennten Probenmaterial zu bringen und das Gerät in einfacher Weise zur Probenvorbereitung und als miniatursiertes Analysensystem einzusetzen. Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fachmann 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.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, insbesondere der korrespondierenden Anmeldungen DE 199 27 533.5, DE 199 27 534.3 und DE 199 27 535.1 , eingereicht am 16.06.1999, und PCT/EP 00/05204, PCT/EP 00/05205 und PCT/EP 00/05206, eingereicht am 06.06.2000, ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.
Beispiele
1.Beispiel Matrixabreicherung bei sauren Proteinen
Die Primärprobe enthält saure Proteine mit isoionischen Punkten im Bereich von pl=5 bis pl=6. Von dieser Proteinfraktion sollen weitere
Matrixbestandteile besonders aber basische Proteine mit isoionischen Punkten im Bereich pl = 9 bis pl =10 abgetrennt werden. Trennbedingungen:
Die Leistungselektode des Endpuffers ist als Kathode geschaltet. Der pH- Wert des Leitpuffers ist im Bereich pH = 5,5. Unter diesen Bedingungen weisen die sauren Proteine eine vernachlässigbare Nettoladung auf und wandern nicht im elektrischen Feld, sondern verbleiben während der Isotachophorese im Probeneingabesegment. Die basischen Proteine weisen dagegen eine positive Überschußladung auf und wandern in Richtung der Kathode. Je nach Aufgabenstellung können entweder nur die
Matrix-abgereicherten, sauren Proteine als Sekundärprobe aus dem Probeneingabesegment entnommen werden, oder es können zusätzlich die basischen Proteine aus einem Trennkanalsegment entnommen werden. Die Gewinnung der basischen Proteine erfordert längere Trennzeit. Elektrolytsystem:
Leitpuffer: 20 mM Natriumacetat + Essigsäure + MHEC (Methylhydroxyethylzellulose zur Unterdrückung des elektroosmotischen
Flusses) pH-Wert 5.5 Endpuffer : 10 mM Essigsäure
2. Beispiel Matrixabreicherung bei basischen Proteinen
Die Zusammensetzung der Probe ist entsprechend Beispiel 1. Die Leistungselektrode des Endpuffers ist als Anode geschaltet. Der pH- Wert des Leitpuffers liegt im Bereich von pH = 9 bis pH = 10, so daß Proteine mit isoionischen Punkten von 9 bis 10 nicht im elektrophoretischen Feld wandern. Puffersystem:
Leitpuffer : 20 mM HCI oder Essigsäure, MHEC, pH = 9.5 Endpuffer: 20 mM bis-tris Propan, pH = 10,5.
Weitere Puffersysteme, die für elektrophoretische Matrixabtrennung von Proteinen gemäß ihren isoionischen Punkten geeignet sind, sind im folgenden aufgeführt: Die Leistungselektrode des Leitpuffers ist jeweils als Anode geschaltet:
pH 6-7
Leitpuffer: 20mM HCL + Histdin + MHEC,
Endpuffer: 10 mM Morpholinoethansulfonsäure, MES,+ Histidin.
pH 7-8 Leitpuffer: 20 mM HCI + Imidazol + MHEC
Endpuffer: 10 mM y-Morpholinopropansulfonsäure + Imidazol pH 8-9
Leitpuffer: 20 mM HCI + Trishydroxymethylaminomethan TRIS +MHEC Endpuffer: 10 mM N-Tris(hydroxymethyl)methyl-3- aminopropansulfonsäure,TAPS, +TRIS
3. Beispiel Abtrennung von Kationen aus Serum
Die Primärprobe, Serum, wird 10-fach mit Wasser verdünnt und über eine 0,45 μm Membran filtriert. Leitpuffer: 15 mM Cäsiumacetat + Weinsäure + 75 mM 18-Krone-6-Ether + 10% Polyethylenglycol (300) + 0,1 % Polyethylenglycol (5000000), pH = 5,0 Endpuffer: 10 mM Zinkacetat + Essigsäure, pH = 5,8. Strom: 1 ,2: 15 mA
Das Ergebnis der Analyse findet sich in Abbildung 7 (Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden aufgetragen).
1 = Ammonium
2 = Natrium
3 = Magnesium 4 = Calcium
5 = Kalium R = Widerstand LE = Leitpuffer TE = Endpuffer
4. Beispiel Analyse von Wein
Trennbedingungen:
LE: 10 mmol/l HCI + ß-Alanin + 0.1 % Methylhydroxyethylcellulose, pH = 2.9 TE 1 : 5 mmol/l Capronsäure + Histidin, pH = 6.0 TE 2: 5 mmol/l Glutaminsäure + Histidin, pH = 5.0
In den Abbildungen 8 bis 10 ist die Auftrennung der folgenden Proben dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit in Sekunden, auf der Ordinate der Widerstand R angegeben. Das in Beispiel 4 b) und c) zugegebene Aspartat fungiert als interner Standard und als Spacer zwischen Gluconate (9) und Succinat (11).
a) Abb. 8:
0.2 mmol/l Sulphat, Sulphit, Phosphat, Malonat, Tartrat, Citrat, Malat, Lactat, Gluconat, Aspartat, Succinat, Acetat, Ascorbat, Sorbat
Strom 1 : 10 μA Strom 2: 10 μA b)
Abb. 9:
20-fach verdünnter Weißwein + 0.25 mmol/l Aspartat
Strom 1 : 20 μA Strom 2: 10 μA c)
Abb.10:
20-fach verdünnter Rotwein + 0.25 mmol/l Aspartat
Strom 1 : 20 μA Strom 2: 10 μA Die Nummerierung der Abbildungen 8 bis 10 gibt folgende Bestandteile an:
1 = Sulphat
2 = Sulphit 3 = Phosphat
4 = Malonat
5 = Tartrat
6 = Citrat 7 = Malat
8 = Lactat
9 = Gluconat
10 = Aspartat als interner Standard
11 = Succinat 12 = Ascorbat
13 = Acetat
14 = Sorbat i = Verunreinigungen

Claims

Ansprüche
1. Analyseeinheit zur Probenvorbereitung, zumindest umfassend eine Durchflußeinheit aus Kunststoff mit einem mikrostrukturierten Kanalsystem, eine Adapterkammer zur reversiblen Aufnahme der Durchflußeinheit, eine
Fluidikversorgung, eine Spannungsversorgung und mindestens einen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Probe ein Kanalabschnitt vorgesehen ist, an dessen Enden sich jeweils Fluidikanschlüsse befinden.
2. Analyseeinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Ausschleusen von Probenteilen, die im wesentlichen aus einem Kanalsystem mit mindestens einer Y-Verzweigung, mindestens drei Transportelektroden und mindestens einer Detektionsvornchtung vor besagter Verzweigungsstelle des Kanalsystems und einer elektrischen Schaltvorrichtung besteht, in die Analyseeinheit integriert ist.
3. Analyseeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidikanschlüsse Peristaltikpumpen, Spritzen oder Spritzenpumpen sind.
4. Verwendung der Analyseeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur isotachophoretischen Auftrennung einer Probe.
5. Verwendung der Analyseeinheit entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Abreicherung von Matrixkomponenten aus einer Primärprobe, zur Extraktion von Analyten aus einer Primärprobe, zur Abtrennung von Analyten aus der Primärprobe oder zur Anreicherung von Analyten im Unterschuß.
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