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Dokumentenidentifikation DE69535259T2 25.01.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000734281
Titel MINIATURISIERTE, FLACHE KOLONNEN IN NEUEN TRÄGERMEDIEN FÜR FLÜSSIGPHASE-ANALYSE
Anmelder Agilent Technologies, Inc. (n.d.Ges.d.Staates Delaware), Palo Alto, Calif., US
Erfinder KALTENBACH, Patrick, D-76476 Bischweier, DE;
SWEDBERG, A., Sally, Los Altos, CA 94022, US;
WITT, E., Klaus, D-75210 Keltern, DE;
BEK, Fritz, D-76337 Waldbronn, DE;
MITTELSTADT, S., Laurie, Belmont, CA 94002, US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 69535259
Vertragsstaaten CH, DE, GB, LI, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.10.1995
EP-Aktenzeichen 959374653
WO-Anmeldetag 19.10.1995
PCT-Aktenzeichen PCT/US95/13258
WO-Veröffentlichungsnummer 1996012545
WO-Veröffentlichungsdatum 02.05.1996
EP-Offenlegungsdatum 02.10.1996
EP date of grant 11.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.01.2007
IPC-Hauptklasse B01D 15/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01N 27/447(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Technologie miniaturisierter, planarer Säulen für eine Flüssigphasenanalyse und insbesondere auf die Herstellung von Mikrostrukturen in neuartigen Trennträgermedien unter Verwendung von Laserablationstechniken. Die unter der vorliegenden Erfindung erzeugten Mikrostrukturen finden in einem beliebigen Analysesystem Verwendung, das an entweder kleinen und/oder makromolekularer gelösten Stoffen in der Flüssigphase durchgeführt wird und das eine chromatographische oder elektrophoretische Einrichtung zur Trennung oder eine Kombination von beidem einsetzen könnte.

Bei einer Probenanalysegeräteausstattung und insbesondere bei Trennsystemen wie z. B. Flüssigchromatographie- und Kapillarelektrophoresesystemen führen kleinere Abmessungen allgemein zu verbesserten Leistungscharakteristika und führen gleichzeitig zu reduzierten Produktions- und Analysekosten. In dieser Hinsicht liefern miniaturisierte Trennsysteme effektivere Systementwürfe, führen zu einem niedrigeren Gesamtaufwand aufgrund einer niedrigeren Geräteausstattungsbemessung und ermöglichen zusätzlich eine höhere Analysegeschwindigkeit, verringerten Proben- und Lösungsmittelverbrauch und die Möglichkeit einer erhöhten Erfassungseffizienz.

Dementsprechend entwickeln sich in der Technik mehrere Ansätze in Richtung einer Miniaturisierung für die Flüssigphasenanalyse; wobei der herkömmliche Ansatz gezogene Quarzglaskapillaren (Fused-silica-Kapillaren) verwendet und ein sich entwickelnder Ansatz eine Siliziummikrobearbeitung verwendet. Was gegenwärtig als herkömmlich in der Miniaturisierungstechnologie erachtet wird, ist allgemein jeglicher Schritt in Richtung einer Reduzierung der Größe des Analysesystems.

Bei der herkömmlichen miniaturisierten Technologie wurde die Größe der Geräteausstattung nicht reduziert; statt dessen wurde die Größe des Trennfaches erheblich reduziert. Beispielsweise wurde eine Mikrosäulen-Flüssigchromato-graphie (&mgr;LC) beschrieben, bei der im Vergleich zu bekannten Säulendurchmessern von ungefähr 4,6 mm Säulen mit Durchmessern von 100–200 &mgr;m eingesetzt werden.

Ein weiterer Ansatz in Richtung Miniaturisierung ist die Verwendung der Kapillarelektrophorese (CE), die eine Trenntechnik mit sich bringt, die in Kapillaren von 25–100 &mgr;m Durchmesser ausgeführt ist. Es wurde gezeigt, dass die CE als Verfahren für die Trennung einer Vielzahl großer und kleiner gelöster Stoffe nützlich ist. J. Chromatogr. 218: 209 (1981); Analytical Chemistry 53: 1.298 (1981). Im Gegensatz dazu wurde die Polyacrylamidgel-Elektrophorese ursprünglich in Röhren mit 1 mm Durchmesser durchgeführt. Beide oben beschriebenen „herkömmlichen" Miniaturisierungstechnologien (&mgr;LC und CE) stellen einen ersten signifikanten Schritt in Richtung auf ein Reduzieren der Größe des chemischen Anteils eines Flüssigphasenanalysesystems dar. Auch wenn ein Experimentieren mit derartigen herkömmlichen miniaturisierten Vorrichtungen dazu beigetragen hat, die Vorteile der Miniaturisierung prinzipiell zu verifizieren, bleiben dennoch mehrere große Probleme im Zusammenhang mit diesen Technologien bestehen.

Zum Beispiel bleiben wesentliche Erfassungseinschränkungen bei der herkömmlichen Kapillarelektrophoresetechnologie bestehen. Zum Beispiel wird bei der CE eine optische Erfassung allgemein durch eine Einzeldurchlauferfassungstechnik, bei der elektromagnetische Energie durch die Probe geleitet wird, an einer Säule durchgeführt, wobei der Lichtstrahl senkrecht zu der Kapillarachse wandert und die Kapillare nur ein einziges Mal durchquert. Dementsprechend ist bei herkömmlichen CE-Systemen die Erfassungsweglänge inhärent durch den Durchmesser der Kapillare begrenzt.

In Anbetracht des Beeruchen Gesetzes, das die Absorbanz durch die folgende Beziehung mit der Weglänge in Zusammenhang bringt: A = &egr;·b·C wobei:

A
= die Absorbanz
&egr;
= die molare Absorptionsfähigkeit, (l/m·cm)
b
= Weglänge (cm)
C
= Konzentration (m/l),
ist es ohne weiteres verständlich, dass die Absorbanz (A) einer Probe in einer 25-&mgr;m-Kapillare um einen Faktor von 400 × geringer sein würde als in einer herkömmlichen Zelle mit einer Weglänge von 1 cm, wie sie typischerweise in der UV/Vis-Spektroskopie verwendet wird.

In Anbetracht dieser erheblichen Erfassungsbegrenzung wurde eine Anzahl von Versuchen in der bekannten Technik verwendet, um Erfassungsweglängen und somit die Empfindlichkeit der Analyse bei CE-Systemen zu erweitern. In dem U.S.-Patent Nr. 5,061,361 an Gordon wurde ein Ansatz beschrieben, der eine Mikromanipulierung der Kapillardurchflusszelle mit sich bringt, um eine Blase an dem Erfassungspunkt zu bilden. In dem U.S.-Patent Nr. 5,141,548 an Chervet wurde die Verwendung einer Z-förmigen Konfiguration in der Kapillare beschrieben, wobei die Erfassung über den erweiterten Abschnitt des Z durchgeführt wurde. Noch ein weiterer Ansatz versuchte die Erfassungsweglänge durch Erfassen entlang der Hauptachse der Kapillare (Axialstrahlerfassung) zu erhöhen. Xi u. a., Analytical Chemistry 62: 1.580 (1990).

In dem U.S.-Patent Nr. 5,273,633 an Wang wurde ein weiterer Ansatz in bezug auf erhöhte Erfassungsweglängen bei der CE beschrieben, bei dem eine reflektierende Oberflächenaußenseite der Kapillare vorgesehen ist, wobei das betreffende System ferner ein Eintrittsfenster und ein Austrittsfenster, das in Flussrichtung nach dem Eintrittsfenster liegt, aufweist. Unter Wang gelangt Licht, das durch das Eintrittsfenster eintritt, anhand mehrerer innerer Reflexionen durch einen Abschnitt der Kapillare, bevor es durch das Austrittsfenster gelangt, wo es erfasst wird, wobei die betreffenden mehreren inneren Reflexionen eine effektive Erhöhung der Weglänge ergeben. Zwar hat jeder der zuvor erwähnten Ansätze das Thema der Erweiterung der Weglänge angesprochen, doch ist jeder Ansatz insofern begrenzt, als derselbe ein Konstruieren der Kapillare Nach-der-Tatsache mit sich bringt oder auf andere Weise Erhöhen der Kosten der Analyse.

Ein zweiter wesentlicher Nachteil bei dem gegenwärtigen Ansatz in bezug auf Miniaturisierung umfasst die chemische Aktivität und chemische Instabilität von Siliziumdioxid(SiO2-) Substraten, wie z. B. Kieselerde, Quarz oder Glas, die in der Regel sowohl bei CE- und &mgr;LC-Systemen verwendet werden. Insbesondere sind Siliziumdioxidsubstrate als Hochenergieoberflächen gekennzeichnet und adsorbieren viele Verbindungen stark, insbesondere Basen. Die Verwendung von Siliziumdioxidmaterialien bei Trennsystemen ist ferner aufgrund der chemischen Instabilität dieser Substrate eingeschränkt, da die Auflösung von SiO2-Materialien bei basischen Bedingungen (bei pH-Werten von mehr als 7,0) steigt.

Um die Probleme zu vermeiden, die aus der inhärenten chemischen Aktivität von Siliziumdioxidmaterialien entstehen, haben bekannte Trennsysteme chemische Modifizierungen an der inneren Kieselerdeoberfläche von Kapillarwänden versucht. Allgemein sind derartige Nach-Bildung-Modifizierungen schwierig, da sie die Bereitstellung einer Grenzflächenschicht erfordern, um eine erwünschte Oberflächenbehandlung mit der Kapillaroberfläche zu verbinden, unter Verwendung z. B. von Silylierungsmitteln, um Si-O-Si-C-Bindungen zu erzeugen. Zwar senken derartige Modifizierungen unter Umständen die irreversible Adsorption von Molekülen von gelösten Stoffen durch die Kapillaroberflächen, doch leiden diese Systeme immer noch unter der chemischen Instabilität von Si-O-Si-Bindungen bei pH-Werten über 7,0. Dementsprechend bleibt die chemische Instabilität bei SiO2-Materialien nach wie vor ein großes Problem.

Trotz der erkannten Nachteile bezüglich der Chemie von SiO2-Substraten werden diese Materialien aufgrund ihrer wünschenswerten optischen Eigenschaften dennoch immer noch bei Trennsystemen eingesetzt. In dieser Hinsicht sind potentielle Ersatzmaterialien, die im Vergleich zu Siliziumdioxidmaterialien überragende chemische Eigenschaften aufweisen, allgemein insofern beschränkt, als dass sie außerdem in der UV-Region, in der eine Erfassung wichtig ist, hochadsorbierend sind.

Um einige der wesentlichen Einschränkungen, die bei herkömmlichen &mgr;LC- und CE-Techniken vorhanden sind, zu vermeiden und um eine noch größere Reduzierung der Größe von Trennsystemen zu ermöglichen, besteht ein Trend in Richtung auf die Bereitstellung von planarisierten Systemen mit Kapillartrennungsmikrostrukturen. In dieser Hinsicht wurde die Produktion von miniaturisierten Trennsystemen, die eine Herstellung von Mikrostrukturen in Silizium durch Mikrobearbeiten oder mikrolithographische Techniken einschließt, beschrieben. Siehe beispielsweise Fan u. a., Anal. Chem. 66(1): 177–184 (1994); Manz u. a., Adv. Chrom. 33: 1–66 (1993); Harrison u. a., Sens. Actuators, B10(2): 107–116 (1993); Manz u. a., Trends Anal. Chem. 10(5): 144–149 (1991); und Manz u. a., Sensors and Actuators B (Chemical) B1(1–6): 249–255 (1990).

Die Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken, um Trennsysteme in Silizium herzustellen, liefert den praktischen Nutzen, dass eine Massenproduktion derartiger Systeme ermöglicht wird. In dieser Hinsicht existiert eine Anzahl von etablierten Techniken, die durch die Mikroelektronikindustrie entwickelt wurden, darunter Mikrobearbeitung von planaren Materialien, wie z. B. Silizium, und diese liefern einen nützlichen und allgemein akzeptierten Ansatz in Richtung auf eine Miniaturisierung. Beispiele der Verwendung derartiger Mikrobearbeitungstechniken, um miniaturisierte Trennvorrichtungen auf Silizium- oder Borsilikatglaschips zu produzieren, sind in dem U.S.-Patent Nr. 5,194,133 an Clark u. a.; in dem U.S.-Patent Nr. 5,132,012 an Miura u. a.; in dem U.S.-Patent Nr. 4,908,112 an Pace; und in dem U.S.-Patent Nr. 4,891,120 an Sethi u. a. zu finden.

Das Mikrobearbeiten von Siliziumsubstraten, um miniaturisierte Trennsysteme zu bilden, umfasst allgemein eine Kombination aus Filmaufbringung, Photolithographie, Ätz- und Verbindungstechniken, um ein breites Array aus dreidimensionalen Strukturen herzustellen. Silizium liefert in dieser Hinsicht ein nützliches Substrat, da es eine hohe Festigkeit und große Härte aufweist und mikrobearbeitet werden kann, um Strukturen zu liefern, die Abmessungen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern aufweisen.

Zwar war das Siliziummikrobearbeiten bei der Herstellung von miniaturisierten Systemen auf einer einzelnen Oberfläche bisher erfolgreich, doch bestehen bezüglich der Verwendung dieses Ansatzes bei der Schaffung des Analysevorrichtungsabschnitts eines miniaturisierten Trennsystems erhebliche Nachteile.

Zunächst ist das Siliziummikrobearbeiten nicht für ein Produzieren eines hohen Ausrichtungsgrads zwischen zwei geätzten oder bearbeiteten Stücken zugänglich. Dies hat einen negativen Einfluss auf die Symmetrie und Form eines Trennkanals, der durch Mikrobearbeiten gebildet wird, was wiederum die Trenneffizienz beeinflussen kann. Zweitens wird ein Abdichten von mikrobearbeiteten Siliziumoberflächen allgemein unter Verwendung von Haftmitteln ausgeführt, die für einen Angriff durch Trennbedingungen anfällig sein können, die durch Flüssigphasenanalysen bewirkt werden. Des weiteren wird, unter Oxidationsbedingungen, eine Kieselerdeoberfläche auf dem Siliziumchipsubstrat gebildet. So ist das Siliziummikrobearbeiten außerdem wesentlich durch die Chemie von SiO2 begrenzt. Entsprechend verbleibt ein Bedarf nach einem verbesserten miniaturisierten Trennsystem, das in der Lage ist, die inhärenten Mängel herkömmlicher Miniaturisierungs- und Siliziummikrobearbeitungstechniken zu vermeiden.

Die JP 62-087858 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Kapillarsäulenbasisplatte, wobei eine Basisplatte an einer oberen Oberfläche mit einer mäanderförmigen oder spiralförmigen Rille vorgesehen ist. Die Basisplatte ist mit einer Abdeckplatte bedeckt und beide Platten sind laminiert. Das Material der Platten weist Silizium, ein Metall oder Glas auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein miniaturisiertes Säulenbauelement bereitzustellen, das in ein im Wesentlichen planares Substrat laserablatiert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein miniaturisiertes Säulenbauelement gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Bilden eines miniaturisierten Säulenbauelements gemäß Anspruch 22 und ein Verfahren zum Bilden mehrerer Nachbildungen eines miniaturisierten Säulenbauelements gemäß Anspruch 29 gelöst.

Die vorliegende Erfindung verwendet ein Substrat, das ein Material aufweist, das ausgewählt ist, um die inhärente chemische Aktivität und pH-Instabilität zu vermeiden, die bei Bauelementsubstraten auf Siliziumbasis und älteren auf Siliziumdioxid-Basis vorzufinden sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die Bereitstellung einer Erfassungseinrichtung, die in ein miniaturisiertes planares Säulenbauelement konstruiert ist, wodurch eine verbesserte Auf-Säule-Analyse oder Erfassung von Komponenten in einer flüssigen Probe ermöglicht wird.

Ein verwandter Aspekt der Erfindung besteht darin, ein Säulenbauelement für eine Flüssigphasenanalyse zu schaffen, das eine Erfassungseinrichtung aufweist, die in das Gerät konstruiert ist in einer wesentlich kompakten Form im Vergleich zur herkömmlichen Technologie. Ein weiterer Aspekt besteht darin, eine optische Erfassungseinrichtung zu schaffen, die in einem miniaturisierten planaren Säulenbauelement ablatiert ist und eine wesentlich verbesserte Erfassungsweglänge aufweist. Wiederum ein weiterer Aspekt besteht darin, eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen bereitzustellen, die eine gleichzeitige Abfrage einer Flüssigkeitsprobe ermöglichen, um getrennte Analyte unter Verwendung mehrerer Erfassungstechniken zu erfassen, die mit der Probe an einer bestimmten Position entlang des Trennfachs kommunizieren.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauelement bereitgestellt, das eine verbesserte Einrichtung zum Handhaben einer Flüssigkeit aufweist, darunter eine Probeninjektion. Bei einem verwandten Aspekt ist ein miniaturisiertes Säulenbauelement vorgesehen, das eine Einrichtung zur schnittstellenmäßigen Verbindung mit einer Vielzahl externer Flüssigkeitsreservoire aufweist. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel wird ein Systementwurf bereitgestellt, der es ermöglicht, dass eine Vielfalt von Einspritzverfahren ohne weiteres an die planare Struktur angepasst wird, wie z. B. Druckeinspritzen, hydrodynamische Einspritzung oder elektrokinetische Einspritzung.

Wiederum eine weitere verwandte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein miniaturisiertes chemisches Gesamtanalysesystem (&mgr;-TAS) bereitzustellen, das vollständig auf einer einzelnen planaren Oberfläche beinhaltet ist. Insbesondere ist ein miniaturisiertes System gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, komplexe Probenhandhabungs-, -trennungs- und -erfassungsverfahren mit reduzierter Manipulation oder Interaktion seitens eines Technikers durchzuführen. So findet die betreffende Erfindung eine potentielle Anwendung bei der Überwachung und/oder Analyse von Komponenten bei industriellen chemischen, biologischen, biochemischen und medizinischen Prozessen und dergleichen.

Ein besonderer Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung geschaffen wird, besteht in der Verwendung von Prozessen, die nicht Siliziummikrobearbeitungstechniken oder Ätztechniken sind, um miniaturisierte Säulen bei einer breiten Vielfalt von Polymer- und Keramiksubstraten zu bilden, die erwünschte Eigenschaften für einen Analyseabschnitt eines Trennsystems aufweisen. Spezifischer ist ein miniaturisiertes planares Säulenbauelement durch Ablatieren von Komponentenmikrostrukturen in einem Substrat unter Verwendung von Laserstrahlung gebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das miniaturisierte Säulenbauelement gebildet, indem zwei im wesentlichen planare Hälften bereitgestellt werden, auf denen Mikrostrukturen ablatiert sind und die, wenn die beiden Hälften aufeinandergefaltet werden, ein Trennfach definieren, das eine verbesserte Symmetrie und eine axiale Ausrichtung aufweist.

Die Verwendung von Laserablationstechniken, um miniaturisierte Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, weist gegenüber bekannten Ätz- und Mikrobearbeitungstechniken, die verwendet werden, um Systeme in Silizium- oder Siliziumdioxid-Materialien zu bilden, mehrere Vorteile auf. Zunächst ermöglicht die Fähigkeit, eine strenge computerisierte Steuerung der Laserablationsprozesse anzuwenden, dass die Mikrostrukturbildung mit großer Präzision ausgeführt wird, wodurch ein erhöhter Ausrichtungsgrad bei Strukturen, die durch Komponententeile gebildet werden, ermöglicht wird. Der Laserablationsprozess vermeidet auch Probleme, die mit mikrolithographischen isotropen Ätztechniken verbunden sind, die ein Maskieren während des Ätzens unterschneiden können, was zu asymmetrischen Strukturen mit gekrümmten Seitenwänden und flachen Unterseiten führt.

Die Laserablation ermöglicht ferner die Schaffung von Mikrostrukturen mit einer erheblich reduzierten Komponentengröße. In dieser Hinsicht sind Mikrostrukturen, die gemäß der Erfindung gebildet werden, in der Lage, ein Seitenverhältnis aufzuweisen, das mehrere Größenordnungen höher ist, als dies unter Verwendung von bekannten Ätztechniken möglich ist, wodurch dieselben bei derartigen Bauelementen verbesserte Trennfähigkeiten bereitstellen. Die Verwendung von Laserablationsprozessen, um Mikrostrukturen in Substraten wie z. B. Polymeren zu bilden, erhöht die Herstellungseinfachheit und senkt die Herstellungskosten pro Einheit der betreffenden Bauelemente im Vergleich zu bekannten Ansätzen wie z. B. ein Mikrobearbeiten von Bauelementen in Silizium. Bauelemente, die unter der Erfindung in kostengünstigen Polymersubstraten gebildet sind, weisen das zusätzliche Merkmal auf, in der Lage zu sein, als im wesentlichen wegwerfbare miniaturisierte Säuleneinheiten verwendet zu werden.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ermöglicht die Laserablation bei planaren Substraten die Bildung von Mikrostrukturen beinahe jeder Geometrie oder Form. Dieses Merkmal ermöglicht nicht nur die Bildung von komplexen Bauelementkonfigurationen, sondern ermöglicht des weiteren eine Integration einer Probenaufbereitung, Probeneinspritzung, Nach-Säulen-Reaktion und einer Erfassungseinrichtung in ein miniaturisiertes Gesamtanalysesystem mit erheblich reduzierten Gesamtabmessungen.

Die Kompaktheit des Analyseabschnitts in einem Bauelement, das hierin produziert wurde – in Verbindung mit dem Merkmal, dass integrierte Funktionen, wie z. B. Einspritzung, Probenhandhabung und -erfassung, spezifisch in das betreffende Bauelement hineinkonstruiert sein können, um ein &mgr;-TAS-Bauelement bereitzustellen – ermöglicht ferner einen integrierten Entwurf einer Systemhardware, um eine erheblich reduzierte Standfläche des Systems zu erreichen.

So wurden inhärente Schwächen, die bei bekannten Ansätzen bezüglich einer Flüssigphasen-Trennbauelementminiaturisierung existieren, und Probleme bei der Verwendung von Siliziummikrobearbeitungstechniken, um miniaturisierte Säulenbauelemente zu bilden, angegangen. Dementsprechend offenbart die vorliegende Erfindung ein miniaturisiertes Säulenbauelement, das in der Lage ist, eine Vielzahl von Flüssigphasenanalysen bei einen breiten Palette von flüssigen Proben durchzuführen.

1A ist eine auseinandergezogene Darstellung eines miniaturisierten Säulenbauelements, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist.

1B ist eine auseinandergezogene Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das eine optische Erfassungseinrichtung umfasst.

2 ist eine Draufsicht der Innenoberfläche des miniaturisierten Säulenbauelements aus 1A.

3 ist eine Draufsicht der Außenoberfläche des Bauelements aus 1A.

4 ist eine Querschnittsseitenansicht des miniaturisierten Säulenbauelements aus 1A entlang der Linien IV-IV, die die Bildung eines Trennfachs gemäß der Erfindung zeigt.

5 ist eine Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des miniaturisierten Säulenbauelements aus 1A, das aus einem einzelnen flexiblen Substrat aufgebaut ist.

6 ist eine axiale Querschnittsansicht des Schnittpunkts des Trennfachs und der optischen Erfassungseinrichtung in dem miniaturisierten Säulenbauelement aus 1B.

7A ist eine auseinandergezogene Darstellung einer ersten Seite eines miniaturisierten Säulenbauelements mit Mikrokanälen, die auf zwei gegenüberliegenden planaren Oberflächen eines Trägersubstrats gebildet sind.

7B ist eine auseinandergezogene Darstellung einer zweiten Seite des Säulenbauelements aus 7A.

8A ist eine bildliche Darstellung einer ersten Seite eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des miniaturisierten Säulenbauelements aus 7A, das aus einem einzelnen flexiblen Substrat aufgebaut ist.

8B ist eine bildliche Darstellung einer zweiten Seite des Säulenbauelements aus 8A.

9 ist eine transaxiale Querschnittsansicht der erweiterten optischen Erfassungsweglänge in der miniaturisierten Säule aus 7B entlang der Linien IX-IX.

10 ist eine planare Ansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das gemäß der Erfindung als eine erste und eine zweite Komponentenhälfte aufweisend aufgebaut ist.

11 ist eine bildliche Darstellung des Säulenbauelements aus 10, die die Faltausrichtung der Komponentenhälften zeigt, um ein einzelnes Bauelement zu bilden.

12 ist eine axiale Querschnittsansicht des Trennfachs, das durch die Ausrichtung der Komponentenhälften in dem Bauelement aus 10 gebildet ist.

13 ist eine Draufsicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das eine optionale Mikroausrichtungseinrichtung auf einer ersten und einer zweiten Komponentenhälfte aufweist.

14 ist eine bildliche Darstellung des Säulenbauelements aus 13, die die Mikroausrichtung der Komponentenhälften zeigt.

15 ist eine Draufsicht der oberen Oberfläche eines miniaturisierten Säulenbauelements, das elektrische Kommunikationswegerfassungseinrichtungen umfasst, die relativ zu einem Trennfach gegenüber voneinander angeordnet sind.

16 ist eine bildliche Darstellung der Elektrodeneinrichtungen aus 15.

17 ist eine bildliche Darstellung der Elektrodeneinrichtungen, die in 16 dargestellt sind, und zeigt ein bevorzugtes Höhenmerkmal derselben.

18 ist eine bildliche Darstellung der oberen Oberfläche eines miniaturisierten Säulenbauelements, das Elektrodeneinrichtungen umfasst, die im Wesentlichen parallel relativ zueinander auf einer ersten Seite eines Trennfachs angeordnet sind.

19 ist eine bildliche Darstellung der Elektrodeneinrichtungen aus 18.

20 ist eine bildliche Darstellung der in 19 dargestellten Elektrodeneinrichtungen und zeigt ein bevorzugtes Höhenmerkmal derselben.

21 ist eine bildliche Darstellung der oberen Oberfläche eines miniaturisierten Säulenbauelements, das eine Mehrzahl in Serie angeordneter ringförmiger Elektrodenspulen umfasst.

22 ist eine bildliche Darstellung, ähnlich wie 21, bei der die Abdeckplatte entfernt ist, um die ringförmigen Elektrodenspulen freizulegen.

23 ist eine bildliche Darstellung, die ein bevorzugtes Verfahren zum Bilden der Elektroden aus 22 zeigt.

24 ist eine bildliche Darstellung der ringförmigen Elektroden aus 22 und stellt die Koaxialanordnung derselben um ein Trennfach herum dar.

25 ist eine Querschnittsansicht einer ringförmigen Elektrodenspule aus 22.

26 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das eine zugeordnete Lichtleitereinrichtung aufweist, die innerhalb einer Erfassungseinrichtung angeordnet ist.

27 ist eine bildliche Darstellung der optionalen Lichtleitereinrichtung, die mit dem Trennfach des Bauelements aus 26 kommuniziert.

28 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das eine Mehrzahl zugeordneter Lichtleitereinrichtungen aufweist.

29 ist eine bildliche Darstellung der Mehrzahl von Lichtleitereinrichtungen, die mit dem Trennfach des Bauelements aus 28 kommunizieren.

30 ist eine bildliche Darstellung eines miniaturisierten Säulenbauelements, das einen Erfassungsschnittpunkt aufweist, der durch zwei orthogonale Erfassungswege gebildet ist.

31 ist eine bildliche Darstellung eines miniaturisierten Säulenbauelements, das einen Erfassungsschnittpunkt aufweist, der durch einen Erfassungsweg und eine weitere Erfassungseinrichtung, die in orthogonaler Beziehung zueinander angeordnet sind, gebildet ist.

Bevor die Erfindung detailliert beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass diese Erfindung nicht auf die bestimmten Komponententeile der beschriebenen Bauelemente beschränkt ist oder auf die Prozessschritte der beschriebenen Verfahren, da derartige Bauelemente und Verfahren variieren können. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass die hierin verwendete Terminologie lediglich zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele dient und nicht einschränkend sein soll. Es muss angemerkt werden, dass die Singularformen „einer", „eine" und „eines" und „der", „die" und „das", wie sie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, Pluralbezugnahmen umfassen, es sei denn, der Kontext gibt dies klar anderweitig vor. So umfasst z. B. eine Bezugnahme auf „einen Analyt" Mischungen von Analyten, eine Bezugnahem auf „eine Erfassungseinrichtung" umfasst zwei oder mehr derartige Erfassungseinrichtungen, und dergleichen.

Bei dieser Spezifikation und in den folgenden Patentansprüchen wird auf eine Anzahl von Begriffen Bezug genommen, die als die folgenden Bedeutungen aufweisend definiert sein sollen:

Der Begriff „Substrat" wird hierin verwendet, um sich auf ein beliebiges Material zu beziehen, das UV-adsorbierend, in der Lage ist, laserablatiert zu werden und das nicht Silizium oder ein Siliziumdioxidmaterial wie z. B. Quarz, geschmolzenes Silica bzw. Quarzglas oder Glas (Borosilikate) ist. Dementsprechend werden hierin miniaturisierte Säulenbauelemente unter Verwendung von geeigneten Substraten wie z. B. laserablatierbaren Polymeren (darunter Polyimide und dergleichen) und Keramiken (darunter Aluminiumoxide und dergleichen) gebildet. Des weiteren werden hierin unter Verwendung von Verbundsubstraten wie z. B. Laminaten miniaturisierte Säulenbauelemente gebildet. Der Begriff „Laminat" bezieht sich auf ein Verbundmaterial, das aus mehreren unterschiedlichen verbundenen Schichten gleicher oder unterschiedlicher Materialien gebildet ist. Ein besonders bevorzugtes Verbundsubstrat weist ein Polyimidlaminat auf, das aus einer ersten Polyimidschicht, wie z. B. Kapton®, erhältlich bei DuPont (Wilmington, Delaware), gebildet ist, die gemeinsam mit einer zweiten, dünnen Schicht eines thermischen Haftmittels extrudiert wurde, das aus einem Polyimid gebildet ist, das als KJ®, erhältlich bei DuPont (Wilmington, Delaware), bekannt ist. Diese thermoplastische Haftschicht kann sich auf einer oder auf beiden Seiten der ersten Polyimidschicht befinden, wodurch eine Laminatstruktur mit einer erwünschten Dicke bereitgestellt wird.

Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Erfassungseinrichtung" auf eine beliebige Einrichtung, Struktur oder Konfiguration, die es ermöglicht, eine Probe innerhalb des Trennfachs unter Verwendung von analytischen Erfassungstechniken abzufragen, die in der Technik bekannt sind. Somit umfasst eine Erfassungseinrichtung eine oder mehrere Aperturen, längliche Aperturen oder Rillen, die mit dem Trennfach kommunizieren und ermöglichen, dass ein(e) äußeres) Erfassungsvorrichtung oder -bauelement schnittstellenmäßig mit dem Trennfach verbunden ist, um einen Analyten zu erfassen, der durch das Fach gelangt.

Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften einer flüssigen Probe, die durch das Trennfach gelangt, können unter Verwendung von Erfassungseinrichtungen erfasst werden, die die Probe, die durch das Trennfach gelangt, physisch berühren. Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Elektrode innerhalb einer Erfassungseinrichtung wie z. B. einer Apertur oder einer Rille platziert sein oder mit derselben über eine Muffenkopplung verbunden sein, wodurch es der Elektrode ermöglicht wird, den Probenstrom direkt zu berühren. Durch Anordnen zweier verschiedener Elektroden (die durch eine äußere leitende Schaltung verbunden sind) einander gegenüberliegend relativ zu dem Trennfach kann ein elektrisches Feld in dem Trennfach erzeugt werden – quer zu der Richtung des Probenflusses – wodurch eine einsatzbereite Einrichtung einer elektrochemischen Erfassung von Analyten bereitgestellt wird, die durch das Fach gelangen.

Änderungen der elektrischen Eigenschaften einer flüssigen Probe, die durch das Trennfach gelangt, können unter Verwendung von Erfassungseinrichtungen erfasst werden, die die Probe, die durch das Trennfach gelangt, nicht physisch berühren. Der Ausdruck „Veränderungen der elektrischen Eigenschaften" einer Probe, die durch das Trennfach gelangt, bezieht sich somit auf erfassbare Veränderungen der Leitfähigkeit, Permittivität oder beides einer bestimmten Probe aufgrund des Vorhandenseins eines Analyten in der Probe. Die „Leitfähigkeit" einer Probe bezieht sich auf das Verhältnis der Dichte des elektrischen Stroms zu dem elektrischen Feld in dieser Probe. Die „Permittivität" einer Probe bezieht sich auf die Dielektrizitätskonstante einer Probe mal der Permittivität eines leeren Raums, wobei die Permittivität des leeren Raums (&egr;0) eine Konstante ist, die in dem Coulombschen Gesetz auftaucht und den Wert 1 in elektrostatischen Zentimeter-Gramm-Sekunden-Einheiten aufweist.

Veränderungen der elektrischen Eigenschaften einer Probe, die durch ein Trennfach gelangt, werden hierin durch Erfassen der Impedanz der flüssigen Probe gemessen. Die „Impedanz" oder „elektrische Impedanz" einer Schaltung bezieht sich auf den Gesamtwiderstand, den die Schaltung einem Wechselstrom („AC" – alternating current) entgegenbringt, gleich dem komplexen Verhältnis der Spannung zu dem Strom in der komplexen Schreibweise. Somit ist die Größe des Gesamtwiderstands, den eine Schaltung einem Wechselstrom entgegenbringt, gleich dem Verhältnis der maximalen Spannung in einer AC-Schaltung zu dem maximalen Strom. Ein „Elektrische-Impedanz-Messgerät" bezieht sich auf ein Instrument, das das komplexe Verhältnis von Spannung zu Strom in einer gegebenen Schaltung bei einer gegebenen Frequenz misst.

Eine Mehrzahl elektrischer „Kommunikationswege", die in der Lage sind, einen elektrischen Strom zu führen und/oder zu übertragen, können benachbart zu dem Trennfach angeordnet sein, derart, dass die Kommunikationswege, in Kombination, eine Schaltung bilden. Wie hierin verwendet umfasst ein Kommunikationsweg jegliches leitfähiges Material, das in der Lage ist, ein AC-Signal zu senden oder zu empfangen. Ein besonders bevorzugtes leitfähiges Material ist Kupfer. Somit ist bei einem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Kommunikationswegen, die eine Antennenschaltung (z. B. ein Paar Kupferantennen) bilden, benachbart zu dem Trennfach angeordnet, wodurch eine Schaltung gebildet wird, die in der Lage ist, eine oszillierende Spannung durch das Trennfach zu leiten, die in bezug auf Veränderungen der Impedanz einer flüssigen Probe, die durch dasselbe fließt, sensibel ist. Eine „Antenne" bezieht sich auf eine Vorrichtung, die in der Lage ist, Funkwellen wie z. B. ein Wechselstrom(AC-) Signal auszustrahlen und/oder zu empfangen. Der Begriff „Antennenschaltung" bezieht sich auf eine vollständige elektrische Schaltung, die eine Antenne umfasst. Der Begriff „Antennenspule" bezieht sich auf eine Spule, durch die ein Antennenstrom (z. B. ein AC-Signal) fließt.

Des weiteren wird dadurch, dass zwei Erfassungseinrichtungen relativ zu dem Trennfach einander gegenüber angeordnet werden, zweckmäßigerweise ein „Erfassungsweg" gebildet, wodurch unter Verwendung von Erfassungstechniken, die in der Technik bekannt sind, die Erfassung von Analyten ermöglicht wird, die durch das Trennfach gelangen.

Ein „optischer Erfassungsweg" bezieht sich auf eine Konfiguration oder Anordnung von Erfassungseinrichtungen, um einen Weg zu bilden, wodurch eine elektromagnetische Strahlung in der Lage ist, von einer externen Quelle zu einer Einrichtung zum Empfangen einer Strahlung zu wandern – wobei die Strahlung das Trennfach durchquert und durch die Probe oder getrennte Analyten in der Probe, die durch das Trennfach fließt, beeinflusst werden kann. Ein optischer Erfassungsweg wird allgemein unter der Erfindung durch Positionieren eines Paars von Erfassungseinrichtungen einander direkt gegenüberliegend relativ zu dem Trennfach gebildet. Bei dieser Konfiguration können Analyten, die durch das Trennfach gelangen, über eine Transmission von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennfachs (und dementsprechend orthogonal zu der Richtung eines elektroosmotischen Flusses bei einer elektrophoretischen Trennung) erfasst werden. Eine Vielzahl von externen optischen Erfassungstechniken kann unter Verwendung eines optischen Erfassungswegs, darunter, jedoch nicht darauf beschränkt, UV/Vis, Nahe-IR, Fluoreszenz, Brechungsindex (RI) und Raman-Techniken ohne weiteres schnittstellenmäßig mit dem Trennfach verbunden werden.

Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „transparent" auf die Fähigkeit einer Substanz, Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu transmittieren, wobei die Fähigkeit bei einer bestimmten Substanz als der Anteil der Strahlung, die eine Strecke von einem Meter durchdringt, gemessen werden kann. So ist unter der Erfindung eine „transparente Lage" somit als eine Lage einer Substanz definiert, die für bestimmte interessierende Strahlungs- oder Partikeltypen durchlässig ist. Transparente Lagen, die bei der Erfindung im Zusammenhang mit optischen Erfassungskonfigurationen insbesondere verwendet werden, sind aus Materialien wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Quarz, Saphir, Diamant und Quarzglas hergestellt.

Im Zusammenhang mit einer Erfassung einer UV-sichtbaren Adsorption von Probenanalyten beziehen sich die Begriffe „Weglänge" bzw. „optische Weglänge" hierin auf eine optische Weglänge „b", die aus dem Beerschen Gesetz abgeleitet ist, das besagt, dass A = log (Ii/If) = &egr;·b·C, wobei A die Absorbanz ist, Ii die Lichtintensität ist, die in Abwesenheit des Analyten gemessen wird, If die Lichtintensität ist, die durch den Analyten transmittiert wird, &egr; der molare Extinktionskoeffizient der Probe (1/m·cm) ist, C die Analytenkonzentration (m/l) ist und b die optische Weglänge (cm) ist. Bei einer Erfassungskonfiguration, bei der die UV-Vis-Absorption eines Probenanalyten über einen optischen Erfassungsweg durch Leiten von Licht durch das Probenverarbeitungsfach entlang eines Wegs, der senkrecht zu der Hauptachse des Probenverarbeitungsfachs ist, gemessen wird, ist somit die Weglänge (b) der Messung im wesentlichen durch die Abmessungen des Trennfachs definiert.

Ein „Erfassungsschnittpunkt" bezieht sich auf eine Konfiguration, bei der eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, die mit dem Trennfach kommunizieren, an einer bestimmten Stelle in dem Trennfach zusammenlaufen. Auf diese Weise kann eine Anzahl von Erfassungstechniken an dem Erfassungsschnittpunkt gleichzeitig an einer Probe oder einem getrennten Analyten durchgeführt werden. Unter der Erfindung wird ein Erfassungsschnittpunkt gebildet, wenn sich eine Mehrzahl von Erfassungswegen kreuzen, oder wenn eine Erfassungseinrichtung wie z. B. eine Apertur mit dem Trennfach an im wesentlichen demselben Punkt wie ein Erfassungsweg kommuniziert. Die Probe oder ein getrennter Analyt kann somit abgefragt werden unter Verwendung einer Kombination aus UV/Vis- und Fluoreszenztechniken, optischen und elektrochemischen Techniken, optischen und elektrischen Techniken oder ähnlicher Kombinationen, um hochempfindliche Erfassungsinformationen zu liefern. Siehe z. B. Beckers u. a. (1988), J. Chromatogr. 452: 591–600; und U.S.-Patent Nr. 4,927,265 an Brownlee.

Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Lichtleitereinrichtung" auf einen im wesentlichen langen, dünnen Faden einer transparenten Substanz, der verwendet werden kann, um Licht zu transmittieren. Lichtleitereinrichtungen, die in der Praxis der Erfindung nützlich sind, umfassen optische Fasern, integrierte Linsenkonfigurationen und dergleichen. Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen sind optische Fasern schnittstellenmäßig mit Erfassungseinrichtungen verbunden, um optische Erfassungstechniken, die in der Technik bekannt sind, zu ermöglichen. Die Begriffe „optische Faser", „faseroptischer Wellenleiter" oder „Optikfasereinrichtung" werden hierin verwendet, um auf eine einzelne optische Faser oder ein Bündel optischer Fasern Bezug zu nehmen, die optional von einem Schutzmantelmaterial umhüllt sind. Beispiele geeigneter Optikfasersubstratmaterialien umfassen Glas, Kunststoff, Glas/Glas-Verbund- und Glas/Kunststoff-Verbundfasern. Eine kritische Charakteristik von optischen Fasern ist die Dämpfung eines optischen Signals. Des weiteren kann ein chemischer Sensor in einen faseroptischen Wellenleiter derart eingelagert sein, derart, dass der chemische Sensor mit dem Flüssigprobenanalyten interagiert. Strukturen, Eigenschaften, Funktionen und Funktionsdetails derartiger faseroptischer chemischer Sensoren finden sich in U.S.-Patent Nr. 4,577,109 an Hirschfeld, U.S.-Patent Nr. 4,785,814 an Kane und U.S.-Patent Nr. 4,842,783 an Blaylock.

Die Verwendung von Laserablationstechniken in der Praxis der Erfindung ermöglicht einen hohen Präzisionsgrad bei der Ausrichtung von Mikrokomponenten und -strukturen, wobei diese Ausrichtung bei bekannten silizium- oder glassubstratbasierten Bauelementen bisher entweder schwierig oder unmöglich ist. Somit bezieht sich der Begriff „Mikroausrichtung", wie hierin verwendet, auf die präzise und genaue Ausrichtung von laserablatierten Merkmalen, darunter die verbesserte Ausrichtung von ergänzenden Mikrokanälen oder Mikrofächern miteinander, von Einlass- und/oder Auslassöffnungen mit Mikrokanälen oder Trennfächern, von Erfassungseinrichtungen mit Mikrokanälen oder Trennfächern, von Erfassungseinrichtungen mit anderen Erfassungseinrichtungen und dergleichen.

Der Begriff „Mikroausrichtungseinrichtung" ist hierin definiert, um sich auf eine beliebige Einrichtung zum Gewährleisten der präzisen Mikroausrichtung von laserablatierten Merkmalen in einem miniaturisierten Säulenbauelement zu beziehen. Eine Mikroausrichtungseinrichtung kann entweder durch Laserablation oder andere Verfahren zum Herstellen geformter Stücke, die in der Technik bekannt sind, in den Säulenbauelementen gebildet sein. Repräsentative Mikroausrichtungseinrichtungen, die hierin eingesetzt werden können, umfassen eine Vielzahl von koaxial angeordneten Aperturen, die in Komponententeilen laserablatiert sind, und/oder eine Vielzahl von entsprechenden Merkmalen in Säulenbauelementsubstraten, z. B. Vorstände und dazu passende Vertiefungen, Rillen und dazu passende Stege oder dergleichen. Ferner kann das genaue Mikroausrichten von Komponententeilen durchgeführt werden, indem die miniaturisierten Säulen in flexiblen Substraten gebildet werden, die zumindest eine laserablatierte Falteinrichtung in denselben aufweisen, derart, dass Abschnitte des Substrats gefaltet werden können, um über anderen Abschnitten zu liegen, wodurch zusammengesetzte Mikrofächer, Ausrichtungsmerkmale wie z. B. Aperturen oder Erfassungseinrichtungen mit Trennfächern oder Mikrotrennfächer aus Mikrokanälen gebildet werden. Derartige Falteinrichtungen können durch eine Reihe von beabstandeten Perforationen, die in einem bestimmten Substrat ablatiert sind, von beabstandeten schlitzähnlichen Vertiefungen oder Aperturen, die ablatiert sind, um sich nur zum Teil durch das Substrat zu erstrecken, ausgeführt sein. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, rautenförmige, hexagonale oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimmten geraden Linie unterstützen.

Der Begriff „Flüssigphasenanalyse" wird verwendet, um sich auf eine beliebige Analyse zu beziehen, die bezüglich entweder kleiner und/oder makromolekularer gelöster Stoffe in der Flüssigphase durchgeführt wird. Dementsprechend umfasst „Flüssigphasenanalyse", wie hierin verwendet, chromatographische Trennungen, elektrophoretische Trennungen und elektrochromatographische Trennungen.

In dieser Hinsicht weisen „chromatographische" Prozesse allgemein bevorzugte Trennungen von Komponenten auf und umfassen Umkehrphasen-, Hydrophobe-Interaktion-, Ionenaustausch-, Molekularsiebchromatographie- und ähnliche Verfahren auf.

„Elektrophoretische" Trennungen bezieht sich auf die Wanderung von Partikeln oder Makromolekülen, die eine elektrische Nettoladung aufweisen, wobei die Wanderung durch ein elektrisches Feld beeinflusst ist. Dementsprechend umfassen elektrophoretische Trennungen Trennungen, die bei Säulen durchgeführt werden, die mit Gelen bepackt sind (z. B. Polyacrylamid, Agarose und Kombinationen derselben) sowie Trennungen, die in Lösung durchgeführt werden.

„Elektrochromatographische" Trennung bezieht sich auf Kombinationen aus elektrophoretischen und chromatographischen Techniken. Beispielhafte elektrochromatographische Trennungen umfassen Gepackte-Säulen-Trennungen unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft (Knox u. a. (1987) Chromatographia 24: 135; Knox u. a. (1989), J. Liq. Chromatogr. 12: 2.435; Knox u. a. (1991), Chromatographia 32: 317) und mizellare elektrophoretische Trennungen (Terabe u. a. (1985), Anal. Chem. 57: 834–841).

Der Begriff „motorische Kraft" wird verwendet, um auf eine beliebige Einrichtung zum Bewirken einer Bewegung einer Probe entlang einer Säule bei einer Flüssigphasenanalyse Bezug zu nehmen, und umfasst die Anlegung eines elektrischen Potentials über einen beliebigen Abschnitt der Säule, die Anlegung einer Druckdifferenz über einen beliebigen Abschnitt der Säule oder eine beliebige Kombination derselben.

Der Begriff „Oberflächenbehandlung" wird verwendet, um auf eine Aufbereitung oder Modifizierung der Oberfläche eines Mikrokanals Bezug zu nehmen, der während einer Trennung mit einer Probe in Berührung stehen wird, wodurch die Trenncharakteristika des Bauelements geändert oder auf sonstige Weise verbessert werden. Dementsprechend umfasst der Begriff „Oberflächenbehandlung", wie hierin verwendet, folgendes: physische Oberflächenadsorptionen; kovalente Bindung von ausgewählten Anteilen an funktionelle Gruppen an der Oberfläche von Mikrokanalsubstraten (wie z. B. Amin-, Hydroxyl- oder Carbonsäuregruppen an Kondensationspolymeren); Verfahren zum Beschichten von Oberflächen, darunter dynamische Deaktivierung von Kanaloberflächen (z. B. durch Hinzufügen von oberflächenaktiven Mitteln zu Medien), Polymeraufpfropfen auf die Oberfläche von Kanalsubstraten (z. B. Polystyren oder Divinylbenzol) und Dünnfilmaufbringung von Materialien wie z. B. Diamant oder Saphir auf Mikrokanalsubstrate.

Der Begriff „Laserablation" wird verwendet, um auf einen Bearbeitungsprozess unter Verwendung eines Hochenergiephotonenlasers wie z. B. eines Excimer-Lasers, um Merkmale in einem geeigneten Substrat zu ablatieren, Bezug zu nehmen. Dieser Excimer-Laser kann z. B. vom Typ F2, ArF, KrCl, KrF oder XeCl sein.

Allgemein liefert jedes Substrat, das UV-absorbierend ist, ein geeignetes Substrat, in dem Merkmale laserablatiert werden können. Dementsprechend können Mikrostrukturen von ausgewählten Konfigurationen gebildet werden, indem eine lithographische Maske auf ein geeignetes Substrat wie z. B. ein Polymer- oder Keramikmaterial abgebildet wird und indem das Substrat anschließend in Bereichen, die durch die lithographische Maske nicht geschützt sind, mit Laserlicht laserablatiert wird.

Bei der Laserablation werden kurze Pulse eines intensiven ultravioletten Lichts in einer dünnen Oberflächenschicht eines Materials innerhalb ungefähr 1 &mgr;m oder weniger der Oberfläche absorbiert. Bevorzugte Pulsenergien sind größer als ungefähr 100 Millijoule pro Quadratzentimeter, und Pulsdauern sind kürzer als ungefähr 1 &mgr;s. Unter diesen Bedingungen photodissoziiert das intensive ultraviolette Licht die chemischen Bindungen in dem Material. Ferner ist die absorbierte ultraviolette Energie in einer derart kleinen Menge an Material konzentriert, dass sie die dissoziierten Fragmente rasch erwärmt und dieselben von der Oberfläche des Materials ausstößt. Da diese Prozesse so schnell ablaufen, hat die Wärme keine Zeit, sich auf das umgebende Material auszubreiten. Dies führt dazu, dass die umgebende Region nicht schmilzt oder auf sonstige Weise beschädigt wird, und der Umfang ablatierter Merkmale kann die Form des auftreffenden optischen Strahls im Maßstab von ungefähr 1 &mgr;m präzise nachbilden.

Zwar wurde die Laserablation hierin unter Verwendung eines Excimer-Lasers beschrieben, doch sei darauf hingewiesen, dass andere Ultraviolettlichtquellen mit im wesentlichen der gleichen optischen Wellenlänge und Energiedichte verwendet werden können, um den Ablationsprozess zu bewerkstelligen. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge einer derartigen Ultraviolettlichtquelle im Bereich von 150 nm bis 400 nm, um eine hohe Absorption in dem zu ablatierenden Substrat zu ermöglichen. Ferner sollte die Energiedichte größer als etwa 100 mJ pro cm2 mit einer Pulslänge von weniger als ungefähr 1 &mgr;s sein, um ein rasches Ausstoßen von ablatiertem Material zu erreichen, im wesentlichen ohne Erwärmung des umgebenden verbleibenden Materials. Laserablationstechniken, wie z. B. die oben beschriebenen, wurden in der Technik beschrieben. Znotins, T.A., u. a., Laser Focus Electro Optics (1987), S. 54–70; U.S.-Patente Nr. 5,291,226 und 5,305,015 an Schantz u. a.

Der Begriff „Spritzgießen" wird verwendet, um h auf einen Prozess zum Gießen von Kunststoff- oder Nichtkunststoff-Keramikformen Bezug zu nehmen, bei dem eine gemessene Menge eines geschmolzenen Kunststoff- oder Keramiksubstrats in Matrizen (oder Formen) eingespritzt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können miniaturisierte Säulenbauelemente unter Verwenden des Spritzgießens produziert werden.

Insbesondere wird eine Form oder Matrize eines miniaturisierten Säulenbauelements unter Verwendung einer Excimer-Laserablation gebildet, um ein ursprüngliches Mikrostrukturmuster in einem geeigneten Polymersubstrat zu definieren. Die dadurch gebildete Mikrostruktur kann dann durch eine sehr dünne Metallschicht beschichtet und mit einem Metall wie z. B. Nickel elektroplattiert (z. B. durch Galvanoformung) werden, um einen Träger bereitzustellen. Wenn der Metallträger von dem ursprünglichen Polymer getrennt wird, wird eine Formeinlage (oder Maskenerstellung) bereitgestellt, die die negative Struktur des Polymers aufweist. Mehrere Nachbildungen des ablatierten Mikrostrukturmusters können so in geeigneten Polymer- oder Keramiksubstraten unter Verwendung von Spritzgusstechniken, die in der Technik gut bekannt sind, hergestellt werden.

Der Begriff „Liga-Prozess" wird verwendet, um auf einen Prozess zum Herstellen von Mikrostrukturen, die hohe Seitenverhältnisse und eine erhöhte strukturelle Präzision aufweisen, unter Verwendung von Synchrotronstrahlungslithographie, Galvanoformung und Kunststoffformung Bezug zu nehmen. Bei einem Liga-Prozess werden strahlungsempfindliche Kunststoffe unter Verwendung einer Synchrotronquelle bei einer hochenergetischen Strahlung lithographisch bestrahlt, um erwünschte Mikrostrukturen (z. B. Kanäle, Öffnungen, Aperturen und Mikroausrichtungseinrichtungen) zu bilden, wodurch eine primäre Schablone gebildet wird.

Die primäre Schablone wird dann durch Techniken galvanischer Abscheidung mit einem Metall gefüllt. Die so gebildete Metallstruktur weist eine Formeinlage für die Herstellung von sekundären Kunststoffschablonen auf, die den Platz der primären Schablone einnehmen. Auf diese Weise können unter Verwendung von Spritzguss- oder reaktiven Spritzgusstechniken hochgenaue Nachbildungen der ursprünglichen Mikrostrukturen in einer Vielfalt von Substraten gebildet werden. Der Liga-Prozess wurde von Becker, E.W., u. a., Microelectric Engineering 4 (1986) S. 35–56, beschrieben. Beschreibungen zahlreicher Polymersubstrate, die unter Verwendung von LIGA-Schablonen spritzgegossen werden können und die bei der Praxis der betreffenden Erfindung geeignete Substrate sind, können in „Contemporary Polymer Chemistry", Allcock, H.R., und Lampe, F.W., (Prentice-Hall, Inc.), New Jersey (1981), gefunden werden.

Dementsprechend betrifft die Erfindung die Bildung von miniaturisierten Säulenbauelementen unter Verwendung einer Laserablation in einem geeigneten Substrat. Die Säulenbauelemente werden auch unter Verwendung von Spritzgusstechniken gebildet, bei denen die ursprüngliche Mikrostruktur durch einen Excimer-Laserablationsprozess gebildet wurde oder bei denen die ursprüngliche Mikrostruktur unter Verwendung eines LIGA-Prozesses gebildet wurde.

Insbesondere können Mikrostrukturen wie z. B. Trennfächer, Einspritzeinrichtungen, Erfassungseinrichtungen und Mikroausrichtungseinrichtungen durch Excimer-Laserablation in einem planaren Substrat gebildet werden. Anstelle des Excimer-Lasers kann auch ein frequenzvervielfachter YAG-Laser verwendet werden. In einem derartigen Fall kann ein komplexes Mikrostrukturmuster, das für das Praktizieren der Erfindung nützlich ist, auf einem geeigneten polymeren oder Keramiksubstrat gebildet werden, indem ein Maskierungsprozess mit einer Laserablationseinrichtung kombiniert wird, wie z. B. bei einem Step-und-Repeat-Prozess, wobei derartige Prozesse Fachleuten ohne weiteres einleuchten.

In der Praxis der Erfindung weist ein bevorzugtes Substrat ein Polyimidmaterial auf, wie z. B. solche, die unter den Markennamen Kapton® oder Upilex® von DuPont (Wilmington, Delaware) erhältlich sind, doch kann das bestimmte ausgewählte Substrat jedes andere geeignete Polymer- oder Keramiksubstrat umfassen. Polymermaterialien, die hierin besonders erwogen werden, umfassen Materialien, die aus den folgenden Klassen ausgewählt sind: Polyimid, Polycarbonat, Polyester, Polyamid, Polyäther, Polyolefin oder Mischungen derselben. Ferner kann das ausgewählte Polymermaterial in langen Streifen auf einer Spule hergestellt werden, und es können optionale Führungslöcher entlang der Seiten des Materials bereitgestellt sein, um das Substrat genau und sicher durch einen Step-und-Repeat-Prozess zu transportieren.

Das ausgewählte Polymermaterial wird zu einer Laserverarbeitungskammer transportiert und unter Verwendung von Laserstrahlung in einer Struktur, die durch eine oder mehrere Masken definiert ist, laserablatiert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel definieren derartige Masken alle ablatierten Merkmale für einen erweiterten Bereich des Materials, wobei dieselben z. B. mehrere Aperturen (darunter Einlass- und Auslassöffnungen), eine Mikroausrichtungseinrichtung und Probenverarbeitungskammern umfassen.

Alternativ können Muster wie z. B. das Aperturmuster, das Trennkanalmuster etc. Seite an Seite auf einem herkömmlichen Maskensubstrat platziert werden, das im wesentlichen größer als der Laserstrahl ist. Derartige Muster können dann sequentiell in den Strahl bewegt werden. Bei anderen Herstellungsverfahren können eine oder mehrere Masken verwendet werden, um Aperturen durch das Substrat zu bilden, und eine andere Maske und ein anderes Laserenergieniveau (und/oder eine andere Anzahl von Laserschüssen) können verwendet werden, um Probenverarbeitungskanäle zu definieren, die lediglich durch einen Abschnitt der Dicke des Substrats gebildet sind. Das bei derartigen Masken verwendete Maskierungsmaterial ist bei der Laserwellenlänge vorzugsweise hochreflektierend und besteht z. B. aus einem dielektrischen Material mit mehreren Schichten oder einem Metall wie z. B. Aluminium.

Das Laserablationssystem, das bei der Erfindung eingesetzt wird, umfasst allgemein eine Strahlzuführoptik, eine Ausrichtungsoptik, ein Hochpräzisions- und Hochgeschwindigkeitsmaskenshuttlesystem und eine Verarbeitungskammer einschließlich eines Mechanismus zum Handhaben und Positionieren des Materials. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das Lasersystem eine Projektionsmaskenkonfiguration, bei der eine Präzisionslinse, die zwischen die Maske und das Substrat eingefügt ist, das Excimer-Laserlicht in dem Bild des Musters, das auf der Maske definiert ist, auf das Substrat projiziert.

Es ist für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich, dass die Laserablation verwendet werden kann, um miniaturisierte Trennkanäle und Aperturen in einer breiten Vielfalt von Geometrien zu bilden. Unter Verwendung von Ablationstechniken, wie z. B. der Modulation einer Laserlichtintensität über das Substrat, eines schrittweisen Bewegens des Strahls über die Oberfläche oder eines schrittweisen Einstellens der Fluenz und der Anzahl von Pulsen, die an jede Stelle angelegt werden, um eine entsprechende Tiefe zu steuern, kann jegliche Geometrie, die kein Unterschneiden umfasst, bereitgestellt werden. Ferner werden laserablatierte Kanäle oder Kammern, die gemäß der Erfindung produziert werden, ohne weiteres hergestellt und weisen Verhältnisse von Kanaltiefe zu Kanalbreite auf, die viel größer sind als bei einer Verwendung von Ätztechniken wie z. B. Siliziummikrobearbeitung bisher möglich war. Derartige Seitenverhältnisse können Eins ohne weiteres überschreiten und können sogar 10 erreichen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden durch Steuern der Belichtungsintensität oder durch Durchführen mehrerer Belichtungen Kanäle eines halbkreisförmigen Querschnitts laserablatiert, wobei der Strahl zwischen jeder Belichtung neu ausgerichtet wird. Wenn ein entsprechender halbkreisförmiger Kanal mit einem derart gebildeten Kanal ausgerichtet wird, wird dementsprechend eine Trennkammer mit einem hochsymmetrischen kreisförmigen Querschnitt definiert, der für einen verbesserten Fluidfluss durch die Trennvorrichtung erwünscht sein kann.

Als abschließender Schritt in den Laserablationsprozessen, die durch die Erfindung erwogen werden, wird ein Reinigungsschritt durchgeführt, bei dem der laserablatierte Abschnitt des Substrats unter einer Reinigungsstation positioniert wird. An der Reinigungsstation wird Abfall von der Laserablation gemäß einer standardmäßigen Industriepraxis entfernt.

„Optional" oder „wahlweise", wie es hierin verwendet wird, bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Merkmal oder eine derartige Struktur auf dem miniaturisierten Säulenbauelement vorhanden sein könnte oder auch nicht, oder dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder ein derartiger Umstand auftreten könnte oder auch nicht; und dass die Beschreibung Fälle umfasst, in denen ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Struktur vorhanden ist, sowie Fälle, in denen das Merkmal oder die Struktur nicht vorhanden ist, oder Fälle, in denen das Ereignis oder der Umstand auftritt, sowie Fälle, in denen dies nicht der Fall ist. Der Ausdruck „ein Säulenbauelement, das wahlweise eine Mikroausrichtungseinrichtung aufweist" z. B. beabsichtigt, dass eine Mikroausrichtungseinrichtung auf dem Bauelement vorhanden sein könnte oder auch nicht, und dass die Beschreibung beide Umstände umfasst, in denen eine derartige Einrichtung vorhanden ist und nicht.

Fachleuten, die auf dem Gebiet der Flüssigphasenanalysevorrichtungen arbeiten, ist klar, dass das oben beschriebene Verfahren verwendet werden kann, um eine breite Vielfalt an miniaturisierten Bauelementen zu produzieren. Ein derartiges Bauelement ist in 1A dargestellt, in der ein bestimmtes Ausführungsbeispiel eines miniaturisiertes Säulenbauelement allgemein mit 2 angegeben ist. Eine miniaturisierte Säule 2 wird unter Verwendung von Laserablationstechniken in einem ausgewählten Substrat 4 gebildet. Das Substrat 4 weist allgemein erste und zweite im wesentlichen planare gegenüberliegende Oberflächen auf, die mit 6 bzw. 8 bezeichnet sind, und ist aus einem Material ausgewählt, das nicht Silizium ist und UV-absorbierend und, dementsprechend, laserablatierbar ist.

Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das miniaturisierte Säulenbauelement 2 eine Säulenstruktur auf, die auf einem Chip ablatiert ist und in der Praxis der Erfindung eine bearbeitbare Form des Kunststoffpolyimids wie z. B. Vespel® sein kann. Die Verwendung dieses bestimmten Polyimid-Substrats wird bevorzugt, da sich Polyimide auf der Basis erheblicher Erfahrungen mit den Nachteilen von Quarzglas und der Forschung bezüglich Alternativen desselben als äußerst wünschenswertes Substratmaterial für den Analyseabschnitt eines Flüssigphasenprobenverarbeitungssystems erwiesen haben.

In dieser Hinsicht wurde gezeigt, dass Polyimide niedrige sorptive Eigenschaften gegenüber Proteinen aufweisen, von denen bekannt ist, dass sie in bekannten siliziumdioxidbasierten Trennsystemen besonders schwierig zu analysieren sind. Erfolgreiche Demonstrationen von Trennungen mit dieser schwierigen Klasse von gelösten Stoffen gewährleistet typischerweise, dass die Trennung von anderen Klassen von gelösten Stoffen nicht problematisch sein wird. Da Polyimid ein Kondensationspolymer ist, ist es ferner möglich, Gruppen chemisch an die Oberfläche zu binden, die eine Vielfalt von erwünschten Oberflächeneigenschaften bereitstellen können, in Abhängigkeit von der Zielanalyse. Im Gegensatz zu bekannten siliziumdioxidbasierten Systemen zeigen diese Bindungen an das polymere Substrat eine pH-Stabilität im basischen Bereich (pH 9–10).

Unter Bezugnahme auf die 1A, 2 und 3 weist das Substrat 4 einen Mikrokanal 10 laserablatiert in einer ersten planaren Oberfläche 6 auf. Zwar wurde der Mikrokanal 10 in einer allgemein erweiterten Form dargestellt, doch ist ohne weiteres klar, dass Mikrokanäle, die unter der Erfindung gebildet sind, in einer großen Vielfalt von Konfigurationen ablatiert sein können, wie z. B. in einem geraden, sich schlängelnden, spiralförmigen oder jedem beliebigen erwünschten gewundenen Weg. Wie oben beschrieben ist, kann der Mikrokanal 10 in einer breiten Vielfalt an Kanalgeometrien gebildet sein, darunter halbkreisförmig, rechteckig, rautenförmig und dergleichen, und die Kanäle können in einer breiten Palette von Seitenverhältnissen gebildet sein. Es wird ebenso angemerkt, dass ein Bauelement mit einer Mehrzahl von Mikrokanälen, die darauf laserablatiert sind, in die Wesensart der Erfindung fällt.

Unter besonderer Bezugnahme auf die 1A und 4 ist eine Abdeckplatte 12 über der ersten planaren Oberfläche 6 angeordnet und bildet in Kombination mit dem laserablatierten Mikrokanal 10 ein längliches Probenverarbeitungsfach 14. Die Abdeckplatte 12 kann aus jedem beliebigen geeigneten Substrat wie z. B. Polyimid gebildet sein, wo die Auswahl des Substrats lediglich durch die Vermeidung von unerwünschten Trennoberflächen wie z. B. Silizium- oder Siliziumdioxidmaterialien eingeschränkt ist.

Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Abdeckplatte 12 über der ersten planaren Oberfläche 6 befestigbar ausgerichtet sein, um unter Verwendung von Druckdichtungstechniken ein flüssigkeitsdichtes Trennfach zu bilden, und zwar durch Verwenden eines externen Mittels, um die Stücke zusammenzupressen (wie z. B. Klammern, Spannfedern oder eine zugeordnete Klemmvorrichtung), oder durch Verwenden von Haftmitteln, die in der Technik des Verbindens von Polymeren, Keramiken und dergleichen bekannt sind.

Bezug nehmend auf die 1A und 2 bis 4 ist ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem die Abdeckplatte 12 ferner in derselben ablatierte Aperturen aufweist. Insbesondere kommuniziert eine erste Apertur mit dem Trennfach 14 – das durch die Kombination des Mikrokanals 10 und der Abdeckplatte 12 gebildet wurde – an einem ersten Ende 16 desselben, um eine Einlassöffnung 18 zu bilden, die den Durchgang eines Fluids von einer externen Quelle in das Trennfach ermöglicht. Eine zweite Apertur kommuniziert mit dem Trennfach 14 an einem zweiten Ende 20 desselben, um eine Auslassöffnung 22 zu bilden, die den Durchgang eines Fluids von dem Trennfach zu einer äußeren Aufnahmeeinrichtung ermöglicht. Dementsprechend ist ein miniaturisiertes Säulenbauelement gebildet, das einen Flussweg aufweist, der sich von dem ersten Ende 16 des Trennfachs erstreckt und zu dem zweiten Ende 20 desselben verläuft, wodurch unter Verwendung von in der Technik bekannten Techniken eine Flüssigphasenanalyse von Proben durchgeführt werden kann.

Weiterhin unter Bezugnahme auf die 1A und 24 ist ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das eine Probeneinbringungseinrichtung aufweist, die sowohl in das Substrat 4 als auch in die Abdeckplatte 12 laserablatiert ist. Ein intern ablatierter Umgehungskanal 24 ist in dem Substrat 4 gebildet, derart, dass der Kanal 24 in der Nähe des ersten Endes 16 des Probenverarbeitungsfachs angeordnet ist. Zwei zusätzliche Aperturen 26 und 28 sind in der Abdeckplatte 12 gebildet und sind angeordnet, um mit einem ersten und einem zweiten Ende (mit 30 bzw. 32 bezeichnet) des Umgehungskanals 24 zu kooperieren. Auf diese Weise kann eine Probe, die in einem externen Reservoir gehalten ist, in den Umgehungskanal 24 eingebracht werden, um einen Probenpfropfen eines bekannten Volumens (durch die Abmessungen des Kanals 24 definiert) zu bilden. Der auf diese Weise gebildete Probenpfropfen kann dann über die Einlassöffnung 18 in das erste Ende 16 des Trennfachs 14 eingebracht werden, indem eine externe mechanische Ventilsteuerung kommunikationsmäßig mit der Einlassöffnung und den laserablatierten Aperturen 26 und 28 verbunden wird und indem eine Lösung durch den Umgehungskanal 24 in das Trennfach gespült wird.

Es sei angemerkt, dass der ablatierte Umgehungskanal 24 und die Aperturen 26 und 28 ferner die Praktizierung einer breiten Vielfalt an Probeneinbringungstechniken ermöglichen. Insbesondere ermöglicht das Vorhandensein eines Umgehungskanals, der nicht mit dem Trennfach verbunden ist, einem Benutzer, eine Probe durch den Umgehungskanal zu spülen, ohne dass dabei eine Probenverschleppung oder Säulenverunreinigung auftritt. Wie einem Fachmann nach dem Lesen dieser Spezifikation klar ist, kann eine derartige Probeneinbringungstechnik ausgeführt werden, indem ein zugeordneter Rotor mit einem Stator (nicht gezeigt) auf der externen Oberfläche einer miniaturisierten Säule muffenkopplungsmäßig verbunden wird, wobei der Rotor selektiv eine externe Schlauchanordnung und externe Fluidquellen schnittstellenmäßig mit der Einlassöffnung 18 und den Aperturen 26 und 28 verbindet. Auf diese Weise ermöglicht der Rotor ein Spülen einer Probe von dem Umgehungskanal 24 in die externe Schlauchanordnung – von der die Probe dann über die Einlassöffnung 18 in die Säule zum Zweck einer Flüssigphasenanalyse derselben eingebracht werden kann. So ermöglicht es das miniaturisierte Säulenbauelement, das in einem Polyimidsubstrat gebildet ist, einem Keramikrotor – der unter Verwendung einer Zugkraft an das Bauelement gedrückt wird (um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu bilden) – sich aufgrund der Reibungscharakteristika der beiden Materialien immer noch zwischen ausgewählten Aperturpositionen an dem Bauelement zu drehen. Andere geeignete Rotoren können in starren Materialien gebildet sein wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, Glas und nicht-leitfähige Substrate.

Dementsprechend stellt bei der Praxis der Erfindung eine externe Hardware die mechanische Ventilsteuerung, die für eine Kommunikation eines miniaturisierten Säulenbauelements mit unterschiedlichen externen Flüssigkeitsreservoirs, wie z. B. einer Elektrolytlösung, Spüllösung oder der Probe nötig ist, über laserablatierte Löcher bereit, die in die Abdeckplatte 12 konstruiert sind. Dieses Merkmal ermöglicht, dass eine Vielfalt von Einspritzverfahren an ein miniaturisiertes planares Säulenbauelement angepasst sind, darunter Druckeinspritzung, hydrodynamische Einspritzung oder elektrokinetische Einspritzung. Bei dem bestimmten Ausführungsbeispiel der 1A, 2 und 3 kann die externe Ventilsteuerungs- und Einspritzeinrichtung durch muffenkopplungsmäßiges Verbinden mit den laserablatierten Aperturen mit der Trennvorrichtung kommuniziert, doch können jegliche anderen geeigneten Verfahren einer Verbindung, die in der Technik bekannt sind, ohne weiteres an die Erfindung angepasst werden. Ferner wird angemerkt, dass zahlreiche andere Probeeinführungs- und Fluidschnittstellenverbindungsentwürfe praktiziert werden können und dennoch in die Wesensart der betreffenden Erfindung fallen.

Noch immer Bezug nehmend auf die 1A und 2 bis 4 kann eine breite Vielfalt von Einrichtungen zum Ausüben einer Antriebskraft entlang der Länge des Trennfachs 14 kann dem betreffenden Bauelement zugeordnet sein. Insbesondere kann eine Druckdifferenz oder ein elektrisches Potential entlang der gesamten Länge des Trennfachs angelegt werden, indem eine Antriebseinrichtung mit der Einlassöffnung 18 und der Auslassöffnung 22 unter Verwendung in der Technik gut bekannter Techniken schnittstellenmäßig verbunden wird.

Die Verwendung von Substraten wie z. B. Polyimiden bei der Konstruktion von miniaturisierten Säulen hierin ermöglicht die Möglichkeit, eine Brechungsindexerfassung (RI-Erfassung) zu verwenden, um getrennte interessierende Analyten zu erfassen, die durch die betreffenden Säulen gelangen. In dieser Weise ermöglicht die Bereitstellung einer zugeordneten Laserdiode, die Strahlung bei einer Wellenlänge ausstrahlt, bei der Polyimid „transparent" ist (z. B. bei > 500 nm), einen Erfassungsaufbau, bei dem keine zusätzlichen Merkmale in den Säulenbauelementen ablatiert werden müssen.

Unter besonderer Bezugnahme auf die 24 können bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wahlweise eine oder mehrere Erfassungseinrichtungen in das Substrat 4 und die Abdeckplatte 12 ablatiert sein. Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung im wesentlichen in Flussrichtung nach dem ersten Ende 16 des Trennfachs 14 angeordnet, um eine Erfassung getrennter Analyte aus der Flüssigkeitsprobe zu ermöglichen. Insbesondere kann eine Apertur 34 durch das Substrat 4 ablatiert sein, um mit dem Trennfach 14 zu kommunizieren. Ebenso kann eine entsprechende Apertur 36 in der Abdeckplatte 12 gebildet sein und derart angeordnet sein, dass dieselbe sich in koaxialer Ausrichtung mit der Apertur 34 befindet, wenn die Abdeckplatte an dem Substrat befestigt ist, um das Trennfach 14 zu bilden. Auf diese Weise können Elektroden (nicht gezeigt) über die Aperturen 34 und 36 mit dem miniaturisierten Säulenbauelement verbunden sein, um getrennte interessierende Analyten, die durch das Probenverarbeitungsfach gelangen, durch elektrochemische Erfassungstechniken zu erfassen.

Nun Bezug nehmend auf 5 ist ein verwandter Aspekt der Erfindung gezeigt, der ein miniaturisiertes Säulenbauelement 2'' aufweist, wobei der Säulenabschnitt und der Abdeckplattenabschnitt in einem einzelnen flexiblen Substrat, das bei 44 gezeigt ist, gebildet sind. Das flexible Substrat 44 umfasst so einen ersten und einen zweiten Abschnitt 44A bzw. 44B, wobei jeder Abschnitt eine im Wesentlichen planare Innenoberfläche aufweist. Der erste und der zweite Abschnitt 44A und 44B sind durch zumindest eine Falteinrichtung 46 derart getrennt, dass der erste Abschnitt ohne weiteres gefaltet werden kann, um über dem zweiten Abschnitt zu liegen. Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Falteinrichtung 46 eine Reihe voneinander beabstandeter Perforationen, die in das flexible Substrat ablatiert sind, voneinander beabstandete schlitzartige Vertiefungen oder Aperturen, die so ablatiert sind, um sich nur teilweise durch das Substrat zu erstrecken, oder dergleichen aufweisen. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, diamantförmige, sechseckige oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimmten geraden Linie fördern.

So ist das miniaturisierte Säulenbauelement 2'' durch ein anfängliches Laserablatieren eines Mikrokanals 10' in den zweiten Substratabschnitt 44B gebildet. Ein Trennfach wird dann durch Falten des flexiblen Substrats 44 an der Falteinrichtung 46, derart, dass der erste Abschnitt 44A den Mikrokanal 10' bedeckt, um ein Trennfach zu bilden, wie oben beschrieben wurde, bereitgestellt.

Auf diese Weise wird die akkurate Ausrichtung verschiedener Komponententeile ohne weiteres durch die Bereitstellung der Falteinrichtung 46 ermöglicht. Insbesondere erlaubt eine derartige Falteinrichtung 46, dass der erste und der zweite Abschnitt 44A und 44B sich schwenkmäßig aufeinander falten, um Komponenten, die in den ersten und den zweiten Abschnitt ablatiert wurden, akkurat auszurichten. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel ist eine Erfassungseinrichtung 48 vorgesehen, die durch Ablatieren einer Apertur in den ersten Abschnitt 44A des flexiblen Substrats gebildet wird. Die Erfassungseinrichtung 48 ist angeordnet, um mit dem Mikrokanal 10' zu kommunizieren, wenn die Abschnitte 44A und 44B aufeinander gefaltet sind. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel ist die Erfassungseinrichtung 48 angeordnet, um einer weiteren Erfassungseinrichtung 50 zu entsprechen, die eine Apertur aufweist, die in den zweiten Abschnitt 44B laserablatiert wurde, um mit dem Mikrokanal 10' zu kommunizieren. So ist, wenn die Abschnitte 44A und 44B aufeinander gefaltet sind, ein koaxialer Erfassungsweg durch die Ausrichtung der entsprechenden Erfassungseinrichtungen 48 und 50 vorgesehen. Auf diese Weise ermöglichen die koaxial ausgerichteten Erfassungseinrichtungen eine optische Erfassung getrennter Analyte, die durch das Trennfach passieren, über ein Durchlassen von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennfachs (und entsprechend orthogonal zu der Richtung eines elektroosmotischen Flusses bei einer elektrophoretischen Trennung).

Bei wiederum anderen verwandten Aspekten der Erfindung sind optionale Mikroausrichtungseinrichtungen – entweder durch Laserablationstechniken oder durch andere Verfahren zum Herstellen geformter Stücke gebildet, die in der Technik bekannt sind – in den miniaturisierten Säulenbauelementen 2 und/oder 2'' der 1A bzw. 5 vorgesehen. Insbesondere kann eine Mehrzahl entsprechender laserablatierter Aperturen (nicht gezeigt) in entweder dem Substrat 4 und der Abdeckplatte 12 oder in dem ersten und dem zweiten flexiblen Substratabschnitt 44A und 44B vorgesehen sein. Die entsprechenden Aperturen sind derart angeordnet, dass eine Koaxialausrichtung derselben eine präzise Ausrichtung des Substrats 4 mit der Abdeckplatte 12 oder des ersten und des zweiten flexiblen Substratabschnitts 44A und 44B erlaubt, um verschiedene Merkmale, wie z. B. Erfassungseinrichtungen, mit einer ablatierten länglichen Bohrung auszurichten. Eine derartige optionale Ausrichtung kann unter Verwendung einer externen Vorrichtung mit Einrichtungen (wie z. B. Stiften) zum Zusammenwirken mit den koaxialen Aperturen bewirkt werden, um die Komponenten oder Abschnitte in einer ordnungsgemäßen Ausrichtung zueinander beizubehalten.

Unter Bezugnahme auf 1B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit 2' bezeichnet ist, als eine bevorzugte Erfassungseinrichtung, die allgemein mit 42 angegeben ist, aufweisend gezeigt. Insbesondere ist eine erste transparente Lage 38 vorgesehen, wobei die Abdeckplatte 12 zwischen der ersten transparenten Lage und dem Substrat 4 angeordnet ist. Ebenso ist eine zweite transparente Lage 40 vorgesehen, wobei die zweite Lage über der zweiten planaren Oberfläche 8 des Substrats 4 angeordnet ist. Auf diese Weise ermöglicht die Erfassungseinrichtung 42 eine optische Erfassung von getrennten Analyten, die durch das Trennfach gelangen – das durch die Kombination des Mikrokanals 10 und der Abdeckplatte 12 gebildet wurde – über eine Transmission von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennfachs (und, entsprechend, orthogonal zu der Richtung eines elektroosmotischen Flusses bei einer elektrophoretischen Trennung). Ferner können in der Praxis der Erfindung die transparenten Lagen Materialien wie z. B. Quarz, Diamant, Saphir, Quarzglas oder jedes andere geeignete Substrat aufweisen, das eine Lichttransmission durch dasselbe ermöglicht.

Die betreffenden transparenten Lagen können mit gerade genügend Oberfläche gebildet sein, um die Erfassungsaperturen 34 und 36 abzudecken und abzudichten, oder die Lagen können bemessen sein, die gesamte Oberfläche des Säulenbauelements abzudecken. In dieser Hinsicht kann einem Säulenbauelement, das in einem besonders dünnen Substratfilm gebildet ist, wie z. B. einem Dünnfilmpolyimidsubstrat, eine zusätzliche strukturelle Starrheit verliehen werden, indem eine im wesentlichen koplanare Lage von gleichem Umfang aus z. B. Quarzglas eingesetzt wird.

Dementsprechend ermöglicht die oben beschriebene optische Erfassungseinrichtung 42 eine Anpassung einer Vielfalt von externen optischen Erfassungseinrichtungen an miniaturisierte Säulen, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind. Ferner wird eine Abdichtung der transparenten Lagen 38 und 40 bezüglich des miniaturisierten Säulenbauelements 2' ohne weiteres ermöglicht, z. B. wenn das Substrat 4 und die Abdeckplatte 12 in Polyimidmaterialien gebildet sind, die eine Schicht einer thermischen haftenden Form von Polyimid umfassen, da bekannt ist, dass Quarz/Kapton®-Bindungen, die unter Verwendung von derartigen Haftmitteln gebildet werden, sehr elastisch sind. Das Abdichten anderer bevorzugter Materialien von transparenten Lagen wie z. B. Diamant, Saphir oder Quarzglas bezüglich des betreffenden Bauelements kann durch Verwenden von Hafttechniken erreicht werden, die in der Technik bekannt sind.

Die Fähigkeit eines Erfassens mit einer Strahlung über einen Bereich von elektromagnetischen Wellenlängen ermöglicht, dass eine Vielfalt an spektrophotometrischen Erfassungstechniken schnittstellenmäßig mit einer miniaturisierten Säule gemäß der Erfindung verbunden werden, darunter, jedoch ohne Einschränkung Nahe-IR, UV/Vis, Fluoreszenz, Brechungsindex (RI) und Raman.

Ferner ermöglicht, wie ohne weiteres klar sein wird, die Verwendung von optischen Erfassungseinrichtungen, die Aperturen aufweisen, die in das Substrat und die Abdeckplatte ablatiert sind, eine umfassende Steuerung der effektiven Erfassungsweglänge bei einem miniaturisierten Säulenbauelement, das darin aufgebaut ist. In dieser Hinsicht ist die Erfassungsweglänge im wesentlichen gleich der kombinierten Dicke des Substrats 4 und der Abdeckplatte 12, und Erfassungsweglängen von bis zu 250 &mgr;m können unter Verwendung der betreffenden Erfassungseinrichtung 42 bei Dünnfilmsubstraten wie z. B. Polyimiden ohne weiteres erhalten werden.

Unter Bezugnahme auf 6 ist ersichtlich, dass die Aperturen 34 und 36 an dem Schnittpunkt mit der Erfassungseinrichtung 42 ein vergrößertes Volumen in dem Trennfach 14 bereitstellen, wobei dieses vergrößerte Volumen proportional zu der kombinierten Dicke des Substrats 4 und der Abdeckplatte 12 ist. Auf diese Weise können Probenpfropfen, die durch das Trennfach 14 gelangen, unter Umständen einer ungünstigen Verzerrung unterliegen, während der Pfropfen durch das erhöhte Fachvolumen in dem Erfassungsbereich beeinflusst wird, insbesondere dort, wo die kombinierte Dicke des Substrats und der Abdeckplatte ungefähr 250 &mgr;m überschreitet, wodurch möglicherweise der Trennwirkungsgrad des Bauelements reduziert wird.

Entsprechend wird bei der vorliegenden Erfindung, bei der Erfassungsweglängen, die 250 &mgr;m überschreiten, erwünscht sind, ein alternatives Bauelementausführungsbeispiel bereitgestellt, das laserablatierte Merkmale auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen eines Substrats aufweist. Insbesondere ist in den 7A und 7B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines miniaturisierten Säulenbauelements allgemein mit 52 angegeben. Die miniaturisierte Säule weist ein Substrat 54 auf, das erste und zweite, im wesentlichen planare gegenüberliegende Oberflächen aufweist, die mit 56 bzw. 58 bezeichnet sind. Das Substrat 54 weist einen ersten Mikrokanal 60 laserablatiert in der ersten planaren Oberfläche 56 und einen zweiten Mikrokanal 62 laserablatiert in der zweiten planaren Oberfläche 58 auf, wobei die Mikrokanäle in einer breiten Vielfalt von Geometrien, Konfigurationen und Seitenverhältnissen, wie oben beschrieben, bereitgestellt werden können.

Das miniaturisierte Säulenbauelement der 7A und 7B umfasst ferner erste und zweite Abdeckplatten, die mit 64 bzw. 66 angegeben sind und die in Kombination mit dem ersten und zweiten Mikrokanal 60 und 62 erste und zweite längliche Trennfächer definieren, wenn das Substrat 54 sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Abdeckplatte angeordnet ist.

Weiterhin unter Bezugnahme auf die 7A und 7B kann eine Mehrzahl von Aperturen in dem Bauelement laserablatiert sein, um ein erweitertes Trennfach bereitzustellen und um ferner eine Fluidkommunikationseinrichtung herzustellen. Insbesondere verbindet eine Rohreinrichtung 72, die eine laserablatierte Apertur in dem Substrat 54 mit einer Achse, die orthogonal zu der ersten und zweiten planaren Oberfläche 56 und 58 ist, aufweist, ein distales Ende 74 des ersten Mikrokanals 60 kommunikationsmäßig mit einem ersten Ende 76 des zweiten Mikrokanals 62, um ein erweitertes Trennfach zu bilden.

Des weiteren ermöglicht eine Apertur 68, die in der ersten Abdeckplatte 64 laserablatiert ist, eine Fluidkommunikation mit dem ersten Mikrokanal 60, und eine zweite Apertur 70, die in der zweiten Abdeckplatte 66 laserablatiert ist, ermöglicht eine Fluidkommunikation mit dem zweiten Mikrokanal 62. Wie ohne weiteres klar ist, wird, wenn die Apertur 68 als Einlassöffnung und die zweite Apertur 70 als Auslassöffnung verwendet wird, ein miniaturisiertes Säulenbauelement bereitgestellt, das einen Flussweg aufweist, der sich entlang der kombinierten Länge des ersten und zweiten Mikrokanals 60 und 62 erstreckt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in den 7A und 7B gezeigt ist, kann eine breite Vielzahl an Probeneinbringungseinrichtungen eingesetzt werden, wie z. B. die oben beschriebenen. Eine externe Hardware kann ebenfalls schnittstellenmäßig mit dem betreffenden Bauelement verbunden sein, um Flüssigkeitshandhabungsfähigkeiten bereitzustellen, und eine Vielfalt an Einrichtungen zum Ausüben einer Antriebskraft entlang der Länge des Trennfaches kann dem Bauelement zugeordnet werden, wie z. B. durch schnittstellenmäßiges Verbinden von Antriebseinrichtungen mit der ersten und/oder zweiten Apertur 68 bzw. 70, wie oben beschrieben ist.

Zusätzlich ist eine Vielfalt an Erfassungseinrichtungen ohne weiteres in dem betreffenden Ausführungsbeispiel enthalten. In dieser Hinsicht kann eine erste Apertur 78 in der ersten Abdeckplatte 64 laserablatiert sein und eine zweite Apertur 80 kann desgleichen in der zweiten Abdeckplatte 66 gebildet sein, derart, dass sich die erste und zweite Apertur in koaxialer Ausrichtung mit der Rohreinrichtung 72 befinden, wenn das Substrat 54 sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Abdeckplatte angeordnet ist. Dadurch wird eine Erfassung von Analyten in einer getrennten Probe, die durch die Rohreinrichtung gelangt, ohne weiteres ermöglicht, wie z. B. durch Verbinden von Elektroden mit der miniaturisierten Säule über die Aperturen 78 und 80 und durch Erfassen unter Verwendung von elektrochemischen Techniken.

Ein Schlüsselmerkmal der laserablatierten Rohreinrichtung 72 besteht jedoch in der Fähigkeit, eine erweiterte optische Erfassungsweglänge von bis zu 1 mm oder mehr bereitzustellen, ohne dass an dem Erfassungspunkt eine ungünstige Probenpfropfenverzerrung aufgrund erhöhter Trennfachvolumen auftritt. Unter Bezugnahme auf die 7A, 7B und 9 kann eine erste und eine zweite transparente Lage, mit 82 bzw. 84 bezeichnet, bereitgestellt sein, derart, dass die erste Abdeckplatte 64 zwischen der ersten transparenten Lage und der ersten planaren Oberfläche 56 angeordnet ist und die zweite Abdeckplatte 66 zwischen der zweiten transparenten Lage und der zweiten planaren Oberfläche 58 angeordnet ist. Die transparenten Lagen 82 und 84 können aus geeigneten Materialien wie z. B. Quarzkristall, Quarzglas, Diamant, Saphir und dergleichen ausgewählt sein. Ferner können die transparenten Lagen mit einer gerade ausreichenden Oberfläche bereitgestellt sein, um die Aperturen 78 und 80 abzudecken und abzudichten, oder diese Lagen können bemessen sein, um die gesamte Oberfläche des Säulenbauelements abzudecken. Wie oben beschrieben ist, ermöglicht dieses Merkmal, dass einem Säulenbauelement, das in einem besonders dünnen Substrat gebildet ist, eine zusätzliche strukturelle Starrheit verliehen wird.

Wie am besten in 9 gezeigt ist, ermöglicht die betreffende Anordnung, dass eine optische Erfassung von Probenanalyten, die durch das miniaturisierte Säulenbauelement gelangen, entlang einer optischen Erfassungsweglänge 86ausgeführt wird, die der Hauptachse der Rohreinrichtung 72 entspricht. Wie ohne weiteres klar ist, wird die optische Erfassungsweglänge 86 im wesentlichen durch die Dicke des Substrats 54 bestimmt, und dadurch wird unter der vorliegenden Erfindung ein großes Maß an Flexibilität bei der gezielten Dimensionierung eines miniaturisierten Säulenbauelements ermöglicht, das Mikrometersäulenabmessungen und optische Weglängen von bis zu 1 mm oder mehr aufweist. Auf diese Weise kann eine breite Vielfalt an zugeordneten optischen Erfassungsvorrichtungen schnittstellenmäßig mit den neuartigen miniaturisierten Säulen verbunden werden, und eine Erfassung von Analyten in Proben, die durch die Rohreinrichtung 72 gelangen, kann ohne weiteres unter Verwendung von UV/Vis, Fluoreszenz, Brechungsindex (RI), Raman und ähnlichen spektrophotometrischen Techniken ausgeführt werden.

Unter Bezugnahme auf die 8A und 8B ist ein verwandtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das ein miniaturisiertes Säulenbauelement 52' aufweist, bei dem der Säulenabschnitt und die erste und zweite Abdeckplatte in einem einzelnen, flexiblen Substrat gebildet sind, das allgemein mit 88 bezeichnet ist. Das flexible Substrat 88 weist somit drei unterschiedliche Regionen auf, einen Säulenabschnitt 88B, der erste und zweite im wesentlichen planare gegenüberliegende Oberflächen 56' bzw. 58' aufweist, wobei der Säulenabschnitt zwischen einem ersten Abdeckplattenabschnitt 88A und einem zweiten Abdeckplattenabschnitt 88C angeordnet ist. Der erste und der zweite Abdeckplattenabschnitt weisen zumindest eine im wesentlichen planare Oberfläche auf. Der erste Abdeckplattenabschnitt 88A und der Säulenabschnitt 88B sind durch zumindest eine Falteinrichtung 90 derart getrennt, dass der erste Abdeckplattenabschnitt ohne weiteres gefaltet werden kann, um über der ersten im wesentlichen planaren Oberfläche 56' des Säulenabschnitts 88B zu liegen. Der zweite Abdeckplattenabschnitt 88C und der Säulenabschnitt 88B sind ebenfalls durch zumindest eine Falteinrichtung 92 derart getrennt, dass die zweite Abdeckplatte ohne weiteres gefaltet werden kann, um über der zweiten im wesentlichen planaren Oberfläche 58' des Säulenabschnitts 88B zu liegen. Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kann jede Falteinrichtung 90 und 92 eine Reihe von voneinander beabstandeten Perforationen, die in dem flexiblen Substrat ablatiert sind, voneinander beabstandete schlitzähnliche Vertiefungen oder Aperturen, die ablatiert sind, um sich nur teilweise durch das Substrat zu erstrecken, oder dergleichen aufweisen. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, rautenförmige, hexagonale oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimmten geraden Linie fördern.

Somit wird das miniaturisierte Säulenbauelement 52' durch Laserablatieren eines ersten Mikrokanals 60' in der ersten planaren Oberfläche 56' des Säulenabschnitts 88B und eines zweiten Mikrokanals 62' in der zweiten planaren Oberfläche 58' des Säulenabschnitts gebildet. Jeder Mikrokanal kann in einer breiten Vielfalt von Geometrien, Konfigurationen und Seitenverhältnissen bereitgestellt werden. Ein erstes Trennfach wird dann durch Falten des flexiblen Substrats 88 an der ersten Falteinrichtung 90 gebildet, derart, dass der erste Abdeckplattenabschnitt 88A den ersten Mikrokanal 60' abdeckt, um ein längliches Trennfach zu bilden. Ein zweites Trennfach wird dann durch Falten des flexiblen Substrats 88 an der zweiten Falteinrichtung 92 bereitgestellt, derart, dass der zweite Abdeckplattenabschnitt 88C den zweiten Mikrokanal 62' abdeckt, um ein wie oben beschriebenes Trennfach zu bilden. Eine Rohreinrichtung 72', die eine laserablatierte Apertur in dem Säulenabschnitt 88B aufweist, der eine Achse aufweist, die orthogonal zu der ersten und zweiten planaren Oberfläche 56' und 58' ist, verbindet ein distales Ende des ersten Mikrokanals 60' kommunikationsmäßig mit einem ersten Ende des zweiten Mikrokanals 62', um ein einzelnes, erweitertes Trennfach zu bilden.

Ferner ermöglicht eine Apertur 68', die in dem ersten Abdeckplattenabschnitt 88A laserablatiert ist, eine Fluidkommunikation mit dem ersten Mikrokanal 60', und eine zweite Apertur 70', die in dem zweiten Abdeckplattenabschnitt 88C laserablatiert ist, ermöglicht eine Fluidkommunikation mit dem zweiten Mikrokanal 62'. Wie oben beschrieben ist, wird, wenn die erste und die zweite Apertur als Einlass- bzw. Auslassöffnung verwendet werden, ein miniaturisiertes Säulenbauelement bereitgestellt, das einen Flussweg aufweist, der sich entlang der kombinierten Länge des ersten und des zweiten Mikrokanals erstreckt.

Eine Erfassungseinrichtung kann optional in dem Bauelement aus den 8A und 8B enthalten sein. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann eine erste Apertur 78' in dem ersten Abdeckplattenabschnitt 88A laserablatiert sein, und desgleichen kann eine zweite Apertur 80' in dem zweiten Abdeckplattenabschnitt 88C gebildet sein, wobei die Aperturen angeordnet sind, um koaxial miteinander und mit der Rohreinrichtung 72' zu kommunizieren, wenn das flexible Substrat 88 wie oben beschrieben gelenkmäßig gefaltet ist, um die Aperturen 78' und 80' mit der Rohreinrichtung 72' genau auszurichten.

Bei wiederum weiteren verwandten Aspekten der Erfindung sind optionale Mikroausrichtungseinrichtungen – die entweder durch Laserablationstechniken oder andere Verfahren zum Herstellen von geformten Stücken, die in der Technik bekannt sind, gebildet sind – in dem miniaturisierten Säulenbauelement 52' bereitgestellt. Spezifischer kann eine Mehrzahl von entsprechenden laserablatierten Aperturen (nicht gezeigt) in dem Säulenabschnitt 88B und dem ersten und zweiten Abdeckplattenabschnitt 88A bzw. 88C des flexiblen Substrats 88 bereitgestellt sein. Die betreffenden Aperturen sind derart angeordnet, dass eine koaxiale Ausrichtung derselben die präzise Ausrichtung des Säulenabschnitts mit einem oder beiden der Abdeckplattenabschnitte ermöglicht, um verschiedene Merkmale, wie z. B. die optionale Erfassungseinrichtung, mit dem ablatierten Rohr auszurichten. Eine derartige optionale Ausrichtung kann durch Verwenden einer externen Vorrichtung mit einer Einrichtung (wie z. B. Stiften) zum Zusammenwirken mit den koaxialen Aperturen erreicht werden, um die Komponenten als Abschnitte aufrechtzuerhalten, die sich in ordnungsgemäßer Ausrichtung miteinander befinden.

Dementsprechend wurden neuartige miniaturisierte Säulenbauelemente beschrieben, die in einem Substrat laserablatiert sind, das nicht aus Silizium oder Siliziumdioxidmaterialien ist und die mehrere Hauptprobleme vermeiden, die mit bekannten Versuchen, Mikrosäulenbauelemente bereitzustellen, verbunden sind. Die Verwendung von Laserablationstechniken in der Praxis der Erfindung ermöglicht, dass hochsymmetrische und genau definierte Mikrosäulenbauelemente in einer breiten Klasse von polymeren und Keramiksubstraten hergestellt werden, um eine Vielfalt von miniaturisierten Flüssigphasenanalysesystemen bereitzustellen. Insbesondere werden miniaturisierte Säulen bereitgestellt, die Mikrokapillarabmessungen (Durchmesser im Bereich von 20–200 &mgr;m) und Säulenerfassungsweglängen von bis zu 1 mm oder mehr aufweisen. Dieses Merkmal war bislang bei bekannten Miniaturisierungsversuchen, wie z. B. bei der Kapillarelektrophorese, nicht ohne beträchtliche technische Bearbeitung eines Bauelements nach der Kapillarbildung erreichbar. Ferner vermeidet die Laserablation von miniaturisierten Säulen in trägen Substraten wie z. B. Polyimiden die Probleme, auf die man bei bekannten Bauelementen stieß, die in silizium- oder siliziumdioxidbasierten Materialien gebildet waren. Derartige Probleme umfassen die inhärente chemische Aktivität und pH-Instabilität von silizium- und siliziumdioxidbasierten Substraten, die den Typ von Trennungen, die bei diesen Bauelementen durchgeführt werden können, einschränken.

In der Praxis der Erfindung können miniaturisierte Säulenbauelemente durch Laserablatieren eines Satzes von erwünschten Merkmalen in einem ausgewählten Substrat unter Verwendung eines Step-und-Repeat-Prozesses, um diskrete Einheiten zu bilden, gebildet werden. In dieser Hinsicht kann eine breite Vielzahl von Bauelementen gemäß der Erfindung in Kondensationspolymersubstrate laserablatiert werden, darunter Polyimide, Polyamide, Polyester und Polycarbonate. Ferner kann die Erfindung unter Verwendung von entweder einem Laserablationsprozess oder einem Liga-Prozess verwendet werden, um Schablonen zu bilden, die einen Satz erwünschter Merkmale umfassen, wodurch mehrere Kopien von miniaturisierten Säulen im Rahmen einer Massenproduktion unter Verwendung von Spritzgusstechniken, die in der Technik bekannt sind, hergestellt werden können. Insbesondere können mehrere Kopien der neuartigen miniaturisierten Säulen herein durch Spritzgießen in Substraten gebildet werden, wie z. B., jedoch nicht ausschließlich den folgenden Substraten: Polycarbonaten; Polyestern, darunter Poly(ethylenterephthalat) und Poly(butylenterephthalat); Polyamiden (wie z. B. Nylonarten); Polyettern, darunter Polyformaldehyd und Poly(Phenylensulfid); Polyimiden wie z. B. Kapton® und Upilex®; Polyolefinverbindungen, darunter ABS-Polymere, Kel-F-Copolymere, Poly(methylmethacrylat), Poly(styrenbutadien)-Copolymere, Poly(tetrafluorethylen), Poly(ethylenvinylacetat)-Copolymere, Poly(N-vinylcarbazol) und Polystyren.

Die Laserablation von Mikrokanälen in den Oberflächen der oben beschriebenen Substrate weist das zusätzliche Merkmal auf, dass sie ermöglicht, dass vor einer Bildung des Trennfachs eine breite Vielfalt von Oberflächenbehandlungen auf die Mikrokanäle angewendet wird. Das heißt, die offene Konfiguration von laserablatierten Mikrokanälen, die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung hergestellt sind, ermöglicht, dass eine Anzahl von Oberflächenbehandlungen oder -modifizierungen durchgeführt werden kann, die bei Konstruktionen des geschlossenen Formats nicht möglich sind, wie z. B. bei bekannten Mikrokapillaren. Spezifischer stellt eine Laserablation bei Kondensationspolymersubstraten Mikrokanäle mit Oberflächen bereit, die funktionelle Gruppen aufweisen, wie z. B. Carboxylgruppen, Hydroxylgruppen und Amingruppen, wodurch unter Verwendung von Techniken, die in der Technik bekannt sind, eine chemische Bindung von ausgewählten Spezies an der Oberfläche der betreffenden Mikrokanäle ermöglicht wird. Andere Oberflächenbehandlungen, die durch die offene Konfiguration der vorliegenden Bauelemente ermöglicht werden, umfassen Oberflächenadsorptionen, Polymerpfropfungen und Dünnfilmaufbringungen von Materialien wie z. B. Diamant oder Saphir auf Mikrokanaloberflächen unter Verwendung von Maskierungs- und Aufbringungstechniken und dynamischen Deaktivierungstechniken, die auf dem Gebiet der Flüssigtrennungen bekannt sind.

Die Fähigkeit, eine starre computerisierte Steuerung über Laserablationsprozesse auszuüben, ermöglicht eine extrem präzise Mikrostrukturbildung, die wiederum die Bildung von miniaturisierten Säulen ermöglicht, die Merkmale aufweisen, die in zwei im wesentlichen planaren Komponenten laserablatiert sind, wobei diese Komponenten ausgerichtet sein können, um ein zusammengesetztes Trennfach einer verbesserten Symmetrie und axialen Ausrichtung zu definieren. So werden bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung miniaturisierte Säulenbauelemente bereitgestellt, wobei Laserablation verwendet wird, um zwei Komponentenhälften zu schaffen, die, wenn dieselben gefaltet oder miteinander ausgerichtet werden, ein einzelnes miniaturisiertes Säulenbauelement definieren.

Unter Bezugnahme auf 10 ist eine miniaturisierte Säule zum Zweck einer Flüssigphasenanalyse einer Probe allgemein mit 102 angegeben. Die miniaturisierte Säule 102 wird durch Bereitstellen eines Trägerkörpers 104, der eine erste und eine zweite Komponentenhälfte aufweist, die mit 106 bzw. 108 angegeben sind, gebildet. Der Trägerkörper kann ein im wesentlichen planares Substrat umfassen, wie z. B. einen Polyimidfilm, der sowohl laserablatierbar als auch flexibel ist, um so ein Falten nach der Ablation zu ermöglichen; das bestimmte ausgewählte Substrat wird jedoch nicht als die Erfindung einschränkend betrachtet.

Die erste und zweite Komponentenhälfte 106 und 108 weist jeweils im wesentlichen planare Innenoberflächen auf, die mit 110 bzw. 112 angegeben sind, wobei in dieselben miniaturisierte Säulenmerkmale laserablatiert sein können. Insbesondere ist ein erstes Mikrokanalmuster 114 in der ersten planaren Innenoberfläche 110 ablatiert, und ein zweites Mikrokanalmuster 116 ist in der zweiten planaren Innenoberfläche 112 laserablatiert. Das erste und das zweite Mikrokanalmuster sind in dem Trägerkörper 104 ablatiert, um im Wesentlichen das Spiegelbild des jeweils anderen bereitzustellen.

Unter Bezugnahme auf die 11 und 12 kann ein Probenverarbeitungsfach 118, das eine längliche Bohrung, die durch das erste und das zweite Mikrokanalmuster 114 und 116 definiert ist, aufweist, durch Ausrichten (wie z. B. durch Falten) der ersten und der zweiten Komponentenhälfte 106 und 108 auf aneinander anstoßende Weise gebildet werden. In der Praxis der Erfindung können die erste und zweite Komponentenhälfte in befestigbarer Ausrichtung miteinander gehalten sein, um unter Verwendung von Druckabdichttechniken, wie z. B. durch Ausüben von Zugspannung oder durch Verwendung von Haftmitteln, die auf dem Gebiet der Flüssigphasentrennvorrichtungen bekannt sind, ein flüssigkeitsdichtes Probenverarbeitungsfach zu bilden. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel werden ein erster und zweiter Mikrokanal 114 und 116 bereitgestellt, die halbkreisförmige Querschnitte aufweisen, wodurch eine Ausrichtung der Komponentenhälften ein Trennfach 118 definiert, das einen hochsymmetrischen kreisförmigen Querschnitt aufweist, um einen verbesserten Fluidfluss durch dasselbe zu ermöglichen; wie oben erörtert ist, ist jedoch eine breite Vielfalt an Mikrokanalgeometrien ebenfalls in der Wesensart der Erfindung enthalten.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Trägerkörper 104 aus einem Polymerlaminatsubstrat gebildet, das einen Kapton®-Film aufweist, der mit einer dünnen Schicht aus einer thermischen Kunststoffform aus Polyimid extrudiert wird, die als KJ bezeichnet wird und von DuPont (Wilmington, Delaware) erhältlich ist. Auf diese Weise können die erste und die zweite Komponentenhälfte 106 und 108 mittels Heißsiegeln miteinander verbunden werden, was zu einer flüssigkeitsdichten Naht führt, die die gleichen chemischen Eigenschaften und, dementsprechend, die gleiche mechanische, elektrische und chemische Stabilität wie das Kapton®-Massematerial aufweist.

Unter Bezugnahme auf die 1012 weist das miniaturisierte Säulenbauelement 102 ferner eine Einrichtung zum kommunikationsmäßiges Verbinden einer externen Fluidaufnahmeeinrichtung (nicht gezeigt) mit dem Trennfach 118 auf, um eine Flüssigphasentrennvorrichtung bereitzustellen. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Aperturen in dem Trägerkörper 104 laserablatiert sein, wobei sich die Aperturen von zumindest einer Außenoberfläche des Trägerkörpers erstrecken und mit zumindest einem Mikrokanal kommunizieren, wobei die Aperturen ermöglichen, dass ein Fluid durch denselben fließt. Insbesondere kann eine Einlassöffnung 120 in der ersten Komponentenhälfte 106 laserablatiert sein, um mit einem ersten Ende 122 des ersten Mikrokanals 114 zu kommunizieren. Auf die gleiche Weise kann eine Auslassöffnung 124 in der ersten Komponentenhälfte ablatiert sein und mit einem zweiten Ende 126 des ersten Mikrokanals 114 kommunizieren.

Auf diese Weise kann ohne weiteres ein Flüssigphasentrennbauelement gebildet werden, das einen Flussweg aufweist, der sich von dem ersten Ende 122 des Mikrokanals 114 zu dem zweiten Ende 126 desselben erstreckt, und zwar durch Kommunizieren von Fluiden von einer zugeordneten Quelle (nicht gezeigt) durch die Einlassöffnung 120, Durchleiten der Fluide durch das Trennfach 118, das durch die Ausrichtung der Mikrokanäle 114 und 116 gebildet ist, und Ermöglichen, dass die Fluide das Trennfach über die Auslassöffnung 126 verlassen. So kann eine breite Vielfalt von Flüssigphasenanalysevorgängen unter Verwendung von Techniken, die in der Technik bekannt sind, an dem betreffenden miniaturisierten Säulenbauelement ausgeführt werden. Des weiteren können verschiedene Einrichtungen zum Ausüben einer Antriebskraft entlang der Länge des Probenverarbeitungsfachs 118, z. B. einer Druckdifferenz oder eines elektrisches Potentials, über die Einlass- und die Auslassöffnung ohne weiteres schnittstellenmäßig mit dem Säulenbauelement verbunden sein, oder durch schnittstellenmäßiges Verbinden mit dem Trennfach über zusätzliche Aperturen, die in dem Trägerkörper 104 ablatiert sein können.

Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Einlassöffnung 120 derart geformt sein, dass eine Vielfalt von externen Fluid- und/oder Probeneinbringungseinrichtungen ohne weiteres schnittstellenmäßig mit dem miniaturisierten Säulenbauelement 102 verbunden sein kann. Wie oben detaillierter erörtert ist, umfassen derartige Probeeinführungseinrichtungen externe Druckeinspritz-, hydrodynamische Einspritz- oder elektrokinetische Einspritzmechanismen.

Unter Bezugnahme auf die 10 und 11 kann das miniaturisierte Säulenbauelement 102 ferner eine Erfassungseinrichtung aufweisen, die in dem Trägerkörper 104 laserablatiert ist. Insbesondere ist eine erste Apertur 128 in der ersten Komponentenhälfte 106 ablatiert, um mit dem ersten Mikrokanal 114 an einem Punkt in der Nähe des zweiten Endes 126 desselben zu kommunizieren. Ebenso ist eine zweite Apertur 130 in der zweiten Komponentenhälfte 108 gebildet, um mit dem zweiten Mikrokanal 116 zu kommunizieren. Auf diese Weise kann dann eine breite Vielfalt an zugeordneten Erfassungseinrichtungen schnittstellenmäßig mit dem Trennfach 118 verbunden sein, um interessierende getrennte Analyten, die durch dasselbe gelangen, zu erfassen, z. B. durch Verbinden von Elektroden mit der miniaturisierten Säule über die erste und die zweite Apertur 128 und 130.

Bei noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem miniaturisierten Säulenbauelement 102 eine optische Erfassungseinrichtung bereitgestellt. In dieser Hinsicht werden die erste und zweite Apertur 128 und 130 derart in dem Trägerkörper 104 ablatiert, dass, wenn die Komponentenhälften ausgerichtet sind, um das Trennfach 118 zu bilden, sich die Aperturen in koaxialer Ausrichtung miteinander befinden, wobei die Aperturen Achsen aufweisen, die orthogonal zu der Ebene des Trägerkörpers sind. Wie einem Fachmann ohne weiteres klar ist, kann durch Bereitstellen von transparenten Lagen (nicht gezeigt) – die über der Außenseite des Trägerkörpers 104 angeordnet sind und die die erste und die zweite Apertur 128 und 130 bedecken – eine Probe, die durch das Trennfach 118 gelangt, durch schnittstellenmäßiges Verbinden einer spektrophotometrischen Erfassungseinrichtung mit der Probe durch die transparenten Lagen unter Verwendung von Verfahren, die in der Technik bekannt sind, analysiert werden. Die optische Erfassungsweglänge wird im wesentlichen durch die kombinierte Dicke der ersten und der zweiten Komponentenhälfte 106 und 108 bestimmt. Auf diese Weise wird durch Ablatieren des miniaturisierten Säulenbauelements in einem 125-&mgr;m-Polymerfilm eine optische Erfassungsweglänge von bis zu 250 &mgr;m ohne weiteres bereitgestellt.

Dementsprechend wurden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines miniaturisierten Säulenbauelements beschrieben, das gemäß der Erfindung durch Laserablatieren von Mikrostrukturen auf Komponententeilen und durch Ausrichten der Komponenten, um Säulen zu bilden, die verbesserte Symmetrien aufweisen, gebildet wurde. Wie oben beschrieben ist, ermöglicht die Bildung der betreffenden Mikrokanäle in der offenen Konfiguration, dass vor einer Ausrichtung der Komponenten zur Bereitstellung des Trennfachs an den Innenoberflächen der Kanäle eine breite Vielfalt von Oberflächenbehandlungen und -modifizierungen durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann eine breite Vielfalt an Flüssigphasenanalysetechniken in den auf diese Weise gebildeten zusammengesetzten Trennfächern ausgeführt werden, darunter chromatographische, elektrophoretische und elektrochromatographische Trennungen.

Bei wiederum einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden optionale Einrichtungen für die präzise Ausrichtung von Komponententrägerkörperhälften bereitgestellt, wodurch eine genaue Definition eines zusammengesetzten Trennfachs gewährleistet wird, das dadurch gebildet ist. Insbesondere sind optionale Mikroausrichtungseinrichtungen bereitgestellt, um eine verbesserte Ausrichtung von laserablatierten Komponententeilen zu ermöglichen, wie z. B. die präzise Ausrichtung von komplementären Mikrokanälen untereinander, Erfassungsaperturen mit Mikrokanälen, Einlass- und Auslassöffnungen mit Mikrokanälen, Erfassungsaperturen mit weiteren Erfassungsaperturen und dergleichen.

Unter Bezugnahme auf die 13 und 14 ist ein miniaturisiertes Säulenbauelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, allgemein mit 150 angegeben, wobei das Bauelement in einem einzelnen flexiblen Substrat 152 gebildet ist. Das Säulenbauelement weist eine erste und eine zweite Trägerkörperhälfte auf, die mit 154 bzw. 156 angegeben sind, wobei jede Hälfte eine im wesentlichen planare Innenoberfläche aufweist, die mit 158 bzw. 160 bezeichnet ist. Die Innenoberflächen weisen laserablatierte Mikrostrukturen auf, die in denselben gebildet sind, die allgemein mit 162 angegeben sind, wobei die Mikrostrukturen angeordnet sind, um auf die gleiche Weise, die oben beschrieben ist, das Spiegelbild der jeweils anderen bereitzustellen.

Genauer gesagt wird die genaue Ausrichtung von Komponententeilen durch Bilden eines miniaturisierten Säulenbauelements in einem flexiblen Substrat 152 bewirkt, das zumindest eine Falteinrichtung, die allgemein mit 180 angegeben ist, aufweist, derart, dass die erste Körperhälfte 154 gefaltet werden kann, um über einer zweiten Körperhälfte 156 zu liegen. Die Falteinrichtung 180 kann eine Reihe von beabstandeten Perforationen, die in dem Substrat 152 ablatiert sind, beabstandete schlitzähnliche Vertiefungen oder ablatierte Aperturen, um sich nur teilweise durch das Substrat zu erstrecken, oder dergleichen aufweisen. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, rautenförmige, hexagonale oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimmten geraden Linie fördern.

Dementsprechend ermöglicht die Falteinrichtung 180, dass sich die erste und die zweite Trägerkörperhälfte 154 und 156 bei der Praxis der Erfindung jeweils gelenkmäßig auf die andere falten, um verschiedene zusammengesetzte Merkmale, die durch die Mikrostrukturen, die auf der ersten und der zweiten planaren Innenoberfläche 158 und 160 ablatiert sind, definiert sind, genau auszurichten.

Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel sind optional Mikroausrichtungseinrichtungen in der ersten und/oder zweiten planaren Innenoberfläche 158 und 160 bereitgestellt, Die Mikroausrichtungseinrichtungen sind entweder durch Laserablation oder durch andere Verfahren zum Herstellen von geformten Stücken, die in der Technik bekannt sind, gebildet. Spezifisch kann eine Mehrzahl von laserablatierten Aperturen (nicht gezeigt) in der ersten und der zweiten Trägerkörperhälfte 154 und 156 bereitgestellt werden, wobei die Aperturen derart angeordnet sind, dass eine koaxiale Ausrichtung derselben die präzise Ausrichtung der Trägerkörperhälften bewirkt, um zusammengesetzte Merkmale wie z. B. eine ablatierte längliche Bohrung zu definieren. Eine derartige Ausrichtung kann unter Verwendung einer externen Vorrichtung mit einer Einrichtung (wie z. B. Stiften) zum Zusammenwirken mit den koaxialen Aperturen beibehalten werden, um die Körperhälften in ordnungsgemäßer Ausrichtung miteinander zu tragen.

Unter Bezugnahme auf die 13 und 14 können bei noch einem weiteren besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von Herstellungstechniken, die in der Technik bekannt sind, z. B. Formen oder dergleichen, Mikroausrichtungseinrichtungen in der ersten und zweiten Trägerkörperhälfte 154 und 156 gebildet worden sein. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Vorständen, die mit 164, 166 und 168 angegeben sind, in der ersten Trägerkörperhälfte 154 gebildet sein. Eine Mehrzahl von Vertiefungen, mit 170, 172 und 174 bezeichnet, kann in der zweiten Trägerkörperhälfte 156 gebildet sein.

Bei dieser bestimmten Konfiguration sind die Mikroausrichtungseinrichtungen entworfen, um entsprechende (zusammenpassende) Strukturen zu bilden, wodurch der Vorstand 164 mit der Vertiefung 170, der Vorstand 166 mit der Vertiefung 172 und der Vorstand 168 mit der Vertiefung 174 zusammenpasst, wenn die Trägerkörperhälften auf aneinander angrenzende Weise miteinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird eine feste und präzise Ausrichtung der Trägerkörperhälften 154 und 156 ermöglicht, wodurch zusammengesetzte Merkmale, die durch die laserablatierten Mikrostrukturen 162 definiert sind, genau definiert werden.

Wie einem Durchschnittsfachmann nach dem Lesen dieser Spezifikation ohne weiteres klar ist, kann eine Vielfalt von entsprechenden Mikroausrichtungsmerkmalen in den betreffenden miniaturisierten Säulenbauelementen gebildet werden, ohne von der Wesensart der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese zusätzlichen Merkmale umfassen eine beliebige Kombination aus Löchern und/oder entsprechenden Strukturen wie z. B. Rillen und Stegen in den Komponententeilen, wobei die Merkmale zusammenwirken, um eine präzise Ausrichtung der Komponentenkörperteile zu ermöglichen.

Bei wiederum einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine elektrische Erfassungseinrichtung vorgesehen, die in der Lage ist, Veränderungen an den elektrischen Eigenschaften einer Flüssigkeitsprobe zu erfassen, die durch das Trennfach eines beliebigen der Ausführungsbeispiele eines miniaturisierten Säulenbauelements der Erfindung passiert. Bezug nehmend auf 15 ist ein miniaturisiertes Säulenbauelement, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, allgemein bei 202 angezeigt. Das Bauelement ist in einem geeigneten Substrat 204 gebildet, das zumindest eine im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, das bei 206 angezeigt ist. Ein Mikrokanal 208 ist in dem Substrat 206, wie oben beschrieben, unter Verwendung von Laserablationstechniken gebildet. So bildet eine Abdeckplatte 210, die über dem Mikrokanal 208 angeordnet ist, ein Trennfach. Die Abdeckplatte kann aus einem beliebigen geeigneten Substrat gebildet sein, wie z. B. Polyimid, wobei die Auswahl nur durch das Vermeiden unerwünschter Trennoberflächen eingeschränkt ist, wie z. B. Silizium- oder Siliziumdioxid-Materialien.

Bezug nehmend auf die 1517 ist eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, die einen ersten und einen zweiten elektrischen Kommunikationsweg 212 bzw. 214 umfassen, gegenüber voneinander relativ zu dem Mikrokanal 208 angeordnet. Insbesondere ist ein erstes Ende 216 des Kommunikationswegs 212 längsseits und direkt benachbart zu einer ersten Seite des Mikrokanals 208 angeordnet. Ein erstes Ende 218 des Kommunikationswegs 214 ist längsseits und direkt benachbart zu einer zweiten Seite des Mikrokanals derart angeordnet, dass die Enden 216 und 218 einen Erfassungsweg bilden, der durch den Mikrokanal unterbrochen ist. Die Kommunikationswegenden 216 und 218 haben keinen direkten Kontakt mit dem Mikrokanal. Insbesondere liegen zumindest etwa mehrere &mgr;m Substrat 204 zwischen den Enden (216 und 218) und dem Mikrokanal 208. Auf diese Weise gibt es keinen direkten Kontakt der Kommunikationswege mit der Probe, die durch das Trennfach passiert. Diese Anordnung vermeidet einen galvanischen Kontakt der Kommunikationswege mit der Probe und eine zugeordnete Elektrolyse, die zu einer Gasblasenerzeugung führt, und stellt sicher, dass die Kommunikationswege sicher bleiben und akkurate reproduzierbare Messungen liefern.

Weiter Bezug nehmend auf die 1517 wird eine Verbindung der entsprechenden Erfassungseinrichtung mit einer geeigneten zugeordneten Signalquelle, wie z. B. einer Wechselsignal-Signalquelle (nicht gezeigt), durch freiliegende Kontaktpunkte 220 und 222 bewirkt, die an einem zweiten Ende von Kommunikationswegen 212 bzw. 214 angeordnet sind. Auf diese Weise werden die Kommunikationswege 212 und 214 verwendet, um eine Antennenschaltung bereitzustellen, die in der Lage ist, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das das Trennfach umfasst, wodurch eine Phasenverschiebung aufgrund von Änderungen an der Leitfähigkeit oder Durchlässigkeit einer strömenden Flüssigkeitsprobe, die durch das Fach passiert, ein lineares erfassbares Signal zu einem zugeordneten Impedanzmesser oder einem beliebigen anderen geeigneten Durchlässigkeitsdetektor bereitstellt. Insbesondere können die Kommunikationswege 212 und 214 als Elektrodenantennen verwendet werden, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, wobei die Antennen einen Teil einer Resonanzschaltung bilden. Die Amplitude einer Oszillationsfrequenz in der entsprechenden Resonanzschaltung ist proportional zu der Leitfähigkeit des Inhalts des Trennfachs. So kann eine konstante Phasenverzögerung durch ein Variieren der Frequenz eines Oszillationssignals, das durch die Antennen übertragen wird, erzeugt werden. Die Phasenverzögerung fluktuiert ansprechend auf Veränderungen an der Leitfähigkeit, Durchlässigkeit oder beidem des Inhalts des Trennfachs, der durch das elektrische Feld strömt, was wiederum rückgekoppelt wird, um die Frequenz in den Antennen zu variieren, um die Verschiebung an der Phasenverzögerung auszugleichen, wodurch ein erfassbares Signal bereitgestellt wird.

Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel sind Kommunikationswege 212 und 214 auf dem Substrat 204 durch Aufschleuderaufbringungstechniken, die in der Technik gut bekannt sind, gebildet. Bei einem verwandten Ausführungsbeispiel können die Kommunikationswege in Kupfer-Polymer-Laminatsubstraten gebildet sein, wobei die Wege unter Verwendung von Ätzen, Ablation oder Mikrobearbeitungstechniken, die in der Technik gut bekannt sind, gebildet sind. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel können Kommunikationswege 212 und 214 unter Verwendung von Laserablationstechniken gebildet werden, wodurch die Wegkonfiguration in das Substrat laserablatiert wird, um Vertiefungen zu bilden, die nachfolgend mit einem geeigneten leitfähigen Material gefüllt werden können. Die elektrische Feldstärke einer Antennenschaltung, die durch die Wegkonfiguration gebildet ist, wird durch die an dieselbe angelegte Spannung gesteuert, sowie die Entfernung zwischen den Antennen. Unter besonderer Bezugnahme auf 17 erlauben derartige Techniken die Bildung leitfähiger Wege in einer beliebigen laserablatierbaren Konfiguration und ermöglichen ferner ohne weiteres die Bildung von Wegen mit einer Höhe h1, die von gleichem Umfang wie die Höhe h2 des Mikrokanals 208 ist. Diesbezüglich kann die Stärke des erzeugten elektrischen Signals durch Variationen an der Höhe und der Länge der gegenüberliegenden Kommunikationswegenden 216 und 218 gesteuert werden.

Eine Anzahl zusätzlicher Konfigurationen der elektrischen Erfassungseinrichtung kann in den oben beschriebenen Vorrichtungen vorgesehen sein. Unter Bezugnahme auf die 1820 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein miniaturisiertes Säulenbauelement aufweist, allgemein bei 252 gezeigt, das eine Abdeckplatte 254 aufweist, die über einem Mikrokanal 256 angeordnet ist, um ein Trennfach zu bilden. Eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, die einen ersten und einen zweiten elektrischen Kommunikationsweg 258 bzw. 260 aufweisen, ist in einer voneinander beabstandeten Beziehung in der Längsrichtung entlang einer ersten Seite des Mikrokanals 256 angeordnet.

Unter besonderer Bezugnahme auf die 19 und 20 weisen die Kommunikationswege 258 und 260 erste Enden 262 bzw. 264 auf, die direkt benachbart zu dem Mikrokanal 256 angeordnet sind; die Enden 262 und 264 stehen jedoch in keinem direkten Kontakt mit dem Mikrokanal, wie oben beschrieben wurde. Freiliegende Kontaktpunkte 266 bzw. 268, die an zweiten Enden der Kommunikationswege 258 und 260 angeordnet sind, sind zur Verbindung mit einem zugeordneten Signalerzeuger verfügbar. Auf diese Weise können die Kommunikationswege 212 und 214 hierin verwendet werden, um eine Antennenschaltung bereitzustellen, die in der Lage ist, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das das Trennfach umfasst, wodurch eine Phasenverschiebung, die durch Veränderungen an der Leitfähigkeit oder Durchlässigkeit einer strömenden Flüssigkeitsprobe erzeugt wird, die durch das Fach passiert, ein erfassbares Signal bereitstellt, wie oben beschrieben wurde. Unter besonderer Bezugnahme auf 20 können diese Kommunikationswege 258 und 260 unter Verwendung von Laserablationstechniken gebildet werden, derart, dass die Höhe h3 von Wegenden 262 und 264 von gleichem Umfang wie die Höhe h4 des Mikrokanals 256 ist, um eine verbesserte Signalstärke bereitzustellen.

Bei wiederum einem weiteren verwandten Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Erfassungskonfiguration bereitgestellt, die eine Mehrzahl seriell angeordneter Spulen aufweist, die in koaxialer Beziehung um das Trennfach herum angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl seriell angeordneter ringförmiger Spulen vorgesehen, um sich einer elektrischen Spulenerfassungskonfiguration anzunähern. Unter Bezugnahme auf die 21 und 22 ist ein miniaturisiertes Säulenbauelement 282 dargestellt, das einen Mikrokanal 284 aufweist, der in eine erste im Wesentlichen planare Oberfläche 286 eines geeigneten Substrats 288 laserablatiert ist. Der Mikrokanal 284 bildet in Kombination mit einer Abdeckplatte 290 ein Trennfach 292, wie oben beschrieben wurde. Unter besonderer Bezugnahme auf die 22 und 24 ist eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, die einen ersten 294 und einen zweiten 296 Kommunikationsweg aufweisen, vorgesehen, die einen ersten und einen zweiten ringförmigen Spulenabschnitt 298 bzw. 300 aufweisen, die in koaxialer Beziehung um das Trennfach 292 herum und in voneinander beabstandeter Beziehung in der Längsrichtung entlang des Faches angeordnet sind. Freiliegende Kontaktpunkte 302 und 304, die an entfernten Enden von Kommunikationswegen 294 bzw. 296 angeordnet sind, erlauben eine Verbindung der entsprechenden Erfassungseinrichtung mit einer geeigneten Signalquelle.

Auf diese Weise kann eine elektrische Erfassung unter Verwendung von Techniken, die in der Technik bekannt sind, bewirkt werden. Insbesondere kann ein Magnetfeld in dem Kern eines ersten ringförmigen Spulenabschnitts, z. B. 298, erzeugt werden. Ein Teil des induzierten elektrischen Feldes, das durch dieses Magnetfeld bereitgestellt wird, bewegt sich entlang des Trennfaches in Richtung des zweiten ringförmigen Spulenabschnitts 300. Die zweite Spule 300 ist in der Lage, das elektrische Feld zu erfassen und zu messen. Entsprechend liefert eine Phasenverschiebung, die durch Veränderungen an der Leitfähigkeit oder Durchlässigkeit einer strömenden Flüssigkeitsprobe erzeugt wird, die durch das Fach passiert, ein erfassbares Signal, wie oben beschrieben wurde.

Die Kommunikationswege 294 und 296 können hierin unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens gebildet sein, einschließlich Aufschleudern oder anderer Aufbringungen, Laserablation, Ätz- oder Mikrobearbeitungstechniken. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann die ringförmige Spulenkonfiguration des Kommunikationswegs 294 als eine zusammengesetzte Struktur gebildet sein. Unter Bezugnahme auf die 21, 23 und 25 ist ein erster Abschnitt der ringförmigen Spulenkonfiguration, bei 310 angezeigt, durch einen leitfähigen Streifen vorgesehen, der auf einer zweiten planaren Oberfläche 316 des Substrats 288 gebildet ist. Der erste Abschnitt 310 ist so unter dem Mikrokanal 284 angeordnet. Der zweite und der dritte Abschnitt 312 und 314 sind durch Laserablation gebildet, wobei Vertiefungen in das Substrat 288 ablatiert sind, um mit dem ersten leitfähigen Abschnitt 310 zu kommunizieren, wobei diese Vertiefungen nachfolgend mit einem geeigneten leitfähigen Material aufgefüllt werden. Abschnitte 312 und 314 sind so in einer einander gegenüberliegenden Beziehung auf einer ersten bzw. zweiten Seite des Mikrokanals 284 angeordnet.

Auf diese Weise ist eine im Wesentlichen U-förmige Konfiguration vorgesehen, die den Mikrokanal umgibt, ohne in direkten Kontakt mit dem Inneren des Kanals zu kommen. Die zusammengesetzte ringförmige Spulenkonfiguration wird durch Bilden einer ähnlichen Struktur in der Abdeckplatte 290 fertig gestellt, die einen komplementären U-förmigen leitfähigen Abschnitt 318 aufweist, der so angeordnet ist, um Abschnitte 312 und 314 zu berühren, wenn die Abdeckplatte 290 über dem Mikrokanal 284 angeordnet ist, um das Trennfach zu bilden, wie oben beschrieben wurde.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Anzahl weiterer Erfassungskonfigurationen vorgesehen, wobei integrierte Lichtleiter eingesetzt werden, um verbesserte Erfassungsfähigkeiten für die entsprechenden Bauelemente bereitzustellen. Diesbezüglich kann jedes der Ausführungsbeispiele eines miniaturisierten Säulenbauelements der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Verwenden einer oder mehrerer optionaler Lichtleitereinrichtungen umfassen.

Insbesondere nimmt Bezug nehmend auf 1A eine Erfassungseinrichtung, die eine einzelne Apertur 36 aufweist, die in der Abdeckplatte 12 gebildet ist, und mit einem Trennfach 14 kommuniziert, ohne weiteres eine Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt), wie z. B. eine optische Faser, eine integrierte Linsenkonfiguration oder dergleichen, an. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann die Lichtleitereinrichtung eine optische Faser aufweisen, die ausgewählt ist, um im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufzuweisen wie die Apertur 36, wodurch eine Schnittstelle der optischen Faser mit der Apertur zur Kommunikation mit dem Trennfach eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bereitstellt. Die optische Faser kann so konfiguriert sein, um eine Fluoreszenzanregungswellenlänge in das Trennfach 14 zu übertragen und ein Fluoreszenzemissionssignal aus demselben zu empfangen. Auf diese Weise können Fluoreszenzerfassungstechniken unter Verwendung von Verfahren, die in der Technik gut bekannt sind, ausgeführt werden.

Weiter Bezug nehmend auf 1A stellt eine weitere Erfassungseinrichtungskonfiguration – die eine Apertur 36 aufweist, die koaxial mit einer zweiten Apertur 34 ausgerichtet ist, die in dem Substrat 4 gebildet ist – einen optischen Erfassungsweg bereit. Der optische Erfassungsweg, der so gebildet ist, erlaubt eine Erfassung getrennter Analyte, die durch das Trennfach 14 passieren, durch ein Durchlassen von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennfachs. So kann eine Mehrzahl optionaler Lichtleitereinrichtungen, wie z. B. optischer Fasern und/oder integrierter Linseneinrichtungen, ohne weiteres schnittstellenmäßig mit den Aperturen 34 und 36 verbunden sein, um mit dem Trennfach 14 zu kommunizieren, wie zuvor beschrieben wurde. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann eine erste derartige optische Faser für eine Probebeleuchtung verwendet werden und eine zweite zum Lichtsammeln, um eine optische Nah-IR- oder UV/Vis-Erfassung getrennter Analyte, die durch dass Trennfach passieren, zu ermöglichen.

Bei weiteren verwandten Ausführungsbeispielen kann jedes der Säulenbauelementausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die entweder eine einzelne Apertur, die mit einem Trennfach kommuniziert, oder eine Mehrzahl koaxial ausgerichteter Aperturen umfassen, die mit einem Trennfach kommunizieren und einen optischen Erfassungsweg bilden, eine oder mehrere optionale Lichtleitereinrichtungen unterbringen, wie gerade beschrieben wurde.

Unter Bezugnahme auf 26 ist wiederum ein weiteres verwandtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das ein miniaturisiertes Säulenbauelement aufweist, das allgemein bei 352 angezeigt ist. Das Bauelement ist aus einem ersten Substratabschnitt 354 gebildet, der eine im Wesentlichen planare Oberfläche 356 aufweist, in die ein erster Mikrokanal 358 laserablatiert ist. Das Säulenbauelement umfasst ferner einen zweiten Substratabschnitt 360, der eine im Wesentlichen planare Oberfläche 362 aufweist, in die ein zweiter Mikrokanal 364 laserablatiert ist. Der zweite Mikrokanal 364 ist angeordnet, um das Spiegelbild des ersten Mikrokanals 358 bereitzustellen, wenn die erste und die zweite im Wesentlichen planare Oberfläche 356 und 362 aneinander angrenzend angeordnet sind, um ein Trennfach zu bilden, wie oben beschrieben wurde.

Das Bauelement 352 weist ferner eine Erfassungseinrichtung auf, die aus einem laserablatierten Rillensatz gebildet ist. Insbesondere ist eine erste Rille 366 in die erste planare Oberfläche 356 laserablatiert, um mit dem ersten Mikrokanal 358 zu kommunizieren. Eine zweite komplementäre laserablatierte Rille 368 – die mit dem zweiten Mikrokanal 364 kommuniziert – ist in der zweiten planaren Oberfläche 362 angeordnet, um das Spiegelbild der ersten Rille 366 bereitzustellen. Auf diese Weise ist ein Erfassungsweg, der mit dem Trennfach kommuniziert, vorgesehen. Der Erfassungsweg weist ein Fach auf, das aus dem komplementären Rillensatz gebildet ist, wenn die erste und die zweite im Wesentlichen planare Oberfläche 356 und 362 aneinander angrenzend angeordnet sind.

Unter Bezugnahme auf die 26 und 27 ist der Erfassungsweg konfiguriert, um ohne weiteres eine zugeordnete Lichtleitereinrichtung anzunehmen. So kann die Lichtleitereinrichtung 370, die eine optische Faser, eine integrierte Linsenkonfiguration oder eine ähnliche Einrichtung aufweist, in dem Erfassungsweg angeordnet sein, um mit dem Trennfach zu kommunizieren. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel weist die Lichtleitereinrichtung 370 eine optische Faser auf, die ausgewählt ist, um im Wesentlichen die gleichen Abmessungen aufzuweisen wie das Fach, das durch den komplementären Rillensatz 366 und 368 gebildet ist, wodurch eine Einführung der optischen Faser in das Fach eine flüssigkeitsdichte Abdichtung bereitstellt. Die Lichtleitereinrichtung 370 kann so konfiguriert sein, um eine Fluoreszenzanregungswellenlänge in das Trennfach zu übertragen und um ein Fluoreszenzemissionssignal aus demselben aufzunehmen, wie oben beschrieben wurde.

Unter Bezugnahme auf 28 ist ein verwandtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das ein miniaturisiertes Säulenbauelement aufweist, das allgemein bei 382 angezeigt ist. Das Bauelement ist in einem ausgewählten Substrat 384 gebildet, das eine im Wesentlichen planare Oberfläche 386 aufweist. Ein Mikrokanal 388 ist in die planare Oberfläche 386 laserablatiert, die in Kommunikation mit einer ersten und einer zweiten laserablatierten Rille, bei 390 bzw. 392 angezeigt, steht. Die erste und die zweite Rille sind gegenüber voneinander relativ zu dem Mikrokanal 388 angeordnet, wodurch ein Erfassungsweg gebildet wird, wenn die Abdeckplatte 394 über der planaren Oberfläche 386 angeordnet ist, um ein Trennfach zu bilden, wie zuvor beschrieben wurde.

Unter Bezugnahme auf die 28 und 29 erlaubt der so gebildete optische Erfassungsweg eine Erfassung getrennter Analyte, die das Trennfach passieren, über ein Durchlassen von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennfachs. So können eine erste und eine zweite Lichtleitereinrichtung, die bei 394 bzw. 396 angezeigt sind, und die optische Fasern, integrierte Linseneinrichtungen oder dergleichen aufweisen, ohne weiteres in Rillen 390 und 392 angeordnet sein, um mit dem Trennfach zu kommunizieren, wie zuvor beschrieben wurde. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann eine erste optische Faser 394 für eine Probebeleuchtung eingesetzt werden, und eine zweite Faser 396 zum Lichtsammeln zum Ermöglichen einer optischen Nah-IR- oder UV/Vis-Erfassung getrennter Analyte, die durch das Trennfach passieren.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung sind miniaturisierte Säulenbauelemente, die gemäß der Erfindung gebildet sind, vorgesehen, die eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen aufweisen, die an einem bestimmten Ort in dem Trennfach zusammenlaufen. Unter Bezugnahme auf 30 ist ein derartiges Bauelement allgemein bei 402 angezeigt. Das Säulenbauelement weist einen laserablatierten Mikrokanal 404 auf, der in einer im Wesentlichen planaren Oberfläche 406 eines geeigneten Substrats 408 gebildet ist. Der Mikrokanal 404, in Kombination mit der Abdeckplatte 410, stellt ein längliches Trennfach 412 bereit. Ein erster Erfassungsweg, allgemein bei 414 angezeigt, ist durch die Koaxialausrichtung einer Apertur 416 – die in die Abdeckplatte 410 laserablatiert und angeordnet ist, um mit dem Trennfach 412 zu kommunizieren – und einer Apertur 418, die in das Substrat 408 laserablatiert ist, um mit dem Trennfach 412 zu kommunizieren, gebildet.

Ein zweiter Erfassungsweg, der allgemein bei 420 angezeigt ist, ist durch eine erste und eine zweite laserablatierte Rille, die bei 422 bzw. 424 angezeigt sind, bereitgestellt. Die Rillen sind in einer planaren Oberfläche 406 gebildet, um mit dem Trennfach 412 an einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Seiten desselben zu kommunizieren. Auf diese Weise sind die erste und die zweite Rille 422 und 424 gegenüber voneinander relativ zu dem Trennfach 412 angeordnet und bilden einen zweiten Erfassungsweg, wenn die Abdeckplatte 410 über der planaren Oberfläche 406 angeordnet ist, um das Trennfach bereitzustellen, wie zuvor beschrieben wurde.

Der erste und der zweite Erfassungsweg 414 und 420 stellen zwei zueinander senkrechte optische Achsen bereit, die sich innerhalb des Trennfachs schneiden, wobei diese Achsen auch orthogonal zu der Hauptachse des Trennfachs 412 sind. So kann eine breite Vielzahl gleichzeitiger Erfassungstechniken an dem Schnittpunkt der Erfassungswege in dem Trennfach ausgeführt werden.

Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel kann eine erste transparente Lage (nicht gezeigt) über der Apertur 416 angeordnet sein und eine zweite transparente Lage (nicht gezeigt) kann ähnlich über der Apertur 418 angeordnet sein, wobei die transparenten Lagen in Kombination mit dem ersten Erfassungsweg 414 einen optischen Erfassungsweg bilden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können eine erste und eine zweite Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt) schnittstellenmäßig mit der ersten bzw. zweiten Apertur 416 und 418 verbunden sein, um mit dem Trennfach 412 zu kommunizieren. Wie oben beschrieben wurde, können derartige Lichtleiter optische Fasern aufweisen, die zu einer Probebeleuchtung und Lichtsammlung in der Lage sind, um eine optische Nah-IR- oder UV/Vis-Erfassung getrennter Analyte zu erlauben, die durch das Trennfach passieren.

Bei den oben beschriebenen Bauelementen kann der zweite Erfassungsweg 420 ohne weiteres optionale Lichtleitereinrichtungen, um eine gleichzeitige optische Erfassung bereitzustellen, Elektrodenpaare, um eine gleichzeitige elektrochemische Erfassung bereitzustellen, oder Kommunikationswege, um eine gleichzeitige elektrische Erfassung bereitzustellen, wobei jede dieser Erfassungskonfigurationen bereits beschrieben wurde, unterbringen.

In 31 ist wiederum ein weiteres verwandtes Ausführungsbeispiel gezeigt, das ein miniaturisiertes Säulenbauelement, das allgemein bei 452 angezeigt ist, aufweist. Das Bauelement weist ein Trennfach 454 auf, das aus einem laserablatierten Mikrokanal 456 in einer planaren Oberfläche eines geeigneten Substrats 458 und einer Abdeckplatte 460 gebildet ist. Eine erste Erfassungseinrichtung, die einen Erfassungsweg 462 aufweist, ist durch die Koaxialausrichtung einer Apertur 464 in der Abdeckplatte 460 und einer Apertur 466 in dem Substrat 458 gebildet, wobei jede Apertur mit dem Trennfach 454 kommuniziert, wie oben beschrieben wurde. Eine weitere Erfassungseinrichtung ist aus einer laserablatierten Rille 468 in dem Substrat 458 gebildet, die mit dem Trennfach an im Wesentlichen dem gleichen Punkt kommuniziert, an dem der Erfassungsweg 462 mit dem Trennfach kommuniziert, um einen Erfassungsschnittpunkt bereitzustellen.

So können eine erste und eine zweite transparente Lage über den Aperturen 464 und 466 angeordnet sein oder eine Lichtleitereinrichtung kann schnittstellenmäßig mit den Aperturen verbunden sein, um einen optischen Erfassungsweg von dem Erfassungsweg 462 zu bilden, wie zuvor beschrieben wurde. Derartige Anordnungen erlauben es, dass Erfassungstechniken, wie z. B. Nah-IR oder UV/Vis, bei der Erfassung getrennter Analyte eingesetzt werden können, die durch das Trennfach 454 passieren.

Die weitere Erfassungseinrichtung ist konfiguriert, um ohne weiteres eine zugeordnete Lichtleitereinrichtung anzunehmen. So kann eine Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt), die eine optische Faser, eine integrierte Linsenkonfiguration oder eine ähnliche Einrichtung aufweist, in der laserablatierten Rille 468 angeordnet sein, um mit dem Trennfach zu kommunizieren. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel weist die Lichtleitereinrichtung eine optische Faser auf, die konfiguriert ist, um eine Fluoreszenzanregungswellenlänge in das Trennfach zu übertragen und ein Fluoreszenzemissionssignal aus demselben zu empfangen, wie oben beschrieben wurde. Die Lichtleitereinrichtung kann auch konfiguriert sein, um nur Lichtemission (z. B. Fluoreszenz) bei Erfassungen aufzunehmen, bei denen eine Anregung durch die Apertur 466 durchgeführt wird.


Anspruch[de]
Ein miniaturisiertes Säulenbauelement, das folgende Merkmale aufweist:

ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten im Wesentlichen planaren gegenüberliegenden Oberfläche, wobei das Substrat ein anderes Material als Silizium oder Siliziumdioxid umfasst, wobei das Substrat einen Mikrokanal aufweist, der in die erste planare Oberfläche laserablatiert ist;

eine Abdeckplatte, die über der ersten planaren Oberfläche angeordnet ist, wobei die Abdeckplatte in Kombination mit dem Mikrokanal ein längliches Trennfach definiert; und

zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung, die mit dem Trennfach kommunizieren, wobei die Öffnungen das Passieren eines Fluids von einer externen Quelle durch das Trennfach ermöglichen.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 1, die ferner eine erste Erfassungseinrichtung, die in das Substrat laserablatiert ist, aufweist, wobei die erste Erfassungseinrichtung in Kommunikation mit dem Trennfach steht, wodurch eine Erfassung einer Probe, die durch das Trennfach passiert, ermöglicht wird. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 2, bei der das Substrat aus der Gruppe ausgewählt ist, die Polymermaterialien, Keramikmaterialien und Kombinationen derselben umfasst. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 3, die ferner eine zweite Erfassungseinrichtung, die in die Abdeckplatte laserablatiert ist, aufweist, wobei die zweite Erfassungseinrichtung in Kommunikation mit dem Trennfach steht und gegenüber von der ersten Erfassungseinrichtung positioniert ist. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 4, bei der die erste und die zweite Erfassungseinrichtung Aperturen aufweisen, die Achsen orthogonal zu den planaren Oberflächen des Substrats aufweisen, wobei die Aperturen in Kombination einen Erfassungsweg bilden. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 5, die ferner eine erste und eine zweite transparente Lage aufweist, wobei die Abdeckplatte zwischen der ersten transparenten Lage und der ersten planaren Oberfläche angeordnet ist und die zweite transparente Lage über der zweiten planaren Oberfläche angeordnet ist, wobei die transparenten Lagen in Kombination mit der ersten und der zweiten Erfassungseinrichtung einen optischen Erfassungsweg bilden. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 5, die ferner eine Erfassungseinrichtung aufweist, die in die erste planare Oberfläche des Substrats laserablatiert ist und in Kommunikation mit dem Trennfach und dem Erfassungsweg steht. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 5, die ferner eine erste und eine zweite Lichtleitereinrichtung aufweist, die mit der ersten bzw. zweiten Erfassungseinrichtung schnittstellenmäßig verbunden sind und in Kommunikation mit dem Trennfach stehen. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 7, bei der die weitere Erfassungseinrichtung eine Rille aufweist, die in die erste planare Oberfläche des Substrats laserablatiert ist. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 9, die ferner eine dritte Lichtleitereinrichtung aufweist, die in der weiteren Erfassungseinrichtung angeordnet ist und in Kommunikation mit dem Trennfach und dem Erfassungsweg steht. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 7, bei der die weitere Erfassungseinrichtung eine erste und eine zweite Rille aufweist, die in die erste planare Oberfläche des Substrats laserablatiert sind, wobei die erste und die zweite Rille gegenüber voneinander relativ zu dem Trennfach positioniert sind, wodurch ein zweiter Erfassungsweg gebildet wird. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 11, die ferner eine erste und eine zweite Lichtleitereinrichtung, die mit der ersten bzw. zweiten Erfassungseinrichtung schnittstellenmäßig verbunden sind und in Kommunikation mit dem Trennfach stehen, und eine dritte und eine vierte Lichtleitereinrichtung, die in der ersten bzw. zweiten Rille angeordnet sind und in Kommunikation mit dem Trennfach und dem Erfassungsweg stehen, aufweist. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 3, die ferner folgende Merkmale aufweist:

einen ersten und einen zweiten Mikrokanal, die in die erste bzw. zweite planare Oberfläche laserablatiert sind;

eine erste und eine zweite Abdeckplatte, die über der ersten bzw. der zweiten planaren Oberfläche angeordnet sind, wobei die Abdeckplatten in Kombination mit dem ersten und dem zweiten Mikrokanal ein erstes und ein zweites längliches Trennfach definieren;

zumindest eine Einlassöffnung, die mit dem ersten Trennfach kommuniziert, und zumindest eine Auslassöffnung, die mit dem zweiten Trennfach kommuniziert; und

eine Rohreinrichtung zum Kommunizieren des ersten und des zweiten Trennfachs miteinander, wodurch ein einzelnes durchgehendes Trennfach gebildet wird, wobei die Rohreinrichtung eine laserablatierte Apertur in dem Substrat mit einer Achse, die orthogonal zu den planaren Oberflächen ist, aufweist.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 13, die ferner eine erste und eine zweite Erfassungseinrichtung aufweist, die Öffnungen aufweisen, die in die erste bzw. zweite Abdeckplatte laserablatiert und in Koaxialkommunikation mit der Rohreinrichtung angeordnet sind. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 14, die ferner eine erste und eine zweite transparente Lage aufweist, wobei die erste Abdeckplatte zwischen der ersten transparenten Lage und der ersten planaren Oberfläche angeordnet ist und die zweite Abdeckplatte zwischen der zweiten transparenten Lage und der zweiten planaren Oberfläche angeordnet ist. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 15, bei der die Rohreinrichtung in Kombination mit den transparenten Lagen einen optischen Erfassungsweg bildet, der eine Weglänge aufweist, die im Wesentlichen gleich der Breite des Substrats ist. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 14, die ferner eine erste und eine zweite Lichtleitereinrichtung aufweist, die mit der ersten bzw. der zweiten Erfassungseinrichtung schnittstellenmäßig verbunden sind und in Kommunikation mit der Rohreinrichtung stehen. Die miniaturisierte Säule gemäß einem der Ansprüche 14, 16 oder 17, die ferner eine Erfassungseinrichtung aufweist, die durch eine Rille gebildet ist, die in die erste planare Oberfläche des Substrats laserablatiert ist und in Kommunikation mit der Rohreinrichtung steht. Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 18, die ferner eine Lichtleitereinrichtung aufweist, die in der weiteren Erfassungseinrichtung angeordnet ist und in Kommunikation mit der Rohreinrichtung steht. Eine miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 1, bei der das Substrat eine erste Komponentenhälfte eines Trägerkörpers ist und die Abdeckung eine zweite Komponentenhälfte des Trägerkörpers ist, wobei die zweite Komponentenhälfte ein anderes Material als Silizium oder Siliziumdioxid aufweist und im Wesentlichen planare Innenoberflächen aufweist;

wobei der Mikrokanal in die Innenoberfläche der ersten Trägerkörperhälfte laserablatiert ist und die zweite Trägerkörperhälfte einen zweiten Mikrokanal aufweist, der in die innere Oberfläche der zweiten Trägerkörperhälfte laserablatiert ist, wobei jeder Mikrokanal so angeordnet ist, um das Spiegelbild des anderen bereitzustellen; und

wobei das Trennfach eine längliche Bohrung aufweist, die durch aneinander angrenzendes Ausrichten der Innenoberflächen der Trägerkörperhälften gebildet ist, wodurch die Mikrokanäle die längliche Bohrung definieren.
Das miniaturisierte Säulenbauelement gemäß Anspruch 1, das ferner eine Mehrzahl von Kommunikationswegen aufweist, die benachbart zu dem Trennfach angeordnet sind, wobei die Wege eine Erfassung von Veränderungen an den elektrischen Eigenschaften einer Probe, die durch das Trennfach passiert, ermöglichen. Ein Verfahren zum Bilden eines miniaturisierten Säulenbauelements, das folgende Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen eines Trägerkörpers, der ein Substrat und eine Abdeckung aufweist, wobei das Substrat und die Abdeckung eine erste und eine zweite Komponentenhälfte des Trägerkörpers sind, wobei die Trägerkörperhälften im Wesentlichen planare Innenoberflächen aufweisen, wobei das Substrat ein anderes Material als Silizium oder Siliziumdioxid umfasst;

(b) Bilden eines Fachs in dem Trägerkörper durch: (i) Laserablatieren eines Mikrokanals in eine erste Oberfläche der ersten Trägerkörperhälfte;

(c) Bilden einer Mehrzahl von Öffnungen in dem Trägerkörper, wobei die Öffnungen eine Fluidkommunikation zwischen dem Fach und einer zugeordneten externen Fluidbeinhaltungseinrichtung ermöglichen, wobei der Schritt ein Laserablatieren einer Mehrzahl von Aperturen, die sich von zumindest einer Außenoberfläche des Trägerkörpers erstrecken und mit zumindest einem Mikrokanal kommunizieren, aufweist, wodurch die Aperturen erlauben, dass Fluid durch denselben passieren kann;

(d) aneinander angrenzendes Ausrichten der Innenoberflächen der Trägerkörperhälften, wodurch ein miniaturisiertes Säulenbauelement mit einem länglichen Trennfach bereitgestellt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem Schritt b ferner folgenden Schritt aufweist: (ii) Laserablatieren eines zweiten Mikrokanals in die Innenoberfläche der zweiten Trägerkörperhälfte, wobei der zweite Mikrokanal angeordnet ist, um das Spiegelbild des ersten Mikrokanals bereitzustellen, derart, dass eine nachfolgende aneinander angrenzende Ausrichtung der Innenoberflächen der Trägerkörperhälften eine längliche Bohrung definiert; wobei das Verfahren ferner den Schritt eines Bildens einer Erfassungseinrichtung in dem Trägerkörper durch Laserablatieren weiterer Aperturen durch die erste und die zweite Komponentenhälfte aufweist, wodurch die Aperturen mit dem Fach kommunizieren. Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das den zusätzlichen Schritt eines Bildens einer Falteinrichtung in dem Trägerkörper durch Laserablatieren einer Reihe voneinander beabstandeter Perforationen in den Trägerkörper, um ein Gelenk zu definieren, umfasst, wodurch der Trägerkörper um das Gelenk gefaltet werden kann, um die erste und die zweite Komponentenhälfte in präziser Ausrichtung zueinander zu platzieren. Das Verfahren gemäß Anspruch 24, das den zusätzlichen Schritt eines Bildens einer Mikroausrichtungseinrichtung in der ersten und der zweiten Trägerkörperhälfte durch Laserablatieren von Löchern in die Trägerkörperhälften umfasst, wobei die Löcher derart angeordnet sind, dass eine koaxiale Ausrichtung derselben die präzise Ausrichtung der Trägerkörperhälften ermöglicht, um die längliche Bohrung genau zu definieren. Das Verfahren gemäß Anspruch 24, das den zusätzlichen Schritt eines Bereitstellens einer Mikroausrichtungseinrichtung in den Trägerkörperhälften durch Bilden entsprechender Strukturen in den Trägerkörperhälften umfasst, wobei die Strukturen eine Mehrzahl von Vertiefungen, die in der ersten Trägerkörperhälfte angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Vorständen, die in der zweiten Trägerkörperhälfte angeordnet sind, aufweisen, wobei die Vorstände konfiguriert sind, um mit den Vertiefungen zusammenzupassen, derart, dass eine Ausrichtung der entsprechenden Strukturen die präzise Ausrichtung der Trägerkörperhälften ermöglicht, um die längliche Bohrung genau zu definieren. Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das den zusätzlichen Schritt eines Unterziehens des ersten und des zweiten Mikrokanals gegenüber einer Oberflächenbehandlung umfasst, nachdem die Mikrokanäle in die Oberfläche der Trägerkörperhälften ablatiert werden und bevor das Trennfach gebildet wird, wobei die Oberflächenbehandlung ein chemisches Verbinden oder eine Adsorption einer ausgewählten Spezies an der Innenoberfläche der laserablatierten Mikrokanäle oder eine Dünnfilmaufbringung eines ausgewählten Materials auf derselben aufweist. Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das folgende zusätzliche Schritte umfasst: Bereitstellen eines Trägerkörpers, der ein Laminat aufweist, wobei das Laminat aus einer ersten Polyimidschicht gebildet ist, die mit einer zweiten dünnen Schicht einer thermischen Haftmittelform aus einem Polyimid extrudiert wird; und Heißsiegeln der ersten und der zweiten Trägerkörperhälfte aneinander unter Verwendung von Wärmeschichtung, wodurch eine Schweißstelle gebildet wird, die im Wesentlichen die gleichen physischen und chemischen Eigenschaften aufweist wie der Trägerkörper. Ein Verfahren zum Bilden mehrerer Nachbildungen eines miniaturisierten Säulenbauelements, das folgende Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen eines Haupt-Trägerkörpers mit einer im Wesentlichen planaren Innenoberfläche;

(b) Bilden einer Haupt-Kopie eines miniaturisierten Säulenbauelements durch: (i) Laserablatieren eines Mikrokanals in die Innenoberfläche des Haupt-Trägerkörpers; und (ii) Laserablatieren einer Mehrzahl von Aperturen in den Haupt-Trägerkörper, wobei die Aperturen in Fluidkommunikation mit dem Mikrokanal stehen;

(c) Bilden einer Formeinlage durch: (i) Beschichten der Innenoberfläche der Haupt-Kopie mit einer Schicht aus einem ersten Metall; (ii) Aufbringen eines zweiten Metalls auf dieselbe, um den Mikrokanal und Aperturen, die in der Innenoberfläche gebildet sind, zu füllen; und (iii) Trennen der Formeinlage von dem Haupt-Trägerkörper, wodurch eine Formeinlage bereitgestellt wird; und

(d) Spritzgießen mehrerer Nachbildungen der Haupt-Kopie aus der Formeinlage in einem geeigneten Polymer- oder Keramiksubstrat.
Das Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem die Haupt-Kopie eines miniaturisierten Säulenbauelements unter Verwendung eines LIGA-Verfahrens gebildet wird. Das Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem -Schritt b (ii) ein Laserablatieren eines zweiten Mikrokanals in die Innenoberfläche der zweiten Hälfte des Haupt-Trägerkörpers aufweist, wobei der zweite Mikrokanal angeordnet ist, um das Spiegelbild des ersten Mikrokanals bereitzustellen.






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