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Dokumentenidentifikation DE202006018535U1 15.03.2007
Titel Messgerät zur Überwachung und Steuerung der Injektion von Fluiden in mikrofluiden Kanälen
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
DE-Aktenzeichen 202006018535
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 15.03.2007
Registration date 08.02.2007
Application date from patent application 07.12.2006
IPC-Hauptklasse G01N 35/08(2006.01)A, F, I, 20061207, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01L 3/00(2006.01)A, L, I, 20061207, B, H, DE   G01N 27/447(2006.01)A, L, I, 20061207, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Überwachung und Steuerung der Injektion von Fluiden in mikrofluiden Kanälen, insbesondere zum Einsatz in der hochauflösenden Kapillarelektrophorese.

Moderne mikroanalytische Messgeräte vom Typ Lab-on-a-Chip basieren auf dem Transport von Flüssigkeiten in mikrofluidischen Kanalstrukturen. Ein typischer Verfahrensschritt ist hierbei das Zuführen bzw. das Zusammenführen von exakt definierten Flüssigkeitsmengen in Mikrokanälen, z.B. zu Mikromischern und Mikroreaktoren, oder die Injektion eines Analytpfropfens in eine Separationskapillare zur Flüssigchromatographie oder zur Kapillarelektrophorese.

In der Praxis besteht häufig die Schwierigkeit in der Einstellung definierter Flüssigkeitsmengen, vor allem die genaue Definition eines Analytpfropfens. Da das Ergebnis der chemischen Analyse von dieser Genauigkeit bestimmt wird, sind Kontrollfunktionen außerordentlich wünschenswert. Dabei sollen lokale Information zum Stofftransport gewonnen werden, die sowohl zur Verfahrensoptimierung als auch zur Kontrolle in der Routineanalytik dienen.

Aus dem Stand der Technik ist die Kontrolle des Transports durch optische Messungen, z.B. durch den Zusatz von Fluoreszenzmarkern und die Echtzeit-Beobachtung im Fluoreszenzmikroskop bekannt. Vorteilhaft ist dabei eine hohe lokale Auflösung, die direkte Aussagen über das Verhalten der Teil-Flüssigkeitsströme ermöglicht. Dem stehen jedoch die Einflüsse der optischen Parameter der Messzelle nachteilig gegenüber, deren Beachtung einen hohen apparativen und experimentellen Aufwand erfordert.

Weiterhin ist aus der Kapillarelektrophorese die Messung des Stromes zwischen den Reservoirs an den Enden der Mikrokanäle als Maß für den elektrokinetischen Stofftransport bekannt. Vorteilhaft hieran ist die Erfassung einer systemimmanenten Messgröße, so dass außer der Bereitstellung von Elektronik kein zusätzlicher Messaufbau erforderlich ist. Nachteilig hieran ist aber, dass durch die Messpunkte zur Messung des Stroms zwischen den Reservoirs nur eine integrale Aussage über die gesamte Kanallänge möglich ist. Zur Erfassung minimaler Ströme bzw. Stromänderungen in der Größenordnung von wenigen nA ist zudem ein hoher apparativer Aufwand erforderlich. Verfahrensbedingt werden zudem hydrodynamisch bedingte Einflüsse nicht erfasst.

In der US 2005/150 766 A1 wird zur besseren Definition des Analytpfropfens die Verringerung des Querschnitts der Injektionskanäle beschrieben. Die US 6 423 198 B1 und die EP 1 296 134 A1 offenbaren die genauere Injektion über eine Doppel-T-Struktur. Mit diesen Vorrichtungen ist jedoch keine Überwachung des Systems möglich. Bestehen Konzentrationsunterschiede wie z.B. beim Sample-Stacking verringern die beschriebenen Vorrichtungen höchstens die oben genannten Probleme.

Die US 2003/136 679 A1 beschreibt die Verwendung einer strömungshemmenden Membran zur Verringerung des Nachströmens als eine Ursache für die ungenaue Definition des Analytpfropfens. Nachteilig hieran ist jedoch der zusätzliche Herstellungsaufwand.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät zur Überwachung und Steuerung der Injektion von Fluiden in mikrofluiden Kanälen vorzuschlagen, das diese Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist.

Insbesondere soll ein solches Messgerät bereitgestellt werden, mit dem Aussagen zum Transport von Fluiden, auch von Teilströmen, möglich sind. Die Messungen sollen hierbei in Echtzeit erfolgen und Ergebnisse liefern, die unabhängig von den optischen Eigenschaften des Kanalsystems sind. Das Messgerät soll die Fluidik des Systems nicht störend beeinflussen, für ein großes Spektrum an Fluiden einsetzbar sein, kompatibel zur Funktion und zur Herstellung von Lab-on-a-Chips, kostengünstig und damit als integraler Bestandteil von Massenprodukten einsetzbar sein.

Diese Aufgaben werden durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Überwachung und Steuerung der Injektion von Fluiden in mikrofluiden Kanälen besteht aus einer Anordnung aus mindestens zwei in einem Verbindungsbereich miteinander verbundenen mikrofluidischen Kanälen, wobei das Fluid, d.h. eine Flüssigkeit oder ein Gas, aus einem Injektionskanal in mindestens einen weiteren Kanal injizierbar ist und mindestens ein Messelektrodenpaar für eine kontaktlose Leitfähigkeitsmessung im Verbindungsbereich der mikrofluidischen Kanäle angebracht ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Injektion des Fluids aus dem Injektionskanal in den mindestens einen weiteren Kanal durch entsprechend gestaltete elektrokinetische oder hydrodynamische Mittel.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein einziges Messelektrodenpaar vorhanden, das entweder in Richtung des Injektionskanals oder in Richtung des mindestens einen weiteren Kanals angebracht ist.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens einer der weiteren Kanäle als Trennkanal ausgestaltet. Der Trennkanal ist hierbei vorzugsweise Bestandteil einer Vorrichtung für die Kapillarelektrophorese im Chipformat.

In dieser Ausgestaltung sind bevorzugt zwei Messelektrodenpaare vorhanden, wobei eines in Richtung des Injektionskanals und das andere in Richtung des Trennkanals angebracht ist.

Am Trennkanal, vorzugsweise an dessen Ausgang, ist in dieser Ausgestaltung ein Detektionsbereich vorgesehen, der die kontaktlose Detektion von Bestandteilen im Fluid mittels Hochfrequenz ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Erfassen der lokalen Zusammensetzung von Fluiden durch kontaktloses Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit (Impedanz) in einer miniaturisierten Messzelle (mikrofluidische Impedanzmesszelle). Durch Layout und Materialauswahl lässt sich die Messzelle optimal an die Messaufgabe anpassen. Der Einsatz von mehreren Messzellen erlaubt eine Multiparametererfassung.

Die mittels der Messelektrodenpaare erhaltenen Messergebnisse dienen einerseits zur Beurteilung der Analysenparameter und ermöglichen andererseits die Steuerung des Fluidtransports und die weitere Optimierung des Messgeräts. Das erfindungsgemäße Messgerät lässt sich einsetzen in der Kapillarelektrophorese zur Untersuchung von gelösten Bestandteilen in einem flüssigen oder gasförmigen Analyten (Fluid).

Ein besonderer Einsatzbereich ist die mehrdimensionale (sukzessive) Kapillarelektrophorese. Hierzu wird in einem ersten Trennkanal die Trennung der Spezies registriert und anschließend der Analytpfropfen, der bei dieser Art der Messung den Peaks in der ersten Dimension entspricht, in einen zweiten Trennkanal überführt, um ihn dort unter geänderten Bedingungen in weitere Spezies aufzutrennen, die dann bevorzugt wiederum mittels berührungslosem Leitfähigkeitsnachweis (Contactless Conductivity Detection, CCD) nachgewiesen werden.

Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden erwähnten Vorteile auf:

  • – Einfacher, kostengünstiger Aufbau des Messgeräts,
  • – optimale lokale Messzellenanpassung durch Flusskontrolle direkt im bzw. am Verbindungsbereich,
  • – Erweiterung aller Vorteile der CCD von bisher nur Nachweis im Detektionsbereich am Kapillarausgang auf andere Bereiche der Vorrichtung,
  • – Multiparameter-Erfassung bei einer Vielzahl von CCD-Messspots wird möglich,
  • – hohe lokale Auflösung,
  • – Messung unabhängig von den optischen Eigenschaften des Systems,
  • – Arbeiten unter instabilen Bedingungen wird möglich,
  • – einfache Integration in bestehende Systeme.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgeräts. Zur hochauflösenden Kapillarelektrophorese wird aus einem Injektionskanal 1 eine definierte Menge an einem flüssigen oder gasförmigen Analyten in einen Trennkanal 2 injiziert, der weiterhin ein Reservoir 21 für einen Hintergrundelektrolyten und ein erstes Abfall-Reservoir 22 aufweist. Hierzu wird über den Injektionskanal 1 mittels der Spannungsversorgung 3 ein elektrisches Feld angelegt, wodurch sich die in der Lösung befindlichen Analytionen aus einem Vorrat 11 ihrer Ladung entsprechend im elektrischen Feld in Richtung eines zweiten Abfall-Reservoirs 12 bewegen. Dadurch wird der Verbindungsbereich 5 der beiden Kanäle mit Analyt befüllt. Beim anschließenden Trennvorgang wird das elektrische Feld über den Trennkanal 2 angelegt. Im Idealfall würde nun nur das Volumen des Verbindungsbereichs 5 und somit eine definierte Analytmenge in den Trennkanal 2 injiziert werden. Am Ende des Trennkanals 2 in einem Detektionsbereich 4 werden die nach ihrer Größe und Ladung im elektrischen Feld entsprechend aufgetrennten Analytionen nachgewiesen. Wurde zuvor eine definierte Analytmenge injiziert, so ist am Ende eine quantitative Auswertung der Analytzusammensetzung möglich.

Mit einem Fluoreszenzmikroskop durchgeführte Untersuchungen zeigten jedoch, dass der Injektionsprozess in der Realität nicht ideal abläuft. In Fluoreszenzmikroskopaufnahmen des Verbindungsbereichs 5 wurden Injektions- und Trennsequenzen bei verschiedenen Geometrien des Verbindungsbereichs 5 untersucht. Hierzu besaß ein erster Verbindungsbereich abgerundete Ecken, während ein zweiter Verbindungsbereich Ecken mit einem Winkel von 90° aufwies. Hierbei war zu erkennen, dass bei beiden Geometrien der Analyt bei der Injektion nicht nur in den Verbindungsbereich 5 strömt, sondern auch darüber hinaus in den Trennkanal 2, wodurch sich ein undefinierte Analytvolumen ergeben konnte. Beim anschließenden Trennvorgang kam es bei beiden Geometrien darüber hinaus zu einem unerwünschten Nachströmen des Analyten in den Trennkanal 2. Diese beiden Effekte können sowohl zu einer Verringerung der Empfindlichkeit der Messung als auch zu Mess-Instabilitäten führen.

Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit der Messungen mit solchen Messgeräten zeigten, dass sich im Idealfall ein stabiler Zustand einstellt; es konnten sich jedoch insbesondere bei speziellen Verfahrensweisen, die z.B. zu wesentlich höheren Empfindlichkeiten führten, auch instabile Zustände ausbilden. Hierzu wurden mehrere Analysesequenzen, d.h. jeweils eine Injektion und eine Trennung, hintereinander ausgeführt. Dabei wurde sowohl der elektrische Strom im Injektionskanal 1 als auch das quantitative Signal des Analyten im Detektionsbereich 4 erfasst. Beim Standardverfahren, bei dem der Analyt im Hintergrundelektrolyten, mit dem auch der Trennkanal 2 befüllt ist, verdünnt wird, zeigen sich nur kleine Schwankungen in beiden Signalen. Wird hingegen, wie z.B. beim Sample-Stacking, der Analyt in Wasser verdünnt, ließen sich Instabilitäten sowohl im Injektionsstrom als auch im Analytsignal beobachten. Eine quantitative Analyse über mehrere Zyklen, wie z.B. bei der Online-Untersuchung eines Prozesses, ist dann ohne zusätzliche Kalibrierungen nicht mehr möglich. Dieses Verfahren besitzt jedoch den Vorteil, dass es eine wesentlich höhere Nachweisempfindlichkeit ermöglicht. So war das Analytsignal bei Messungen, in denen der Analyt in Wasser verdünnt wurde, im Vergleich zu Messungen, in denen der Analyt lediglich im Hintergrundelektrolyten verdünnt wurde, bis zu ca. 4 mal größer, obwohl die Konzentration des Analyten 2,5 mal geringer war.

Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht nun in der Anbringung von zusätzlichen Messelektroden im Verbindungsbereich 5 zwischen dem Injektionskanal 1 und dem Trennkanal 2. In der Figur sind zwei Messelektrodenpaare 6, 6' und 7, 7' im Verbindungsbereich 5 dargestellt, wobei sich ein Messelektrodenpaar 6, 6' in Richtung des Injektionskanals 1 und ein weiteres Messelektrodenpaar 7, 7' sich in Richtung des Trennkanals 2 befindet. Die Messelektrodenpaare 6, 6', 7, 7' erlauben es zum einen, die Vorgänge in diesem Bereich zu erfassen, und ermöglichen zum anderen die Steuerung des Fluidtransports über diesen Bereich und damit eine Optimierung der hochauflösenden Kapillarelektrophorese.

Bei beiden oben beschriebenen Geometrien wurde mit dem erfindungsgemäßen Messgerät mit den Messelektrodenpaaren in Richtung des Injektionskanals 1 Signale bei einer Variation der Injektionszeit aufgenommen. Es zeigte sich, dass nach 1 Sekunde der Injektionskanal 1 noch nicht ganz mit Analyt befüllt war; dies trat erst nach ca. 3 Sekunden ein, wenn das Signal nicht weiter anstieg. Der am Ende der Injektionszeit beobachtbare kurze Anstieg des Signals ist auf den Umschaltimpuls der Hochspannung von Injektion auf Trennung zurückzuführen.

Wurde der gleiche Vorgang mit den Messelektrodenpaaren in Richtung des Trennkanals 2 beobachtet, so zeigte sich, dass die Signale auch nach 10 Sekunden noch weiter anstiegen: Es strömte kontinuierlich Analyt in den Trennkanal 2 hinein.

Bei Variation der Injektionsspannung bei einer festen Injektionszeit von 5 Sekunden zeigte sich bei der Beobachtung in Richtung des Injektionskanals 1 mit zunehmender Spannung ein steiler Anstieg des Messsignals: Der Analyt bewegte sich mit höherer Geschwindigkeit durch den Injektionskanal 1, wodurch das Ende des Signalanstiegs, also die komplette Befüllung des Injektionskanals 1, früher erreicht wurde.

Die Beobachtung desselben Vorgangs in Richtung des Trennkanals 2 zeigte, dass kontinuierlich mehr Analyt in den Trennkanal 2 strömte und sich die Menge mit zunehmender Injektionsspannung stärker erhöhte, da der Analyt schneller hineinströmte. Bei Variation der Trennspannung nach einer Injektionszeit von 5 Sekunden zeigte sich, dass mit zunehmender Trennspannung das Signal schneller abfällt: Der Analyt wurde schneller aus dem Injektionskreuzungsbereich entfernt.

In Richtung des Trennkanals 2 war nach dem ersten starken Abfall des Signals nochmals ein leichter Anstieg zu beobachten, der mit zunehmender Spannung stärker ausgeprägt war. Dieser Effekt beruht auf dem Nachströmverhalten, das sich mit zunehmender Trennspannung erhöht, und erlaubt, Informationen über das Injektions- und das Nachströmverhalten zu gewinnen.

Bei Mehrfachanalysezyklen wie z.B. in der Online-Analytik ließ sich sowohl ein stabiles Verhalten für Injektion und Nachströmen beobachten und kontrollieren als auch ein deutlich instabiles Verhalten, insbesondere beim Verfahren des Sample-Stackings. Hierbei konnten Instabilitäten wesentlich deutlicher aufgezeigt werden als bei vergleichenden Untersuchungen mittels Fluoreszenzmikroskopie.

Über einen oder mehrere Analysezyklen (Injektionszeit jeweils 10 Sekunden) lassen sich nun die Stabilität des Systems kontrollieren und ggf. Instabilitäten korrigieren, indem die gewonnenen Informationen dazu eingesetzt werden, um unter realen Bedingungen eine quantitative Analyse durchzuführen, indem jeweils das injizierte Analytvolumen errechnet wird.

Weiterhin dienen diese Informationen dazu, um Gegenmaßnahmen zu ergreifen, die das Nachströmen verringern bzw. zu verhindern und das Gesamtsystem aus Injektion und Trennung durch Regeleingriffe stabilisieren. Auf diese Weise ist es sogar möglich, unter normalerweise instabilen Bedingungen zu arbeiten.


Anspruch[de]
Messgerät zur Überwachung und Steuerung der Injektion von Fluiden in mikrofluiden Kanälen, bestehend aus einer Anordnung aus mindestens zwei in einem Verbindungsbereich (5) miteinander verbundenen mikrofluidischen Kanälen, wobei das Fluid aus einem Injektionskanal (1) in mindestens einen weiteren Kanal injizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Messelektrodenpaar für eine kontaktlose Leitfähigkeitsmessung im Verbindungsbereich (5) angebracht ist. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass elektrokinetische oder hydrodynamische Mittel zur Injektion des Fluids aus dem Injektionskanal (1) in den mindestens einen weiteren Kanal vorgesehen sind. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messelektrodenpaar in Richtung des Injektionskanals (1) oder in Richtung des mindestens einen weiteren Kanals angebracht ist. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der weiteren Kanäle als Trennkanal (2) ausgestaltet ist. Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkanal (2) Bestandteil einer Vorrichtung zur Kapillarelektrophorese ist. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektionsbereich (4) zur kontaktlosen Detektion mittels Hochfrequenz am Trennkanal (2) vorgesehen ist. Messgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Messelektrodenpaar (6, 6') in Richtung des Injektionskanals (1) und ein weiteres Messelektrodenpaar (7, 7') in Richtung des Trennkanals (2) angebracht sind.






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