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WO2004056484A1 - Mikrostrukturierte anordnung zur behandlung eines fluids - Google Patents

Mikrostrukturierte anordnung zur behandlung eines fluids Download PDF

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WO2004056484A1
WO2004056484A1 PCT/DE2003/004206 DE0304206W WO2004056484A1 WO 2004056484 A1 WO2004056484 A1 WO 2004056484A1 DE 0304206 W DE0304206 W DE 0304206W WO 2004056484 A1 WO2004056484 A1 WO 2004056484A1
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reservoir
fluid
channel
electrode
microstructured
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PCT/DE2003/004206
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Pfister
Steve Reichel
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44791—Microapparatus

Definitions

  • the invention relates to a microstructured arrangement for treating a fluid according to the preamble of claim 1.
  • Treatment means the implementation of reactions, but in particular the analysis, for example by capillary electrophoresis.
  • a microchip laboratory system has several reservoirs, which are formed in a substrate together with a channel system in a micromechanical way. Some of the reservoirs contain fluids to be processed which, after being processed in the duct system, are collected as waste products in other reservoirs. The fluids are conveyed from one reservoir to another electrokinetically by applying an electrical voltage between the respective reservoirs, for which purpose electrodes are arranged in them which can be switched to a voltage source.
  • the invention is based, to improve the microstructured arrangement of the type mentioned for a continuous fluid supply the task.
  • the fluid flows continuously through the reservoir, which for this purpose, for example, continuously from an industrial or other Process is removed and pumped through the reservoir.
  • the residence time of the fluid from the time of its removal from the process to the time at which a part of it is electrokinetically branched off from the reservoir for further processing and conveyed into the channel is therefore given a correspondingly high volume flow of the fluid flowing through the reservoir very short and independent of the time or the times of the turn. Since the branching of part of the fluid from the reservoir into the channel, viewed in the direction of flow, takes place in front of the electrode arranged in the reservoir, glass bubbles formed on the electrode cannot get into the channel and block it or a subsequent reaction or analysis system.
  • the channel When viewed from the electrode, the channel preferably branches off from the reservoir at an angle ⁇ 90 °, so that the fluid which flows through the reservoir is not pressed into the channel.
  • the reservoir is preferably also designed as a channel through which the fluid flows in a pressure-driven manner.
  • the electrode is preferably arranged such that it projects into the flow path of the fluid through the reservoir and the fluid flows around it. This makes it possible to design the electrode as a robust wire electrode that is less rapidly degraded by electrolysis than, for example, a thin film electrode. So that the flow of the fluid through the electrode is not disturbed, the interior of the reservoir can be widened in the area of the protruding electrode, so that the flow cross-section of the reservoir remains at least approximately constant.
  • the channel and the reservoir can be designed in different ways as microfluidic structures, wherein they are preferably in the form of trench-shaped depressions on one side of a plate and are covered by a cover plate lying thereon.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the microstructured arrangement according to the invention for analyzing a fluid
  • FIGS. 2 and 3 show an example of a reservoir through which the fluid flows and with a branch branching from it in two different sectional views.
  • FIG. 1 shows a microstructured arrangement consisting of a carrier, here a plate 1, on which reservoirs 2, 3, 4 and 5 for fluids and a channel system 6 are formed micromechanically.
  • the reservoirs 2 to 5 and the channel system 6 are designed here as trench-shaped depressions on one side of the plate 1 and covered by a cover plate (not shown here) lying on top.
  • the channel system 6 consists of four channels 7, 8, 9 and 10, each branching off from one of the four reservoirs 2 to 5 and connected to one another at an intersection 11.
  • electrodes 12, 13, 14 and 15 are arranged, which are connected to a four-pole voltage source 16, via which different high voltages can be set between the electrodes 12 to 15.
  • fluids from predeterminable reservoirs e.g. B. 2 and 3, via the channel system 6 in other reservoirs, for. B. 4 and 5, electro-kinetically promoted.
  • a buffer fluid is conveyed from the reservoir 3 via the channels 8 and 9 into the reservoir 4 and at the same time a sample fluid is conveyed from the reservoir 2 via the channels 7 and 10 into the reservoir 5.
  • the sample fluid at the intersection 11 is introduced into the channel 9 for a predetermined time and thus in a predetermined amount, before it is subsequently redirected into the channel 10.
  • the sample fluid introduced into the channel 9 and then conveyed through the channel 9 through the subsequent buffer fluid is electrophoretically separated into its components in the channel 9, which are detected by means of a detector device 17; an evaluation device 18 arranged downstream of the detector device 17 determines the detected components of the sample fluid qualitatively and quantitatively.
  • a sample fluid can be conveyed from the reservoir 3 via the channels 8 and 10 and a buffer fluid from the reservoir 2 via the channels 7 and 10 into the reservoir 5.
  • the buffer fluid at the crossing point 11 is diverted into the channel 9 and thereby injects the sample fluid located in the area of the crossing point 11 into the channel 9.
  • the amount of the sample fluid injected into the channel 9 corresponds to the volume of the crossing point 11 and can be increased by the fact that the channel 10 opens into the channel 9 offset from the channel 8 in the direction of the detector device 17.
  • the reservoirs 2 to 5 are designed in the form of further channels with fluid connections 19, 20, 21, 22, 23 and 24.
  • the reservoirs 2 used to feed the fluid into the channel system 6 and 3 each have two fluid connections 19 and 20 or 21 and 22, the channels 7 and 8 each branching off from the reservoirs 2 and 3 in the region between the two fluid connections 19 and 20 or 21 and 22.
  • the sample fluid 25 is taken continuously from an industrial process, here a pipeline 26, and after preparation, for example filtering and buffering, in a sample preparation device 27 by a pump or the like, pressure-driven via the fluid.
  • the sample fluid 25 flows through the reservoir 2 and is disposed of via the fluid connection 20.
  • FIGS. 2 and 3 each show, in different sectional representations, a section of the reservoir 2 in the area between the two fluid connections 19 and 20.
  • the reservoir 2 is designed in the form of a further channel 28 in the plate 1 and covered by a cover plate 29.
  • the electrode 12 is wire-shaped at least in its end region and penetrates the plate 1 coming from the side facing away from the channels 7, 28. Furthermore, the electrode 12 extends across the reservoir 2 to the cover plate 29, so that the sample fluid 25 flows around it on both sides.
  • the reservoir 2 is widened in the region of the electrode 12, so that its flow cross section narrows only slightly or not at all at this point.
  • the branch of the channel 7 from the reservoir 2 is arranged in front of the electrode 12 in relation to the direction of flow of the sample fluid 25, so that gas bubbles 30 formed on the electrode 12 by electrolysis are transported away from the branch by the flowing sample fluid 25 and are carried out and thus do not get into channel 7.
  • the channel-shaped reservoir 2 and the channel 7 branching therefrom each have a rectangular gen, here square flow cross-section, wherein the flow cross-section of the reservoir 2 with 0.3 x 0.3 mm, for example, is larger than that of the channel 7 with, for example, 0.1 x 0.1 mm.
  • the cross section of the channel 7 is sufficiently small to enable the sample fluid 25 to be conveyed electrokinetically.

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Abstract

Eine mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung eines Fluids weist ein Reservoir auf, das das Fluid enthält und in dem eine Elektrode angeordnet ist. Von dem Reservoir zweigt ein Kanal ab, der zu einer weiteren Elektrode führt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden wird eine elektrokinetische Förderung eines Teils des Fluids aus dem Reservoir in den Kanal bewirkt. Um die Anordnung für eine kontinuierliche Fluidzufuhr zu ertüchtigen, ist vorgesehen, dass das Fluid (25) das Reservoir (2) kontinuierlich durchströmt und dass der Abzweig des Kanals (7) von dem Reservoir (2), bezogen aufdie Strömungsrichtung des Fluids (25), vor der Elektrode (12) in dem Reservoir (2) liegt.

Description

Beschreibung
Mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung eines Fluids
Die Erfindung betrifft eine mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter Behandlung sind hier die Durchführung von Reaktionen, insbesondere aber die Analyse, beispielsweise durch Kapillar- elektrophorese, zu verstehen.
Eine Anordnung der oben genannten Art ist beispielsweise aus der EP 1 162 455 AI bekannt. Dort weist ein Mikrochip-Labor- system mehrere Reservoirs auf, die zusammen mit einem Kanalsystem auf mikromechanischem Wege in einem Substrat ausge- bildet sind. Einige der Reservoirs enthalten zu bearbeitende Fluide, die nach ihrer Bearbeitung in dem Kanalsystem als Abfallprodukte in anderen Reservoirs gesammelt werden. Die Förderung der Fluide von einem Reservoir zu einem anderen erfolgt elektrokinetisch durch Anlegen einer elektrischen Span- nung zwischen den betreffenden Reservoirs, wozu in diesen Elektroden angeordnet sind, die an eine Spannungsquelle schaltbar sind.
Bisher wurden die Reservoirs diskontinuierlich mit Fluiden gefüllt, so wie dies im Laborbetrieb üblich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mikrostrukturierte Anordnung der eingangs angegebenen Art für eine kontinuierliche Fluidzufuhr zu ertüchtigen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Anordnung gelöst, von der vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Reservoir kontinuierlich von dem Fluid durchströmt, welches dazu beispielsweise kontinuierlich aus einem industriellen oder sonstigen Prozess entnommen und druckgetrieben durch das Reservoir gefördert wird. Die Verweildauer des Fluids von dem Zeitpunkt seiner Entnahme aus dem Prozess bis zu dem Zeitpunkt, an dem ein Teil von ihm zur weiteren Bearbeitung elektrokinetisch aus dem Reservoir abgezweigt und in den Kanal gefördert wird, ist daher bei entsprechend hohem Volumenstrom des durch das Reservoir strömenden Fluids sehr kurz und von dem Zeitpunkt oder den Zeitpunkten der Abzweigung unabhängig . Da die Abzweigung eines Teils des Fluids aus dem Reservoir in den Kanal in Strömungsrichtung gesehen vor der in dem Reservoir angeordneten Elektrode erfolgt, können durch Elektrolyse an der Elektrode entstehende Glasblasen nicht in den Kanal gelangen und diesen oder ein nachfolgendes Reaktions- oder Analysesystem blockieren.
Vorzugsweise zweigt der Kanal von der Elektrode aus gesehen unter einem Winkel ≥ 90° von dem Reservoir ab, so dass das Fluid, welches das Reservoir durchströmt, nicht in den Kanal gedrückt wird.
Da für die Behandlung des Fluids jedes Mal nur ein Teil davon aus dem Reservoir in den Kanal abgezweigt wird, ist der Strömungsquerschnitt des Reservoirs größer als der des Kanals. Dabei ist das Reservoir vorzugsweise ebenfalls als Kanal aus- gebildet, durch den das Fluid druckgetrieben strömt.
Bevorzugt ist die Elektrode derart angeordnet, dass sie in den Strömungsweg des Fluids durch das Reservoir hineinragt und von dem Fluid umströmt wird. Das ermöglicht es, die Elek- trode als robuste Drahtelektrode auszubilden, die durch Elektrolyse weniger schnell abgebaut wird, als beispielsweise eine Dünnfilmelektrode. Damit die Strömung des Fluids durch die Elektrode nicht gestört wird, kann das Innere des Reservoirs im Bereich der hineinragenden Elektrode aufgeweitet sein, so dass der Strömungsquerschnitt des Reservoirs zumindest annähernd konstant bleibt. Der Kanal und das Reservoir können in unterschiedlicher Weise als mikrofluidische Strukturen ausgebildet sein, wobei sie vorzugsweise in Form von grabenförmigen Vertiefungen auf einer Seite einer Platte ausgebildet und durch eine darauf aufliegende Deckelplatte abgedeckt sind.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäs- sen mikrostrukturierten Anordnung zur Analyse eines Fluids und die
Figuren 2 und 3 ein Beispiel für ein von dem Fluid durch- strömtes Reservoir mit einem davon abzweigenden Kanal in zwei unterschiedlichen Schnittdarstellungen.
Figur 1 zeigt eine mikrostrukturierte Anordnung bestehend aus einem Träger, hier einer Platte 1, auf dem Reservoirs 2, 3, 4 und 5 für Fluide und ein Kanalsystem 6 mikromechanisch ausgebildet sind. Die Reservoirs 2 bis 5 und das Kanalsystem 6 sind hier als grabenförmige Vertiefungen auf einer Seite der Platte 1 ausgebildet und durch eine, hier nicht gezeigte, aufliegende Deckelplatte abgedeckt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Kanalsystem 6 aus vier Kanälen 7, 8, 9 und 10, die von jeweils einem der vier Reservoirs 2 bis 5 abzweigen und an einer Kreuzungsstelle 11 miteinander verbunden sind. In den Reservoirs 2 bis 5 sind Elektroden 12, 13, 14 und 15 angeordnet, die an einer vierpoligen Spannungsquelle 16 angeschlossen sind, über die zwischen den Elektroden 12 bis 15 unterschiedliche Hochspannungen einstellbar sind. In Abhängigkeit von den eingestellten Hochspannungen werden Fluide aus vorgebbaren Reservoirs, z. B. 2 und 3, über das Kanalsystem 6 in andere Reservoirs, z. B. 4 und 5, elek- trokinetisch gefördert. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden beispielsweise zunächst ein Puffer-Fluid aus dem Reservoir 3 über die Kanäle 8 und 9 in das Reservoir 4 und gleichzeitig ein Proben-Fluid aus dem Reservoir 2 über die Kanäle 7 und 10 in das Reservoir 5 gefördert . Durch Verändern der Hochspannungen an den Elektroden 12 bis 15 wird das Proben-Fluid an der Kreuzungsstelle 11 für eine vorgegebene Zeit und damit in einer vorgegebenen Menge in den Kanal 9 eingeleitet, bevor es anschließend wieder in den Kanal 10 umgeleitet wird. Das in den Kanal 9 ein- geleitete und anschließend durch das nachfolgende Puffer- Fluid durch den Kanal 9 hindurch geförderte Proben-Fluid wird in dem Kanal 9 elektrophoretisch in seine Bestandteile getrennt, die mittels einer Detektoreinrichtung 17 detektiert werden; eine der Detektoreinrichtung 17 nachgeordnete Aus- Werteeinrichtung 18 bestimmt die detektierten Bestandteile des Proben-Fluids qualitativ und quantitativ.
Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann aus dem Reservoir 3 ein Proben-Fluid über die Kanäle 8 und 10 und aus dem Reservoir 2 ein Puffer-Fluid über die Kanäle 7 und 10 in das Reservoir 5 gefördert werden. Durch Verändern der Hochspannungen an den Elektroden 12 bis 15 wird das Puffer-Fluid an der Kreuzungsstelle 11 in den Kanal 9 umgeleitet und injiziert dabei das sich im Bereich der Kreuzungsstelle 11 befin- dende Proben-Fluid in den Kanal 9. Dort wird das Proben-Fluid elektrophoretisch in seine Bestandteile getrennt, die mittels der Detektoreinrichtung 17 detektiert werden. Die Menge des in den Kanal 9 injizierten Proben-Fluids entspricht dem Volumen der Kreuzungsstelle 11 und kann dadurch vergrößert er- den, dass der Kanal 10 gegenüber dem Kanal 8 in Richtung auf die Detektoreinrichtung 17 zu versetzt in den Kanal 9 einmündet .
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Reservoirs 2 bis 5 in Form von weiteren Kanälen mit Fluid-Anschlüssen 19, 20, 21, 22, 23 und 24 ausgebildet. Dabei weisen die zur Fluid-Einspeisung in das Kanalsystem 6 dienenden Reservoirs 2 und 3 jeweils zwei Fluid-Anschlüsse 19 und 20 bzw. 21 und 22 auf, wobei die Kanäle 7 und 8 jeweils im Bereich zwischen den beiden Fluid-Anschlüssen 19 und 20 bzw. 21 und 22 von den Reservoirs 2 bzw. 3 abzweigen. Wie am Beispiel des Reservoirs 2 gezeigt ist, wird das Proben-Fluid 25 kontinuierlich aus einem industriellen Prozess, hier einer Rohrleitung 26, entnommen und nach Aufbereitung, beispielsweise Filterung und Pufferung, in einer Probenaufbereitungseinrichtung 27 durch eine Pumpe oder ähnliches druckgetrieben über den Fluid-An- schluss 19 in das Reservoir 2 eingespeist. Das Proben-Fluid 25 durchströmt das Reservoir 2 und wird über den Fluid- n- schluss 20 entsorgt.
Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils in unterschiedlichen Schnittdarstellungen einen Ausschnitt aus dem Reservoir 2 im Bereich zwischen den beiden Fluid-Anschlüssen 19 und 20. Das Reservoir 2 ist in Form eines weiteren Kanals 28 in der Platte 1 ausgebildet und von einer Deckelplatte 29 abgedeckt. Die Elektrode 12 ist zumindest in ihrem Endbereich drahtförmig ausgebildet und durchdringt die Platte 1 von der der Seite mit den Kanälen 7, 28 abgewandten Seite kommend. Im Weiteren verläuft die Elektrode 12 quer durch das Reservoir 2 bis zu der Deckelplatte 29, so dass sie beidseitig von dem Proben- Fluid 25 umströmt wird. Im Bereich der Elektrode 12 ist das Reservoir 2 aufgeweitet, so dass sich an dieser Stelle sein Strömungsquerschnitt nur gering oder überhaupt nicht verengt. Der Abzweig des Kanals 7 von dem Reservoir 2 ist, bezogen auf die Strömungsrichtung des Proben-Fluids 25, vor der Elektrode 12 angeordnet, so dass durch Elektrolyse an der Elektrode 12 entstehende Gasblasen 30 von dem strömenden Proben-Fluid 25 von dem Abzweig weg transportiert und ausgetragen werden und somit nicht in den Kanal 7 gelangen. Außerdem zweigt der Kanal 7, von der Elektrode 12 aus gesehen, unter einem Winkel α ≥ 90° von dem Reservoir 2 ab, so dass das druckgetrieben durch das Reservoir 2 strömende Proben-Fluid 25 nicht in den Kanal 7 gedrückt wird. Das kanalförmige Reservoir 2 und der davon abzweigende Kanal 7 weisen jeweils einen rechteckförmi- gen, hier quadratischen Strömungsquerschnitt auf, wobei der Strömungsquerschnitt des Reservoirs 2 mit beispielsweise 0,3 x 0,3 mm größer als der des Kanals 7 mit beispielsweise 0,1 x 0,1 mm ist. In jedem Fall ist der Querschnitt des Kanals 7 ausreichend klein, um eine elektrokinetische Förderung des Proben-Fluids 25 zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
1. Mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung eines Fluids (25) mit einem das Fluid (25) enthaltenden Reservoir (2), in dem eine Elektrode (12) angeordnet ist, mit einem von dem Reservoir (2) abzweigenden Kanal (7), der zu einer weiteren Elektrode (13, 14, 15) führt, und mit einer an die Elektroden (12 bis 15) schaltbaren Spannungsquelle (16) zur elektrokine- tischen Förderung eines Teils des Fluids (25) aus dem Reser- voir (2) in den Kanal (7), dadur ch gek enn z e i chne t , dass das Fluid (25) das Reservoir (2) kontinuierlich durchströmt und dass der Abzweig des Kanals (7) von dem Reservoir (2), bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids (25), vor der Elektrode (12) in dem Reservoir (2) liegt.
2. Mikrostrukturierte Anordnung nach Anspruch 1, da dur ch gekenn z e i chne t , dass der Kanal (7) von der Elektrode (12) aus gesehen unter einem Winkel ( ) ≥ 90° von dem Reservoir (2) abzweigt.
3. Mikrostrukturierte Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadur ch gek enn z e i chne t , dass der Strömungsquerschnitt des Reservoirs (2) größer als der des Kanals (7) ist.
4. Mikrostrukturierte Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da dur ch gekenn z e i chn e t , dass das Reservoir (2) in Form eines weiteren Kanals (28) ausge- bildet ist, durch den das Fluid (25) von einer Druckdifferenz getrieben strömt .
5. Mikrostrukturierte Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g ekenn z e i c hn e t , dass die Elektrode (12) in den Strömungsweg des Fluids (25) durch das Reservoir (2) hineinragt und von dem Fluid (25) umströmt wird.
6. Mikrostrukturierte Anordnung nach Anspruch 5, da dur ch g ekenn z e i chne t , dass das Innere des Reservoirs (2) im Bereich der hineinragenden Elektrode (12) aufgeweitet ist, so dass der Strömungsquerschnitt des Reser- voirs (2) zumindest annähernd konstant bleibt.
7. Mikrostrukturierte Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadur c h gekenn z e i chn e t , dass das Reservoir (2) und der Kanal (7) in Form von grabenförmi- gen Vertiefungen auf einer Seite einer Platte (1) ausgebildet und durch eine darauf aufliegende Deckelplatte (29) abgedeckt sind.
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