DE10260310B3

DE10260310B3 - Micro-structure, to process fluid for reactions and analysis by capillary electrophoresis, has electrodes to give continuous flow with part taken off through branch channel

Info

Publication number: DE10260310B3
Application number: DE2002160310
Authority: DE
Inventors: Markus Pfister; Steve Reichel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: WO2004056484A1

Abstract

The micro-structure to process a fluid has a fluid reservoir with an electrode. A channel leads from the reservoir to a second electrode. A voltage at the electrodes gives an electrokinetic fluid movement from the reservoir in the channel. The fluid (25) flows continuously through the reservoir (2). The branch of the channel (7) leads out in front of the electrode (12) in the flow direction, to take a part of the fluid flow. The reservoir and the channel are formed by recesses in a plate (1), shrouded by a cover plate. Any gas bubbles (30) are removed, resulting from electrolysis at the electrode.

Description

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 Kapillarelektrophorese, zu verstehen.The invention relates to a microstructured arrangement for the treatment of a fluid according to the preamble of claim 1. Treatment includes the implementation of reactions, in particular, however to understand the analysis, for example by capillary electrophoresis.

Eine Anordnung der oben genannten Art ist beispielsweise aus der EP 1 162 455 A1 oder der US 6 337 740 B1 bekannt. Dort weist ein Mikrochip-Laborsystem mehrere Reservoirs auf, die zusammen mit einem Kanalsystem auf mikromechanischem Wege in einem Substrat ausgebildet 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 Spannung zwischen den betreffenden Reservoirs, wozu in diesen Elektroden angeordnet sind, die an eine Spannungsquelle schaltbar sind. Die behandelnden Fluide strömen somit elektrokinetisch getrieben aus dem sie enthaltenden Reservoirs heraus und über das Kanalsystem in die sie aufsammelnden Reservoirs herein. Wie die die zu behandelnden Fluide enthaltenden Reservoirs mit den Fluiden gefüllt werden, ist jedoch nicht angegeben.An arrangement of the type mentioned above is for example from the EP 1 162 455 A1 or the US 6,337,740 B1 known. There, a microchip laboratory system has a plurality of 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 relevant reservoirs, for which purpose electrodes are arranged in these which can be connected to a voltage source. The treating fluids thus flow electrokinetically driven out of the reservoirs containing them and into the reservoirs collecting them via the channel system. However, it is not specified how the reservoirs containing the fluids to be treated are filled with the fluids.

Bisher wurden die Reservoirs diskontinuierlich mit den zu behandelnden Fluiden gefüllt, so wie dies im Laborbetrieb üblich ist.So far, the reservoirs have been discontinuous filled with the fluids to be treated, as is usual in laboratory operation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mikrostrukturierte Anordnung der eingangs angegebenen Art für eine kontinuierliche Fluidzufuhr zu ertüchtigen.The invention is based, which Microstructured arrangement of the type specified at the beginning for a continuous To increase fluid supply.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Anordnung gelöst, von der vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.According to the invention, the object is achieved by solved the arrangement specified in claim 1, of the advantageous developments in the subclaims are specified.

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.In the arrangement according to the invention the reservoir is continuously flowed through by the fluid which for example continuously from an industrial or other process and pressure-driven is conveyed through the reservoir. The dwell time of the fluid from the time of its removal the process up to the point when a part of it for further processing electrokinetically branched from the reservoir and conveyed into the channel, is therefore at a correspondingly high volume flow through the reservoir flowing Fluids very short and from the time or times of the Branch independent. Because the branch of some of the fluid from the reservoir into the Channel in the direction of flow seen in front of the electrode arranged in the reservoir, can Glass bubbles generated by electrolysis on the electrode are not get into the channel and this or a subsequent reaction or block the analysis system.

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.The channel preferably branches off from seen from the electrode at an angle ≥ 90 ° from the reservoir, so that the fluid flowing through the reservoir is not forced into the channel.

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 ausgebildet, durch den das Fluid druckgetrieben strömt.As for the treatment of the fluid only a portion of it branched out of the reservoir into the canal each time is the flow cross section of the reservoir larger than that of the channel. The reservoir is preferably also as Channel formed through which the fluid flows pressure-driven.

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 Elektrode 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.The electrode is preferably such arranged that they are in the flow path of the fluid projects through the reservoir and the fluid flows around it. This allows it to form the electrode as a robust wire electrode, which by Electrolysis is degraded less quickly than, for example, one Thin-film electrode. So the flow the fluid is not disturbed by the electrode, the inside of the Reservoirs in the area of the protruding electrode, so the flow cross section of the reservoir at least approximately remains constant.

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.The canal and the reservoir can be in designed in different ways as microfluidic structures be, preferably in the form of trench-shaped depressions on a Formed side of a plate and by a resting on it Cover plate are covered.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:To further explain the invention is in Following referred to the figures of the drawing; in detail demonstrate:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen mikrostrukturierten Anordnung zur Analyse eines Fluids und die 1 an embodiment of the microstructured arrangement according to the invention for analyzing a fluid and the

2 und 3 ein Beispiel für ein von dem Fluid durchströmtes Reservoir mit einem davon abzweigenden Kanal in zwei unterschiedlichen Schnittdarstellungen. 2 and 3 an example of a reservoir through which the fluid flows with a branch branching from it in two different sectional views.

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, elektrokinetisch gefördert. 1 shows a microstructured arrangement consisting of a carrier, here a plate 1 , on the reservoirs 2 . 3 . 4 and 5 for fluids and a channel system 6 are micromechanically trained. The reservoirs 2 to 5 and the channel system 6 are here as trench-shaped depressions on one side of the plate 1 formed and covered by an overlying cover plate, not shown here. In the exemplary embodiment shown there is the channel system 6 from four channels 7 . 8th . 9 and 10 , each from one of the four reservoirs 2 to 5 branch off and at an intersection 11 connected to each other that are. In the reservoirs 2 to 5 are electrodes 12 . 13 . 14 and 15 arranged on a four-pole voltage source 16 are connected via the between the electrodes 12 to 15 different high voltages are adjustable. Depending on the set high voltages, fluids from predeterminable reservoirs, e.g. B. 2 and 3 , via the channel system 6 in other reservoirs, e.g. B. 4 and 5 , electrokinetically promoted.

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 eingeleitete 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 Auswerteeinrichtung 18 bestimmt die detektierten Bestandteile des Proben-Fluids qualitativ und quantitativ.In the exemplary embodiment shown, a buffer fluid is initially removed from the reservoir, for example 3 over the channels 8th and 9 into the reservoir 4 and at the same time a sample fluid from the reservoir 2 over the channels 7 and 10 into the reservoir 5 promoted. By changing the high voltages on the electrodes 12 to 15 becomes the sample fluid at the intersection 11 for a predetermined time and thus in a predetermined amount in the channel 9 initiated before it subsequently returned to the channel 10 is redirected. That in the channel 9 introduced and then through the subsequent buffer fluid through the channel 9 sample fluid delivered through it is in the channel 9 electrophoretically separated into its components by means of a detector device 17 be detected; one of the detector device 17 downstream evaluation device 18 determines the detected components of the sample fluid qualitatively and quantitatively.

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 befindende 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 werden, dass der Kanal 10 gegenüber dem Kanal 8 in Richtung auf die Detektoreinrichtung 17 zu versetzt in den Kanal 9 einmündet.As an alternative to the embodiment shown, the reservoir 3 a sample fluid across the channels 8th and 10 and from the reservoir 2 a buffer fluid across the channels 7 and 10 into the reservoir 5 be promoted. By changing the high voltages on the electrodes 12 to 15 becomes the buffer fluid at the intersection 11 in the channel 9 redirected and injected this in the area of the intersection 11 located sample fluid in the channel 9 , There, the sample fluid is separated electrophoretically into its constituent parts by means of the detector device 17 can be detected. The amount of in the channel 9 injected sample fluid corresponds to the volume of the crossing point 11 and can be enlarged by making the channel 10 opposite the canal 8th towards the detector device 17 too offset in the channel 9 opens.

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-Anschluss 19 in das Reservoir 2 eingespeist. Das Proben-Fluid 25 durchströmt das Reservoir 2 und wird über den Fluid-Anschluss 20 entsorgt.In the embodiment shown, the reservoirs are 2 to 5 in the form of additional channels with fluid connections 19 . 20 . 21 . 22 . 23 and 24 educated. They point to the fluid feed into the sewer system 6 serving reservoirs 2 and 3 two fluid connections each 19 and 20 respectively. 21 and 22 on, the channels 7 and 8th each in the area between the two fluid connections 19 and 20 respectively. 21 and 22 from the reservoirs 2 respectively. 3 branch. As with the example of the reservoir 2 is shown, the sample fluid 25 continuously from an industrial process, here a pipeline 26 , removed 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 connection 19 into the reservoir 2 fed. The sample fluid 25 flows through the reservoir 2 and is through the fluid port 20 disposed of.

Die 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 auf geweitet, 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 × 0,3 mm größer als der des Kanals 7 mit beispielsweise 0,1 × 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.The 2 and 3 each show a section of the reservoir in different sectional views 2 in the area between the two fluid connections 19 and 20 , The reservoir 2 is in the form of another channel 28 in the plate 1 trained and by a cover plate 29 covered. The electrode 12 is wire-shaped at least in its end region and penetrates the plate 1 from the side with the channels 7 . 28 coming from the opposite side. The electrode continues 12 across the reservoir 2 up to the cover plate 29 so that they are bilateral from the sample fluid 25 is flowing around. In the area of the electrode 12 is the reservoir 2 on expanded, so that at this point its flow cross section is narrowed only slightly or not at all. The branch of the canal 7 from the reservoir 2 is based on the flow direction of the sample fluid 25 , in front of the electrode 12 arranged so that by electrolysis on the electrode 12 resulting gas bubbles 30 of the flowing sample fluid 25 transported and discharged away from the branch and thus not into the channel 7 reach. The canal also branches 7 , from the electrode 12 seen from an angle α ≥ 90 ° from the reservoir 2 off so that the pressure driven through the reservoir 2 flowing sample fluid 25 not in the channel 7 is pressed. The channel-shaped reservoir 2 and the branching channel 7 each have a rectangular, here square flow cross-section, the flow cross-section of the reservoir 2 for example 0.3 × 0.3 mm larger than that of the channel 7 with, for example, 0.1 × 0.1 mm. In any case, the cross section of the channel 7 sufficiently small to support the sample fluid electrokinetically 25 to enable.

Claims

Microstructured arrangement for treating a fluid ( 25 ) with a the fluid ( 25 ) containing reservoir ( 2 ) in which an electrode ( 12 ) is arranged with one of the reservoir ( 2 ) branching channel ( 7 ) to another electrode ( 13 . 14 . 15 ) leads, and with one to the electrodes ( 12 to 15 ) switchable voltage source ( 16 ) for electrokinetic delivery of part of the fluid ( 25 ) from the reservoir ( 2 ) in the channel ( 7 ), Terized in that draws the fluid ( 25 ) the reservoir ( 2 ) flows continuously and that the branch of the channel ( 7 ) from the reservoir ( 2 ), related to the direction of flow of the fluid ( 25 ), in front of the electrode ( 12 ) in the reservoir ( 2 ) lies.

Microstructured arrangement according to claim 1, characterized in that the channel ( 7 ) from the electrode ( 12 ) seen at an angle (a) ≥ 90 ° from the reservoir ( 2 ) branches off.

Microstructured arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the flow cross section of the reservoir ( 2 ) larger than that of the channel ( 7 ) is.

Microstructured arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the reservoir ( 2 ) in the form of another channel ( 28 ) through which the fluid ( 25 ) flows driven by a pressure difference.

Microstructured arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 12 ) in the flow path of the fluid ( 25 ) through the reservoir ( 2 ) protrudes and from the fluid ( 25 ) flows around.

Microstructured arrangement according to claim 5, characterized in that the interior of the reservoir ( 2 ) in the area of the protruding electrode ( 12 ) is expanded so that the flow cross-section of the reservoir ( 2 ) remains at least approximately constant.

Microstructured arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the reservoir ( 2 ) and the channel ( 7 ) in the form of trench-shaped depressions on one side of a plate ( 1 ) and formed by a cover plate ( 29 ) are covered.