DE102008038114B4 - A method for the spatial separation and for the separate detection of cations and anions, which are located in an analyte - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur räumlichen Trennung und zum gesonderten Nachweis von Kationen und Anionen, die sich in einem Analyten befinden, enthaltend die Verfahrensschrittea) Einbringen eines Elektrolyten bei geöffneten Ventilen (37, 38) an den Enden der beiden Äste (11, 12) des Trennkanals durch Betätigung einer ersten Pumpe (281) über ein geöffnetes Ventil (28) zu einem unteren Reservoir (26) und den unteren Ast (22) des Injektionskanals in einen Kreuzungsbereich (2) des Injektionskanals mit einem Trennkanal derart, dass der Elektrolyt, ausgehend vom Kreuzungsbereich (2) durch den Trennkanal in Richtung von zwei Trennelektroden (31, 32), die sich an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trennkanals befinden, über Reservoirs (35, 36) für Abfall und die geöffneten Ventile (37, 38) zu den Reservoirs für Abfall (35, 36) gefördert wird, wodurch die gesamten Kanäle mit dem Elektrolyten gefüllt und Rückstände über die Ableitungen an den Reservoirs (35, 36) für Abfall ausgetragen werden,b) Fördern des Analyten, der Kationen und Anionen enthält, mittels einer zweiten Pumpe (291) durch ein geöffnetes Ventil (27) zu einem oberen Reservoir (25) und den oberen Ast (21) des Injektionskanals in den Kreuzungsbereich (2), so dass er den Kreuzungsbereich (2) des Injektionskanals mit dem Trennkanal füllt, sowie darüber hinaus durch den unteren Ast (22) des Injektionskanals, das untere Reservoir (26) und ein geöffnetes Ventil (29),c) Schließen alle Ventile (27, 28, 29, 37, 38) und Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Trennelektroden (31, 32), wodurch sich zwischen den beiden Trennelektroden (31, 32) ein elektrisches Feld ausbildet, in dem sich die Kationen in Richtung der ersten Trennelektrode (31) und die Anionen sich in Richtung der zweiten Trennelektrode (32) bewegen, so dass eine räumliche Trennung der Kationen und der Anionen voneinander erfolgt, undd) Nachweisen der Kationen mittels einer ersten Messzelle (33), die entlang des Trennkanals in Richtung der ersten Trennelektrode (31) angeordnet ist, und Nachweisen der Anionen mittels einer zweiten Messzelle (32), die -entlang des Trennkanals in Richtung der zweiten Trennelektrode (32) angeordnet ist.Method for the spatial separation and separate detection of cations and anions contained in an analyte, comprising the steps of a) introducing an electrolyte with the valves (37, 38) open at the ends of the two branches (11, 12) of the separation channel by actuation a first pump (281) via an open valve (28) to a lower reservoir (26) and the lower branch (22) of the injection channel in an intersection region (2) of the injection channel with a separation channel such that the electrolyte, starting from the crossing region ( 2) through the separation channel in the direction of two separation electrodes (31, 32), which are located on two opposite sides of the separation channel, via reservoirs (35, 36) for waste and the opened valves (37, 38) to the reservoirs for waste ( 35, 36) is conveyed, whereby the entire channels are filled with the electrolyte and residues are discharged via the discharges to the reservoirs (35, 36) for waste, b) Conveying the analyte containing cations and anions by means of a second pump (291) through an open valve (27) to an upper reservoir (25) and the upper branch (21) of the injection channel into the crossing region (2) fills the crossing region (2) of the injection channel with the separation channel, and moreover through the lower branch (22) of the injection channel, the lower reservoir (26) and an opened valve (29), c) closing all valves (27, 28, 29 , 37, 38) and applying an electrical voltage to the two separation electrodes (31, 32), whereby an electric field is formed between the two separation electrodes (31, 32), in which the cations in the direction of the first separation electrode (31) and the anions move towards the second separation electrode (32) so as to spatially separate the cations and anions from one another; and (d) detect the cations by means of a first measurement cell (33) running along the separation channel in the direction of first separation electrode (31) is arranged, and detecting the anions by means of a second measuring cell (32) which is arranged along the separation channel in the direction of the second separation electrode (32).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlichen Trennung und zum gesonderten Nachweis von Kationen und Anionen, die sich in einem Analyten befinden.The invention relates to a method for the spatial separation and for the separate detection of cations and anions, which are located in an analyte.
Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Ionenanalytik, insbesondere der Kapillarelektrophorese (CE), angesiedelt. Herkömmlich werden durch Kapillarelektrophorese entweder Kationen oder Anionen bestimmt. Bei Proben, die eine Bestimmung beider Ionenarten erfordern, werden üblicherweise zwei aufeinander folgende Analysen durchgeführt. Diese sind zum einen zeit- und kostenintensiv und zum anderen erfordern sie die doppelte Menge an Analyt. In bestimmten Bereichen steht jedoch nur eine begrenzte Menge Analyt zur Verfügung, was unter anderem einer der Gründe ist, die CE im Chipformat durchzuführen. Aufgrund des hohen Aufwandes und des zusätzlichen Probenbedarfs stellt jedoch auch dieses Verfahren keine Lösung des Problems der gleichzeitigen Bestimmung beider Ionenarten dar.The invention is in the field of ion analysis, in particular capillary electrophoresis (CE). Conventionally, either cations or anions are determined by capillary electrophoresis. For samples that require determination of both types of ions, two consecutive analyzes are usually performed. These are on the one hand time-consuming and cost-intensive and on the other hand they require twice the amount of analyte. In certain areas, however, there is only a limited amount of analyte available, which among other reasons is one of the reasons for performing the CE in chip format. Due to the high cost and the additional sample requirements, however, this method does not solve the problem of the simultaneous determination of both types of ions.
- - Verfahren, die eine simultane Messung durch die Beeinflussung des elektroosmotischen Flusses (EOF),
- - Verfahren, die durch eine chemische Reaktion die Eigenschaften der Analytionen verändern und
- - Verfahren, die durch rein konstruktive Maßnahmen ohne Beeinflussung der Analyten die simultane Messung ermöglichen.
- - methods involving simultaneous measurement by the influence of electroosmotic flow (EOF),
- - Processes that alter the properties of the analyte ions by a chemical reaction and
- - Procedures that allow simultaneous measurement by purely constructive measures without influencing the analytes.
Die erste Gruppe umfasst Verfahren zur Beeinflussung des elektroosmotischen Flusses (EOF), bei denen durch eine Verstärkung des EOF sowohl Kationen als auch Anionen in die Messzelle an einem Ende der Kapillare bewegt werden. Diese Verfahren lassen sich wiederum unterteilen in
- - Verfahren der Modifizierung bzw. Verstärkung des EOF durch oberflächenaktive Substanzen; siehe
],C. Johns, W. C. Yang, M. Macka, und P. R. Haddad, Simultaneous separation of anions and cations by capillary electrophoresis with high magnitude, reversed electroosmotic flow, Journal of Chromatography A, Band 1050, S. 217-222, 2004 - - Verfahren zur Modifizierung bzw. Verstärkung des EOF durch pH-Änderung des Leitelektrolyts; siehe
oderJ. W. Jorgenson und K. D. Lukacs, Zone electrophoresis in open-tubular glass capillaries, Anal. Chem., Band 53, S. 1298-1302, 1981 undS. A. Shamsi und N. D. Danielson, Individual and Simultaneous Class Separations of Cationic and Anionic Surfactants Using Capillary Electrophoresis with Indirect Photometrie Detection, Analytic. Chemistry, Band 67, S. 4210-4216, 1995 - - Verfahren zur Verstärkung der durch den EOF induzierten Fluidbewegung durch eine zusätzliche Druckdifferenz über dem Trennkanal, wie in der
offenbart.DE 43 15 928 C1
- - Process of modification or reinforcement of the EOF by surface-active substances; please refer
]C. Johns, WC Yang, M. Macka, and PR Haddad, Simultaneous separation of anions and cations by capillary electrophoresis with high magnitude, reversed electroosmotic flow, Journal of Chromatography A, Vol. 1050, pp. 217-222, 2004 - - Method for modifying or enhancing the EOF by changing the pH of the supporting electrolyte; please refer
orJW Jorgenson and KD Lukacs, Zone electrophoresis in open-tubular glass capillaries, Anal. Chem., Vol. 53, pp. 1298-1302, 1981 andSA Shamsi and ND Danielson, Individual and Simultaneous Class Separations of Cationic and Anionic Surfactants Using Capillary Electrophoresis with Indirect Photometry Detection, Analytic. Chemistry, Vol. 67, p. 4210-4216, 1995 - Method for enhancing the fluid movement induced by the EOF by means of an additional pressure difference across the separation channel, as in US Pat
disclosed.DE 43 15 928 C1
Allen Verfahren aus dieser Gruppe ist gemeinsam, dass eine Messung der Kationen und Anionen in einer herkömmlichen Quarzglas- oder Polymer-CE-Kapillare erfolgen kann. Dabei wird der EOF, der aufgrund der in der Regel negativen Oberflächenladung eine Bewegung der gesamten Flüssigkeitssäule in der Kapillare in Richtung der Kathode bewirkt, so modifiziert (verstärkt), dass diese Bewegung schneller ist als die Bewegung der Anionen in Richtung der Anode. Auf diese Weise lassen sich zuerst die Kationen und anschließend die Anionen in einer Messzelle zwischen Injektionsvolumen und Kathode nachweisen. Alternativ kann durch eine Umkehr des EOF auch die Untersuchung von Kationen und Anionen in einer Messzelle, die zwischen Injektionsvolumen und Anode angebracht ist, erfolgen.All methods in this group have in common that a measurement of the cations and anions can take place in a conventional quartz glass or polymer CE capillary. In this case, the EOF, which causes a movement of the entire liquid column in the capillary in the direction of the cathode due to the generally negative surface charge, so modified (amplified) that this movement is faster than the movement of the anions in the direction of the anode. In this way, first the cations and then the anions can be detected in a measuring cell between injection volume and cathode. Alternatively, reversing the EOF can also be used to study cations and anions in a measuring cell located between the injection volume and the anode.
Die unterschiedlichen Verfahren zur Modifizierung des EOF weisen erhebliche Einschränkungen bei der simultanen Analyse auf. Es ist notwendig, den Leitelektrolyten an die jeweilige Trennaufgabe sehr genau anzupassen und entweder oberflächenaktive Substanzen oder Mittel zur Einstellung des pH-Wertes hinzuzufügen. Um eine Änderung der durch den EOF induzierten Fluidbewegung über eine an der Kapillare anliegende Druckdifferenz zu erzielen, ist ebenfalls ein hoher apparativer Aufwand erforderlich. Das Verfahren der Erhöhung des EOF bringt zudem den Nachteil mit sich, dass es sich nur für Anionen eignet, die eine bestimmte elektrophoretische Mobilität nicht überschreiten, da sie ansonsten auch bei erhöhtem EOF in die entgegengesetzte Richtung wandern. Die EOF-Modifikation durch Druck hat sich aufgrund der Peakverbreiterung und dem damit einhergehenden Verlust an Auflösung nicht durchgesetzt und wird daher heute nach
Die zweite Gruppe betrifft die Kapillarelektrophorese in Kombination mit Komplexbildnern. Eine Änderung der chemischen Eigenschaften der Analytionen ermöglicht die simultane Untersuchung von Kationen und Anionen, indem in der Regel positiv geladene Metallionen, insbesondere von Übergangselementen durch geeignete Komplexbildner zumeist in einem der Trennung vorgelagerten Reaktionsschritt oder alternativ im Trennkanal selbst in negative Komplexe umgewandelt werden. Dadurch wird erreicht, dass in einer anfangs Kationen und Anionen enthaltenden Probenlösung nur noch die ursprünglichen Anionen und die in anionische Komplexe umgewandelten Kationen enthalten sind, die sich mittels herkömmlicher CE-Analyse nachweisen lassen; siehe
Die simultane Analyse von Kationen und Anionen durch Komplexchemie eignet sich insbesondere zur Trennung von Anionen bei der Bildung von Komplexen aus zusätzlich als Kationen vorliegenden Übergangselementen. Ein Nachweis von z. B. Ammonium ist damit nicht möglich. Die Ladungsänderung durch Komplexierung von Alkali- und Erdalkalimetallen ist ebenfalls nach
Die dritte Gruppe betrifft die so genannte Dual-Opposite Injection Kapillarelektrophorese (DOI-CE), bei der gemäß
Bei der DOI-CE wird die Trennung eines Analyts ebenfalls in einer einzelnen Kapillare mit nur einer Messzelle durchgeführt. Der Analyt wird an beiden Enden in die Trennkapillare injiziert. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes in der Trennkapillare durchwandern Kationen und Anionen jeweils aus entgegengesetzten Richtungen den Trennkanal. Die Messzelle wird bei diesem Verfahren derart zwischen den beiden Enden der Kapillare positioniert, dass sich Kationen und Anionen nicht gleichzeitig in der Messzelle befinden. Für eine gute Messung ist es erforderlich, die Messzelle geschickt zu positionieren und die Injektion an einem der beiden Kapillarenden zeitlich zu verzögern.With the DOI-CE, the separation of an analyte is also carried out in a single capillary with only one measuring cell. The analyte is injected at both ends into the separation capillary. By applying an electric field in the separation capillary, cations and anions each traverse the separation channel from opposite directions. The measuring cell is positioned in this method between the two ends of the capillary so that cations and anions are not simultaneously in the measuring cell. For a good measurement it is necessary to cleverly position the measuring cell and to delay the injection at one of the two capillary ends.
Jedoch erfordert die DOI-CE eine Injektion des Analyts an beiden Enden der Trennkapillare, was einen erhöhten Probenverbrauch bewirkt. Darüber hinaus muss dafür ein hoher apparativer Aufwand betrieben werden. So benutzen
Für den Bereich der Isotachophorese (ITP) schlugen W. A. Thormann und D. Schumacher in Bidirectional analytical isotachophoresis: Simultaneous determination of anionic and cationic boundaries, Electrophoresis, Band 6, S. 10-18, 1985, ein Verfahren zur bidirektionalen ITP und hierfür geeignete Elektrolytsysteme vor.In the field of isotachophoresis (ITP), WA Thormann and D. Schumacher proposed in Bidirectional analytical isotachophoresis: Simultaneous determination of anionic and cationic boundaries, Electrophoresis, Vol. 6, pp. 10-18, 1985, a method for bidirectional ITP and electrolyte systems suitable therefor in front.
Erste Messungen mit einem derartigen Verfahren von
Eine Umsetzung dieses Verfahrens in ein mikroanalytisches ITP Verfahren auf einem Polymermikrochip wurde von
Um beide Kapillarseiten mit unterschiedlichen Elektrolyten zu befüllen, müssen Prest et al. die Befüllung von beiden Enden der Trennkapillare in Richtung des Kreuzungsbereichs der Trennkapillare mit dem Injektionskanal vornehmen. Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, dass an den Trennelektroden durch Elektrolysereaktionen entstehende Gasbläschen in den Trennkanal eingetragen werden und eine erneute Messung in diesem Fall unmöglich wird. Darüber hinaus müssen Prest et al. bei ihrem Verfahren sicherstellen, dass das gesamte Flüssigkeitsvolumen, das durch Probenionen kontaminiert sein könnte, ausgetauscht ist, bevor eine neue Messung gestartet werden kann, d. h. vor jeder Messung müssen der gesamte Flüssigkeitsinhalt des Trennkanals und der Reservoirs bzw. der Zuleitungen des Elektrolyts bis zu den Trennelektroden ausgetauscht werden.To fill both capillary sides with different electrolytes, Prest et al. make the filling from both ends of the separation capillary in the direction of the crossing region of the separation capillary with the injection channel. This method has the disadvantage that gas bubbles formed at the separation electrodes by electrolysis reactions are introduced into the separation channel and a renewed measurement in this case becomes impossible. In addition, Prest et al. ensure in their procedure that the entire volume of liquid that could be contaminated by sample ions has been exchanged before a new measurement can be started; d. H. Before each measurement, the entire liquid content of the separation channel and the reservoirs or the supply lines of the electrolyte must be exchanged up to the separation electrodes.
Ein ähnliches Verfahren wird in
Dieser Aufbau führte in Fachkreisen (siehe
Ferner ist aus der
Auch sind aus der
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur räumlichen Trennung und zum gesonderten Nachweis von Kationen und Anionen, die sich in einem Analyten befinden vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.Based on this, it is the object of the present invention to propose a method for the spatial separation and for the separate detection of cations and anions which are present in an analyte, which do not have the mentioned disadvantages and limitations.
Insbesondere soll das Verfahren die Möglichkeit bieten, mit einem einfachen, kontinuierlich arbeitenden Elektrolytsystem gleichzeitig Kationen und Anionen zu trennen und nachzuweisen, ohne dass hierfür EOF-Modifizierer oder Komplexbildner erforderlich wären.In particular, the method should offer the possibility of simultaneously separating and detecting cations and anions with a simple, continuously operating electrolyte system, without the need for EOF modifiers or complexing agents.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The object is achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zur räumlichen Trennung und zum gesonderten Nachweis von Kationen und Anionen, die Bestandteile eines Analyten bilden, umfasst die Verfahrensschritte a) bis d).The method according to the invention for the spatial separation and for the separate detection of cations and anions which form constituents of an analyte comprises the method steps a) to d).
Gemäß Verfahrensschritt a) wird zunächst ein Elektrolyt aus einem Injektionskanal in einen Kreuzungsbereich des Injektionskanals mit einem Trennkanal eingebracht. Das Einbringen eines Elektrolyten erfolgt bei geöffneten Ventilen, an den Enden der beiden Äste des Trennkanals durch Betätigung einer ersten Pumpe über ein geöffnetes Ventil zu einem unteren Reservoir und den unteren Ast des Injektionskanals in einen Kreuzungsbereich des Injektionskanals mit einem Trennkanal derart, dass der Elektrolyt, ausgehend vom Kreuzungsbereich durch den Trennkanal in Richtung von zwei Trennelektroden, die sich an zwei gegenüberliegenden Seiten des Trennkanals befinden, über Reservoirs für Abfall und die geöffneten Ventile zu den Reservoirs für Abfall gefördert wird, wodurch die gesamten Kanäle mit dem Elektrolyten gefüllt und Rückstände über die Ableitungen an den Reservoirs für Abfall ausgetragen werden, Die Förderung erfolgt hydrodynamisch.According to method step a), an electrolyte is initially introduced from an injection channel into an intersection region of the injection channel with a separation channel. The introduction of an electrolyte with open valves, at the ends of the two branches of the separation channel by actuation of a first pump via an open valve to a lower reservoir and the lower branch of the injection channel in an intersection region of the injection channel with a separation channel such that the electrolyte, from the crossing region through the separation channel in the direction of two separation electrodes, which are located on two opposite sides of the separation channel, through reservoirs for waste and the open valves to the reservoirs for waste is conveyed, whereby the entire channels filled with the electrolyte and residues on the Discharges are discharged at the reservoirs for waste, the promotion takes place hydrodynamically.
Hierbei muss der Kreuzungsbereich des Injektionskanals mit dem Trennkanal nicht in der Mitte der Trennkapillare liegen. Die beiden Enden der Kapillare können vielmehr in Bezug auf Ihre Länge an die jeweilige Trennaufgabe angepasst werden. Auch die Geometrie der Verbindungsstelle zwischen Trennkanal und Injektionskanal kann unterschiedlich gestaltet werden. Neben einer einfachen Kreuzgeometrie lassen sich weitere Geometrien einsetzen, insbesondere eine einfache T-Geometrie oder eine so genannte Doppel-T-Geometrie.In this case, the crossing region of the injection channel with the separation channel does not have to be in the middle of the separation capillary. The two ends of the capillary can rather be adapted to the respective separation task with respect to their length. The geometry of the connection point between separation channel and injection channel can be designed differently. In addition to a simple cross geometry, further geometries can be used, in particular a simple T geometry or a so-called double T geometry.
In einer besonderen Ausgestaltung erfolgt die Befüllung der beiden Seiten des Trennkanals nicht simultan in beide Richtungen, sondern wird bevorzugt nacheinander durchgeführt.In a particular embodiment, the filling of the two sides of the separation channel is not carried out simultaneously in both directions, but is preferably carried out sequentially.
Im sich hieran anschließenden Verfahrensschritt b) wird der Analyt, der gleichzeitig Kationen und Anionen enthält, mittels einer zweiten Pumpe durch ein geöffnetes Ventil zu einem oberen Reservoir und den oberen Ast des Injektionskanals in den Kreuzungsbereich des Injektionskanals mit dem Trennkanal eingebracht, so dass er den Kreuzungsbereich des Injektionskanals mit dem Trennkanal füllt, sowie darüber hinaus durch den unteren Ast des Injektionskanals, das untere Reservoir und ein geöffnetes Ventil. Die Förderung erfolgt vorzugsweise durch hydrodynamische oder elektrokinetische Injektion.In the subsequent process step b), the analyte, which simultaneously contains cations and anions, introduced by means of a second pump through an open valve to an upper reservoir and the upper branch of the injection channel in the crossing region of the injection channel with the separation channel, so that he Fills intersection of the injection channel with the separation channel, as well as through the lower branch of the injection channel, the lower reservoir and an open valve. The promotion is preferably carried out by hydrodynamic or electrokinetic injection.
Dann werden gemäß Verfahrensschritt c) alle Ventile geschlossen und eine elektrische Spannung an die beiden Trennelektroden angelegt. Hierdurch bildet sich zwischen den beiden Trennelektroden ein elektrisches Feld aus. In diesem Feld bewegen sich die Kationen und Anionen des Analyten aufgrund ihrer Ladung aus dem Injektionsvolumen in die gegenüberliegenden Teile des Trennkanals. In den beiden Teilen des Trennkanals findet eine räumliche Auftrennung der unterschiedlichen Ionen entsprechend ihrer elektrophoretischen Mobilität statt.Then, according to method step c), all valves are closed and an electric voltage is applied to the two separation electrodes. As a result, an electric field is formed between the two separation electrodes. In this field, the cations and anions of the analyte move into the opposite parts of the separation channel due to their charge from the injection volume. In the two parts of the separation channel there is a spatial separation of the different ions according to their electrophoretic mobility.
An den beiden Zweigen der Trennkapillare, vorzugsweise in der Nähe ihrer Enden, ist jeweils eine Messzelle zum Nachweis der Ionen angebracht. Gemäß Verfahrensschritt d) werden somit die Kationen mittels einer ersten Messzelle, die entlang des Trennkanals in Richtung der ersten Trennelektrode angeordnet ist, und die Anionen mittels einer zweiten Messzelle, die entlang des Trennkanals in Richtung der zweiten Trennelektrode angeordnet ist, nachgewiesen.At the two branches of the separation capillary, preferably in the vicinity of their ends, in each case a measuring cell for detecting the ions is attached. Thus, according to method step d), the cations are detected by means of a first measuring cell, which is arranged along the separating channel in the direction of the first separating electrode, and the anions are arranged by means of a second measuring cell, which is arranged along the separating channel in the direction of the second separating electrode.
Der Nachweis der Kationen und Anionen kann durch unterschiedliche Verfahren erfolgen. Bevorzugt wird das Verfahren der kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung (contactless conductivity detection, CCD). Eine Messung mittels weiterer elektrochemischer sowie optischer Verfahren ist ebenfalls möglich.The detection of cations and anions can be done by different methods. The method of contactless conductivity detection (CCD) is preferred. A measurement by means of further electrochemical and optical methods is also possible.
Die kontaktlose Leitfähigkeitsmessung wird zum Nachweis der Ionen besonders bevorzugt, da negative Effekte wie Elektrodenkorrosion, Biofouling und Elektrolysereaktionen, die bei der direkten Leitfähigkeitsmessung auftreten können, vermieden werden. Im Vergleich zu indirekten optischen Verfahren kann auf die Beimischung optisch aktiver Substanzen in den Leitelektrolyt verzichtet werden. Auch eine Markierung der zu analysierenden Ionen mit entsprechenden Markern, wie bei der Fluoreszenzmessung, entfällt, da mit der Leitfähigkeit eine Eigenschaft der Ionen selbst gemessen wird, die auch Grundlage des Verfahrens der elektrophoretischen Trennung ist. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Verfahren durch geringe Kosten für die Messtechnik im Vergleich zu optischen Verfahren aus, die beim Einsatz von zwei Messzellen auf einem Chip zusätzlich Bedeutung erlangen. The contactless conductivity measurement is particularly preferred for the detection of ions, since negative effects such as electrode corrosion, biofouling and electrolysis reactions, which can occur in the direct conductivity measurement, are avoided. Compared to indirect optical methods, the incorporation of optically active substances into the conducting electrolyte can be dispensed with. A marking of the ions to be analyzed with corresponding markers, as in the fluorescence measurement, is eliminated because the conductivity of a property of the ions is measured itself, which is also the basis of the method of electrophoretic separation. In addition, this method is characterized by low costs for the measuring technique compared to optical methods, which gain additional importance when using two measuring cells on a chip.
Der wesentliche Unterschied zwischen dem vorliegenden Verfahren zur bidirektionalen Kapillarelektrophorese und dem Verfahren nach Prest et al. zur Isotachophorese liegt in der Art der Befüllung der Trennkapillaren mit Elektrolyt und deren Spülung nach erfolgter Trennung. Erfindungsgemäß wird der Elektrolyt, wofür hier nur eine Lösung für die Trennung benötigt wird, aus dem Kreuzungsbereich des Trennkanals mit dem Injektionskanal in Richtung der beiden Trennelektroden durch den Trennkanal gefördert. Auf diesem Wege wird sichergestellt, dass entstehende Elektrolysegase nicht in den Trennkanal eingetragen werden. Weiterhin werden die Abfallprodukte der Trennung nicht erneut entgegen der Trennrichtung durch den Trennkanal abgeführt, sondern in Trennrichtung aus dem Trennkanal über die Trennelektroden hinaus in zwei getrennte Abfallreservoirs gefördert. Dadurch lässt sich die zur Spülung und Befüllung der Trennkapillare erforderliche Menge an Elektrolyt verringern. Die Befüllung der beiden Seiten des Trennkanals erfolgt simultan in beide Richtungen oder nacheinander.The main difference between the present bidirectional capillary electrophoresis method and the method of Prest et al. Isotachophoresis lies in the type of filling of the separation capillaries with electrolyte and their rinsing after separation. According to the invention, the electrolyte, for which only one solution for the separation is required here, is conveyed from the crossing region of the separation channel with the injection channel in the direction of the two separation electrodes through the separation channel. This ensures that the resulting electrolysis gases are not introduced into the separation channel. Furthermore, the waste products of the separation are not discharged again counter to the separation direction by the separation channel, but promoted in the separation direction from the separation channel on the separation electrodes out into two separate waste reservoirs. As a result, the amount of electrolyte required for flushing and filling the separation capillary can be reduced. The filling of the two sides of the separation channel takes place simultaneously in both directions or in succession.
Die vorliegende Erfindung bietet somit die Möglichkeit, Kationen und Anionen gleichzeitig zu trennen und nachzuweisen. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren wird hierbei auf die Zugabe von EOF-Modifizierern und Komplexbildnern verzichtet. Im Vergleich zur ITP ist eine Trennung mit einem einfachen, kontinuierlichen, Elektrolytsystem möglich, das einen einfachen Aufbau eines zugehörigen Messsystems ermöglicht. Durch Integration auf einem mikrofluidischen CE-Chip wird der Aufbau stark vereinfacht.The present invention thus offers the possibility of simultaneously separating and detecting cations and anions. In contrast to known processes, the addition of EOF modifiers and complexing agents is dispensed with. Compared to ITP, separation is possible with a simple, continuous, electrolyte system that allows for easy setup of an associated measurement system. Integration on a microfluidic CE chip greatly simplifies the design.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert zwar wie die DOI-CE auf den unterschiedlichen Bewegungsrichtungen von Kationen und Anionen in einem elektrischen Feld. Im Gegensatz zur DOI-CE wird hier jedoch die Trennung aus einem zentralen, gemeinsamen Analytvolumen durchgeführt. Aus diesem Volumen bewegen sich hier Kationen und Anionen entsprechend dem Prinzip der Elektrophorese in einer gemeinsamen Trennkapillare in entgegengesetzter Richtung. An beiden Enden der Kapillare befindet sich jeweils eine Messzelle zum Nachweis der einzelnen Ionen, jeweils nach ihren elektrophoretischen Mobilitäten aufgetrennt.Although the method according to the invention, like the DOI-CE, is based on the different directions of movement of cations and anions in an electric field. In contrast to the DOI-CE, however, the separation from a central, common analyte volume is carried out here. From this volume, cations and anions move in opposite directions according to the principle of electrophoresis in a common separation capillary. At each end of the capillary is a measuring cell for detecting the individual ions, each separated according to their electrophoretic mobilities.
Das vorliegende Verfahren eröffnet weiterhin die Möglichkeit, für die Trennung vorzugsweise zwei unabhängige Spannungsquellen einzusetzen. Die Kombination mit zwei Spannungsquellen ermöglicht zum einen eine genaue Einstellung der Trennspannungen für Kationen einerseits und Anionen andererseits, zum anderen kann so erreicht werden, dass im Bereich des Injektionskreuzes ein Potential mit einer geringen Spannung, insbesondere im Bereich unterhalb von 10 Volt liegt. Der Chip kann daher einfach gegenüber der Probenahmestelle isoliert werden. So lassen sich ohne aufwändige Maßnahmen zur elektrischen Isolierung der Analytik die Zuleitung des Analyts und, im Falle einer Beprobung direkt aus einem Prozess, auch die fluidische Verbindung mit einem externen Probenreservoir auf Masse legen und damit ein Eintrag der Trennspannung in ein externes Reservoir bzw. einen Prozess verhindern. Darüber hinaus lässt sich so die Spannung für die Trennung der Kationen und Anionen separat anpassen.The present method also opens up the possibility of preferably using two independent voltage sources for the separation. The combination with two voltage sources allows for a precise adjustment of the separation voltages for cations on the one hand and anions on the other hand, on the other hand can be achieved so that in the region of the injection cross a potential with a low voltage, in particular in the range below 10 volts. The chip can therefore be easily isolated from the sampling point. Thus, without complex measures for electrical insulation of the analysis, the supply of the analyte and, in the case of sampling directly from a process, the fluidic connection with an external sample reservoir to ground and thus an entry of the separation voltage in an external reservoir or a Prevent process. In addition, the voltage for the separation of the cations and anions can be adjusted separately.
Weiterhin wird es durch das zentrale Probenvolumen möglich, den Analytverbrauch im Vergleich zur DOI-CE um 50% zu reduzieren und darüber hinaus eine Probennahmevorrichtung einzusparen, was den Aufbau deutlich vereinfacht. Der zusätzliche Aufwand durch eine zweite Messzelle ist bei Einsatz der kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung (CCD) durch die günstigen elektronischen Bauteile gering.Furthermore, the central sample volume makes it possible to reduce analyte consumption by 50% compared to DOI-CE and, moreover, to save a sampling device, which considerably simplifies the structure. The additional expense of a second measuring cell is low when using the contactless conductivity measurement (CCD) by the cheap electronic components.
Die einfache Chiparchitektur mit jeweils eigenen Kapillarabschnitten und Messzellen für die Messung von Kationen und Anionen ermöglicht den flexiblen Einsatz des Chips für unterschiedliche Trennaufgaben ohne aufwändige Umrüstung der Messzelle und Ermittlung einer geeigneten Injektionsverzögerung. Durch den Aufbau einer Messzelle aus Mikroventilen und Mikropumpen, die lösbar mit dem CE-Chip verbunden sind und der Fluidförderung sowohl zur Spülung, Konditionierung, Befüllung des Chips mit Elektrolytlösung als auch zur Injektion der Analytlösung dienen, kann eine automatisierte hydrodynamische Injektion realisiert werden. In Kombination mit einer geeigneten Peripherie zur Probennahme aus einem Prozess bietet die bidirektionale CE ein flexibles Messverfahren zur automatisierten Analyse kleinster Volumen in Labor- und Prozessanwendungen.The simple chip architecture, each with its own capillary sections and measuring cells for the measurement of cations and anions, enables the flexible use of the chip for different separation tasks without costly retrofitting of the measuring cell and determination of a suitable injection delay. By constructing a measuring cell of microvalves and micropumps, which are detachably connected to the CE chip and serve the fluid delivery both for rinsing, conditioning, filling the chip with electrolyte solution and for injecting the analyte solution, an automated hydrodynamic injection can be realized. Combined with a single process sampling peripheral, Bidirectional CE offers a flexible measurement method for the automated analysis of very small volumes in laboratory and process applications.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 Schematische Darstellung der Spülung, Konditionierung bzw. Befüllung des Trennkanals mit Elektrolytlösung gemäß Verfahrensschritt a) -
2 Schematische Darstellung der Injektion des Analyts in das Injektionskreuz des CE-Chips gemäß Verfahrensschritt b) -
3 Schematische Darstellung der elektrokinetischen Injektion des Analyts in das Injektionskreuz des CE-Chips gemäß Verfahrensschritt b) -
4 Schematische Darstellung der Trennung und des Nachweises der Anionen und Kationen im Analyten gemäß den Verfahrensschritten c) und d) -
5 Schematische Darstellung der hydrodynamischen Spülung, Konditionierung bzw. Befüllung des Trennkanals mit Elektrolytlösung gemäß Verfahrensschritt a), wobei ein fluidisches System aus Pumpen und Ventilen zur Förderung und Steuerung der Analytlösung zum Einsatz kommt. -
6 Schematische Darstellung der hydrodynamischen Injektion des Analyts in das Injektionskreuz des CE-Chips gemäß Verfahrensschritt b), wobei ein fluidisches System aus Pumpen und Ventilen zur Förderung und Steuerung der Analytlösung zum Einsatz kommt. -
7 Schematische Darstellung der Trennung und des Nachweises der Anionen und Kationen des Analyten gemäß den Verfahrensschritten c) und d), wobei ein fluidisches System aus Pumpen und Ventilen eingesetzt wird, um die fluidischen Verbindungen des CE-Chips gegenüber der Umgebung zu schließen. -
8 Elektropherogramm von gleichzeitig getrennten Anionen und Kationen, wobeidie Trennung entsprechend 1 bis4 in einem zur Umgebung offenen CE-Chip erfolgt. -
9 Elektropherogramm von gleichzeitig getrennten Anionen und Kationen, wobei die Trennung entsprechend5 bis7 in einem zur Umgebung durch ein fluidisches System abgeschlossenen CE-Chip erfolgt.
-
1 Schematic representation of the rinsing, conditioning or filling of the separation channel with electrolyte solution according to method step a) -
2 Schematic representation of the injection of the analyte into the injection cross of the CE chip according to method step b) -
3 Schematic representation of the electrokinetic injection of the analyte into the injection cross of the CE chip according to method step b) -
4 Schematic representation of the separation and detection of the anions and cations in the analyte according to process steps c) and d) -
5 Schematic representation of the hydrodynamic purging, conditioning or filling of the separation channel with electrolyte solution according to method step a), wherein a fluidic system of pumps and valves for the promotion and control of the analyte solution is used. -
6 Schematic representation of the hydrodynamic injection of the analyte in the injection cross of the CE chip according to process step b), wherein a fluidic system of pumps and valves for the promotion and control of the analyte solution is used. -
7 Schematic representation of the separation and detection of the anions and cations of the analyte according to the process steps c) and d), wherein a fluidic system of pumps and valves is used to close the fluidic connections of the CE chip to the environment. -
8th Electropherogram of simultaneously separated anions and cations, the separation corresponding1 to4 takes place in a CE chip open to the environment. -
9 Electropherogram of simultaneously separated anions and cations, the separation corresponding5 to7 in a sealed to the environment by a fluidic system CE chip.
In
Die Förderung des Elektrolyten erfolgt durch hydrodynamische Injektion aus dem oberen Reservoir
Ist der Trennkanal mit Elektrolyt gefüllt, so wird, wie in
In einer alternativen Verfahrensweise wird, wie in
Anschließend wird, wie
Der Nachweis der Kationen gemäß Verfahrensschritt d) erfolgt, wie ebenfalls in
Ist der Trennkanal ausreichend mit Elektrolyt gefüllt, so werden, wie in
Anschließend werden, wie in
Der Nachweis der Kationen gemäß Verfahrensschritt d) erfolgt, wie ebenfalls in
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Träger (CE-Chip)Carrier (CE chip)
- 1111
- Trennkanal, linker AstSeparating channel, left branch
- 1212
- Trennkanal, rechter AstSeparating channel, right branch
- 22
- Kreuzungsbereichcrossing area
- 2121
- Injektionskanal, oberer AstInjection channel, upper branch
- 2222
- Injektionskanal, unterer AstInjection channel, lower branch
- 2323
- Elektrode im oberen ReservoirElectrode in the upper reservoir
- 2424
- Elektrode im unteren ReservoirElectrode in the lower reservoir
- 2525
- oberes Reservoirupper reservoir
- 2626
- unteres Reservoirlower reservoir
- 2727
- Ventil zum oberen ReservoirValve to the upper reservoir
- 2828
- Ventil zum unteren Reservoir für ElektrolytValve to the lower reservoir for electrolyte
- 281281
-
erste Pumpe zum Steuern des Durchflusses durch Ventil 28first pump for controlling the flow through
valve 28 - 2929
- Ventil zum unteren Reservoir für AnalytValve to the lower reservoir for analyte
- 291291
-
zweite Pumpe zum Steuern des Durchflusses durch Ventil 29second pump for controlling the flow through
valve 29 - 3131
- erste (Trenn-)Elektrode am Trennkanal, linker Astfirst (separation) electrode on the separation channel, left branch
- 3232
- zweite (Trenn-)Elektrode am Trennkanal, rechter Astsecond (separation) electrode on the separation channel, right branch
- 3333
- erste Messzelle am Trennkanal, linker Astfirst measuring cell at the separation channel, left branch
- 3434
- zweite Messzelle am Trennkanal, rechter Astsecond measuring cell at the separation channel, right branch
- 3535
- erstes Reservoir für Abfall am Trennkanal, linker Astfirst reservoir for waste at the separation channel, left branch
- 3636
- zweites Reservoir für Abfall am Trennkanal, rechter Astsecond reservoir for waste at the separation channel, right branch
- 3737
- Ventil zum Reservoir für Abfall am Trennkanal, linker AstValve to the reservoir for waste at the separation channel, left branch
- 3838
- Ventil zum Reservoir für Abfall am Trennkanal, rechter AstValve to the reservoir for waste at the separation channel, right branch
Claims (4)
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Publications (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102008038114A1 (en) | 2010-03-04 |
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