DE102023114407A1

DE102023114407A1 - Verfahren zur Herstellung einer und Vorrichtung zur Durchführung chromatographischer Untersuchungen an Fluiden

Info

Publication number: DE102023114407A1
Application number: DE102023114407.3A
Authority: DE
Inventors: Olaf Hild; Olaf Andersen; Cris KOSTMANN
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2023-06-01
Filing date: 2023-06-01
Publication date: 2024-12-05

Abstract

Bei dem Verfahren Werden an einer planaren ebenen Oberfläche eines Trägers mehrere kanalförmige Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) so ausgebildet, dass sie jeweils über mindestens 80 %_ihrer chromatographisch nutzbaren Länge eine konstante Dimensionierung aufweisen, an ihren Enden eine Öffnung (3.1, 3.2, 3.3, 4.1, 4.2, 4.3) aufweisen und anschließend mit einem Pulver befüllt werden. Das Pulver weist eine Partikelgrößenverteilung auf, so dass Partikel im Pulver mit unterschiedlicher Größe ihrer äußeren Abmessungen im eingesetzten Pulver enthalten sind. Mindestens eine erste Vertiefung (2.1) wird ausgebildet, dass ein Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) kleiner als 10 % der Partikel, die mit ihrer größten äußeren Abmessung im Pulver enthalten sind und weitere kanalförmige Vertiefungen (2.2, 2.3, ....2.n) ausgebildet werden, bei denen ein größerer Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) eingehalten wird, als an der ersten kanalförmigen Vertiefung (2.1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Durchführung chromatographischer Untersuchungen an Fluiden sowie eine damit hergestellte Vorrichtung. Mit diesen Vorrichtungen können Untersuchungen an Flüssigkeiten oder Gasen durchgeführt werden.
Gas- und Flüssigkeitschromatographen sind Stand der Technik und Chromatographiesäulen mit unterschiedlichen Füllmaterialien für beide Gerätetypen sind als Verbrauchsmaterial im Laborfachhandel erhältlich.
Im Bereich der substrat- oder chipbasierten Säulen sind zahlreiche technische Lösungen bekannt. Größtes Potential neuer mikro-GC-Geräte liegt in der weiteren Miniaturisierung und anwendungsspezifischen Modifizierung der GC-Säulen sowie der anwenderfreundlichen Messdatenauswertung.
So ist es eine Aufgabe für solche Anwendungen chromatographische Untersuchungen mit sehr kleinen Vorrichtungen flexibel und gleichzeitig mit unterschiedlichen Bedingungen zu untersuchen. Dadurch kann die Bestimmungsgenauigkeit einer Fluidzusammensetzung erhöht oder es können unterschiedliche Untersuchungen mit einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden. Dabei besteht auch ein Bedarf an sehr klein ausgebildeten Vorrichtungen, die einfach und flexibel eingesetzt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 12 definiert eine so hergestellte Vorrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der Herstellung einer Vorrichtung wird erfindungsgemäß so vorgegangen, dass an einer planaren ebenen Oberfläche eines Trägers mehrere kanalförmige Vertiefungen so ausgebildet werden, dass sie jeweils über mindestens 70 %, bevorzugt über mindestens 80 %, besonders bevorzugt ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge vorzugsweise eine konstante Dimensionierung aufweisen und anschließend mit einem Pulver zur Ausbildung von Chromatographiesäulen von ihrer an der Oberfläche des Trägers offenen Seite befüllt werden. Die kanalförmigen Vertiefungen weisen an ihren Enden Öffnungen auf, so dass sie von einem Ende mit dem jeweiligen Fluid beaufschlagt werden können und das jeweilige Fluid durch die jeweilige Chromatographiesäule strömen kann. In den maximal 30 % der chromatographisch nutzbaren Länge der kanalförmigen Vertiefungen können Aufweitungen oder Verengungen ausgebildet sein.
Eine chromatographisch nutzbare Länge entspricht dabei dem mit dem Pulver befüllten Bereich der kanalförmigen Vertiefungen über deren Länge, der für chromatographische Untersuchungen genutzt werden kann. Die kanalförmigen Vertiefungen sollten dabei eine jeweils konstante Dimensionierung über mindestens 80 % ihrer Länge mit konstanter Tiefe, Breite sowie auch der Querschnittsfläche im Inneren der jeweiligen Vertiefung und insbesondere einen Abstand ihrer zwei gegenüberliegend angeordneten oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers, an der die Vertiefungen ausgebildet worden sind, aufweisen.
Das eingesetzte Pulver soll eine Partikelgrößenverteilung aufweisen, so dass Partikel im Pulver mit unterschiedlicher Größe ihrer äußeren Abmessungen im eingesetzten Pulver enthalten sind. Im Pulver sollten neben kleineren Partikeln, Partikel enthalten sein, deren maximale äußeren Abmessungen nicht größer sind als 25 µm.
Mindestens eine erste kanalförmige Vertiefung kann so ausgebildet werden, dass der Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers kleiner ist als 10 % der im Pulver enthaltenen Partikel, die mit ihrer größten äußeren Abmessung im Pulver enthalten sind. Bei weiteren kanalförmigen Vertiefungen, die zusätzlich zur ersten kanalförmigen Vertiefung ausgebildet werden, sollte dann ein größerer Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers über mindestens 80 % ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge eingehalten werden
Alle anderen im eingesetzten Pulver enthaltenen Partikel haben kleinere äußere Abmessungen als solche mit maximaler äußerer Längenabmessung. So kann erreicht werden, dass in der ersten kanalförmigen Vertiefung mit einem entsprechend kleinen Abstand seiner oberen Kanten keine Partikel mit größten äußeren Abmessungen enthalten sind. Wohingegen in anderen kanalförmigen Vertiefungen entweder ausschließlich Partikel mit größeren äußeren Abmessungen oder mit einem gewissen Anteil neben den größeren äußeren Abmessungen auch Partikel mit kleineren äußeren Abmessungen enthalten sind.
So können an einer Vorrichtung Chromatographiesäulen, die mit den befüllten kanalförmigen Vertiefungen gebildet sind, zur Verfügung gestellt werden, die wegen des unterschiedlichen Befüllung ein unterschiedliches Retentionsverhalten für ein jeweiliges Fluid bewirken können, da unterschiedliche Partikelgrößen auch zu unterschiedlich großen Hohlräumen zwischen den jeweiligen Partikeln führen und auch unterschiedlich große Oberflächen in Kontakt mit einem jeweiligen Fluid bei der Durchführung von Untersuchungen ausgenutzt werden können.
Es können mehrere kanalförmige Vertiefungen, die alle jeweils unterschiedliche Abstände ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers aufweisen, auf einem Träger realisiert werden. Damit kann erreicht werden, dass alle so erhaltenen Chromatographiesäulen unterschiedlich befüllt werden können und ein unterschiedliches Retentionsverhalten aufweisen.
Die Abstände der oberen Kanten der kanalförmigen Vertiefungen, die auf einem Träger angeordnet sind, sollten sich an der Oberfläche des Trägers um jeweils 5 %, bevorzugt 10 % über mindestens 80 % ihrer chromatographisch nutzbaren Länge unterscheiden.
Das eingesetzte Pulver sollte Partikel mit äußeren Abmessungen bei denen die größten Partikel mindestens 8-mal, bevorzugt mindestens 10-mal größer sind, als die kleinsten im Pulver enthaltenen Partikel, beispielsweise Partikelgrößen im Bereich 1 µm bis 10 µm oder im Bereich 10 nm bis 25 µm aufweisen. Dadurch kann gesichert werden, dass alle kanalförmigen Vertiefungen mit Pulver ausgefüllt werden können. Dementsprechend sollte mindestens eine der kanalförmigen Vertiefungen einen Abstand ihrer oberen Kanten aufweisen, der kleiner als 100 µm ist.
Die kanalförmigen Vertiefungen sollten sukzessive nacheinander, beginnend mit einer kanalförmigen Vertiefung mit dem kleinsten Abstand ihrer oberen Kanten nacheinander mit Pulver befüllt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass bei nebeneinander ausgebildeten kanalförmigen Vertiefungen Pulver auf die Oberfläche des Trägers an der Seite aufgegeben werden kann, an der die erste kanalförmige Vertiefung mit dem kleinsten Abstand ihrer oberen Kanten angeordnet ist und sich der Abstand der oberen Kanten weiterer kanalförmiger Vertiefungen von dieser kanalförmigen Vertiefung ausgehend von Vertiefung zu Vertiefung sukzessive vergrößert. Dabei kann das Pulver ausgehend aus der Richtung der kanalförmigen Vertiefung mit dem kleinsten Abstand ihrer oberen Kanten in Richtung der kanalförmigen Vertiefungen mit den größer werdenden Abständen ihrer oberen Kanten verschoben werden. Hierfür kann man beispielsweise eine Rakel einsetzen. Dieser Vorgang kann mehrfach erfolgen und durch Schwingungsüberlagerung unterstützt werden. Mit einer Rakel kann man nach dem Befüllen aller kanalförmigen Vertiefungen auch überschüssiges Pulver von der Oberfläche des Trägers entfernen.
So können die kanalförmigen Vertiefungen mit Partikeln befüllt werden, deren äußere Abmessungen sukzessive von kanalförmiger Vertiefung zu kanalförmiger Vertiefung größer sind und somit unterschiedliche mittlere Partikelgrößen in den einzelnen kanalförmigen Vertiefungen enthalten sind. Bei dieser Vorgehensweise kann ein Pulver bzw. ein Pulvergemisch eingesetzt werden, das eine bestimmte Partikelgrößenverteilung aufweist, mit der eine sichere Befüllung aller kanalförmigen Vertiefungen auch mit unterschiedlichen Abständen ihrer oberen Kanten zueinander erreicht werden kann und man dies mit einmaligem Pulverauftrag und Verteilung auf der Oberfläche, an der die Öffnungen der kanalförmigen Vertiefungen angeordnet sind, erreichen kann.
Ein Pulvergemisch kann aus demselben Material (Werkstoff) bestehen, sich aber aus Pulvern unterschiedlicher Partikelgestalt und Partikelgröße zusammensetzen. Es kann aber auch aus Pulvern aus unterschiedlichem Material (Werkstoff) bestehen, die sich zusätzlich ebenfalls in Partikelgestalt und Partikelgröße unterscheiden können. So kann in einem Arbeitsgang über die Trennwirkung der unterschiedlichen Breiten der kanalförmigen Vertiefungen im Verhältnis zu den Partikelgrößen und -formen eine weitgehend sortenreine Füllung der kanalförmigen Vertiefungen realisiert werden. Je nach Ausprägung der Verhältnisse und des Befüllvorgangs kann dies mehr oder weniger trennscharf erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die kanalförmigen Vertiefungen mit einem Pulver, das mit mindestens zwei unterschiedlichen Partikelfraktionen gebildet ist, die sich in ihrer mittleren Partikelgrößenverteilung und/oder ihren jeweiligen chromatographisch wirkenden Eigenschaften voneinander unterscheiden, befüllt werden. Damit kann wiederum eine weitere unterschiedliche Beeinflussung des jeweiligen Fluids bei der Durchführung chromatographischer Untersuchungen erreicht werden, da auch dadurch das Retentionsverhalten in den einzelnen Chromatographiesäulen unterschiedlich ist. So können in eine kanalförmige Vertiefung kleinere Partikel oder überwiegend kleinere Partikel und in anderen kanalförmigen Vertiefungen größere Partikel mit entsprechend unterschiedlichen chromatographischen Eigenschaften eingefüllt werden, was bei der Untersuchung und Auswertung der Ergebnisse berücksichtigt werden kann. So können beispielsweise Partikel mit unterschiedlichem Adsorptionsverhalten und/oder unterschiedlicher Polarität im Pulver in unterschiedlichen Partikelgrößen oder Polaritäten enthalten sein, die dann entsprechend ihrer Größe der größten äußeren Abmessungen in einer kanalförmigen Vertiefung allein oder mit einem vorgebbaren Anteil abhängig von der jeweiligen Größe der äußeren Abmessung und dem jeweiligen Abstand der oberen Kanten der jeweiligen Vertiefung enthalten sein können.
Das Pulver kann vorteilhaft aus mindestens einem Vorratsbehälter mit vorgebbarer Menge auf eine Füll- und Verdichtungseinrichtung und/oder unmittelbar auf die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der kanalförmigen Vertiefungen angeordnet sind, aufgegeben und anschließend das Pulver mittels Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz und dazu überlagerten Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz in die kanalförmigen Vertiefungen gefördert und darin verdichtet werden, wobei die Schwingungen in den zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen in unterschiedlichen Achsrichtungen, insbesondere senkrecht zueinander eingekoppelt werden und anschließend daran überschüssiges Pulver entfernt wird, so dass die Oberflächen der Schüttungen des Pulvers in den kanalförmigen Vertiefungen mit der planaren ebenen Oberfläche des Trägers fluchten.
Mit dem Einfluss dieser unterschiedlichen Schwingungen kann ein sicheres Befüllen der eigentlich sehr schmalen kanalförmigen Vertiefungen auch mit einem Pulver, das Partikel mit sehr kleinen und etwas größeren äußeren Abmessungen gebildet ist, erreicht werden, ohne dass es zu Verstopfungen oder einer Agglomeration von Partikeln in kanalförmigen Vertiefungen kommt. So kann auch erreicht werden, dass innerhalb der kanalförmigen Vertiefungen eine homogene Befüllung mit annähernd gleichen Partikeln, insbesondere einer gleichmäßigen Partikelgrößenverteilung des eingefüllten Pulvers erreicht werden kann.
Besonders günstig sollten Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz mit Amplituden im Bereich 0,5 mm bis 2 mm und Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz mit Amplituden im Bereich 1 µm bis 4 µm eingekoppelt werden.
Bei genutzten Schwingungen im Bereich von 20 kHz bis 60 kHz sollte bei primär sphärischen Partikeln im gleichen Frequenzspektrum nur eine geringe Amplitude von 0,05 µm bis 1 µm gewählt werden.
Das Pulver kann auf die Oberfläche des Trägers, an der die Öffnungen der kanalförmigen Vertiefungen angeordnet sind, bevorzugt im Bereich neben der ersten kanalförmigen Vertiefung mit dem kleinsten Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers aufgegeben werden. Die Oberfläche des Trägers sollte in einem Winkel ausgerichtet sein, mit dem ein Gefälle zur Unterstützung der Bewegung der Partikel in Richtung der Öffnungen der kanalförmigen Vertiefungen erreicht werden kann. Dazu kann ein Winkel > 1° in Bezug zur Horizontalen ausreichend sein.
Pulver sollte im Überschuss zugegeben werden, so dass gesichert ist, dass alle kanalförmigen Vertiefungen über ihre gesamte chromatographisch nutzbare Länge vollständig befüllt werden können.
Die befüllten kanalförmigen Vertiefungen können mit einem Deckelelement fluiddicht an ihrer oberen offen Seite verschlossen werden, bevor die chromatographischen Untersuchungen durchgeführt werden. Ein Deckelelement kann dazu aufgeklebt, aufgelötet, verschweißt oder ein mit mindestens einer Dichtung versehenes Deckelelement kann druckkraftbeaufschlagt, beispielsweise mit Klemmelementen oder einer Verschraubung am Träger befestigt werden.
Am Träger können im Bereich kanalförmiger Vertiefungen Temperierelemente ausgebildet oder angeordnet werden, mit denen Einfluss auf die jeweiligen chromatographischen Untersuchungen genommen werden kann. Es kann sich dabei beispielsweise um Heizelemente, wie z.B. aufgedruckte elektrische Heizleiter aber auch um Kühlelemente, wie Wärmetauscher handeln. Eine richtige Temperierung, bei der eine Erwärmung und auch eine Kühlung vorgenommen werden kann, kann auch mit Peltierelementen erreicht werden.
An den kanalförmigen Vertiefungen können an vorgegebenen Positionen Detektoren angeordnet oder ausgebildet werden. Diese können beispielsweise optische Detektoren oder Sensoren zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines chemischen Elements oder chemischen Verbindung sein.
Bei einer erfindungsgemäß hergestellten Vorrichtung sind an einem Träger kanalförmige Vertiefungen, die jeweils über mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 80 %, besonders bevorzugt über ihre gesamte chromatographisch nutzbare Länge typisch eine konstante Dimensionierung aufweisen, ausgebildet und mit Partikeln eines Pulvers ausgefüllt. Für spezielle Anwendungen können lokale Erweiterungen oder Verengungen der kanalförmigen Vertiefungen vorhanden sein, um an diesen Positionen eine spezielle Füllung durchzuführen. Mindestens eine erste kanalförmige Vertiefung weist einen kleineren Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers auf, als mindestens eine weitere der kanalförmigen Vertiefungen und diese kanalförmige Vertiefung ist mit Partikeln befüllt, deren äußere Abmessungen kleiner als Partikel, die in den weiteren kanalförmigen Vertiefungen und/oder Pulver, die sich ihren jeweiligen chromatographisch wirkenden Eigenschaften voneinander unterscheiden enthalten sind.
Alle kanalförmigen Vertiefungen an einem Träger können jeweils unterschiedliche Abstände ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers über mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 80 %, besonders bevorzugt über ihre gesamte chromatographisch nutzbare Länge aufweisen und können jeweils mit Partikeln unterschiedlicher Partikelgrößen befüllt sein.
In kanalförmigen Vertiefungen können jeweils unterschiedliche Partikel der mindestens zwei unterschiedlichen Partikelfraktionen enthalten sein. Dies kann in Abhängigkeit des jeweiligen Abstandes der oberen Kanten einer kanalförmigen Vertiefung und den jeweiligen Partikelgrößenverteilungen der einzelnen Partikelfraktionen mit denen das Pulver gebildet ist und mit dem eine Befüllung durchgeführt wird, erreicht werden. Selbstverständlich spielt dabei auch der jeweilige Anteil der Partikelfraktionen im eingesetzten Pulver eine Rolle, was insbesondere auch auf deren Gesamtvolumenanteile im Pulver zutrifft.
Die kanalförmigen Vertiefungen an der Oberfläche des Trägers können beispielsweise mit einem Ätzverfahren, wie es bei der Herstellung von MEMS üblich ist, aber auch mit einem Energiestrahl, wie z.B. einem Elektronen- oder Laserstrahl ausgebildet werden.
Als Substrat für einen Träger kann z.B. in Silizium, eine Keramik oder ein Glas eingesetzt werden. Als Säulenfüllmaterial kann z.B. pulverförmiges Polysiloxan, Divinylbenzene-ethylene glycol-dimethacrylate; Phenylmethyldimethylsilicone; Polyethylene glycol; Trifluoropropylmethylpolysilicone; poröse Partikel wie Zeolithe, MCM-41, MOFs (Metal-Organic-Frameworks) und/oder Fused Silica (Quarzglas) eingesetzt werden.
Zum Verschließen der an der Oberfläche des Trägers offenen kanalförmigen Vertiefungen kann ein Deckelelement bzw. Abdeckung genutzt werden, Das/die permanent, z.B. geklebt oder gebondet oder z.B. über eine Dichtung zur oberen Abdichtung der Säule über eine Klemmvorrichtung temporär angebracht sein kann.
Die kanalförmigen Vertiefungen können nebeneinander geradlinig, mäanderförmig oder auch spiralförmig ausgebildet werden.
Das wesentliche erfinderische Ziel ist die homogene Füllung von n Mikrokanälen mit n unterschiedlichen Füllmaterialien, die Chromatographiesäulen bilden, auf einem Träger, wobei das Füllmaterial mit dem oben bereits beschriebenen Pulver ausgebildet wird. Die Chromatographiesäulenfüllung kann für jede Chromatographiesäule individuell erfolgen, indem die Säulendimensionen und die Partikelgrößen des jeweiligen das Füllmaterial bildenden Pulvers aufeinander abgestimmt sind und die PowderMEMS-Technologie mit den zwei o.g. unterschiedlichen Schwingungen angewendet wird.
In Abhängigkeit der jeweiligen Chromatographiesäulendimension und Partikelgröße des Säulenfüllmaterials können aber auch zunächst die am größten dimensionierten Säulen mit den größten Abstände ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers gefüllt werden. Die kleineren Säulen mit den kleineren Abständen ihrer oberen Kanten bleiben aufgrund der gewählten Partikelgrößen zunächst frei, in n Schritten können so n Säulen unterschiedlich mit Füllmaterial gefüllt werden. Wird eine solche Ausbildung kanalförmiger Vertiefungen gewählt, ist es vorteilhaft Pulver mit unterschiedlichen Partikelgrößenverteilungen nacheinander auf die Oberfläche aufzubringen an der die Öffnungen der kanalförmigen Vertiefungen angeordnet sind und bei einem ersten Auftrag ein Pulver mit einer Partikelgrößenverteilung einzusetzen, bei der die jeweiligen Partikel zumindest im Mittel größer sind, als bei einem oder mehreren Pulver(n), die nachfolgend aufgebracht und in eine oder mehrere Öffnung(en) kanalförmiger Vertiefungen eingebracht werden, deren Abstand der oberen Kanten an der jeweiligen Oberfläche kleiner als eine erste zu befüllende mit dem Pulver mit der zumindest im Mittel größeren Partikelgrößenverteilung kanalförmige Vertiefung ist. So kann gesichert werden, dass alle kanalförmige Vertiefungen mit Partikeln unterschiedlicher Partikelgrößenfraktionen befüllt werden können.
Die Größenverhältnisse von Chromatographiesäulen in den kanalförmigen Vertiefungen und Partikeln des Pulvers (stationäre Phasen) bestimmen, ob ein Partikel des Pulvers als Füllmaterial in eine kanalförmige Vertiefung hinein fallen kann oder nicht. Um dies zuverlässig zu verhindern, sollten die Partikel (üblicherweise weisen die verwendeten Pulver eine Partikelgrößenverteilung auf und weichen von der idealen Kugelgestalt ab) mit der kleinsten Längenabmessung (Fachbegriff: minimaler Feret-Durchmesser) mindestens 20 % größer sein als eine jeweils nicht damit zu füllende kanalförmige Vertiefung wegen ihres Abstandes der oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers breit ist.
Beim Füllen einer nächstkleineren kanalförmigen Vertiefung kann bei Pulvern eines jeweiligen Füllmaterials mit einer größeren Partikelgrößenverteilung eine geringe Menge der neuen Partikel aufgrund ihren nun geringeren äußeren Abmessungen in die zuvor gefüllte kanalförmige Vertiefung eindringen (bzw. bei n > 2 in alle zuvor gefüllten Kanäle). Eine absolute Reinheit der Füllungen der einzelnen Kanäle wäre nur bei Verwendung sehr eng klassierter Pulver mit sehr kleiner Partikelgrößenverteilung möglich. Diese müssten so aufeinander abgestimmt sein, dass die nächstkleinere Partikelgrößenfraktion von ihren äußeren Abmessungen (Durchmesser) her größer ist als das größte Lückenvolumen der vorhergehenden Pulverfüllungen zwischen nebeneinander in einer kanalförmigen Vertiefung bereits vorhandenen Partikeln. Dies ist von der Partikelgestalt und der Packungsanordnung bestimmt. Im Idealfall einer kubisch raumzentrierten Packung mit ideal sphärischen Partikeln beträgt der Durchmesser des Lückenvolumens beispielsweise das 0,414-fache des jeweiligen Partikeldurchmessers. Bei der dichtesten Kugelpackung ist es nur das 0,155-fache des jeweiligen Partikeldurchmessers. Für Pulver mit breiteren Partikelgrößenverteilungen ist eine sortenreine Trennung der Füllungen dagegen kaum möglich. Sie ist aber für die Funktionalität bei der Erfindung auch nicht in jedem Fall erforderlich.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 ein Beispiel eines Trägers für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Bild wurde am 05.04.2023 zur Verfügung gestellt

Bei dem gezeigten Beispiel wurde ein Träger 1 aus einem Wafer, der aus Silicium besteht, herausgeschnitten. An einer ebenen planaren Oberfläche wurden bei diesem Beispiel drei kanalförmige Vertiefungen 2.1, 2.2 und 2.3 durch ein Ätzverfahren so ausgebildet, dass die kanalförmigen Vertiefungen 2.1, 2.2 und 2.3 jeweils über die gesamte später chromatographisch nutzbare Länge mit kontanten Abmessungen dimensioniert sind. An den Enden sind jeweils Öffnungen 3.1, 3.2 und 3.3 und 4.1, 4.2 und 4.3 vorhanden, wobei den kanalförmigen Vertiefungen 2.1, 2.2 und 2.3 über jeweils eine der Öffnungen 3.1, 3.2 und 3.3 ein jeweiliges Fluid zugeführt werden kann, um damit chromatographische Untersuchungen durchführen zu können.
Dabei ist die erste kanalförmige Vertiefung 2.1 so ausgebildet worden, dass über die chromatographisch nutzbare Länge der Abstand seiner oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers 1 bei 1 µm bis 50 µm liegt. Die unmittelbar daneben ausgebildete kanalförmige Vertiefung 2.2 weist einen entsprechenden Abstand der oberen Kanten von 100 µm und der Abstand an der dritten kanalförmigen Vertiefung 2.3 liegt bei 200 µm.
In nicht gezeigter Form werden die kanalförmigen Vertiefungen 2.1, 2.3 und 2.3 mit einem polysiloxanhaltigen Pulver, dessen Partikelgrößenverteilung im Bereich 50 nm bis 300 µm liegt, ausgefüllt. Dabei wird so vorgegangen, dass das Pulver auf die Oberfläche des Trägers 1 an der die kanalförmigen Vertiefungen 2.1, 2.2 und 2.3 ausgebildet worden sind aufgegeben und verteilt wird. Zum Befüllen wird der Träger 1, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung beschrieben, mit Schwingungen beaufschlagt, so dass die kanalförmigen Vertiefungen 2.2, 2.2 und 2.3 in Abhängigkeit der Abstände ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers 1 unterschiedlich befüllt werden, was die in den einzelnen kanalförmigen Vertiefungen 2.1, 2.2 und 2.3 enthaltenen unterschiedlichen Partikelgrößen betrifft. So sind in der ersten kanalförmigen Vertiefung 2.1 nur Partikel mit kleinen äußeren Abmessungen und in den kanalförmigen Vertiefungen 2.2 und 2.3 auch Partikel mit größeren äußeren Abmessungen enthalten, wobei sich die Partikelgrößenzusammensetzung in der kanalförmigen Vertiefung 2.2 auch von der Partikelgrößenzusammensetzung in der kanalförmigen Vertiefung 2.3 unterscheidet. Alle drei so ausgebildeten Chromatographiesäulen weisen daher ein unterschiedliches Retentionsverhalten für das jeweilige zu untersuchende Fluid auf.
Die Partikelgrößen können durch Laserbeugung bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Durchführung chromatographischer Untersuchungen an Fluiden, bei dem an einer planaren ebenen Oberfläche eines Trägers mehrere kanalförmige Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) so ausgebildet werden, dass sie jeweils über mindestens 80 %, besonders bevorzugt_ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge eine konstante Dimensionierung aufweisen, an ihren Enden eine Öffnung (3.1, 3.2, 3.3, 4.1, 4.2, 4.3) aufweisen und anschließend mit einem Pulver zur Ausbildung von Chromatographiesäulen von ihrer an der Oberfläche des Trägers (1) offenen Seite befüllt werden, wobei das eingesetzte Pulver eine Partikelgrößenverteilung aufweist, bei der Partikel mit äußeren Abmessungen von maximal 100 µm im Pulver enthalten sind, so dass Partikel im Pulver mit unterschiedlicher Größe ihrer äußeren Abmessungen im eingesetzten Pulver enthalten sind und mindestens eine erste kanalförmige Vertiefung (2.1) so ausgebildet wird, bei der ein Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) kleiner als 10 % der Partikel, die mit ihrer größten äußeren Abmessung im Pulver enthalten sind, über die mindestens_80 % ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge erhalten wird und weitere kanalförmige Vertiefungen (2.2, 2.3, ....2.n) ausgebildet werden, bei denen ein größerer Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1), über mindestens 80 % ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge eingehalten wird, als an der ersten kanalförmigen Vertiefung (2.1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmige Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) mit jeweils unterschiedlichen Abständen ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) über mindestens 80 % ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kanalförmige Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) ausgebildet werden, deren Abstand der oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) sich um jeweils 5 %, bevorzugt 10 % entlang ihrer mindestens 80 % ihrer chromatographisch nutzbaren Länge unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) nacheinander beginnend mit der ersten kanalförmigen Vertiefung (2.3) mit dem kleinsten Abstand ihrer oberen Kanten sukzessive nacheinander mit Pulver befüllt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) mit einem Pulver, das mit mindestens zwei unterschiedlichen Partikelfraktionen gebildet ist, die sich in ihrer mittleren Partikelgrößenverteilung und/oder ihren jeweiligen chromatographisch wirkenden Eigenschaften voneinander unterscheiden, befüllt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver aus einem Vorratsbehälter mit vorgebbarer Menge auf eine Füll- und Verdichtungseinrichtung und/oder unmittelbar auf die Oberfläche des Trägers (1), an der die Öffnungen der kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) angeordnet sind, aufgegeben und anschließend das Pulver mittels Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz und dazu überlagerten Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz in die kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) gefördert und darin verdichtet wird, wobei die Schwingungen in den zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen in unterschiedlichen Achsrichtungen, insbesondere senkrecht zueinander eingekoppelt werden und anschließend daran überschüssiges Pulvermaterial entfernt wird, so dass die Oberflächen der Schüttungen des Pulvers in den kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) mit der planaren Oberfläche des Trägers fluchten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen im Frequenzbereich 25 Hz bis 150 Hz mit Amplituden im Bereich 0,5 mm bis 2 mm und Schwingungen im Frequenzbereich 10 kHz bis 100 kHz mit Amplituden im Bereich 1 µm bis 4 µm eingekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die befüllten kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) mit einem Deckelelement fluiddicht an ihrer oberen offen Seite verschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das am Träger (1) im Bereich kanalförmiger Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) Temperierelemente ausgebildet oder angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass an den kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) an vorgegebenen Positionen Detektoren angeordnet oder ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) mit einem Ätzverfahren oder einem Energiestrahl ausgebildet werden.
Vorrichtung hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Träger (1) kanalförmige Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n), die jeweils über mindestens 80% , besonders bevorzugt ihrer gesamten chromatographisch nutzbaren Länge eine konstante Dimensionierung aufweisen, ausgebildet und mit Partikeln eines Pulvers ausgefüllt sind, wobei mindestens eine erste kanalförmige Vertiefung (2.1) einen kleineren Abstand ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) aufweist, als mindestens eine weitere der kanalförmigen Vertiefungen (2.2, 2.3, ....2.n) und diese kanalförmige Vertiefung (2.1) mit Partikeln befüllt ist, deren äußere Abmessungen kleiner als Partikel, die in den weiteren kanalförmigen Vertiefungen (2.2, 2.3, ....2.n) und/oder Pulver, die sich ihren jeweiligen chromatographisch wirkenden Eigenschaften voneinander unterscheiden enthalten sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, alle kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) jeweils unterschiedliche Abstände ihrer oberen Kanten an der Oberfläche des Trägers (1) aufweisen und jeweils mit Partikeln unterschiedlicher Partikelgrößen befüllt sind.
Vorrichtung nach den zwei vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in kanalförmigen Vertiefungen (2.1, 2.2, 2.3, ....2.n) jeweils unterschiedliche Partikel der mindestens zwei unterschiedlichen Partikelfraktionen enthalten sind.