DE10260310B3

DE10260310B3 - Mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung eines Fluids

Info

Publication number: DE10260310B3
Application number: DE2002160310
Authority: DE
Inventors: Markus Pfister; Steve Reichel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
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

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

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.

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.

Bisher wurden die Reservoirs diskontinuierlich mit den zu behandelnden Fluiden gefüllt, so wie dies im Laborbetrieb üblich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mikrostrukturierte Anordnung der eingangs angegebenen Art für eine kontinuierliche Fluidzufuhr zu ertüchtigen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Anordnung gelöst, von der vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Reservoir kontinuierlich von dem Fluid durchströmt, welches dazu beispielsweise kontinuierlich aus einem industriellen oder sonstigen Prozess entnommen und druckgetrieben durch das Reservoir gefördert wird. Die Verweildauer des Fluids von dem Zeitpunkt seiner Entnahme aus dem Prozess bis zu dem Zeitpunkt, an dem ein Teil von ihm zur weiteren Bearbeitung elektrokinetisch aus dem Reservoir abgezweigt und in den Kanal gefördert wird, ist daher bei entsprechend hohem Volumenstrom des durch das Reservoir strömenden Fluids sehr kurz und von dem Zeitpunkt oder den Zeitpunkten der Abzweigung unabhängig. Da die Abzweigung eines Teils des Fluids aus dem Reservoir in den Kanal in Strömungsrichtung gesehen vor der in dem Reservoir angeordneten Elektrode erfolgt, können durch Elektrolyse an der Elektrode entstehende Glasblasen nicht in den Kanal gelangen und diesen oder ein nachfolgendes Reaktions- oder Analysesystem blockieren.

Vorzugsweise zweigt der Kanal von der Elektrode aus gesehen unter einem Winkel ≥ 90° von dem Reservoir ab, so dass das Fluid, welches das Reservoir durchströmt, nicht in den Kanal gedrückt wird.

Da für die Behandlung des Fluids jedes Mal nur ein Teil davon aus dem Reservoir in den Kanal abgezweigt wird, ist der Strömungsquerschnitt des Reservoirs größer als der des Kanals. Dabei ist das Reservoir vorzugsweise ebenfalls als Kanal ausgebildet, durch den das Fluid druckgetrieben strömt.

Bevorzugt ist die Elektrode derart angeordnet, dass sie in den Strömungsweg des Fluids durch das Reservoir hineinragt und von dem Fluid umströmt wird. Das ermöglicht es, die 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.

Der Kanal und das Reservoir können in unterschiedlicher Weise als mikrofluidische Strukturen ausgebildet sein, wobei sie vorzugsweise in Form von grabenförmigen Vertiefungen auf einer Seite einer Platte ausgebildet und durch eine darauf aufliegende Deckelplatte abgedeckt sind.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen mikrostrukturierten Anordnung zur Analyse eines Fluids und die
2 und 3 ein Beispiel für ein von dem Fluid durchströmtes Reservoir mit einem davon abzweigenden Kanal in zwei unterschiedlichen Schnittdarstellungen.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Mikrostrukturierte Anordnung zur Behandlung eines Fluids (25) mit einem das Fluid (25) enthaltenden Reservoir (2), in dem eine Elektrode (12) angeordnet ist, mit einem von dem Reservoir (2) abzweigenden Kanal (7), der zu einer weiteren Elektrode (13, 14, 15) führt, und mit einer an die Elektroden (12 bis 15) schaltbaren Spannungsquelle (16) zur elektrokinetischen Förderung eines Teils des Fluids (25) aus dem Reservoir (2) in den Kanal (7) , dadurch gekenn zeichnet, dass das Fluid (25) das Reservoir (2) kontinuierlich durchströmt und dass der Abzweig des Kanals (7) von dem Reservoir (2), bezogen auf die Strömungsrichtung des Fluids (25), vor der Elektrode (12) in dem Reservoir (2) liegt.
Mikrostrukturierte Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (7) von der Elektrode (12) aus gesehen unter einem Winkel (a) ≥ 90° von dem Reservoir (2) abzweigt.
Mikrostrukturierte Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Reservoirs (2) größer als der des Kanals (7) ist.
Mikrostrukturierte Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) in Form eines weiteren Kanals (28) ausgebildet ist, durch den das Fluid (25) von einer Druckdifferenz getrieben strömt.
Mikrostrukturierte Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12) in den Strömungsweg des Fluids (25) durch das Reservoir (2) hineinragt und von dem Fluid (25) umströmt wird.
Mikrostrukturierte Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Reservoirs (2) im Bereich der hineinragenden Elektrode (12) aufgeweitet ist, so dass der Strömungsquerschnitt des Reservoirs (2) zumindest annähernd konstant bleibt.
Mikrostrukturierte Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (2) und der Kanal (7) in Form von grabenförmigen Vertiefungen auf einer Seite einer Platte (1) ausgebildet und durch eine darauf aufliegende Deckelplatte (29) abgedeckt sind.