DE19947495A1 - Mikrostrukturankopplung für einen Labor-Mikrochip - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist ein Labor-Mikrochip mit einer bezüglich der Sprührichtung veränderbaren Mikro-Sprüheinrichtung. Der Mikrochip weist dabei einen Träger 40 mit einer auf der einen Seite 41 des Trägers vorgesehenen Kanalstruktur auf. Auf der anderen Seite (hier im Bereich eines Trägerrandes) befindet sich eine Mikro-Sprühspitze 42. Der Träger 40 ist insbesondere in einem Bereich 43 verformbar ausgebildet, wobei die Verformbarkeit entweder durch lokale Abdünnung des Trägermaterials in diesem Bereich 43, oder durch eine etwa senkrecht zur Papierebene verlaufende lineare Perforation bewirkt sein kann. Alternativ kann die Verformbarkeit auch durch entsprechende Materialwahl des gesamten Trägers erfolgen. Ein entsprechend verbogener Mikrochip ist im unteren Teil der Fig. 3 dargestellt. Durch die gezeigte Verbiegung des Trägers wird die Sprüheinrichtung 44 der Mikro-Sprühspitze 42 entsprechend um 90 DEG gedreht. Die Verbiegung des Trägers kann dabei ferner dauerhaft oder reversibel erfolgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Mikrochip-Laborsysteme zur chemischen, physikalischen und/oder biologischen Analyse oder Synthese von Stoffen auf einem eine mikrofluidische Struktur aufweisenden Träger. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine Mikrostrukturankopplung für einen solchen Labor-Mikrochip zum Austausch von Stoffen bzw. Informationen zwischen einem solchen Chip und der Außenwelt.

Die jüngsten Entwicklungen auf dem hier betroffenen Gebiet lassen sich vergleichen mit entsprechenden Entwicklungen im Bereich der Mikroelektronik. Auch im Bereich der chemischen Analytik oder klinischen Diagnostik besteht ein erheblicher Bedarf, bestehende stationäre Laboreinrichtungen so zu miniaturisieren, daß sie in portable Systeme integriert werden können. Eine Übersicht über die Entwicklungen in diesem Bereich findet sich beispielsweise in einer von A. von den Berg und P. Bergveld unter dem Titel "Micrototal Analysis Systems" herausgegebenen Sammlung von einschlägigen Fachpublikationen, die im Kluwer Academic Publishers, Niederlande 1995, veröffentlicht wurde. Ausgangspunkt bei diesen Entwicklungen war die seinerzeit bereits etablierte Methode der sogenannten "Kapillar-Elektrophorese" und bereits früher unternommene Anstrengungen, diese auf einer planaren Glas- Mikrostruktur unterzubringen.

Ein herkömmlicher Labor-Mikrochip der hier betroffenen Art ist in Fig. 1 gezeigt. Auf der Oberseite eines Substrats bzw. Trägers 10 sind mikrofluidische Strukturen aufgebracht, die zur Aufnahme und zum Transport von Stoffen dienen. Der Träger 10 kann beispielsweise aus Glas oder Silizium gebildet sein, wobei die Strukturen durch ein chemisches oder laser-gestütztes Ätzverfahren hergestellt sein können.

Zur Aufnahme der zu untersuchenden Stoffe (im folgenden als "Stoffprobe" bezeichnet) auf dem Mikrochip sind eine oder mehrere Vertiefungen 11 auf dem Träger vorgesehen, die als Reservoir für die Stoffprobe bzw. die Stoffproben dienen. Für eine Versuchsdurchführung wird die Stoffprobe dabei zunächst entlang eines Transportkanals 15 auf dem Mikrochip bewegt. Bei dem hier gezeigten Mikrochip ist der Transportkanal 15 durch eine V-förmig ausgestaltete Furche gebildet, wobei grundsätzlich auch andere Ausgestaltungen des Transportkanals, z. B. rechteck- oder kreisförmig profilierte Ausnehmungen oder Furchen, möglich sind. In weiteren, ebenfalls als Stoffreservoir dienenden Vertiefungen 12 sind für die Versuchsdurchführung etwa erforderliche Reagenzien untergebracht. In dem Beispiel handelt es sich um zwei unterschiedliche Stoffe, die über entsprechende Transportkanäle 16 zunächst einem Transportkanal-Kreuzungspunkt 17 zugeführt werden, wo sie sich durchmischen und nach einer ggf. erfolgten chemischen Analyse oder Synthese das endgültig zur Anwendung kommende Produkt bilden. An einem zweiten Kreuzungspunkt 18 trifft dann in dem vorliegenden Beispiel ein weiteres Reagenz auf die zu untersuchende Stoffprobe, wobei sich die beiden Stoffe dort ebenfalls durchmischen. Das so insgesamt gebildete Stoffgemisch durchläuft danach einen, zur Vergrößerung der Kanalweglänge mäandrisch ausgeformten Transportkanalabschnitt 19. In einer anderen, als Stoffreservoir ausgebildeten Vertiefung 13 ist in diesem Beispiel ein weiteres Reagenz enthalten, das dem bereits vorliegenden Stoffgemisch an einem weiteren Kreuzungspunkt 21 zugeführt wird.

Auf dem Mikrochip zusätzlich vorgesehene Vertiefungen 23 ermöglichen das Einbringen von Elektroden zur Beaufschlagung des Mikrochips mit einem für die Bewegung der Stoffe in den Kanälen erforderlichen Potential. Vorzugsweise wird dieses Potential mittels elektrischer Energie, insbesondere Hochspannung, bereitgestellt. Alternativ kann das Potential mittels Gasdruck, d. h. hydraulisch generiert werden. Die Kontaktierung der Mikrochips erfolgt somit durch Einführen entsprechender Elektrodenspitzen direkt in für die Aufnahme der Stoffe vorgesehene Vertiefungen 11, 12, 13, 14. Durch geeignete Anordnung der Elektroden 23 entlang der Transportkanäle 15, 16, 19, 20 und entsprechende zeitliche und/oder stärkenmäßige Abstimmung der angewendeten Felder kann erreicht werden, daß die Bewegung der einzelnen Stoffe nach einem präzise vorgebbaren Zeit- und Mengenprofil erfolgt, so daß die Kinetik des jeweils zugrundeliegenden Reaktionsprozesses sehr genau berücksichtigt bzw. eingehalten werden kann. Im Falle einer (hier nicht gezeigten) gasdruck-getriebenen Bewegung der Stoffe innerhalb der mikrofluidischen Kanalstruktur ist es erforderlich, die Transportkanäle als rundum abgeschlossene Leitungen auszubilden, beispielsweise als Hohlkanäle mit rundem Querschnitt. Bei einer solchen Ausführungsform ist es erforderlich, die Vertiefungen 23 so auszubilden, daß entsprechende Druckversorgungsleitungen in diese dichtend eingreifen, um so ein Druckmedium, beispielsweise ein Edelgas, in die Transportkanäle einbringen zu können.

Die Erfassung der bei der jeweiligen Versuchsdurchführung ablaufenden Stoffreaktionen erfolgt in dem Beispiel im Anschluß an den genannten Kreuzungspunkt 21, und zwar innerhalb eines Meßareals 22 des Transportkanals unter Verwendung eines hier nicht dargestellten Detektors. Die Erfassung erfolgt dabei vorzugsweise kontaktlos, insbesondere mittels herkömmlicher optischer Meßeinrichtungen wie z. B. optische Absorptions- oder Fluoreszenzdetektoren. Der erforderliche Detektor ist dabei oberhalb oder unterhalb des Areals 22 angeordnet. Nachdem der Stoff das Meßareal 22 durchlaufen hat, wird dieser einer weiteren Vertiefung 14 zugeführt, die als Stoffsenke für die bei der Reaktion insgesamt gebildeten Stoffabfälle fungiert. Eine optische Detektion erfordert jedoch optisch transparente Materialien wie z. B. Glas oder Polymethylmetacrylat (PMMA), die insbesondere in den Träger des Mikrochips integriert sein können.

Im Bereich einiger Anwendungsgebiete, z. B. der Proteinanalytik, ist eine optische Detektion allerdings eher schwierig. Auf diesen Gebieten ist bekannt, mikrofluidische Mikrochips mittels eines sogenannten "Elektrospray-Interface" (ESI) an ein Massenspektrometer (MS) anzukoppeln. Das ESI dient insbesondere dazu, die in Flüssigphase vorliegende Probe für die MS-Detektion zu ionisieren. Die ESI- Ionisierung für Flussraten, wie sie bei Mikrostrukturen der vorliegenden Art typischerweise vorkommen (100-500 nl/min), erfordert jedoch hohe elektrische Felder, wie sie nur an sehr feinen Sprühspitzen mit einem Durchmesser von 10-100 µm erzeugt werden können. Solche Sprühspitzen lassen sich z. B. durch Heißprägen erzeugen. Eine geeignete Mikrosprühspitze ist beispielsweise in der am selben Tag von seiten der vorliegenden Anmelderin eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "SPRÜHSPITZE FÜR EINEN MIKROFLUIDISCHEN LABOR-MIKROCHIP" (AZ der Anmelderin: DE 20 99 035) offenbart und wird nachfolgend noch eingehender beschrieben. Bedingt durch den Fertigungsprozeß liegt eine solche Sprühspitze jedoch etwa orthogonal zu Ebene, in der sich die oben beschriebenen Mikrokanäle des Chips befinden.

Sofern sich Probenreservoirs auf dem Mikrochip befinden und eine möglichst geringe Verfälschung der Bewegung der Stoffe in der Kanalstruktur durch die räumliche Ausrichtung des Mikrochips erreicht werden soll, muß der Chip möglichst horizontal gehalten werden. Bei dem oben beschriebenen Aufbau bedeutet dies jedoch, daß das ESI Stoffe zum MS in vertikaler Richtung aussprühen müßte. Bei herkömmlichen Massenspektrometern erfolgt allerdings die Zuführung von Stoffen bzw. das Einsprühen von Stoffen in horizontaler Richtung. Daher ist es erforderlich, die Sprührichtung von aus dem Mikrochip abgesprühten Stoffen entsprechend zu ändern bzw. zu drehen.

Die Zufuhr der Stoffproben erfolgt üblicherweise durch Aufpipettieren der Stoffe auf den Mikrochip oder durch Ansaugen über eine auf dem Mikrochip auf- bzw. eingeklebte Kapillare. Für Applikationen mit hohem Probendurchsatz werden die Stoffproben vorzugsweise über eine Kapillare auf den Mikrochip gebracht, um insbesondere eine Verwendung des Mikrochips für mehrere Analysen zu ermöglichen. Das Einkleben von Kapillaren ist jedoch sehr aufwendig und führt dazu, daß sich am Übergang zum Mikrochip ein meist schwer ausspülbares Volumen ausbildet.

Darüber hinaus ist es auch hinsichtlich der Probenzuführung erforderlich, den Mikrochip möglichst horizontal zu halten, um hydrodynamische Einwirkungen auf die Bewegung der Stoffe in der Kanalstruktur auszuschließen. Zudem gilt es, nicht nutzbare Totvolumina beim Betrieb der hier betroffenen Mikrochips zu vermeiden. Insbesondere bei einem eine Mikro-Sprühspitze aufweisenden Chip ist der für den weiteren Betrieb des Mikrochips erforderliche Zugangsraum aufgrund der Sprühspitze bereits erheblich eingeschränkt, da der Chip auf der die Mikrospitze aufweisenden Seite, nicht zuletzt aufgrund der gegenüber dem Träger erhabenen Spitze, nicht immer in der gesamten Fläche des Trägers zugänglich bzw. für die Verbindung mit weiteren Versorgungseinrichtungen nutzbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Mikrochip der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet und eine mikrostrukturelle Ankopplung an einen solchen Mikrochip, insbesondere für den Austausch von Stoffproben, vereinfacht.

Die genannten Aufgaben werden bei einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Mikrochip insbesondere dadurch gelöst, daß der Träger wenigstens in einem, mindestens einen Kanalabschnitt aufweisenden Bereich verformbar ausgebildet ist. Insbesondere kann der Träger dabei lokal biegbar oder faltbar ausgebildet sein. Die Besonderheit der Erfindung liegt nun darin, die Mikrostruktur des Mikrochips wenigstens lokal flexibel auszugestalten, und zwar insbesondere in einem Bereich, der einen Teil der Kanalstruktur, d. h. einen einzelnen Kanal (Kanalabschnitt) oder mehrere Kanäle aufweist. Mittels der flexiblen Struktur kann dieser Kanalabschnitt, entsprechend der jeweiligen Anwendung, vorteilhaft dreidimensional gebogen oder gefaltet werden. Hierdurch kann beispielsweise die Sprührichtung einer auf dem Mikrochip etwa befindlichen Mikro-Sprühspitze gedreht werden, ohne daß auf dem Mikrochip vorhandene Stoffreservoirs mitgedreht bzw. mitgekippt werden müssen. Eine Veränderung der Sprührichtung läßt sich demnach vorteilhaft durch einfaches lokales Verbiegen des Mikrochips bewerkstelligen.

Ferner besteht die Möglichkeit, als Teil einer solchen flexiblen Mikrostruktur, einen Ansaugkanal in Form eines "Rüssels" auszubilden, der zum Ansaugen von Stoffproben insbesondere nach unten gebogen werden kann. Dadurch wird ermöglicht, dem Mikrochip Stoffproben von unten her zuzuführen, ohne daß der Mikrochip selbst dabei verkippt werden muß. Insbesondere kann der Mikrochip dabei horizontal orientiert sein, wodurch hydrodynamische Effekte bei der Bewegung der Stoffe in der Kanalstruktur ausgeschlossen werden. Gleichzeitig entsteht eine totvolumen-freie Ankopplung an den Mikrochip.

Ferner können solche flexiblen Bereiche auch im Innenbereich des Mikrochips angeordnet sein. Mittels entsprechender mikromechanischer Elemente lassen sich dabei komplexere Stoffführungen, beispielsweise in der Weise eines Stoff- Multiplexers, bewerkstelligen.

Die genannten flexiblen Mikrostrukturen lassen sich insbesondere durch Heißprägen, Laser-Ablation oder Mikrospritzguß erzeugen. Die Besonderheit dieser Verfahren liegt darin, daß auch dünne Folien mit einer Dicke von etwa 10-300 µm strukturiert werden können. Dadurch lassen sich flexible Mikrostrukturen herstellen, die ähnlich einem Flexboard in der Mikroelektronik entsprechend der jeweiligen Anwendung dreidimensional gebogen werden können.

Durch ein räumlich begrenztes Ausdünnen des Trägers oder ein abgedünntes Herstellen des gesamten Trägers läßt sich der Träger lokal bzw. über seine gesamte Fläche verbiegen und somit einzelne Bereiche des Trägers bzw. der Träger über seine gesamte Länge dreidimensional verformen. Die Verformung kann dabei alternativ entweder dauerhaft oder temporär erfolgen. Bei einer temporären Verformbarkeit des Trägers sind weitere Mittel erforderlich, die den Träger im jeweils verformten Zustand zumindest vorübergehend stabilisieren. Durch Anbringen einer insbesondere linearen Perforation am Träger läßt sich dieser entlang der Perforation dreidimensional falten. Alternativ kann der verformbare Träger auch durch ein insgesamt verformbares Trägermaterial gebildet sein. Hierdurch wird die Herstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mikrochips weiter vereinfacht und zudem komplexere Verformungen, beispielsweise gleichzeitig an mehreren Stellen des Mikrochips, möglich.

Ein erfindungsgemäßer Mikrochip läßt sich vorteilhaft in einem zweistufigen Herstellungsprozeß fertigen, wobei zunächst ein planarer Träger, ggf. bereits unter Ausbildung einer Kanalstruktur, durch Verwendung eines lokal oder insgesamt flexiblen Trägermaterials hergestellt wird und erst anschließend, entsprechend den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung, der so hergestellte Träger dreidimensional gebogen oder gefaltet wird. Alternativ kann ein mehrstufiger Herstellungsprozeß vorgesehen sein, bei dem der Träger zunächst planar gefertigt, anschließend in einem lokalen Bereich oder über den gesamten Träger erstreckend abgedünnt bzw. mikroperforiert wird, und erst danach entlang der abgedünnten bzw. perforierten Bereiche gebogen oder gefaltet wird. Die ebenfalls erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mikrostrukturen, wie z. B. ein Ansaugrüssel oder ein stegförmiger Stofftransport-Umschalter (Multiplexer), können vorteilhaft ebenfalls im zweiten Herstellungsschritt durch herkömmliche Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt werden.

Von Vorteil ist ferner, den Träger wenigstens lokal lediglich in einer Raumrichtung biegbar oder faltbar herzustellen. Beispielsweise kann dies durch Anbringen einer entlang der Drehachse linear angeordneten Mikroperforation oder eines entsprechend angeordneten schmalen Ausdünnungsbereichs des Trägers erreicht werden. Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Verformung dadurch räumlich kontrolliert erfolgen kann. Beispielsweise kann ein Ansaugrohr mittels eines solchen linear ausgebildeten Ausdünnungsbereichs oder einer Mikroperforation, einem Scharnier ähnlich, um die so ausgebildete Drehachse bewegbar angeordnet sein.

Weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Mikrochips ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, seitliche Draufsicht auf einen Labor-Mikrochip gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine ausschnittvergrößernde Schnittansicht eines eine Mikro- Sprühspitze aufweisenden Labor-Mikrochips, wie er beispielsweise in der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung (AZ der Anmelderin: 20-99-0035) beschrieben ist;

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Labor-Mikrochip mit einer Mikro- Sprüheinrichtung mit veränderbarer Sprührichtung;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Mikrochip mit räumlich veränderbarer Proben-Ansaugvorrichtung;

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Mikrochip mit einem mikromechanischen Fraktionssammler;

Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Mikrochip mit einem Stofftransport- Mulitplexer; und

Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Mikrochip mit einer optischen Durchlicht- Detektionsanordnung.

Fig. 1 zeigt einen Labor-Mikrochip nach dem Stand der Technik und wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines eine Mikro-Sprühspitze aufweisenden Mikrochips in Ausschnittvergrößerung. Der Mikrochip 30 weist einen Träger 31 auf, an dem eine etwa senkrecht aus der Trägerebene herausragende Mikro-Sprühspitze 32 angeordnet ist. Der Träger 31 und die Sprühspitze 32 sind dabei (einstückig) monolithisch ausgebildet. Die Sprühspitze 32 weist einen Durchgangskanal 33 auf, der zum Transport von zu versprühenden Stoffen von einem Kanal 34 zu einer Sprühspitzen-Öffnung 35 hin dient. Der Kanal 34 ist Teil einer hier nicht gezeigten komplexeren Kanalstruktur, die nach außen hin mittels einer Abdeckplatte 36 abgeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Mikrochips mit einer Mikro-Sprüheinrichtung, bei der die Sprührichtung veränderbar ist. Ein entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildeter Träger 40 weist auf der einen Seite 41 eine (hier nicht gezeigte) Kanalstruktur auf. Auf der anderen Seite, im Bereich eines Trägerrandes, befindet sich eine Mikro- Sprühspitze 42, die beispielsweise wie in Fig. 2 gezeigt ausgebildet sein kann.

Der Träger 40 ist insbesondere in einem Bereich 43 verformbar ausgebildet, wobei die Verformbarkeit entweder durch lokale Abdünnung des Trägermaterials in diesem Bereich 43, oder durch eine etwa senkrecht zur Papierebene verlaufende lineare Perforation bewirkt sein kann. Alternativ kann die Verformbarkeit auch durch entsprechende Materialwahl des gesamten Trägers erfolgen.

Ein entsprechend verbogener Mikrochip ist nun im unteren Teil der Fig. 3 dargestellt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird durch die gezeigte Verbiegung des Trägers die Sprührichtung 44 der Mikro-Sprühspitze 42 entsprechend um 90° gedreht. Die Verbiegung des Trägers kann dabei dauerhaft (permanent) oder reversibel erfolgen. Eine dauerhafte Verformung kann beispielsweise durch Wahl eines plastischen Materials für den Träger erreicht werden, wohingegen eine reversible Verformung beispielsweise durch ein Material erreicht werden kann, daß sich bei der hier gezeigten Verformung noch im elastischen Zug-/Dehnungsbereich befindet. Im Falle einer reversiblen Verformung des Trägers sind weitere - hier nicht gezeigte - Befestigungsmittel erforderlich, welche den Mikrochip in der verbogenen Position fixierbar machen.

Die Fig. 4a-c zeigen nun ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrochips 50 mit einer ein biegbares Ansaugrohr 51 aufweisenden Stoffproben-Ansaugvorrichtung. Der Mikrochip 50 und das Ansaugrohr 51 sind dabei einstückig ausgebildet, wobei das Ansaugrohr 51 aus einem Ausgangsmaterial durch ein chemisches oder laser-gestütztes Ätzverfahren oder aber durch Heißprägen hergestellt ist. Der Mikrochip 50 weist ferner Probenreservoirs 52 auf, die jeweils in einen Kanal 53 münden, der wiederum mit dem Ansaugkanal 51 stoffleitend verbunden ist. Der Kanal 53 mündet wiederum in ein Kanalareal 54, das eine mäandrische Kanalstruktur aufweist, aufgrund der die freie Weglänge für die Bewegung der Stoffe in diesem Areal künstlich verlängerbar ist. Dieses Areal 54 dient in dem vorliegenden Fall als Trennkanal zur Durchführung der chemischen Analyse oder Synthese der zu verarbeitenden Stoffe.

Die nach erfolgter chemischer Analyse oder Synthese sich am Ende des Trennkanals 54 schließlich ergebenden Stoffe werden dann über einen weiteren Kanalabschnitt 56 einer Mikro-Sprühspitze 57 zugeführt. Über diese Sprühspitze lassen sich diese Stoffe dann beispielsweise in ein an den Mikrochip 50 etwa angekoppeltes Massenspektrometer (hier nicht gezeigt) einsprühen. Vor dem Zuführen der Stoffe in die Sprühspitze kann über ein weiteres Stoffreservoir 55 zusätzlich ein die Sensitivität der durchzuführenden massenspektroskopischen Untersuchungen erhöhender bzw. verbessernder Stoff zugeführt werden. So lassen sich organische Säuren wie z. B. Ameisen- oder Essigsäure beimischen, um die Aufladung (Protonierung) der Stoffe zu verbessern. Alternativ oder zusätzlich können organische Lösungsmittel wie z. B. Methanol beigemischt werden, um das Absprühen bzw. die Vernebelung der Stoffe insbesondere durch Herabsetzen der Oberflächenspannung dieser Stoffe zu optimieren.

Fig. 4b stellt eine Seitenansicht des in Fig. 4a gezeigten Mikrochips dar, und zwar eine in der Flächenebene des Mikrochips liegende Ansicht. Erfindungsgemäß ist der Träger 50 in einem Trägerbereich 58 verformbar ausgebildet. Die Verformbarkeit kann, wie in Fig. 3a gezeigt, unterschiedlich realisiert sein. Durch Umbiegen des Ansaugkanals 51 in Höhe des verformbaren Bereichs 58 wird dann der in Fig. 4c gezeigte Zustand hergestellt. Hierbei zeigt der Ansaugkanal mit seiner Ansaugöffnung nach unten und kann so beispielsweise in ein hier nicht gezeigtes herkömmliches Stoffreservoir eintauchen. Aufgrund der "rüsselartigen" Ausbildung des Ansaugkanals und der dadurch ermöglichten Verbiegung des Kanals nach unten kann der Mikrochip während eines Ansaugvorganges horizontal verbleiben, um hydrodynamische Bewegungseffekte der Stoffe in den Kanälen auszuschließen. Gleichzeitig hat die vorliegende Ausführungsform den Vorteil, daß ein totvolumen­ freier Anschluß an den Mikrochip vorliegt. Ferner kann der Ansaugkanal metallisiert sein, womit dann die Stoffproben aus dem jeweiligen Stoffreservoir elektro-osmotisch heraustransportiert werden können.

In Fig. 5 ist nun ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikrochips dargestellt, bei dem eine chemische oder chemisch-physikalische Trennung der Stoffe mittels eines mikromechanischen Fraktionssammlers erfolgt. Der Mikrochip 60 weist innerhalb eines Bereichs 63 des Trägers 60 einen flexiblen d. h. verbiegbaren Kanal auf, dessen Ausgang 66 in verschiedene Kanäle 64 (S1, . . ., SN) geleitet werden kann. Die Stoffe werden dabei entweder durch Kapillarkraft oder durch hydrodynamische oder elektro- osmotische Kräfte, d. h. durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem Stoffreservoir 61 und den Stoffsenken 65, in die jeweiligen Kanäle 64 gezogen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann auch vorgesehen sein, daß der flexible Kanal 62 nicht (nur) innerhalb der Trägerebene 60 biegbar ist, sondern senkrecht zur Chipträger-Ebene herausragend biegbar ist. Dadurch wird ermöglicht, daß Stoffe auch in etwa über oder unter dem Chipträger angeordneten Stoffaufnahmesysteme zuführbar sind.

Fig. 6 zeigt nun ein für eine schnelle Detektion mittels eines Massenspektrometers geeignetes Mikrochip-Layout, das beispielsweise im Bereich der Flugzeit- Spektroskopie einsetzbar ist. Mit dem hier vorgeschlagenen Aufbau läßt sich ein Detektor zwischen mehreren Trennkanälen umschaltbar (multiplexed) betreiben. In einem entsprechenden Ausführungsbeispiel sind dabei erfindungsgemäß eine Vielzahl beweglicher Mikrospitzen 73 vorgesehen, von denen jeweils nur eine Sprühspitze durch eine Blende 75 hindurch zu einem (hier nicht gezeigten) Massenspektrometer, und zwar in der gezeigten Pfeilrichtung 76, Stoffe absprühen kann. Die Mikrospitzen 73 sind dabei auf einer fächerartigen Mikrostruktur 71 angeordnet, die zu den jeweiligen Sprühspitzen hinführende Kanäle 71 aufweist. In Höhe einer Verengung 72 läßt sich die fächerartige Struktur seitlich verbiegen. Die Struktur 71 kann dabei, wie in den anderen Ausführungsbeispielen, auf einem Träger 70 eines Mikrochips angeordnet sein. Die Herstellung einer solchen Mikrostruktur erfolgt mittels der vorgenannten Herstellungsverfahren.

Schließlich zeigt Fig. 7 einen erfindungsgemäßen Mikrochip für den Einsatz in einem optischen Durchlicht-Detektometer. Ein Mikrochip-Träger 80 weist hierbei einen zungenförmigen Trägerbereich 81 auf, der sich (in dem vorliegenden Beispiel) etwa 90° nach oben umbiegen läßt. Im Trägerbereich 81 ist dabei ein sogenanntes Detektionsfenster 88 vorgesehen, das mit einer optischen Meßanordnung, z. B. einer für eine UV-Absorptionsmessung ausgelegten Anordnung mit einem Sender 83 (Lampe) und einem Empfänger 84 (Fotodiode) zuammenarbeitet. Der Sender 83 ist dabei auf der einen Seite des Fensters 88 und der Empfänger 84 auf der anderen Seite des Fensters 88 angeordnet. Erfindungsgemäß befinden sich insbesondere sowohl der Sender 83 als auch der Empfänger 84 auf einer Seite, insbesondere der Oberseite, des Mikrochip-Trägers 80.

An dem anderen Ende des Trägers 80 ist, entsprechend Fig. 3, ein Ansaugkanal 86 vorgesehen, der über einen flexiblen bzw. verformbaren Bereich 85 des Trägers nach unten verbiegbar ist. Da die Mikrochips aufgrund der oben genannten Bedingungen für den Transport der Stoffe in der Kanalstruktur und auch wegen der auf dem Mikrochip vorgesehenen Vertiefungen zur Aufnahme von Reaktionsflüssigkeiten möglichst horizontal eingesetzt werden müssen, kann der Mikrochip, wie in Fig. 7 gezeigt, dank des vorgeschlagenen Ansaugkanals horizontal betrieben werden, wobei die zuzuführenden Stoffe über ein Stoffreservoir 87 von unten her dem Mikrochip zuführbar sind. Die gezeigte Anordnung der Detektionseinrichtung hat dabei den Vorteil, daß sowohl der (optische) Sender als auch der Empfänger auf derselben Seite des Trägers 80 angeordnet werden können und mithin der Bereich unterhalb des Trägers 80 für die Stoffzuführung zur Verfügung steht bzw. nicht mit einer solchen Probenzuführung räumlich kollidiert.

Claims (19)

1. Mikrofluidischer Mikrochip zur chemischen, physikalischen und/oder biologischen Analyse oder Synthese von Stoffen, mit einer auf einem Träger integrierten Kanalstruktur, mittels der die Stoffe unter Beaufschlagung mit einem insbesondere elektrischen Potential entsprechend der Kanalstruktur bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger wenigstens in einem mindestens einen Kanalabschnitt aufweisenden Bereich verformbar, insbesondere biegbar oder faltbar, ausgebildet ist.

2. Mikrochip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger wenigstens lokal elastisch, anelastisch oder plastisch verformbar ist.

3. Mikrochip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger wenigstens lokal in einer Raumrichtung biegbar ist.

4. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanalabschnitt an mindestens ein, auf dem Mikrochip und/oder außerhalb des Mikrochips angeordnetes Stofftransportsystem ankoppelbar ist.

5. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Träger biegbar ausgebildet ist und eine Dicke von etwa 10 µm bis 1 mm aufweist.

6. Mikrochip nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen aus einem elastisch, anelastisch oder plastisch verformbaren Kunststoff gebildeten Träger.

7. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen wenigstens lokal abgedünnten Träger.

8. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger wenigstens lokal perforiert, insbesondere mikroperforiert, ist.

9. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine wenigstens im Bereich eines Kanalabschnittes vorgesehene biegbare Rohrleitung aufweist.

10. Mikrochip nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die biegbare Rohrleitung als Ansaugrohr zum Ansaugen von zu verarbeitenden Stoffen ausgebildet ist.

11. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine, in einem verformbaren Bereich angeordnete und mit wenigstens einem Kanal der Kanalstruktur stoffleitend verbundene Mikro-Sprühspitze aufweist.

12. Mikrochip nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung bzw. die Mikro-Sprühspitze über die gesamte Länge metallisiert ist.

13. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche zum Betrieb mit einer Durchlicht-Detektionsanordnung, mit einem im Bereich eines Kanals der Kanalstruktur auf dem Träger vorgesehenen Detektionsfenster, wobei die Durchlicht-Detektionsanordnung auf der einen Seite des Detektionsfensters einen Strahlungssender und auf der jeweils anderen Seite des Detektionsfensters einen Strahlungsempfänger vorsieht, und wobei die Stoffe von einer Seite des Trägers her mittels einer Probenzuführung dem Mikrochip zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der das Detektionsfenster aufweisende Bereich des Trägers so zu einer Seite des Trägers hin biegbar ist, daß der Strahlungssender und der Strahlungsempfänger, auf dieser Seite des Trägers, zu beiden Seiten des Detektionsfensters angeordnet sind, wobei die Probenzuführung von der jeweils anderen Seite des Trägers her erfolgt.

14. Mikrochip nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenzuführung mittels eines biegbaren Ansaugrohres erfolgt.

15. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen biegbaren Kanal bzw. Kanalabschnitt der Kanalstruktur, der mit mindestens zwei anderen Kanälen bzw. Kanalabschnitten stoffleitend verbindbar ist.

16. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, mit einer Mikro-Sprühspitze zum Absprühen von Stoffen nach außen, insbesondere zum Einsprühen von Stoffen in ein Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger wenigstens im Bereich der Mikro-Sprühspitze verformbar, insbesondere biegbar oder faltbar, ausgebildet ist, so daß die räumliche Orientierung der Mikro-Sprühspitze um mindestens eine Drehachse änderbar ist.

17. Mikrochip nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, mit einer Mikro-Sprühspitze zum Einsprühen von Stoffen in einen extern angeordneten Detektor, insbesondere in ein Massenspektrometer, mittels mindestens einer Blende, gekennzeichnet durch mindestens zwei bezüglich der Blende nebeneinander beweglich angeordnete, mit der Kanalstruktur stoffleitend verbundene Mikro-Sprühspitzen, wobei der Detektor zwischen den Kanälen vielfach umschaltbar sind.

18. Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Mikrochips nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens in einem Bereich verformbare Träger durch Materialabtragung oder Materialauftragung, insbesondere mittels Heißprägen, Laser-Ablation oder Mikro-Spritzguß, gebildet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger in einem ersten Schritt planar gefertigt und in einem zweiten Schritt räumlich gebogen bzw. gefaltet wird.