DE20301231U1

DE20301231U1 - Separating column, used for miniaturized gas chromatograph, comprises channel for fluid stream with molecules to be analyzed, and having bends with turning points

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Publication number: DE20301231U1
Application number: DE20301231U
Authority: DE
Original assignee: SLS Micro Technology GmbH
Current assignee: Verwaltung Exos GmbH
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2013-01-28

Abstract

Separating column comprises a channel (2) for a fluid stream with molecules to be analyzed and having bends (3, 4) with turning points (7, 8). The average diameter of the channel is larger than the path which covers the molecules to be analyzed by diffusion between the turning points. An independent claim is also included for a micro-chromatograph containing the above separating column. Preferred Features: The column has loops (13) with bends on their sides. The bends directly follow each other and run parallel.

Description

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BEZEICHNUNG—1—
DESIGNATION

Trennsäule, insbesondere für einen miniaturisierten Gaschromatographen Separation column, especially for a miniaturized gas chromatograph

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Trennsäule, insbesondere für einen miniaturisierten Gaschromatographen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch einen Mikro-Chromatographen, insbesondere einen Mikr&ogr;-GasChromatographen, mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Trennsäulen.The invention relates to a separation column, in particular for a miniaturized gas chromatograph. Furthermore, the invention also relates to a micro-chromatograph, in particular a micro-gas chromatograph, with one or more separation columns according to the invention.

Die Trennleistung einer Chromatographiesäule hängt neben anderen Parametern (Temperatur, Druck, Durchflußgeschwindigkeit, Säulenmaterial usw.) auch von der Säulenlänge ab. In der Regel erhöht sich dabei die Trennleistung der Säule mit zunehmender Länge, da die Zeit der Wechselwirkung der zu trennenden Probenkomponenten mit der stationären Phase verlängert wird. Bei miniaturisierten Analysesystemen, beispielsweise einem Mikro-Gaschromatographen, müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um eine Säule mit ausreichender bzw. optimaler Länge auf dem geringen zur Verfügung stehenden Platz realisieren zu können. Dadurch wird es erforderlich, auf einen geradlinigen Verlauf des Trennkanals der Trennsäule zu verzichten und "gekrümmte" Säulen, beispielsweise mit spiral- oder mäanderförmigem Trennkanal, vorzusehen. Eine Trennsäule mit spiralförmiger Geometrie ist beispielsweise aus der DE 19726000 bekannt.The separation performance of a chromatography column depends on the length of the column as well as other parameters (temperature, pressure, flow rate, column material, etc.). As a rule, the separation performance of the column increases with increasing length, as the time for the sample components to be separated to interact with the stationary phase is extended. In miniaturized analysis systems, such as a micro gas chromatograph, suitable measures must be taken to be able to create a column with sufficient or optimal length in the small space available. This makes it necessary to forego a straight line for the separation channel of the separation column and to provide "curved" columns, for example with a spiral or meander-shaped separation channel. A separation column with a spiral geometry is known, for example, from DE 19726000.

Bei solchen "gekrümmten" Säulen ist beobachtet worden, daß die Trennschärfe im Vergleich zu "klassischen" geraden Chro-With such "curved" columns it has been observed that the selectivity is lower than with "classical" straight chromo-

matographiesäulen vergleichbarer Länge deutlich schlechter ist. Insbesondere ist eine Verbreiterung der Analysatbanden bzw. der Analysat-Peaks zu beobachten. Dies wird auf den sogenannten "Rennbahn"-Effekt (engl. "race-track" effect) zurückgeführt. In einem gekrümmten Abschnitt des Trennkanals der Trennsäule haben Analysatmoleküle, die sich auf der Innenseite des Kanals (einer "Innenbahn"), an der in Krümmrichtung liegenden Kanalwand, aufhalten, einen vergleichsweise kürzeren Weg zurückzulegen als Moleküle im äußeren Randbereich (einer "Außenbahn") des Trennkanals. Unter anderem dadurch kommt es zu einer geometrischen Defokussierung des Analysatpaketes (ein Bereich des Fluidstroms, in dem die Analysatmoleküle angereichert sind), die sich auf dem Weg durch die Säule weiter verstärken kann.chromatography columns of comparable length is significantly worse. In particular, a broadening of the analyte bands or the analyte peaks can be observed. This is attributed to the so-called "race-track" effect. In a curved section of the separation channel of the separation column, analyte molecules that are on the inside of the channel (an "inner track"), on the channel wall in the direction of the curve, have to cover a comparatively shorter path than molecules in the outer edge area (an "outer track") of the separation channel. This, among other things, leads to a geometric defocusing of the analyte packet (an area of the fluid flow in which the analyte molecules are enriched), which can become even more pronounced on the way through the column.

Um diesem Problem zu begegnen, ist beispielsweise von CuI-bertson et al. (2000, In: van den Berg et al. (Hrsg.): Micro Total Analysis Systems 2000, S. 221-224) vorgeschlagen worden, eine spiralförmige Säule mit möglichst großem Krümmungsradius zu verwenden. Naturgemäß wird dies um so schwieriger, je kleiner die Analysegeräte werden und je weniger Platz zur Verfügung steht.To overcome this problem, for example, CuI-bertson et al. (2000, In: van den Berg et al. (eds.): Micro Total Analysis Systems 2000, pp. 221-224) have proposed using a spiral column with the largest possible radius of curvature. Naturally, this becomes more difficult the smaller the analysis equipment becomes and the less space is available.

Lagally et al. (2000, In: van den Berg et al. (Hrsg): Micro Total Analysis Systems 2000, S. 217-220) schlagen für mäanderförmige Säulen konusartige Verengungen bzw. Erweiterungen des Trennkanalquerschnitts vor und hinter einer Krümmung vor, um den "Rennbahn"-Effekt zu minimieren. Als besonders geeignet erwies sich ein Verhältnis des Kanaldurchmessers vor einer Verengung zum verengten Kanaldurchmesser von 4:1. Solche Säulen mit verschiedenen Kanalquerschnitten sind aber aufwendig in der Herstellung. Des weiteren sind die durch die Ka-Lagally et al. (2000, In: van den Berg et al. (eds.): Micro Total Analysis Systems 2000, pp. 217-220) suggest cone-like narrowings or widenings of the separation channel cross-section before and after a bend for meander-shaped columns in order to minimize the "racetrack" effect. A ratio of the channel diameter before a narrowing to the narrowed channel diameter of 4:1 proved to be particularly suitable. However, such columns with different channel cross-sections are complex to manufacture. Furthermore, the channels created by the

nalquerschnittsänderungen in der Trennsäule bewirkten Geschwindigkeit sänderungen der Analysatmoleküle und daraus resultierenden unterschiedlichen Wechselwirkungszeiten mit der stationären Phase problematisch und verschlechtern in der Regel die Leistung solcher Trennsäulen.Changes in the cross-section of the separation column caused by velocity changes of the analyte molecules and resulting different interaction times with the stationary phase are problematic and usually impair the performance of such separation columns.

Molho et al. (2000, In: van den Berg et al. (Hrsg): Micro Total Analysis Systems 2000, S. 287-290) schlagen für mäanderförmige Säulen ebenfalls eine Verengung des Kanalquerschnitts im Krümmungsbereich der Trennsäule vor, die in besonderer Weise ausgeformt ist. Aufgrund der komplizierten Geometrie dieser Säulen ist deren Herstellung ebenfalls aufwendig und schwierig und weist die oben genannten Probleme auf. Zudem ist die vorgeschlagene Lösung beispielsweise für halbkreisförmige Krümmungen ungeeignet, da hier Zonen mit sehr geringen Fluidströmen geschaffen würden.Molho et al. (2000, In: van den Berg et al. (eds.): Micro Total Analysis Systems 2000, pp. 287-290) also propose a narrowing of the channel cross-section in the bend area of the separation column for meander-shaped columns, which is shaped in a special way. Due to the complicated geometry of these columns, their manufacture is also complex and difficult and has the problems mentioned above. In addition, the proposed solution is unsuitable for semicircular bends, for example, since this would create zones with very low fluid flows.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Trennsäule zur Verfügung zu stellen, die bei der für Mikro-Chromatographen erforderlichen Kompaktheit eine ausreichende Länge aufweist und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trennsäule bereitzustellen, bei der der beschriebenen "Rennbahn"-Effekt möglichst gering gehalten wird und die dennoch einfach und kostengünstig in der Herstellung ist.The object of the present invention is therefore to provide a separation column which has a sufficient length for the compactness required for microchromatographs and avoids the disadvantages of the prior art. In particular, the object of the present invention is to provide a separation column in which the "racetrack" effect described is kept as low as possible and which is nevertheless simple and inexpensive to manufacture.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved with the subject matter of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject matter of the subclaims.

Die erfindungsgemäße Trennsäule besitzt einen Kanal für einen Fluidstrom mit zu analysierenden Molekülen (Analysatmolekü-The separation column according to the invention has a channel for a fluid flow with molecules to be analyzed (analyte molecules).

len). Die Kanäle können dadurch ausgebildet sein, daß in eine Halbleiterscheibe, beispielsweise eine Siliziumscheibe, Gräben strukturiert werden und die Siliziumscheibe durch eine zweite Siliziumscheibe oder beispielsweise eine Glasscheibe abgedeckt wird. Die Herstellung einer solchen Kanalstruktur ist beispielsweise in der DE 19726000 beschreiben worden. Der Kanal weist gegenläufige Krümmungen mit Wendepunkten auf, an denen die Krümmungsrichtung bevorzugt alternierend wechselt. Auf diese Weise erhält der Kanal eine mäanderförmige Geometrie. Ein Wendepunkt im Sinn der vorliegenden Erfindung ist ein Punkt, an dem die Krümmungsrichtung des Kanals und somit auch die Flußrichtung des durch den Kanal strömenden Fluidstroms, in die jeweils andere Richtung wechselt. Ein Fluidstrom im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jeder Gas- oder Flüssigkeitsstrom. Unter einer Krümmung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird jeder gekrümmte Bereich des Kanals mit der gleichen Krümmungsrichtung verstanden. Eine solche Krümmung liegt zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Wendepunkten, die einen Wechsel in die jeweils andere Rich-0 tung markieren. Bei der erfindungsgemäßen Trennsäule ist der mittlere Durchmesser des Kanals größer als die Strecke, die ein Analysatmolekül durch Diffusion auf seinem Weg zwischen zwei aufeinander folgenden Wendepunkten zurücklegt, die einen identischen Richtungswechsel markieren. Hierunter sind Wendepunkte zu verstehen, die sich am Beginn einer Krümmung mit gleicher Krümmungsrichtung befinden.The channels can be formed by structuring trenches in a semiconductor wafer, for example a silicon wafer, and covering the silicon wafer with a second silicon wafer or, for example, a glass wafer. The production of such a channel structure has been described, for example, in DE 19726000. The channel has opposing bends with turning points at which the direction of the bend preferably changes alternately. In this way, the channel is given a meandering geometry. A turning point in the sense of the present invention is a point at which the direction of the bend of the channel and thus also the direction of flow of the fluid flowing through the channel changes in the other direction. A fluid flow in the sense of the present invention is any gas or liquid flow. A bend in the sense of the present invention is understood to mean any curved region of the channel with the same direction of bend. Such a bend lies between two immediately consecutive turning points which mark a change in the other direction. In the separation column according to the invention, the average diameter of the channel is larger than the distance that an analyte molecule travels by diffusion on its way between two successive turning points that mark an identical change in direction. This refers to turning points that are located at the beginning of a bend with the same direction of curvature.

In einem Trennsäulenkanal herrscht eine im wesentlichen laminare Strömung. Der Erfindung liegt nun die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß der oben beschriebene "Rennbahn"-Effekt vermieden werden kann, wenn die Säulengeometrie so gestaltet ist, daß verhindert wird, daß ein Analysatmolekül,A substantially laminar flow prevails in a separation column channel. The invention is based on the surprising discovery that the "racetrack" effect described above can be avoided if the column geometry is designed in such a way that it is prevented that an analyte molecule,

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auf der Innenseite der Krümmung (der "Innenbahn") auf dem Weg von einem Wendepunkt zum nächsten Wendepunkt mit identischem Richtungswechsel durch Diffusion auf die gegenüberliegende Seite (die "Außenbahn") des Trennsäulenkanals gelangen kann. Hierzu ist bei der erfindungsgemäßen Trennsäule vorgesehen, den Kanaldurchmesser bzw. -querschnitt größer auszugestalten als die Diffusionsstrecke, die ein Analysatmolekül auf dem Weg zwischen zwei aufeinander folgenden Wendepunkten zurücklegt, die denselben Richtungswechsel markieren. Auf diese Weise bleiben die Analysatmoleküle im wesentlichen auf ihrer Bahn und wechseln nicht in einer Weise zwischen "Innen-" und "Außenbahn", daß eine starke Defokussierung des Analysatpakets die Folge ist.on the inside of the curve (the "inner track") on the way from one turning point to the next turning point with an identical change of direction can reach the opposite side (the "outer track") of the separation column channel by diffusion. For this purpose, the separation column according to the invention is designed to make the channel diameter or cross-section larger than the diffusion distance that an analyte molecule travels on the way between two consecutive turning points that mark the same change of direction. In this way, the analyte molecules essentially stay on their track and do not switch between the "inner" and "outer track" in a way that results in a strong defocusing of the analyte packet.

Ein Maß für die Strecke, die von einem Analysatmolekül in der Zeit zurückgelegt wird, die zwischen dem Transport im Fluidstrom zwischen zwei solchen Wendepunkten vergeht, ist die Diffusionslänge x₀:A measure of the distance travelled by an analyte molecule in the time elapsed between transport in the fluid stream between two such turning points is the diffusion length x ₀ :

D ist hierbei der Diffusionskoeffizient, t die Zeit. D ist u.a. von der Temperatur, dem Druck und der Molekülart abhängig. Sofern die Parameter, die den Diffusionskoeffizienten D beeinflussen, konstant gehalten werden, ist die Diffusionslänge auf einfache Weise bestimmbar.D is the diffusion coefficient, t is the time. D depends on the temperature, the pressure and the type of molecule, among other things. If the parameters that influence the diffusion coefficient D are kept constant, the diffusion length can be determined in a simple way.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mittlere Durchmesser des Kanals mindestens um eine Größenord nung, d. h. das Zehnfache, größer als die Strecke, die ein Analysatmolekül durch Diffusion auf seinem Weg zwischen zwei aufeinander folgenden Wendepunkten mit identischem RichtungsIn a preferred embodiment of the invention, the mean diameter of the channel is at least one order of magnitude, i.e. ten times, larger than the distance that an analyte molecule travels by diffusion on its way between two successive turning points with identical direction

wechsel zurücklegt. Dadurch wird eine Defokussierung des Analysatpakets durch den Rennbahneffekt weitgehend vermieden.change. This largely prevents defocusing of the analyte package due to the racetrack effect.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zahl der Wendepunkte, die den Beginn von Krümmungen mit einer bestimmten Krümmungsrichtung markiert gleich der Zahl der Wendepunkte, die den Beginn von Krümmungen mit der entgegengesetzten Krümmungsrichtung anzeigen. Dadurch findet eine vollständige Kompensation der Richtungsänderungen statt, die der Fluidstrom auf seinem Weg vom Anfang der Trennsäule zu deren Ende vornimmt, so daß der Rennbahneffekt wirksam minimiert oder verhindert werden kann. Einer Defokussierung des Analysatpakets kann auf diese Weise begegnet werden.In a preferred embodiment, the number of turning points that mark the beginning of bends with a certain direction of curvature is equal to the number of turning points that indicate the beginning of bends with the opposite direction of curvature. This results in complete compensation of the changes in direction that the fluid flow makes on its way from the beginning of the separation column to its end, so that the racetrack effect can be effectively minimized or prevented. Defocusing of the analyte packet can be counteracted in this way.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Trennsäule mindestens eine Schlinge auf, die ihrerseits Schenkel besitzt, auf denen die beschriebenen Krümmungen vorgesehen sind. Der mäandernde Trennsäulenkanal bildet auf diese Weise eine übergeordnete Mäanderstruktür. Dies führt zu einer besonders kompakten Trennsäulengeometrie, so daß bei einer vorgegebenen Säulenlänge eine optimale Raumersparnis möglich ist.In a further preferred embodiment, the separation column has at least one loop, which in turn has legs on which the described curvatures are provided. The meandering separation column channel thus forms a higher-level meander structure. This leads to a particularly compact separation column geometry, so that optimal space saving is possible for a given column length.

Bevorzugt folgen die Krümmungen unmittelbar aufeinander und sind nicht durch gerade Abschnitte getrennt. Es ist bei einer erfindungsgemäßen Säule aber auch möglich, gerade Abschnitte vorzusehen. Diese sollten bevorzugt so angeordnet sein, daß vor dem geraden Abschnitt eine vollständige Kompensation der Richtungsänderungen erfolgt ist. Ansonsten besteht die Gefahr, daß die Analysatmoleküle, die sich beispielsweise im Randbereich (innen oder außen) der Krümmung aufhalten auf dem Weg entlang des geraden Abschnitts durch Diffusion auf diePreferably, the bends follow one another directly and are not separated by straight sections. However, it is also possible to provide straight sections in a column according to the invention. These should preferably be arranged in such a way that the changes in direction are completely compensated for before the straight section. Otherwise there is a risk that the analyte molecules, which are located, for example, in the edge area (inside or outside) of the bend, will be transferred to the

jeweils andere Seite des Trennkanals bewegen und so eine Defokussierung des Analysatpakets bewirken.other side of the separation channel and thus cause a defocusing of the analyte package.

Die Schenkel der Schlingen der Trennsäule sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Eine solche Geometrie ist einfacher in der Herstellung als beispielsweise eine gewinkelte Anordnung. Besonders bevorzugt liegen Krümmungen mit einer bestimmten Krümmungsrichtung auf einem Schenkel den Krümmungen mit identischer Krümmungsrichtung auf dem benachbarten Schenkel gegenüber, so daß die Krümmungen auf einer gemeinsamen, zu einer in Längsrichtung durch den Schenkel gezogenen Achse senkrecht stehenden, Linie liegen. Durch diese Anordnung ergibt sich die Möglichkeit, die beiden Schenkel einer Schlinge nahe aneinander anzuordnen, so daß eine besonders kompakte Struktur resultiert. Zudem ist diese Ausführungsform fertigungstechnisch besonders günstig.The legs of the loops of the separation column are preferably arranged parallel to one another. Such a geometry is easier to manufacture than, for example, an angled arrangement. Particularly preferably, curves with a certain direction of curvature on one leg are opposite the curves with an identical direction of curvature on the adjacent leg, so that the curves lie on a common line that is perpendicular to an axis drawn through the leg in the longitudinal direction. This arrangement makes it possible to arrange the two legs of a loop close to one another, resulting in a particularly compact structure. In addition, this embodiment is particularly favorable in terms of manufacturing technology.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung liegen den Krümmungen mit der einen Krümmungsrichtung auf dem einen Schenkel jeweils die Krümmungen mit entgegengesetzter Krümmungsrichtung auf dem benachbarten Schenkel gegenüber.In another embodiment of the invention, the curvatures with one curvature direction on one leg are each opposite the curvatures with the opposite curvature direction on the adjacent leg.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Schenkel durch gerade Abschnitte des Kanals miteinander verbunden. Dies ist fertigungstechnisch die einfachste Lösung. Diese geraden Abschnitte werden bevorzugt so angeordnet, daß vor dem geraden Abschnitt eine vollständige Kompensation der Richtungsänderungen durch einander ausgleichende alternierende Krümmungen erfolgt ist. Statt der beschriebenen geraden Abschnitte kann es aber auch vorgesehen sein, daß die Schenkel durch weitere Krümmungen miteinander verbunden sind.In a further preferred embodiment of the invention, the legs are connected to one another by straight sections of the channel. This is the simplest solution in terms of manufacturing technology. These straight sections are preferably arranged in such a way that the changes in direction are completely compensated for by balancing alternating curves before the straight section. Instead of the straight sections described, it can also be provided that the legs are connected to one another by further curves.

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Auf diese Weise kann noch eine weitere Verlängerung der Trennsäule erreicht werden.In this way, a further extension of the separation column can be achieved.

Die erfindungsgemäße Trennsäule kann auch besonders vorteilhaft mehrfach auf einem Chip, etwa einer Halbleiterscheibe (z.B. einer Siliziumscheibe) untergebracht sein, so daß gegebenenfalls mehrere Analysen parallel - auch für unterschiedliche zu analysierende Komponenten - durchgeführt werden können. Auch eine Hintereinanderschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Trennsäulen auf einem Chip kann vorgenommen werden, ohne daß dadurch eine relevante Verschlechterung des Meßergebnisses zu befürchten ist.The separation column according to the invention can also be accommodated particularly advantageously several times on a chip, for example a semiconductor wafer (e.g. a silicon wafer), so that if necessary several analyses can be carried out in parallel - even for different components to be analyzed. Several separation columns according to the invention can also be connected in series on a chip without having to fear a significant deterioration in the measurement result.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Trennsäule mit einer stationären Phase versehen, wie sie in der DE 1972 6000 beschrieben ist. Die Ausstattung der erfindungsgemäßen Trennsäule mit einer solchen homogenen stationären Phase ist besonders wünschenswert, um die Trennleistung weiter zu verbessern. Dadurch wird auch die Verwendung verschiedener stationärer Phasen beispielsweise mit unterschiedlichen Dikken, chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften usw., insbesondere bei paralleler und/oder serieller Verschaltung mehrerer Trennsäulen auf einem Halbleiter-Chip, deutlich erleichtert. It is particularly advantageous for the separation column according to the invention to be provided with a stationary phase as described in DE 1972 6000. Equipping the separation column according to the invention with such a homogeneous stationary phase is particularly desirable in order to further improve the separation performance. This also makes it significantly easier to use different stationary phases, for example with different thicknesses, chemical and/or physical properties, etc., particularly when several separation columns are connected in parallel and/or in series on a semiconductor chip.

Die Erfindung betrifft auch einen Mikro-Chromatographen, insbesondere einen Mikro-Gaschromatographen, mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Trennsäulen. Der MikroChromatograph weist mindestens eine erfindungsgemäße Trennsäule auf. Der Mikro-Chromatographen kann aber auch mit mehr als einer Trennsäule ausgestattet sein. Bevorzugt sind die Trennsäulen dabei auf einem gemeinsamen Chip, etwa einemThe invention also relates to a micro-chromatograph, in particular a micro-gas chromatograph, with one or more separation columns according to the invention. The micro-chromatograph has at least one separation column according to the invention. However, the micro-chromatograph can also be equipped with more than one separation column. The separation columns are preferably mounted on a common chip, for example a

dabei auf einem gemeinsamen Chip, etwa einem Halbleiter-Chip, einem Silizium-Wafer oder dergleichen untergebracht.housed on a common chip, such as a semiconductor chip, a silicon wafer or the like.

In einer bevorzugten Ausführungsform des MikroChromatographen, sind die Trennsäulen jeweils mit unterschiedlichen stationären Phasen versehen. Die stationären Phasen unterscheiden sich dabei in ihren chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften, beispielsweise in ihrer Dicke, ihrer Zusammensetzung, ihren Wechselwirkungseigenschaften mit Analysatmolekülen usw. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von stationären Phasen, wie sie in der DE 19726000 beschrieben sind.In a preferred embodiment of the microchromatograph, the separation columns are each provided with different stationary phases. The stationary phases differ in their chemical and/or physical properties, for example in their thickness, their composition, their interaction properties with analyte molecules, etc. The use of stationary phases as described in DE 19726000 is particularly advantageous.

Die Trennsäulen auf dem Chip können bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Mikro-Chromatographen beispielsweise seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein. Bei serieller Verschaltung werden mindestens zwei erfindungsgemäße Trennsäulen hintereinander angeordnet, so daß ein Fluidstrom die Trennsäulen nacheinander durchströmt. Bei paralleler Verschaltung werden mindestens zwei Trennsäulen so angeordnet, daß sie von getrennten Fluidströmen durchströmt werden. Dabei kann es sich auch um einen Fluidstrom handeln, der vor den parallel geschalteten Trennsäulen geteilt wurde. Serielle und parallele Säulenschaltung können auf einem Chip bzw. Wafer auch kombiniert werden. Solche Mikro-Chromato-graphen sind insbesondere deshalb interessant, weil mit ihrer Hilfe gleichzeitige Parallelmessungen der gleichen Probenkomponente (n) und/oder gleichzeitige Messungen verschiedener Probenkomponenten möglich sind. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Trennsäule wird die Bereitstellung eines solchen Mehrfachmessgerätes möglich, ohne daß hierbei wesentliche Ab-In a particularly preferred embodiment of the micro-chromatograph, the separation columns on the chip can be connected to one another in series and/or in parallel, for example. In the case of serial connection, at least two separation columns according to the invention are arranged one behind the other so that a fluid flow flows through the separation columns one after the other. In the case of parallel connection, at least two separation columns are arranged so that separate fluid flows flow through them. This can also be a fluid flow that was divided before the parallel-connected separation columns. Serial and parallel column connections can also be combined on a chip or wafer. Such micro-chromatographs are particularly interesting because they enable simultaneous parallel measurements of the same sample component(s) and/or simultaneous measurements of different sample components. The use of the separation column according to the invention makes it possible to provide such a multiple measuring device without significant differences in the measurement data.

striche bei der Qualität der Messung, insbesondere der Trennleistung, hingenommen werden müssen.compromises in the quality of the measurement, especially the separation performance, must be accepted.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to Figures 1 to 4. It shows:

Fig. 1 Eine Draufsicht auf eine Trennsäule nach dem Stand der Technik.Fig. 1 A plan view of a separation column according to the prior art.

Fig. 2 Eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 A plan view of an embodiment of the invention.

Fig. 3 Eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
15Fig. 3 A plan view of a second embodiment of the invention.
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Fig. 4 Eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung.Fig. 4 A plan view of another embodiment of the invention.

Fig. 1 zeigt schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Trennsäule für einen Mikro-Chromatographen. Die Trennsäule 1 weist Schlingen 13 mit Schenkeln 22, 23 auf, so daß sich eine mäanderartige Struktur ergibt. Zwischen den Krümmungen 14, 21 befinden sich lange gerade Abschnitte. Bei dieser Säulengeometrie werden die Analysatmoleküle beim Durchlaufen der Krümmungen 14, 21 durch den "Rennbahn"-Effekt defokussiert, ohne daß eine entsprechende Kompensation stattfindet. Durch Diffusion verteilen sich die Analysatmoleküle auf dem geraden Abschnitt zwischen zwei Krümmungen 14, 21 zufällig über den Kanalquerschnitt, so daß ein Analysatmolekül, daß beispielsweise in der vorherigen Krümmung 14, 21 auf einer "Innenbahn" lag, bis zum Durchlaufen der folgenden Krümmung 14, 21 auf die andere Seite des Kanals wandern kann, soFig. 1 shows a schematic of a separation column for a micro chromatograph known from the prior art. The separation column 1 has loops 13 with legs 22, 23, so that a meandering structure is formed. There are long straight sections between the bends 14, 21. With this column geometry, the analyte molecules are defocused as they pass through the bends 14, 21 due to the "race track" effect, without any corresponding compensation taking place. The analyte molecules are distributed randomly over the channel cross-section by diffusion on the straight section between two bends 14, 21, so that an analyte molecule that was on an "inner track" in the previous bend 14, 21, for example, can migrate to the other side of the channel until it passes through the following bend 14, 21, so that

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daß es sich hier erneut auf einer "Innenbahn" bewegt. Dadurch, daß der Kanalquerschnitt bzw. -durchmesser kleiner ist als die Strecke, die ein Analysatmolekül durch Diffusion auf seinem Weg zwischen zwei Wendepunkten 29, 30 zurücklegt, findet eine Defokussierung des Analysatpaketes statt. Für eine solche Trennsäule nach dem Stand der Technik ist dieser Effekt besonders deutlich von Molho et al. (2 000, In: van den Berg et al. (Hrsg): Micro Total Analysis Systems 2000, S. 287-290) nachgewiesen worden.that it moves here again on an "inner track". Because the channel cross-section or diameter is smaller than the distance that an analyte molecule travels by diffusion on its way between two turning points 29, 30, a defocusing of the analyte packet takes place. For such a state-of-the-art separation column, this effect has been demonstrated particularly clearly by Molho et al. (2 000, In: van den Berg et al. (eds.): Micro Total Analysis Systems 2000, pp. 287-290).

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zwischen dem Eingang 5 und Ausgang 6 der Trennsäule 1 bildet die Trennsäule 1 Schlingen 13 (hier vier Stück) mit Schenkeln 22, 23. Der in eine Siliziumscheibe (einen Si-Wafer) mit Hilfe von Standardverfahren der Mikrosystemtechnik, beispielsweise lithographischen Verfahren, strukturierte Kanal 2 weist einen mäanderförmigen Verlauf auf. Dieser entsteht durch aufeinanderfolgende Krümmungen 3, 4. Die Krümmungen 3 weisen eine Krümmungsrichtung auf, die der der Krümmungen 4 entgegengesetzt ist. Nimmt man eine Strömungsrichtung des Fluidstroms vom Trennsäuleneingang 5 zum Trennsäulenausgang 6 an, so weisen die Krümmungen 3 in der Draufsicht eine Krümmung im Uhrzeigersinn auf, während die Krümmungen 4 eine Krümmung entgegen dem Uhrzeigersinn zeigen. An Stellen mit einem Wechsel der Krümmungsrichtung liegen Wendepunkte 7, 7a bzw. 8, 8a. Diese Wendepunkte liegen auf einer durch einen Schenkel 22, 23 gezogenen gedachten Längsachse 9. Die Krümmungen 3, 4 folgen unmittelbar aufeinander, ohne einen geraden Abschnitt dazwischen. Dadurch, daß der mittlere Durchmesser des Kanals 2 größer ist als die Strecke, die ein Analysatmolekül durch Diffusion auf seinem Weg zwischen zwei Wendepunkten (7, 7a; 8, 8a) zurücklegt, wird eine DefokussierungFig. 2 shows a preferred embodiment of the present invention. Between the inlet 5 and outlet 6 of the separation column 1, the separation column 1 forms loops 13 (here four) with legs 22, 23. The channel 2, which is structured in a silicon disk (a Si wafer) using standard microsystem technology methods, for example lithographic methods, has a meandering course. This is created by successive bends 3, 4. The bends 3 have a direction of curvature that is opposite to that of the bends 4. If one assumes a flow direction of the fluid stream from the separation column inlet 5 to the separation column outlet 6, the bends 3 have a clockwise curvature in the plan view, while the bends 4 have a counterclockwise curvature. At points where the direction of curvature changes, there are turning points 7, 7a and 8, 8a. These turning points lie on an imaginary longitudinal axis 9 drawn through a leg 22, 23. The bends 3, 4 follow one another directly, without a straight section in between. Because the average diameter of the channel 2 is larger than the distance that an analyte molecule travels by diffusion on its way between two turning points (7, 7a; 8, 8a), defocusing is avoided.

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des Analysatpakets weitgehend vermieden. Die Zahl der Krümmungen 3 entspricht bevorzugt der Zahl der entgegengesetzten Krümmungen 4, so daß eine Kompensation der Richtungsänderungen erfolgt. Bei der dargestellten Ausführungsform liegen die Krümmungen 3 in Draufsicht unmittelbar übereinander auf einer gedachten, zur Längsachse 9 senkrecht stehenden, Linie 24. Entsprechend liegen auch die Krümmungen 4 unmittelbar übereinander. Dadurch können die zueinander parallel verlaufenden Schenkel 22, 23 nahe beieinander angeordnet werden. Die Schenkel 22 sind mit dem jeweils benachbarten Schenkel 23 über gerade Kanalabschnitte 12, 19 sowie Krümmungen 10, 11 verbunden. Im Gegensatz zu den Krümmungen 3, 4 beschreiben die Krümmungen 10, 11 keinen Halbkreis, sondern lediglich einen Viertelkreis, d.h. einen Winkel von etwa 90°. Auch hier erfolgt eine weitgehende Kompensation der Richtungsänderungen. Im übrigen ist es für die Trennleistung der erfindungsgemäßen Trennsäule 1 vernachlässigbar, wenn einzelne Krümmungen 3, 4, 10, 11 etwa zum Eingang 5 und/oder Ausgang 6 der Trennsäule 1 hin keine entsprechende Kompensation erfahren.of the analyte package is largely avoided. The number of bends 3 preferably corresponds to the number of opposite bends 4, so that the changes in direction are compensated. In the embodiment shown, the bends 3 lie directly one above the other in plan view on an imaginary line 24 that is perpendicular to the longitudinal axis 9. Accordingly, the bends 4 also lie directly one above the other. This means that the legs 22, 23 that run parallel to one another can be arranged close to one another. The legs 22 are connected to the adjacent leg 23 via straight channel sections 12, 19 and bends 10, 11. In contrast to the bends 3, 4, the bends 10, 11 do not describe a semicircle, but only a quarter circle, i.e. an angle of approximately 90°. Here, too, the changes in direction are largely compensated. Furthermore, it is negligible for the separation performance of the separation column 1 according to the invention if individual bends 3, 4, 10, 11, for example towards the inlet 5 and/or outlet 6 of the separation column 1, do not experience corresponding compensation.

Die geraden Abschnitte 12, 19 sind an Stellen angeordnet, vor denen eine vollständige Kompensation der Richtungsänderungen stattgefunden hat, so daß hier der für die Säule in Fig. 1 beschriebene Effekt nicht auftreten kann. Nach dem Eintritt in die Säule beim Eingang 5 erreicht der Fluidstrom den ersten Wendepunkt 7, der den Beginn der ersten Krümmung 4 markiert. Dort erfolgt eine Richtungsänderung entgegen dem Uhrzeigersinn. Nach Durchlaufen der Krümmung 4 erreicht der Fluidstrom den ersten Wendepunkt 8, der den Beginn der ersten Krümmung 3 markiert, wo eine Richtungsänderung mit dem Uhrzeigersinn erfolgt. Die von der ersten Krümmung 4 bewirkte Richtungsänderung ist nach Durchlaufen der ersten Krümmung kompensiert. Nach dem Durchlaufen der ersten Krümmung 3 er-The straight sections 12, 19 are arranged at points before which a complete compensation of the direction changes has taken place, so that the effect described for the column in Fig. 1 cannot occur here. After entering the column at the inlet 5, the fluid flow reaches the first turning point 7, which marks the beginning of the first bend 4. There, a change in direction takes place in an anti-clockwise direction. After passing through the bend 4, the fluid flow reaches the first turning point 8, which marks the beginning of the first bend 3, where a change in direction takes place in a clockwise direction. The change in direction caused by the first bend 4 is compensated after passing through the first bend. After passing through the first bend 3,

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reicht der Fluidstrom den Wendepunkt 7a, bei dem ebenfalls eine Richtungsänderung entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt. Am Wendepunkt 8a erfolgt erneut eine Richtungsänderung mit dem Uhrzeigersinn usw. Nach Durchlaufen des Schenkels 22 der ersten Schlinge 13 durchläuft der Fluidstrom einen ersten geraden Abschnitt 12 sowie eine erste Krümmung 10, durchläuft den Schenkel 23 in einer Richtung, die der durch den Schenkel 22 entgegengesetzt ist, und tritt über eine erste Krümmung 11 und einen ersten geraden Abschnitt 19 in den Schenkel 22 der zweiten Schlinge 13 ein. Nach dem Durchlaufen der zweiten Schlinge 13 sowie zweier weiterer Schlingen 13 tritt der Fluidstrom aus dem Ausgang 6 der Säule aus und gelangt hier entweder in eine nachgeschaltete Trennsäule 1 und/oder in einen Detektor.the fluid flow reaches the turning point 7a, where a change in direction also occurs anti-clockwise. At the turning point 8a a change in direction occurs again clockwise, etc. After passing through the leg 22 of the first loop 13, the fluid flow passes through a first straight section 12 and a first bend 10, passes through the leg 23 in a direction opposite to that through the leg 22, and enters the leg 22 of the second loop 13 via a first bend 11 and a first straight section 19. After passing through the second loop 13 and two further loops 13, the fluid flow exits the outlet 6 of the column and here either reaches a downstream separation column 1 and/or a detector.

Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. Im Unterschied zu der in Fig. 2 gezeigten Trennsäule 1 liegen die Krümmungen 3, 4 auf benachbarten Schenkeln 22, 23 nicht jeweils unmittelbar übereinander, son-0 dem so versetzt, daß auf einer gedachten, zur Achse 9 senkrecht stehenden, Linie 25 eine Krümmung 3 jeweils über einer Krümmung 4 liegt bzw. dieser benachbart ist. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform sind die Schenkel 22, 23 durch gerade Abschnitte 17, 20 miteinander verbunden, während bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform die Schenkel 22, 23 durch Krümmungen 15, 18, 16 bzw. 26, 28, 27 verbunden sind, so daß in diesen Bereichen eine kleeblattartige Struktur resultiert. Die Krümmungen 18, 28 weisen dabei einen im wesentlichen halbkreisförmigen Verlauf auf, während die Krümmungen 15, 16, 26, 27 lediglich im wesentlichen einen Viertelkreis beschreiben. Bei beiden Ausführungsformen erfolgtFigures 3 and 4 show two further preferred embodiments of the invention. In contrast to the separation column 1 shown in Figure 2, the curves 3, 4 on adjacent legs 22, 23 do not lie directly above one another, but are offset in such a way that on an imaginary line 25 perpendicular to the axis 9, a curve 3 lies above a curve 4 or is adjacent to it. In the embodiment shown in Figure 3, the legs 22, 23 are connected to one another by straight sections 17, 20, while in the embodiment shown in Figure 4, the legs 22, 23 are connected by curves 15, 18, 16 and 26, 28, 27, respectively, so that a cloverleaf-like structure results in these areas. The curves 18, 28 have a substantially semicircular shape, while the curves 15, 16, 26, 27 essentially only describe a quarter circle. In both embodiments,

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eine vollständige Kompensation der erfolgten Richtungsänderungen .a complete compensation of the changes in direction that have occurred.

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Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

1. Trennsäule1. Separation column

2. Kanal2. Channel

3. Krümmung3. Curvature

4. Krümmung4. Curvature

5. Trennsäuleneingang5. Separation column entrance

6. Trennsäulenausgang6. Separation column outlet

7. Wendepunkt 8. Wendepunkt7. Turning point 8. Turning point

9. Achse9. Axis

10.Krümmung 11.Krümmung 12.Abschnitt 13.Schlinge 14.Krümmung 15.Krümmung 16.Krümmung 17.Abschnitt 18.Krümmung 19.Abschnitt 20.Abschnitt 21.Krümmung 22.Schenkel 23.Schenkel 24.Linie10.Curve 11.Curve 12.Section 13.Loop 14.Curve 15.Curve 16.Curve 17.Section 18.Curve 19.Section 20.Section 21.Curve 22.Leg 23.Leg 24.Line

25.Linie25.Line

2 6.Krümmung 2 7.Krümmung 28.Krümmung2 6.Curvature 2 7.Curvature 28.Curvature

2 9.Wendepunkt2 9.Turning point

3 0.Wendepunkt3 0.Turning point

Claims

1. Separation column, in particular for a miniaturized gas chromatograph, with a channel ( 2 ) for a fluid stream with molecules to be analyzed (analyte molecules), the channel ( 2 ) having opposing bends ( 3 , 4 ) with turning points ( 7 , 8 ), characterized in that the average diameter of the channel ( 2 ) is larger than the distance that an analyte molecule travels by diffusion on its way between two turning points ( 7 , 7a ; 8 , 8a ).

2. Separation column according to claim 1, characterized in that the average diameter of the channel ( 2 ) is at least ten times larger than the distance which an analyte molecule travels by diffusion on its way between two turning points ( 7 , 7a ; 8 , 8a ).

3. Separation column according to one of the preceding claims, characterized in that the number of turning points ( 7 , 7a ) is equal to the number of turning points ( 8 , 8a ).

4. Separation column according to one of the preceding claims, characterized in that the separation column ( 1 ) has at least one loop ( 13 ), on the legs ( 22 , 23 ) of which the curvatures ( 3 , 4 ) are provided.

5. Separation column according to one of the preceding claims, characterized in that the bends ( 3 , 4 ) follow one another directly.

6. Separation column according to one of claims 4 or 5, characterized in that the legs ( 22 , 23 ) run essentially parallel.

7. Separation column according to claim 6, characterized in that the curvatures ( 3 ) on the legs ( 22 , 23 ) lie opposite one another, so that the curvatures ( 3 ) lie on a common line ( 24 ) perpendicular to an axis 9 drawn in the longitudinal direction through the leg ( 22 ).

8. Separation column according to claim 6, characterized in that the curvatures ( 3 ) on the leg ( 22 ) are each opposite the curvatures ( 4 ) on the adjacent leg ( 23 ).

9. Separation column according to one of the preceding claims, characterized in that the legs ( 22 , 23 ) are connected by straight sections ( 12 , 19 , 17 , 20 ).

10. Separation column according to one of claims 1 to 8, characterized in that the legs ( 22 , 23 ) are connected to one another by bends ( 15 , 18 , 16 , 26 , 27 , 28 ).

11. Micro-chromatograph, in particular micro-gas chromatograph, characterized in that the micro-chromatograph has at least one separation column ( 1 ) according to one of claims 1 to 10.

12. Micro-chromatograph according to claim 11, characterized in that the micro-chromatograph has several separation columns ( 1 ) on a common semiconductor chip, in particular a silicon chip.

13. Micro-chromatograph according to claim 12, characterized in that the separation columns ( 1 ) are each provided with stationary phases which have different chemical and/or physical properties.

14. Micro-chromatograph according to one of claims 12 or 13, characterized in that the separation columns ( 1 ) on the chip are connected to one another in series and/or in parallel.