CH679952A5

CH679952A5 -

Info

Publication number: CH679952A5
Application number: CH90690A
Authority: CH
Inventors: Andreas Dr Manz
Original assignee: Ciba Geigy Ag
Priority date: 1990-03-20
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1992-05-15
Also published as: JPH04221764A; DE4105107A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Durch-fluss-Analysesystem, insbesondere ein Fliess-In-jektions-Analysesystem gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In seiner breitesten Bedeutung bezieht sich der Ausdruck kontinuierliches Durchfluss-Analysesy-stem auf jede Art von Analysesystem, bei dem kontinuierlich chemische und physikalische Kenngrös-sen, insbesondere Konzentrationen einer Probe in einem Flüssigkeits- oder Gasstrom bestimmt werden. Dabei werden die Proben zusammen mit dem Flüssigkeits- oder Gasstrom durch ein Leitungssystem zu einem Detektor transportiert. Je nach Art des Detektors und der daran angeschlossenen Auswerteeinheit und Auswerteroutinen erhält man Angaben über den pH-Wert, die Leitfähigkeit, spek-tralphotometrische Kenngrössen und andere physikalische oder chemische Kenngrössen. Insbesondere erlaubt die Kenntnis dieser Grössen auch Rückschlüsse auf die Konzentration der Probe. Der Wunsch nach einer Reduktion des Probenvolumens bei gleichbleibender Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Analyse führte zu sogenannten Fliess-Injektions-Analysesystemen, kurz FIA-Sy-stemen. Bei diesen FIA-Systemen wird die Probe portionsweise einem Trägermedium zugesetzt, um von diesem zum Detektor transportiert zu werden. Diverse Verfeinerungen des Verfahrens erlauben es auch, die Probe vor dem Einspritzen in das Trägermedium noch zu verdünnen, mit weiteren Reagenzien umzusetzen oder noch andere gewünschte Reaktionen und Analysen, beispielsweise Chromatographie oder Elektrophorese, durchzuführen.

In den letzten Jahren haben kontinuierliche Durchfluss-Analysesysteme vielfältige Anwendungen in Analyse- und Qualitätslabors gefunden. Im Zuge der Automatisierung von Herstellungsverfahren finden derartige Analysesysteme und inbesondere Fliess-Injektions-Analysesysteme auch Einzug in die On-Iine-Kontrolle von Herstellungsverfahren. So ist beispielsweise in der EP-A 243 310 ein Verfahren zur Steuerung und Optimierung von Herstellungsverfahren von Textilveredlungsmitteln und Textilausrüstmitteln und deren Zwischenprodukten unter Anwendung der Methode der Fliess-Injek-tions-Analyse beschrieben. Mit Hilfe der Fliess-In-jektions-Analyse werden dabei beispielsweise optimale Verfahrensendpunkte gesteuert; Konzentrationsmengen der Reaktionsprodukte werden über Rückkoppelschleifen zur Steuerung der Konzentration der Ausgangsprodukte benutzt usw.

Bei all den bislang bekannten und verwendeten kontinuierlichen Durchfiuss-Analysesystemen und insbesondere bei den Fliess-Injektions-Analysesy-steme werden das Trägermedium (üblicherweise ein Flüssigkeitsstrom), die Probe und gegebenenfalls ein Lösungsmittel und weitere Reagenzien mit Hilfe von Pumpen durch Kapillarensysteme zum Detektor gepumpt. Die Probe wird über Ventile dem Flüssigkeitsstrom zugesetzt. In den Fällen, in denen die Probe vor dem Einspritzen noch vorbehandelt, verdünnt oder umgesetzt wird, sind noch weitere Ventile und Pumpen vorgesehen, um kontrollierte Umsetzungsbedingungen zu schaffen. Die Steuerung aller Ventile und der Pumpen muss sehr genau erfolgen, insbesondere bei der Fliess-Injektions-Analy-se muss der Zeitablauf exakt eingehalten werden, um eine möglichst genaue Reproduzierbarkeit der Analyse zu gewährleisten. Der Pumpenbetrieb muss auf den Ventilbetrieb abgestimmt sein, insbesondere bei intermittierenden Durchfiuss-Analysesystemen müssen die Stop/Go-Intervalle genauestens mit den Steuerzeiten für die Ventile gekoppelt sein. Intermittierende Durchfluss-Analysesysteme werden insbesondere auch dort eingesetzt, wo es erwünscht ist, dass die Probe vor oder während ihrer Analyse mit dem Flüssigkeitsstrom oder darin enthaltenen Reagenzien reagiert. Der Stop/Go-Be-trieb dient dabei der Verlängerung der Reaktionszeit. Vorteilhaft bei derartigen Analysesystemen ist insbesondere, dass die Probe auch innerhalb eines als Durchflusszelle ausgebildeten Detektors gestoppt werden kann. So ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, eine Absorptionsanalyse als Funktion der Reaktionszeit zwischen der Probe und dem Flüssigkeitsstrom durchzuführen.

Voraussetzung für derartige Analysen sind Pumpen mit kurzen Hochlauf- und Stoppzeiten und variablen Pumpleistungen. Die üblicherweise eingesetzten peristaltischen Pumpen weisen an sich kurze Ansprechzeiten auf, auch kann man sie relativ gut regeln. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung derartiger, aber auch anderer mechanischer Pumpen besteht jedoch darin, dass jede Pumpe zu einem mehr oder weniger gepulsten Durch-fluss führt. Die Durchflussbedingungen durch das Kapillarsystem und den Detektor sind nicht mehr völlig kontinuierlich, durch die mechanischen Pumpbewegungen beispielsweise der Membranen oder der Kolben der Pumpen entstehen Stosswellen, die sich durch das Kapillarsystem fortpflanzen. Dadurch kann es zu unvorhersehbaren Verdünnungen der Probe im Flüssigkeitsstrom kommen, bei einem Stop/Go-Betrieb sind keine eindeutigen Still-standszustände mehr erstellbar, die Messergebnisse können vielfach verfälscht werden und sind oft nur mehr schwer reproduzierbar. Durch den Betrieb der mechanischen Ventile werden diese Effekte noch verstärkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kontinuierliches Durchfluss-Analysesy-stem, insbesondere ein Fliess-Injektions-Analy-sesystem dahingehend zu verbessern, dass vorstehend genannte Nachteile behoben sind. Darüber hinaus soll durch die erfindungsgemässe Ausbildung des Durchfluss-Analysesystems die Voraussetzung für eine Miniaturisierung, insbesondere für eine On-Chip-Integration eines derartigen Durchfluss-Analysesystems geschaffen werden.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die erfindungsgemässe Ausbildung eines kontinuierlichen Durchfluss-Analysesystems, insbesondere eines Fliess-Injektions-Analysesystems, gemäss Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausbildungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Im folgenden wird die Erfindung mit ihren ihr als wesentlich zugehörenden Einzelheiten anhand meh5

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rerer beispielsweiser Ausführungsformen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schemati-scher Darstellung:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine Prinzipskizze einer Chip-Version des Durchfluss-Analysesystems,

Fig. 4 ein Layout eines Analysechips,

Fig. 5a und 5b je ein Layout der beiden aneinan-dergeklappten Hälften des Analysechips aus Fig. 4 und

Fig. 6 den Injektionsbereich aus Fig. 5a in ver-grössertem Massstab.

Das in Fig. 1 dargestellte Durchfluss-Analysesy-stem umfasst ein Kapillarsystem 1 mit Zuleitungen 11 für ein Trägermedium C und eine zu untersuchende Probe P und mit Abflüssen 21 für das Gemisch W aus Probe P und Trägermedium C und einen mit dem Kapillarsystem 1 in Verbindung stehenden Detektor 6. Die Zuleitungen 11 münden in Reservoirs 2 und 3 für das Trägermedium C bzw. für die Probe P. Die Abflüsse 21 münden in Auffangbehältnisse 4 und 5 für das Gemisch W aus Probe P und Trägermedium C. Die Einspeisung der Probe P in das Trägermedium C erfolgt an einer Verzweigung 12 des Kapillarsystems 1, die in Transportrichtung T des Trägermediums C zum Detektor 6 gesehen vorzugsweise stromaufwärts des Detektors 6 angeordnet ist. Eine weitere Verzweigung 13 im Kapillarsystem 1 ist in Transportrichtung T des Trägermediums C zum Detektor 6 gesehen gleichfalls stromaufwärts des Detektors 6 nach der Verzweigung 12 vorgesehen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine irrtümlich oder falsch in das Trägermedium C eingespeiste Probe P zusammen mit einem geringen Volumen des Trägermediums C wieder aus dem Kapillarsystem 1 entfernt werden, ohne den Detektor 6 passieren zu müssen. Auch ist es möglich, auf diese Weise den Einspeisebereich 12 in das Kapillarsystem 1 zu spülen, indem das Trägermedium C vom Reservoir 2 zum Auffangbehälter 4 transportiert wird. Selbstverständlich erfolgt dabei an der Verzweigung 12 keine Einspeisung der Probe P in das Trägermedium C.

Soweit entspricht der Aufbau des Durchfluss-Analysesystems im wesentlichen den bislang bekannten Systemen. Der Transport des Trägermediums C und der Probe P würde bei diesen konventionellen Systemen mit Hilfe von Pumpen, üblicherweise mit Membranpumpen erfolgen, was zu den eingangs erwähnten Problemen führt. Auch wären bei einem Durchfluss-Analysesystem konventioneller Bauart die Verzweigungen 12 und 13 als Ventile ausgebildet, hier beispielsweise als Dreiwegventile mit all ihren Nachteilen in steuerungstechnischer Hinsicht und bezüglich der Durchflussbedingungen im Kapillarsystem 1.

Erfindungsgemäss weist daher das Durchfluss-Analysesystem, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Elektrodensystem auf, wobei jedem Behältnis 2, 3, 4 oder 5 eine Elektrode 7, 70, 71 bzw. 72 zugeordnet ist, die in die jeweilige Flüssigkeit P, C bzw. W eintaucht. Die Elektroden 7,70,71,72 sind über Kabel 10 mit einer oder mehreren Spannungsquellen 9 verbunden. Auf diese Weise kann zwischen beliebigen Elektroden ein elektrisches Feld angelegt werden, so dass der Transport des Trägermediums C und der Probe P segmentweise zwischen denjenigen Elektroden erfolgt, zwischen denen das elektrische Feld angelegt ist. Das Kapillarsystem 1 wird somit in einzelne Segmente unterteilt, denen jeweils Elektroden 7 zugeordnet sind. Zur Erleichterung des Umschaltens des elektrischen Feldes zwischen den einzelnen Elektroden 7, 70, 71 bzw. 72, sind zwischen den Elektroden und der mindestens einen Spannungsquelle 9 ein oder mehrere Trennschalter 8 angeordnet. Insbesondere sind der oder die Trennschalter 8 derart ausgebildet, dass ein sukzessives Anlegen des elektrischen Feldes an die einzelnen Segmente des Kapillarsystems 1 zur Festlegung der Transportrichtung T des Trägermediums C und der Probe P zum Detektor 6 möglich ist. Für den Fachmann, der berücksichtigt, dass für den Transport des vorzugsweise wässrigen Trägermediums C und der Probe P Feldstärken von etwa 200 V/cm bis etwa 10 000 V/cm nötig sind, ist die normgerechte und sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechende Ausbildung derartiger Trennschalter 8 selbstverständlich, so dass hier darauf verzichtet werden kann, den Aufbau derartiger Trennschalter 8, die üblicherweise Relais und Schütze umfassen, zu erläutern.

Vorzugsweise sind die Spannungsquellen 9 regelbar, um über variable Feldstärken variable Transportgeschwindigkeiten des Trägermediums C und der Probe P im Kapillarsystem 1 zu ermöglichen.

Durch geeignete Auswahl der Elektroden, zwischen denen das elektrische Feld angelegt werden soll, wird das Kapillarsystem 1 in wenigstens drei Segmente unterteilt. Diese einzelnen Segmente sind im Fall des anhand Fig. 1 dargestellten Prinzips als Füllkreislauf 2-1-4, als Injektionskreislauf 3-1-5 und als Analysekreislauf 2-1-5 ausgebildet. Der Füllkreislauf 2-1-4 wird dadurch erstellt, dass ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode 7 im Reservoir 2 für das Trägermedium C und der Elektrode 71 im Auffangbehältnis 4 für das Gemisch W aus Trägermedium C und Probe P angelegt wird. Auf diese Weise wird das Kapillarsystem 1 etwa bis zur Verzweigung 13 mit frischem Trägermedium C gefüllt. Der Injektionskreislauf 3-1-5 wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen der Elektrode 70 des Probenreservoirs 3 und der Elektrode 72 des in Durchflussrichtung T nach dem Detektor 6 angeordneten Auffangbehälters 5 erstellt. Auf diese Weise wird an der Verzweigung 12 ein bestimmtes Probenvolumen in das Trägermedium C eingespeist bzw. injiziert, solange das Feld zwischen den Elektroden 70 und 72 aufrechterhalten wird. Aufgrund dieses Injektionsvorganges wird diese Art von Durchfluss-Analysesystemen auch als Fliess-Injektions-Analysesystem bezeichnet. Der Analysekreislauf 2-1-5 schliesslich wird dadurch erstellt, dass ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden 7 und 72 angelegt wird. Auf diese Weise wird das Trägermedium C zusammen mit dem injizier5

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ten Probenvolumen zum Detektor 6 transportiert und anschliessend weiter in den Auffangbehälter 5. Das Anlegen der elektrischen Felder zwischen den einzelnen Elektroden erfolgt vorzugsweise in einem vorbestimmten zeitlichen Takt, so dass in ganz bestimmten zeitlichen und damit auch räumlichen Abständen entweder nur reines Trägermedium C oder eine in das Trägermedium injizierte Portion der Probe P den Detektor 6 erreicht. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das Detektorsignal immer auf einen zuvor kalibrierten «Nullpegel» zurückkehren kann, bevor eine neue Portion Probe P eintrifft. Die Steuerung des eingespeisten Probenvolumens kann über die zeitliche Dauer des angelegten Feldes zwischen den Elektroden 70 und 72 des Einspeisekreislaufes erfolgen. Durch die Regelung der Spannungsquelle(n) 9 kann auch auf einfache Art die jeweilige Feldstärke geregelt werden, und somit kann die Durchflussgeschwindigkeit des Trägermediums C und der Probe P durch das Kapillarsystem 1 gesteuert werden. Insbesondere erlaubt die Regelung der Durchflussgeschwindigkeit auch eine einfache Realisierung des erwähnten Stop/Go-Betrie-bes. Bei als Durchflusszellen ausgebildeten Detektoren 6 kann die Probe P einfach innerhalb der Zelle gestoppt werden, um auch «längere» Messungen an einem quasi-stationären Probenvolumen durchzuführen. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Absorptionsanalyse der Probe P als Funktion der Reaktionszeit der Probe P mit dem Trägermedium C durchgeführt werden.

Durch den Transport des Trägermediums C und der Probe P mit Hilfe von elektrischen Feldern ergeben sich praktisch keine Verzögerungen beim Starten und Stoppen der Medien, die Felder wirken praktisch augenblicklich. Pumpbewegungen und Stosswellen im Trägermedium C oder der Probe P, welche bei mechanischen Pumpen oft als Folge der Bewegungen der Kolben oder der Membranen auftreten, entfallen. Als besonders vorteilhaft erweist sich aber auch, dass die Verzweigungen 12 bzw. 13 des Kapillarsystems 1 nicht als Ventile ausgebildet sein müssen. Da ein Transport des Trägermediums C bzw. der Probe P jeweils nur in den mit einem elektrischen Feld beaufschlagten Segmenten erfolgt, müssen die übrigen Bereiche nicht mehr durch Ventile abgekoppelt werden. Die Entkopplung eines bestimmten Bereiches des Kapillarsystems 1 vom restlichen System durch Versperren eines bestimmten Durchflussweges ist nicht mehr nötig. Die Verzweigungen 12 und 13 sind daher vorzugsweise als einfache T-Stücke ausgebildet und vorzugsweise in das Kapillarsystem 1 integriert.

Die erfindungsgemässe Ausbildung des Durchfluss-Analysesystems erlaubt auch eine einfache Fernsteuerbarkeit des Messvorganges. Die Span-nungsquelle(n) 9 und die Trennschalter 8 sowie die Auswerteeinheit können fernab des eigentlichen Analysesytems angeordnet sein. Eine Datenleitung 66 verbindet dabei den Detektor 6 mit der Auswerteeinheit (nicht dargestellt).

In Fig. 2 ist das Prinzip eines etwas modifizierten Durchfluss-Analysesystems dargestellt. Insbesondere weist dieses etwas komplexere Fliess-Injek-tions-Analysesystem noch weitere Verzweigungen

17,18 und 19 des Kapillarsystems 1 auf. Über diese Verzweigungen 17,18,19 steht das Kapillarsystem 1 mit weiteren Reservoirs und Auffangbehältnissen 14,15 bzw. 16 in Verbindung, die weitere Reagenzien R, Lösungsmittel oder Verdünnungsmittel beinhalten. Jedem Reservoir und Behältnis 14, 15 und 16 sind wiederum Elektroden 73, 74, 75 usw. zugeordnet, welche durch Kabel 10, vorzugsweise über einen oder mehrere Trennschalter 8, mit einer oder mehreren, vorzugsweise regelbaren, Spannungsquellen 9 verbunden sind. Auf diese Weise kann das erweiterte Kapillarsystem 1 durch geeignete Auswahl der Elektroden, zwischen denen jeweils die elektrischen Felder angelegt werden, noch in weitere Misch-, Umsetz- und/oder Reaktionsstrecken unterteilt werden. In diesen Bereichen kann beispielsweise die Leitfähigkeit des Trägermediums C durch Zugabe weiterer Substanzen verändert werden, oder die Probe P vor der Injektion nach Wunsch gemischt, verdünnt oder mit einem weiteren Reagens R umgesetzt werden, um die Anwendungsvielfalt des Durchfluss-Analysesystems zu erhöhen. Diese zusätzlichen Verzweigungen könnten auch dazu benutzt werden, das Kapillarsystem 1 zu spülen und zu reinigen. Beispielsweise könnte gemäss Fig. 2 ein Spülkreislauf 14-1-5 dadurch erstellt werden, dass ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode 73 in einem Spülmittelreservoir 14 und der Elektrode 72 im Auffangbehältnis 5 ausgangs des Kapillarsystems 1 angelegt wird.

Die Innendurchmesser der Kapillaren des Kapillarsystems 1 betragen üblicherweise etwa 0,5-200 um. Als Materialien für die Kapillaren kommen üblicherweise sogenannte «Fused Silica» zum Einsatz. Die Elektroden 7, 70, 71, 72, 73, 74, 75 sind üblicherweise aus Platin, welches auch agressive-ren Substanzen gegenüber eine sehr gute Resistenz aufweist. Der Detektor 6 ist vorzugsweise als Durchflussküvette ausgebildet. Derartige Durchflussküvetten 6 sind für verschiedenste Arten von Messungen erhältlich, beispielsweise für Leitfähigkeitsmessungen, Potentialmessungen oder Reaktivitätsmessungen. Besonders vorteilhaft für Fliess-Injektions-Analysesysteme ist es jedoch, wenn der Detektor 6 zur Bestimmung spektralpho-tometrischer Kenngrössen oder zur Bestimmung von pH-Werten ausgebildet ist.

In Fig. 3 ist das Prinzip einer verkleinerten Version eines kontinuierlichen Durchfluss-Analysesystems, insbesondere ein sogenanntes H-Fliess-Injektions-Analysesystem, dargestellt. Dieses n-Fliess-Injektions-Analysesystem um-fasst einen Analysechip 50, der in Glas oder auf ein- oder polykristallinem Siliziumplättchen erstellt ist. Insbesondere weist der Analysechip 50 das Kapillarsystem 1 mit Anschlüssen 110 und 210 für die Zuleitungen 11 und die Abflüsse 21 und mit den Verzweigungen 12, 13,17,18,19 auf sowie dem Kapillarsystem 1 zugeordnete Elektroden 71, 72, 74 und 78. Vorzugsweise werden das Kapillarsystem 1 und die Elektroden auf photolithographische Weise in pla-narer Chip-Technologie erstellt. Die Anschlüsse 110 und 210 für die Zuleitungen 11 und die Abflüsse 21 sind vorzugsweise im Boden oder in der Deckfläche des Chips 50 ausgebildet. Über Leitungen 11 und 21,

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welche vorzugsweise als Kapillaren ausgebildet sind, ist der Analysechip 50 an Reservoirs 2, 16 für das Trägermedium C und etwaige weitere Reagenzien R und mit einem Auffangbehältnis 5 für das Gemisch W aus Trägermedium C und Probe P angeschlossen. Elektroden 7, 75 und 72 sind mit den Reservoirs und Behältnissen einerseits, und vorzugsweise über einen oder mehrere Trennschalter 8 mit einer Spannungsquelle 9 andererseits elektrisch verbunden. Als Verbindungsleitungen sind Kabel 10 vorgesehen. Eine mehrpolige Leitung 10 verbindet auch die Elektroden des Analysechips 50 mit der Spannungsquelle 9, vorzugsweise ebenfalls über den bzw. die dazwischengeschalteten Trennschalter 8. Gemäss der Prinzipdarstellung in Fig. 3 taucht der Analysechip 50 in das Reservoir 3 mit der zu untersuchenden Probe P ein. Ein Anschluss 111 dient als Eintrittsöffnung für die Probe P in das Kapillarsystem 1. Das Reservoir 3 muss nicht, wie dargestellt, ein abgeschlossener Behälter sein. Der Analysechip könnte auch beispielsweise innerhalb eines Bypass-Rohres einer Produktleitung angeordnet sein. Der Transport des Trägermediums C, etwaiger Reagenzien R und der Probe P zum Analysechip 50, der Transport im Kapillarsystem 1 zum Detektor und der Transport wieder weg vom Analysechip 50 in das Auffangbehältnis 5 erfolgt wiederum mit Hilfe von elektrischen Feldern, die jeweils zwischen den Elektroden ausserhalb und den Elektroden innerhalb des Analysechips 50 angelegt werden.

In Fig. 4 ist ein Layout einer beispielsweisen Ausbildungsform des Analysechips 50 dargestellt. Deutlich erkennbar sind die innerhalb des Chips angeordneten Elektroden 71, 72,74 und 78, die jeweils etwa senkrecht einen Ast des Kapillarsystems 1 kreuzen. Ebenfalls erkennbar sind die als Bohrungen ausgebildeten Anschlüsse 110, 210 für die Zuleitungen 11 bzw. die Abflüsse 21. Vorzugsweise sind die Zu- und Ableitungskapillaren 11,21 in diese Anschlüsse 110, 210 einsteckbar. Die Elektroden 71, 72, 74 und 78 kreuzen in unmittelbarer Umgebung der Anschlüsse 110 und 210 die jeweiligen Äste des Kapillarsystems 1.

Der in Fig. 4 dargestellte Analysechip 50 weist drei Detektoren 6 auf, die den eigentlichen Analyseast des Kapiflarsystems kreuzen. Auf diese Weise können nach verschiedenen Laufzeiten der Probe P Messungen gemacht werden und zusätzliche Informationen über die Probe P gewonnen werden. Die Detektoren 6 und die Elektroden 71, 72, 74, 78 sind mit Kontaktierflächen 76 bzw. 77 verbunden, weiche als Verbindung nach aussen dienen. Die Kontaktierung der Kontaktflächen erfolgt dabei auf an sich aus der Herstellung integrierten Schaltkreise bekannte Art und Weise. Vorzugsweise werden als Verbindungsdrähte Platindrähte gewählt.

Der Analysechip 50 wird üblicherweise auf einen Bausteinträger konventioneller Bauart, wie er auch aus der Fertigung von integrierten Schaltkreisen bekannt ist, geklebt oder sonstwie befestigt und sodann innerhalb eines flüssigkeitsdichten Keramikoder Kunststoffgehäuses angeordnet.

Der beispielsweise Analysechip 50 aus Fig. 4 ist in den Fig. 5a und 5b mit seinen aneinandergeklapp-

ten Chiphälften 51 und 52 dargestellt. Die Chiphälfte 51 in Fig. 5a weist das vorzugsweise photolithographisch erstellte Kapillarsystem 1 und den Anschluss 111 für den Probeneintritt auf. Das Kapillarsystem 1 ist als System von Gräben ausgebildet, deren Tiefe etwa 5 um bis etwa 30 um, vorzugsweise etwa 15 um beträgt und deren Breite etwa 10 (im bis etwa 1 mm beträgt. Es ist klar erkennbar, dass das Kapillarsystem 1 zwei Bereiche mit unterschiedlich dimensionierten Gräben aufweist. Die eingangs-seitigen Gräbenbereiche 101, die sich von den Zuleitanschlüssen 110 bis zu den Verzweigungen 12, 17, 18 und 19 erstrecken, an denen die Reagenzien R, das Trägermedium C und die Probe P zusammengeführt werden, sind wesentlich breiter und tiefer ausgebildet als die übrigen Grabenbereiche 102 des Kapillarsystems 1. Insbesondere beträgt das Verhältnis des Querschnittes der eingangsseitigen Gräben 101 zu dem der übrigen Gräben 102 von etwa 10:1 bis etwa 1000:1, insbesondere etwa 100:1. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der eigentliche Transportwiderstand, den die transportierten Medien C, P, R im Kapillarsystem 1 erleiden, erst nach dem Zusammenfuhren, bzw. nach der Injektion der Probe P in den Gräbenbereichen 102 mit geringerem Querschnitt auftritt.

In Fig. 6 ist der Injektionsbereich aus Fig. 5a in vergrössertem Massstab dargestellt. Die Probe P gelangt durch den Eintrittsanschluss 111 in das Kapillarsystem 1, insbesondere bereits in den Bereich 102 mit kleineren Gräbenquerschnitten. An der Verzweigung 17 wird die Probe P mit einem ersten Reagens R zusammengeführt und gelangt sodann im dargestellten Ausführungsbeispiel in eine erste Reaktionskammer 103. In dieser beispielsweise etwa rechteckig ausgebildeten Vertiefung wird die Probe P mit dem Reagens R verdünnt oder umgesetzt oder ähnliches. An der Verzweigung 19 wird die derart behandelte Probe P beispielsweise mit einem weiteren Reagens zusammengeführt und damit in einer Reaktionskolonne 104 gut vermischt oder verdünnt. Wie beispielsweise dargestellt ist diese Reaktionskolonne 104 zick-zack-förmig ausgebildet. Die derart weiterbehandelte Probe wird schliesslich an der Verzweigung 12 in das Trägermedium C injiziert. Die Probe P wird sodann beispielsweise im Trägermedium C elektrophoretisch aufgetrennt und zu den Detektoren 6 transportiert. Die Verzweigungen 18 und 13 und auch die im vorliegenden Beispiel als Vierwegkreuzung ausgebildete Verzweigung 12 führen in Kapillarabschnitte, über die die Medien C, R, P unter Umgehung der Detektoren 6 aus dem Kapillarsystem 1 wieder herausgeführt werden können. Diese Abschnitte könnten aber auch noch weitere Detektoren aufweisen, so dass beispielsweise verschiedene Reaktionsstufen einer Probe innerhalb eines Analysechips 50 analysiert oder andere Kenngrössen bestimmt werden können. Die Festlegung der Transportwege für die Medien C, R, P und somit die Festlegung der einzelnen Segmente des Kapillarsystems erfolgt wiederum durch geeignete Auswahl der Elektroden inner- und ausserhalb des Analysechips 50, zwischen denen die elektrischen Felder angelegt werden. Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel muss nur beachtet werden,

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dass die Felder immer jeweils zwischen einer innerhalb des Chips 50 befindlichen Elektrode und einer Elektrode ausserhalb des Anaiysechips 50 angelegt werden.

Fig. 5b zeigt die zweite Hälfte 52 des Analysechips 50. Diese, vorzugsweise transparent ausgebildete Chiphälfte 52 weist die Elektroden 71, 72, 74 und 78, die Detektoren 6 und die zugehörigen Kontaktierflächen 76 bzw. 77 auf. Die Elektroden und die Kontaktierflächen, aber auch die Detektoren und ihre Verbindungsleitungen zu den zugehörigen Kontaktierflächen sind als vorzugsweise photographisch erstellte Leiterbahnen ausgebildet. Diese zweite Chiphälfte 52 bildet die obere Begrenzungsfläche für die Gräben des Kapillarsystems 1. Da die Leiterbahnen zumindest in den Bereichen, in denen sie die Gräben queren mit den oftmals auch aggressiven Medien C, R, P in Berührung kommen, sind sie aus Platin. Zusätzlich sind in der zweiten Chiphälfte 52 auch noch die Bohrungen als Anschlüsse 110 und 210 für die Zuleitungen 11 und Abflüsse der Medien vorgesehen. Vorzugsweise sind diese Anschlüsse als Einstecköffnungen ausgebildet.

Die erfindungsgemässe Ausbildung eines kontinuierlichen Durchfluss-Analysesystems, insbesondere eines Fliess-Injektions-Analysesystems, erlaubt einen flexiblen Einsatz ohne die Nachteile konventioneller Systeme mit mechanischen Pumpen und Ventilen. Die Trägermedien C, Reagenzien R und Proben P auf wässriger oder auch auf Methanolbasis können auf einfache und problemlose Weise beliebig transportiert werden. Vorzugsweise beträgt der Wasseranteil bei wässrigen Medien bis 50% und mehr. Es lassen sich sehr hohe Fliessgeschwindigkeiten, beispielsweise bis zu 100 mm/s und mehr, problemlos erzielen. Die erfindungsgemässe Ausbildung erlaubt die Bestimmung verschiedenster physikalischer und chemischer Kenngrössen der zu untersuchenden Probe. Insbesondere aber kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auf einfachste Weise miniaturisiert und in automatisierte Mini- und Mikromesssysteme integriert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Kontiniuerliches Durchfluss-Analysesystem, mit einem Kapillarsystem (1) zum Transport eines wässrigen Trägermediums (C) und einer zu untersuchenden Probe (P) zu einem Detektor (6), welches Kapillarsystem (1) Zuleitungen (11) für das Trägermedium (C) und die Probe (P), Verzweigungen (12) für die Einspeisung der Probe (P) in das Trägermedium (C) sowie Abflüsse (21) für das Gemisch (W) aus Probe- und Trägermedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarsystem (1) in einzelne Segmente unterteilbar ist und dass den Segmenten Elektroden (7, 70, 71, 72) zugeordnet sind, welche über Kabel (10) derart mit einer oder mehreren Spannungsquellen (9) verbunden sind, dass ein elektrisches Feld zwischen beliebigen Elektroden (7) der einzelnen Segmente des Kapillarsystems (1) anlegbar ist.

2. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarsystem (1)

in wenigstens drei Segmente unterteilbar ist, welche als Füllkreislauf (2-1-4) zwischen einem Reservoir (2) für das Trägermedium (C) und einem Sammelbehältnis (4), als Injektionskreislauf (3-1-5) für die Probe (P) zwischen einem Probenbehältnis (3) und einem Auffangbehältnis (5) und als Analysekreislauf (2-1-5) zwischen dem Reservoir (2) und dem Auffangbehältnis (5) nach dem Detektor (6) ausgebildet sind, und dass je eine Elektrode (7, 70, 71, 72) mit dem Reservoir (2), mit dem Probebehältnis (3), mit dem Sammelbehältnis (4) und mit dem Auffangbehältnis (5) verbunden ist.

3. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung (12) für die Einspeisung der Probe (P) in das Kapillarsystem (1) in Durchflussrichtung (T) des Trägermediums (C) gesehen stromaufwärts des Detektors (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden und der mindestens einen Spannungsquelle (9) ein oder mehrere Trennschalter (8) angeordnet sind, welche ein sukzessives Anlegen des elektrischen Feldes an die einzelnen Segmente des Kapillarsystems (1) erlauben.

5. Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärken zwischen den jeweiligen zwei Elektroden regelbar sind.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquellen (9) regelbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarsystem (1) weitere Verzweigungen (17, 18, 19) aufweist und mit weiteren Reservoirs und Auffangbehältnissen (14, 15, 16) für Lösungsmittel und Reagenzien (R, W) in Verbindung steht, denen jeweils weitere Elektroden (73, 74, 75, 78) zugeordnet sind, die mit einer oder mehreren Spannungsquellen (9) derart verbunden sind, dass zwischen beliebigen Elektrodenkombinationen elektrische Felder anlegbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (6) als Durchflussküvette ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (6) zur Bestimmung von spektralpho-tometrischen Kenngrössen, von pH-Werten, von Leitfähigkeiten oder anderen physikalischen oder chemischen Kenngrössen ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als integrierter Analysechip (50) ausgebildet ist, mit in planarer Chiptechnologie erstelltem Kapillarsystem (1) mit Verzweigungen (12, 13,17,18,19) und Anschlüssen (110,210) und mit einem photolithographisch erstellten und dem Kapillarsystem (1) zugeordneten Elektrodensystem.

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