DE69535176T2

DE69535176T2 - Miniaturisierte, flache kolonnen zur anwendung in einer vorrichtung zur trennung von flüssigen phasen

Info

Publication number: DE69535176T2
Application number: DE69535176T
Authority: DE
Inventors: Patrick Kaltenbach; A. Sally Los Altos SWEDBERG; E. Klaus WITT; Fritz Bek; S. Laurie Belmont MITTELSTADT
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-10-19
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: JPH09508706A; EP0734282A1; EP0734281A1; DE69535259D1; WO1996012545A1; EP0734281B1; EP0734282A4; US6033628A; US6093362A; EP0734281A4; US6264892B1; JP3631758B2; DE69535176D1; US5658413A; EP0734282B1; WO1996012546A1; DE69535259T2; US5882571A; US5804022A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Technologie von miniaturisierten planaren Säulen zur Flüssigphasenanalyse und insbesondere auf die Herstellung von Mikrostrukturen in neuartigen Trennungsunterstützungsmedien unter Verwendung von Laserablationstechniken. Die Mikrostrukturen finden Anwendung bei einem beliebigen Analysesystem, das bei kleinen und/oder makromolekularen gelösten Stoffen in der Flüssigphase durchgeführt werden kann und das chromatographische oder elektrophoretische Mittel der Trennung einsetzen kann.
Hintergrund der Erfindung
Bei einer Probenanalyseinstrumentenausrüstung uns insbesondere bei Trennungssystemen, wie z. B. Flüssigchromatographie- und Kapillarelektrophoresesystemen, führen kleinere Abmessungen im Allgemeinen zu verbesserten Leistungscharakteristika und führen gleichzeitig zu verringerten Produktions- und Analysekosten. Miniaturisierte Trennungssysteme liefern einen wirksameren Systementwurf, führen zu einem geringeren Mehraufwand und ermöglichen eine erhöhte Analysegeschwindigkeit, einen verringerten Proben- und Lösungsmittelverbrauch und die Möglichkeit einer erhöhten Erfassungseffizienz.
Dementsprechend sind mehrere Lösungsansätze zur Miniaturisierung für eine Flüssigphasenanalyse in der Technik entwickelt worden; der herkömmliche Lösungsansatz, der eine gezogene Quarzglaskapillare (fused silica capillary) verwendet, und ein sich entwickelnder Lösungsansatz, der eine Siliziummikrobearbeitung verwendet.
Bei der herkömmlichen miniaturisierten Technologie wurde die Instrumentenausrüstung nicht größenmäßig reduziert; stattdessen wurde die Trennungsfachgröße erheblich reduziert. Beispielsweise wurde eine Mikrosäulenflüssigchromatographie (μLC) beschrieben, bei der Säulen mit Durchmessern von 100 – 200 μm verglichen mit früheren Säulendurchmessern von etwa 4,6 mm verwendet werden.
Ein weiterer Lösungsansatz zur Miniaturisierung ist die Verwendung von Kapillarelektrophorese (CE), die eine Trennungstechnik mit sich bringt, die in Kapillaren von 25 bis 100 μm Durchmesser ausgeführt wird. Es wurde gezeigt, dass CE als ein Verfahren zur Trennung einer Vielzahl von großen und kleinen gelösten Stoffen nützlich ist. J. Chromatog. 218: 209 (1981); Analytical Chemistry 53: 1298 (1981).
Ein großer Nachteil der oben angeführten Lösungsansätze zur Miniaturisierung umfasst die chemische Aktivität und chemische Instabilität von Siliziumdioxid-(SiO₂) Substraten, wie z. B. Silika, Quarz oder Glas, die gewöhnlich sowohl bei CE- als auch μLC-Systemen verwendet werden. Insbesondere sind Siliziumdioxidsubstrate als Hochenergieoberflächen gekennzeichnet und adsorbieren viele Verbindungen, insbesondere Basen, stark. Die Verwendung von Siliziumdioxidmaterialien bei Trennungssystemen ist ferner aufgrund der chemischen Instabilität dieser Substrate eingeschränkt, da die Auflösung von SiO₂-Materialien unter basischen Bedingungen (bei pHs von mehr als 7,0) zunimmt.
Um einige der wesentlichen Einschränkungen von herkömmlichen μLC- und CE-Techniken zu vermeiden und um eine noch größere Reduzierung von Trennungssystemgrößen zu ermöglichen, gibt es einen Trend zum Liefern von planarisierten Systemen, die Kapillartrennungsmikrostrukturen aufweisen. In dieser Hinsicht wurde eine Herstellung von miniaturisierten Trennungssystemen beschrieben, die eine Herstellung von Mikrostrukturen in Silizium durch Mikrobearbeitung oder mikrolithographische Techniken umfasst. Es sei z. B. ver wiesen auf: Fan u. a., Anal. Chem. 66(1): 177 – 184 (1994); Manz u. a., Adv. in Chrom. 33: 1 – 66 (1993); Harrison u. a., Sens. Actuators, B B10(2): 107 – 116 (1993); Manz u. a., Trends Anal. Chem. 10(5): 144 – 149 (1991); und Manz u. a., Sensors and Actuators B (Chemical) B1(1-6): 249 – 255 (1990).
Die Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken, um Trennungssysteme in Silizium herzustellen, liefert den praktischen Vorteil eines Ermöglichens einer Massenproduktion derartiger Systeme. In dieser Hinsicht existiert eine Anzahl von etablierten Techniken, die durch die Mikroelektronikindustrie entwickelt worden sind, die eine Mikrobearbeitung von planaren Materialien, wie z. B. Silizium, umfassen, und dieselben liefern einen nützlichen und anerkannten Lösungsansatz zur Miniaturisierung. Beispiele für die Verwendung derartiger Mikrobearbeitungstechniken, um miniaturisierte Trennungsbauelemente auf Silizium- oder Borsilikatglaschips zu erzeugen, sind zu finden in dem U.S.-Patent Nr. 5,194,133 für Clark u. a., U.S.-Patent Nr. 5,132,012 für Miura u. a., in dem U.S.-Patent Nr. 4,908,112 für Pace und in dem U.S.-Patent Nr. 4,891,120 für Sethi u. a.
Obwohl eine Siliziummikrobearbeitung bei der Herstellung von miniaturisierten Systemen auf einer einzigen Oberfläche nützlich ist, liegen erhebliche Nachteile für die Verwendung dieses Lösungsansatzes beim Erzeugen des Analysebauelementabschnitts eines miniaturisierten Trennungssystems vor.
Eine Siliziummikrobearbeitung ist nicht geeignet zum Erzeugen eines hohen Grades an Ausrichtung zwischen zwei geätzten oder maschinenbearbeiteten Stücken. Dies hat eine negative Wirkung auf die Symmetrie und die Form eines Trennungskanals, der durch Mikrobearbeitung gebildet wird, was wiederum einen Trennungswirkungsgrad beeinflussen kann. Auch wird eine Abdichtung von mikrobearbeiteten Silizium oberflächen allgemein unter Verwendung von Haftmitteln ausgeführt, die gegenüber einem Angriff durch Trennungsbedingungen anfällig sein können, die durch Flüssigphasenanalysen bewirkt werden. Außerdem wird unter Oxidierungsbedingungen eine Silikaoberfläche auf dem Siliziumchipsubstrat gebildet. Somit ist eine Siliziummikrobearbeitung grundsätzlich durch die Chemie von SiO₂ beschränkt. Dementsprechend ist ein Bedarf an einem verbesserten miniaturisierten Trennungssystem geblieben, das in der Lage ist, die inhärenten Nachteile von herkömmlichen Miniaturisierungs- und Siliziummikrobearbeitungstechniken zu vermeiden.
Die JP-A-62087858 bezieht sich auf eine Kapillarsäule, die eine Basisplatte und eine Abdeckungsplatte aufweist. Eine Oberfläche der Basisplatte ist mit langen kleinen Rillen ausgestattet. Eine Abdeckungsplatte ist auf die Oberfläche, die mit den Rillen ausgestattet ist, laminiert, um Kapillarsäulendurchgänge zwischen der Basisplatte und der Abdeckungsplatte zu bilden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein miniaturisiertes planares Säulenbauelement zur Verwendung bei einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung.
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein miniaturisiertes Säulenbauelement zu liefern, das in einem im Wesentlichen planaren Substrat laserablatiert ist, wobei das Substrat aus einem Material besteht, das ausgewählt ist, um die inhärente chemische Aktivität und pH-Instabilität zu vermeiden, die bei Silizium- und Siliziumdioxid-basierten Substraten angetroffen werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein bauelementinternes Reservoir oder ein Zusatz- bzw. Ausgleichsflussfach in einem miniaturisierten planaren Säulenbauelement zu schaffen, was eine verbesserte säuleninterne Analyse oder Erfassung von Komponenten in einer Flüssigprobe ermöglicht. Es ist eine damit in Beziehung stehende Aufgabe der Erfindung, ein Säulenbauelement zur Flüssigphasenanalyse zu schaffen, das eine optionale Erfassungseinrichtung in kompakter Form aufweist.
Es ist eine weitere damit in Beziehung stehende Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, komplexe Probenhandhabungs-, Trennungs- und Erfassungsverfahren mit verringerter Technikerhandhabung oder -wechselwirkung durchzuführen. Somit findet die vorliegende Erfindung eine potentielle Anwendung beim Überwachen und/oder bei der Analyse von Komponenten bei industriellen chemischen, biologischen, biochemischen und medizinischen Prozessen und dergleichen.
Die miniaturisierten planaren Säulenbauelemente können bei einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung verwendet werden, die eine verbesserte Einrichtung zur Flüssigkeitshandhabung einschließlich verschiedener Probeneinspritzeinrichtungen aufweist. Somit wird ein miniaturisiertes Säulenbauelement geliefert, das eine Einrichtung aufweist, um mit einer Vielzahl von externen Flüssigkeitsreservoirs eine Schnittstelle zu bilden. Ein bestimmter Systementwurf ist ebenfalls bereitgestellt, der ermöglicht, dass eine Vielzahl von Einspritzverfahren ohne weiteres für die planare Struktur angepasst wird, wie z. B. Druckeinspritzen, hydrodynamisches Einspritzen oder elektrokinetisches Einspritzen.
Eine optionale Haltereinrichtung ist hier beschrieben und ist nützlich zum Liefern eines Strukturträgers für ein miniaturisiertes Säulenbauelement, das darin angeordnet ist. Die Haltereinrichtung ermöglicht ferner die Schnittstelle einer Vielzahl von zugeordneten Kanal- oder Lichtleitereinrichtungen mit einem Säulenbauelement. Außerdem ist eine Probeneluattröpfchenerzeugungs- und Ausstoßeinrichtung bereitgestellt, um bei der Extraktion und Sammlung eines Probeneluats von einem miniaturisierten Säulenbauelement behilflich zu sein. Optionale Nachsäulensammlungsbauelemente sind ebenfalls beschrieben, die mit der Flüssigphasentrennungsvorrichtung zusammenwirken, um das Probeneluat zu sammeln.
Ein besonderer Vorteil, der durch die Erfindung geliefert wird, ist die Verwendung von anderen Prozessen als Siliziummikrobearbeitungstechniken oder Ätztechniken, um miniaturisierte Säulen in einer großen Vielzahl von Polymer- und Keramiksubstraten zu erzeugen, die erwünschte Attribute für einen Analyseabschnitt eines Trennungssystems aufweisen. Ein miniaturisiertes planares Säulenbauelement wird hier durch ein Ablatieren von Komponentenmikrostrukturen in einem Substrat unter Verwendung von Laserstrahlung gebildet. Bevorzugt wird ein miniaturisiertes Säulenbauelement durch ein Bereitstellen von zwei im Wesentlichen planaren Hälften, in die Mikrostrukturen laserablatiert sind, gebildet, die, wenn die beiden Hälften aufeinandergefaltet werden, ein Trennungsfach definieren, das eine verbesserte Symmetrie und Axialausrichtung aufweist.
Die Verwendung von Laserablationstechniken, um miniaturisierte Bauelemente zu bilden, liefert mehrere Vorteile gegenüber früheren Ätz- und Mikrobearbeitungstechniken, die beim Erzeugen von Systemen in Silizium- oder Siliziumdioxidmaterialien verwendet werden. Die Fähigkeit des Ausübens von strenger rechnergestützter Kontrolle über Laserablationsprozesse ermöglicht, dass eine Mikrostrukturbildung mit großer Präzision ausgeführt wird, wodurch ein erhöhter Grad an Ausrichtung bei Strukturen ermöglicht wird, die durch Komponententeile gebildet sind. Der Laserablationsprozess vermeidet auch Probleme, die bei mikrolithographischen isotropen Ätztechniken angetroffen werden, die eine Maskierung während eines Ätzens unterschneiden können, was asymmetrische Strukturen hervorruft, die gekrümmte Seitenwände und flache Basen aufweisen.
Laserablation ermöglicht ferner die Erzeugung von Mikrostrukturen mit im hohem Maße verringerter Komponentengröße. Mikrostrukturen, die gemäß dem Verfahren der Erfindung gebildet werden, können Seitenverhältnisse aufweisen, die mehrere Größenordnungen höher sind, als es unter Verwendung von früheren Ätztechniken möglich ist, wodurch eine verbesserte Trennungsfähigkeit geliefert wird. Die Verwendung von Laserablationsprozessen, um Mikrostrukturen in bestimmten Typen von Substraten, z. B. Polymersubstraten, zu bilden, vereinfacht die Herstellung und senkt die Herstellungskosten verglichen mit früheren Lösungsansätzen, wie z. B. einem Mikrobearbeiten von Bauelementen in Silizium. Bauelemente, die unter Verwendung von kostengünstigen Polymersubstraten gebildet werden, können auch einmal verwendbar sein.
Eine Laserablation bei planaren Substraten ermöglicht ferner die Bildung von Mikrostrukturen fast jeder beliebigen Geometrie oder Form. Dieses Merkmal ermöglicht nicht nur die Bildung von komplexen Bauelementkonfigurationen, sondern ermöglicht auch eine Integration von Probenvorbereitungs-, Probeneinspritzungs-, Nachsäulenreaktions- und Erfassungseinrichtungen bei einem miniaturisierten Gesamtanalysesystem.
Die Kompaktheit des laserablatierten Analyseabschnitts und die Fähigkeit, integrierte Funktionen, wie z. B. Flüssigkeitseinspritzung, Probenhandhabung, Erfassung und Probeneluatausstoß, in die vorliegenden Bauelemente einzubauen, um eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung zu liefern, ermöglicht auch den integrierten Entwurf von Systemhardware, um eine in hohem Maße verringerte Systemstandfläche zu erreichen.
Die Erfindung betrifft somit inhärente Schwächen von früheren Lösungsansätzen zur Flüssigphasentrennungsbauelementminiaturisierung und Probleme beim Verwenden von Siliziummikrobearbeitungstechniken, um miniaturisierte Säulenbauele mente zu bilden. Dementsprechend offenbart die vorliegende Erfindung ein miniaturisiertes Säulenbauelement zur Verwendung bei einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Vielzahl von Flüssigphasenanalysen bei einem breiten Feld von Flüssigkeitsproben durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Grundrissansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein bauelementinternes Reservoir umfasst.
2 ist eine Grundrissansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein bauelementinternes Reservoir aufweist, das durch die Ausrichtung einer Reservoireinrichtung gebildet ist, die an zwei gegenüberliegenden planaren Oberflächen eines einzigen flexiblen Substrats gebildet ist.
3 ist eine Grundrissansicht einer äußeren Oberfläche eines miniaturisierten Säulenbauelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine optionale Betätigungseinrichtung aufweist, die über einem bauelementinternen Reservoirfach angeordnet ist.
4 ist eine Bilddarstellung des miniaturisierten Säulenbauelements von 3.
5 ist eine Querschnittsansicht der Betätigungsvorrichtung von 3, die entlang der Linien V-V vorgenommen ist und eine optionale Membran zeigt, die zwischen dem Reservoir und der Betätigungseinrichtung eingefügt ist.
6 ist eine Grundrissansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das ein bauelementinternes Zusatzflussfach umfasst, das in der gleichen planaren Oberfläche wie ein Trennungsfach gebildet ist.
7 ist eine Grundrissansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das ein bauelementinternes Zusatzflussfach aufweist, das an einer anderen planaren Oberfläche als ein Trennungsfach gebildet ist.
8 ist eine Grundrissansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das eine optionale Probeneinführungseinrichtung aufweist, die in einem planaren Substrat ablatiert ist.
9 ist eine Grundrissansicht des miniaturisierten Säulenbauelements von 8, das eine Abdeckungsplatte aufweist, die über dem planaren Substrat ausgerichtet ist.
10 ist eine Bilddarstellung eines miniaturisierten planaren Säulenbauelements und zeigt eine bevorzugte Konfiguration von koplanaren Trennungs- und Zusatzflussfächern.
11 ist eine Bilddarstellung einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung, die das Bauelement von 10 und eine extern angeordnete Einspritzeinrichtung umfasst, die mit dem Säulenbauelement eine Schnittstelle bildet.
12 ist eine Querschnittsansicht der Einspritzeinrichtung von 11, die entlang der Linien XII-XII vorgenommen ist.
13 ist eine Bilddarstellung eines miniaturisierten planaren Säulenbauelements, das dem Bauelement von 10 ähnlich ist.
14 ist eine Bilddarstellung einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung, die das Bauelement von 13 und eine extern angeordnete Mehrpositionsverteilereinrichtung umfasst, die mit dem Säulenbauelement eine Schnittstelle bildet.
15A ist eine Bilddarstellung der Vorrichtung von 14, wobei die Verteilereinrichtung in einer ersten Position relativ zu dem Säulenbauelement angeordnet ist.
15B ist eine Bilddarstellung der Vorrichtung von 14, wobei die Verteilereinrichtung in einer zweiten Position relativ zu dem Säulenbauelement angeordnet ist.
15C ist eine Bilddarstellung der Vorrichtung von 14, wobei die Verteilereinrichtung zu einer ersten Position relativ zu dem Säulenbauelement zurückgekehrt ist.
16 ist eine Grundrissansicht eines miniaturisierten Säulenbauelements, das eine alternative Probeneinführungseinrichtung aufweist, die in einem planaren Substrat ablatiert ist.
17 ist eine Grundrissansicht des miniaturisierten Säulenbauelements von 16, das eine Abdeckungsplatte aufweist, die über dem planaren Substrat ausgerichtet ist.
18 ist eine Bilddarstellung einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung, die das Bauelement von 17 und eine extern angeordnete Mehrpositionsvertei lereinrichtung umfasst, die mit dem Säulenbauelement eine Schnittstelle bildet.
19 ist eine Querschnittsansicht des Mehrpositionsverteilers von 18, die entlang der Linien XIX-XIX vorgenommen ist.
20 ist eine Querschnittsansicht einer Haltereinrichtung, die ein miniaturisiertes Säulenbauelement aufnimmt und die Schnittstelle einer zugeordneten Lichtleitereinrichtung mit einer Erfassungseinrichtung bei dem Säulenbauelement ermöglicht.
21 ist eine Bilddarstellung einer Haltereinrichtung, die eine ringförmige Erhebung aufweist, die angepasst ist, um mit einer zugeordneten Kanal- oder Lichtleitereinrichtung zusammenzuwirken.
22 ist eine Bilddarstellung einer Haltereinrichtung, die eine Öffnung aufweist, die angepasst ist, um mit einer zugeordneten Kanal- oder Lichtleitereinrichtung zusammenzuwirken.
23 ist eine Bilddarstellung einer optionalen Einrichtung zum Erzeugen und Ausstoßen eines Probeneluattröpfchens aus einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung.
24 ist eine Bilddarstellung der Schnittstelle der Einrichtung zum Erzeugen und Ausstoßen eines Probeneluattröpfchens und der Vorrichtung.
25 ist eine Querschnittsansicht der Einrichtung zum Erzeugen und Ausstoßen eines Probeneluattröpfchens von 23, die entlang der Linien XXV-XXV vorgenommen ist.
26A-26D sind Bilddarstellungen im Querschnitt, die die Erzeugung und den Ausstoß eines Probeneluattröpfchens aus einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung zeigen.
27 ist eine Grundrissansicht einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung, die eine alternative Einrichtung zum Erzeugen und Ausstoßen eines Probeneluattröpfchens aufweist, die über elektrische Kontakte betätigt wird.
28 ist eine Querschnittsdarstellung der Vorrichtung von 27, die entlang der Linien XXVIII-XXVIII vorgenommen ist.
29 ist eine Bilddarstellung im Querschnitt einer optionalen Einrichtung zum Sammeln eines Probeneluattröpfchens von einem miniaturisierten Säulenbauelement oder einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung.
30 ist eine Bilddarstellung im Querschnitt einer alternativen Einrichtung zum Sammeln eines Probeneluattröpfchens von einem miniaturisierten Säulenbauelement oder einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung.
31 ist eine Bilddarstellung einer alternativen Einrichtung zum Sammeln eines Probeneluattröpfchens von einem miniaturisierten Säulenbauelement oder einer Flüssigphasentrennungsvorrichtung, wobei die Probensammeleinrichtung relativ zu dem Bauelement oder der Vorrichtung drehbar ist.
32 ist eine Bilddarstellung der Probensammeleinrichtung von 31, die optionale Probensammelmikrowannen aufweist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass diese Erfindung nicht auf die bestimmten Komponententeile der beschriebenen Bauelemente oder die Prozessschritte der beschriebenen Verfahren beschränkt ist, da derartige Bauelemente und Verfahren variieren können. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die hier verwendete Terminologie nur zu Zwecken eines Beschreibens bestimmter Ausführungsbeispiele dient und nicht einschränkend sein soll. Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Singularformen „ein, eine, einer" und „der, die, das", wie dieselben in der Beschreibung und den angehängten Ansprüchen verwendet werden, Pluralbezüge umfassen, wenn der Kontext es nicht deutlich anders vorgibt. Somit umfasst z. B. eine Bezugnahme auf „einen Analyten" Mischungen von Analyten, eine Bezugnahme auf „eine Erfassungseinrichtung" umfasst zwei oder mehr derartige Erfassungseinrichtungen und so weiter.
In dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen wird Bezug genommen auf eine Anzahl von Begriffen, die definiert sein sollen, um die folgenden Bedeutungen zu haben:
Der Begriff „Substrat" wird hier verwendet, um sich auf ein beliebiges Material zu beziehen, das UV-adsorbierend ist, in der Lage ist, laserablatiert zu werden, und bei dem es sich nicht um Silizium oder ein Siliziumdioxidmaterial, wie z. B. Quarz, Quarzglas oder Glas (Borsilikate), handelt. Dementsprechend werden miniaturisierte Säulenbauelemente hier unter Verwendung von geeigneten Substraten gebildet, wie z. B. laserablatierbare Polymere (einschließlich Polyimide und dergleichen) und Keramiken (einschließlich Aluminiumoxide und dergleichen). Ferner werden miniaturisierte Säulenbauelemente hier unter Verwendung von zusammengesetz ten Substraten, wie z. B. Laminaten, gebildet. Ein „Laminat" bezieht sich auf ein zusammengesetztes Material, das aus mehreren unterschiedlichen verbundenen Schichten des gleichen oder unterschiedlicher Materialien gebildet ist. Ein besonders bevorzugtes zusammengesetztes Substrat weist ein Polyimidlaminat auf, das aus einer ersten Schicht Polyimid, wie z. B. Kapton^®, das von DuPont (Wilmington, Delaware) erhältlich ist, gebildet ist, die mit einer zweiten, dünnen Schicht aus einer thermischen haftenden Form von Polyimid koextrudiert wurde, das als KJ^® bekannt ist, das von DuPont (Wilmington, Delaware) erhältlich ist. Diese Thermoplasthaftschicht kann sich auf einer oder beiden Seiten der ersten Polyimidschicht befinden, wodurch eine Laminatstruktur einer beliebigen gewünschten Dicke geliefert wird.
Wie derselbe hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Erfassungseinrichtung" auf eine beliebige Einrichtung, Struktur oder Konfiguration, die es ermöglicht, eine Probe in dem Trennungsfach unter Verwendung von analytischen Erfassungstechniken, die in der Technik bekannt sind, abzufragen. Somit umfasst eine Erfassungseinrichtung eine oder mehr Öffnungen oder Rillen, die mit dem Trennungsfach verbunden sind und ermöglichen, dass eine externe Erfassungsvorrichtung oder ein -bauelement mit dem Trennungsfach eine Schnittstelle bildet, um einen Analyten zu erfassen, der durch das Fach hindurchgeht.
Durch die Anordnung von zwei Erfassungseinrichtungen, die einander relativ zu dem Trennungsfach gegenüberliegen, wird ein „Erfassungsweg" gebildet, der eine Erfassung von Analyten, die durch das Trennungsfach hindurchgehen, unter Verwendung von Erfassungstechniken ermöglicht, die in der Technik bekannt sind.
Ein „optischer Erfassungsweg" bezieht sich auf eine Konfiguration oder Anordnung einer Erfassungseinrichtung, um einen Weg zu bilden, wodurch eine elektromagnetische Strah lung in der Lage ist, sich von einer externen Quelle zu einer Einrichtung zum Empfangen von Strahlung zu bewegen, wobei die Strahlung das Trennungsfach durchläuft und durch die Probe oder getrennte Analyten in der Probe, die durch das Trennungsfach fließt, beeinflusst werden kann. Ein optischer Erfassungsweg wird hier durch ein Positionieren eines Paars von Erfassungseinrichtungen gebildet, die einander relativ zu dem Trennungsfach direkt gegenüberliegen. Bei dieser Konfiguration können Analyten, die durch das Trennungsfach hindurchgehen, über eine Transmission von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennungsfaches (und dementsprechend orthogonal zu der Richtung eines elektroosmotischen Flusses bei einer elektrophoretischen Trennung) erfasst werden. Eine Vielzahl von externen optischen Erfassungstechniken können ohne weiteres eine Schnittstelle mit dem Trennungsfach bilden, wobei ein optischer Erfassungsweg verwendet wird, der UV/Vis-, Nahes-IR-, Fluoreszenz-, Brechungsindex-(RI) und Raman-Techniken umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Wie es hier verwendet wird, bezieht sich eine „transparente Substanz" auf die Fähigkeit der Substanz, Licht unterschiedlicher Wellenlängen durchzulassen, wobei diese Fähigkeit bei einer bestimmten Substanz als der Prozentsatz an Strahlung gemessen werden kann, der eine Distanz von einem Meter eindringt. Somit ist bei der Erfindung eine „transparente Lage" definiert als eine Lage einer Substanz, die für spezifische Typen von Strahlung oder interessierende Partikel durchlässig ist. Transparente Lagen, die insbesondere bei der Erfindung im Kontext von optischen Erfassungskonfigurationen verwendet werden, sind aus Materialien wie z. B. Quarz, Saphir, Diamant und Quarzglas gebildet, jedoch nicht darauf beschränkt.
Ein „Erfassungsschnittpunkt" bezieht sich auf eine Konfiguration, bei der eine Mehrzahl von Erfassungseinrichtungen, die mit dem Trennungsfach verbunden sind, an einem bestimmten Ort in dem Trennungsfach zusammenlaufen. Eine Anzahl von Erfassungstechniken kann gleichzeitig bei einer Probe oder einem getrennten Analyten an dem Erfassungsschnittpunkt durchgeführt werden. Ein Erfassungsschnittpunkt wird gebildet, wenn sich eine Mehrzahl von Erfassungswegen kreuzt, oder wenn eine Erfassungseinrichtung, wie z. B. eine Öffnung, mit dem Trennungsfach an im Wesentlichen dem gleichen Punkt wie ein Erfassungsweg verbunden ist. Die Probe oder ein getrennter Analyt kann somit unter Verwendung einer Kombination von UV/Vis- und Fluoreszenztechniken, optischen und elektrochemischen Techniken, optischen und elektrischen Techniken oder ähnlichen Kombinationen analysiert werden, um hochempfindliche Erfassungsinformationen zu liefern. Es sei z. B. verwiesen auf Beckers u. a. 1988) J. Chromatogr. 452:591-600; und U.S.-Patent Nr. 4,927,265 für Brownlee.
Die Verwendung von Laserablationstechniken ermöglicht eine präzise Ausrichtung von Mikrokomponenten und -strukturen. Eine derartige Ausrichtung war bislang bei früheren Silizium- oder Glassubstrat-basierten Bauelementen entweder schwierig oder nicht möglich. Somit bezieht sich der Begriff „Mikroausrichtung", wie derselbe hier verwendet wird, auf die präzise und genaue Ausrichtung von laserablatierten Merkmalen, einschließlich der verbesserten Ausrichtung von komplementären Mikrokanälen oder Mikrofächern miteinander, Einlass- und/oder Auslasstoren mit Mikrokanälen oder Trennungsfächern, Erfassungseinrichtungen mit Mikrokanälen oder Trennungsfächern, Erfassungseinrichtungen mit anderen Erfassungseinrichtungen und dergleichen.
Der Begriff „Mikroausrichtungseinrichtung" ist hier definiert, um sich auf eine beliebige Einrichtung zum Sicherstellen der präzisen Mikroausrichtung von laserablatierten Merkmalen bei einem miniaturisierten Säulenbauelement zu beziehen. Eine Mikroausrichtungseinrichtung kann bei den Säulenbauelementen entweder durch Laserablation oder andere Verfahren zum Herstellen von geformten Stücken gebildet werden, wobei diese Verfahren in der Technik bekannt sind.
Eine repräsentative Mikroausrichtungseinrichtung, die hier verwendet werden kann, umfasst eine Mehrzahl von koaxial angeordneten Öffnungen, die in Komponententeilen laserablatiert sind, und/oder eine Mehrzahl von entsprechenden Merkmalen bei Säulenbauelementsubstraten, z. B. Vorsprünge und zusammenpassende Vertiefungen, Rillen und zusammenpassende Stege oder dergleichen. Die genaue Mikroausrichtung von Komponententeilen kann durch ein Bilden der miniaturisierten Säulen in flexiblen Substraten, die zumindest eine Falteinrichtung aufweisen, die darin laserablatiert ist, bewirkt werden, derart, dass Abschnitte des Substrats gefaltet werden können, um über anderen Abschnitten zu liegen, wodurch zusammengesetzte Mikrofächer gebildet werden, Merkmale wie z. B. Öffnungen oder Erfassungseinrichtungen mit Trennungsfächern ausgerichtet werden, oder Mikrotrennungsfächer aus Mikrokanälen gebildet werden. Eine derartige Falteinrichtung kann durch eine Reihe von beabstandeten Perforationen, die in einem bestimmten Substrat ablatiert sind, beabstandeten schlitzartigen Vertiefungen oder Öffnungen, die ablatiert sind, um sich nur teilweise durch das Substrat zu erstrecken, ausgeführt sein. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, diamantförmige, sechseckige oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimmten geraden Linie fördern.
Der Begriff „Flüssigphasenanalyse" wird verwendet, um sich auf eine beliebige Analyse zu beziehen, die bei einem gelösten Stoff in der Flüssigphase ausgeführt wird. Dementsprechend umfasst eine „Flüssigphasenanalyse", wie dieselbe hier verwendet wird, chromatographische Trennungen, elektrophoretische Trennungen und elektrochromatographische Trennungen.
„Chromatographische" Prozesse weisen allgemein bevorzugte Trennungen von Komponenten auf und umfassen Umkehrphasen-, Hydrophobwechselwirkungs-, Ionenaustausch-, Molekularsiebchromatographie- und ähnliche Verfahren.
„Elektrophoretische" Trennungen beziehen sich auf die Migration von Partikeln oder Makromolekülen, die eine elektrische Nettoladung aufweisen, wobei die Migration durch ein elektrisches Feld beeinflusst wird. Dementsprechend umfassen elektrophoretische Trennungen Trennungen, die bei Säulen durchgeführt werden, die mit Gelen gepackt sind (wie z. B. Polyacrylamid, Agarose und Kombinationen derselben), sowie Trennungen, die in Lösung durchgeführt werden.
„Elektrochromatographische" Trennungen beziehen sich auf Trennungen, die unter Verwendung einer Kombination von elektrophoretischen und chromatographischen Techniken bewirkt werden. Exemplarische elektrochromatographische Trennungen umfassen Trennungen mit gepackten Säulen unter Verwendung von elektromotorischer Kraft (Knox u. a. (1987) Chromatographia 24: 135; Knox u. a. (1989) J. Liq. Chromatogr 12: 2435; Knox u. a. (1991) Chromatographia 32: 317) und elektrophoretische Mizellartrennungen (Terabe u. a. (1985) Anal. Chem. 57: 834 – 841).
Der Begriff „Bewegungskraft" wird verwendet, um sich auf eine beliebige Einrichtung zum Bewirken einer Bewegung einer Probe entlang einer Säule bei einer Flüssigphasenanalyse zu beziehen, und umfasst ein Anlegen eines elektrischen Potentials über einen beliebigen Abschnitt der Säule, ein Anlegen einer Druckdifferenz über einen beliebigen Abschnitt der Säule oder irgendeine Kombination derselben.
Der Begriff „Laserablation" wird verwendet, um sich auf einen Maschinenbearbeitungsprozess unter Verwendung eines Hochenergiephotonenlasers, wie z. B. eines Excimer-Lasers, zu beziehen, um Merkmale in einem geeigneten Substrat zu ablatieren. Der Excimer-Laser kann z. B. von dem F₂-, ArF-, KrCl-, KrF- oder XeCl-Typ sein.
„Optional", wie es hier verwendet wird, bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Merkmal oder die nachfolgend beschriebene Struktur bei dem miniaturisierten Säulenbauelement vorhanden sein kann oder nicht, oder dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand auftreten kann oder nicht; und dass die Beschreibung Fälle umfasst, bei denen ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Struktur vorhanden ist, sowie Fälle, bei denen das Merkmal oder die Struktur nicht vorhanden ist, oder Fälle, bei denen das Ereignis oder der Umstand auftritt, und Fälle, bei denen dies nicht der Fall ist. Zum Beispiel soll der Ausdruck „ein Säulenbauelement, das optional eine Mikroausrichtungseinrichtung aufweist" bedeuten, dass eine Mikroausrichtungseinrichtung bei dem Bauelement vorhanden sein kann oder nicht, und dass die Beschreibung beide Umstände umfasst, bei denen eine derartige Einrichtung vorhanden und nicht vorhanden ist.
Im Allgemeinen liefert jedes beliebige Substrat, das UV-absorbierend ist, ein geeignetes Substrat, bei dem Merkmale laserablatiert werden können. Dementsprechend können Mikrostrukturen von ausgewählten Konfigurationen durch ein Abbilden einer lithographischen Maske auf ein geeignetes Substrat, wie z. B. ein Polymer- oder Keramikmaterial, und dann ein Laserablatieren des Substrats mit Laserlicht in Bereichen, die nicht durch die lithographische Maske geschützt sind, gebildet werden.
Bei der Laserablation werden kurze Pulse von intensivem ultraviolettem Licht in einer dünnen Oberflächenschicht eines Material bis etwa 1 μm oder weniger von der Oberfläche entfernt absorbiert. Bevorzugte Pulsenergien sind größer als etwa 100 Millijoule pro Quadratzentimeter, und Pulsdauern sind kürzer als etwa eine Mikrosekunde. Unter diesen Bedingungen photodissoziiert das intensive ultraviolette Licht die chemischen Bindungen bei dem Material. Die absorbierte ultraviolette Energie ist in einem derartig kleinen Volumen von Material konzentriert, dass dieselbe die dissoziierten Fragmente rasch erhitzt und dieselben weg von der Oberfläche des Materials ausstößt. Da diese Prozesse so rasch erfolgen, ist keine Zeit dazu, dass sich Wärme in das umgebende Material ausbreitet. Folglich wird die umgebende Region nicht geschmolzen oder anderweitig beschädigt, und der Umfang von ablatierten Merkmalen kann die Form des auftreffenden optischen Strahls mit Präzision in dem Bereich von etwa einem Mikrometer nachbilden.
Obwohl hier eine Laserablation unter Verwendung eines Excimer-Lasers beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass andere Ultraviolettlichtquellen mit im Wesentlichen der gleichen optischen Wellenlänge und Energiedichte verwendet werden können, um den Ablationsprozess zu erreichen. Bevorzugt liegt die Wellenlänge einer derartigen Ultraviolettlichtquelle in dem Bereich von 150 nm bis 400 nm, um eine hohe Absorption bei dem zu ablatierenden Substrat zu ermöglichen. Außerdem sollte die Energiedichte größer als etwa 100 Millijoule pro Quadratzentimeter mit einer kürzeren Pulslänge als etwa eine Mikrosekunde sein, um einen raschen Ausstoß von ablatiertem Material mit im Wesentlichen keiner Erhitzung des umgebenden verbleibenden Materials zu erreichen. Laserablationstechniken wie z. B. diejenigen, die im Vorhergehenden beschrieben sind, wurden in der Technik beschrieben. Znotins, T. A., u. a., Laser Focus Electro Optics, (1987) S. 54 – 70; U.S.-Patent Nr. 5,291,226 und 5,305,015 für Schantz u. a.
Dementsprechend betrifft die Erfindung eine Bildung von miniaturisierten Säulenbauelementen unter Verwendung von Laserablation bei einem geeigneten Substrat. Die Säulenbauelemente werden auch unter Verwendung von Spritzgusstechniken gebildet, wobei die ursprüngliche Mikrostruktur durch einen Excimer-Laser-Aplationsprozess gebildet worden ist, oder wobei die ursprüngliche Mikrostruktur unter Verwendung eines LIGA-Prozesses gebildet worden ist.
Mikrostrukturen, wie z. B. Trennungsfächer, bauelementinterne Reservoirs, Zusatzflussfächer, Erfassungseinrichtungen und Mikroausrichtungseinrichtungen, können in einem planaren Substrat durch eine Excimer-Laserablation gebildet werden. Ein Frequenzvervielfachungs-YAG-Laser kann ebenfalls anstelle des Excimer-Lasers verwendet werden. In einem derartigen Fall kann ein komplexes Mikrostrukturmuster, das zum Praktizieren der Erfindung nützlich ist, an einem geeigneten Polymer- oder Keramiksubstrat durch ein Kombinieren eines Maskierungsprozesses mit einer Laserablationseinrichtung gebildet werden, wie z. B. bei einem Step-and-Repeat-Prozess, der Fachleuten bekannt ist.
Ein bevorzugtes Substrat weist ein Polyimidmaterial auf, wie z. B. diejenigen, die unter den Warenzeichen Kapton^® von DuPont (Wilmington, Delaware) oder Upilex^® von Ube Industries, Ltd. (Japan) erhältlich sind, obwohl das bestimmte ausgewählte Substrat ein beliebiges anderes geeignetes Polymer- oder Keramiksubstrat aufweisen kann. Polymermaterialien, die hier nützlich sind, umfassen Materialien, die aus den folgenden Klassen ausgewählt sind: Polyimid, Polycarbonat, Polyester, Polyamid, Polyetter, Polyolefin oder Mischungen derselben. Ferner kann das ausgewählte Polymermaterial in langen Streifen an einer Spule erzeugt werden, und optionale Führungslöcher entlang den Seiten des Materials können bereitgestellt sein, um das Substrat genau und sicher durch einen Step-and-Repeat-Prozess zu transportieren.
Das ausgewählte Polymermaterial wird zu einer Laserverarbeitungskammer transportiert und in einem Muster laserablatiert, das durch eine oder mehr Masken definiert ist, wobei Laserstrahlung verwendet wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel definieren derartige Masken alle ablatierten Merkmale für einen ausgedehnten Bereich des Materials, was z. B. mehrere Öffnungen (einschließlich Einlass- und Auslasstore), Reservoireinrichtungen und Trennungskanäle umfasst.
Alternativ dazu können Muster, wie z. B. das Öffnungsmuster, das Reservoirmuster, das Trennungskanalmuster usw., nebeneinander an einem gemeinsamen Maskensubstrat platziert werden, das wesentlich größer als der Laserstrahl ist. Derartige Muster werden dann sequentiell in den Strahl bewegt. Bei anderen Produktionsverfahren können eine oder mehr Masken verwendet werden, um Öffnungen durch das Substrat zu bilden, und eine andere Maske und ein anderer Laserenergiepegel (und/oder Anzahl von Laserschüssen) können verwendet werden, um Trennungskanäle und Reservoire zu definieren, die nur durch einen Teil der Dicke des Substrats gebildet werden. Das Maskierungsmaterial, das bei derartigen Masken verwendet wird, ist bevorzugt hochgradig reflektierend bei der Laserwellenlänge und weist z. B. ein dielektrisches Mehrschichtmaterial oder ein Metall, wie z. B. Aluminium, auf.
Das Laserablationssystem umfasst allgemein eine Strahllieferungsoptikeinrichtung, eine Ausrichtungsoptikeinrichtung, ein Hochpräzisions- und Hochgeschwindigkeitsmaskenshuttlesystem und eine Verarbeitungskammer, die einen Mechanismus zum Handhaben und Positionieren des Materials umfasst. Bevorzugt verwendet das Lasersystem eine Projektionsmaskenkonfiguration, wobei eine Präzisionslinse, die zwischen der Maske und dem Substrat liegt, das Excimer-Laserlicht in dem Bild des Musters, das auf der Maske definiert ist, auf das Substrat projiziert.
Es ist ohne weiteres für einen Fachmann ersichtlich, dass eine Laserablation verwendet werden kann, um miniaturisierte Trennungskanäle, Zusatzflussleitungen und Reservoire in einer großen Vielzahl von Geometrien zu bilden. Eine beliebige Geometrie, die kein Unterschneiden umfasst, kann unter Verwendung von Ablationstechniken geliefert werden, z. B. eine Modulation einer Laserlichtintensität über das Substrat, ein schrittmäßiges Bewegen des Strahls über die Oberfläche oder ein schrittmäßiges Einstellen der Fluenz und der Anzahl von Pulsen, die an jedem Ort angewendet werden, um eine entsprechende Tiefe zu steuern. Ferner werden laserablatierte Kanäle oder Leitungen, die gemäß den Verfahren der Erfindung erzeugt werden, ohne weiteres so erzeugt, dass dieselben Verhältnisse von Kanaltiefe zu Kanalbreite aufweisen, die viel größer sind, als es vorhergehend unter Verwendung von Ätztechniken, wie z. B. einem Siliziummikrobearbeiten, möglich war. Derartige Seitenverhältnisse können ohne weiteres Eins überschreiten und können sogar 10 erreichen.
Kanäle oder Leitungen eines halbkreisförmigen Querschnitts werden bevorzugt durch eine Steuerung einer Belichtungsintensität oder durch ein Vornehmen mehrerer Belichtungen, wobei der Strahl zwischen jeder Belichtung neu ausgerichtet wird, laserablatiert. Dementsprechend wird, wenn ein entsprechender halbkreisförmiger Kanal mit einem so gebildeten Kanal ausgerichtet wird, ein Trennungsfach mit einem hochgradig symmetrischen kreisförmigen Querschnitt definiert, was für einen verbesserten Fluidfluss durch das Trennungsbauelement erwünscht sein kann.
Als ein Schlussschritt bei den oben angeführten Laserablationsprozessen wird ein Reinigungsschritt durchgeführt, wobei der laserablatierte Abschnitt des Substrats unter einer Reinigungsstation positioniert wird. An der Reinigungsstation wird Abfall von der Laserablation gemäß Standardindustriepraxis entfernt.
Wie es für Praktiker auf dem Gebiet von Flüssigphasenanalysebauelementen ersichtlich ist, können die im Vorhergehenden beschriebenen Laserablationsverfahren verwendet werden, um eine große Vielzahl von miniaturisierten Bauelementen zu erzeugen.
Ein derartiges Bauelement ist in 1 dargestellt, wobei ein bestimmtes Ausführungsbeispiel eines miniaturisierten Säulenbauelements allgemein bei 2 angezeigt ist. Die minia turisierte Säule 2 ist in einem ausgewählten Substrat 4 unter Verwendung von Laserablationstechniken gebildet. Das Substrat 4 weist allgemein eine erste und eine zweite im Wesentlichen planare Oberfläche auf, die sich gegenüberliegen, die bei 6 bzw. 8 angezeigt sind, und ist aus einem anderen Material als Silizium ausgewählt, das UV-absorbierend und dementsprechend laserablatierbar ist.
Das miniaturisierte Säulenbauelement 2 weist eine Säulenstruktur auf, die auf einem Chip ablatiert ist, der in der Praxis der Erfindung aus dem Kunststoff Polyimid gebildet sein kann. Die Verwendung dieses bestimmten Substrats wird bevorzugt, da es sich basierend auf beträchtlicher Erfahrung mit den Nachteilen von Quarzglas und Forschung bezüglich Alternativen dazu erwiesen hat, dass Polyimide ein hochgradig erwünschtes Substratmaterial für den Analyseabschnitt eines Flüssigphasentrennungssystems sind. Insbesondere wurde gezeigt, dass Polyimide geringe sorptive Eigenschaften gegenüber Proteinen aufweisen, von denen es bekannt ist, dass dieselben in früheren Siliziumdioxidbasierten Trennungssystem besonders schwierig zu analysieren sind. Erfolgreiche Demonstrationen von Trennungen mit dieser schwierigen Klasse von gelösten Stoffen stellen normalerweise sicher, dass eine Trennung von anderen Klassen von gelösten Stoffen nicht problematisch ist. Da ferner Polyimid ein Kondensationspolymer ist, ist es möglich, Gruppen chemisch an die Oberfläche zu binden, was eine Vielzahl von erwünschten Oberflächeneigenschaften liefern kann, abhängig von der Zielanalyse. Anders als bei früheren Siliziumdioxid-basierten Systemen zeigen diese Bindungen mit dem Polymersubstrat eine pH-Stabilität in der basischen Region (pH 9 – 10).
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 weist das Substrat 4 einen Mikrokanal 10 auf, der in einer ersten planaren Oberfläche 6 laserablatiert ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass, obwohl der Mikrokanal 10 in einer allgemein ausgedehnten Form dargestellt wurde, Mikrokanäle, die in der Praxis der Erfindung gebildet werden, in einer großen Vielzahl von Konfigurationen ablatiert werden können, wie z. B. in einem geraden, schlangenförmigen, spiralförmigen oder beliebigen gewünschten gewundenen Weg. Ferner kann, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, der Mikrokanal 10 in einer großen Vielzahl von Kanalgeometrien, einschließlich halbkreisförmig, rechteckig, rautenförmig und dergleichen, gebildet werden, und die Kanäle können in einer großen Auswahl von Seitenverhältnissen gebildet werden. Es sei auch darauf hingewiesen, dass ein Bauelement, auf dem eine Mehrzahl von Mikrokanälen laserablatiert ist, in die Wesensart der Erfindung fällt. Der Mikrokanal 10 weist ein vorgelagertes Ende, das bei 12 angezeigt ist, und ein nachgelagertes Ende, das bei 14 angezeigt ist, auf.
Die erste planare Oberfläche 6 umfasst ferner eine bauelementinterne Reservoireinrichtung 16, die aus einem Hohlraum gebildet ist, der in der ersten planaren Oberfläche 6 laserablatiert worden ist. Der Hohlraum kann in einer beliebigen Geometrie und mit einem beliebigen Seitenverhältnis gebildet werden, eingeschränkt nur durch die Gesamtdicke des Substrats 4, um eine Reservoireinrichtung zu liefern, die ein gewünschtes Volumen aufweist. Die Reservoireinrichtung kann verwendet werden, um ein Zusatzflussfluid, eine Fluidregelfunktion zu liefern, oder um Reagenzien zum Verbessern einer Erfassung oder Trennung von Flüssigprobenbestandteilen zu liefern. Die Reservoireinrichtung 16 befindet sich über eine Fluidleiteinrichtung 18, die aus einer Leitung gebildet ist, die in der ersten planaren Oberfläche 6 laserablatiert ist, in Fluidkommunikation mit dem Mikrokanal 10.
Eine Abdeckungsplatte 20 ist über der ersten planaren Oberfläche 6 angeordnet und bildet in Kombination mit dem laserablatierten Mikrokanal 10 ein längliches Trennungsfach. Ferner bildet die Abdeckungsplatte 20 in Kombination mit der Reservoireinrichtung 16 ein Reservoirfach und bildet gleichermaßen in Kombination mit der Fluidleitein richtung 18 ein Fluidleitfach, das das Reservoirfach mit dem Trennungsfach verbindet. Die Abdeckungsplatte 20 kann aus einem beliebigen geeigneten Substrat, wie z. B. Polyimid, gebildet sein, wobei die Auswahl des Substrats nur durch ein Vermeiden von unerwünschten Trennungsoberflächen, wie z. B. Silizium- oder Siliziumdioxidmaterialien, eingeschränkt ist. Ferner kann die Abdeckungsplatte 20 befestigbar über der ersten planaren Oberfläche 6 ausgerichtet werden, um ein flüssigkeitsdichtes Trennungsfach zu bilden, indem Druckabdichtungstechniken verwendet werden, indem eine externe Einrichtung verwendet wird, um die Stücke zusammenzutreiben (wie z. B. Klemmen, Spannfedern oder zugeordnete Klemmvorrichtungen), oder indem Haftmittel verwendet werden, die in der Technik eines Verbindens von Polymeren, Keramiken und dergleichen bekannt sind.
Bei einer bestimmten Vorrichtungskonfiguration weist die Abdeckungsplatte 20 eine diskrete Komponente auf, die eine im Wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die in der Lage ist, mit der ersten planaren Oberfläche 6 des Substrats 4 eng eine Schnittstelle zu bilden. Bei einem bevorzugten Bauelement werden das Substrat und die Abdeckungsplatte jedoch in einem einzigen flexiblen Substrat gebildet. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst das flexible Substrat einen ersten und einen zweiten Abschnitt, die dem Substrat 4 und der Abdeckungsplatte 20 entsprechen, wobei jeder Abschnitt eine im Wesentlichen planare innere Oberfläche aufweist. Der erste und der zweite Abschnitt sind durch zumindest eine Falteinrichtung, die allgemein bei 26 angezeigt ist, derart getrennt, dass die Abschnitte ohne weiteres gefaltet werden können, um übereinander zu liegen. Die Falteinrichtung 26 kann eine Reihe von beabstandeten Perforationen, die in dem flexiblen Substrat ablatiert sind, eine Reihe von beabstandeten schlitzartigen Vertiefungen oder Öffnungen, die ablatiert sind, um sich nur teilweise durch das flexible Substrat zu erstrecken, oder dergleichen aufweisen. Die Perforationen oder Vertiefungen können kreisförmige, diamantförmige, sechseckige oder andere Formen aufweisen, die eine Gelenkbildung entlang einer vorbestimmten geraden Linie fördern.
Das miniaturisierte Säulenbauelement 2 von 1 kann durch ein Laserablatieren eines Mikrokanals 10, einer Reservoireinrichtung 16 und einer Fluidleiteinrichtung 18 in dem Substrat 4 gebildet werden. Ein Trennungsfach, ein Reservoirfach und ein Fluidleitfach werden dann durch ein Falten des flexiblen Substrats an der Falteinrichtung 26 derart, dass der Abdeckungsplattenabschnitt 20 den Mikrokanal, das Reservoir und die Fluidleiteinrichtung einschließt, geliefert.
Bei jedem der im Vorhergehenden beschriebenen Bauelemente kann die Abdeckungsplatte 20 auch eine Vielzahl von Öffnungen umfassen, die darin ablatiert worden sind. Insbesondere kann eine erste Öffnung angeordnet sein, um mit dem Trennungsfach (das durch die Kombination des Mikrokanals 10 und der Abdeckungsplatte 20 gebildet ist) benachbart zu dem vorgelagerten Ende 12 des Mikrokanals 10 verbunden zu sein, um ein Einlasstor 22 zu liefern. Das Einlasstor ermöglicht den Durchgang von Fluid von einer externen Quelle in das Trennungsfach, wenn die Abdeckungsplatte 20 über der ersten planaren Oberfläche 6 angeordnet ist. Eine zweite Öffnung kann gleichermaßen angeordnet sein, um mit dem Trennungsfach benachbart zu dem nachgelagerten Ende 14 des Mikrokanals 10 verbunden zu sein, um ein Auslasstor 24 zu bilden, was einen Durchgang von Fluid von dem Trennungsfach zu einer externen Aufnahmeeinrichtung ermöglicht. Dementsprechend wird ein miniaturisiertes Säulenbauelement gebildet, das einen Flussweg aufweist, der sich von einem vorgelagerten Ende des Trennungsfachs erstreckt und zu einem nachgelagerten Ende desselben geht, wodurch eine Flüssigphasenanalyse von Proben durch ein Kommunizieren von Fluiden von einer zugeordneten Quelle (nicht gezeigt) durch das Einlasstor, ein Leiten der Fluide durch das Trennungsfach und ein Ermöglichen, dass die Fluide das Trennungsfach über das Auslasstor verlassen, ausgeführt werden kann.
Eine große Vielzahl von Flüssigphasenanalyseprozeduren kann in dem vorliegenden miniaturisierten Säulenbauelement unter Verwendung von Techniken, die in der Technik bekannt sind, ausgeführt werden. Außerdem können verschiedene Einrichtungen zum Ausüben einer Bewegungskraft entlang der Länge des Trennungsfachs, wie z. B. eine Druckdifferenz oder ein elektrisches Potential, ohne weiteres über das Einlass- und Auslasstor mit dem Säulenbauelement schnittstellenmäßig verbunden werden.
Bei der bestimmten Bauelementkonfiguration, die durch 1 gezeigt ist, ermöglicht die Fluidleiteinrichtung 18 die Fluidkommunikation des Inhalts von der Reservoireinrichtung 16 in das Trennungsfach an einer Position, die im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem vorgelagerten und dem nachgelagerten Ende 12 und 14 des Trennungsmikrokanals liegt. Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl die Fluidleiteinrichtung 18 auf diese Weise gezeigt worden ist, die Fluidleiteinrichtung angeordnet sein kann, um mit dem Trennungsfach an einer beliebigen Position zwischen dem vorgelagerten und dem nachgelagerten Ende desselben oder an denselben verbunden zu sein.
Durch ein Verbinden des Fluidleitfachs mit der Mitte des Trennungsfachs kann eine Anzahl von Trennungs- oder Erfassungsverbesserungsoperationen im Verlauf einer Flüssigphasenanalyse durchgeführt werden. Insbesondere kann die Reservoireinrichtung 16 verwendet werden, um ein Flüssigreagens oder einen Farbstoff, z. B. einen Fluoreszenzindikator, zu liefern, das bzw. der in der Lage ist, die Erfassbarkeit eines Analyten oder eines Probenbestandteils zu verbessern. Ein Hinzufügen des Reagens oder des Farbstoffes in das Trennungsfach während einer Flüssigphasenanalyse ermöglicht, dass ein direkt prozessgekoppeltes Trennungswirkungsgradüberwachen unter Verwendung von Erfassungsverfahren ausgeführt wird, die in der Technik bekannt sind.
Alternativ dazu kann die Reservoireinrichtung 16 verwendet werden, um Reagenzien zu liefern, die in der Lage sind, den Wirkungsgrad einer bestimmten Flüssigphasentrennung zu verbessern. Insbesondere kann eine große Vielzahl von organischen Zusatzstoffen, oberflächenaktiven Mitteln, Ionenmitteln, anorganischen Mitteln oder dergleichen zu dem Trennungsfach hinzugefügt werden, nachdem eine Anfangstrennung ausgeführt worden ist, um einen Trennungswirkungsgrad zu erhöhen. Eine Anzahl von Variablen, die Selektivität und Auflösung bei einer Kapillarelektrophorese (CE) beeinflussen, sind bekannt, einschließlich Puffertyp, Mittel, die eine Lösungsionenstärke beeinflussen, Mittel, die eine dielektrische Konstante oder Viskosität verändern, und oberflächenaktive Mittel entweder über oder unter ihrer kritischen Mizellarkonzentration (CME). Oberflächenaktive Mittel unter der CMC können sich mit der Trennungsfachoberfläche assoziieren und somit die Selektivität des Flüssigphasentrennungssystems verändern. Die Mizellarbildung aufgrund der Verwendung von oberflächenaktiven Mitteln über der CMC kann bei einem Trennungsmechanismus, der als elektrokinetische Mizellarkapillarchromatographie (MEKC) bekannt ist, als eine Pseudo-Gepackte-Säule-Phase dienen. Geeignete oberflächenaktive Mittel für MEKC umfassen SDS und CTAB. Außerdem können chirale Selektoren (z. B. Cyclodextrine, Kronenether und dergleichen) verwendet werden, um eine verbesserte Trennung von optisch aktiven Arten zu bewirken.
Eine Anzahl von Puffertypen kann von der Reservoireinrichtung 16 geliefert werden, z. B., jedoch nicht ausschließlich, gewöhnliche organische Puffer (z. B. Acetat- oder Citratpuffer), anorganische Puffer (z. B. Phosphat- oder Boratpuffer) oder Good-Puffer (z. B. MES, ACES, MOPS, CAPS, HEPES und dergleichen). Mittel, die Lösungsionenstärke beeinflussen, wie z. B. Neutralsalze (z. B. NaCl, KCl oder LiCl), können alternativ von der Reservoireinrichtung geliefert werden. Mittel können auch von dem Reservoir geliefert werden, um die dielektrische Konstante einer Lösung in dem Trennungsfach zu beeinflussen. Geeignete Mittel umfassen gewöhnliche organische Lösungsmittel, z. B., jedoch nicht ausschließlich, MeOH, EtOH, CH₃CN und Isopropylalkohol. Ferner kann eine Anzahl von Mitteln von der Reservoireinrichtung 16 geliefert werden, um die Viskosität der Lösung zu verändern, die durch das Trennungsfach hindurchgeht, wie z. B. Methylzellulose, Dextran, Polyacrylamid, Polyethylenglycol oder Polyvinylalkohol. Mittel, die auf diese Weise verwendet werden können, um eine Oberflächenbenetzbarkeit zu verändern, umfassen neutrale oberflächenaktive Mittel (TWEEN, BRIJ oder Alkylglucoside), zwitterionische oberflächenaktive Mittel (z. B. CHAPS oder CHAPSO) und geladene oberflächenaktive Mittel (SDS oder CTAB).
Die Reservoireinrichtung 16 kann auch verwendet werden, um eine Trennung durch ein Ausüben von erhöhtem Druck auf das Trennungsfach zu optimieren, nachdem ein gelöster Stoff begonnen hat, sich zu trennen. Insbesondere kann die Reservoireinrichtung verwendet werden, um ein bekanntes Puffervolumen an einem Punkt, nachdem eine Trennung begonnen hat, an das Trennungsfach zu liefern, wodurch der Druck erhöht wird, der auf die Flüssigprobe ausgeübt wird.
Bei den im Vorhergehenden genannten Bauelementen kann auch eine optionale Einrichtung zum Kommunizieren eines Fluids von einer externen Quelle in das Reservoirfach bereitgestellt sein. Unter weiterer Bezugnahme auf die Vorrichtung von 1 ist eine Fluidleiteinrichtung 28, die eine Leitung aufweist, die in dem Substrat 4 laserablatiert ist, gezeigt, die ein erstes Ende 30 in Fluidkommunikation mit der Reservoireinrichtung 16 aufweist. Die Fluidleiteinrichtung 28 weist ein zweites Ende 32 auf, das angeordnet ist, um in Fluidkommunikation mit einer Öffnung 34 zu sein, die in der Abdeckungsplatte 20 gebildet ist und angeordnet ist, um mit der Fluidleiteinrichtung zu kommunizieren, wenn die Abdeckungsplatte in Position über dem Substrat 4 befestigt ist. Bei einem bestimmten Bauelement weist die Öffnung 34 eine Öffnung auf, die in der Abdeckungsplatte 20 laserabla tiert worden ist. Bei einem weiteren bestimmten Bauelement kann die Öffnung in der Abdeckungsplatte angeordnet sein, um sich in direkter Fluidkommunikation mit dem Reservoirfach zu befinden. Bei jeder der im Vorhergehenden beschriebenen Konfigurationen ermöglicht die Öffnung 34 jedoch eine Schnittstellenbildung einer externen Fluidquelle mit dem Reservoirfach, wodurch extern enthaltene Puffer, Reagenzien oder ähnliche Fluide zur nachfolgenden Kommunikation in das Trennungsfach in das Reservoirfach eingeführt werden können. Die externe Fluidquelle kann mit der Öffnung durch eine zugeordnete mechanische Ventilsteuerung schnittstellenmäßig verbunden sein, um eine umleitbare Fluidverbindung zu liefern. Dieses Merkmal ermöglicht, dass eine Vielzahl von Einspritzverfahren verwendet wird, um Fluide über die Öffnung 34 in das Reservoirfach einzuführen, einschließlich Druckeinspritzen, hydrodynamisches Einspritzen oder elektrokinetisches Einspritzen. Die externe Ventilsteuerungs- und Einspritzeinrichtung kann mit der Öffnung durch eine Stoßkopplung damit verbunden sein; ein beliebiges anderes geeignetes Verbindungsverfahren, das in der Technik bekannt ist, kann hier jedoch ebenfalls verwendet werden.
Unter jetziger Bezugnahme auf 2 ist ein damit in Beziehung stehendes miniaturisiertes Säulenbauelement allgemein bei 52 angezeigt. Die miniaturisierte Säule wird durch ein Bereitstellen eines Trägerkörpers 54 gebildet, der eine erste und eine zweite Komponentenhälfte aufweist, die bei 56 bzw. 58 angezeigt sind. Der Trägerkörper kann ein beliebiges im Wesentlichen planares Substrat (z. B. einen Polyimidfilm) aufweisen, das sowohl laserablatierbar als auch flexibel ist (um ein Falten nach der Ablation zu ermöglichen); das bestimmte ausgewählte Substrat wird jedoch nicht als bei der Erfindung einschränkend betrachtet.
Die erste und die zweite Komponentenhälfte 56 und 58 weisen jede im Wesentlichen planare innere Oberflächen auf, die bei 60 bzw. 62 angezeigt sind, worin miniaturisierte Säu lenmerkmale ablatiert werden können. Insbesondere wird ein erstes Mikrokanalmuster 64 in der ersten planaren inneren Oberfläche 60 laserablatiert, und ein zweites Mikrokanalmuster 66 wird in der zweiten planaren inneren Oberfläche 62 laserablatiert. Das erste und das zweite Mikrokanalmuster werden in dem Trägerkörper 54 ablatiert, um im Wesentlichen das Spiegelbild voneinander zu liefern. Auf ähnliche Weise umfasst das Säulenbauelement 52 eine erste und eine zweite Reservoireinrichtung 68 und 70, die aus Hohlräumen gebildet sind, die jeweils in der ersten und der zweiten planaren Oberfläche 60 und 62 laserablatiert sind, wobei die Hohlräume ablatiert werden, um im Wesentlichen das Spiegelbild voneinander zu liefern. Die erste und die zweite Fluidleiteinrichtung, die bei 72 und 74 angezeigt sind, sind aus Leitungen gebildet, die in der ersten und der zweiten planaren Oberfläche laserablatiert sind, wobei die Leitungen im Wesentlichen das Spiegelbild voneinander sind. Wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, ermöglicht die Fluidleiteinrichtung eine Fluidkommunikation zwischen der Reservoireinrichtung und den Mikrokanälen.
Das Säulenbauelement 52 wird durch ein Ausrichten (z. B. durch ein Falten) der ersten und der zweiten Komponentenhälfte 56 und 58 in zugewandter Anstoßung miteinander zusammengesetzt. Die erste und die zweite Komponentenhälfte werden in befestigbarer Ausrichtung miteinander gehalten, um flüssigkeitsdichte Trennungsfächer, Reservoirfächer und Fluidleitfächer unter Verwendung von Druckabdichtungstechniken, wie z. B. der Anwendung von Spannungskraft, oder durch die Verwendung von Haftmitteln, die in der Technik von Flüssigphasentrennungsbauelementen bekannt sind, zu bilden. Wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, sind die erste und die zweite Komponentenhälfte 56 und 58 durch zumindest eine Falteinrichtung, die allgemein bei 76 angezeigt ist, derart getrennt, dass die Hälften gefaltet werden können, um übereinander zu liegen. Bei besonders bevorzugten Bauelementen kann die Falteinrichtung 76 eine Reihe von beabstandeten Perforationen, die in dem flexiblen Substrat ablatiert sind, beabstandeten schlitzartigen Vertiefungen oder Öffnungen, die ablatiert sind, um sich nur teilweise durch das flexible Substrat zu erstrecken, oder dergleichen aufweisen.
Das miniaturisierte Säulenbauelement 52 umfasst ferner eine Einrichtung zum Verbinden einer zugeordneten externen Fluidaufnahmeeinrichtung (nicht gezeigt) mit dem Trennungsfach (durch die Ausrichtung der Mikrokanäle 64 und 66 gebildet), um ein Flüssigphasentrennungsbauelement zu liefern. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Öffnungen in dem Trägerkörper 54 laserablatiert sein, wobei sich die Öffnungen von zumindest einer äußeren Oberfläche des Trägerkörpers erstrecken und zumindest mit einem Mikrokanal verbunden sind, wobei die Öffnungen den Durchgang von Fluid durch dieselben ermöglichen. Insbesondere kann ein Einlasstor in der zweiten Komponentenhälfte 58 laserablatiert sein, um mit einem ersten Ende 78 des Mikrokanals 66 verbunden zu sein. Auf die gleiche Weise kann ein Auslasstor in der zweiten Komponentenhälfte ablatiert sein, um mit einem zweiten Ende 80 des Mikrokanals 66 verbunden zu sein.
Dementsprechend wird ein Flüssigphasentrennungsbauelement geliefert, das einen Flussweg aufweist, der sich von dem ersten Ende 78 des Mikrokanals 66 zu dem zweiten Ende 80 desselben erstreckt. Der Flussweg wird durch ein Kommunizieren von Fluiden von einer zugeordneten Quelle (nicht gezeigt) durch das Einlasstor, ein Leiten der Fluide durch das Trennungsfach, das durch die Ausrichtung der Mikrokanäle 64 und 66 gebildet wird, und ein Ermöglichen, dass die Fluide über das Auslasstor das Trennungsfach verlassen, eingerichtet. Eine große Vielzahl von Flüssigphasenanalyseprozeduren kann bei dem vorliegenden miniaturisierten Säulenbauelement unter Verwendung von Techniken, die in der Technik bekannt sind, ausgeführt werden. Außerdem können verschiedene Einrichtungen zum Ausüben einer Bewegungskraft entlang der Länge des Trennungsfaches, wie z. B. eine Druckdifferenz oder ein elektrisches Potential, ohne weite res über das Einlass- und Auslasstor oder durch eine Schnittstellenbildung mit dem Trennungsfach über zusätzliche Öffnungen, die in dem Trägerkörper 54 ablatiert werden können, schnittstellenmäßig mit dem Säulenbauelement verbunden werden.
Puffer oder Reagenzien, die in das Reservoirfach der vorliegenden Säulenbauelemente eingeführt worden sind, können über die Fluidleiteinrichtung 18 an das Trennungsfach geliefert werden, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist. Der Fluidfluss von dem Reservoirfach zu dem Trennungsfach kann über passive Diffusion erfolgen. Optional kann das Fluid von dem Reservoirfach durch eine Bewegungseinrichtung, wie z. B. eine Betätigungsvorrichtung oder dergleichen, verlagert werden. Eine Vielzahl von Mikropumpen und Mikroventilen, die hier als eine Bewegungseinrichtung Verwendung finden, ist in der Technik bekannt und wurde z. B. bei Manz u. a. (1993) Adv. Chromatogr. 33:1 – 66 und hier angeführten Dokumenten beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 ist das miniaturisierte Säulenbauelement 52 so gezeigt, dass dasselbe eine optionale Betätigungseinrichtung 102 umfasst, die über dem Reservoirfach angeordnet ist, das durch die Ausrichtung der ersten und der zweiten Reservoireinrichtung 68 und 70 gebildet wird. Wie es am besten bei der Querschnittsdarstellung von 5 zu sehen ist, ist das Reservoirfach optional mit einer dünnen Membran 104 bedeckt, um eine Membrantyppumpe zu bilden. Ein erstes passives Einwegmikroventil 106 ist optional in das Fluidleitfach integriert, das aus der Ausrichtung der ersten und der zweiten Fluidleiteinrichtung 72 und 74 gebildet ist, um einen Rückfluss von verlagertem Fluid in das Reservoirfach zu verhindern, und ein zweites passives Einwegmikroventil 108 ist optional in eine Reservoirfülleinrichtung integriert, um sicherzustellen, dass das Fluid, das von dem Reservoirfach verlagert wird, sich zu dem Trennungsfach bewegt.
Unter weiterer Bezugnahme auf 5 ist ein optionaler gas- oder flüssigkeitsgefüllter Hohlraum 110 über der Membran 104 angeordnet. Die Betätigungseinrichtung 102 kann verwendet werden, um eine Fluidverlagerung von dem Reservoirfach durch eine Auslenkung der Membran 104 zu bewirken. Insbesondere kann die Betätigungseinrichtung 102 wirksam sein, um die Membran 104 direkt auszulenken. Dementsprechend kann es sich bei der Betätigungseinrichtung um ein piezoelektrisches, Kolben-, Solenoid- oder einen anderen Typ von membranauslenkendem Bauelement handeln. Alternativ dazu kann es sich bei der Betätigungseinrichtung um eine Heizeinrichtung handeln, durch die die Temperatur in dem Hohlraum 110 geregelt wird. Die Heizeinrichtung kann eine Widerstandstypheizeinrichtung oder ein beliebiger Typ von geeigneter Heizeinrichtung sein, der in der Technik bekannt ist. Auf eine Betätigung hin nimmt die Temperatur der Heizeinrichtung zu, wodurch der Inhalt des Hohlraums 110 erhitzt wird und das Volumen desselben erhöht wird, was eine Abwärtsauslenkung der Membran 104 erzeugt und Fluid aus dem Reservoirfach in die Fluidleiteinrichtung an dem Ventil 106 vorbei und in das Trennungsfach verlagert.
Alternativ dazu kann sich die Heizeinrichtung 102 in thermischem Kontakt mit dem Reservoirfach selbst befinden. Bei dieser Konfiguration nimmt, wenn die Heizeinrichtungstemperatur zunimmt, das Volumen des Fluids in dem Reservoirfach zu und wird dadurch aus dem Reservoirfach in das Trennungsfach verlagert.
Andere Beispiele für Pumpmechanismen, die in die vorliegenden Bauelemente eingegliedert werden können, umfassen diejenigen, die gemäß den Prinzipien eines ultraschallbedingten Transports (Moroney u. a. (1991) Proc MEM S'91, S. 277) oder eines elektrohydrodynamisch bedingten Transports (Richter u. a. (1991) Proc MEM S'91 S. 271) wirksam sind. Außerdem können chemische Ventile verwendet werden, die aus elektrisch getriebenen Polyelektrolytgelen gebildet sind (Osada (1991) Adv. Materials 3: 107; Osada u. a. (1992) Nature 355: 242).
Die Fähigkeit, eine strenge rechnergestützte Kontrolle über Laserablationsprozesse auszuüben, ermöglicht eine extrem präzise Mikrostrukturbildung. Eine derart strenge Kontrolle ermöglicht wiederum die Bildung von miniaturisierten Säulen, die Merkmale aufweisen, die in zwei im Wesentlichen planaren Komponenten ablatiert sind, wobei diese Komponenten ausgerichtet werden können, um ein zusammengesetztes Trennungsfach, Reservoirfächer und Fluidleitfächer einer verbesserten Symmetrie und Axialausrichtung zu definieren. Somit werden miniaturisierte Säulenbauelemente geliefert, wobei Laserablation verwendet wird, um zwei oder mehr Komponententeile zu erzeugen, die, wenn dieselben gefaltet oder miteinander ausgerichtet werden, ein einziges miniaturisiertes Säulenbauelement definieren.
Die Verwendung von Substraten, wie z. B. Polyimiden, bei der Herstellung der vorliegenden miniaturisierten Säulen ermöglicht die Möglichkeit eines Verwendens einer Brechungsindex-(RI-) Erfassung, um interessierende getrennte Analyten zu erfassen, die durch die Trennungsfächer hindurchgehen. Insbesondere ermöglicht das Bereitstellen einer zugeordneten Laserdiode, die eine Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert, bei der Polyimid „transparent" ist (z. B. bei > 500 nm), einen Erfassungsaufbau, bei dem keine zusätzlichen Merkmale bei den Säulenbauelementen bereitgestellt werden müssen.
Eine optionale Erfassungseinrichtung kann in den im Vorhergehenden beschriebenen Bauelementen enthalten sein. Unter besonderer Bezugnahme auf das Bauelement, das in 1 gezeigt ist, können ein oder mehr Erfassungseinrichtungen in das Substrat 4 und/oder die Abdeckungsplatte 20 ablatiert sein. Bevorzugt ist die Erfassungseinrichtung im Wesentlichen bezüglich des vorgelagerten Endes 12 des Trennungskanals 10 nachgelagert angeordnet, um eine Erfas sung von getrennten Analyten aus der Flüssigprobe zu ermöglichen. Insbesondere kann eine Öffnung durch das Substrat 4 ablatiert sein, um mit dem Trennungskanal 10 verbunden zu sein. Eine entsprechende Öffnung kann gleichermaßen in der Abdeckungsplatte 20 gebildet sein und so angeordnet sein, dass dieselbe sich in Koaxialausrichtung mit der Erfassungsöffnung in dem Substrat befindet, wenn die Abdeckungsplatte an dem Substrat befestigt ist, um das Trennungsfach zu bilden. Elektroden können mit dem miniaturisierten Säulenbauelement über die vorliegenden entsprechenden Öffnungen verbunden sein, um interessierende getrennte Analyten, die durch das Trennungsfach hindurchgehen, durch elektrochemische Erfassungstechniken zu erfassen. Bei einer bestimmten Bauelementkonfiguration bilden die koaxial ausgerichteten Öffnungen einen optischen Erfassungsweg, was die optische Erfassung von getrennten Analyten, die durch das Trennungsfach hindurchgehen, über eine Transmission von Strahlung orthogonal zu der Hauptachse des Trennungsfaches (und dementsprechend orthogonal zu der Richtung eines elektroosmotischen Flusses bei einer elektrophoretischen Trennung) ermöglicht.
Eine große Vielzahl von zugeordneten optischen Erfassungsbauelementen kann mit den miniaturisierten Säulen unter Verwendung der optionalen Erfassungseinrichtung schnittstellenmäßig verbunden sein. Somit kann eine Erfassung von Analyten bei Proben, die durch das Trennungsfach hindurchgehen, ohne weiteres unter Verwendung von UV/Vis-, Fluoreszenz-, Brechungsindex-(RI-), Raman- und ähnlichen spektrophotometrischen Techniken ausgeführt werden.
Ferner liefert, wie es ohne weiteres ersichtlich ist, die Verwendung einer optischen Erfassungseinrichtung, die Öffnungen aufweist, die in das Substrat und die Abdeckungsplatte ablatiert sind, eine große Kontrolle über die effektive Weglänge der optischen Erfassung. Die sich ergebende Erfassungsweglänge ist im Wesentlichen gleich der kombinierten Dicke des Substrats 4 und der Abdeckungsplatte 20.
Es werden hier auch miniaturisierte Säulenbauelemente geliefert, die eine optionale Zusatzflusseinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, einen Zusatzfluidstrom zu einer nachgelagerten Position an der Säule zu liefern, um eine Probensammlung davon zu verbessern. Unter Bezugnahme auf 6 ist ein miniaturisiertes Säulenbauelement allgemein bei 152 angezeigt. Das Säulenbauelement ist in einem einzigen flexiblen Substrat 154 gebildet, das einen ersten und einen zweiten Abschnitt 156 bzw. 158 aufweist. Der erste und der zweite Abschnitt weisen im Wesentlichen planare innere Oberflächen 160 und 162 auf und sind durch zumindest eine Falteinrichtung, allgemein bei 164 angezeigt, getrennt, die es ermöglicht, dass die Abschnitte gefaltet werden, um übereinander zu liegen, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist.
Das Säulenbauelement 152 wird durch ein Laserablatieren eines Mikrokanals 166 in der planaren Oberfläche 160 des ersten Substratabschnitts 156 gebildet. Der Mikrokanal erstreckt sich zwischen einem vorgelagerten Ende 168 und einem nachgelagerten Ende 170, um einen Trennungskanal zu liefern. Ein Ausgleichs- bzw. Zusatzkanal 172, der einen im Wesentlichen länglichen Kanal aufweist, der ein vorgelagertes Ende 174 und ein nachgelagertes Ende 176 aufweist, wird gleichermaßen in der planaren Oberfläche 160 laserablatiert, wobei sich der Zusatzkanal im Wesentlichen entlang der Länge des Trennungskanals erstreckt. Das nachgelagerte Ende 176 des Zusatzkanals 172 ist angeordnet, um mit dem nachgelagerten Ende 170 des Trennungsmikrokanals 166 verbunden zu sein. Insbesondere laufen die nachgelagerten Enden des Trennungskanals und des Zusatzkanals an einer Auslassöffnung 178 zusammen, die in dem ersten Substratabschnitt 156 laserablatiert worden ist.
Ein Trennungsfach und ein Zusatzflussfach werden gebildet, wenn das flexible Substrat 154 um die Falteinrichtung 164 derart gefaltet wird, dass die im Wesentlichen planare innere Oberfläche 162 des zweiten Substratabschnitts 158 über dem ersten Substratabschnitt 156 liegt. Ein Trennungsfacheinlass 180 ist bereitgestellt, der eine Öffnung aufweist, die in dem zweiten Substratabschnitt 158 laserablatiert und angeordnet ist, um mit dem vorgelagerten Ende 168 des Trennungskanals zusammenzuwirken, wenn die inneren Oberflächen der Substratabschnitte miteinander ausgerichtet sind, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist. Somit wird ein Flussweg, der sich von dem vorgelagerten Ende des Trennungsfachs erstreckt und zu dem nachgelagerten Ende geht, geliefert, wodurch eine Flüssigphasenanalyse von Proben durch ein Kommunizieren von Fluiden von einer zugeordneten Quelle (nicht gezeigt) durch den Einlass 180, ein Leiten der Fluide durch das Trennungsfach und ein Ermöglichen, dass die Fluide das Trennungsfach über die Auslassöffnung 178 verlassen, ausgeführt werden kann.
Ein Zusatzfacheinlass 182 ist ebenfalls bereitgestellt, der eine Öffnung aufweist, die in dem zweiten Substratabschnitt 158 laserablatiert und angeordnet ist, um mit dem vorgelagerten Ende 174 des Zusatzkanals zusammenzuwirken, wenn die inneren Oberflächen der Substratabschnitte miteinander ausgerichtet sind. Somit kann ein Zusatzfluidstrom von dem Einlass 182 geleitet werden, um mit einem Eluat zusammenzulaufen, das an der Auslassöffnung 178 aus dem Trennungsfach austritt.
Unter jetziger Bezugnahme auf 7 ist ein damit in Beziehung stehendes miniaturisiertes Säulenbauelement allgemein bei 202 angezeigt. Das vorliegende Bauelement ist aus einem einzigen flexiblen Substrat 204 gebildet, das einen ersten und einen zweiten Abschnitt 206 und 208 aufweist, wobei die Abschnitte durch eine Falteinrichtung 210 geteilt sind. Der erste und der zweite Substratabschnitt weisen im Wesentlichen planare innere Oberflächen 212 und 214 auf. Ein Trennungskanal 216 ist in der ersten planaren Oberfläche 212 laserablatiert, und ein Zusatzkanal 218 ist in der zweiten planaren Oberfläche 214 laserablatiert. Ein Trennungsfach wird gebildet, wenn das Substrat 204 um die Falteinrichtung 210 derart gefaltet wird, dass die planare Oberfläche 214 über dem Trennungskanal 216 liegt. Es wird auch ein Zusatzflussfach gebildet, wenn das Substrat 204 gefaltet wird. Ein nachgelagertes Ende 220 des Trennungskanals 216 und ein nachgelagertes Ende 222 des Zusatzkanals 218 sind angeordnet, um an einem Auslasstor 224 zusammenzulaufen, das eine laserablatierte Öffnung aufweist, die in dem Substratabschnitt 206 gebildet ist.
Eine Anzahl von optionalen Erfassungseinrichtungen kann in den oben genannten Bauelementen enthalten sein. Unter besonderer Bezugnahme auf das Bauelement, das in 6 gezeigt ist, können eine oder mehr Erfassungseinrichtungen, wie z. B. entsprechende Öffnungen, in jedem Abschnitt des Substrats 154 ablatiert sein, wie es beschrieben wurde. Bevorzugt ist die Erfassungseinrichtung im Wesentlichen bezüglich des vorgelagerten Endes 168 des Trennungskanals 166 nachgelagert angeordnet, um eine Erfassung von getrennten Analyten aus einer Flüssigprobe zu ermöglichen, die durch den Trennungskanal geht.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 8 und 9 können die im Vorhergehenden beschriebenen miniaturisierten Säulenbauelemente eine optionale Probeneinführungseinrichtung umfassen. Insbesondere wird ein miniaturisiertes Säulenbauelement 252 geliefert, das eine Probeneinführungseinrichtung aufweist, die in sowohl ein Substrat 254 als auch eine Abdeckungsplatte 256 laserablatiert ist. Wie es am besten in 8 zu sehen ist, ist ein Umgehungskanal 258 in dem Substrat 254 derart laserablatiert, dass der Kanal 258 in der Nähe eines vorgelagerten Endes 260 eines Trennungsfaches 262 angeordnet ist. Zwei laserablatierte Öffnungen 264 und 266 sind in der Abdeckungsplatte 256 gebildet und sind angeordnet, um mit einem ersten und einem zweiten Ende (bei 268 bzw. 270 angezeigt) des Umgehungskanals 258 zusammenzuwirken, wenn die Abdeckungsplatte über dem Substrat angeordnet ist. Ein volumetrisches Probenfach wird durch ein Ausrichten der Abdeckungsplatte 256 über dem Substrat 254, um den Umgehungskanal 258 einzuschließen, gebildet, wodurch eine Probe, die in einem externen Reservoir gehalten wird, in das volumetrische Fach eingeführt werden kann, um einen Probenpfropfen eines bekannten Volumens (definiert durch die Abmessungen des volumetrischen Probenfaches) zu bilden. Der Probenpfropfen kann an das vorgelagerte Ende 260 des Trennungsfachs 262 über ein Einlasstor 272 geliefert werden, das eine Öffnung aufweist, die in der Abdeckungsplatte 256 laserablatiert ist. Eine Lieferung des Probenpfropfens kann durch ein Kommunizieren einer externen mechanischen Ventilsteuerung mit dem Einlasstor und den laserablatierten Öffnungen 264 und 266 und ein Spülen von Lösung durch das volumetrische Probenfach in das Trennungsfach ausgeführt werden.
Der ablatierte Umgehungskanal 258 und die Öffnungen 264 und 266 ermöglichen, dass eine große Vielzahl von Probeneinführungstechniken mit den vorliegenden miniaturisierten Säulenbauelementen praktiziert wird. Ferner ermöglicht das Vorliegen eines Umgehungskanals, der nicht mit dem Trennungsfach verbunden ist, dass ein Benutzer eine Probe durch den Umgehungskanal spült, ohne dass eine Probenverschleppung oder Säulenverunreinigung auftritt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung geliefert, wobei die Vorrichtung aus der wirksamen Kombination eines miniaturisierten Säulenbauelements, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, und einer Vielzahl von Peripherieelementen gebildet wird, die ermöglichen, dass Flüssigphasentrennungen in den Säulenbauelementen ausgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 10 und 11 ist eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung allgemein bei 302 angezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine miniaturisierte Säule 304, die einen Substratabschnitt 306 und einen Abdeckungsplattenabschnitt 308 aufweist. Ein Trennungsmikrokanal 310 und ein optionaler Zusatzflusskanal 312 sind in dem Substrat 306 laserablatiert und bilden in Kombination mit der Abdeckungsplatte 308 ein Trennungsfach und ein Zusatzflussfach.
Eine Öffnung 324 ist in der Abdeckungsplatte 308 angeordnet, um einem Auslasstor 326 zu entsprechen. Das Auslasstor weist eine Öffnung auf, die in dem Substrat 306 laserablatiert und derart angeordnet ist, dass die Öffnung 324 und das Auslasstor in Koaxialausrichtung miteinander positioniert sind, wenn die Abdeckungsplatte befestigbar über dem Substrat ausgerichtet ist. Das Auslasstor 326 befindet sich auch in Fluidkommunikation mit dem nachgelagerten Ende 328 des Trennungsmikrokanals 310 und dem nachgelagerten Ende 330 des Zusatzflusskanals 312. Ein Einlasstor 332, das eine Öffnung aufweist, die in der Abdeckungsplatte 308 laserablatiert ist, ist angeordnet, um mit dem vorgelagerten Ende 334 des Trennungsmikrokanals 310 verbunden zu sein, und ermöglicht die Bildung eines Flusswegs, der sich von dem vorgelagerten Ende 334 des Trennungsmikrokanals zu dem nachgelagerten Ende 328 erstreckt und durch das Auslasstor 326 austritt.
Ein Zusatzfluideinlass 336, der eine Öffnung aufweist, die in der Abdeckungsplatte 308 laserablatiert ist, ist angeordnet, um in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 338 des Zusatzflusskanals 312 zu sein, und ermöglicht die Bildung eines Zusatzfluidflusswegs, der sich von dem vorgelagerten Ende 338 des Zusatzflusskanals zu dem nachgelagerten Ende 330 erstreckt und durch das Auslasstor 326 austritt.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 11 und 12 umfasst die Vorrichtung 302 ferner eine Einspritzeinrichtung, die allgemein bei 340 angezeigt ist, die die Verteilung von extern untergebrachten Flüssigproben, Puffern, Reagenzien und Zusatzflussfluiden in das Trennungsfach und/oder das Zusatzflussfach ermöglicht. Somit kann die Probeneinführungseinrichtung bei einer Konfiguration einen Verteiler 342 aufweisen, der die Abdeckungsplatte 308 des miniaturisierten Säulenbauelements 304 eng in Eingriff nimmt und die Schnittstelle von zugeordneten Kanälen und Fluidaufnahmeeinrichtungen mit dem Einlasstor 332 und/oder dem Zusatzfluideinlass 336 ermöglicht.
Der Verteiler 342 kann mit der Abdeckungsplatte 308 gekoppelt sein, um eine flüssigkeitsdichte Schnittstelle unter Verwendung von Druckabdichtungstechniken zu bilden, die in der Technik bekannt sind. Der Verteiler und die Abdeckungsplatte können mechanisch unter Verwendung von Klemmen, Spannfedern oder einer beliebigen geeigneten Klemmeinrichtung, die in der Technik bekannt ist, mechanisch zueinander getrieben werden. Der Verteiler 342 umfasst allgemein eine Mehrzahl von Toren, die konfiguriert sind, um dem Muster von Öffnungen und Einlässen zu entsprechen, die in der Abdeckungsplatte 308 vorhanden sind. Unter besonderer Bezugnahme auf 12 kann ein erster Kanal 344 verwendet werden, um eine zugeordnete Aufnahmeeinrichtung (nicht gezeigt), die eine zu trennende Probe oder einen geeigneten Puffer enthält, mit dem Trennungskanal 310 schnittstellen- mäßig zu verbinden. Der Kanal 344 ist innerhalb eines Tors 346 in dem Verteiler 342 eingefügt und angeordnet, um sich über das Einlasstor 332 in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 334 des Trennungskanals 310 zu befinden. Auf diese Weise können Fluide von der zugeordneten Aufnahmeeinrichtung ohne weiteres zu dem Trennungsfach geliefert werden, wobei bekannte Einspritzverfahren verwendet werden.
Die Flüssigphasentrennungsvorrichtung 302 kann eine Säule 304 umfassen, die einen optionalen Umgehungsmikrokanal 314 aufweist, der in dem Substrat 306 laserablatiert ist, wodurch ein volumetrisches Probenfach in Kombination mit der Abdeckungsplatte 308 gebildet wird. Der Umgehungsmikrokanal weist ein erstes und ein zweites Ende 316 und 318 auf, die jeweils mit einer ersten und einer zweiten laserablatierten Öffnung 320 und 322 zusammenwirken, die in der Abdeckungsplatte 308 angeordnet sind, um den vorliegenden Enden zu entsprechen, wenn die Abdeckungsplatte über dem Substrat 306 ausgerichtet ist.
Die zweite und die dritte Kanaleinrichtung 348 und 350 sind jeweils innerhalb von Toren 352 und 354 in dem Verteiler 342 eingefügt, wodurch die Kanaleinrichtungen mit dem Umgehungsmikrokanal 314 an dem ersten und dem zweiten Ende 316 und 318 über die erste und die zweite laserablatierte Öffnung 320 und 322 verbunden sind. Ein Probenpfropfen, der die Abmessungen des volumetrischen Probenfaches aufweist, wird somit durch ein Leiten einer Probe durch das Fach von einer zugeordneten Aufnahmeeinrichtung unter Verwendung der Kanäle 348 und 350 geliefert, um einen Probenflussweg zu und von der Aufnahmeeinrichtung zu liefern. Durch ein manuelles Entfernen der Kanäle 344, 348 und 350 aus dem Verteiler 342 und ein Koppeln der Verteilertore 352 und 346 miteinander mittels eines einzigen Kanals wird ein neuer Flussweg geliefert, der von dem volumetrischen Probenfach zu dem vorgelagerten Ende 334 des Trennungsfaches geht. Durch ein Koppeln des Verteilertors 354 mit einer weiteren Kanaleinrichtung, die sich in Fluidkommunikation mit einer zweiten zugeordneten Aufnahmeeinrichtung befindet, die ein geeignetes flüssiges Medium enthält, kann der Probenpfropfen aus dem volumetrischen Probenfach gespült und in das Trennungsfach geliefert werden, indem ein Medium unter Verwendung von bekannten Fluideinspritzverfahren von der zweiten Aufnahmeeinrichtung zu dem Verteiler transportiert wird.
Wenn die Probe zu dem Trennungsfach geliefert worden ist, können verschiedene Einrichtungen zum Ausüben einer Bewegungskraft entlang der Länge des Trennungsfachs mit dem Säulenbauelement 404 unter Verwendung des Verteilers 406 schnittstellenmäßig verbunden werden. Insbesondere können eine Druckdifferenz oder ein elektrisches Potential entlang der Länge des Trennungsfaches durch ein Koppeln einer externen Bewegungseinrichtung mit dem vorgelagerten Ende des Trennungskanals über ein Verteilertor erzeugt werden.
Die Flüssigphasentrennungsvorrichtung 302 kann ferner eine Erfassungseinrichtung umfassen, die in der Abdeckungsplatte 308 und/oder dem Substratabschnitt 306 angeordnet ist. Die Erfassungseinrichtung kann eine oder mehr Öffnungen oder Merkmale aufweisen, die in der Abdeckungsplatte oder dem Substratabschnitt laserablatiert worden sind und mit dem Trennungsfach an einer Position verbunden sind, die benachbart zu dem nachgelagerten Ende 330 des Trennungskanals 310 oder im Wesentlichen in der Nähe desselben ist, um die Erfassung von getrennten Analyten zu ermöglichen. Unter Bezugnahme auf die 10 und 11 umfasst eine bestimmte Vorrichtung eine Öffnung 356, die in dem Substratabschnitt 306 ablatiert ist und mit dem Trennungskanal 310 in der Nähe des nachgelagerten Endes 330 desselben verbunden ist. Eine zweite Öffnung 358 ist in der Abdeckungsplatte 308 ablatiert und ist angeordnet, um sich in Koaxialausrichtung mit der Öffnung 356 zu befinden, wenn die Abdeckungsplatte über dem Substrat ausgerichtet ist, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde. Die Koaxialöffnungen ermöglichen, dass Elektroden mit dem miniaturisierten Säulenbauelement 304 über die vorliegenden entsprechenden Öffnungen verbunden werden, um interessierende getrennte Analyten, die durch das Trennungsfach hindurchgehen, durch elektrochemische Erfassungstechniken zu erfassen. Bei einer bestimmten Vorrichtung bilden die koaxial ausgerichteten Öffnungen einen optischen Erfassungsweg, der die optische Erfassung von getrennten Analyten ermöglicht, die durch das Trennungsfach hindurchgehen. Wie es für Fachleute ersichtlich ist, kann eine große Vielzahl von zugeordneten optischen Erfassungsbauelementen mit dem Trennungsfach über die Koaxialöffnungen schnittstellenmäßig verbunden werden, was die Praxis von spektrophotometrischen Techniken, wie z. B. UV/Vis, Fluoreszenz, Brechungsindex (RI), Raman und dergleichen, ermöglicht, um getrennte Analyten in der Flüssigprobe zu erfassen.
Eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung kann auch konzipiert sein, um eine Verteilereinrichtung aufzuweisen, die zwischen einer Mehrzahl von Positionen relativ zu einem miniaturisierten planaren Säulenbauelement bewegbar ist. Unter jetziger Bezugnahme auf die 13, 14 und 15A – C ist eine Vorrichtung 402 gezeigt, die ein miniaturisiertes Säulenbauelement 404, wie dasselbe hier beschrieben ist, und eine bewegbare Verteilereinrichtung 406 umfasst, die abnehmbar mit dem Säulenbauelement 404 gekoppelt und in der Nähe des vorgelagerten Endes 408 eines Trennungskanals 410 angeordnet ist, der in einer planaren Oberfläche 412 des Säulensubstrats 414 laserablatiert worden ist. Eine Abdeckungsplatte 416 ist über der planaren Oberfläche 412 des Säulensubstrats angeordnet und bildet in Kombination mit dem Trennungskanal 410 ein Trennungsfach. Ein Einlasstor 418, das aus einer Öffnung gebildet ist, die in der Abdeckungsplatte 416 laserablatiert ist, ist mit dem vorgelagerten Ende 408 des Trennungskanals verbunden, wenn die Abdeckungsplatte über dem Säulensubstrat positioniert ist.
Das Säulenbauelement 404 umfasst auch einen Zusatzflusskanal 420, der in der planaren Oberfläche 412 laserablatiert ist. Ein Zusatzflussfach wird durch die Kombination der Abdeckungsplatte 416 und des Zusatzflussmikrokanals 420 gebildet. Der Zusatzflusskanal weist ein vorgelagertes Ende 422 auf, das sich in Fluidkommunikation mit einem Zusatzeinlasstor 424 befindet, das eine Öffnung aufweist, die in der Abdeckungsplatte 416 laserablatiert ist und angeordnet ist, um mit dem Ende verbunden zu sein, wenn die Abdeckungsplatte über dem Säulensubstrat positioniert ist.
Der Verteiler 406 umfasst eine Mehrzahl von Toren, die konfiguriert sind, um verschiedenen Öffnungen und Einlässen zu entsprechen, die in der Abdeckungsplatte 416 vorhanden sind, wenn der Verteiler zwischen Positionen relativ zu dem Säulenbauelement 404 bewegt wird. Bei einer bestimmten Vorrichtung weist der bewegbare Verteiler 406 einen Rotor auf, der mit einem Stator (nicht gezeigt), der an der externen Oberfläche des miniaturisierten Säulenbauelements 404 vorhanden ist, stoßgekoppelt ist, wobei der Rotor in der Lage ist, sich um den Stator zwischen ausgewählten Positionen relativ zu dem Säulenbauelement zu bewegen. Wenn das Säulenbauelement in einem Polyimidsubstrat gebildet ist, ist ein Keramikrotor, der unter Verwendung von Spannungskraft auf das Bauelement gepresst wird (um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu bilden), aufgrund der Reibungscharakteristika der zwei Materialien in der Lage, sich zwischen ausgewählten Öffnungspositionen an dem Bauelement zu drehen. Andere geeignete Rotoren können in starren Materialien, wie z. B. Glas und anderen nicht leitfähigen Substraten, gebildet werden.
Unter besonderer Bezugnahme auf 14 umfasst der Verteiler 406 ein erstes Tor 426, ein zweites Tor 428, ein drittes Tor 430 und ein viertes Tor 432, wobei jedes Tor konfiguriert ist, um eine zugeordnete Kanaleinrichtung 434, 436, 438 bzw. 440 aufzunehmen. Die Kanaleinrichtungen befinden sich in Fluidkommunikation mit zugeordneten Fluidaufnahmeeinrichtungen (nicht gezeigt), derart, dass eine Fluidprobe, ein Reagens oder ein Puffer zu den verschiedenen Toren in dem Verteiler 406 zur Lieferung in das Säulenbauelement 404 kommuniziert werden können. Unter jetziger Bezugnahme auf die 14 und 15A befindet sich das erste Verteilertor 426, wenn sich der Verteiler 406 in einer ersten Position befindet, in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 408 des Trennungskanals 410. In dieser Position kann ein geeignetes Flüssigmedium, wie z. B. ein Äquilibrierungspuffer oder eine Spüllösung, von einer zugeordneten Aufnahmeeinrichtung über die Kanaleinrichtung 434 in das Trennungsfach (an dem vorgelagerten Ende 408) geliefert werden. Ferner befindet sich, wenn sich der Verteiler in der ersten Position befindet, das dritte Verteilertor 430 in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende des Zusatzflusskanals 420. Somit kann ein geeignetes Flüssigmedium von derselben oder einer anderen zugeordneten Aufnahmeeinrichtung über die Kanaleinrichtung 438 in das Zusatzflussfach (an dem vorgelagerten Ende 422) geliefert werden.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 14 und 15B wird, wenn der Verteiler 406 gegen den Uhrzeigersinn um den Stator zu einer zweiten Position relativ zu dem Säulenbauelement 404 gedreht worden ist, das vierte Verteilertor 432 in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 408 des Trennungskanals 410 gebracht. Dementsprechend kann ein Volumen oder eine Aliquote einer Flüssigprobe von einer zugeordneten Probenaufnahmeeinrichtung über die Kanaleinrichtung 440 in das Trennungsfach (an dem vorgelagerten Ende 408) geliefert werden. Wenn der Verteiler in der zweiten Position angeordnet ist, werden das erste und das dritte Verteilertor 426 und 430 aus der Fluidkommunikation mit dem Trennungsfach und dem Zusatzfluidfach derart herausbewegt, dass das Flüssigmedium nicht mehr über die Kanaleinrichtungen 434 und 438 in diese Fächer geliefert wird. Ferner ist das zweite Verteilertor 428 in der zweiten Position ausgerichtet, um sich in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 422 des Zusatzfluidkanals 420 zu befinden, und ein Flüssigreagens oder ein erhitztes Zusatzfluid können von einer zugeordneten Probenaufnahmeeinrichtung über die Kanaleinrichtung 436 in das Zusatzflussfach (an dem vorgelagerten Ende 422) geliefert werden.
Dementsprechend kann eine Flüssigphasentrennung ohne weiteres unter Verwendung der Vorrichtung 402 ausgeführt werden, wobei der Verteiler 406 ein Umschalten zwischen einem Bereitschaftsmodus, wenn sich der Verteiler in der ersten Position befindet, und einem Trennungsmodus, wenn sich der Verteiler in der zweiten Position befindet, ermöglicht. Alternativ dazu kann der im Vorhergehenden beschriebene Zweipositionenverteiler verwendet werden, um zwischen einer Probenlaufposition, die dem entspricht, dass der Verteiler in der ersten Position angeordnet ist, und einer Probenladeposition, die dem entspricht, dass der Verteiler in der zweiten Position angeordnet ist, abzuwechseln. Der Vertei ler 406 wird zu der zweiten Position (z. B. der Position, die in 15B gezeigt ist) umgeschaltet, um ein bestimmtes Probenvolumen in das Trennungsfach zu liefern. Wenn die Probe geliefert worden ist, wird der Verteiler im Uhrzeigersinn um den Stator gedreht, um zu der ersten Position relativ zu dem Säulenbauelement (z. B. der Position, die in 15C gezeigt ist) zurückzukehren, um eine Flüssigphasentrennung der Probe durchzuführen.
Ferner können, wie es für Fachleute ersichtlich ist, bewegbare oder Mehrpositionsverteiler, wie z. B. der Verteiler 406, mit einem beliebigen der miniaturisierten Säulenbauelemente, die hier beschrieben sind, gekoppelt sein, um eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung zu liefern. Somit können derartige Verteiler mit Säulenbauelementen gekoppelt sein, die bauelementinterne Reservoirs, Auslgeichsfluidfächer, volumetrische Probenfächer und Kombinationen derselben umfassen. Auf diese Weise wird eine selektive und/oder zeitliche Lieferung von Fluiden von zugeordneten Aufnahmeeinrichtungen in die verschiedenen Fächer einer miniaturisierten Säule unter Verwendung der im Vorhergehenden beschriebenen bewegbaren Verteiler bewirkt.
Der bewegbare Verteiler kann in einer großen Vielzahl von Formen konfiguriert sein, wie z. B., jedoch nicht ausschließlich, ein längliches fingerförmiges Gehäuse oder eine derartige Gleitvorrichtung, das bzw. die zu entweder einer linearen oder Drehbewegung zwischen einer Vielzahl von Positionen in der Lage ist, ein kreisförmiges oder ovalförmiges Gehäuse, das zu einer Drehbewegung zwischen Positionen in der Lage ist, oder ein halbkreisförmiges Gehäuse, das in der Lage ist, zwischen einer Vielzahl von Positionen gedreht zu werden. Der Verteiler kann auch eine beliebige Anzahl von Toren umfassen, die in der Lage sind, mit einer externen Kanaleinrichtung zu kommunizieren, wobei zwei oder mehr der Tore auch in der Lage sein können, miteinander über eine laterale Verbindungstoreinrichtung zu kommunizieren. Die Konfiguration des Verteilers und der Entwurf der Tore ist allgemein durch die ausgewählte Konfiguration des Trennungsfaches, der zugeordneten bauelementinternen Fächer, der Fluidleiteinrichtung und der Einlasstore und Öffnungen, die mit diesen Elementen kommunizieren, vorgegeben.
Eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung kann geliefert werden, die einen bewegbaren Verteiler aufweist, wobei der Verteiler mit einem bauelementinternen volumetrischen Probenfach (z. B. einem bedeckten Umgehungskanal in Fluidkommunikation mit einer Einlass- und Auslasseinrichtung, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist) zusammenwirkt, um die Lieferung eines Probenpfropfens eines bekannten Volumens von dem Probenfach zu dem vorgelagerten Ende eines Trennungsfaches zu ermöglichen. Der Verteiler ist abnehmbar mit einem miniaturisierten Säulenbauelement gekoppelt und in einer ersten Position derart angeordnet, dass externe Kanäle, die in zwei Toren des Verteilers angeordnet sind, eine dynamische Fluidkommunikation zwischen dem Probenfach (über die Einlass- und Auslasseinrichtung) und einer zugeordneten Probenaufnahmeeinrichtung ermöglichen. Ein Probenpfropfen, der ein Volumen aufweist, das den Abmessungen des volumetrischen Probenfaches entspricht, wird durch den dynamischen Fluss einer Probe durch das Fach gebildet. Durch ein Bewegen des Verteilers zu einer zweiten Position werden andere Tore in dem Verteiler in Fluidkommunikation mit dem Einlass und dem Auslass des volumetrischen Probenfaches gebracht, wodurch diese Tore den Fluss eines extern untergebrachten Flüssigmediums durch das Probenfach und in das Trennungsfach über zugeordnete Kanäle und/oder laterale Tore in dem Verteiler ermöglichen. Auf diese Weise kann der Probenpfropfen, der in dem volumetrischen Probenfach angeordnet ist, ohne weiteres unter Verwendung bekannter Flüssigkeitseinspritztechniken zu dem Trennungsfach geliefert werden.
Es kann auch eine Vorrichtung geliefert werden, die einen bewegbaren Verteiler aufweist, der ein internes volumetri sches Probenfach umfasst. Unter jetziger Bezugnahme auf die 16 und 17 ist eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung allgemein bei 452 angezeigt. Die Vorrichtung umfasst ein miniaturisiertes Säulenbauelement 454, das einen Substratabschnitt 456 und eine Abdeckungsplatte 458 aufweist. Ein Trennungskanal 460 ist in einer planaren Oberfläche des Substratabschnitts 456 laserablatiert. Der Trennungskanal weist ein vorgelagertes Ende 462 auf, das in großer Nähe zu drei diskreten laserablatierten Mikrokanälen 464, 466 und 468 angeordnet ist, die ebenfalls in dem Substratabschnitt 456 gebildet sind. Der Mikrokanal 464 weist ein erstes und ein zweites Ende auf, die bei 470 bzw. 472 angezeigt sind. Gleichermaßen weist der Mikrokanal 466 ein erstes und ein zweites Ende 474 und 476 auf, und der Mikrokanal 468 weist ein erstes und ein zweites Ende 478 und 480 auf.
Ein Trennungsfach wird durch ein Anordnen der Abdeckungsplatte 458 über der planaren Oberfläche des Substratabschnitts 456 gebildet. Die Abdeckungsplatte umfasst eine Mehrzahl von Öffnungen, die angeordnet sind, um eine Fluidkommunikation mit dem Trennungsfach und den Mikrokanälen 464, 466 und 468 zu liefern, wenn die Abdeckungsplatte sich in Position über dem Substrat befindet. Insbesondere befinden sich laserablatierte Öffnungen 482 und 490 jeweils in Fluidkommunikation mit dem ersten und dem zweiten Ende 470 und 472 des Mikrokanals 464, um einen ersten Flussweg zu liefern. Laserablatierte Öffnungen 484 und 492 befinden sich jeweils in Fluidkommunikation mit dem ersten und dem zweiten Ende 478 und 480 des Mikrokanals 468, um einen zweiten Flussweg zu liefern. Ein dritter Flussweg wird durch Öffnungen 488 und 494 geliefert, die sich jeweils in Fluidkommunikation mit dem ersten und dem zweiten Ende 474 und 476 des Mikrokanals 466 befinden. Eine Öffnung 486 befindet sich in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 462 des Trennungskanals 460.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 18 und 19 ist eine bewegbare Verteilereinrichtung 496 mit der Abdeckungsplatte 458 gekoppelt, um eine flüssigkeitsdichte Schnittstelle unter Verwendung von bekannten Abdichtungstechniken zu bilden. Obwohl die Verteilereinrichtung 496 in einer länglichen Konfiguration gezeigt ist, sei darauf hingewiesen, dass der Verteiler in einer großen Vielzahl von geeigneten Konfigurationen bereitgestellt sein kann, wie es im Vorhergehenden erwähnt ist. Die Verteilereinrichtung 496 umfasst ein erstes, ein zweites und ein drittes Tor, die bei 498, 500 bzw. 502 angezeigt sind, wobei jedes Tor mit einer externen Kanaleinrichtung zusammenwirken kann, die bei 504, 506 bzw. 508 angezeigt sind. Die Verteilereinrichtung 496 umfasst auch ein internes volumetrisches Probenfach 510, das ein im Allgemeinen U-förmiges Fach aufweist, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die bei 512 bzw. 514 angezeigt sind.
In einer ersten Position relativ zu dem Säulenbauelement 454 ist der Verteiler 496 derart angeordnet, dass sich das Verteilertor 498 in Fluidkommunikation mit der Öffnung 490 befindet, sich das erste Ende 512 des internen Probenfaches in Fluidkommunikation mit der Öffnung 482 befindet, sich das zweite Ende 514 des internen Probenfaches in Fluidkommunikation mit der Öffnung 484 befindet, und sich das Verteilertor 500 in Fluidkommunikation mit der Öffnung 492 befindet. In dieser ersten Position ermöglicht der Verteiler 496, dass ein durchgehender Flussweg eingerichtet wird, wenn die Kanaleinrichtung 504 mit einer zugeordneten Aufnahmeeinrichtung verbunden ist, die eine Probe enthält. Insbesondere wird die Probe über die Kanaleinrichtung zu dem Mikrokanal 464 geliefert und zu dem volumetrischen Probenfach 510 geleitet, wobei dieselbe durch den Mikrokanal 468 weitergeht und die Vorrichtung über die Kanaleinrichtung 506 verlässt. Somit wird ein Probenpfropfen in dem volumetrischen Probenfach durch den dynamischen Durchgang einer Probe durch dasselbe gebildet.
Wenn ein Probenpfropfen in dem Probenfach 510 gebildet worden ist, kann der Verteiler zu einer zweiten Position relativ zu dem Säulenbauelement 454 bewegt werden, indem der Verteiler gegen den Uhrzeigersinn um ein Schwenkelement (nicht gezeigt) gedreht wird, um das Verteilertor 502 in Fluidkommunikation mit der Öffnung 494 zu bringen. Ferner wird das zweite Ende 514 des internen Probenfaches in Fluidkommunikation mit der Öffnung 488 gebracht, und das erste Ende 512 des internen Probenfaches wird in Fluidkommunikation mit der Öffnung 486 gebracht. In dieser Position kann der Probenpfropfen ohne weiteres aus dem volumetrischen Probenfach und in das Trennungsfach gespült werden, indem ein Flüssigmedium von einer externen Aufnahmeeinrichtung durch den Verteiler über die Kanaleinrichtung 508 geleitet wird, wodurch das Medium durch die Öffnung 494 hindurchgeht, um durch den Mikrokanal 466 zu fließen, wobei dasselbe durch das Probenfach 510 weitergeht und durch die Öffnung 486 zu dem vorgelagerten Ende 462 des Trennungskanals 460 geht.
Externe Hardware kann verwendet werden, um eine mechanische Ventilsteuerung für eine umleitbare Kommunikation von verschiedenen zugeordneten Aufnahmeeinrichtungen, die z. B. eine Elektrolytlösung, eine Spüllösung oder die Flüssigprobe enthalten, mit dem Säulenbauelement über die Verteilereinrichtung zu liefern. Somit kann eine Vielzahl von Einspritzverfahren verwendet werden, einschließlich Druckeinspritzen, hydrodynamisches Einspritzen oder elektrokinetisches Einspritzen. Die Kanaleinrichtung und eine beliebige zugeordnete Ventilsteuerungs- und Einspritzeinrichtung können mit dem Trennungsbauelement durch die Verteilereinrichtung kommunizieren bzw. verbunden sein oder mit dem Trennungsbauelement durch eine Stoßkopplung mit Öffnungen direkt kommunizieren; ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren zur Verbindung, das in der Technik bekannt ist, kann jedoch ohne weiteres für die Erfindung angepasst werden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche andere Probeneinführungs- und Fluidschnittstellenbildungsentwürfe praktiziert werden können und immer noch in die Wesensart der vorliegenden Erfindung fallen.
Es kann auch eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung geliefert werden, die eine zugeordnete Haltereinrichtung aufweist, die angepasst ist, um ein miniaturisiertes Säulenbauelement aufzunehmen und demselben eine Stütze zu liefern. Unter Bezugnahme auf 20 ist eine miniaturisierte Säule 522 gezeigt, die eine erste und eine zweite Komponentenhälfte 524 und 526 aufweist. Ein Trennungskanal 528 wird durch die Ausrichtung von entsprechenden Kanälen geliefert, die in jeder Hälfte laserablatiert worden sind, um das Spiegelbild voneinander zu liefern. Die Säule 522 wird durch eine Haltereinrichtung 530 getragen, die allgemein ein erstes und ein zweites Element 532 und 534, die einander gegenübergesetzt werden können, aufweist, die aufgebaut sind, um die miniaturisierte Säule eng aufzunehmen und derselben eine strukturelle Stütze zu liefern.
Die Haltereinrichtung kann eine optionale Einrichtung zum Erleichtern des Koppelns eines zugeordneten Kanals, Lichtleiters oder einer Halterung mit einer Öffnung, einem Einlasstor, einem Auslasstor oder einer Erfassungseinrichtung umfassen. Unter weiterer Bezugnahme auf 20 umfasst die Haltereinrichtung 530 eine ringförmige Erhebung 536, die sich von dem ersten gegenüber positionierbaren Element 532 erstreckt. Die ringförmige Erhebung ist angeordnet, um einen Bereich zu umschließen, der eine Erfassungseinrichtung 538 umfasst. Die Erfassungseinrichtung 538 wird aus einer Öffnung gebildet, die in der Komponentenhälfte 524 laserablatiert wurde, und ist mit dem Trennungsfach 528 verbunden. Eine zugeordnete Lichtleitereinrichtung 540 wird ohne weiteres mit der Erfassungseinrichtung 538 durch die Einführung eines distalen Endes 540 derselben in die ringförmige Erhebung schnittstellenmäßig verbunden. Eine zweite ringförmige Erhebung 544 erstreckt sich von dem zweiten gegenüber positionierbaren Element 534 und ist angeordnet, um einen Bereich zu umschließen, der eine zweite Erfassungseinrichtung 546 umfasst. Die zweite Erfassungseinrichtung 546 ist aus einer Öffnung gebildet, die in der Komponentenhälfte 526 laserablatiert worden ist, und ist in Koaxialausrichtung mit der ersten Erfassungseinrichtung 538 angeordnet, um einen optischen Erfassungsweg zu liefern. Eine weitere Lichtleitereinrichtung kann somit in die zweite ringförmige Erhebung 544 eingeführt werden, wodurch der Inhalt des Trennungsfaches unter Verwendung einer zugeordneten optischen Erfassungseinrichtung abgefragt werden kann, um getrennte Analyten in der Probe zu erfassen, die einer Flüssigphasenanalyse unterzogen wird.
Obwohl die ringförmigen Erhebungen hier in Verbindung mit einer Kopplung einer Lichtleitereinrichtung mit einer Erfassungseinrichtung beschrieben worden sind, ist es für Fachleute ersichtlich, dass eine derartige Einrichtung in einer Mehrzahl von Orten um die Haltereinrichtung angeordnet sein kann, um Einlässe, Auslässe und Öffnungen zu umschließen, wodurch eine zugeordnete Kanaleinrichtung ohne weiteres mit den Bauelementen gekoppelt werden kann, um Fluide zu und von den miniaturisierten Säulen zu kommunizieren.
Durch das Bereitstellen von ringförmigen Erhebungen, die einen Innendurchmesser aufweisen, der in engen Toleranzen hergestellt ist, kann eine zugeordnete Lichtleitereinrichtung oder Kanaleinrichtung mit dem Umfang des Säulenbauelements 522 stoßgekoppelt werden und reibungsmäßig in Position gehalten werden, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu liefern. Unter Bezugnahme auf 21 ist ein gegenüber positionierbares Element 550 einer Haltereinrichtung so gezeigt, dass dasselbe eine ringförmige Erhebung 552 in der Form eines vorspringenden Zylinders aufweist. Der Zylinder weist eine innere und eine äußere Oberfläche auf, die bei 554 bzw. 556 angezeigt sind. Ein distales Ende 560 einer zugeordneten Kanaleinrichtung 558 kann in die ringförmige Erhebung 552 eingeführt werden und in Position gehalten werden, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist.
Eine Haltereinrichtung kann auch konfiguriert sein, um eine optionale Verriegelungseinrichtung zum lösbaren Koppeln einer Halterung, wie z. B. einer Kanaleinrichtung oder einer Lichtleitereinrichtung, mit einer Öffnung, einem Einlass, einem Auslass oder einer Erfassungseinrichtung an einer miniaturisierten Säule aufzuweisen. Unter Bezugnahme auf 20 ist die ringförmige Erhebung 536 konfiguriert, um mit einer Verriegelung 572 zusammenzuwirken. Die Verriegelung weist eine Hülse auf, die um die Lichtleitereinrichtung 540 angeordnet ist. In der Praxis wird, nachdem das distale Ende 542 des Lichtleiters in die ringförmige Erhebung eingeführt worden ist, die Verriegelung 572 gleitfähig um den Umfang der Erhebung positioniert, um eine Verriegelungseinschnappeinpassung in Zusammenwirkung mit der äußeren Oberfläche der ringförmigen Erhebung 536 zu liefern.
Die optionale Verriegelungseinrichtung kann maschinell gefertigte Gewindegänge aufweisen, die an der äußeren Oberfläche einer ringförmigen Erhebung angeordnet sind, zum gewindemäßigen Ineingriffnehmen von zusammenpassenden Gewindegängen, die im Inneren einer Verriegelung, wie z. B. einer Abdeckung oder der Hülse 572, die in 20 gezeigt ist, angeordnet sind. Die Gewindegänge ermöglichen, dass eine zugeordnete Kanaleinrichtung oder eine Lichtleitereinrichtung mit einem miniaturisierten Säulenbauelement gekoppelt werden, das in einem Halter angeordnet ist, und dann in Position verriegelt werden, um eine hervorragende flüssigkeitsdichte Abdichtung zu liefern.
Es kann eine alternative Haltereinrichtung geliefert werden, die ein oder mehr Öffnungen aufweist, die die Kopplung einer Halterung mit einem Einlasstor, einem Auslasstor, einer Öffnung oder einer Erfassungseinrichtung bei einer miniaturisierten Säule erleichtern. Unter jetziger Bezugnahme auf 22 ist ein gegenüber positionierbares Element 570 einer Haltereinrichtung, in dem eine Öffnung 572 gebildet ist, gezeigt. Die Öffnung ist in dem Halter derart angeordnet, dass dieselbe ein Einlasstor, eine Öffnung, eine Erfassungseinrichtung oder ein ähnliches Merkmal einer miniaturisierten Säule 578 umfasst, das bzw. die in dem Halter angeordnet ist. Das distale Ende 574 einer zugeordneten Kanaleinrichtung 576 kann in die Öffnung 572 eingeführt und mit dem Säulenbauelement 578 stoßgekoppelt werden. Somit kann die Öffnung 572 dimensioniert sein, um mit dem eingeführten Kanal eng zusammenzuwirken, um die Kopplung des Kanals mit dem Säulenbauelement elastisch aufrechtzuerhalten und eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu liefern.
Bei einer bestimmten Konfiguration ist die Halteröffnung 572 dimensioniert, um einen größeren Durchmesser als denjenigen des koaxial angeordneten Säuleneinlasstores, des Auslasstores oder der Erfassungseinrichtung zu haben. Unter weiterer Bezugnahme auf 22 umfasst die Halteröffnung 572 eine Öffnung 580 in dem miniaturisierten Säulenbauelement 578, die in der Haltereinrichtung angeordnet ist. Die Öffnung 580 weist einen kleineren Durchmesser als den der Öffnung 572 auf. Auf diese Weise wird ein Vorsprung 582 geliefert, der als eine Abdichtungsanschlagoberfläche dient, die mit dem distalen Ende 574 der eingeführten Kanaleinrichtung 576 zusammenwirkt, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zu liefern. Diese bestimmte Konfiguration ermöglicht, dass die Kanaleinrichtung getrieben wird, um eng mit der Oberfläche des Säulenbauelements gekoppelt zu sein und eine elastische flüssigkeitsdichte Abdichtung zu liefern, ohne dass die Möglichkeit besteht, dass die Kanaleinrichtung sich in das Säulenbauelement hinein bewegt, wo dieselbe den Fluss von Flüssigkeiten stören könnte, die durch das Säulenbauelement hindurchgehen.
Dementsprechend wurde eine Anzahl von Flüssigphasentrennungsvorrichtungskonfigurationen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass, obwohl die verschiedenen Elemente derartiger Konfigurationen, wie z. B. die Verteiler und Rotoren, Haltereinrichtungen, zugeordneten Lichtleitereinrichtungen und Kanaleinrichtungen, einzeln beschrieben worden sind, es hier ausdrücklich beabsichtigt ist, derartige Elemente zu kombinieren, um eine große Vielzahl von Vorrichtungskonfigurationen zu liefern. Somit kann eine Haltereinrichtung, die in der Praxis der Erfindung verwendet wird, konfiguriert sein, um mit verschiedenen Verteilerkonfigurationen, Mikropumpen, Betätigungsvorrichtungen und dergleichen zusammenzuwirken.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Flüssigphasentrennungsvorrichtung geliefert, die eine Einrichtung zum Unterstützen der Erzeugung und des Ausstoßes eines Probeneluattröpfchens aus dem Trennungsfach eines miniaturisierten Säulenbauelements aufweist. Unter Bezugnahme auf die 23 bis 25 ist eine miniaturisierte Säule 602 gezeigt, die aus einem Substratabschnitt 604 und einem Abdeckungsplattenabschnitt 606 gebildet ist, wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde. Die Säule umfasst ein Trennungsfach 608, das ein vorgelagertes Ende 610 und ein nachgelagertes Ende 612 aufweist. Ein Einlasstor 614 ist bereitgestellt und weist allgemein eine Öffnung auf, die in der Abdeckungsplatte 606 angeordnet ist, um sich in Fluidkommunikation mit dem vorgelagerten Ende 610 des Trennungsfaches zu befinden, wenn die Abdeckungsplatte über dem Substratabschnitt 604 befestigt ist. Ein Auslasstor 616 ist ebenfalls bereitgestellt, das eine Öffnung aufweist, die in dem Substratabschnitt 604 gebildet ist, die sich in Fluidkommunikation mit dem nachgelagerten Ende 612 des Trennungsfaches befindet. Ein Flussweg wird gebildet, der sich von dem vorgelagerten Ende erstreckt und sich entlang der Länge des Trennungsfaches zu dem nachgelagerten Ende bewegt. Ein Flüssigmedium oder eine Probe, die in einer zugeordneten Aufnahmeeinrichtung untergebracht sind, können durch ein Kommunizieren eines Kanals von der Aufnahmeeinrichtung mit dem Einlasstor 614 über eine Verteilereinrichtung oder mit der Hilfe einer Haltereinrichtung, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, zu dem vorgelagerten Ende 610 des Trennungsfaches geliefert werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 23 bis 25 umfasst das Säulenbauelement 602 auch eine Probeneluatlieferungseinrichtung, die allgemein bei 618 angezeigt ist, die benachbart zu dem nachgelagerten Ende 612 des Trennungsfaches angeordnet ist. Insbesondere umfasst die Eluatlieferungseinrichtung 618 eine Ausnehmung 620, die in der Abdeckungsplatte 606 gebildet ist. Eine Öffnung 622 ist in der Ausnehmung 620 angeordnet und ist eingerichtet, um koaxial ausgerichtet zu sein und sich in Fluidkommunikation mit dem Auslasstor 616 zu befinden. Die Lieferungseinrichtung umfasst auch eine zugeordnete Kanaleinrichtung 624, wobei das distale Ende 626 in die Ausnehmung 620 eingeführt und mit der Öffnung 622 stoßgekoppelt wird. Ein Eluat aus dem Trennungsfach kann durch ein Kommunizieren eines externen gepulsten Luftstroms mit der Kanaleinrichtung 624, um kleine Anteile aus der Säule durch Luftdruckpulse zu treiben, wobei diese Anteile dann unter Verwendung von bekannten Techniken gesammelt werden können, aus dem Auslasstor ausgestoßen werden.
Die Kanaleinrichtung kann alternativ dazu mit einer externen Quelle von Zusatzfluiden schnittstellenmäßig verbunden werden, was die Kommunikation derartiger Fluide über die Kanaleinrichtung durch die Öffnung 622 und in Kontakt mit einem Probeneluat, das von dem nachgelagerten Ende 612 des Trennungsfaches 608 in das Auslasstor 616 austritt, ermöglicht. Unter Bezugnahme auf 25 liefert diese bestimmte Konfiguration eine Mischkammer 628, die aus der Schnittstelle des nachgelagerten Endes 612 des Trennungsfaches, der Öffnung 622 (die eine Mischkammereinlasseinrichtung aufweist) und des Auslasstores 616 gebildet ist. Das Auslasstor 616 kann sich optional verjüngen, um eine Auslassdüse zu liefern. Tröpfchen, die eine Mischung aus Probeneluat und Zusatzfluid enthalten, werden erzeugt und aus der Mischkammer ausgestoßen, und können unter Verwendung von bekannten Techniken gesammelt werden.
Eine alternative Einrichtung zum Erzeugen und Ausstoßen eines Probeneluattröpfchens aus einem miniaturisierten Säulenbauelement ist in den 26A bis 26D gezeigt. Insbesondere ist eine miniaturisierte Säule bei 652 angezeigt. Die Säule ist aus einem Substratabschnitt 654 und einem Abdeckungsplattenabschnitt 656 gebildet und umfasst ein Trennungsfach 658, das ein nachgelagertes Ende 660 in Fluidkommunikation mit einer Probenlieferungseinrichtung 662 aufweist, die ein Auslasstor aufweist. Eine Heizeinrichtung 664, die in der Abdeckungsplatte 656 angeordnet ist, ist in thermischem Kontakt mit der Probenlieferungseinrichtung angeordnet. Durch ein Betätigen der Heizeinrichtung wird die Temperatur in der Probenlieferungseinrichtung gesteigert. Wenn die Temperatur zunimmt, baut sich eine Dampfblase in der Probenlieferungseinrichtung 662 auf, wodurch ein Probentröpfchen 668 gebildet wird, das aus dem Säulenbauelement ausgestoßen wird. Für eine weitere Erörterung einer Fluidlieferung unter Verwendung dieses Verfahrens sei verwiesen auf Allen u. a. (1985) Hewlett-Packard J. May 1985: 21 – 27.
Eine weitere alternative Einrichtung zum Erzeugen und Ausstoßen eines Probeneluattröpfchens aus einem miniaturisierten Säulenbauelement ist in den 27 und 28 gezeigt. Wie es am besten in 27 ersichtlich ist, wird ein miniaturisiertes Säulenbauelement 702 geliefert, das ein Trennungsfach 704 und ein Zusatzflussfach 706 aufweist, die Kanäle aufweisen, die in der Oberfläche eines geeigneten planaren Substrats laserablatiert worden sind. Unter jetziger Bezugnahme auf die 27 und 28 laufen das Trennungsfach und das Zusatzflussfach mit einer Probenauslassdüse 712 an ihren jeweiligen nachgelagerten Enden 708 und 710 zusammen, um eine Mischkammer 714 zu bilden, in der ein Probeneluat, das aus dem Trennungsfach 704 austritt, sich mit einem Zusatzfluid mischen kann, das aus dem Zusatzflussfach 706 austritt. Eine Heizeinrichtung 716 befindet sich in thermischem Kontakt mit der Mischkammer 714. Wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, führt eine Betätigung der Heizeinrichtung 716 zur Zunahme der Temperatur derselben, zum Aufbau einer Dampfblase in der Mischkammer 714 und zur Bildung und zum Ausstoß eines Probeneluattröpfchens. Bei einer bestimmten Konfiguration weist die Heizeinrichtung ein Widerstandstypheizelement auf, das über einen ersten und einen zweiten elektrischen Kontakt 718 und 720 unter Verwendung einer zugeordneten Quelle elektrischer Leistung betätigt wird.
Bei jedem der im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele kann eine optionale Nachsäulensammeleinrichtung relativ zu einem Auslasstor oder einer Auslassdüse positioniert sein, um ein Probeneluat zu sammeln, das aus dem Trennungsfach austritt. Unter Bezugnahme auf 29 kann es sich bei einem Nachsäulensammelbauelement 730 (im Querschnitt gezeigt) um ein Substrat handeln, in dem eine Probeneluattröpfchenaufnahmemikrowanne 732 laserablatiert worden ist. Wie es bezüglich anderer Mikrostrukturen beschrieben wurde, die durch Laserablation gebildet werden, kann die Mikrowanne 732 eine beliebige Geometrie und ein beliebiges Seitenverhältnis aufweisen.
Insbesondere ist das Sammelbauelement 730 relativ zu dem distalen Ende 736 eines miniaturisierten Säulenbauelements 734 derart positioniert, dass Probeneluattropfen, die aus einem Trennungsfach 738 austreten und durch ein Auslasstor 740 hindurchgehen, für eine Nachtrennungsanalyse oder für weitere Handhabungen gesammelt werden können. Unter jetziger Bezugnahme auf 30 kann es sich bei einem Nachsäulensammelbauelement 730' (ebenfalls im Querschnitt gezeigt) um ein Substrat handeln, in dem eine Probentröpfchenaufnahmemikrowanne 732' laserablatiert worden ist. Außerdem kann eine Schutzplatte 742 entfernbar zwischen dem Säulenbauelement 734' und dem Nachsäulensammelbauelement 730' eingefügt sein. Die Schutzplatte 742 weist allgemein eine Struktur auf, die eine Öffnung 744 aufweist, die angeordnet ist, um sich in Axialausrichtung mit dem Auslasstor 740' und der Aufnahmewanne 732' zu befinden, und soll einen Schutz für leere oder gefüllte Wannen vor einer Verunreinigung oder vor einer Verdampfung von Probentröpfchen, die vorhergehend gesammelt wurden, liefern.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 31 und 32 ist ein Nachsäulensammelbauelement 752, das eine Probenaufnahmeeinrichtung aufweist, bei der es sich um Probenaufnahmewannen 754 oder eine saugfähige Lageeinrichtung 756 handeln kann, relativ zu dem Auslasstor eines miniaturisierten Säulenbauelements 758 oder 758' positioniert, um Probeneluattröpfchen aufzunehmen, die von der Säule emittiert werden. Unter Bezugnahme auf 32 kann es sich bei der Probenaufnahmeeinrichtung bevorzugt um eine oder mehr Mikrowannen 754, die in einem Substrat laserablatiert sind, zur Flüssigphasenprobensammlung handeln. Alternativ dazu kann es sich bei der Probenaufnahmeeinrichtung um eine oder mehr saugfähige Lageeinrichtungen 756 zur Festphasenprobensammlung handeln, wie es in 31 gezeigt ist. Das Substrat, das bei der Herstellung des Nachsäulensammelbauelements 752 verwendet wird, ist optional ein anderes Material als Silizium oder Siliziumdioxid, wobei die Mikrowannen 754 in dem Substrat laserablatiert werden können.
Wie es in den 31 und 32 gezeigt ist, kann die Aufnahmeeinrichtung sich bevorzugt in drehbarer Ausrichtung mit dem Auslasstor der miniaturisierten Säule 758 oder 758' befinden, derart, dass mehrere Anteile gesammelt werden können. Ferner kann, wie es im Vorhergehenden beschrieben ist, das Nachsäulensammelbauelement 752 eine Schutzeinrichtung umfassen, die eine Öffnung aufweist, die angeordnet ist, um sich in axialer Ausrichtung mit dem Auslasstor des Säulenbauelements zu befinden, wobei die Schutzeinrichtung zwischen die miniaturisierte Säule 758 oder 758' und die Probenaufnahmeeinrichtung eingefügt ist. Obwohl das Nachsäulensammelbauelement 752 hier als eine Scheibe in drehbarer Ausrichtung mit dem Säulenbauelement 758 gezeigt wurde, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass die Konfiguration des Sammelbauelements nicht darauf beschränkt sein muss. Somit kann das Nachsäulensammelbauelement 752 z. B. als eine lineare Anordnung von Probenaufnahmewannen 754 oder dergleichen konfiguriert sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei ferner darauf hingewiesen, dass die Beschreibung und die hier aufgenommenen Beispiele veranschaulichen sollen und nicht den Schutzbereich der Erfindung einschränken sollen, der durch den Schutzbereich der angehängten Ansprüche definiert ist.

Claims

Ein miniaturisiertes Säulenbauelement (2; 52), das folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (4; 56), das eine erste im Wesentlichen planare Oberfläche (6; 60) aufweist, wobei das Substrat aus einem anderen Material als Silizium oder Siliziumdioxid gebildet ist, wobei das Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die Polymere, Keramiken und Laminate derselben umfasst; einen Trennungskanal (10; 64), der einen Mikrokanal aufweist, der in der ersten planaren Oberfläche (6; 60) laserablatiert ist; eine Reservoireinrichtung (16; 68), die einen Hohlraum aufweist, der in der ersten planaren Oberfläche (6; 60) laserablatiert ist; und eine Fluidleiteinrichtung (18; 72), die eine Leitung aufweist, die in der ersten planaren Oberfläche (6; 60) laserablatiert ist und die den Trennungskanal (10; 64) mit der Reservoireinrichtung (16; 68) verbindet.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 1, die ferner eine erste Abdeckungsplatte (20; 58) aufweist, die über der ersten planaren Oberfläche (6; 60) angeordnet ist, wobei die erste Abdeckungsplatte (20; 58) ein Trennungsfach in Kombination mit dem Trennungskanal (10; 64), ein Reservoirfach in Kombination mit der Reservoireinrichtung (16; 68) bzw. ein Fluidleitfach in Kombination mit der Fluidleiteinrichtung (18; 72) definiert.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 2, die ferner zumindest ein Einlasstor (22) und zumindest ein Auslasstor (24) aufweist, die mit dem Trennungsfach in Verbindung stehen, wobei die Tore (22; 24) den Durchgang von Fluid von einer externen Quelle durch das Trennungsfach ermöglichen.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 3, die ferner eine erste Erfassungseinrichtung aufweist, die in dem Substrat laserablatiert ist, wobei die erste Erfassungseinrichtung sich in Kommunikation mit dem Trennungsfach befindet, wodurch eine Erfassung einer Probe ermöglicht wird, die durch das Trennungsfach hindurchgeht.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 3 oder 4, die ferner eine Öffnung (34) in umleitbarer Fluidkommunikation mit dem Reservoirfach aufweist, wobei die Öffnung (34) den Durchgang von Fluid von einer externen Quelle in das Reservoirfach ermöglicht.
Die miniaturisierte Säule gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, die ferner eine Bewegungseinrichtung (102) aufweist, die die Verlagerung von Fluid von dem Reservoirfach durch das Fluidleitfach und in das Trennungsfach ermöglicht.
Die miniaturisierte Säule gemäß Anspruch 3, die ferner einen Umgehungsmikrokanal (258) aufweist, der in der ersten planaren Oberfläche laserablatiert ist, wobei die erste Abdeckungsplatte in Kombination mit dem Umgehungsmikrokanal ein volumetrisches Probenfach definiert, das ein erstes und ein zweites Ende aufweist.