DE19947496C2 - Mikrofluidischer Mikrochip - Google Patents

Abstract

Der beschriebene Labor-Mikrochip weist einen Träger (30) mit einer senkrecht aus der Trägerebene herausragenden Mikro-Sprühspritze (31) auf. Der Träger (30) und die Sprühspitze (31) sind monolithisch ausgebildet. Die Sprühspitze (31) weist einen Durchgangskanal (32) auf, der zum Transport von zu versprühenden Stoffen von einem Kanal (34) zu einer Sprühspitzen-Öffnung (35) hin dient. Der Kanal (34) ist dabei Teil einer hier nicht gezeigten Kanalstruktur, die nach außen hin mittels einer Abdeckplatte (33) abgeschlossen ist. Die Sprühspitze (31) weist auf seiten der Sprühöffnung (35) einen nach innen konisch sich verjüngenden Bereich (35) auf. An diesen Bereich (35) schließt sich eine Bohrung (37) konstanten Querschnitts an, wodurch am Übergang zwischen den beiden Bereichen eine ringförmige Innenabstufung (38) entsteht. Der Außendurchmesser der konisch zulaufenden Spitze (31) ist im Bereich der Öffnung lokal verringert, um die Sprühspitze weiter anzuspitzen, um so die an der Spitze auftretenden elektrischen Felder und damit auch die auf die Stoffe einwirkenden und für das Versprühen zur Verfügung stehenden Kräfte weiter zu erhöhen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Mikrochip-Laborsysteme, die dazu dienen, chemische, chemisch-physikalische, physikalische, biochemische und/oder biologische Prozesse zur Verarbeitung, insbesondere zur Analyse oder Synthese von Stoffen auf einem eine mikrofluidische Struktur aufweisenden Träger durchzuführen. Der im wesentlichen flache Träger weist dabei eine Mikro-Kanalstruktur auf, mittels der die Stoffe unter Beaufschlagung mit einem insbesondere elektrischen Potential entsprechend der Kanalstruktur bewegbar sind. Die Erfindung bezieht sich auf solche Mikrochip-Systeme, bei denen eine Mikro-Sprühspitze zum Absprühen von Stoffen nach außen, insbesondere zum Einsprühen von Stoffen in ein Massenspektrometer, vorhanden ist.

Der rasende Fortschritt auf dem hier betroffenen Gebiet läßt sich am besten illustrieren anhand der entsprechenden Entwicklungen im Bereich der Mikroelektronik. Auch im Bereich der chemischen Analytik besteht, nicht zuletzt im Hinblick auf die klinisch­ ambulante Diagnostik, ein erheblicher Bedarf, existierende stationäre Laboreinrichtungen in portable Systeme zu integrieren bzw. solche Systeme entsprechend zu miniaturisieren. Eine Übersicht über die jüngsten Entwicklungen im Bereich der Labormikrochip-Technologie findet sich in einer von A. von den Berg und P. Bergveld unter dem Titel "Micrototal Analysis Systems" herausgegebenen Sammlung von einschlägigen Fachpublikationen, veröffentlicht in Kluwer, Academic Publishers, Niederland, 1995. Ausgangspunkt bei diesen Entwicklungen war die bereits etablierte Methode der sogenannten "Kapillar-Elektorphorese", bei der bereits in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen worden sind, diese auf einer planaren Glas-Mikrostruktur zu implementieren.

Ein herkömmlicher Labor-Mikrochip US 5,858,195 ist in Fig. 1 gezeigt. Auf der Oberseite eines gezeigten Substrats bzw. Trägers 10 sind mikrofluidische Strukturen aufgebracht, die zur Aufnahme und zum Transport von Stoffen dienen. Der Träger 10 kann beispielsweise aus Glas oder Silizium gefertigt sein, wobei die Strukturen durch ein chemisches oder ein laser-gestütztes Ätzverfahren hergestellt sein können. Zur Aufnahme eines zu untersuchenden Stoffes (im folgenden als "Stoffprobe" bezeichnet) auf dem Mikrochip sind eine oder mehrere Vertiefungen 11 auf dem Träger vorgesehen, die als Reservoir für die jeweilige Stoffprobe dienen. Zum Zwecke der Versuchsdurchführung wird die Stoffprobe zunächst entlang eines Transportkanals 15 auf dem Mikrochip bewegt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transportkanal 15 durch eine V-förmig ausgestaltete Furche gebildet. Es sind allerdings auch grundsätzlich andere Ausführungen des Transportkanals möglich, z. B. rechteck- oder kreisförmig profilierte Ausnehmungen oder Furchen. In weiteren, ebenfalls als Stoffreservoir dienenden Vertiefungen 12 sind die für die Versuchsdurchführung erforderlichen Reagenzien untergebracht. In dem vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei um zwei unterschiedliche Stoffe und über entsprechende Transportkanäle 16 werden diese zunächst einem Kreuzungspunkt 17 zugeführt, wo sie sich durchmischen und nach einer ggf. erfolgten chemischen Analyse oder Synthese das endgültig zur Anwendung kommende Produkt bilden. An einem weiteren Kreuzungspunkt 18 trifft dann dieses Reagenz auf die zu untersuchende Stoffprobe, wobei sich beide Stoffe dort ebenfalls durchmischen.

Der so insgesamt gebildete Stoff durchläuft danach einen mäandrisch ausgeformten Transportkanalabschnitt 19, der im wesentlichen dazu dient, die für die Reaktion zwischen der Stoffprobe und dem Reagenz zur Verfügung stehende Weglänge künstlich zu vergrößern. In einer weiteren, als Stoffreservoir ausgebildeten Vertiefung 13 ist in dem vorliegenden Beispiel ein zusätzliches Reagenz enthalten, das dem bereits vorliegenden Stoffgemisch an einem weiteren Kreuzungspunkt 21 zugeführt wird.

In dem vorliegenden Beispiel erfolgt die eigentlich zu untersuchende Stoffreaktion unmittelbar im Anschluß an den genannten Kreuzungspunkt 21. Die Detektion dieser Stoffreaktion erfolgt dann innerhalb eines Messfeldes bzw. Areals 22 des Transportkanals mittels eines hier nicht dargestellten Detektors, vorzugsweise kontaktlos. Der entsprechende Detektor kann dabei oberhalb oder unterhalb des Areals 22 angeordnet sein. Nachdem der Stoff das genannte Areal 22 durchlaufen hat, wird dieser einer weiteren Vertiefung 14 zugeführt, die eine Stoffsenke für die bei der Reaktion insgesamt gebildeten Stoffabfälle darstellt.

Schließlich sind auf dem Mikrochip Vertiefungen 23 vorgesehen, die als Kontaktflächen für das Einbringen von Elektroden fungieren und welche wiederum die für die Beaufschlagung des Mikrochips mit den für den Betrieb des Chips erforderlichen elektrischen Spannungen, insbesondere Hochspannungen, ermöglichen. Alternativ kann die Kontaktierung des Mikrochips auch durch Einführen einer entsprechenden Elektrodenspitze direkt in die für die Aufnahme der Stoffe vorgesehenen Vertiefungen 11, 12, 13, 14 erfolgen. Durch eine geeignete Anordnung der Elektroden 23 entlang der Transportkanäle 15, 16, 19, 20 und eine entsprechende zeitliche und/oder stärkenmäßige Abstimmung der angewendeten Felder kann nun erreicht werden, daß die Bewegung der einzelnen Stoffe nach einem präzise vorgebbaren Zeit- und Mengenprofil erfolgt, so daß die Kinetik des jeweils zugrunde liegenden Reaktionsprozesses sehr genau berücksichtigt bzw. eingehalten werden kann.

Im Falle einer (hier nicht gezeigten) gasdruck-getriebenen Bewegung der Stoffe innerhalb der mikrofluidischen Struktur ist es erforderlich, die Transportkanäle als rundum abgeschlossene Leitungen auszubilden, beispielsweise als Hohlkanäle mit vorgegebenem Querschnitt. Bei einer solchen Ausführungsform ist es daher erforderlich, die Vertiefungen 23 derart auszubilden, daß entsprechende Druckversorgungsleitungen in diese dichtend eingreifen, um so ein Druckmedium, beispielsweise ein Edelgas, in die Transportkanäle einbringen zu können.

Die Miniaturisierung bei den Mikrochips erlaubt zudem eine erhebliche Verkleinerung der Transportwege der Substanzen, insbesondere zwischen der Stoffzuführung und dem jeweiligen Detektionspunkt zur Messung einer etwa erfolgten chemischen Reaktion (siehe Fig. 1). Aus dem Bereich der Flüssigkeitschromatographie und der Elektrophorese ist ferner bekannt, daß sich in solchen Systemen eine Stofftrennung schneller einstellen läßt - und damit die Versuchsergebnisse ebenfalls schneller vorliegen - und sich die einzelnen Komponenten mit höherer Auflösung separieren lassen, als es bei herkömmlichen Systemen möglich ist. Darüber hinaus erlauben mikro-miniaturisierte Laborsysteme einen erheblich reduzierten Verbrauch an Stoffen, insbesondere an Reagenzien, sowie eine wesentlich effizientere Durchmischung von Stoffkomponenten.

Ein Labor-Mikrochip der in Fig. 1 gezeigten Art ist beispielsweise in der 5,858,195 vorbeschrieben. Die Bewegung der Stoffe in auf dem Mikrochip integrierten Kanälen wird mittels elektrischer Felder gesteuert, welche entlang der Transportkanäle angelegt werden. Aufgrund der dadurch ermöglichten hochgenauen Steuerung der Stoffbewegung sowie der sehr genauen Dosierbarkeit der jeweils bewegten Stoffmassen lassen sich die Stoffe im Hinblick auf die erwünschte Stöchiometrie präzise vermischen, trennen und/oder chemische oder physikalisch-chemische Reaktionen herbeiführen. Die Bewegung der Stoffe erfolgt dabei auf der Grundlage der sogenannten Elektro-Osmose, d. h. der durch einen elektrischen Potentialgradienten hervorgerufenen Bewegung einzelner Stoffe innerhalb eines Stoffgemisches. Stoffe bewegen sich in elektischen Feldern zum einen durch ihre Eigenladung. Die Eigenladung kann beispielsweise durch eine entsprechend chemisch saure Umgebung gesteuert werden. Dies nennt man den elektrophoretischen Fluß. Gleichzeitig hat jede Oberfläche eine Oberflächenladung. Direkt an der Innenoberfläche einer Kapillare bildet sich, bedingt durch diese Oberflächenladung (meist negativ), eine dünne Schicht der entsprechenden Gegenladung (meist positiv) in der mobilen Phase (Flüssigkeit) aus. Im elektrischen Feld wandert diese dünne Schicht von + nach - und nimmt die Flüssigkeit im Innern der Kapillare mit. Diesen Fluß nennt man elektro-osmotischen Fluß (EOF). Der Gesamtfluß ist die Summe aus EOF und Elektrophoretischem Fluß, wobei neutrale Moleküle mit dem EOF wandern.

Im besonderen weist der im vorgenannten US 5,858,195 beschriebene Mikrochip einen Träger mit einem oder mehreren Kreuzungsstellen zwischen den Transportkanälen auf, an denen die Durchmischung von Substanzen erfolgt. Durch gleichzeitige Anwendung unterschiedlicher elektrischer Potentiale an verschiedenen Stoffreservoirs wird ermöglicht, daß die Volumenströme der verschiedenen Stoffe durch einen oder mehrere Kreuzungspunkte hindurch selektiv steuerbar sind und somit allein aufgrund der angelegten elektrischen Potentiale bereits eine genaue stöchiometrische Vorgabe möglich ist.

Zur Detektion der bei einem experimentellen Versuch ablaufenden Stoffreaktionen werden hauptsächlich optische Verfahren, z. B. durch Messung eines Absorptions- oder Fluoreszenzspektrums des jeweiligen Stoffes, eingesetzt. Eine optische Detektion benötigt dabei transparente Materialien innerhalb der Kanalstruktur eines solchen Mikrochips, beispielsweise Glas oder Polymethylmetacrylat (PMMA). Gleichzeitig ist es erforderlich, daß die zu detektierende Stoffprobe entweder im Bereich der jeweiligen Wellenlänge des Meßstrahls absorbierend oder aber entsprechend mit fluoreszierenden Farbstoffen markierbar sein muß. Die dadurch hervorgerufenen Einschränkungen bei der Auswahl der Stoffproben implizieren erhebliche Nachteile solcher mikrofluidischer Meßeinrichtungen.

Zudem ist bei vielen Applikationen, z. B. auf dem Gebiet der Proteinanalytik, eine optische Detektion oftmals schwierig oder nur mit erheblichem technischem Aufwand zu bewerkstelligen. Im Stand der Technik ist daher bereits vorgeschlagen worden, ein Massenspektrometer (MS) an einen mikrofluidischen Mikrochip der eingangs beschriebenen Art anzuschließen. Üblicherweise wird hier ein sogenanntes "Electrospray-Interface" (ESI) verwendet, um die flüssig vorliegenden Stoffproben für die MS-Detektion vorab zu ionisieren. Die "Electrospray"-Ionisierung dient dabei zur Erzeugung von Ionen für die massenspektroskopische Analyse von chemischen oder biologischen Stoffproben. Ein ESI entsteht, wenn eine Flüssigkeit in einer Kapillarspitze (Sprühspitze) einem elektrischen Potential einer Höhe von etwa 1-4 kV (Kilovolt) ausgesetzt ist. Das hohe elektrische Feld induziert Ladungen an der Oberfläche der Flüssigkeit im Bereich der Sprühspitze. Das Absprühen bzw. Versprühen des Stoffes im Bereich der Sprühspitze entsteht, sobald die Coulomb-Kräfte groß genug sind, um die in der Flüssigkeit vorliegenden Oberflächenspannungskräfte zu überwinden.

Die Ionisierung mittels eines ESI für Flussraten, wie sie bei mikrofluidischen Strukturen typischerweise vorkommen (100-500 nl/min), erfordern jedoch sehr hohe elektrische Feldstärken, wie sie nur an sehr feinen Sprühspitzen mit einem Durchmesser von etwa 10-100 µm (Mikrometer) erzeugt werden können.

Einschlägige mikrofluidische Systeme der hier betroffenen Art sind beispielsweise in den Druckschriften WO 97/04297 A1, WO 98/35376 A1 und US 5,788,166 vorveröffentlicht. Das in der WO 97/04297 A1 offenbarte mikrofluidische System weist eine Mikro- Sprühspitze auf, die als "ESI"-Schnittstelle zum Transfer von Stoffproben zu einem Massenspektrometer dient. In einem dortigen Ausführungsbeispiel wird die Sprühspitze in Baueinheit mit einem oder mehreren Kanälen hergestellt. Ferner weist die Sprühspitze bezüglich der Flächenebene des Mikrochip-Trägers senkrecht aus dieser Ebene heraus, wobei die Spitze ebenfalls in Baueinheit mit einer Abdeckplatte hergestellt ist. Das eigentliche Kanalsystem wird durch Aufbringen einer entsprechend dimensionierten Abdeckplatte auf der gegenüber der Sprühspitze abgewandten Seite des Trägers erzeugt.

In der genannten Druckschrift ist eine aus Silizium mikromechanisch gefertigte Sprühspitze beschrieben. Diese Sprühspitze ist dabei auf einem unterstützenden Substrat, vorzugsweise einem Silizium-Träger, ausgebildet. Die flüssige Stoffprobe fließt dabei zunächst in eine vorbeschriebene Kanalstruktur. An einem Ende dieser Kanalstruktur ist dann eine mit der Kanalstruktur in stoffleitender Verbindung stehende Sprühspitze in Form eines Kanals ausgebildet. Die Herstellung der Sprühspitze erfolgt mittels zahlreicher Herstellungsschritte, wobei mehrstufige Abscheidungsprozesse zur Ausbildung eines sogenannten "Sandwiches" umfasst sind. Dieses Sandwich weist an den Außenseiten jeweils zwei Silizium-Nitrit-Schichten auf. Die Sprühspitze selbst wird dabei mittels eines Ätzverfahrens gebildet. Die Silizium-Nitrit-Schichten werden dabei zunächst auf einem Silizium-Substrat abgeschieden. Danach wird das Silizium-Nitrit mittels eines Plasmas, unter Bildung der Sprühspitze, strukturiert.

Auch die in der US 5,788,166 beschriebene ESI-Quelle weist eine Mikro- Sprühspitze der eingangs beschriebenen Art auf und eignet sich insbesondere für die Zerstäubung von flüssigen Stoffen für die Anwendung im Bereich der Kapillar- Elektrophorese mit ultra-geringen Flussraten. Die Sprühspitze wird durch Zugverlängerung (Ausziehen) eines aufgeheizten Quarzröhrchens hergestellt. Das Quarzröhrchen wird dabei im Anschluß an die Zugverlängerung durch chemisches Ätzen und eine nachfolgende Oberflächenmetallbeschichtung bearbeitet. Das Ausziehen des Röhrchens führt insbesondere zur Ausbildung eines sich langsam zuspitzenden, innerhalb eines nadelförmigen Fortsatzes vorliegenden Kanals bzw. Kapillare, welche zudem in eine Spitze mit extrem geringem Innendurchmesser ausläuft. Der Ätzprozeß führt zu einer weiteren Ausdünnung der Außenwand der Nadel und damit zu einer weiteren Verringerung des Spitzendurchmessers. Nach dem Anbringen eines metallisierten elektrischen Kontakts auf der Außenwandung der Nadel wird danach eine elektrisch isolierende Deckschicht aufgebracht, welche zu einer Verlängerung der Standzeiten der Nadel beiträgt.

Eine aus einer Glaskapillare ausgezogene Sprühspitze ist zudem in Anal. Chem. 98, 70, 3728-3734 beschrieben, wobei die Glaskapillare nach dem Ausziehen in einen Mikrochip eingeklebt wird. Der elektrische Anschluß wird dabei entweder über eine metallisierte Spitze oder eine sogenannte "Liquid-Junction" auf dem Chip erzeugt. Eine solche Liquid-Junction als elektrischer Anschluß für das ESI ist ferner in Anal. Chem. 97/69, 1174-1178, beschrieben. Anstelle einer Sprühspitze ist hier allerdings ein sogenannter Sprühkegel (Tayler-Cone) direkt auf der Oberfläche eines Mikrochips vorgesehen. Die Liquid-Junction ist dabei insbesondere als zusätzlicher Kanal kurz vor dem Sprühkegel ausgebildet. Um zu verhindern, daß die Probenmoleküle nicht dem elektrischen Feld entlang diese Anschlußkanals folgen, wird der Anschlußkanal so beschichtet, daß innerhalb des Anschlußkanals kein einen elektro-osmotischen Fluß (EOF) der Stoffe bewirkender Feldrand vorliegt.

Die Erzeugung solcher Mikrospitzen kann bekanntermaßen auch durch lithographische Abscheideprozesse erfolgen, beispielsweise mittels Ausbildung von Parelen auf der Oberfläche einer Mikrostruktur unter Verwendung einer sogenannten Opferschicht, die anschließend aufgelöst und so ein Kanal gebildet wird. Wie in dem in WO 98/35376 A1 vorgeschlagenen Verfahren lauten auch hier die einzelnen Herstellungsschritte:

• 1. Schicht Silizium Nitrit auf Silizium (als Boden)
• 2. phosphosilicate glass (als Opferschicht)
• 3. Schicht Silizium-Nitrit (als Deckel + Seitenwand)
• 4. Freiätzen der Spitze (Siliziumtráger wird freigeätzt)
• 5. Wegátzen der Opferschicht

Ferner ist bekannt, eine Mikrospitze durch Tiefätzen bzw. Ionenätzen von Siliziumstrukturen so herzustellen, daß nach dem Ätzen die Mikrospitze stehen bleibt. Ein solches Herstellungsverfahren ist beispielsweise in einem Beitrag von R. E. Swenson auf einer am 9. September 1999 stattgefundenen IBC-Konferenz vorveröffentlicht.

Die vorbeschriebenen Mikrospitzen haben nun den Nachteil, daß aufgrund der relativ aufwendigen Herstellungsverfahren derzeit noch keine kommerzialisierbaren Mikrostrukturankopplungen von Labor-Mikrochips der vorbeschriebenen Art an z. B. Massenspektrometer oder dergleichen bekannt sind.

Aus Analytical Chemistry, Vol. 70 (1998), 70, Seiten 4755-4760 ist eine Vorrichtung zum mechanischen Ausstossen von Tröpfchen, beispielsweise in ein Massenspektrometer, bekannt. Die bekannte Vorrichtung weist eine Düse auf, die auf einer Seite eines Trägers integriert ist, während auf der anderen Seite des Trägers eine Kanalstruktur ausgebildet ist.

Ein Mikrochip gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist aus der vorstehend bereits erwähnten Druckschrift WO 97/04297 A1 bekannt. In einem dort beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Sprühspitze in einer Abdeckplatte integriert, die mit einem separaten Träger verbunden wird, welcher die eigentliche mikrofluidische Kanalstruktur zur Analyse oder Synthese von Stoffen enthält. Die Sprühspitze ragt senkrecht aus der Abdeckplatte heraus. Ein Durchgangskanal stellt eine Verbindung zwischen der Kanalstruktur auf dem Träger und der Sprühspitze her, so daß Stoffe nach außen abgesprüht werden können. Aus einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Druckschrift ist ein mikrofluidischer Mikrochip mit einer Kanalstruktur bekannt, in der Stoffe mittels elektrischer Felder bewegt werden. Einige Kanäle enden in Ausgangsöffnungen an der Oberfläche des Mikrochips, von wo austretende Stoffe als Electrospray nach außen abgesprüht werden. In diese Ausgangsöffnungen an der Chipoberfläche mündet auch jeweils ein mit elektrischen Feldern beaufschlagter Seitenkanal, über den zusätzliche Stoffe den austretenden Stoffen beigemischt werden können. In diesem Ausführungsbeispiel liegen im Unterschied zum erstgenannten Ausführungsbeispiel die Kanalstruktur des Mikrochips und die Absprührichtung in einer Ebene und außerdem ist keine nach außen ragende, und somit einen hohen Feldstärkegradienten erzeugende, Mikrosprühspitze vorhanden.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eine Mikro-Sprühspitze der eingangs beschriebenen Art aufweisenden Mikrochip anzugeben, dessen Herstellung gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht ist und der einen zuverlässigen Transport der Stoffe zur Mikro-Sprühspitze gewährleistet. Die, dabei bereitzustellende Mikrostruktur soll neben der vereinfachten Herstellbarkeit insbesondere eine möglichst zuverlässige Herstellung extrem feiner Sprühspitzen mit einem Außendurchmesser von 10-100 µm (Mikrometer) ermöglichen. Auch soll eine solche Sprühspitze einen möglichst einfach herzustellenden hydraulischen Anschluß zum jeweiligen, auf dem Mikrochip vorgesehenen Trennkanalsystem sowie einen vereinfachten elektrischen Anschluß für das zum Absprühen der Stoffe aus der Sprühspitze erforderliche elektrische Feld bereitstellen.

Die genannte Aufgabe wird durch einen mikrofluidischen Mikrochip mit den Merkmalen der Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Mikro-Sprühspitze wird so aus einem Trägermaterial herausgearbeitet, daß die Sprühspitze und der Träger monolitisch, ausgebildet sind. Zudem ist die bei dem Mikrochip vorgesehene Kanalstruktur auf der zur Sprühspitze rückwärtigen Seite des Trägers angeordnet.

Bei dem Mikrochip wird ein elektrischer Anschluß der Sprühspitze über eine sogenannte "Liquid-Junction" geschaffen. Die elektrische Versorgung der Sprühspitze erfolgt dabei mittels (über den Verbindungskanal) der Sprühspitze zugeführter Stoffe, mit Hilfe einer einen Trennkanal beeinflussenden Elektrode und einer einen Seitenkanal beeinflussenden Elektrode. Somit sind keine zusätzlichen elektrischen Einrichtungen, beispielsweise in Form einer Metallisierungsschicht oder dergleichen, erforderlich.

Um zu verhindern, daß Probenmoleküle in den Anschlußkanal (Seitenkanal zur Verbindung der Sprühspitze mit der Kanalstruktur) anstatt zur Sprühspitze hin wandern, wird in diesem Seitenkanal ein Überdruck angelegt. Vorzugsweise wird an den ein um ein solches Maß erhöhter Druck angelegt, daß der durch diesen Druck erzeugte hydrodynamische Fluß größer oder gleich dem elektro-osmotischen Fluß (EOF) ist. Ferner kann durch gezieltes Einstellen dieser Druckverhältnisse, über die Bereitstellung eines elektrischen Anschlußes für die Sprühspitze hinaus, auch gezielt eine zusätzliche Flüssigkeit den zu untersuchenden Stoffen beigemischt werden, um das ESI zu optimieren. Beispielsweise können hierbei organische Sáuren wie z. B. Ameisen- oder Essigsäure beigemischt werden, um die Aufladung (Protonierung) der Stoffprobe zu verbessern. Alternativ oder zusätzlich können organische Lösungsmittel wie z. B. Methanol beigemischt werden, um das Absprühen bzw. die Vernebelung zu optimieren.

Die Vorteile des Mikrochips mit Mikro-Sprühspitze liegen nun insbesondere darin, daß die Fertigung der Sprühspitze erheblich vereinfacht und damit eine Kostensenkung bei der Herstellung dieser Spitzen erreichbar ist, womit insgesamt ein Vertrieb von diese Sprühspitzen aufweisenden Mikrochips als Massenartikel ermöglicht wird.

Die Mikrostruktur läßt sich vorteilhaft durch Heissprägen (hot embossing) oder durch Mikro-Spritzguss herstellen. Mittels solcher oder ähnlicher Verfahren lassen sich die erforderlichen feinen Strukturen, wie sie für ein ESI benötigt werden, insbesondere ein Kegelstumpf mit einem Spitzendurchmesser von etwa 10-­ 100 µm (Mikrometer) und einer Höhe von ca. 1 mm, vorteilhaft erzeugen.

Die Kanalstruktur kann ferner über eine Deckelplatte, die auf den Träger aufgebracht wird, erst im Anschluß an die Herstellung der Mikrospitze nach außen hin abgedichtet bzw. abgeschlossen werden. Der Verbindungskanal zwischen der Kanalstruktur und der Sprühspitze kann vorteilhaft bereits im Laser- oder Spritzwerkzeug, insbesondere in einem Arbeitsgang mit der Erzeugung der Mikrospitze und/oder der Kanalstruktur, gebildet werden. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten weiter verringern.

Der Mikrochip ermöglicht die gleichzeitige Verwendung von standardisierten Mikrotiterplatten, wie sie bereits in einer Vielzahl von Automatisierungsrobotern und Pipettierstationen auf dem Markt erhältlich sind. Typischerweise erfolgt der Probentransfer von einer Mikrotiterplatte zu einem mikrofluidischen Mikrochip durch Aufpipettieren der jeweiligen Flüssigkeiten oder durch Verwendung einer sogenannten Transfer-Kapillare, die in den Mikrochip eingeklebt ist.

Insbesondere ermöglicht der Mikrochip die Probenhandhabung sowie die Probenanalyse in einem Funktionsmodul zu vereinen, so daß die Probe nicht zusätzlich von einer Well-Plate zum Mikrochip transferiert werden muß. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der mikrofluidische Mikrochip dabei als Bodenteil einer Well-Plate ausgelegt.

Es ist ferner vorteilhaft, die Mikrospitze, welche die Schnittstelle zum Massenspektrometer bildet, an der Unterseite des mikrofluidischen Chips anzuordnen, so daß die Sprühspitze nach unten sprüht.

Ein anderer Vorteil liegt darin, daß der Mikrochip nun im gleichen geometrischen Format wie die Abmessungen der jeweils verwendeten Mikrotiterplatten vorliegen kann. Daher braucht bei der Probenhandhabung bzw. Probenorganisation nicht mehr zwischen den Proben selbst und den Mikrochips unterschieden zu werden. Durch Verwendung eines standardisierten Rasters für die Anordnung der Zuführkanäle für die Stoffe können handelsüblichen Probenvorbereitungs-Geräte für den Off-Line- Betrieb der Probenpräparation verwendet werden.

Der Mikrochip und dessen Verwendung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Labor-Mikrochip nach dem Stand der Technik;

Fig. 2a, b eine Schnittansicht eines Mikrochips mit einer Mikro- Sprühspitze (a) sowie Ausschnittvergrößerungen dieser Mikrosprühspitze (b);

Fig. 3a, b eine Vorrichtung zur Handhabung eines Mikrochips;

Fig. 4a, b einen länglich ausgebildeten mikrofluidischen Mikrochip in schematischer Seiten- (a) und Rückansicht (b);

Fig. 5 eine schematisierte Darstellung eines eine Mikro-Sprühspitze aufweisenden Mikrochips zur Illustration der Potentialverhältnisse bei einem hydraulisch und elektro-osmotisch bewirkten Stofffluss; sowie

Fig. 6 einen in Flußdiagrammform dargestellten Arbeitszyklus bei der Verwendung eines eine Mikro-Sprühspitze aufweisenden mikrofluidischen Mikrochips.

Fig. 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Labor-Mikrochip, der bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben wurde.

Fig. 2a und b zeigen jeweils seitliche Schnittansichten eines eine Mikro-Sprühspitze aufweisenden Bereichs eines Mikrochips, wobei Fig. 2b. eine gegenüber der Fig. 2a verstärkte Ausschnittvergrößerung der eigentlichen Mikrospitze darstellt.

Der Mikrochip weist einen Träger 30 auf, an dem, etwa senkrecht aus der Trägerebene herausragend, eine Mikro-Sprühspitze 31 angeordnet ist. Der Träger 30 und die Sprühspitze 31 sind erfindungsgemäß (einstückig) monolithisch ausgebildet. Die Sprühspitze 31 weist einen Durchgangskanal 32 auf, der zum Transport von zu versprühenden Stoffen von einem Kanal 34 zu einer Sprühspitzen-Öffnung 35 hin dient. Der Kanal 34 ist Teil einer hier nicht gezeigten Kanalstruktur, die nach außen hin mittels einer Abdeckplatte 33 abgeschlossen ist.

Fig. 2b zeigt nun die Sprühspitze 31 in größerem Detail. Diese weist auf seiten der Sprühöffnung 35 zunächst einen nach innen konisch sich verjüngenden Bereich 35 auf. An diesen Bereich 35 schließt sich eine Bohrung 37 konstanten Querschnitts an, wodurch am Übergang zwischen den beiden Bereichen eine ringförmige Innenabstufung 38 entsteht. Der Außendurchmesser der konisch zulaufenden Spitze 31 ist im Bereich der Öffnung lokal verringert, um die Sprühspitze weiter anzuspitzen, um so die an der Spitze auftretenden elektrischen Felder und damit auch die auf die Stoffe einwirkenden und für das Versprühen zur Verfügung stehenden Kräfte weiter zu erhöhen.

Zur parallelen bzw. gleichzeitigen Untersuchung einer Anzahl von Stoffproben werden üblicherweise sogenannte Mikrotiterplatten (engl. "well-plates") verwendet. Die zu untersuchenden Proben sind dabei in kleinen Kavitäten (engl. "wells")matrixartig angeordnet. Derartige Well-Plates sind u. a. aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen aus einer Proben- oder Kavitätenplatte und einer Bodenplatte, wobei die Bodenplatte aus Kunststoff oder Glas gefertigt ist. Boden- und Kavitätenplatte sind so zusammengefügt, daß die Bodenplatte die Kavitäten der Platte nach unten hin abschließt.

Eine solche Kavitäten-Platte 40 ist in Fig. 3 perspektivisch dargestellt. Ein hier ebenfalls perspektivisch gezeigter Mikrochip 41 ist in seinen äußeren Abmessungen so ausgelegt, daß er mit der Kavitäten-Platte 40 zusammenpaßt. Die Platte 40 weist Stoffreservoirs 42 auf, in denen die für den jeweiligen Versuch erforderichen Stoffe bzw. Reagenzien untergebracht sind. Zum Zwecke der Versuchsdurchführung werden diese Stoffe dann mittels Probenzuführöffnungen 43 an den Mikrochip 41 übertragen, z. B. mit handelsüblichen Pipettierstationen. Auch die räumliche Anordnung der Stoffreservoirs 42 und der Probenzuführöffnungen 43 sind so aufeinander abgestimmt, daß nach dem Zusammenführen der Platte 40 und dem Mikrochip 41 eine kompakte Moduleineinheit 40, 41 gebildet wird. Aufgrund standardisierter Abmessungen läßt sich diese Moduleinheit ohne weiteres in herkömmlichen Labor- bzw. Meßeinrichtungen verwenden. Die Kanalstruktur 44 des Mikrochips 41 befindet sich auf der Verbindungsseite des Mikrochips 41 und der Platte 40, wohingegen eine am Mikrochip 41 weiter vorgesehene Mikro-Sprühspitze 46 auf der gegenüberliegenden Seite des Mikrochips 41, und zwar in einem Randbereich 47 des Mikrochips 41 angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Sprühspitze auch nach dem Zusammenführen der Platte 40 und des Mikrochips 41 vorteilhaft nach unten gerichtet und von außen gut zugänglich ist.

Fig. 4a zeigt einen länglich ausgebildeten mikrofluidischen Mikrochip 50 in schematischer Seitenansicht. Der Mikrochip 50 weist in einem Randbereich eine Mikro-Sprühspitze 51 auf. Aus der in Fig. 4b gezeigten, gegenüber der Sprühspitze rückwärtigen Seite des Mikrochips 50 ist zum einen die längliche Ausbildung des Mikrochips 50 deutlich. In der Rückansicht ist ferner die auf dieser Seite liegende Kanalstruktur 52 des Mikrochips sichtbar. Die Kanalstruktur 52 weist dabei Stoffzuführkanäle 53, 53', 53" auf, die in einen Trennkanal 54 münden. Der Trennkanal 54 ist vorteilhaft in Längsrichtung des Mikrochips 50 angeordnet. Hierdurch wird insbesondere die für die Trennung von Stoffen verfügbare effektive Trennlänge maximiert. Der Trennkanal mündet in einen mäandrisch ausgebildeten Kanalbereich 55, der über einen hier nicht gezeigten, senkrecht zur Papierebene angeordneten Verbindungskanal mit der Sprühspitze 51 in stoffleitender Verbindung steht. An den Kanalbereich 55 schließt sich dann eine Stoffsenke 56 an, die zur Aufnahme überschüssiger, nicht in die Sprühspitze geführter Stoffe dient.

Fig. 5 zeigt eine schematisierte Darstellung eines eine Mikro-Sprühspitze 60 aufweisenden Mikrochips 61 und dient zur Illustration der Potentialverhältnisse bei einem hydraulisch sowie elektro-osmotisch überlagernd bewirkten Stofffluss. Die Sprühspitze 60 ist dabei mit dem Mikrochip 61 mittels eines Verbindungskanals 60' stoffleitend verbunden. Gegenüber der Sprühspitze 60 ist ein Massenspektrometer 62 (MS) vorgesehen, dessen Öffnung 63, wie üblich, in unmittelbarer Nähe der Sprühspitze angeordnet ist. Das Versprühen der Stoffe in die Öffnung 63 des MS 62 erfolgt bei Normaldruck. Auch am Eingang 63 des MS 62 liegt demnach Normaldruck an, wobei die aus der Sprühspitze 60 heraustretenden Ionen bei dem vorliegenden Normaldruck am Eingang 63 aufgrund eines im Innern des MS 62 vorliegenden Vakuums automatisch in das MS 62 hineingezogen werden.

Hinsichtlich der Gasdruckverhältnisse liegt an der Sprühspitze 60 ein Normaldruck an. Aufgrund eines zwischen einem Anschluß 68 und einem Liquid-Junction-Anschluß 64 anliegenden elektrischen Feldes ΔU₁ würde eine Stoffprobe nicht zur Sprühspitze 60 hin, sondern - dem elektrischen Feld ΔU₁ folgend - zum Anschluß 64 hin wandern 67. Um dies zu verhindern, wird am Anschluß 64 erfindungsgemäß ein leichter Überdruck Δp gegenüber Normaldruck angelegt, der einen hydrodynamischen Fluß 66, 69 bedingt, der größer oder gleich dem elektro-osmotischen Fluß 67 ist, so daß die Stoffprobe zur Sprühspitze 60 hin wandert 69.

Schließlich zeigt Fig. 6 einen Arbeitszyklus einer Vorrichtung zur Handhabung eines eine Mikro-Sprühspitze aufweisenden mikrofluidischen Mikrochips, und zwar in Form eines Flußdiagramms. Stoffproben 72 enthaltende Kavitäten-Platten und Mikrochips 73 werden dabei zusammen in sogenannten "Hotels" verwaltet. Aus diesen Hotels werden die Stoffproben 72 in sogenannten Pipettierstationen, und zwar nach einer etwa durchgeführten Probenvorbereitung, den Mikrochips zugeführt. Hierzu dient ein Roboter 71, der die Mikrochips im Anschluß daran auch einem Analysegerät zuführt, welches die Mikrochips vor der durchzuführenden Analyse noch mit einer entsprechenden chemischen Umgebung kontaktiert 74 und erst danach an die Sprühkammer 76 eines Massenspektrometers 77 anschließt. Über einen Verfahrmechanismus 75 können die Mikrochips aus dem Analysegerät herausgefahren und dem Roboter 71 wieder zugänglich gemacht werden.

Claims (8)

1. Mikrofluidischer Mikrochip zur chemischen, physikalischen und/oder biologischen Analyse oder Synthese von Stoffen, mit einer auf einer Seite eines im wesentlichen flachen Trägers angeordneten Kanalstruktur mittels der die Stoffe unter Beaufschlagung mit einem insbesondere elektrischen Potential entsprechend der Kanalstruktur bewegbar sind, und mit einer Mikro-Sprühspitze zum Absprühen von Stoffen nach außen, insbesondere zum Einsprühen von Stoffen in ein Massenspektrometer, wobei
die für das Absprühen der Stoffe erforderliche Energie mittels einer, mit der Mikro-Sprühspitze elektrisch leitend verbundenen elektrischen Spannungsquelle zuführbar ist,
die Mikro-Sprühspitze auf der zur Kanalstruktur gegenüberliegenden Seite des Mikrochips, im wesentlichen senkrecht aus der Mikrochipebene herausragend, angeordnet ist, und
die Mikro-Sprühspitze mittels eines Durchgangskanals mit der Kanalstruktur stoffleitend verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kanalstruktur (34; 44; 52, 54) und die Mikro-Sprühspitze (31; 51; 46; 60) auf verschiedenen Seiten desselben Trägers (30) angeordnet sind,
die Mikrosprühspitze und der Träger monolithisch ausgebildet sind, und
die elektrische Versorgung der Mikro-Sprühspitze (51, 60) für die zur Mikro- Sprühspitze hin fließenden Stoffe über eine einen Trennkanal (54) beeinflussende Elektrode (68) und eine einen Seitenkanal (55) beeinflussende Elektrode (64) erfolgt, wobei im Seitenkanal (55) ein Überdruck (Δp) gegen Normaldruck angelegt ist, um eine Wanderung von Stoffen in den Seitenkanal (55) zu verhindern.

2. Mikrofluidischer Mikrochip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro-Sprühspitze (31; 51; 46; 60) und der Träger (30) aus einem Polymermaterial, insbesondere PEEK (Polyetheretherketon), PI (Polyimid) oder PMMA (Polymethylmetacrylat) hergestellt sind.

3. Mikrofluidischer Mikrochip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikro-Sprühspitze (46) in einem äußeren Bereich (47) der Flächenebene des Trägers (41) angeordnet ist.

4. Mikrofluidischer Mikrochip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrochip auf der die Kanalstruktur (34) aufweisenden Seite des Trägers (30) eine die Kanalstruktur nach außen hin stoffdicht abschließende Deckelplatte (33) aufweist.

5. Mikrofluidischer Mikrochip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Mikro- Sprühspitze zwischen etwa 10 und 100 µm und die Mikro-Sprühspitzenhöhe etwa 1 mm betragen.

6. Mikrofluidischer Mikrochip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Mikro-Sprühspitze anliegende elektrische Spannung und das für die Bewegung der Stoffe erforderliche Potential so aufeinander abstimmbar sind, daß der zur Mikro- Sprühspitze hin gerichtete elektro-osmotische Stofffluß gleich dem hydraulischen Stofffluß ist.

7. Mikrofluidischer Mikrochip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Stofffluß unter Berücksichtigung einer zwischen der Mikro-Sprühspitze und einem angekoppelten Massenspektrometer oder dergleichen vorliegenden Spannungs- und/oder Druckdifferenz einstellbar ist.

8. Mikrofluidischer Mikrochip nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Flüssigkeitsüberdrucks eine zusätzliche Flüssigkeit dem zu untersuchenden Stoff beimischbar ist.