DE69829181T2

DE69829181T2 - Verbesserte trennsäulen und verfahren zur herstellung der verbesserten trennsäulen

Info

Publication number: DE69829181T2
Application number: DE69829181T
Authority: DE
Inventors: E. Fred REGNIER; Bing He
Original assignee: Purdue Research Foundation
Current assignee: Purdue Research Foundation
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1998-05-18
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: US6156273A; EP0985146A1; US6596144B1; EP0985146B1; DE69829181D1; WO1998054568A1

Description

Die Regierung der Vereinigten Staaten kann bestimmte Rechte bei dieser Erfindung beanspruchen, da die Erfindung teilweise mit Unterstützung der Regierung der Vereinigten Staaten durch die Zulassungsnummer 5RO1GH515 74-03 entwickelt wurde.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Trennvorrichtung und insbesondere auf Trennsäulen und Herstellungsverfahren von Trennsäulen zur Verwendung bei Trennprozessen.
Hintergrund
Eine auf analytischen Methoden basierende Trennung wie z.B. Chromatographie, Elektrophorese und Elektrochromatographie sind bei der Bestimmung einzelner Proben in komplexen Gemischen von Nutzen. Bei der Chromatographie wird eine zu analysierende Probe in eine Trennsäule eingeleitet, die eine mobile Phase und eine stationäre Phase enthält. Komponenten der Probe werden voneinander getrennt, wenn die Probe infolge der Unterschiede bei der Interaktion der verschiedenen Komponenten mit der stationären Phase die Säule passieren.
Die Elektrophorese ist eine Trenntechnik, die auf der Mobilität von Ionen in einem elektrischen Feld basiert. Bei der kapillaren Elektrophorese wird eine Probe in ein Kapillarrohr eingebracht, das ein elektrophoretisches Mdeium enthält. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes über dem Kapillarrohr migrieren Komponenten der Probe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu den entgegengesetzt geladenen Enden des Rohrs, basierend auf ihren relativen elektrophoretischen Mobilitäten in dem Medium. Die Elektrochromatographie ist eine Kombination von Chromatographie und Elektrophorese, wobei die mobile Phase mittels elektroosmotischer Strömung (EOF = electroosmotic flow)durch das Trennsystem transportiert wird.
Die Trennung von Proben in komplexen Gemischen, basierend auf analytischen Systemen, die in der Lage sind, eine große Anzahl von Trennvorgängen durchzuführen, wäre von Nutzen. Insbesondere sind Trenntechnologien erwünscht, welche mehrere Proben rasch verarbeiten und mehrdimensionale Trennvorgänge für jede Probe vornehmen. Existierende Trenntechnologien weisen jedoch allgemein diese Merkmale nicht auf. Flüssigchromatographiesysteme passen sich nicht einfach einer parallelen Verarbeitung an, da die Hinzufügung mehrerer Präzisionspumpen und -ventile, die zum Liefern von Mehrfachproben notwendig sind, nicht nur unpraktisch, sondern auch teuer ist. Mehrdimensionale Chromatographie-Trennvorgänge sind durch Übertragen von Komponenten von einer ersten Trennsäule auf eine zweite Trennsäule mit Drehventilen bzw. Drehschiebern machbar. Solche Prozesse können aber sehr langsam sein. Eine Parallelverarbeitung für eine Kapillarelektrophorese ist mittels Mikroherstellung erzielt worden, was es gestattet, dass mehrere Kanäle auf einen einzigen Chip aufgebracht werden. Eine Begrenzung besteht jedoch darin, dass keine Verfahren verfügbar sind, um eine große Anzahl von Proben in die Kanäle einzuleiten und die Probenmesskanäle zwischen den Trennvorgängen rasch zu reinigen.
US-A-5 116 495 beschreibt eine Kapillar-Chromatographievorrichtung, bei der die Kapillarsäule zwischen einer Deckschicht und einem Substrat ausgebildet ist. Das Flüssigkeitsverteilungs- oder -aufteilsystem dieses Standes der Technik umfasst im wesentlichen nur eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung, die beide mit einem größeren Raum kommunizieren, wodurch sich Flüssigkeit in die Kapillarsäule(n) ausbreiten kann.
WO 96/42012 beschreibt eine im Nanobereich hergestellte Trennmatrix zur Analyse von Biopolymeren sowie Verfahren zur Herstellung und zum Einsatz derselben. Die Trennmatrix hat einen festen Träger, auf dem mehrere Bahnen angeordnet sind, die jeweils mehrere Zapfen enthalten, welche eine Hindernisstrecke für die Trennung der Biopolymere bilden. Die Beabstandung zwischen den Zapfen ist so definiert, dass sie den Durchgang des zu trennenden Biopolymers gestattet, aber ist klein genug, um ein Hindernis für den Durchgang zu bieten, was zu einer Trennung führt.
US-A-5 427 663 beschreibt eine mikrolithographische Anordnung für Makromolekül- und Zellfraktionierung, die auf ähnliche Weise eine Anordnung von Hindernissen aufweist, die auf einem Substrat ausgebildet und in einem Behälter positioniert sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Trennsäule bereitzustellen, die auf einfache Weise hergestellt werden kann und die hinsichtlich der Strömung der Proben durch die Trennsäule verbessert ist. Die vorliegende Erfindung ist auch auf die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Trennsäule, eine Trennvorrichtung, die eine solche Trennsäule einsetzt sowie auf ein Verfahren zum Trennen von Komponenten einer Probe mittels einer solchen Trennsäule gerichtet.
Abriss der Erfindung
Nach einem Aspekt bezieht sich die. Erfindung auf eine Trennsäule, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, und die in einem Trennprozess einzusetzen ist. Die Trennsäule umfasst eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Monolith-Halterungsstrukturen und untereinander verbundene Kanäle, die von den Halterungsstrukturen festgelegt sind. Die nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen sind in zwei Dimensionen angeordnet, um Kanäle festzulegen, die sich periodisch aufteilen und zusammenlaufen. Bei einer Ausführungsform stehen die Halterungsstrukturen am ersten Ende jeder Halterungsstruktur in Verbindung miteinander, und eine Deckplatte steht am zweiten Ende jeder Struktur in Verbindung mit den Halterungsstrukturen.
Nach einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, wie es in Anspruch 22 definiert ist, zur Herstellung einer Trennsäule, die in einem Trennprozess zu verwenden ist. Gemäß diesem Verfahren wird ein Substrat bzw. Träger so strukturiert, dass er die zu ätzenden Bereiche des Trägers kennzeichnet. Das strukturierte Substrat wird geätzt, um eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Monolith-Halterungsstrukturen zu erzeugen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind, sowie von den Halterungsstrukturen festgelegte, miteinander verbundene Kanäle. Nach einer Ausführungsform wird eine Abdeckplatte an einer Oberfläche der erzeugten Halterungsstrukturen angebracht, um die Trennsäule zu umschließen. Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Substrat geätzt, um die Halterungsstrukturen und die Kanäle zu erzeugen, die im wesentlichen gleichmäßig in Form und Größe sind. Nach einer noch anderen Ausführungsform wird das Substrat geätzt, um miteinander verbundene Kanäle zu erzeugen, wobei jeder Kanal ein Seitenverhältnis von etwa 5 bis etwa 100 aufweist. Das Seitenverhältnis, wie es hier verwendet wird, ist das Verhältnis der Tiefe zur Breite eines Kanals zwischen benachbarten Monolithstrukturen, wobei die Tiefe eine Dimension senkrecht zu der Oberfläche des Substrats ist, und die Breite eine Dimension parallel zu der Oberfläche des Substrats und senkrecht zur Strömungsrichtung im Kanal ist.
Die Trennsäule umfasst einen Einlass, einen Trennbereich und einen Auslass. Der Trennbereich steht in Kommunikation mit dem Einlass und umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Monolith-Halterungsstrukturen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind. Die Halterungsstrukturen legen mehrere miteinander verbundene Kanäle fest, welche sich der Reihe nach aufteilen und zusammenlaufen. Der Auslass steht in Verbindung mit dem Trennbereich.
Nach einem noch anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Trennvorrichtung, wie sie in Anspruch 26 definiert ist. Die Trennvorrichtung umfasst eine Trennsäule, mehrere Behälter für mobile Phasen oder Puffer sowie einen Probebehälter. Die Trennsäule hat eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Halterungsstrukturen, die in zwei Dimensionen angeordnet sind, und von den Halterungsstrukturen festgelegte, untereinander verbundene Kanäle. Die Behälter stehen in Verbindung mit der Trennsäule. Der Probebehälter steht in Verbindung mit der Trennsäule. Bei einer Ausführungsform umfasst die Trennvorrichtung auch eine Pumpe zum Pumpen einer mobilen Phase aus einem Behälter durch die Trennsäule. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Trennvorrichtung auch eine Elektrophoresevorrichtung.
Nach einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, wie es in Anspruch 31 definiert ist, zum Trennen von Komponenten einer Probe. Gemäß dem Verfahren wird eine Mediumlösung in eine Trennsäule eingeleitet, welche eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Monolith-Halterungsstrukturen und von den Halterungsstrukturen festgelegte, untereinander verbundene Kanäle aufweist. Eine zu analysierende Probe wird ebenfalls in die Trennsäule eingeleitet. Die Lösung und die Probe passieren die Trennsäule in mehreren Strömen, wobei die mehreren Ströme sich periodisch untereinander koppeln. Die Komponenten der Probe werden getrennt, wenn die Probe die Säule passiert. Die Komponenten können durch elektrophoretische Mobilität, elektroosmotische Strömung (EOF), EOF und Unterteilung mit einer stationären Phase, micellare elektronkinetische Chromatographie oder eine Kombination von diesen getrennt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Vorteile der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die Patentbeschreibung und die Zeichnungen besser verständlich, in denen zeigen:
1A eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Trennsäule mit nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind,
1B eine detaillierte planare Ansicht eines Abschnitts der Ausführungsform der Trennsäule von 1A,
1C eine Schnittansicht des Abschnitts der Ausführungsform der Trennsäule von 1A im Schnitt durch die Linie 1C'-1C-'',
1D eine Schnittansicht eines Abschnitts einer Ausführungsform der Trennsäule von 1A,
2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2F eine Draufsicht auf mehrere Ausführungsformen der bei der in 1A gezeigten Ausführungsform der Erfindung nützlichen Monolith-Halterungsstrukturen,
3A, 3B, 3C und 3D eine Draufsicht auf mehrere zusätzliche Ausführungsformen der bei der in 1A gezeigten Ausführungsform der Erfindung nützlichen Monolith-Halterungsstrukturen,
4A und 4B stark schematische Diagramme des Diagonalfeldlinieneffekts bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
5A, 5B und 5C eine Draufsicht auf Ausführungsformen der Halterungsstrukturen zum Eliminieren von Wandeffekten nahe den Wänden einer Trennsäule,
6 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines neben einem anderen angeordneten Monolith-Verteiler einer zweiten Trennsäule, die mit einem angeordneten Monolithkollektor einer ersten Trennsäule eine Schnittstelle bildet,
7 ein Elektropherogramm einer von einer Ausführungsform einer Trennvorrichtung durchgeführten Trennung, und
8 ein Elektropherogramm einer von einer Ausführungsform einer Trennvorrichtung durchgeführten Trennung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Gemäß den 1A, 1B, 1C und 1D umfasst eine gemäß der Erfindung aufgebaute Trennsäule 10 eine Anzahl nebeneinander angeordneter Monolith-Halterungsstrukturen 14, die eine Reihe miteinander verbundener Mikrokanäle 12 festlegen. Der Begriff "nebeneinander angeordnet" ("collocated") bezeichnet eine Seite-an-Seite-Anordnung. Der Begriff "Monolith" bezieht sich auf eine einzelne Struktur, die einen Aufbau aufweist, welcher durch Verbinden ein Einzelstück bildet. Die nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen 14 sind in zwei Dimensionen angeordnet und legen Kanäle 12 fest, die periodisch ineinander übergehen und sich aufteilen. Die nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen 14 werden auf einem Träger bzw. Substrat 11 hergestellt, und sind folglich an einem ersten Ende 7 durch das Substrat 11 aneinander befestigt. Der Rest jeder Monolithstruktur 14 ist jedoch physisch untereinander getrennt und bildet miteinander verbundene Kanäle 12. In der Ausführungsform der 1C ist eine Abdeckplatte 13 über dem zweiten Ende 9 der nebeneinander angeordneten Halterungsstrukturen 14 angeordnet und an dieses gebondet, wobei sie die Trennsäule umschließt. In der Ausführungsform von 1D ist eine zweite Gruppe von Monolith-Halterungsstrukturen 2, die ein Spiegelbild einer ersten Gruppe von Monolith-Halterungsstrukturen 14 ist, über der ersten Gruppe von Monolith-Halterungsstrukturen 14 angeordnet, so dass das zweite Ende 9 einer Monolithstruktur 14 der ersten Gruppe sich mit dem zweiten Ende 4 einer Monolithstruktur der zweiten Gruppen verbindet, wodurch Kanäle 6 gebildet werden, die doppelt so tief sind. Die Dimensionen der nebeneinander angeordneten Monolithstrukturen 14 betragen typischerweise etwas weniger als 100 μm in der Höhe und 1000 μm² in der Querschnittsfläche 18 für Chromatographieanwendungen. Die Höhe der Monolithstrukturen 14 kann aber bei Elektrophoreseanwendungen viel höher sein, beispielsweise 500 μm. In diesem Zusammenhang bezieht sich die Höhe auf den Abstand von einem ersten Ende 7 bis zu einem zweiten Ende 9 einer Monolithstruktur 14 senkrecht zu der Oberfläche des Trägers 11. Da die derzeitige Höhe einer Monolithstruktur 14 durch existierende Ätztechnologien begrenzt ist, ist zu erwarten, dass die Höhe mit dem Fortschritt bei solchen Technologien zunimmt. Die Querschnittsfläche 18 bezieht sich auf eine Fläche einer Monolithstruktur 14, gemessen parallel zur Ebene des Trägers 11. Der Abstand zwischen irgendwelchen zwei benachbart angeordneten Monolithstrukturen 22 ist etwa gleich und übersteigt typischerweise nicht ca. 10 μm an jedem Punkt bei Chromatographieanwendungen. Bei Elektrophoreseanwendungen kann der Abstand viel weiter sein, beispielsweise 100 μm.
In der Ausführungsform der 1A, 1B, 1C und 1D sind die Monolithstrukturen 14 im wesentlichen in Größe und Form bei der Trennsäule 10 im wesentlichen identisch, und die Kanalwände 24 sind so weit wie möglich vertikal, so dass die Breite des Kanals 22 entlang einem gesamten Kanal annähernd konstant ist. Bei der kapillaren Elektrophorese müssen die Kanäle 12 nicht notwendigerweise vertikal sein. Bei einer mit Druck betriebenen Flüssigkeitschromatographie mit offenem Kanal sollte die Breite 22 entlang einem gesamten Kanal konstant sein, da eine Strömungsrate in parallelen Kanälen (d.h. an der selben Stelle entlang der Säulenlänge) in einem druckbetriebenen System proportional zu der Kanalbreite 22 ist. Daher tragen Strömungsraten, die wegen der Variationen der Kanalbreite 22 nicht konstant sind, zu einer Bandverbreiterung über diejenige eines normalen parabolischen Strömungsprofils einer über eine Oberfläche passierenden Flüssigkeit hinaus bei.
Nebeneinander angeordnete Monolithstrukturen 14, welche annähernd vertikale untereinander verbundene Kanäle 12 festlegen, werden durch verschiedenartige Techniken erzeugt. Geeignete Ätztechniken umfassen beispielsweise anisotrope Ätztechniken wie z.B. reaktives Ionenätzen, Elektronenstrahlätzen und LIGA (Lithographie-Galvanoformung-Abformung). Diese Ätztechniken sind im Stand der Technik bekannt. LIGA ist ein Prozess, der die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen mit hohen Seitenverhältnissen gestattet. Der Prozess umfasst vier Schritte: Bestrahlung, Entwicklung, Elektroformen und Abziehen von Resist. Der Bestrahlungsschritt umfasst das Bestrahlen eines Resists mittels eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder eines Röntgenstrahls aus einer Synchrotron-Strahlungsquelle. Beim Entwicklungsschritt wird ein Muster bzw. eine Struktur auf das Resist übertragen, und das Resist wird geätzt, um dreidimensionale Strukturen, die das Resistmaterial umfassen, freizulegen. Bei dem Elektroformungsschritt wird eine metallische Form um die Resiststrukturen durch Elektroplattieren hergestellt. Im Endschritt wird das Resist abgezogen, um die Kanäle freizulegen. Es kann auch ein anisotropes Nassätzen eingesetzt werden, um die Kanäle 12 zu erzeugen. Das anisotrope Nassätzen erfordert jedoch spezifische Substrattypen. Beispielsweise muss das Substrat kristallin sein, und der Ätzvorgang erfolgt entlang einer spezifischen Achse.
Bei der Herstellung der Trennsäule 10 wird zunächst ein Substrat 11 bereitgestellt, um in Mikrobearbeitung hergestellte, nebeneinander angeordnete Monolithstrukturen 14 zu erzeugen. Beispiele von Materialien, die für die Substrate 11 geeignet sind, umfassen Silizium, Quarz, Glas und Kunststoff, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das Substrat 11 wird strukturiert, um zu ätzende Bereiche bzw. Flächen zu kennzeichnen. Das strukturierte Substrat wird geätzt, um nebeneinander angeordnete Monolith-Halterungsstrukturen 14 und von den Halterungsstrukturen 14 festgelegte, untereinander verbundene Kanäle 12 zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Substrat 11 durch einen Prozess geätzt, der Kanäle 12 mit gleichmäßiger Breite bereitstellt.
Im Anschluss an das Ätzen des Substrats 11 können Oberflächen der Monolithstrukturen 15 so behandelt werden, dass sie Interaktionen zwischen den Oberflächen 15 und einer die Trennsäule 11 passierenden Probe liefern, wodurch eine Trennung von Komponenten der Probe initiiert wird. Beispielsweise können Oberflächen der Monolithstrukturen 15 mit spezifischen Binde-Analyten durch bekannte Beschichtungstechnologien oder von Fachleuten noch zu entdeckende Technologien beschichtet werden. Das US-Patent Nr. 5 030 352, welches ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche einer Trennsäule beschreibt, ist hier durch Bezugnahme einbezogen. Eine Beschichtungstechnologie zum Beschichten von Oberflächen der Monolithstrukturen 15 ist kein Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Beschichtung kann dünn oder dick sein. Auf die Monolithstrukturen 15 aufgebrachte Materialien umfassen beispielsweise Antikörper, kationische oder anionische Beschichtungen, Gelatbildner, organische Beschichtungen wie z.B. komplexe Zucker sowie Heparin, Gele, Fimbriae und eine Phasenumkehrbeschichtung wie z.B. C18. Das spezifische Bindeanalyt kann in den Kanälen 12 zum Stillstand gebracht oder eingeschlossen werden.
Bei einer Ausführungsform wird eine Abdeckplatte 13 hinzugefügt, um eine umschlossene Trennsäule 10 zu schaffen. Die Abdeckplatte 13 kann durch Anbringen der Abdeckplatte 13 in Kontakt mit der geätzten Oberfläche des Substrats 11 und Bonden der Abdeckplatte 13 an das geätzte Substrat 11 befestigt werden. In den Fällen einer Silica-, Glas- oder Quarz-Abdeckplatte 13 erzeugt ein Schmelzvorgang ein kohärentes Bonden sehr glatter Oberflächen. Eine Abdeckplatte 13 kann an das geätzte Substrat 11 angeschmolzen werden, indem die beiden Teile miteinander in Kontakt gebracht werden, in einen Ofen eingebracht werden und die Ofentemperatur allmählich angehoben wird. In einigen Fällen kann das Bonden bei etwa 90°C stattfinden. In anderen Fällen ist die Ofentemperatur auf bis zu 1000°C anzuheben. Alternativ kann für ein Silica- oder Glassubstrat das Bonden bei Raumtemperatur erfolgen, indem eine Schicht von Natriumsilikatlösung, die 5 bis 7% Feststoffe enthält, einem Spin-Vorgang unterzogen wird und das Substrat 11 und die Abdeckplatte 13 miteinander in Kontakt gebracht werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein zweites geätztes Substrat 11 mit einem Spiegelbild des ersten geätzten Substrats 11 über dem ersten geätzten Substrat angeordnet und an dieses gebondet, wobei eine Trennsäule mit einer Kanaltiefe gebildet wird, die doppelt so lang ist. In jedem Fall muss ein Verbindungsprozess keine kontinuierliche Verbindung zwischen den Halterungsstrukturen 14 oder den Halterungsstrukturen 14 und der Abdeckplatte 13 herstellen. Die resultierende Verbindung muss jedoch die Kanäle 12 so abdichten, dass eine Lösung innerhalb der Kanäle nicht mit der Umgebung entlang der Schnittstelle der beiden Platten kommunizieren kann. Irgendeine andere geeignete Verbindungstechnik kann eingesetzt werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In der Anwendung umfasst eine Trennvorrichtung mehrere Behälter und mindestens einen Probebehälter in Verbindung mit der Trennsäule 11. Bei einer Ausführungsform umfasst die Trennvorrichtung eine Pumpe zum Pumpen einer mobilen Phase aus einem Behälter durch die Trennsäule 11. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Trennvorrichtung eine Elektrophoresevorrichtung in elektrischer Verbindung mit der Trennsäule 11. Die Elektrophoresevorrichtung legt ein Potential über der Trennsäule 11 an, um Komponenten einer durch die Trennsäule 11 passierenden Probe zu trennen. Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Trennvorrichtung einen Detektor in Verbindung mit der Trennsäule 11 zum Erfassen von durch die Trennsäule 11 getrennten Komponenten. Der Detektor kann beispielsweise ein Massenspektrometer oder ein Infrarotdetektor sein. Die Funktionsweisen eines Massenspektrometers und eines Infrarotdetektors sind im Stand der Technik bekannt. Die US-Patente 5 498 545 sowie 5 045 694, die Massenspektrometer beschreiben, sind hier durch Bezugnahme einbezogen.
In der Ausführungsform der 1A und 1B haben die nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen 14 tetragonale Querschnittsflächen 18. Tetragonale oder hexagonale Querschnittsgeometrien werden gegenüber anderen Geometrien (z.B. dreieckigen) bevorzugt, da tetragonale oder hexagonale Geometrien im wesentlichen rechteckig miteinander verbundene Kanäle 12 mit hohen Seitenverhältnissen herstellen können, sowie Kanäle bereitstellen können, die im wesentlichen parallel zu der Longitudinalachse der Trennsäule 16 sind, wenn sie richtig orientiert sind. Ein Seitenverhältnis ist das Verhältnis der Tiefe zur Breite eines Kanals 12 zwischen benachbarten Halterungsstrukturen 14, wobei die Tiefe die Dimension senkrecht zu der Oberfläche des Substrats 11 ist und die Breite die Dimension senkrecht zur Strömungsrichtung im Kanal 12 ist. Rechteckige Kanäle, wie sie durch eine Ebene senkrecht zum Substrat festgelegt sind und hohe Seitenverhältnisse aufweisen, werden gegenüber herkömmlichen zylindrischen Kanälen aus den folgenden Gründen bevorzugt. Falls ein rechteckiger Kanal mit hohem Seitenverhältnis (d.h. » 5) und ein herkömmlicher zylindrischer Kanal mit der gleichen Querschnittsfläche für Flüssigkeitschromatographie eingesetzt werden, ist die Strecke, die eine Probe zurücklegen muss, um mit dem maximalen Oberflächenbereich einer stationären Phase in Kontakt zu kommen, für den rechteckigen Kanal kürzer als für den herkömmlichen zylindrischen Kanal. Desgleichen ist, falls ein rechteckiger Kanal und ein zylindrischer Kanal mit den gleichen Querschnittsflächen bei elektrokinetisch angetriebenen Trennsystemen eingesetzt wird, die Strecke, welche ein erwärmtes Lösemittel zurücklegen muss, um die maximale Fläche einer Wärmeableitfläche zu erreichen, bei einem rechteckigen Kanal mit hohem Seitenverhältnis kürzer als bei einem zylindrischen Kanal. Kanäle, die im wesentlichen senkrecht zu der Longitudinalachse 16 der Trennsäule sind, werden nicht bevorzugt, da sie mit stagnierenden Pools einer mobilen Phase gefüllt werden und eine Spitzenstreuung durch die Einschränkungen einer stagnierenden Massenübertragung in der mobilen Phase verursachen. Dieses Phänomen wird bei chromatographischen Systemen, die mit porösen Partikeln gefüllt sind, welche wiederum mit stagnierenden mobilen Phasen gefüllt sind, eingehend beschrieben. Tetragonale und hexagonale Querschnittsgeometrien werden bevorzugt, da sie Kanäle bereitstellen können, die im wesentlichen parallel oder zumindest im wesentlichen nicht senkrecht zu der Longitudinalachse der Trennsäule 16 sind, wenn sie richtig orientiert sind.
Weitere nicht-einschränkende Querschnittsgeometrien für nebeneinander angeordnete Monolith-Halterungsstrukturen 14, die rechtwinklige Kanäle erzeugen, sind in den 2A bis 2F gezeigt. Es können zwar säulenförmige Monolithstrukturen mit kreisförmigen Querschnitten hergestellt werden, sie sind jedoch nicht so wünschenswert wie tetragonale oder hexagonale Geometrien, da die Zwischensäulenkanäle, die von den Säulenstrukturen erzeugt werden, nicht so gleichmäßig sind wie die von tetragonalen oder hexagonalen Geometrien. Die in den 2A bis 2F gezeigten Strukturen haben den Vorteil, dass sie dicht gepackt werden können und trotzdem gleichmäßige und kontrollierbare Kanaldimensionen zwischen den Monolithstrukturen aufweisen.
Gemäß der Erfindung haben die untereinander verbundenen Kanäle 12 ein Seitenverhältnis größer 5 und vorzugsweise größer 10. Höhere Seitenverhältnisse sind durch tieferes Ätzen des Substrats 11 möglich. Die Kanalbreite liegt allgemein im Bereich von 1 bis 10 μm für Chromatographieanwendungen. Eine Trennsäule 10 mit Kanalbreiten von weniger als 1 μm kann zwar erwünscht sein, um eine Bandverbreiterung bei der Chromatographie zu reduzieren, es bestehen aber andere Betriebsprobleme wie z.B. ein Verstopfen bzw. Zusetzen sowie Hochdruckanforderungen bei so schmalen Säulen.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat die Trennsäule 10 eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von Kanälen 12, wobei die Kanäle in ihrer Gruppe parallel zueinander sind und die Kanäle in der ersten Gruppe sich mit den Kanälen in der zweiten Gruppe schneiden. Wo sich die Kanäle 12 schneiden, ist der Schnittpunkt vorzugsweise tiefer als seine Breite.
Die Bestimmung der Tiefe und des Seitenverhältnisses eines Kanals 12 ist mit einem Kompromiss verbunden. Eine längere Kanaltiefe ist bei druckbetriebenen Trennsystemen von Nutzen, da das Volumen der mobilen Phase erhöht ist, was es ermöglicht, dass ein größeres Probevolumen in einem Kanal transportiert wird. Bei elektrisch angetriebenen Trennsystemen jedoch ist die Wärmeübertragung bei größerer Kanaltiefe begrenzt. Wenn mit hoher Spannung gearbeitet wird, bewirkt eine Joule'sche Erwärmung die Entwicklung transaxialer Wärmegradienten entlang der Tiefe von Kanälen mit hohen Seitenverhältnissen. Bei einem dichten Kanalsystem, bei dem das Seitenverhältnis jedes Kanals über 10-20 reicht und die Kanaltiefe größer ist als 20 μm, kann die Wärmeübertragung zur Oberfläche des Chips eingeschränkt sein, so lange die Kanaldichte nicht abnimmt.
Die Bestimmung der Kanalbreite ist ebenfalls mit einem Kompromiss verbunden. Kanäle 12 mit kleineren Breiten als 1-2 μm erhöhen die Übertragungsrate von Probekomponenten zu den Kanaloberflächen, an denen die Komponenten mit der Oberfläche in Interaktion treten können. Bei einem druckbetriebenen System jedoch ist der Betriebsdruck für eine Trennsäule 10 mit so schmalen Kanälen 12 groß, was es erschwert, Flüssigkeit in das Kanalnetz zu bekommen, und was es hinsichtlich eines Verstopfens anfälliger macht.
Bei einer Ausführungsform wird das Substrat 11 geätzt, um untereinander verbundene Kanäle mit einem Seitenverhältnis von etwa 5 bis etwa 100 zu erzeugen. Es können auch höhere Seitenverhältnisse erwünscht sein, dies liegt jedoch jenseits der Grenzen aktueller Mikroherstellungstechnologie. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Seitenverhältnis eines Kanals 12 in einem spannungsbetriebenen Trennsystem von etwa 10 bis etwa 20, während das Seitenverhältnis eines Kanals 12 in einem druckbetriebenen Trennsystem größer als 20 ist. Eine aktuelle typische Mikroherstellungstechnologie ermöglicht eine Auflösung bei der Herstellung von Masken und beim Ätzen bis auf etwa 0,1 μm. Daher beträgt die Untergrenze einer Kanalbreite etwa 0,5 ± 0,1 μm, und die Obergrenze der Tiefe eines solchen Kanals beträgt etwa 10 μm bei chromatographischen Systemen. Trennsäulen mit Kanälen von solchen Dimensionen, die mit existierenden Technologien hergestellt werden, können jedoch eine Heterogenität von Kanälen zeigen, welche zu einer Spitzenstreuung führt. Die Heterogenität von Kanälen wird jedoch durch Fabrikationseinschränkungen und nicht durch die Gestaltung verursacht, und es steht deshalb zu erwarten, dass sie sich bei einem Fortschritt der Herstellungstechnologien verbessert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Geometrie und die Größe von nebeneinander angeordneten Monolithstrukturen 14 und von untereinander verbundenen Kanälen 12 zur Optimierung spezifischer Funktionen gewählt werden. Beispielsweise werden nach einer Ausführungsform Trennsäulen so gestaltet, dass eine Zwischenkanalkopplung optimiert wird. Die Zwischenkanalkopplung bezieht sich auf das Vermischen von Strömen aus mehreren Kanälen auf eine mittlere Heterogenität bei der Strömung und eine Spitzenstreuung zwischen einzelnen Kanälen über mehrere Kanäle hinweg. Das Hauptproblem bei Mehrkanalsystemen besteht darin, dass die Kanäle hinsichtlich der Migrationsgeschwindigkeit und der Fluiddynamik nicht identisch sein können. Die Trennsäulen der vorliegenden Erfindung überwinden dieses Problem durch Beimischen von Fluid aus benachbarten Kanälen in periodischen Intervallen entlang der Länge des Trennsystems.
Die 2A bis 2F zeigen Beispiele von nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen 30, 34, 38, 42, 46, 50 zur Herstellung einer Zwischenkanalkopplung. Die Darstellungen der 2A bis 2F geben an, dass Ströme von benachbarten Kanälen sich vollständig vereinigen und durchmischen und sich dann lateral an den Kanalverbindungen 31, 35, 39, 43, 47, 51 in stromabwärtige Kanäle verzweigen. In Wirklichkeit ist jedoch eine unvollständige Durchmischung bei hoher Geschwindigkeit in der mobilen Phase wahrscheinlich. In den 2A bis 2F sind drei Typen einer Zwischenkanalgeometrie zur Erzielung der gegenseitigen Kopplung gezeigt. Die 2A, 2B und 2C zeigen eine (Y)-Formkonfiguration für die Zwischenkanalkopplung, die 2D und 2E zeigen eine (X)-Formkonfiguration für die Zwischenkanalkopplung, und die 2F zeigt eine (T)-Formkonfiguration für die Zwischenkanalkopplung. Die T-Formkonfiguration in 2F kann zwar dazu verwendet werden, eine Zwischenkanalkopplung zu erreichen, ist aber keine bevorzugte Geometrie. Es ist beobachtet worden, dass, da sich benachbarte Kanäle in der T-Formkonfiguration in einer horizontalen Linie und nicht in einem Punkt schneiden, diese einen nicht stromlinienförmigen Strom ergeben. Stagnierende Flüssigkeitspools 51, 52 in den Kanälen angrenzend an eine Bodenfläche 53 einer Monolithstruktur 50 sowie an einer oberen Oberfläche 53' einer Monolithstruktur 50' sammeln sich an. Die Bodenfläche 53 ist die Oberfläche einer Monolithstruktur 50, die senkrecht zu der Strömungsrichtung 55 ist, und die letzte Oberfläche des Monoliths 50, die mit einer durch die Säule passierenden Komponente in Kontakt kommt. Die obere Oberfläche 53' ist die Oberfläche einer Monolithstruktur 50', die ebenfalls senkrecht zu der Strömungsrichtung 55 ist, und die erste Oberfläche des Monoliths 50', die mit der durch die Säule passierenden Komponente in Kontakt kommt. Proben diffundieren in und aus diesen stagnierenden Pools, und ergeben hierbei eine Bandverbreiterung. In einer bevorzugten Ausführungsform legen Monolith-Halterungsstrukturen 30, 34, 38, 42, 46 Kanäle 31, 35, 39, 43, 47 fest, die sich in X- oder Y-Formkonfigurationen schneiden.
Die Geometrie von Monolith-Halterungsstrukturen beeinflusst die Zwischenkanalkopplung auf noch andere Weise. Die in den 2A und 2B gezeigten Monolith-Halterungsstrukturen 30, 34 ergeben eine geringere Zwischenkanalkopplung als die in den 2C und 2D gezeigten Monolith-Halterungsstrukturen 38, 42. Ausgehend davon, dass zwei Trennsäulen eine gleiche Länge haben, wobei eine Säule die in 2A gezeigten Halterungsstrukturen 30 aufweist und die andere die in 2C gezeigten Halterungsstrukturen 38 aufweist, muss sich eine Probe in der ersten Säule 32 vor der Zwischenkopplung weiterbewegen und trifft auf etwas weniger Gelegenheiten für eine Zwischenkopplung. Dies liegt daran, dass die Halterungsstrukturen 30 in 2A im Vergleich zu den Halterungsstrukturen 28 in 2C langgestreckt sind. Die Monolith-Geometrien 30, 34, die in den 2A und 2B dargestellt sind, werden bevorzugt, wenn der Grat der Kanalhomogenität hoch ist, so dass keine starke Zwischenkanalkopplung erforderlich ist. Wenn andererseits Unterschiede zwischen den Kanälen entweder in der Strömungsrate oder in der Spitzenstreuung vorkommen, die durch Fabrikationsfehler, durch ein Fouling während des Betriebs, ein Auslaugen bzw. Auswaschen von organischen Oberflächenbeschichtungen oder irgendeine andere Art von Alterung verursacht werden, werden Strukturen ähnlich den in 2C und 2D gezeigten bevorzugt, da sie eine stärkere Zwischenkanalkopplung bieten. Die Monolithstrukturen 30, 34 in den 2A und 2B haben eine Länge, die wesentlich länger ist als die Breiten. Die Monolithstrukturen 38, 42 in den 2C und 2D haben eine Länge, die im wesentlichen gleich der Breite ist. Die Länge ist die Dimension parallel zu der Longitudinalachse 55 der Trennsäule; und die Breite ist die Dimension senkrecht zu der Longitudinalachse 55 der Trennsäule, wobei beide Dimensionen parallel zu der Oberfläche des Substrats sind. Der Nettoeffekt einer Zwischenkanalkopplung besteht darin, dass eine Heterogenität zwischen Kanälen "gemittelt" werden kann, oder über viele Kanäle verteilt werden kann, wenn sich die Probe durch das System bewegt.
Bei einer weiterer. Ausführungsform gemäß 2E ist eine Trennsäule 48 so gestaltet, dass sie die Trenneffizienz pro Längeneinheit der Säule 48 verbessert. Die Trenneffizienz wird durch Herstellen der Monolithstrukturen 46 und der Kanäle 49 verbessert, welche eine größere laterale Migration relativ zu der longitudinalen Migration zwischen einer Zwischenkopplung liefern. Die Monolithstrukturen 46 haben eine Länge, die wesentlich kürzer ist als die Breite. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die Bewegungsstrecke einer Probe durch eine Longitudinallängeneinheit dieser Säule 48 vergrößert wird. Diese Ausführungsform hat ähnliche Eigenschaften wie die im Stand der Technik existierenden Serpentinenkanalsäulen. Serpentinenkanalsäulen werden dazu verwendet, die Bewegungsstrecke einer Probe innerhalb des auf einem Chip verfügbaren begrenzten Raums zu verlängern. Das Problem mit der Serpentinenkanallösung ist der von den Ecken verursachte "Rennbahn"-Effekt. Der Rennbahn-Effekt bezieht sich auf den Effekt von Komponenten einer Probe, die sich nahe der Innenfläche der Ecke bewegt und eine kürzere Distanz zurücklegt als nahe der Außenfläche der Ecke wandernde Komponenten. Der zurückgelegte Streckenunterschied kann zu einer Zonenverbreiterung hinzukommen. Der große Vorteil der in 2E gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass sie für Effizienz pro Längeneinheit sorgt, dass sie aber auch durch Verwendung mehrerer Kanäle und einer Zwischenkanalkopplung den Rennbahneffekt überwindet. Die Ausführungsform der 2E liefert auch eine größere Kapazität bei Kanälen gleicher Breite.
Bei einer noch anderen Ausführungsform ist die Trennsäule der Erfindung so gestaltet, dass sie eine Wärmeableitung maximiert. Ein an eine Trennsäule angelegter elektrophoretischer Strom bewirkt eine Joule'sche Erwärmung. Die Joule'sche Erwärmung trägt zu einer Bandspreizung durch Erzeugen von Wärmegradienten bei, welche eine Transkanalkonvektion erzeugen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Wärme durch die Monolithhalterungsstrukturen abgeleitet, die an beiden Enden mit einem Substrat oder einer Abdeckung in Verbindung stehen. Die Trennsäulen der vorliegenden Erfindung maximieren eine Wärmeableitung auf die folgenden Arten und Weisen. Zunächst wird eine Wärmeableitung durch Herstellen nebeneinander angeordneter Monolith-Halterungsstrukturen und Zwischenkanäle mit einem hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis maximiert. Der Oberflächenbereich bezieht sich auf einen gesamten Wandraum angrenzend an einen einzelnen Kanal. Das Volumen bezieht sich auf das Volumen eines einzelnen Kanals. Zweitens wird das Verhältnis der Masse der Monolithstruktur zu dem Verhältnis des Kanalvolumens verbessert. Drittens wird die Kanaldichte in einer Trennsäule minimiert. Die Kanaldichte kann durch Monolithgeometrie minimiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Monolithstrukturen mit quadratischen Querschnittsflächen verwendet, um die Kanaldichte zu minimieren. Schließlich wird die Kanalhöhe minimiert.
Schmale Kanäle zwischen Monolithen mit tetragonalen und hexagonalen Querschnitten sind allgemein zur Wärmeableitung bzw. Wärmestreuung geeignet, da sie sowohl ein hohes Oberflächenbereich-zu-Flüssigkeitsvolumen-Verhältnis pro Kanal sowie eine niedrige Dichte von über eine Säule verteilten Kanälen bieten. Gemäß den 3A und 3C erfüllen schmale Kanäle 60, 62 zwischen tetragonalen Monolithen 64 und hexanonalen Monolithen 66 dieses Kriterium. Die Monolithgeometrie 66 gemäß 3A wird jedoch gegenüber der in 3B gezeigten Monolithgeometrie 68 bevorzugt, da die Monolithgeometrie 66 in 3A eine geringere Kanaldichte und eine höhere Monolithmasse in Relation zu dem Kanaloberflächenbereich bietet als die in 3D gezeigte Monolithgeometrie 68. Der in 3D gezeigte Monolith 70 wird gegenüber dem in 3C gezeigten Monolithen 64 aus den gleichen Gründen bevorzugt.
In einer weiteren Ausführungsform werden Trennsäulen so gestaltet, dass sie eine durch eine parabolische Geschwindigkeitsverteilung einer die Säule passierenden Lösung verursachte Bandspreizung minimieren. Eine parabolische Geschwindigkeitsverteilung bei der Flüssigkeitschromatographie verschlechtert sich, wenn die Breite der Trennsäule zunimmt. Der Abstand zwischen benachbarten Halterungsstrukturen wird minimiert, um die Bandspreizung zu reduzieren, ohne auf Betriebsprobleme zu stoßen. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die minimale Kanalbreite etwa 1 μm.
In einer weiteren Ausführungsform sind Trennsäulen, bei denen die Strömung elektro-osmotisch angetrieben wird, so gestaltet, dass eine Strömungsheterogenität minimiert wird. Die elektro-osmotische Strömung (EOF = electroosmotic flow) bezieht sich auf eine Bewegung von Flüssigkeit innerhalb einer Trennsäule infolge des Anlegens eines elektrischen Feldes. Die Geschwindigkeit der elektro-osmotischen Strömung steht in bezug zu einem Zeta-Potential, das an der Oberfläche der Säule erzeugt wird, zu der Dielektrizitätskonstante der Lösung und zu der Viskosität der an der Oberfläche der Säule gebildeten Doppelschicht. Obwohl beim Zeta-Potential lokal begrenzte Bereiche von Inhomogenität bestehen, ist die EOF bei einer offenen Kapillarröhre von 10 bis 100 cm relativ gleichmäßig. Gemäß den 4A und 4B unterscheidet sich die EOF in einem nebeneinander angeordneten Monolith- Halterungsstruktursystem 72 von derjenigen in einem einzelnen offnenen Kapillarrohr. Beispielsweise besteht der Unterschied in einem lateralen (oder radialen) elektrischen Potential. Ein maximales elektrisches Potential findet sich dort, wo die Feldlinien den kürzesten Weg zwischen den Systemelektroden nehmen. Das elektrische Potential wird aus diesem Grund in einer einzelnen langen offenen Kapillarröhre als gleichmäßig über dem Trennkanal angenommen. Demgegenüber besteht der kürzeste Weg zwischen den Elektroden in einem nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstruktursystem 72 gemäß den 4A und 4B in einem diagonalen Schneiden der Kanäle 75, die bei dem System nicht parallel mit dem elektrischen Feld 76 sind. Da ein geringfügig höheres Potential auf der Seite des Kanals 75 vorhanden ist, steht zu erwarten, dass die EOF auf dieser Fläche des Kanals höher sein wird. Bei einem mit 1000 V/cm (0,1 V/μm) arbeitenden System besteht ein Potentialabfall von etwa 1 Volt entlang der Länge eines Kanals, der 10 μm lang ist. Eine Kanallänge ist eine Dimension parallel zu der Oberfläche des Substrats und parallel zu der Richtung der Strömung innerhalb des Kanals. Aus den 4A und 4B geht hervor, dass die diagonale Art der Kanäle ein vertikales Spannungsdifferential von 88-350 mV an den Positionen 73 und 74 einzelner Kanäle 75 verursachen kann. Es ist wahrscheinlich, dass dieser Diagonal-Feldeffekt eine Strömungsheterogenität innerhalb der Kanäle 75 induziert, welche einen Einfluss auf die Zwischenkanalkopplung an den Kanalverbindungen haben kann. Der Diagonal-Feldlinieneffekt ist größer bei der Trennsäule mit breiteren Kanälen 75 gemäß 4A und geringer bei der Trennsäule mit schmaleren Kanälen 77 gemäß 4B. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die von elektroosmotischer Strömung angetriebene Trennsäule nebeneinander angeordnete Monolith-Halterungsstrukturen, welche lange, schmale Kanäle 77 gemäß 4B festlegen, um den Diagonal-Feldlinieneffekt zu minimieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Trennsäulen so gestaltet, dass sie das Verhältnis der Gesamtoberflächen bereiche der Halterungsstrukturen zu dem Gesamtvolumen der Kanäle maximieren, das als das A/V-Verhältnis definiert ist. Bei der Chromatographie ist eine Erhöhung des A/V-Verhältnisses von Vorteil, da es das Phasenverhältnis und die Ladekapazität verbessert. Das Phasenverhältnis ist das Flächenverhältnis derjenigen Oberfläche, auf der die stationäre Phase getragen wird, zu dem Volumen der mobilen Phase. Wenn das Phasenverhältnis sehr klein ist, werden Komponenten einer Probe nicht angemessen zurückgehalten, um eine Trennung und Auflösung zu erreichen. Bei der Elektrophorese zerstreuen Trennsäulen mit einem hohen A/V-Verhältnis von Joule'scher Erwärmung verursachte Wärme mit hohem Wirkungsgrad.
Gemäß der Erfindung wird das A/V-Verhältnis dadurch maximiert, dass die Kanäle so lang wie möglich gemacht werden und die Kanalbreite so schmal wie möglich, und die Anzahl von Kanalverzweigungen minimiert wird. Eine einzige lange Kapillarröhre wäre ideal, um das A/V-Verhältnis zu maximieren, aber es gibt andere vorrangige Vorteile bei Mehrkanalsystemen. Akzeptable Begrenzungen des A/V-Verhältnisses sollten andere Variablen in dem System nicht beeinträchtigen. Gemäß der Erfindung liegt das Verhältnis der Kanallänge (l) zur Breite (w) über 3 und vorzugsweise über 5.
In einer anderen Ausführungsform sind die Trennsäulen dazu bestimmt, "Wandeffekte" zu eliminieren. Wandeffekte beziehen sich auf die Möglichkeit, dass sich stagnierende Flüssigkeitspools an den Wänden von Trennsäulen mit nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen bilden. Gemäß 5A können sich stagnierende Flüssigkeitspools 80 zwischen einer Wand 82 und einer Ecke eines tetragonalen Monolithen 84 bilden. In gewisser Hinsicht ist dies ähnlich dem oben erwähnten "Rennbahn"-Effekt und kann zu einer Spitzenstreuung beitragen. In der Ausführungsform der 5C eliminiert die Monolithgeometrie 86 die Wahrscheinlichkeit etwaiger Toträume an den Wänden 88, so dass die Wände 88 von der Flüssigkeitsströmung bespült werden. Eine hexagonale Monolithgeometrie 86 gestattet es, dass eine flache Seite eines Monolithen 87 parallel zu der Wand 88 ist, so dass kein Totraum zwischen dem Monolithen 86 und der Wand 88 besteht. Gleichzeitig liefert die hexagonale Monolithgeometrie 86 eine Zwischenkanalkopplung durch eine Y-förmige Kanalkonfiguration 90. In der Ausführungsform der 5B eliminiert eine Abrundung der Ecken während des Ätzvorgangs Toträume 80 (in 5A gezeigt) zwischen den Wänden 92 und den Ecken der tetragonalen Monolithe 94 und eliminiert dadurch auch die "Wandeffekte".
Bei vorbekannten Chromatographiesäulen ist der Durchmesser einer Säule viel größer (häufig > 10X) als der Durchmesser des Einlass- oder Auslasskanals der Säule. Dies stellt mehrere Probleme. Ein Problem besteht darin, die mobile Phase und den Analythen lateral über dem Kopf der Säule am Einlass homogen zu verteilen, ohne eine Bandspreizung zu erzeugen. Ein weiteres Problem besteht darin, die mobile Phase und den Analyten homogen zu sammeln, nachdem sie die Säulenlänge durchquert haben, ohne eine Streuung in der Zone zu bewirken. Bei gepackten Mikrosäulen wird dies häufig durch Schmelzen von Mikropartikel-Silica-Partikeln am Säulenauslass bewerkstelligt. Dieser Prozeß ist sehr ähnlich dem Schmelzprozess, der zur Herstellung der "Fritte" in einem Glasfritte-Filtertrichter eingesetzt wird. Das Problem bei dieser technischen Lösung ist, dass es sehr schwierig ist, diese Partikel gleichmäßig zu packen und sie dann innerhalb der Kapillarröhre zum Schmelzen zu bringen. Die Lösung mit "geschmolzener Fritte" soll angeblich eine starke Streuung in der Zone bewirken, da sie nicht gleichmäßig ist und eine nicht-homogene Strömung erzeugt.
Gemäß 6 eliminiert die vorliegende Erfindung die Notwendigkeit von Säulenabschlussfritten, da die Monolith-Halterungen, die den Platz von Partikeln einnehmen, auf einem einzigen Wafer hergestellt und daher unbeweglich gemacht sind. Es besteht jedoch das Problem der Verteilung und Sammlung der mobilen Phase an den Säulenenden 114. Die Erfindung geht auf die Fluidmechanik des homogenen Aufteilens und Kombinierens von Strömen an den Enden der Trennsäulen 100, 102 ein, indem ein an einem Eingangsende einer Trennsäule angeordneter Monolithverteiler und ein am Ausgangsende der Trennsäule angeordneter Monolithsammler hergestellt werden. In einem mehrdimensionalen System kann jede Trennsäule einen so angeordneten Monolithverteiler und Monolithsammler aufweisen.
Das Konzept hinter dem angeordneten Monolithverteiler 96 besteht darin, Monolithstrukturen 97 zur Herstellung eines Kanalnetzwerks 99 zu verwenden, welches sequentiell einen einzelnen Kanal in mehrere Kanäle durch einen Faktor Xⁿ aufteilt, wobei X die Anzahl von Kanälen ist, in die sich ein einzelner Kanal aufteilt, und n die Zahl der Male ist, wie oft eine Aufteilung stattfindet, um eine Verbindung zwischen den Kanälen 101 im Kanalnetz 99 und den Kanälen 104 in der Trennsäule 100 herzustellen. Bei dem in 6 offenbarten Einlass 96 wird ein einzelner Strom 106 zunächst homogen in zwei Ströme 107 aufgeteilt, die beiden Ströme 107 werden in vier Ströme 108 aufgeteilt, die vier Ströme 108 werden in acht Ströme 109 aufgeteilt etc. Die Gesamtzahl von Kanälen (C) lateral über dem Einlasskanalnetz 99 des in der Figur gezeigten Verteilers 96 kann durch die Gleichung C = 2n ausgedrückt werden, wobei n die Anzahl von Malen ist, die sich der Flüssigkeitsstrom aufteilt. In einer bevorzugten Ausführungsform teilen sich die Kanäle 101 in dem Einlasskanalnetz 99 um den Faktor 2ⁿ auf. Obwohl es möglich ist, Aufteilungssysteme zu verwenden, die der Regel 3ⁿ, 4ⁿ oder Xⁿ folgen, ist es schwieriger, die Weglänge aller Kanäle gleich zu halten, ohne die Gewundenheit in einigen Kanälen zu verstärken. Diese Strukturen können jedoch in Fällen bevorzugt sein, bei denen eine breitere Säulengestaltung für eine höhere Probekapazität benötigt wird. Bei diesen Ausführungsformen werden konstante Querschnittsflächen von Kanälen durch das Hinzufügen von zwei Monolithstrukturen zwischen den Kanälen aufrechterhalten.
Das durch das Einlasskanalnetz 99 vorgesehene Aufteilen zwischen Kanälen bewirkt, dass das gleiche Flüssigkeits volumen alle Punkte in einem lateralen Querschnitt der Trennsäule 100 gleichzeitig erreicht. Ein beliebiges System, welches dies bewirkt, ergibt eine homogene Aufteilung zwischen Kanälen bei der Bereitstellung der mobilen Phase und der Probetrennsäule. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Einlasskanalnetz 101 Kanäle gleicher Breite, Höhe und Länge, um eine homogene Zwischenkanalaufteilung zu erreichen. In einer weiteren Ausführungsform, bei der das Einlasskanalnetz 99 Kanäle 101 mit verschiedener Länge und Breite aufweist, wird die Länge und Breite jedes Kanals so eingestellt, dass gleiche Flüssigkeitsvolumen alle Punkte am Säuleneinlass erreichen, um ein homogenes Aufteilen zwischen Kanälen aufrechtzuerhalten.
Bei einer Ausführungsform sind die Querschnittsflächen aller Kanäle 101 in dem Einlasskanalnetz 99 im wesentlichen gleich. Die Querschnittsfläche eines Kanals ist senkrecht zu der Längsachse 110 der Trennsäule. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass enge Kanäle 101, die im gesamten Netz 99 benutzt werden, "Rennbahn"-Effekte in Kanälen, die mit Ecken versehen sind, minimieren. Nachteile dieser Ausführungsform sind, dass die Flüssigkeitsströmung in die Trennsäule 100 nicht gleichmäßige Geschwindigkeiten aufweist, was eine Zonenverbreiterung und eine zunehmende Ausgasung (Blasenbildung) aus mobilen Phasen in mit EOF gepumpten Säulen bewirken kann. Da alle Kanäle 101 die gleiche Breite aufweisen, verdoppeln sich die Gesamtquerschnittsflächen der Kanäle auf jeder Aufteilungshöhe in dem 2ⁿ-System. Die Lineargeschwindigkeit der mobilen Phase verlangsamt sich, wenn die mobile Phase aufeinanderfolgende aufgeteilte Kanäle durchläuft, da die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche ist. Außerdem variiert der Druck umgekehrt zur Querschnittsfläche.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform sind die Querschnittsflächen der Kanäle 101 in dem Einlasskanalnetzwerk 99 der Reihe nach halbiert, da sich die Anzahl von Kanälen 101 im Netz 99 auf jedem Aufteilniveau verdoppelt.
Diese Ausführungsform behält die Gesamtquerschnittsfläche, orthogonal zu der Longitudinalachse 110 der Trennsäule 100 gemessen, des Netzwerkes über alle Ebenen hinweg bei, um im wesentlichen konstant zu bleiben. Ferner haben die auf jede Aufteilungsstufe aufgeteilten Kanäle die gleiche Querschnittsfläche. Vorteile dieser Ausführungsform sind, dass die Lineargeschwindigkeit der mobilen Phase und der Druckabfall an allen Punkten im System konstant sind.
Der Monolithsammler 98 wird auf ähnliche Weise wie der Monolithverteiler 96 erzeugt. Benachbarte Kanäle 116 im Netz 118 werden sequentiell durch einen Xⁿ-Faktor kombiniert, wobei X die Anzahl benachbarter Kanäle 116 ist, die zu einem einzigen Kanal zusammenlaufen, und n die Zahl von Kombinationen ist, die stattfinden. Kombinationen erfolgen so lange, bis alle Kanäle zu einer einzigen Säule 112 kombiniert sind.
Daher wird ein Monolithverteiler 96 oder ein Monolithsammler 98, von denen alle Kanäle gleiche Querschnittsflächen aufweisen, bevorzugt, wenn die Zielsetzung ist, eine Zwischensäulen-Zonenverteilung zu minimieren, d.h. keinen "Rennbahn"-Effekt zu erzeugen, während ein Monolithverteiler oder ein Monolithsammler 98 mit konstantem Gesamtquerschnittsbereich für Kanäle auf dem gleichen Aufteilungsniveau bevorzugt werden, wenn die Zielsetzung ist, eine zusätzliche Säulen-Zonenverteilung zu minimieren, d.h. eine konstante Geschwindigkeit und konstanten Druck.
7 zeigt ein Elektropherogramm einer elektrophoretischen Trennung von Rhodamin und Fluorescein mittels einer Trennvorrichtung der vorliegenden Erfindung. 8 zeigt ein Elektropherogramm einer elektrophoretischen Trennung von Peptiden aus menschlichem Wachstumshormon (HGH = human growth hormone), die eine Trennvorrichtung der vorliegenden Erfindung einsetzt. Die Trennsäule der zur Durchführung der Trennvorgänge verwendeten Trennvorrichtung hat eine Plattenhöhe von annähernd einem Mikron.

Claims

Trennsäule (10; 100, 102) mit: einem Substrat (11), einer Longitudinalachse (16; 110), mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (2; 14; 30; 34; 38; 42; 46; 50, 50'; 64; 66; 68; 70; 84; 86; 94; 97), die auf dem Substrat (11) ausgebildet sind und in zwei Dimensionen nebeneinander angeordnet sind, um mehrere miteinander verbundene Kanäle (6; 12; 31; 32; 35; 39; 43; 47; 49; 60; 62; 75; 77; 90; 104, 108, 109) festzulegen, und einem Einlaß (96) und/oder Auslaß (98) mit einem Kanalnetz (99; 118), welches sequentiell einen einzelnen Kanal (112;114) in mehrere Kanäle (101; 116) durch Xⁿ unterteilt, wobei "X" die Anzahl von Kanälen ist, in die ein einzelner Kanal unterteilt ist, und "n" die Anzahl von Malen ist, die die Kanäle entlang der Longitudinalachse (16; 110) unterteilt sind, wobei das Kanalnetz (99; 118) des Einlasses/Auslasses (96; 98) durch auf dem Substrat (11) ausgebildete Monolithstrukturen festgelegt ist und in Fluidverbindung mit den mehreren miteinander verbundenen Kanälen (6; 12; 31; 32; 35; 39; 43; 47; 49; 60; 62; 75; 77; 90; 104, 108, 109) steht.
Trennsäule nach Anspruch 1, wobei jede Halterungsstruktur (14) der mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (14) ein erstes Ende (7) und ein zweites Ende (9) aufweist und die mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (14) miteinander am ersten Ende (7) jeder nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstruktur (14) verbunden sind.
Trennsäule nach Anspruch 2, ferner mit einer Abdeckplatte (13), die mit jeder der mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (14) am zweiten Ende (9) jeder Monolith-Halterungsstruktur (14) verbunden ist.
Trennsäule nach Anspruch 2, wobei die mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (2,14) eine erste und eine zweite Gruppe nebeneinander angeordneter Monolith-Halterungsstrukturen umfasst, wobei die zweite Gruppe ein Spiegelbild der ersten Gruppe ist und über der ersten Gruppe so nebeneinander angeordnet ist, dass das zweite Ende (9) jeder Monolith-Halterungsstruktur (14) der ersten Gruppe in Verbindung mit dem zweiten Ende (4) einer entsprechenden Monolith-Halterungsstruktur (2) der zweiten Gruppe steht, wodurch die Trennsäule geschlossen ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (2; 14) Oberflächen (1; 15) aufweisen, die mit durch die mehreren miteinander verbundenen Kanäle (6; 12) durchlaufenden Analyten in Interaktion treten können, um eine Trennung der Analyten zu induzieren.
Trennsäule nach Anspruch 5, wobei die Oberflächen (1; 15) der Monolith-Halterungsstrukturen (2; 14) mit einem spezifischen Bindungsanalyten beschichtet sind.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mehreren untereinander verbundenen Kanäle (6; 12; 31; 32; 35; 39; 43; 47; 49; 60; 62; 75; 77; 90; 104, 108, 109) in der Form und der Größe im wesentlichen gleichmäßig sind.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mehreren untereinander verbundenen Kanäle im wesentlichen rechteckige Kanäle sind.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede der mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungs strukturen (2; 14; 38; 42; 50, 50'; 64; 70; 84; 94; 97) einen tetragonalen Querschnitt aufweist, wobei der Querschnitt eine zu einer Ebene eines die Halterungsstrukturen tragenden Substrats (11) parallele Ebene ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jede der mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (30; 34; 66; 68; 86) einen hexagonalen Querschnitt aufweist, wobei der Querschnitt eine zu einer Ebene eines die Halterungsstrukturen tragenden Substrats (11) parallele Ebene ist.
Trennsäule nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Seitenverhältnis eines Kanals zwischen zwei aneinandergrenzenden Halterungsstrukturen im Bereich von etwa 5 bis etwa 100 liegt, wobei das Seitenverhältnis das Verhältnis einer Tiefe zu einer Breite eines Kanals ist, bei dem die Tiefe eine Dimension senkrecht zu einer Ebene des die Halterungsstrukturen tragenden Substrats (11) ist und die Breite eine Dimension senkrecht zu einer Strömungsrichtung in dem Kanal und parallel zu der Ebene des Substrats (11) ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Zwischenkanalkoppelung durch die mehreren, mittels der mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen festgelegten, miteinander verbundenen Kanäle vorgesehen ist, wobei jede nebeneinander angeordnete Monolithstruktur eine Länge aufweist, die im wesentlichen gleich einer Breite ist, bei der die Länge eine Dimension parallel zu, und die Breite eine Dimension senkrecht zu einer Longitudinalachse der Trennsäule und parallel zu einer Ebene des Substrats ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Zwischenkanalkoppelung durch eine X- oder Y-förmige Konfiguration der sich kreuzenden Kanäle gebildet ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein elektrophoretischer Strom an die Säule angelegt werden kann und durch den Strom erzeugte Wärme über die mehreren Monolith-Halterungsstrukturen zerstreut bzw. abgeleitet wird.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei jede der Monolith-Halterungsstrukturen so bemessen ist, dass sie eine Wärmeableitung maximiert.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Trenneffizienz pro Längeneinheit der Trennsäule durch die mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen bereitgestellt wird, wobei eine Querschnittsfläche jeder Monolith-Halterungsstruktur der mehreren nebeneinander angeordneten Halterungsstrukturen, parallel zu einem die Halterungsstrukturen tragenden Substrat gemessen, eine Länge aufweist, die wesentlich kürzer als eine Breite ist, wobei die Länge parallel zu einer Longitudinalachse der Trennsäule ist und die Breite im wesentlichen senkrecht zu der Longitudinalachse der Trennsäule und parallel zu einer Ebene des Substrats ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Kanäle angrenzend an Wände (88) der Trennsäule im wesentlichen parallel zu den Wänden sind, wodurch ein Wandeffekt im wesentlichen eliminiert wird.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei Ecken der Kanäle angrenzend an Wände (92) der Trennsäulen (94) abgerundet sind, um jeglichen Totraum (80) zu eliminieren.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Querschnittsflächen aller Kanäle (101; 116) in dem Kanalnetz (99; 118) im wesentlichen gleich sind.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Querschnittsflächen der Kanäle (101; 116) in dem Kanalnetz (99; 118) sequentiell mit zunehmender Anzahl von Kanälen (101; 116) in dem Kanalnetz (99; 118) geringer sind, wodurch die Gesamtquerschnittsfläche des Kanalnetzes über allen zu der Longitudinalachse (16; 110) der Trennsäule orthogonalen Ebenen beibehalten wird, so dass sie im wesentlichen konstant ist.
Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die mehreren miteinander verbundenen Kanäle (6; 12; 31; 32; 35; 39; 43; 47; 49; 60; 62; 75; 77; 90; 104, 108, 109) durch die mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (2; 14; 30; 34; 38; 42; 46; 50, 50'; 64; 66; 68; 70; 84; 86; 94; 97) festgelegt sind, so dass sie sequentiell ineinander übergehen und sich aufteilen.
Verfahren zur Herstellung der Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats (11), Strukturieren des Substrats (11), um Flächen des Substrats (11), die zu ätzen sind, zu bestimmen, Ätzen des Substrats (11), um die mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (2; 14) zu erzeugen, welche die mehreren miteinander verbundenen Kanäle festlegen, wobei die Monolithstrukturen das Kanalnetz des Einlasses (96) und/oder des Auslasses (98) erzeugen, und Schließen der Trennsäule.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Schließen der Trennsäule das Anbringen einer Abdeckplatte (13) auf einer Oberfläche der mehreren nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (14) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Bereitstellen des Substrats das Bereitstellen eines ersten und zweiten Substrats umfasst, das Ätzen des Substrats das Ätzen des ersten und zweiten Substrats umfasst, um die nebeneinander angeordneten Monolith-Halterungsstrukturen (2, 14) und den Einlaß (96) und/oder Auslaß (98) auf dem ersten und dem zweiten Substrat, die Spiegelbilder sind, zu erzeugen, und das Schließen der Trennsäule das Anordnen des zweiten Substrats über dem ersten Substrat umfasst, so dass jede Monolith-Halterungsstruktur (14) des ersten Substrats in Verbindung mit einer entsprechenden Monolith-Halterungsstruktur (2) des zweiten Substrats steht, wodurch die Trennsäule geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei das Ätzen des Substrats ein anisotropes Ätzen, ein LIGA-Ätzen, ein reaktives Ionenätzen oder ein Elektronenstrahlätzen umfasst.
Trennvorrichtung mit: einer Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mehreren Behältern in Verbindung mit der Trennsäule, und einem Probenbehälter in Verbindung mit der Trennsäule.
Trennvorrichtung nach Anspruch 26, ferner mit einer Pumpe, die so angeordnet ist, dass sie eine mobile Phase aus einem Behälter durch die Trennsäule pumpt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 26, ferner mit einer Elektrophorese-Vorrichtung in elektrischer Verbindung mit der Trennsäule, wobei die Elektrophorese-Vorrichtung ein Potential über der Trennsäule zum Trennen von Komponenten einer die Trennsäule durchlaufenden Probe anlegt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 26, ferner mit einem Detektor in Verbindung mit der Trennsäule.
Trennvorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Detektor ein Massenspektrometer ist.
Verfahren zum Trennen von Komponenten einer Probe, wobei das Verfahren umfasst Einbringen einer Mediumlösung in den Einlaß der Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 21, Einbringen einer Probe in den Einlaß der Trennsäule, und Trennen von Komponenten der Probe, wenn die Probe die Trennsäule durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Trennen der Komponenten der Probe das Anlegen eines Potentials an die Säule umfasst, so dass die Komponenten der Probe durch elektrophoretische Mobilität getrennt werden.