DE10228767A1

DE10228767A1 - Mikrovorrichtung und Verfahren für eine Komponententrennung in einem Fluid

Info

Publication number: DE10228767A1
Application number: DE2002128767
Authority: DE
Inventors: Hongfeng Yin; Kevin Killeen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: DE10228767B4; US20030017609A1; US7128876B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrovorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe. Eine Abdeckplatte ist über der ersten Oberfläche eines Substrats angeordnet, definiert in Kombination mit einem Mikrokanal, der in der ersten Oberfläche gebildet ist, eine Trennungsleitung zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe. Ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der Leitung ermöglicht, daß eine Fluidprobe, die von einer Probenquelle eingebracht wird, in einem definierten Probenflußpfad derart befördert wird, daß sich das Probenfluid der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die Trennungsleitung und ein Probenauslaßtor bewegt. Die Mikrovorrichtung umfaßt ferner eine integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen eines Volumens der Fluidprobe von einer Probenquelle in das Probeneinlaßtor und durch die Trennungsleitung. Ein Verfahren zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe unter Verwendung der Mikrovorrichtung ist ebenfalls bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrovorrichtungen für eine Komponententrennung in einem Fluid. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf Mikrovorrichtungen, die eine integrierte Einbringeinrichtung für ein steuerbares Einbringen eines Volumens einer Fluidprobe von einer Probenquelle in eine Trennungsleitung zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft aufweist.

Kürzlich wurden Mikrovorrichtungstechniken, ebenfalls bezeichnet als Mikrofluidelemente und Labor-auf-Chip- Techniken für eine Anzahl von Anwendungen in dem Bereich bioanalytische Chemie vorgeschlagen. Mikrovorrichtungen sind sehr vielversprechend für viele Anwendungen, insbesondere bei Anwendungen, die seltene oder teuere Fluide verwenden, wie zum Beispiel für die Proteom- und Genom- Analyse. Die geringe Größe der Mikrovorrichtungen ermöglicht die Analyse minimaler Probenmengen. Mit dem Potential zum Integrieren von Funktionen, wie z. B. Probensammlung, Probenvorbereitung, Probeneinführung, Trennung, Erfassung und Mischungsidentifizierung in einer Vorrichtung repräsentieren Mikrovorrichtungen, wie z. B. µ-Totalanalysesysteme (µ-TAS), das Hauptaugenmerk akademischer und industrieller Laborforschung, die sich auf chemische Analysewerkzeuge oder klinische Diagnosewerkzeuge bezieht.

Mikrovorrichtungen, die integrierte Komponenten aufweisen, z. B. Probenvorbereitungs-, Trennungs- und Erfassungs- Teilungen, wurden in einer Reihe von Patenten vorgeschlagen. Siehe z. B. U. S.-Patent Nr. 5,500,071 an Kaltenbach u. a., 5,571,410 an Swedberg u. a. und 5,645,702 an Witt u. a. Da solche Mikrovorrichtungen einen relativ einfachen Aufbau aufweisen sind sie theoretisch für den Hersteller kostengünstig.

Mikrovorrichtungen wurden angepaßt, um eine Anzahl von verschiedenen Trennungstechniken zu verwenden oder auszuführen. Die Kapillarelektrophorese (CE) trennt z. B. Moleküle basierend auf Unterschieden in der eletrophoretischen Mobilität der Moleküle. Üblicherweise verwenden Mikrovorrichtungen eine gesteuerte Anwendung eines elektrischen Feldes, um einen Fluidfluß zu induzieren und/oder ein Flußschalten bereitzustellen. Um eine reproduzierbare und/oder Hochauflösungs-Trennung zu bewirken, muß ein Fluidproben- "Pfropfen", ein vorbestimmtes Volumen einer Fluidprobe, steuerbar in eine kapillare Trenn-Säule oder -Leitung injiziert werden. Bei Fluidproben, die geladene, bimolekulare Analyten mit hohem, molekularem Gewicht enthalten, wie z. B. DNA-Fragmente und Proteine, können Mikrovorrichtungen, die eine kapillare Elektrophoresetrennungsleitung enthalten, die wenige Mikrometer lang ist, effektiv beim Ausführen einer Probentrennung geringer Volumen einer Probenmenge verwendet werden, die eine Länge im Bereich von Mikrometern aufweist. Sobald dieselbe injiziert ist kann eine Hochsensibilitätserfassung, wie z. B. eine laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) verwendet werden, um eine getrennte, fluoreszierend markierte Probenkomponente zu lösen.

Bei Proben, die Analytmoleküle mit niedrigen, elektrophoretischen Unterschieden aufweisen, wie z. B. jene, die kleine Arzneimittelmoleküle enthalten, basiert die ausgewählte Trennungstechnik oft auf Chromatographie. Eine chromatographische Trennung tritt auf, wenn eine mobile Phase Probemoleküle durch ein Chromatographiebett trägt (stationäre Phase), wo Probemoleküle mit der Oberfläche der stationären Phase in Wechselwirkung treten. Die Geschwindigkeit, mit der sich eine bestimmte Probenkomponente durch ein Chromatographiebett bewegt, hängt von der Trennung der Komponente zwischen mobiler Phase und stationärer Phase ab.

In der Technik sind viele chromatographische Techniken bekannt. Bei der Umkehrphasen-Flüssigchromatographie, bei der die stationäre Phase eine hydrophobische Oberfläche bietet und die mobile Phase üblicherweise eine Mischung aus Wasser und organischem Lösungsmittel ist, bewegt sich die am wenigsten hydrophobische Komponente zuerst durch das Chromatographiebett, gefolgt durch andere Komponenten, in der Reihenfolge sich erhöhender Hydrophobie. Anders ausgedrückt kann die chromatographische Trennung von Probenkomponenten auf der Hydrophobie basieren. Bei der wässrigen, isokratischen Chromatographie ist der Inhalt der mobilen Phase während der gesamten Trennung konstant. Eine Gradientenchromatographie erfordert andererseits, daß sich der Inhalt der mobilen Phase während der Trennung ändert. Die Gradientenchromatographie bietet nicht nur eine hohe Auflösung und eine schnelle Trennung von weiten Bereichen von Mischungen, sie ermöglicht ferner die Injektion von großen Probenvolumen, ohne die Trennungseffizienz zu beeinträchtigen. Während der Anfangsperiode, wenn die Probe eingeführt wird, wird die Stärke der mobilen Phase oft niedrig gehalten, und die Probe wird am Kopf des Flüssigchromatographie- Säulenbettes gefangen. Folglich werden störende Komponenten, wie z. B. Salze, weggewaschen. In dieser Hinsicht ist die Gradientenchromatographie geeignet, um Fluidproben zu analysieren, die eine geringe Konzentration von Analytkomponenten enthalten.

Üblicherweise ist die Kapillarelektrophorese nicht kompatibel mit Chromatographietechniken. Es wurde jedoch die Kapillarelektrochromatographie, eine Verbindung aus Flüssigchromatographie und Kapillarelektrophorese, die die Anwendung eines elektrischen Feldes umfaßt, um einen elektroosmotischen Fluß zu erzeugen, vorgeschlagen. Die U. S.- Patente Nummer 5,770,029 und 6,007,690 jeweils an Nelson u. a. beschreiben jeweils Mikrovorrichtungen, die einen elektroosmotischen Fluß verwenden, um eine mobile Phase durch eine Hochoberflächenbereich-Säule zu treiben, um eine Probenanreicherung zu erreichen. Wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, bewegt der elektroosmotische Fluß die mobile Phase durch die Füllkörpersäule. Die geladenen Oberflächen der stationären Phase, z. B. die Chromatographisches-Bett- Oberflächen, sind jedoch verantwortlich für das Erzeugen eines elektrokinetischen Flusses und/oder Umschaltens sowie für die Trennung. Dementsprechend leidet die kapillare Elektrochromatographie unter einer Reihe von Nachteilen. Die individuelle Steuerung über das Fluß-Umschalten und -Trennen ist z. B. bei der kapillaren Elektrochromatographie schwierig zu erreichen. Zusätzlich dazu ist es schwierig, geeignete Oberflächen für sowohl Fluß-Umschalten als auch -Trennen für jegliche bestimmte Probe zu erzeugen. Ferner kann die kapillare Elektrochromatographie keine Gradientenchromatographie mit Zuverlässigkeit ausführen, da die Oberflächenladung auf der stationären Phase, die dem elektroosmotischen Fluß zugeordnet sind sich ebenfalls ändern, wenn sich der Inhalt der mobilen Phase während der Trennung ändert.

Ein druckgetriebener Fluß, der der herkömmlichen Flüssigchromatographie zugeordnet ist, ist beim Liefern eines Flusses durch Füllkörpersäulen nützlich. Eine mechanische oder ein anderer Typ von Pumpe wird üblicherweise verwendet, um Druck zu erzeugen, um eine Probe durch die Säule zu treiben. Wenn z. B. Partikel von drei bis fünf µm Durchmesser eingefüllt werden, wird ein Druckabfall von üblicherweise 10-30 bar/cm verwendet, um einen angemessenen Fluidfluß beizubehalten. Ein derartiger druckgetriebener Fluß wurde jedoch bei Mikrovorrichtungen zum Trennen nicht erfolgreich verwendet.

Da die Geschwindigkeit und die Qualität des Trennungsdurchsatzes einer Mikrovorrichtung durch die Präzision und die Genauigkeit der Fluidflußsteuerung bestimmt werden, besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Mikrovorrichtung, die eine Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe in eine Trennungssäule- oder Leitung verwendet, unabhängig von der Fähigkeit der Mikrovorrichtung die Komponenten einer Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft zu trennen. Die Probeneinbringung kann ohne den Bedarf nach einem elektrischen Feld durchgeführt werden. Optional kann eine derartige Einbringung die elektrokinetisch getriebene Trennung ergänzen. Zusätzlich dazu besteht ein Bedarf nach einer solchen Mikrovorrichtung, bei der die Einbringeinrichtung einen integrierten Abschnitt der Mikrovorrichtung darstellt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikrovorrichtung und ein Verfahren zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen, so daß eine schnellere und noch genauere Analyse derselben ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird durch eine Mikrovorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 26 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 29 gelöst.

Dementsprechend ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile des Stands der Technik durch Liefern einer Mikrovorrichtung zu überwinden, die eine steuerbare Einbringung eines Volumens einer Fluidprobe zum Trennen gemäß einer Fluidproben- Komponenteneigenschaft ermöglicht, ohne den Bedarf des Anlegens eines elektrischen Feldes.

Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert und werden teilweise für Fachleute auf das Untersuchen des nachfolgenden Abschnitts hin offensichtlich oder können durch eine Routineuntersuchung auf das Praktizieren der Erfindung hin erlernt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf eine Mikrovorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe. Die Mikrovorrichtung weist ein Substrat auf, das eine erste und eine zweite, gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei das Substrat einen Mikrokanal aufweist, der in der ersten Oberfläche gebildet ist. Eine Abdeckungsplatte ist über der ersten Oberfläche angeordnet und definiert in Kombination mit dem Mikrokanal eine Trennungsleitung zum Trennen und/oder Analysieren der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft, wie z. B. dem Molekulargewicht, der Polarität, der Hydrophobie oder der Ladung. Ein Probeneinlaßtor ist in Fluidkommunikation mit der Trennungsleitung bereitgestellt, um zu ermöglichen, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, um in einem definierten Probenflußpfad befördert zu werden, derart, daß sich die Fluidprobe der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die Trennungsleitung und das Probenauslaßtor bewegt. Eine integrierte Einbringeinrichtung ist ferner für das steuerbare Einbringen eines Volumens der Fluidprobe von einer Probenquelle in das Probeneinlaßtor und durch die Trennungsleitung bereitgestellt ist, wobei das Volumen vorzugsweise vorbestimmt ist, ohne den Bedarf nach einem elektrischen Feld. Die integrierte Einbringeinrichtung steuert vorzugsweise die Fluideinbringung mechanisch.

Ein Detektor kann mit der Mikrovorrichtung schnittstellenmäßig verbunden werden, um die Fluidprobe in dem Flußweg oder an den Probeneinlaß- und Außlaß-Toren zu erfassen. Die Schnittstelle der Mikrovorrichtung kann ermöglichen, daß eine Energiequelle eine Probe in derselben ionisiert. Die Schnittstelle kann z. B. eine Elektrospraydüse zum Liefern einer Probe in eine Ionisierungskammer aufweisen, wie z. B. jene, die bei Massenspektrometern verwendet werden. Als ein anderes Beispiel kann die Schnittstelle mit Laser- Desorptions- und Ionisations-Techniken kompatibel sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Schnittstelle zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit einem optischen Detektor geeignet sein, für die Übertragung elektromagnetischer Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge, wie z. B. ultraviolett, sichtbar, oder Infrarotstrahlung. Bei einem Ausführungsbeispiel steht die Schnittstelle in Fluidkommunikation mit einem Sammler zum Sammeln der Fluidprobe in Flussrichtung abwärts zu dem Probenauslaßtor.

Die Mikrovorrichtung kann verwendet werden, um eine Chromatographie auszuführen. In einem solchen Fall kann eine Mobile-Phase-Quelle in Fluidkommunikation mit der integrierten Einbringeinrichtung bereitgestellt sein. Zusätzlich dazu kann die Mikrovorrichtung ferner ein Trennungsmedium innerhalb der Trennungsleitung aufweisen oder ein Polymermaterial, das in situ innerhalb der Trennungsleitung gebildet ist. Alternativ kann die Trennungsleitung ein hohes Oberflächenbereich-zu-Volumen-Verhältnis aufweisen.

Die integrierte Einbringeinrichtung kann eine Ladekammer aufweisen, die dimensioniert ist, um das vorbestimmte Volumen des Probenmusters zu enthalten, wobei die Ladekammer zum Ermöglichen einer umschaltbaren Fluidkommunikation entweder mit der Probenquelle oder der Mobile-Phase-Quelle aufgebaut ist. Eine umschaltbare Fluidkommunikation kann durch eine Gleit- und vorzugsweise Dreh-Bewegung erreicht werden, obwohl eine lineare Gleitbewegung alternativ verwendet werden kann. Die integrierte Einbringeinrichtung kann eine Fluidkommunikation mit der Mobile-Phase-Quelle durch eine Umleitung mit der Trennungsleitung bereitstellen, wenn die Ladekammer in Fluidkommunikation mit der Probenquelle steht. Zusätzlich dazu kann die Mikrovorrichtung ferner einen Flußratenregler aufweisen, wie z. B. einen Strömungsteiler, zum Regeln der Fluidflußrate zwischen der Mobile-Phase-Quelle und der integrierten Einbringeinrichtung. Die Mobile-Phase-Quelle kann einen Mischer zum Mischen von Lösungsmitteln und/oder einen Flußsensor zum Bestimmen und zum optionalen Steuern der Flußrate in die Probeneinlaßquelle umfassen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel weist das Substrat der Mikrovorrichtung einen ersten und einen zweiten Mikrokanal auf, der in der ersten Oberfläche gebildet ist. Wenn eine Abdeckungsplatte über der ersten Oberfläche angeordnet ist, definiert die Abdeckungsplatte in Kommunikation mit dem ersten und dem zweiten Mikrokanal eine erste bzw. eine zweite Leitung. Mindestens eine der Leitungen ist aufgebaut, um die Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft zu trennen. Ein Probeneinlaßtor ist in Fluidkommunikation mit einem Ventil bereitgestellt, wobei das Ventil zum Bereitstellen einer selektiven Fluidkommunikation von dem Einlaßtor zu einer der Leitungen aufgebaut ist, um zu ermöglichen, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, um in einem definierten Probenflußweg befördert zu werden, derart, daß sich die Probe der Reihe nach durch das Probeneinlaßtor, die ausgewählte Leitung und ein Probenauslaßtor bewegt, das der Leitung zugeordnet ist. Ferner ist eine integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen eines vorbestimmten Volumens der Fluidprobe von einer Probenquelle in das Probeneinlaßtor bereitgestellt. Optional ist jede der Leitungen zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer anderen Komponenteneigenschaft bereitgestellt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind zwei Einbringeinrichtungen bereitgestellt - eine erste, integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen der Fluidprobe von einer Probenquelle durch ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der ersten Leitung und eine zweite, integrierte Einbringeinrichtung, zum steuerbaren Einbringen einer Fluidprobe von der ersten Leitung durch die zweite Leitung und ein Auslaßtor.

Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe. Das Verfahren umfaßt das Bereitstellen einer Mikrovorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat, das eine erste und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei ein Mikrokanal in der ersten Oberfläche gebildet ist; eine Abdeckungsplatte, die über der ersten Oberfläche angeordnet ist, die in Kommunikation mit dem Mikrokanal eine Leitung zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft definiert; und ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der Leitung, wobei das Probeneinlaßtor ermöglicht, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, um in einem definierten Probenflußweg befördert zu werden, derart, daß sich die Probe der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die Leitung und ein Probenauslaßtor bewegt. Ein vorbestimmtes Volumen der Fluidprobe wird steuerbar von der Probenquelle in das Probeneinlaßtor eingebracht und durch die Leitung befördert, wodurch die Komponenten der Fluidprobe getrennt werden. Die Fluidprobe, die in dem Flußweg oder von dem Probenauslaßtor fließt, wird nach einer optionalen Sammlung in Flußrichtung abwärts von dem Probenauslaßtor analysiert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A bis 1C, die kollektiv als Fig. 1 bezeichnet werden, eine Mikrovorrichtung mit einer integrierten Einbringeinrichtung, die die Rotationsgleitbewegung einer Umschaltplatte verwendet, um eine Fluidkommunikation zwischen den Fluidtransportmerkmalen zu bewirken.
Fig. 1A die Vorrichtung in auseinandergezogener Ansicht.
Fig. 1B und 1C die Mikrovorrichtung schematisch in der Konfiguration des ersten bzw. zweiten Flußwegs.
Fig. 2A und 2B, kollektiv bezeichnet als Fig. 2, ein anderes Ausführungsbeispiel der erfinderischen Mikrovorrichtung, die zwei parallele Leitungen verwendet.
Fig. 2A schematisch die Mikrovorrichtung.
Fig. 2B ein Beispiel der Ventilplatte, die verwendet werden kann, um eine Flußschaltung zwischen den parallelen Leitungen zu bewirken.
Fig. 3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfinderischen Mikrovorrichtung, die verwendet werden kann, um eine Trennung in Reihe auszuführen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Singularformen des unbestimmten und des bestimmten Artikels, wie sie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, plurale Bezüge umfassen, außer der Kontext gibt dies deutlich anderweitig vor. Somit umfaßt z. B. die Bezugnahme auf "einen Mikrokanal" eine Mehrzahl von Mikrokanälen, die Bezugnahme auf "ein Fluid" umfaßt eine Mischung von Fluiden, die Bezugnahme auf "eine Komponenteneigenschaft" umfaßt eine Mehrzahl von Komponenteneigenschaften, und ähnliches.
In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen, die folgen, wird Bezug auf eine Anzahl von Ausdrücken genommen, die definiert sein sollen, um folgende Bedeutungen aufzuweisen:
Der Ausdruck "aufgebaut", wie er hierin verwendet ist, bezieht sich auf das Bilden, Anordnen, Modifizieren oder Kombinieren von Komponenten, um zumindest einen Abschnitt der erfinderischen Mikrovorrichtung zu bauen. Somit bezieht sich "eine Leitung, die zum Trennen aufgebaut ist", wie sie hierin verwendet ist, auf das Anordnen oder Kombinieren von Teilen, um eine Leitung zu bilden oder eine Oberfläche einer Leitung zu Modifizieren, wobei die Leitung zum Differenzieren oder Trennen von Probefluidkomponenten dient. Eine Leitung, die z. B. zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe aufgebaut ist, kann eine chemisch, mechanisch oder energetisch modifizierte Innenoberfläche aufweisen, die mit unterschiedlichen Komponenten unterschiedlich in Wechselwirkung tritt, oder kann ein Trennungsmedium aufweisen, wie z. B. ein chromatographisches Füllmaterial.
Der Ausdruck "steuerbar einbringen", wie er hierin verwendet ist, bezieht sich auf die Lieferung eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe auf eine präzise und genaue Weise. Eine Fluidprobe kann "steuerbar eingebracht" werden, durch das steuerbare Ausrichten von zwei Komponenten einer Mikrovorrichtung, d. h. von Fluidtransportmerkmalen.
Der Ausdruck "Flußweg", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf die Strecke oder die Bahn, entlang der sich ein Fluid bewegt oder geleitet wird. Fluidwege sind aus einer oder mehreren Fluidtransportmerkmalen einer Mikrovorrichtung gebildet.
Der Ausdruck "Fluidtransportmerkmal", wie er hierin verwendet ist, bezieht sich auf die Anordnung von festen Körpern oder Abschnitten derselben, die den Fluidfluß leiten. Fluidtransportmerkmale umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Kammern, Reservoirs, Leitungen und Kanäle. Der Ausdruck "Leitung", wie er hierin verwendet ist, bezieht sich auf eine dreidimensionale Umhüllung, die durch eine oder mehrere Wände gebildet ist und eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweist, durch die ein Fluid transportiert werden kann. Der Ausdruck "Kanal" wird hierin verwendet, um auf eine offene Rille oder Rinne in einer Oberfläche Bezug zu nehmen. Ein Kanal in Kombination mit einem festen Stück über dem Kanal bildet eine Leitung.
Der Ausdruck "fluiddicht" wird hierin verwendet, um die räumliche Beziehung zwischen zwei festen Oberflächen in physischem Kontakt zu beschreiben, derart, daß verhindert wird, daß das Fluid in die Schnittstelle zwischen den Oberflächen fließt.
Der Ausdruck "der Reihenfolge nach" wird hierin verwendet, um auf eine Folge von Ereignissen Bezug zu nehmen. Wenn sich ein Fluid "der Reihenfolge nach" durch ein Einlaßtor und eine Leitung bewegt, dann bewegt sich das Fluid durch das Einlaßtor, bevor es sich durch die Leitung bewegt. "Der Reihenfolge nach" bedeutet nicht notwendigerweise nacheinander. Ein Fluid, das sich z. B. der Reihenfolge nach durch ein Einlaßtor und ein Auslaßtor bewegt schließt z. B. nicht aus, daß sich das Fluid durch eine Leitung bewegt, nachdem es sich durch das Einlaßtor bewegt und bevor es sich durch das Auslaßtor bewegt.
Der Ausdruck "Mikroausrichtungseinrichtung" ist hierin definiert, um sich auf jede Einrichtung zum Sicherstellen der genauen Mikroausrichtung von hergestellten Mikromerkmalen in einer Mikrovorrichtung zu beziehen. Mikroausrichtungseinrichtungen können entweder durch Laserablation oder durch andere Verfahren zum Herstellen geformter Teile gebildet werden, die in der Technik bekannt sind. Beispielhafte Mikroausrichtungseinrichtungen, die hierin verwendet werden können, umfassen eine Mehrzahl entsprechend angeordneter Vorsprünge in Komponententeilen, z. B. Überstände, Vertiefungen, Rillen, Ritzen, Führungen oder ähnliches.
Der Ausdruck "Mikrovorrichtung" bezieht sich auf eine Vorrichtung mit Merkmaien von Mikronen- oder Submikronen- Dimensionen, die in jeglicher Anzahl chemischer Prozesse verwendet werden können, die sehr geringe Fluidmengen umfassen. Solche Prozesse umfassen folgende, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Elektrophorese (z. B. Kapillarelektrophorese oder CE), Chromatographie (z. B. µLC), Screening und Diagnostik (z. B. unter Verwendung von Hybridisierung oder anderen Verbindungseinrichtungen) und chemische und biochemische Synthese (z. B. DNA-Verstärkung, wie sie unter Verwendung der Polymerasekettenreaktion, oder "PCR" durchgeführt werden kann) und Analyse (z. B. durch enzymatische Zersetzung). Die Merkmale der Mikrovorrichtungen werden für die bestimmte Verwendung angepaßt. Mikrovorrichtungen, die z. B. bei Trennungsprozessen verwendet werden, z. B. CE, enthalten Mikrokanäle (hierin genannt "Mikroleitungen"', wenn dieselben geschlossen sind, d. h. wenn die Abdeckungsplatte auf der Mikrokanal enthaltenden Substratoberfläche positioniert ist) im Größenbereich von 1 µm bis 200 µm im Durchmesser, üblicherweise 10 µm bis 75 µm im Durchmesser und ungefähr 0,1 bis 50 cm in der Länge. Mikrovorrichtungen, die bei chemischen und biochemischen Synthesevorgängen verwendet werden, z. B. DNA-Verstärkung, enthalten üblicherweise Reaktionszonen (hierin genannt "Reaktionskammern", wenn dieselben geschlossen sind, d. h. wiederum, wenn die Abdeckungsplatte auf der den Mikrokanal enthaltenden Substratoberfläche positioniert ist), die ein Volumen von ungefähr 1 µl bis ungefähr 100 µl aufweisen, üblicherweise ungefähr 10 µl bis 20 µl.
"Optional", wie es hierin verwendet ist, bedeutet, daß das nachfolgend beschriebene Merkmal oder die Struktur vorhanden sein kann oder nicht, oder daß das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der Umstand auftreten kann oder nicht, und daß die Beschreibung Fälle umfaßt, in denen ein bestimmtes Merkmal oder eine Struktur vorhanden ist, und Fälle, bei denen das Merkmal oder eine Struktur nicht vorhanden ist, oder Fälle, bei denen das Ereignis oder der Umstand auftritt, oder Fälle, in denen derselbe nicht auftritt.
Somit bezieht sich die Erfindung allgemein auf eine Mikrovorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe. Die Mikrovorrichtung ist aus einem Substrat aufgebaut, das eine erste und eine zweite gegenüberliegende Oberfläche aufweist, wobei das Substrat einen Mikrokanal aufweist, der in der ersten Oberfläche gebildet ist. Eine Abdeckungsplatte ist über der ersten Oberfläche angeordnet und definiert in Kombination mit dem Mikrokanal eine Trennungsleitung zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft. Ein Probeneinlaßtor ist in Fluidkommunikation mit der Leitung bereitgestellt, um zu ermöglichen, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, um in einem definierten Probenflußweg derart befördert zu werden, daß sich die Probe der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die Trennungsleitung und ein Probenauslaßtor bewegt. Eine integrierte Einbringeinrichtung ist zum steuerbaren Einbringen eines Volumens der Fluidprobe von einer Probenquelle in das Probeneinlaßtor bereitgestellt. Im Gegensatz zu den vorangehend vorgeschlagenen Mikrotrennungsvorrichtungen, die eine Antriebskrafteinrichtung aufweisen, die vielleicht keine angemessene Steuerung über die Fluidprobeneinbringung liefert, liefert die integrierte Einbringeinrichtung hierin ein verbessertes Trennungsverhalten bezüglich Durchsatz und Auflösung.
Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel der erfinderischen Mikrovorrichtung dar, das eine integrierte Einbringeinrichtung in Kombination mit einer integrierten Trennungssäule für eine Flüssigchromatographie aufweist. Wie bei allen Figuren, auf die hierin Bezug genommen wird, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden ist Fig. 1 nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, und gewisse Dimensionen können für eine bessere Klarheit der Darstellung übertrieben sein. Die Mikrovorrichtung 10 verwendet eine Umschaltstruktur, die eine Drehbewegung zum steuerbaren Einbringen eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe verwendet. Wie in Fig. 1A dargestellt ist, umfaßt die Mikrovorrichtung 10 ein Substrat 12, das eine erste und eine zweite, im wesentlichen planare Oberfläche aufweist, die gegenüberliegend mit 14 bzw. 16 angezeigt sind und aus einem Material bestehen, das im wesentlichen inert im Hinblick auf Fluide ist, die durch die Mikrovorrichtung transportiert werden. Das Substrat 12 weist ein Fluidtransportmerkmal in der Form eines Probenmikrokanals 18 in der ersten, planaren Oberfläche 14 auf. Der Probenmikrokanal 18 stellt einen Abschnitt einer Trennungsleitung 25 dar, wie nachfolgend erörtert wird. Das Fluidtransportmerkmal kann durch Laserablation oder andere Techniken gebildet werden, die nachfolgend erörtert werden oder in der Technik bekannt sind. Es ist offensichtlich, daß Probenmikrokanäle für dieses und andere Ausführungsbeispiele eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen können, wie z. B. gerade, serpentinenförmig, spiralförmig oder jeglicher andere gewundene Weg, obwohl der Probenmikrokanal 18 in einer im Allgemeinen erweiterten Form dargestellt wurde. Ferner kann der Probenmikrokanal 18 wie oben beschrieben in einer breiten Vielzahl von Kanalgeometrien gebildet sein, einschließlich halbrund, rechteckig, rhomboidisch und ähnliches, und die Kanäle können in einer breiten Vielzahl von Aspektverhältnissen gebildet sein. Eine Vorrichtung kann ferner eine Mehrzahl von Probenmikrokanälen aufweisen. Der Probenmikrokanal 18 weist einen Probeneinlaßendpunkt 20 an einem ersten Ende und einen Probenauslaßendpunkt 22 an dem gegenüberliegenden Ende auf. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Probenauslaßendpunkt an einem Vorsprung des anderweitig rechteckigen Substrats 12 positioniert. Zusätzlich dazu ist ferner ein Fluidmikrokanal 24 mit optionalem Aufbau in der ersten planaren Oberfläche 14 in Fluidkommunikation mit dem Probenmikrokanal 18 gebildet, in Flußrichtung abwärts von dem Probeneinlaßendpunkt 20 und in Flußrichtung aufwärts von dem Probenauslaßendpunkt 22. An dem Probeneinlaßendpunkt 20 ist eine zylindrische Leitung 26 positioniert, die sich durch die Oberfläche 16 erstreckt. Fünf zusätzliche, zylindrische Leitungen 28, 30, 32, 34, 36, die sich ebenfalls durch das Substrat 12 und in Kombination mit der Leitung 26 erstrecken, stellen die Vertikalen eines gleichseitigen Hexagons dar.
Die Mikrovorrichtung 10 umfaßt ferner eine Abdeckungsplatte 40, die komplementär bezüglich des Substrats 12 geformt ist und eine erste und eine zweite im wesentlichen planare, Oberfläche aufweist, die gegenüberliegend mit 42 bzw. 44 angezeigt sind. Die Kontaktoberfläche 42 der Abdeckungsplatte 40 ist fähig, sich eng mit der Kontaktoberfläche 14 des Substrats 12 schnittstellenmäßig zu verbinden, um einen fluiddichten Kontakt zwischen den Oberflächen zu erreichen. Die Abdeckungsplatte 40 ist im wesentlichen unbeweglich über der Substratkontaktoberfläche 14 und die Abdeckungsplatten-Kontaktoberfläche 42 definiert in Kombination mit dem Probenmikrokanal 18 eine Probenleitung 25 zum Befördern der Probe. Auf ähnliche Weise definiert die Abdeckungsplatte 40 in Kombination mit dem Zusatz-Fluidkanal 27 eine Zusatz-Fluidleitung 27 zum Befördern eines Zusatzfluids von einer Zusatzfluidquelle (nicht gezeigt) zu der Fluidprobenleitung. Da die Kontaktoberflächen der Abdeckungsplatte und des Substrats in fluiddichtem Kontakt stehen sind die Probenleitung und die Zusatzfluidleitung ebenfalls fluiddicht. Die Abdeckungsplatte 40 kann aus jeglichem geeigneten Material zum Bilden des Substrats 12 gebildet sein, wie nachfolgend beschrieben wird. Ferner kann die Abdeckungsplatte 40 über der Substratkontaktoberfläche 14 durch jegliche aus einer Anzahl von Mikroausrichtungseinrichtungen ausgerichtet sein. Um sicherzustellen, daß die Probenleitung fluiddicht ist, können Druckabdichtungstechniken verwendet werden, z. B. durch Verwendung externer Einrichtungen (wie z. B. Klammern, Zugfedern oder einer zugeordneten Klemme) durch Verwendung innerer Einrichtungen (wie z. B. männlicher und weiblicher Kopplungen) oder durch Verwendung chemischer Einrichtungen (z. B. Klebstoff oder Schweißen) verwendet werden, um die Stücke zusammenzudrängen. Wie bei allen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Druckabdichttechniken den Kontaktoberflächen jedoch ermöglichen, unter einem internen Mikrovorrichtungsfluiddruck von bis zu ungefähr 100 Megapascal und üblicherweise ungefähr 0,5 bis 40 Megapascal in fluiddichtem Kontakt zu bleiben.
Wie in Fig. 1A gezeigt ist können die Abdeckungsplatte 40 und das Substrat 12 einzelne Komponenten sein. In einem solchen Fall kann die hierin beschriebene Mikroausrichtungseinrichtung, die einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, verwendet werden, um die Abdeckungsplatte mit dem Substrat auszurichten. In manchen Fällen jedoch können das Substrat und die Abdeckungsplatte in einem einzelnen, festen, flexiblen Stück gebildet sein. Mikrovorrichtungen mit einer einstückigen Substrat- und Abdeckungsplatten- Konfiguration wurden z. B. in dem U. S.-Patent Nr. 5,658,413 und 5,882,571 jeweils an Kaltenbach u. a. beschrieben.
Die Abdeckungsplatte 40 kann eine Vielzahl von Merkmalen umfassen. Wie gezeigt ist, ist ein Probeneinlaßtor 46 als eine zylindrische Leitung bereitgestellt, die sich durch die Abdeckungsplatte in eine Richtung orthogonal zu der Abdeckungsplatten-Kontaktoberfläche 42 erstreckt, um eine Kommunikation zwischen den Oberflächen 42 und 44 bereitzustellen. Obwohl Achsensymmetrie und Orthogonalität bevorzugt werden, muß das Probeneinlaßtor 46 nicht achsensymmetrisch sein oder sich in eine orthogonale Richtung im Hinblick auf die Abdeckungsplatten-Kontaktoberfläche erstrecken. Das Einlaßtor 46 kann angeordnet sein, um mit der Leitung 32 des Substrats 12 zu kommunizieren. Wie gezeigt ist, weist das Einlaßtor 46 einen im wesentlichen konstanten Querschnittsbereich entlang seiner Länge auf. Das Probeneinlaßtor 46 ermöglicht das Durchfließen von Fluid von einer externen Quelle (nicht gezeigt) durch die Leitung 32, um mit der Umschaltplatte 60 zu kommunizieren, wie nachfolgend erörtert wird. Der Querschnittbereich des Einlaßtores sollte dem Querschnittbereich und der Form der Leitung 32 entsprechen. Auf ähnliche Weise sind zwei zusätzliche, zylindrische Leitungen, d. h. Ausschußtor 48 und Mobile-Phase- Einlaßtor 50 in Fluidkommunikation mit der Leitung 30 bzw. 36 bereitgestellt. Ferner ist das Zusatzfluidtor 40 ebenfalls bereitgestellt, um zu ermöglichen, daß ein Zusatzfluid von einer Zusatzfluidquelle in eine Zusatzfluidleitung 28 eingebracht wird.
Ein linearer Kanal 52 mit zwei Endpunkten, die bei 54 und 56 angezeigt sind, ist in der Kontaktoberfläche 42 positioniert. Die Endpunkte 54, 56 kommunizieren fluidisch mit den Leitungen 34 bzw. 28. Die Endpunkte 54 und 56 stellen in Kombination mit den Leitungen 46, 48 und 50 fünf von sechs Vertikalen eines gleichseitigen Hexagons dar. Dementsprechend ist jede der Leitungen um die gleiche Distanz von dem Mittelpunkt des Kanals 52 entfernt positioniert. Wie oben erörtert wurde, ist die Abdeckungsplatte 40 über der Substratkontaktoberfläche 14 im wesentlichen unbeweglich. Folglich bildet eine Substratoberfläche 14 in Kombination mit dem Kanal 52 eine Leitung 53, die wie unten erörtert wird als eine Probenladekammer dient. Alternativ kann der lineare Kanal 52 auf der Substratoberfläche 14 bereitgestellt sein. In einem solchen Fall würden die Endpunkte 54und 56 an der Position mit den Leitungen 34 bzw. 28 zusammenfallen.
Die Probenleitung 25 ist für eine Trennung aufgebaut, und die Vorrichtung kann daher jegliche mikrobearbeitete Struktur aufweisen, die für eine Flüssigchromatographie geeignet ist. Das U. S.-Patent Nr. 6,156,273 beschreibt z. B. eine mikrobearbeitete Flüssigchromatographiestruktur mit einer Massenspektrometerschnittstelle. Zusätzlich dazu kann die Leitung jegliches einer Anzahl von bekannten flüssigchromatographischen Füllmaterialien enthalten, die in der Probenleitung umfaßt sein können. Derartige Füllmaterialien weisen üblicherweise einen Oberflächenbereich von ungefähr 100 bis ungefähr 500 m²/g auf. Die Leitung 25 kann z. B. angepaßt sein, um Fluidprobenkomponenten gemäß Molekulargewicht, Polarität, Hydrophobie oder anderen Eigenschaften durch Techniken zu trennen, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, z. B. durch richtige Auswahl von Füllmaterialien. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Innenoberfläche der Leitung chemisch, mechanisch oder anderweitig unter Verwendung von Techniken modifiziert werden, die in der Technik bekannt sind, um die Trennung von Komponenten einer Fluidprobe gemäß einer ausgewählten Eigenschaft durchzuführen. U. S. Seriennummer 09/233,694 ("A Method for Producing High-Surface Area Texturing of a Substrate, Substrates Prepared Thereby and Masks for Use Therein"), Erfinder Brennen und Swedberg, eingereicht am 19. Januar 1999, beschreibt z. B. einen laserablatierten Hochoberflächenbereichsmikrokanal; das U. S.-Patent Nr. 5,770,029 beschreibt eine elektrophoretische Mikrovorrichtung, die es einer integrierten Probenanreicherungseinrichtung ermöglicht, eine Hochoberflächenbereichsstruktur zu verwenden; das U. S.-Patent Nr. 5,334,310 beschreibt einen Mikrokanal, der ein in situ erzeugtes Polymer in demselben aufweist. Somit kann die innere Oberfläche der Leitung Oberflächencharakteristika aufweisen, wie z. B. Adsorptionseigenschaften und einen Oberflächenbereich, der ähnlich dem ist, der den Füllmaterialien zugeordnet ist. In jedem Fall können typische Proben Biomoleküle enthalten, wie z. B. nukleotidische und/oder peptidische Komponenten.
Eine Umschaltplatte 60 ist als eine Einrichtung zum Liefern eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe bereitgestellt. Diese Umschaltplatte 60 ist ähnlich der, die in dem U. S.-Patent "Flow-Switching Microdevice" der Erfinder Killeen und Yin beschrieben ist, eingereicht am 17. Juli 2001.
Wie in Fig. 1A gezeigt ist, weist die Umschaltplatte 60 eine im wesentlichen planare und kreisförmige Kontaktoberfläche 62 und eine gegenüberliegende Kontaktoberfläche 64 auf. Wie gezeigt ist, sind die Oberflächen 62 und 64 im wesentlichen kongruent. Drei gekrümmte Fluidtransportkanäle, die bei 66, 68 und 70 angezeigt sind, sind jeweils an der Kontaktoberfläche 62 positioniert. Die Fluidtransportmerkmale liegen entlang eines Kreises mit einem Durchmesser gleich der Länge des Kanals 52. Jeder Fluidtransportkanal weist zwei Endpunkte auf: die Endpunkte 72 und 74 sind dem Merkmal 66 zugeordnet, die Endpunkte 76 und 78 sind dem Merkmal 68 zugeordnet und die Endpunkte 80 und 82 sind dem Merkmal 70 zugeordnet. Ein optionaler Griff 84, der eine leichte Handhabung der Umschaltplatte 60 ermöglicht, erstreckt sich von dem Mittelpunkt der Kanäle nach außen hin.
Die Umschaltplatten-Kontaktoberfläche 62 kann in schiebbarem und fluiddichtem Kontakt mit der Substratoberfläche 16 plaziert sein. Folglich bilden die Fluidtransportkanäle 66, 68 und 70 in Kombination mit der Substratoberfläche 16 drei gekrümmten Leitungen 67, 69 bzw. 71.
Abhängig von der relativen Ausrichtung der Umschaltplatte und des Substrats können mindestens zwei mögliche Flußwegkonfigurationen geformt werden. Wie in Fig. 1B gezeigt ist ermöglicht die erste Flußwegkonfiguration einem Fluid, das von dem Mustereinlaßtor 46 stammt, sich der Reihenfolge nach durch die Leitung 32, die Leitung 67, die Leitung 34, die Leitung 53, die Leitung 28, die Leitung 69, die Leitung 30 und das Ausschußtor 48 zu bewegen. Die erste Flußwegkonfiguration ermöglicht es einem Fluid, das von einem Mobile- Phase-Einlaßtor 50 stammt ferner, sich der Reihenfolge nach durch die Leitung 36, die Leitung 71, die Leitung 26 und die Leitung 25 zu bewegen. Durch Drehen der Umschaltplatte 60 um 60° um deren Mittelpunkt resultiert eine zweite Flußwegkonfiguration, wie in Fig. 1C gezeigt ist. Die zweite Flußwegkonfiguration ermöglicht es einem Fluid, das aus dem Probeneinlaßtor 46 stammt, sich der Reihenfolge nach durch die Leitung 32, die Leitung 67, die Leitung 30 und das Ausschußtor 48 zu bewegen. Zusätzlich dazu ermöglicht es die Flußwegkonfiguration einem Fluid, das aus der Leitung 50 stammt, sich der Reihenfolge nach durch Leitung 36, Leitung 70, Leitung 34, Leitung 53, Leitung 28, Leitung 69, Leitung 26 und Probenleitung 25 zu bewegen.
In Verwendung arbeitet die Mikrovorrichtung auf eine Weise ähnlich einer kapillaren, flüssigchromatographischen Vorrichtung. Die Umschaltplatte 60 der Mikrovorrichtung ist angeordnet, um zu einer ersten Flußwegkonfiguration zu führen, wie oben erörtert wurde. Eine Pumpe erzeugt eine Hochdrucksteigung, um eine mobile Phase durch das Mobile-Phase- Einlaßtor 50, Leitung 36, Leitung 71, Leitung 26 und Leitung 25 zu liefern. Um den Innendruck der Mikrovorrichtung und die Flußrate der mobilen Phase zu steuern, kann ein Strömungsteiler, integriert oder anderweitig, verwendet werden, um einen Abschnitt der mobilen Phase umzuleiten, bevor dieselbe in die Leitung 50 eintritt. Zusätzlich dazu wird eine Fluidprobe in das Probeneinlaßtor 46 von einer Probenquelle injiziert. Folglich bildet die Fluidprobe einen zusammenhängenden Körper aus Fluid, der durch das Probeneinlaßtor 46, Leitung 32, Leitung 67, Leitung 34, Leitung 53, Leitung 28, Leitung 69, Leitung 30 und Ausschußtor 48 fließt. Die Probe, die aus der Leitung 66 austritt, kann gesammelt und recycled werden.
Durch Bilden einer zweiten Flußwegkonfiguration, wie oben erörtert wurde, wird die Leitung 53 nun in den Flußweg der mobilen Phase positioniert, die in die Mikrovorrichtung durch die Leitung 50 eintritt. D. h., die mobile Phase wird nun durch einen Flußweg gepumpt, der sich der Reihenfolge nach durch Leitung 50, Leitung 36, Leitung 70, Leitung 34, Leitung 53, Leitung 28, Leitung 69, Leitung 26 und Probenleitung 25 bewegt. Somit wird die Fluidprobe, die innerhalb der Leitung 53 bleibt, ebenfalls durch die Trennleitung 25 gezwungen. Es sollte dann offensichtlich sein, daß durch Drehen des Substrats der Schaltanordnung ein vorbestimmtes Volumen der Fluidprobe, definiert durch Leitung 53, steuerbar von einer Probenquelle in die Trennungsleitung 25 der Mikrovorrichtung 10 eingebracht wird. Der Probenpfropfen wird dann in Probenkomponenten gemäß einer Komponenteneigenschaft getrennt und tritt aus dem Probenauslaßtor aus. Der Auslaß kann mit einem Sammler schnittstellenmäßig verbunden sein, wie z. B. einem Probenfläschchen, einer Platte oder einer Kapillare. Der Sammler kann als eine Speicherungsvorrichtung dienen oder eine Zwischeneinrichtung zu einer anderen Vorrichtung darstellen, die den gesammelten Bruchteil verwendet und/oder analysiert. Alternativ kann eine analytische Vorrichtung direkt mit dem Auslaßtor für eine Bruchteilanalyse schnittstellenmäßig verbunden sein.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß ein Analysator mit jeglichem Abschnitt des Flußweges der erfinderischen Mikrovorrichtung schnittstellenmäßig verbunden sein kann, einschließlich des Einlaßtores. Der Analysator kann z. B. ein Massenspektrometer sein, wobei in diesem Fall das Auslaßtor innerhalb einer Ionisierungskammer positioniert sein kann oder angepaßt sein kann, um eine Fluidprobe an dieselbe zu liefern. Siehe U. S.-Patent Seriennummer 09/711,804 ("A Microdevice Having an Integrated Protruding Electrospray Emitter and a Method for Producing the Microdevice"), Erfinder Brennen, Yin und Killeen, eingereicht am 13, November 2000. Zusätzlich dazu sind Massenspektrometrietechniken in der Technik bekannt und können z. B. Laser-Desorptions- und -Ionisations-Techniken umfassen, deren Verwendung in Verbindung mit Mikrovorrichtungen in den U. S.-Patenten Nr. 5,705,813 und 5,716,825 beschrieben sind. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Analysator eine Quelle elektromagnetischer Strahlung sein, die konfiguriert ist, um elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge zu erzeugen. Abhängig von den intrinsischen Eigenschaften der Fluidprobe und/oder jeglicher verwendeter molekularer Markierungen, kann die Strahlung ultraviolette, sichtbare oder Infrarot-Strahlung sein.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß andere Aspekte der bekannten Trennungstechnik in der Praxis der vorliegenden Erfindung umfaßt sein können. Wenn z. B. normales Flüssigchromatographie-Füllmaterial innerhalb der Trennungsleitung eingeschlämmt wird, kann eine mikrobearbeitete oder sonstige Frittstruktur in der Nähe oder an dem Probenauslaßtor umfaßt sein. Die Frittstruktur dient zum Sicherstellen, daß das Füllmaterial nicht von innerhalb der Probenleitung verschoben wird, wenn eine Fluidprobe und/oder eine mobile Phase durch die Leitung befördert werden. Zusätzlich dazu wird bevorzugt, daß der Querschnittsbereich der Trennungsleitung in Flußrichtung abwärts von der Frittstruktur reduziert wird, insbesondere wenn das Probenauslaßtor ein Teil einer Elektrosprayspitze ist, wie z. B. in dem U. S. Seriennummer 09/711,804 ("A Microdevice Having an Integrated Protruding Electrospray Emitter and a Method for Producing the Microdevice") beschrieben ist, Erfinder Brennen, Yin und Killeen, eingereicht am 13. November 2000.
Zusätzlich dazu können mehrere Flüssigchromatographiesäulen in einer einzelnen Mikrovorrichtung umfaßt sein. Derartige Mikrovorrichtungen können eine parallele Probeneinbringung von einer oder einer Mehrzahl von Probenquellen umfassen, gefolgt von einer seriellen Trennung oder einer parallelen Probentrennung. Somit bezieht sich die Erfindung bei einem anderen Ausführungsbeispiel auf eine Mikrovorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe, wobei die Vorrichtung mindestens einen zusätzlichen Mikrokanal aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein erster und ein zweiter Mikrokanal in der ersten Oberfläche und der Abdeckungsplatte in Kombination mit dem ersten und dem zweiten Mikrokanal gebildet, die eine erste bzw. eine zweite Leitung definieren. Das Probeneinlaßtor steht in Fluidkommunikation mit einem Ventil, und das Ventil ist zum Liefern einer selektiven Fluidkommunikation zwischen dem Einlaßtor und einer der Leitungen aufgebaut. Folglich kann eine Fluidprobe, die von einer Probenquelle eingebracht wird, in einem definierten Probenflußweg befördert werden, der sich der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die ausgewählte Leitung und ein Probenauslaßtor bewegt, das der ausgewählten Leitung zugeordnet ist. Mindestens eine der Leitungen ist zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft aufgebaut. Vorzugsweise ist jede der Leitungen zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer unterschiedlichen Komponenteneigenschaft aufgebaut.
Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem, das in Fig. 1 dargestellt ist, bei dem die Mikrovorrichtung 10 eine Umschaltstruktur verwendet, die eine Rotations- und Gleit- Bewegung zum steuerbaren Einbringen eines vorbestimmten Fluidprobenvolumens in eine Trennungsleitung verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Mikrovorrichtung jedoch ferner zusätzliche Merkmale. Wie in Fig. 2 dargestellt ist sind zusätzliche Leitungen, die bei 102 und 104 angezeigt sind, in Flußrichtung abwärts von der Leitung 25 bereitgestellt. Ein Ventil 110 ist zwischen der Leitung 25 und den zusätzlichen Leitungen 102 und 104 positioniert. Das Ventil 110 ist zum Ermöglichen des Fließens einer Fluidprobe von der Leitung 25 zu nicht mehr als einer der Leitungen 102 und 104 gleichzeitig aufgebaut.
Eine Vielzahl von Ventiltypen, die in der Technik bekannt sind, können zum selektiven Bereitstellen einer Fluidkommunikation zwischen der Leitung 25 und den Leitungen 102 und 104 verwendet werden. Bekannte Ventiltypen umfassen Kugelventile, Magnetventile und Schieberventile, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt. Es wird bevorzugt, daß das Ventil teilweise als ein integrierter Abschnitt der erfinderischen Mikrovorrichtung konstruiert ist. Somit kann das Ventil 110 wie in Fig. 2B dargestellt ist eine zylindrische Ventilplatte 112 umfassen, die eine Kontaktoberfläche 114 und eine Außenoberfläche 116 aufweist. In einem solchen Fall sind die Kontaktoberfläche 112 und die Außenoberfläche 114 der Ventilplatte üblicherweise im wesentlichen planar gegenüberliegend. Die Ventilplatte 112 weist ein Fluidtransportmerkmal in der Form eines Ventilmikrokanals 118 in der ersten, planaren Oberfläche 114 auf. Der Ventilmikrokanal 118 weist einen Einlaßendpunkt 120 an einem Ende und einen Auslaßendpunkt 122 am anderen Ende auf. Der Einlaßendpunkt 120 ist in der Mitte der kreisförmigen Substratoberfläche 114 positioniert, während der Auslaßendpunkt 122 näher an der Kante der Ventilplatte 112 positioniert ist. Wenn die Kontaktoberfläche der Ventilplatte in fluiddichtem Kontakt mit einer Außenoberfläche von entweder dem Substrat 12 oder der Abdeckungsplatte 40 plaziert ist, bildet die Außenoberfläche in Kombination mit dem Mikrokanal eine fluiddichte Ventilleitung 119. Bei dieser Konfiguration umfaßt entweder die Abdeckungsplatte oder das Substrat ein Ventileinlaßtor 130 und Ventilauslaßtore 138 und 140 als zylindrische Leitungen, die sich durch dasselbe erstrecken. Das Ventileinlaßtor 130 ist positioniert, um dem Fluid zu ermöglichen, von dem in Flußrichtung abwärts gelegenen Endpunkt der Leitung 25 und dem Einlaßendpunkt 120 des Ventilmikrokanals zu fließen. Obwohl Achsensymmetrie und Orthonogalität bevorzugt sind, muß das Ventileinlaßtor nicht achsensymmetrisch sein oder sich in eine orthogonale Richtung im Hinblick auf die Substratkontaktoberfläche erstrecken. Das Einlaßtor 130 kann einen im wesentlichen konstanten Querschnittbereich entlang seiner Länge aufweisen, und der Querschnittbereich des Einlaßtors sollte der Breite des Ventilmikrokanals 118 und der Form des Mikrokanals am Einlaßendpunkt 120 entsprechen.
Die Ventilauslaßtore sind in der gleichen Distanz von den Ventilauslaßtoren positioniert, wobei die Distanz die Länge des Ventilmikrokanals ist. Die Ventilauslaßtore 138 und 140 sind positioniert, um dem Fluid zu ermöglichen, zu den Leitungen 102 bzw. 104 zu fließen. Durch Drehen der Ventilplatte 112 kann eine selektive Fluidkommunikation zwischen dem Einlaßtor 130 und den Leitungen 102 und 104 bereitgestellt werden. Wie oben diskutiert kann jede Leitung mit unterschiedlichen Füllmaterialien bereitgestellt sein, die gemäß der Fluidprobe und der gewünschten Trennungstechnik ausgewählt werden.
Anstatt eine parallele Trennung auszuführen können mehrere Flüssigchromatographiesäulen in einer einzelnen Mikrovorrichtung umfaßt sein, um multidimensionale Trennungen, d. h. eine Trennung in Reihe auszuführen. Somit ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel eine Mikrovorrichtung bereitgestellt, die eine erste, integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen der Fluidprobe von einer Probenquelle durch ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der ersten Leitung und eine zweite, integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen einer Fluidprobe von der ersten Leitung durch die zweite Leitung und ein Auslaßtor bereitgestellt. Mindestens eine der Leitungen ist zum Trennen des Fluids gemäß einer Komponenteneigenschaft aufgebaut. Bei diesem Ausführungsbeispiel verbindet sich ein Flußweg mit mindestens einer zusätzlichen Leitung in Reihe mit einer Trennleitung und ermöglicht somit eine multidimensionale Trennung, vorausgesetzt daß mindestens eine zusätzliche Leitung für eine Trennung angepaßt ist.
Diese Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Die Mikrovorrichtung 10 umfaßt eine Einbringeinrichtung in der Form einer Umschaltplatte 60, wie in Fig. 1 dargestellt, die eine Drehbewegung zum steuerbaren Einbringen eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe in eine Trennleitung verwendet. Die Mikrovorrichtung umfaßt eine zweite, integrierte Einbringeinrichtung 150 zum steuerbaren Einbringen einer Fluidprobe von der ersten Leitung. Die zweite, integrierte Einbringeinrichtung 150 kann von demselben oder einem unterschiedlichen Aufbau sein wie die Umschaltanordnung, die oben erörtert wurde. Zusätzlich dazu, wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist in Flußrichtung abwärts von dem Einlaßtor eine zusätzliche Leitung 104 bereitgestellt. Diese zusätzliche Leitung kann bei einer zweiten dimensionalen Trennung verwendet werden. Die erste Leitung kann z. B. eine Trennung erster Dimension für nukleotide oder peptide Komponenten durch Größenausschlußchromatographie, Ionenchromatographie, kapillare Elektrophorese, isoelektrische Fokussierung oder elektrophoretische Fokussierung über Feldsteigung bereitstellen. Dann können Bruchteile der ersten Dimensionstrennung in eine optionale Reaktionskammer innerhalb der integrierten Einbringeinrichtung geleitet werden, die mit einem Reaktionskatalysator gefüllt ist, z. B. in der Form von modifizierten Katalysatorkügelchen. In diesem Fall werden Proteine in der ersten Dimension getrennt, und dann in der Reaktionskammer einer Zersetzung unterzogen, gefolgt durch eine Trennung zweiter Dimension in der zweiten Leitung.
Bei jedem der vorangehenden Ausführungsbeispiele werden geeignete Materialien zum Bilden der Substrate und Abdeckungsplatten bezüglich physikalischer und chemischer Charakteristika ausgewählt, die für ein richtiges Funktionieren der Mikrovorrichtung erwünscht sind. In allen Fällen muß das Substrat aus einem Material hergestellt sein, das die Bildung von hochzahligen (oder Hochauflösungs-) Merkmalen ermöglicht, d. h. Mikrokanälen, Kammern und ähnliches, die Dimensionen von Mikronen oder Submikronen aufweisen. D. h., das Material muß zu einer Mikroherstellung unter Verwendung von z. B. Trockenätzen, Naßätzen, Laserätzen, Laserablation, Formen, Prägen oder ähnlichem in der Lage sein, um gewünschte, miniaturisierte Oberflächenmerkmale aufzuweisen; vorzugsweise ist das Substrat in der Lage, durch Mikrobearbeitung hergestellt zu werden, auf eine Weise, um Eigenschaften in, auf und/oder durch die Oberfläche des Substrats zu bilden. Mikrostrukturen können ferner an der Oberfläche eines Substrats durch Hinzufügen von Material zu demselben hergestellt werden, z. B. können Polymerkanäle an der Oberfläche eines Glassubstrats unter Verwendung von optisch abbildbaren Polyimiden gebildet werden. Ferner sollten alle verwendeten Vorrichtungsmaterialien chemisch inert und physisch stabil hinsichtlich jeglicher Substanz sein, mit der sie in Kontakt kommen, wenn sie verwendet werden, um eine Fluidprobe (z. B. im Hinblick auf pH, elektrische Felder, etc.) einzubringen. Geeignete Materialien zum Bilden der vorliegenden Vorrichtungen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Polymermaterialien, Keramik (einschl. Aluminiumoxid und ähnliches), Glas, Metalle, Verbundstoffe und Laminiermaterialien derselben.
Polymermaterialien werden hierin besonders bevorzugt und sind üblicherweise organische Polymere, die entweder Homopolymere oder Copolymere, natürlich auftretend oder synthetisch, vernetzt oder nicht vernetzt sind. Spezifische Polymere von Interesse umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Polyimide, Polykarbonate, Polyester, Polyamide, Polyether, Polyurethane, Polyfluorkarbone, Polystyrene, Poly(Acrylnitril-Butadien-Styrol) (ABS), Acrylat und Acrylsäurepolymere, wie z. B. Polymethylmethacrylat und andere substituierte und unsubstituierte Polyolefine und Copolymere derselben. Im allgemeinen weist mindestens entweder das Substrat oder die Abdeckungsplatte ein bewuchsresistentes Polymer auf, wenn die Mikrovorrichtung zum Transport biologischer Fluide verwendet wird. Polyimid ist von besonderem Interesse und hat sich als ein sehr erwünschtes Substratmaterial in einer Vielzahl von Kontexten herausgestellt. Polyimide sind handelsüblich erhältlich, z. B. unter dem Markennamen Kapton®, (DuPont, Wilmington, DE) und Upilex® (Ube Industries, Ltd. Japan). Polyethylenethylenketone (PEEK) weisen ferner wünschenswerte Bewuchsresistenzeigenschaften auf.
Die Vorrichtungen der Erfindung können ferner aus einem "Verbundstoff" hergestellt sein, d. h. einer Verbindung, die aus ungleichen Materialien aufgebaut ist. Der Verbundstoff kann ein Blockverbundstoff sein, z. B. ein A-B-A- Blockverbundstoff, ein A-B-C-Blockverbundstoff oder ähnliches. Alternativ kann der Verbundstoff eine heterogene Kombination aus Materialien sein, d. h. bei dem die Materialien von separaten Phasen getrennt, oder eine homogene Kombination aus ungleichen Materialien sind. Wie er hierin verwendet ist soll der Ausdruck "Verbundstoff" einen "Laminat"- Verbundstoff umfassen. Ein "Laminat" bezieht sich auf ein Verbundmaterial, das aus verschiedenen unterschiedlichen, verbundenen Lagen identischer oder unterschiedlicher Materialien gebildet ist. Andere bevorzugte Verbundsubstrate umfassen Polymerlaminate, Polymer-Metall-Laminate, z. B. Polymer beschichtet mit Kupfer, einen Keramik-in-Metall- oder ein Polymer-in-Metall-Verbundstoff. Ein bevorzugtes Verbundmaterial ist ein Poyimidlaminat, das aus einer ersten Lage von Polyimid, wie z. B. Kapton® gebildet ist, das mit einer zweiten, dünnen Lage einer thermischen Klebstoffform von Polyimid, bekannt als KJ®, gemeinschaftlich stranggepreßt wurde, ebenfalls erhältlich von DuPont (Wilmington, Delaware).
Die vorliegenden Mikrovorrichtungen können unter Verwendung jeglicher geeigneten Methode hergestellt werden, einschließlich aber nicht begrenzt auf Mikroformungs- und Gieß-Techniken, Prägeverfahren, Oberflächenmikrobearbeitung und Massenmikrobearbeitung. Die letztere Technik umfaßt die Bildung von Mikrostrukturen durch Ätzen direkt in ein Volumenmaterial, üblicherweise unter Verwendung von chemischem Naßätzen oder reaktivem Ionenstrahlätzen ("RIE"). Oberflächenmikrobearbeitung umfaßt die Herstellung aus Filmen, die auf die Oberfläche eines Substrats aufgebracht sind. Ein exemplarischer Oberflächen-Mikrobearbeitungs-Prozeß ist als "LIGA" bekannt. Siehe z. B. Becker u. a. (1986), "Fabrication of Microstructures with High Aspect Ratios and Great Stuctural Heights by Synchrotron Radiation Lithography Galvanoforming, and Plastic Moulding (LIGA Process)," Microelectronic Engineering 4 (1): 35-36; Ehrfeld u. a. (1988), "1988 LIGA Process: Sensor Construction Techniques via X-Ray Lithography," Tech. Digest from IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, SC; Guckel u. a. (1991) J. Micromech. Microeng. 1: 135-138. LIGA umfaßt das Aufbringen einer relativ dicken Lage eines Röntgenphotolacks auf ein Substrat gefolgt von dem Aussetzen einer hochenergetischen Röntgenstrahlung durch eine Röntgenmaske und dem Entfernen der bestrahlten Lackabschnitte unter Verwendung eines chemischen Entwicklers. Die derart bereitgestellte LIGA-Form kann verwendet werden, um Strukturen mit horizontalen Dimensionen - d. h. Durchmesser - im Bereich von Mikronen vorzubereiten.
Eine andere Technik zum Vorbereiten der vorliegenden Mikrovorrichtungen ist die Laserablation. Bei der Laserablation werden kurze Pulse von intensivem Ultraviolettlicht in einer dünnen Oberflächenmateriallage absorbiert. Bevorzugte Pulsenergien sind größer als ungefähr 100 Millijoules pro Quadratzentimeter und Pulsdauern sind kürzer als ungefähr eine Mikrosekunde. Unter diesen Bedingungen photodissoziiert das intensive ultraviolette Licht die chemischen Verbindungen in der Substratoberfläche. Die absorbierte, ultraviolette Energie wird in einem derart kleinen Materialvolumen konzentriert, daß dasselbe die dissoziierten Fragmente schnell aufheizt und dieselben weg von der Substratoberfläche ausstößt. Da diese Prozesse so schnell auftreten verbleibt keine Zeit für die Wärme, sich in das umgebende Material auszubreiten. Folglich wird die umgebende Region nicht geschmolzen oder anderweitig beschädigt, und der Umfang der abgetragenen Merkmale kann die Form des identischen optischen Strahls auf einer Skala von ungefähr einem Mikron oder weniger mit Präzision replizieren. Die Laserablation umfaßt üblicherweise die Verwendung eines hochenergetischen Photonenlasers, wie z. B. eines Excimerlasers vom Typ F2, ArF, KrCl, KrF, oder XeCl. Andere ultraviolette Lichtquellen mit im wesentlichen den gleichen optischen Wellenlängen und Energiedichten können jedoch ebenfalls verwendet werden. Laserablationstechniken sind z. B. durch Znotins u. a. (1987) Laser Focus Electro Optics, Seiten 54-70 und in dem US-Patent Nr. 5,291,226 und 5,305,015 an Schantz u. a. beschrieben.
Die Herstellungstechnik, die verwendet wird, muß Merkmale von ausreichend hoher Definition liefern, d. h. Mikrokomponenten, Kanäle, Kammern, etc., so daß eine genaue "Mikroausrichtung" dieser Merkmale möglich ist, d. h. die Merkmale müssen zu einer präzisen und genauen Ausrichtung fähig sein, einschließlich z. B. der Ausrichtung komplementärer Mikrokanäle miteinander, der Ausrichtung von Vorständen und übereinstimmenden Vertiefungen, der Ausrichtung von Rillen und übereinstimmenden Graten und ähnliches.
Zusätzlich zu der Umschaltanordnung können andere integrierte Einbringeinrichtungen ebenfalls verwendet werden. Üblicherweise weist eine integrierte Einbringeinrichtung eine Ladekammer auf, die dimensioniert ist, um ein vorbestimmtes Volumen einer Fluidprobe zu halten. Durch Aufbauen der Ladekammer, um eine umschaltbare Fluidkommunikation mit entweder der Probenquelle oder der Mobile-Phase-Quelle zu ermöglichen, kann ein vorbestimmtes Volumen der Fluidprobe in die Kammer geladen oder aus derselben entfernt werden. D. h., die Ladekammer assistiert bei der genauen und präzisen Handhabung eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe. Zusätzlich dazu stellt die Ladekammer sicher, daß die Fluidprobe als ein zusammenhängender Körper eingebracht ist, um die Trennungsauflösung zu verbessern. Um ein leichtes und einfaches Umschalten sicherzustellen, wird bevorzugt, daß die Fluidkommunikation durch eine Gleitbewegung erreicht wird. Auf ähnliche Weise kann eine integrierte Einbringvorrichtung ein Ventil aufweisen, das für eine Betätigung durch eine Gleitbewegung aufgebaut ist. Eine rotierende und lineare Gleitbewegung kann in jedem Fall verwendet werden. Zusätzlich dazu können Mechanismen, die sich auf Auf-Vorrichtung-Merkmale beziehen, die verwendet werden können, um eine Probe von einer Probequelle aufzunehmen, wie z. B. Fläschchen und Titerplatten, ebenfalls in schnittstellenmäßiger Relation zu der Einbringeinrichtung verwendet werden. Siehe U. S.-Patent Seriennummer 09/570,948, Erfinder Zimmermann und Ple, eingereicht am 15. Mai 2000.
Jegliche der vorangehend beschriebenen Mikrovorrichtungen kann die Fluidprobe gemäß einer oder mehreren Probeneigenschaften trennen. Eine Komponenteneigenschaft kann z. B. Molekulargewicht, Polarität, Hydrophobie oder Ladung sein. Um das Trennungsverhalten zu verbessern, kann die Mikrovorrichtung eine Mobile-Phase-Quelle umfassen, die in Fluidkommunikation mit der integrierten Einbringeinrichtung steht und/oder als eine Zusatzfluidquelle verwendet wird. Wenn die Mobile-Phase-Quelle in Verbindung mit der integrierten Einbringeinrichtung verwendet wird, kann die integrierte Einbringeinrichtung eine Fluidkommunikation zwischen der Mobile-Phase-Quelle und der Trennleitung durch eine Umleitung bereitstellen. Dies ist insbesondere nützlich, wenn eine Ladekammer verwendet wird, insoweit, daß das Laden der Kammer durch Bereitstellen der Ladekammer in Fluidkommunikation mit einer Probequelle ermöglicht wird.
Die Mikrovorrichtungen können Betriebsprinzipien ähnlich denen von normalen Flüssigchromatographievorrichtungen verwenden. Somit gibt es Fälle, in denen eine normale Flüssigchromatographietechnik in die Praxis der Erfindung eingebracht ist. Ein Fluidflußratenregler zum Regeln der Flußrate kann z. B. zum Sicherstellen verwendet werden, daß eine mobile Phase an die Trennungsleitung mit einer geeigneten Rate und einem angemessenen Druck geliefert wird. Derartige Flußratenregler können in den Flußpfad zwischen der Mobile- Phase-Quelle und die integrierte Einbringeinrichtung gelagert sein. Der Flußratenregler kann ferner einen Flußströmungsteiler umfassen. Zusätzlich kann ein Flußsensor zum Bestimmen und optionalen Steuern der Rate des Fluidflusses in die Probeneinlaßquelle bereitgestellt sein. Auf ähnliche Weise, wie in der Technik bekannt ist, daß mehr als ein Lösungsmittel verwendet werden kann, um normale Flüssigchromatographieprozesse auszuführen, kann die Mikrovorrichtung eine Mobile-Phase-Quelle umfassen, die einen Mischer zum Mischen von Lösungsmitteln aufweist. Ferner kann eine Temperatursteuerungseinrichtung ein reproduzierbares Trennungsverhalten liefern.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe bereitgestellt. Um das Verfahren auszuführen wird eine Mikrovorrichtung wie oben bereitgestellt. Das Verfahren umfaßt das steuerbare Einbringen eines vorbestimmten Volumens einer Fluidprobe von einer Probequelle in ein Probeneinlaßtor, das die Fluidprobe durch die Leitung überträgt, wodurch die Komponenten der Fluidprobe getrennt werden und die Probe, die an dem Probenauslaßtor gesammelt wird, analysiert wird. Ein Analysator, wie oben beschrieben, wird zum Ausführen des letzten Schrittes des Verfahrens bereitgestellt.
Aus der obigen Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung wird offensichtlich, daß die integrierte Einbringungseinrichtung ein vorbestimmtes Volumen einer Fluidprobe einbringen kann, das für den gewünschten Trennungsprozeß und die Dimensionen der Mikrovorrichtung angemessen ist. Üblicherweise ist das vorbestimmte Volumen geringer als ungefähr fünf Mikroliter. Vorzugsweise ist das vorbestimmte Volumen ungefähr 0,005 bis ungefähr 1 Mikroliter. Optimal ist das vorbestimmte Volumen ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,1 Mikroliter. Es sollte ferner offensichtlich sein, daß die Umschaltanordnung eine bessere Steuerung beim Ausführen chemischer oder biochemischer Reaktionen und Prozesse für Proben-Vorbereitung und -Analyse bietet.
Somit sind Variationen der vorliegenden Erfindung für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich. Es können z. B. zusätzliche Merkmale zum Ausführen bekannter Reaktionen und Prozesse umfaßt sein, z. B. Reaktionen und Prozesse, die der Proben-Vorbereitung, -Synthese und -Analyse zugeordnet ist. Derartige Merkmale können aus Leitungen und Kanälen gebildet sein, die einen Fluidfluß in einer parallelen oder einer nicht parallelen Richtung hinsichtlich der Kontaktoberflächen liefern. Zusätzlich dazu kann die integrierte Einbringeinrichtung verwendet werden, um eine Zersetzung der Fluidprobe auszuführen, bevor die Probe in die Trennungsleitung eingebracht wird. D. h., die Leitung der integrierten Einbringeinrichtung kann mit einer Komponente gefüllt sein, die die Fluidprobe zersetzt. Wenn die Fluidprobe peptidische Komponenten enthält, können üblicherweise verwendete, proteolytische Enzyme, wie z. B. Trypsin und Pepsin verwendet werden. Auf ähnliche Weise, wenn die Fluidprobe nukleotide Komponenten enthält, können Nukleaseenzyme, die zu nukleotider Zersetzung in der Lage sind, z. B. Endonukleasen und Exonukleasen verwendet werden. Ferner können zusätzliche Substrate einer Vielzahl von Formen verwendet werden. Verriegelungsmechanismen können ebenfalls bereitgestellt sein, um einen größeren Grad an Kontrolle über die Position der Kontaktoberflächen der Umschaltanordnung beizubehalten.
Alle Patente, Patentanmeldungen und Veröffentlichungen, die hierin genannt wurden, werden als Ganzes hierin durch Bezugnahme aufgenommen.

Claims

1. Mikrovorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe, wobei die Mikrovorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (12), das eine erste und eine zweite Oberfläche (42, 44), die sich gegenüberliegen, und einen Mikrokanal (18), der in der ersten Oberfläche (42) gebildet ist, aufweist;
eine Abdeckplatte (40), die über der ersten Oberfläche (42) angeordnet ist, wobei die Abdeckplatte (40) in Kombination mit dem Mikrokanal (18) eine Trennungsleitung (25) zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft definiert;
ein Probeneinlaßtor (46) in Fluidkommunikation mit der Trennungsleitung (25), wobei das Probeneinlaßtor (46) ermöglicht, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, um in einem definierten Probenflußweg derart befördert zu werden, daß sich die Fluidprobe der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor (46), die Trennungsleitung (25) und ein Probenauslaßtor bewegt; und
eine integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen eines Volumens der Fluidprobe von einer Probenquelle in das Probeneinlaßtor (46) und durch die Trennungsleitung (25) ohne Notwendigkeit für ein elektrisches Feld.

2. Mikrovorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die integrierte Einbringeinrichtung die Fluideinbringung mechanisch steuert.

3. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Probenaufnahmeeinrichtung zum Einbringen einer Fluidprobe in das Probeneinlaßtor (46) aufweist.

4. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Schnittstelle für einen Sammler einrichten, zum Sammeln der Fluidprobe in Flußrichtung abwärts von dem Probenauslaßtor aufweist.

5. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner eine Schnittstelle für einen Detektor zum Erfassen einer Fluidprobe in dem Fluidweg oder an dem Probenauslaßtor aufweist.

6. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 5, bei der die Schnittstelle einer Energiequelle ermöglicht, die Probe an dem Probenauslaßtor zu ionisieren.

7. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der die Schnittstelle eine Elektrospraydüse aufweist.

8. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Schnittstelle für ein schnittstellenmäßiges Verbinden mit einem optischen Detektor geeignet ist.

9. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, bei der die Schnittstelle für ein Hindurchlassen elektromagnetischer Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge geeignet ist.

10. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 9, bei der die elektromagnetische Strahlung aus der Gruppe bestehend aus ultravioletter Strahlung, sichtbarem Licht und infraroter Strahlung ausgewählt ist.

11. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner ein Trennungsmedium innerhalb der Trennungsleitung aufweist.

12. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, die ferner ein Polymermaterial aufweist, das in situ innerhalb der Trennungsleitung gebildet wird.

13. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Trennungsleitung ein hohes Oberflächenbereich-Zu-Volumen-Verhältnis aufweist.

14. Mikrovorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Komponenteneigenschaft aus der Gruppe bestehend aus Molekulargewicht, Polarität, Hydrophobie und Ladung ausgewählt ist.

15. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner eine Mobile-Phase-Quelle in Fluidkommunikation mit der integrierten Einbringeinrichtung aufweist.

16. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 15, bei der die integrierte Einbringeinrichtung eine Ladekammer aufweist, die dimensioniert ist, um das vorbestimmte Volumen der Fluidprobe zu halten, und die in umschaltbarer Fluidkommunikation entweder mit der Probenquelle oder Mobile-Phase-Quelle steht.

17. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 16, bei der die umschaltbare Fluidkommunikation durch eine Gleitbewegung erreicht wird.

18. Mikrovorrichtung gemäß Anspruch 16 oder 17, bei der die umschaltbare Fluidkommunikation durch eine Drehbewegung erreicht wird.

19. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei der die Mobile-Phase-Quelle durch eine Umsetzung der integrierten Einbringeinrichtung in Fluidkommunikation mit der Trennungsleitung steht, wenn die Ladekammer in Fluidkommunikation mit der Probenquelle ist.

20. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, die ferner einen Fluidflußratenregler zum Regeln der Fluidflußrate zwischen der Mobile-Phase-Quelle und der integrierten Einbringeinrichtung aufweist.

21. Mikrovorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der der Flußratenregler einen Strömungsteiler aufweist.

22. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, bei der die Mobile-Phase-Quelle einen Mischer zum Mischen von Lösungsmitteln aufweist.

23. Mikrovorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, die ferner einen Flußsensor zum Bestimmen und optionalen Steuern der Flußrate in den Probeneinlaß aufweist.

24. Mikrovorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, bei der die integrierte Einbringeinrichtung ein Ventil aufweist, das zum Betätigen durch eine Gleitbewegung aufgebaut ist.

25. Mikrovorrichtung gemäß Anspruch 24, bei der das Ventil für eine Betätigung durch eine Drehbewegung aufgebaut ist.

26. Mikrovorrichtung (10) zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe, wobei die Mikrovorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat (12), das eine erste und eine zweite Oberfläche (42, 44), die sich gegenüberliegende, und einen ersten und einen zweiten Mikrokanal, die in der ersten Oberfläche (42) gebildet sind, aufweist;
eine Abdeckplatte (40), die über der ersten Oberfläche angeordnet ist, wobei die Abdeckplatte (40) in Kombination mit dem ersten und dem zweiten Mikrokanal eine erste bzw. zweite Leitung definiert;
ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit einem Ventil, wobei das Ventil zum selektiven Liefern einer Fluidkommunikation von dem Einlaßtor zu einer der Leitungen aufgebaut ist, um zu ermöglichen, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, die in einem definierten Probenflußweg befördert werden soll, derart, daß sich die Fluidprobe der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die ausgewählte Leitung und ein Probenauslaßtor bewegt, das der ausgewählten Leitung zugeordnet ist; und
eine integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen eines vorbestimmten Volumens der Fluidprobe von einer Probenquelle in das Probeneinlaßtor,
wobei mindestens eine der Leitungen zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft aufgebaut ist.

27. Mikrovorrichtung (10) gemäß Anspruch 26, bei der jede der Leitungen zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer unterschiedlichen Komponenteneigenschaft aufgebaut ist.

28. Mikrovorrichtung (10) zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe, wobei die Mikrovorrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die sich gegenüberliegen, und einem ersten und einem zweiten Mikrokanal, die in der ersten Oberfläche gebildet sind;
eine Abdeckplatte (40), die über der ersten Oberfläche angeordnet ist, wobei die Abdeckplatte (40) in Kombination mit dem ersten und dem zweiten Mikrokanal eine erste bzw. zweite Leitung definiert;
eine erste, integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen der Fluidprobe von einer Probenquelle durch ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der ersten Leitung; und
eine zweite, integrierte Einbringeinrichtung zum steuerbaren Einbringen einer Fluidprobe von der ersten Leitung durch die zweite Leitung zu einem Auslaßtor,
wobei mindestens eine der Leitungen zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft aufgebaut ist.

29. Verfahren zum Trennen der Komponenten einer Fluidprobe, das folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen einer Mikrovorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:
ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die sich gegenüberliegen, und einem Mikrokanal, der in der ersten Oberfläche gebildet ist,
eine Abdeckplatte (40), die über der ersten Oberfläche gebildet ist, wobei die Abdeckplatte (40) in Kombination mit dem Mikrokanal (18) eine Leitung zum Trennen der Komponenten der Fluidprobe gemäß einer Komponenteneigenschaft definiert, und
ein Probeneinlaßtor in Fluidkommunikation mit der Leitung, wobei das Probeneinlaßtor ermöglicht, daß eine Fluidprobe von einer Probenquelle eingebracht wird, um in einem definierten Probenflußweg derart befördert zu werden, derart, daß sich eine Fluidprobe der Reihenfolge nach durch das Probeneinlaßtor, die Leitung und das Probenauslaßtor bewegt;

b) steuerbares Einbringen eines vorbestimmten Volumens der Fluidprobe von der Probenquelle in das Probeneinlaßtor ohne Verwendung eines elektrischen Feldes;

c) Befördern der Fluidprobe durch die Leitung und dadurch Trennen der Komponenten der Fluidprobe; und

d) Analysieren der Fluidprobe, die in dem Flußpfad oder von dem Probenauslaßtor fließt.