DE19707044C1

DE19707044C1 - Mikroflußmodul für kalorimetrische Messungen

Info

Publication number: DE19707044C1
Application number: DE1997107044
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Dillner; Ernst Dr Kesler; Johann Michael Dr Koehler; Martin Dipl Phys Zieren
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fur Photonische Technologien Ev 0 De
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-02-22
Also published as: JP2001513882A; EP1093578A1; WO1998037408A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroflußmodul für kalorimetrische Messungen im Rahmen von Forschung, Qualitätskontrolle und im Labormaßstab und für andere analytische Aufgaben.

Meßapparaturen, Auswerteeinheiten und Probenaufnahmevorrichtungen für die genannten Anwendungen sind grundsätzlich bekannt und werden kommerziell angeboten. Mit der Meßmethode der Scanning-Kalorimetrie läßt sich bspw. erkennen, bei welcher Temperatur sich eine Probe umwandelt oder reagiert und wie groß die dazu erforderliche Wärme menge ist, was für die genannten Anwendungszwecke eine notwendig zu wissende Größe darstellt. Gegenüber rein optischen Meßmethoden für gleiche oder ähnliche Zwecke hat die genannte Methode den Vorteil, daß auch optisch nicht transparente Proben einer Messung zugänglich sind.

Aus DE 44 38 785 A1 ist ein Analyse- und Dosiersystem bekannt, bei dem die eigentliche Analyse erst in einer nicht zum Dosiersystem gehörigen externen weiteren Baugruppe erfolgt, wobei zur Detektion keine thermischen Transducer zum Einsatz kommen. Das dort vorgeschlagene System ist ein Reaktor- und Dosiersystem bei dem die vorgesehenen thermischen Elemente ausschließlich zur Ansteuerung von Fluidaktoren dienen.

Aus der DE 44 29 067 A1 ist bereits ein Probenaufnehmer und Sensor für die Scanning-Kalorimetrie, insbesondere differentielle Scanning- Kalorimetrie, bekannt, der ein Heizelement und einen Probenaufnahmebereich beinhaltet, wobei ein mit einer Ausnehmung versehener Trägerrahmen eine membranförmig ausgebildete dünne Trägerschicht aufweist, auf der eine Schichtanordnung, bestehend aus wenigstens einer Sensoranordnung und einer elektrisch beheizbaren dünnen Metallschichtstruktur, die voneinander durch eine elektrische Isolationsschicht getrennt sind, aufgebracht ist und diese mit einer weiteren, die zu untersuchende Probe aufnehmenden Schicht versehen ist. Diese Vorrichtung besitzt zwar gegenüber den sonst bekannten Vorrichtungen eine wesentlich verbesserte Zeitkonstante bezogen auf eine Einzelmessung, ermöglicht aber, wie auch die anderen bekannte Kalorimeter, nur einen sehr geringen Probendurchsatz.

Weiterhin beschreiben Xie, Mecklenberg, Danielsson, Öhmn, Winquist in "Microbiosensor based on an integrated thermopile", Analytica Chimica Acta 299 (1994), S. 165-170 einen miniaturisierten Biosensor zur Erfassung und Untersuchung enzymatisch katalysierter biochemischer Reaktionen, bei denen die katalysierten Enzyme auf kleine Kügelchen immobilisiert sind, welche sich in einem Untersuchungsraum befinden, der als I-förmiger Flußkanal gebildet ist. Innerhalb dieses Kanals sind Thermoelemente vorgesehen, die von der Probenflüssigkeit umspült werden. Dabei sind die heißen Kontaktstellen der Thermoelemente in der Nähe des Kanalauslaß vorgesehen, wo sich auch die genannten Kügelchen sammeln und tatsächlich auch nur dort die biochemische Reaktion katalysiert wird, was lokal zur Aufheizung der Flüssigkeit führt. Zur Analytik chemischer Reaktionen, die bspw. durch Mischung zweier in Lösung vorliegender Reaktanden induziert werden, ist dieser Mikrobiosensor wenig geeignet, da er die Reaktion nicht in ihrer Gesamtheit erfassen läßt. Dies gilt insbesondere für sehr schnelle chemische Reaktionen, die bei Verwendung des I-förmigen Kanals schon abgelaufen sein können, bevor das Probenvolumen überhaupt den detektiven Kanalbereich erreicht hat. Eine Analytik der Reaktionskinetik ist mit diesem Mikrobiosensor nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikroflußmodul für kalorimetrische Messungen zu schaffen, der einen schnellen Probenwechsel und damit preiswerte Untersuchungen schnell ablaufender Prozesse zeitaufgelöst und mit kleinen Zeitkonstanten ermöglicht und wahlweise zugleich die Möglichkeit der Durchführung einer Scanning-Kalorimetrie bietet und als Transducer für die miniaturisierte Analyse eines breiten Substanzspektrums einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt. Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist, daß der Mikroflußmodul einen ersten Chip enthält, in den ein ausgestreckter Kanalbereich mit einem Y-förmig verzweigtem Eingangsbereich, an den sich zwei Eingangskanäle anschließen, eingebracht sind und der erste Chip mit einem zweiten Chip abdeckend verbunden ist, der kanalseitig mit wenigstens einem thermosensitiven Dünnschichtelement, bevorzugt in Form einer Thermosäule; versehen ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Baugruppe des Mikroflußmoduls,

Fig. 2 eine zweite Baugruppe des Mikroflußmoduls und

Fig. 3 einen seitlichen Schnitt des vollständigen Mikroflußmoduls gemäß Fig. 2.

Der Mikroflußmodul umfaßt einen ersten Chip 1, wie in Fig. 1 in Draufsicht angedeutet, der aus Glas oder Silizium besteht. In diesen Chip 1 ist naßchemisch ein ausgestreckter Kanalbereich 10 eigeätzt, die Ätztiefe beträgt dabei im Beispiel 100 µm bei einer Dicke des Chips 1 von 500 µm. An den ausgestreckten Kanalbereich 10 schließt sich ein Y-förmig verzweigter Eingangsbereich 11 mit zwei Eingangskanälen 12, 13 an, der im gleichen Ätzschritt hergestellt wird. Die Summe der Flächenquerschnitte der Eingangskanäle 12, 13 soll dabei bevorzugt dem Flächenquerschnitt des ausgestreckten Kanalbereiches 10 entsprechen. Jedoch sind auch andere Geometrien, insbesondere düsenähnlich wirkende Querschnittsverengungen der Eingangskanäle in Richtung des Y-förmigen Eingangsbereichs denkbar, wenn man gezielt turbulente Strömungsabschnitte schaffen will. Zur weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit des vollständigen Mikroflußmoduls ist weiterhin vorgesehen, dem ausgestreckten Kanalbereich 10 im wesentlichen über seine Erstreckungslänge beidseitig je eine, im zusammengebauten Zustand mit einem Gas gefüllte Kammer 14 zuzuordnen.

Weiterhin umfaßt der Mikroflußmodul einen zweiten Chip 2, der mit seinen wesentlichen Baugruppen in Fig. 2 in Draufsicht dargestellt ist. Dieser Chip 2 kann ebenfalls wieder aus Glas oder Silizium gefertigt sein. Im Hinblick auf die Erzielung eines guten Signal-Rausch-Verhältnisses und einer größtmöglichen Empfindlichkeit ist am vorteilhaftesten die Wahl von Glas für den ersten Chip 1 und von Silizium für den zweiten Chip 2. Dabei wird im Falle der Verwendung von Silizium für den zweiten Chip 2 dieser mittels bekannter Strukturierungsschritte so ausgebildet, daß ihm eine membranbildende Ausnehmung 26 (vgl. Fig. 3) derart gegeben ist, daß die Membran mindestens den ausgestreckten Kanalbereich 10 überdeckt, bevorzugt jedoch größer ausgebildet ist, und ein als Wärmesenke wirkender Trägerrahmen 27 verbleibt. Auf diesen Chip 2 ist auf der, im zusammengebauten Zustand, dem Kanal 10 zugewandten Seite wenigstens ein thermosensitives Dünnschichtelement 21 und ein zu diesem durch eine erste Isolationsschicht 22 getrenntes elektrisches Heizelement 23 vorgesehen. Im Beispiel ist das thermosensitive Dünnschichtelement 21 durch drei Thermosäulen 211, 212, 213 gebildet, die jeweils aus 48 BiSb/Sb-Thermoschenkelpaarungen bestehen. Diese Thermosäulen sind in bezug auf den Kanal 10 so auf dem Chip 2 angeordnet, daß die heißen Kontaktstellen symmetrisch zur Kanallängsachse angeordnet den Kanal 10 im wesentlichen mittig erfassen, wohingegen die kalten Kontaktstellen in Wärmesenkenbereichen des Mikroflußmoduls, im Beispiel auf dem Trägerrahmen 27, angeordnet sind. Dabei liegen im Beispiel dreiundzwanzig Thermoelemente auf der einen und vierundzwanzig Thermoelemente auf der gegenüberliegenden Kanalseite, wobei ein Thermoelement den Kontakt zwischen den beiden Thermoelementbereichen bildet. Jeder dieser Thermosäulen 211, 212, 213 ist weiterhin, getrennt durch die elektrische Isolationsschicht 22, ein elektrisches Dünnschichtheizelement 23 so zugeordnet, daß dieses ausschließlich den Kanalbereich 10 überdeckt. Jedes Dünnschichtheizelement ist im Beispiel durch eine mäandrierte NiCr- Schicht gebildet. Außerdem ist zumindest über dem Gebiet des Y-förmigen Eingangsbereiches 11 ein weiteres Dünnschichtheizelement 25 vorgesehen. Für die weiter unten beschriebenen Einsatzfälle des Mikroflußmoduls wird das Dünnschichtheizelement 25 bevorzugt jedoch so ausgeführt, daß es auch die Bereiche der Eingangskanäle 12, 13 überdeckt. Alle letzt genannten elektrischen Baugruppen 211 bis 213, 23 und 25 sind mit einer abschließenden zweiten Isolationsschicht 29 überdeckt. Diese Schicht 29 ist als Lackschicht ausgeführt und dient als Schutz der metallischen Funktionsschichten gegen mechanische und chemische Einflüsse sowie zur Vermeidung eines elektrischen Überkoppelns zwischen den heißen Kontaktstellen über die Flüssigkeit.

Beide genannten Chips 1 und 2 sind, wie in Fig. 3 in einem Schnitt angedeutet, miteinander durch eine Verklebung 28 verbunden. Ebenso kann für die Verbindung ein anodisches Bonden in Betracht kommen. Die Eingangskanäle 12, 13 werden mit entsprechenden, nicht dargestellten Zuleitungen verbunden.

Ein derart ausgebildeter Mikroflußmodul kann wie nachstehenden beschrieben geeicht und verwendet werden.

Die Kalibrierung des Mikroflußmoduls erfolgt derart, daß durch die beiden Kanäle 12, 13 destilliertes Wasser mit einer definierten Flußrate in den ausgestreckten Kanalbereich 10 geleitet wird. Für jede der im Beispiel vorgesehenen Thermosäulen 211, 212, 213 wird folgender Vorgang durchgeführt: der pro Heizelement zugeordnete Dünnschichtheizer wird mit einer definierten Heizleistung beaufschlagt und das Anwortsignal der zugehörigen Thermosäule erfaßt. Dieser Vorgang wird für unterschiedliche Heizleistungen, die typischerweise zwischen 1 µW-1 mW liegen, und unterschiedliche Flußraten, die im Beispiel zwischen 0,1-50 µl/min liegen, wiederholt. Auf diese Weise erhält man für jede Thermosäule Kalibrierkurven, respektive Kalibrier- Hyperflächen, die das thermoelektrische Signal in Abhängigkeit von der eingespeisten Heizleistung und der Flußrate darstellen. Diese Kalibrierkurven sind bei der Untersuchung chemischer Reaktionen für die Auswertung einzelner Thermosäulensignale heranziehbar, um aus der Signalhöhe die durch die Reaktion eingespeiste Leistung zu ermitteln. In gleicher Weise, wie oben beschrieben, erfolgt die Kalibrierung der Thermosäulen, wenn diese in Serie geschaltet sind, um ein integrales Signal auswerten zu können.

In einem Beispiel der Verwendung des Mikroflußmoduls wird durch die Eingangskanäle 12, 13 je ein Strom einer in Lösung befindlichen Reagenz in den Kanalbereich 10 geleitet. Die Thermosäulen 211, 212, 213 sollen in diesem Beispiel in Serie geschaltet sei. Im Y-förmigen Eingangsbereich findet die Vermischung der Reagenzien statt, und eine chemische Reaktion beginnt zu starten. Die dabei umgesetzte Wärme wird durch die Thermosäulen integral detektiert, wobei sich im Laufe der Zeit ein thermisches Gleichgewicht einstellt; das zunächst ansteigende thermoelektrische Signal verläuft in eine Sättigung. Je geringer dabei die eingestellte Flußrate gewählt wird, womit die Verweilzeit eines bestimmten Volumens der Mischung sich verlängert, desto länger ist die Erfassung der in diesem Volumen ablaufenden Reaktion und um so größer ist die erfaßbare Wärmemenge und damit das thermoelektrische Signal und desto geringer ist das Detektionslimit für gering konzentrierte Reagenzien.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel soll der Mikroflußmodul als Scanning-Kalorimeter Verwendung finden. Dazu wird eine auf charakteristische Temperaturen, Phasenübergänge, Kristallisationsvor gänge o. ä. zu untersuchende Flüssigkeit durch die Eingangskanäle 12, 13 der Vorrichtung zugeführt. Die Flüssigkeit wird durch eine linear ansteigende, wahlweise sinusförmig oder anderes modulierte elektrische Heizleistungsbeaufschlagung der Dünnschichtheizer 23 und 25 immer mehr erwärmt und das zugehörige thermoelektrische Signal erfaßt. Dieses Signal zeigt einen der Heizleistung folgenden proportionalen Anstieg der thermoelektrischen Signale mit leichten Abweichungen von der Linearität bei den einer bestimmten Heizleistung entsprechenden Temperaturen, bei denen durch physikochemische Vorgänge Wärme konsumiert oder freigesetzt wird. Die Lage dieser Abweichungen über der Zeit korrespondiert jeweils mit der zugehörigen Heizleistung und dieser zugehörigen Temperatur. Die konsumierte oder freigesetzte Wärme ergibt sich als Integral des thermoelektrischen Signals mit dem linear interpolierten ungestörten Signal als Basislinie.

In einer weiteren Verwendung des Mikroflußmoduls soll durch den ersten Eingangskanal ein Reaktand in Lösung einströmen, während durch den zweiten Eingangskanal eine zunächst reaktandenfreie Flüssigkeit, wie destilliertes Wasser, zugeführt wird. Dieser zweite Eingangskanal ist mit einem Zuführungsschlauch, der mit einem nicht näher dargestellten T-Verzweigungsstück, an das ein Reservoir mit einer Analytflüssigkeit angeschlossen ist, derart versehen, daß zeitlich getaktet definierte Analytvolumina dem Trägerstrom zugegeben werden können. Diese Analytproben kommen im Y-förmigen Eingangsbereich mit der durch den ersten Eingangskanal zugeführten Reaktandenlösung zur Vermischung. Bei hinreichend kleinen Analytvolumina und kleiner Flußrate läuft die gesamte chemische Reaktion im Kanalbereich 10 ab und ist somit in ihrer Gesamtheit detektierbar. Im Gegensatz zu oben beschriebenen Verwendungen des Mikroflußmoduls liegen bei dieser Betriebsweise definierte Analytvolumina vor, so daß hier neben einer Aussage über die detektierte Konzentration auch eine über die detektierte Stoffmenge erhalten werden kann.

Die im Beispiel eingesetzten Thermosäulen haben gegenüber thermoresistiven Meßelementen, deren alternativer Einsatz im Rahmen der Erfindung aber ebenso möglich ist, den Vorteil, daß sie nicht mit einem elektrischen Signal angesprochen werden müssen. Jeder der im Beispiel eingesetzten Thermosäulen hat eine Ausdehnung in Richtung der Kanallängsachse von 3,2 mm, wobei sie jeweils bei der hier vorgesehenen Kanalgeometrie ein Kanalvolumen von 0,64 µl überdecken. Die Beabstandung der Thermosäulen voneinander ist so gewählt, daß Analyvolumina bis hinauf zu genannter Größe zu keinem Zeitpunkt wesentliche Teile zweier benachbarter Thermosäulen erfassen. Unter dieser Voraussetzung ist eine Einzelauslesung der thermoelektrischen Signale jeder einzelnen Thermosäule gegeben, wodurch weiterhin eine flußratenabhängige zeit- und ortsaufgelöste Analyse der Reaktionskinetik ermöglicht wird.

Mit Hilfe des vorgesehenen Dünnschichtheizelementes 25 können äußerst schnelle chemische Reaktionen bei geringen Flußraten simuliert werden, bei denen das Probenvolumen die erste Thermosäule zu einem Zeitpunkt erreicht, zu dem die simulierte Reaktion praktisch schon vollständig abgelaufen wäre. Das Dünnschichtheizelement 25 kann vorteilhaft auch bei Durchführung der oben beschriebenen Scanning- Kalorimetrie Verwendung finden, um eine größere Gesamtleistung einkoppeln zu können. Darüber hinaus bietet sein Einsatz die Möglichkeit chemische Reaktionen thermisch zu aktivieren und sie dann, wie oben beschrieben, im weiteren thermoelektrisch zu erfassen.

Die beispielhaft aufgezeigten vielfältigen Einsatzgebiete des erfindungsgemäßen Mikroflußmoduls verdeutlichen die Multivalenz der geschaffen Vorrichtung.

Bezugszeichenliste

1

- erstes Chip

10

- ausgestreckter Kanalbereich

11

- Y-förmig verzweigter Eingangsbereich

12, 13

- Eingangskanäle

14

- gasgefüllte Kammern

2

- zweites Chip

21

- thermosensitives Dünnschichtelement

211, 212,

213

- Thermosäulen

22

- erste elektrische Isolationsschicht

23

- den Thermosäulen zugeordnetes elektrisches Dünschichtheizelement

25

- elektrisches Dünnschichtheizelement

26

- membranartige Ausnehmung

27

- Trägerrahmen

28

- Verklebung, Bondung

29

- zweite Isolationsschicht

Claims

1. Mikroflußmodul für kalorimetrische Messungen, bestehend aus einem ersten Chip (1), in den ein ausgestreckter Kanalbereich (10) mit einen Y-förmig verzweigtem Eingangsbereich (11), an den sich zwei Eingangskanäle (12, 13) anschließen, eingebracht ist, wobei der erste Chip (1) mit einem zweiten Chip (2) abdeckend verbunden ist, der kanalseitig mit wenigstens einem thermosensitiven Dünnschicht element (21) versehen ist.

2. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem thermosensitiven Dünnschichtelement (21) ein zu diesem durch eine erste Isolationsschicht (22) getrenntes elektrisches Dünnschicht heizelement (23) zugeordnet ist.

3. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ausgestreckten Kanalbereich (10) im ersten Chip (1) beidseitig je eine gasgefüllte Kammer (14) zugeordnet ist.

4. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermosensitive Dünnschichtelement (21) durch wenigstens eine Thermosäule (211), bestehend aus mehreren thermoelektrischen Schenkelpaarungen, gebildet ist, deren heiße Kontaktstellen über dem ausgestreckten Kanalbereich (10) und deren kalte Kontaktstellen in Wärmesenkenbereichen des Mikroflußmoduls angeordnet sind.

5. Mikroflußmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Thermosäulen (211, 212, 213) einander nachgeordnet über dem ausgestreckten Kanalbereich (10) vorgesehen sind, wobei eine Möglichkeit zur getrennten Auslesung der Signale jeder einzelnen Thermosäule (211, 212, 213) als auch der eines Summensignals aller Thermosäulen (211 bis 213) vorgesehen ist.

6. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Chip (2) im Bereich des Y-förmig verzweigten Eingangsbereiches (11) mit einem weiteren Dünnschichtheizelement (25) versehen ist.

7. Mikroflußmodul nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Chip (1; 2) aus einem Glas gefertigt sind.

8. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Chip (1; 2) aus Silizium gefertigt sind.

9. Mikroflußmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Chip (1) aus einem Glas und der zweite Chip (2) aus Silizium gefertigt ist.

10. Mikroflußmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den zweiten Chip (2) abseitig des ausgestreckten Kanalbereiches (10) eine membranbildende Ausnehmung (26) eingebracht und im übrigen mit einem verbleibenden Trägerrahmen (27) versehen ist.

11. Mikroflußmodul nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Chip (1) und der die elektrischen Baugruppen (22; 23; 25) tragende zweite Chip (2) miteinander durch eine Verklebung (28) verbunden sind.

12. Mikroflußmodul nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Chip (1) und der die elektrischen Baugruppen (22; 23; 25) tragende zweite Chip (2) miteinander durch anodisches Bonden verbunden sind.