DE202005009960U1 - Measurement unit, for capillary electrophoresis, has a capillary array in a micro-fluid chip within a box with conductive walls, a high tension supply and a high frequency transmitter/receiver for non-contact conductivity detection - Google Patents

Abstract

The measurement unit, for capillary electrophoresis (CE), has an array of intersecting capillaries with a separation capillary with a buffer/carrier electrolyte and an injection capillary for the injection and separation of an analyte. Electrical conductivity detection uses a high frequency at the separation capillary outlet to identify dissolved components in the analyte. The apparatus is within a box with electrically conductive walls with an adjustable voltage level and polarity at the high tension source. The other zone has the high frequency transmitter and receiver for non-contact conductivity detection. The capillary array is at a micro-fluid chip, held in a release mounting at a holder for access and exchange.

Description

Die Neuerung betrifft ein Messgerät zur Kapillarelektrophorese.The Innovation concerns a measuring device for capillary electrophoresis.

Mit einem solchen Gerät werden Lösungen mittels Kapillarelektrophorese, aus dem englischen Sprachgebrauch mit CE abgekürzt, analysiert. Ein Gerät zur Kapillarelektrophorese besteht aus einer kreuzförmigen Kapillaranordnung, und zwar aus einer Trennkapillaren mit einem Puffer-/Trägerelektrolyt und einer Injektionskapillaren für die Injektion und Separation eines Analyten. Hierzu wird mindestens eine Hochspannungsquelle zur Erzeugung einer Potentialdifferenz für die Injektion und Separation benötigt. Die Leitfähigkeitsdetektierung wird nichtoptisch mittels Hochfrequenz am Ausgang der Trennkapillaren zum Nachweis der gelösten Bestandteile im Analyten durchgeführt.With such a device Solutions are made by means of Capillary electrophoresis, from the English language with CE abbreviated, analyzed. A machine for capillary electrophoresis consists of a cross-shaped capillary arrangement, namely from a separation capillaries with a buffer / carrier electrolyte and an injection capillaries for the injection and separation of an analyte. For this purpose, at least one High voltage source for generating a potential difference for the injection and separation needed. The conductivity detection becomes non-optical by means of high frequency at the output of the separation capillaries to prove the dissolved Components in the analyte performed.

Bekannt ist beispielsweise ein Gerät von SANDIA/USA [1] zur Messung von Glas-CE-Chips, das zur Bereitstellung der CE-HV mehrere (bis zu 12 Stück) miniaturisierte HV-Quellen enthält. Zur Detektion wird laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) verwendet, die in stark miniaturisierter Bauform integriert werden konnte. Steuerung und Datenhandling erfolgen mit Hilfe eines Mikrocontrollers.Known is for example a device by SANDIA / USA [1] for the measurement of glass CE chips for the provision the CE-HV several (up to 12 pieces) miniaturized HV sources. For detection, laser-induced fluorescence (LIF) is used, which could be integrated in a highly miniaturized design. Control and data handling are done with the help of a microcontroller.

Das Gerät von SANDIA erlaubt es, hochsensitive, komplexe Messaufgaben zu lösen. Das muss aber. durch einen teuren Aufbau der optischen Detektionsmethode erkauft werden. Auch müssen zur Lösung der komplexen Messaufgaben eine Vielzahl von Hochspannungsquellen-Quellen verwendet werden, was das Messgerät mit verteuert.The Device of SANDIA makes it possible to solve highly sensitive, complex measuring tasks. The it has to. through an expensive construction of the optical detection method be bought. Also need to the solution the complex measurement tasks a variety of high voltage sources be used, which makes the meter more expensive.

Da preislich günstige, handliche und robuste Geräte zur Kapillarelektrophorese auf dem Markt nicht erhältlich sind, stellte sich die Aufgabe, ein solches bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe führte zu der Neuerung, wie sie im Anspruch 1 gekennzeichnet ist.There cheap, handy and robust devices not available on the market for capillary electrophoresis, set itself the task to provide such. The solution of this Task led to the innovation as characterized in claim 1.

Da alternativ zur optischen Detektion das Verfahren der elektrischen Leitfähigkeitsdetektion mit Hilfe preislich günstiger elektronischer Bauelemente in miniaturisierter Form und mit vergleichsweise geringem Aufwand zur Positionierung der Kapillaren am Detektor eingesetzt werden kann, lässt sich das sehr handliche und kompakte Messgerät zur Kapillarelektrophorese bauen und damit die Aufgabe lösen.There alternative to optical detection, the method of electrical conductivity detection with the help of cheaper prices Electronic components in miniaturized form and with comparatively little effort to position the capillaries used on the detector can be the very handy and compact instrument for capillary electrophoresis build and solve the task.

Nach Anspruch 1 hat es die Kennzeichen: das Gerät ist in einer handlichen Box mit elektrisch leitenden Wänden untergebracht, in dessen einem Bereich die Hochspannungsquelle, die in ihrer Spannungshöhe und Polarität einstellbar ist, elektrisch abgeschirmt mit vom Boxinneren zugänglichen Hochspannungsausgang sitzt und in dessen anderen Bereich der Hochfrequenz-Sender und Hochfrequenz-Empfänger für die kontaktlose Leitfähigkeitsdetektion elektrisch abgeschirmt untergebracht sind; die kreuzförmige Kapillaranordnung ist als mikrofluidischer Chip ausgeführt und sitzt im Boxinneren auf der Abdeckung für den Hochfrequenz-Sender und -Empfänger über einen Chip-Halter von außen zugänglich sowie lös- und austauschbar. Der Chip-Halter ist an den Stellen der beiden nicht geerdeten Kapillarenenden an den Hochspannungsausgang angeschlossen ist. Der HF-Senderausgang sowie der HF-Empfängereingang sind an je einen elektrischen Kontakt auf dem Chip-Halter kurz vor Ende der geerdeten Kapillaren mit dem Pufferelektrolyten geführt. Die beiden elektrischen Kontakte auf dem Chip-Halter zur Kapillaren bilden eine definierte Messgeometrie mit dem dortigen Kapillarenbereich.To Claim 1 it has the characteristics: the device is in a handy box with electrically conductive walls housed in one area of the high voltage source, the in their voltage level and polarity adjustable, electrically shielded with accessible from inside the box High-voltage output sits and in the other area of the high-frequency transmitter and radio frequency receiver for the contactless conductivity detection are housed electrically shielded; the cruciform capillary arrangement is designed as a microfluidic chip and sits inside the box on the cover for the radio frequency transmitter and receiver via a chip holder accessible from the outside and solvent and interchangeable. The chip holder is at the locations of the two ungrounded capillary ends the high voltage output is connected. The RF transmitter output and the RF receiver input are on each an electrical contact on the chip holder shortly before End of grounded capillaries with the buffer electrolyte. The two electrical contacts on the chip holder to the capillaries form a defined measuring geometry with the local capillary area.

Nach dem abhängigen Anspruch 2 ist der Chip in der Box über eine gemeinsame Seitenwand der Hochspannungsquelle und der HF-Einrichtung zugänglich. Diese Seitenwand ist hierzu aufklappbar ist oder es befindet sich dafür eine Klappe in ihr.To the dependent Claim 2 is the chip in the box via a common side wall of the High voltage source and the RF device accessible. This side wall is hinged for this purpose or it is located for one Shut up in her.

Eine andere Variante ist im abhängigen Anspruch 3 beschrieben. Danach ist die Box in zwei Hälften aufklappbar. In der einen Hälfte, dem einen Bereich, sitzt die Hochspannungsquelle mit ihrem Hochspannungsausgang als herausragende Stifte oder als Steckbuchsen. Im Falle der Stifte werden dieselben beim Zusammenklappen an vorgesehenem Ort in den Chip oder den Chip-Halter eindringen und beim Aufklappen daraus gezogen. Im Falle der Buchsen ragen Stifte vom Chip-Halter oder Chip selber empor, die beim Zusammenklappen der Box in die Buchsen eindringen und beim Aufklappen daraus gezogen werden. In dessen anderer Hälfte, dem anderen Bereich, sind der Hochfrequenz-Sender und Hochfrequenz-Empfänger untergebracht.A other variant is dependent Claim 3 described. After that the box can be opened in two halves. In the one half, In one area, the high voltage source sits with its high voltage output as outstanding pins or as sockets. In the case of the pens are the same when folding in the intended place in the Chip or the chip holder penetrate and pulled out when unfolding. In the case of the sockets pens protrude from the chip holder or chip itself when folding penetrate the box in the bushes and pulled out when unfolding become. In the other half, the other area, the high-frequency transmitter and high-frequency receiver are housed.

Im Unteranspruch 4 wird die Geräteanschlussmöglichkeit für die Energieversorgung, den Steuersignaltransfer und den Messdatentransfer beschrieben. Im Unteranspruch 5 wird die Handlichkeit des Messgeräts durch Quantifizierung des Bereichs seines zusammengelegten, quaderförmigen Kastenformats angegeben, nämlich im Bereich 2 × 4 × 6 cm³ bis 10 × 20 × 30 cm³.In the dependent claim 4 the device connection option for the power supply, the control signal transfer and the measurement data transfer is described. In the dependent claim 5 the handiness of the measuring device is specified by quantifying the area of its folded cuboid box format, namely in the range 2 × 4 × 6 cm ³ to 10 × 20 × 30 cm ³ .

Zur Detektion wird also die nichtoptische Methode der kontaktlosen Hoch-Frequenz(HF)-Leitfähigkeitsmessung in dem handlichen Gerät eingesetzt. Durch sorgfältige Auslegung sorgfältigen Aufbau der elektrischen Abschirmung im Messsystem wird eine Interferenz der CE-HV zur Separation und der HF zur Detektion vermieden. Das ist aber auch eine Voraussetzung für die Integration beider Komponenten in einem Gerät. Durch die Beschränkung auf eine HV-Spannungsquelle, die günstigerweise als bipolares Bauelement bzw. über Schalter/Relais in seiner Pola rität und Spannung einstellbare Baugruppe eingebaut ist, lässt sich das Messgerät sehr wettbewerbsgeeignet herstellen.For detection, therefore, the non-optical method of contactless high-frequency (HF) conductivity measurement is used in the handy device. By careful design careful construction of the electrical shielding in the measuring system, an interference of the CE-HV for separation and the HF for detection is avoided. But that is also a requirement for the integration of both components in one device. Due to the limitation to a HV voltage source, which favorably as a bipolar device or via switch / relay In its polarity and voltage adjustable assembly is installed, the meter can be produced very competitive.

Die CE-Steuerung und Datenerfassung kann aufgrund der Anschlussmöglichkeiten am Gerätekasten mit einem aufgabenspezifischen Rechner aber auch mit einem Laptop ablaufen.The CE control and data acquisition may be due to connectivity on the device box with a task-specific computer but also with a laptop expire.

Das Messsystem ist in allen seinen Komponenten weitestgehend miniaturisiert und nutzt damit die Vorzüge der Mikrosystemtechnik. Das betrifft die äußeren Dimensionen des Messsystems, den geringen Energiebedarf und insbesondere die geringen Kosten für die verwendeten elektronischen Bauteile.The Measuring system is largely miniaturized in all its components and thus uses the advantages the microsystem technology. This concerns the outer dimensions of the measuring system, the low energy requirement and in particular the low costs for the used electronic components.

Generell sind Chips aus allen Materialien in diesem Gerät einsetzbar, d. h. auch bisher vorzugsweise benutzte Glassubstrate. Von großem Vorteil ist der Einsatz kostengünstiger Polymerchips, deren jeweilige optische Eigenschaften völlig unerheblich sind für das HF-Detektionsverfahren. Damit sind für die Analytik bedeutsame Materialien, wie beispielsweise das hochresistente aber optisch nicht transparente PEEK, einsetzbar.As a general rule Chips made of all materials can be used in this device, d. H. also so far preferably used glass substrates. Of great advantage is the use cost-effective Polymer chips whose respective optical properties are completely irrelevant for the RF detection methods. This makes important materials for analytics, such as the highly resistant but not optically transparent PEEK, usable.

Das Handhaben des CE-Chips, das Handhaben der zur CE benötigten Lösungen und generell die Gerätebedienung sind einfach ausgelegt und damit leicht bedienbar und für den täglichen Betrieb robust. Bei Einmalnutzung entfällt die Chipreinigung bei Elektrolytwechsel.The Handling the CE-chip, handling the solutions needed to the CE and generally the device operation are simply designed and therefore easy to use and for the daily Operation robust. With single use the chip cleaning with electrolyte change does not apply.

Bisher erfolgt die Kopplung des Messsignals zum Chip mittels auf dem Chip aufgesputterter Dünnschichtelektroden. Wegen der Vereinfachung und Kostensenkung werden auf dem Chiphalter wegen einer definierten Messgeometrie angeordnet und permanent angebrachte elektrische Messelektroden verwendet.So far the coupling of the measuring signal to the chip takes place on the chip sputtered thin-film electrodes. Because of the simplification and cost reduction will be on the chip holder arranged because of a defined measuring geometry and permanently attached used electrical measuring electrodes.

Im Folgenden wird ein Prototyp des Messgeräts für die Kapillarelektrophorese anhand des Messverfahrens und der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:in the Following is a prototype of the meter for capillary electrophoresis explained in more detail with reference to the measuring method and the drawing. It demonstrate:

1 das miniaturisierte Messgerät; 1 the miniaturized measuring device;

2 den mikrofluidischen Polymerchip; 2 the microfluidic polymer chip;

3 Elektropherogramme: 3 electropherograms:

Die Trennung und der Nachweis von organischen Säuren als Hauptkomponenten in Wein werden demonstriert. Es besteht Übereinstimmung mit ähnlichen Messungen an bisherigen aufwendigen Laboraufbauten. Während Messeveranstaltungen wurde das Messgerät durchgängig im Dauerbetrieb präsentiert.The Separation and detection of organic acids as main components in Wine is demonstrated. There is agreement with similar ones Measurements on previous elaborate laboratory setups. During trade shows was the meter continuously presented in continuous operation.

1 zeigt in explodierter Darstellung den Aufbau des Messgeräts. Im Bild unteren Blocke sitzen, elektrisch nach außen abgeschirmt, der HF-Sender und der HF-Empfänger. Im oberen Blocke sitzt, ebenfalls elektrisch abgeschirmt, die in ihrer Spannungshöhe und Polarität einstellbare Energieversorgung. Der CE-Chip steckt im Chiphalter, der auf dem unteren Block angebracht ist. Von den beiden Kapillaren ist nur der Bereich der einen Kapillaren zu sehen, an dem die berührungslose Leitfähigkeitsmessung mittels Hochfrequenz gemacht wird. Beide Messelektroden mit ihrer Verbindung zum jeweiligen HF-Gerät sind angedeutet. Der Laptop ist mit dem miniaturisierten Messgerät verkabelt. 1 shows an exploded view of the structure of the meter. In the picture lower blocks sit, electrically shielded from the outside, the RF transmitter and the RF receiver. In the upper block sits, also electrically shielded, adjustable in their voltage level and polarity power supply. The CE chip is in the chip holder, which is mounted on the lower block. Of the two capillaries, only the area of one capillary can be seen on which the non-contact conductivity measurement is made by means of high frequency. Both measuring electrodes with their connection to the respective HF device are indicated. The laptop is wired to the miniaturized meter.

In 2 ist der mikrofluidische Polymerchip für beispielsweise die Weinanalytik mit seiner Baukomponentenverknüpfung dargestellt. Das Kapillarende mit dem Analyten und das Kapillarende mit dem Pufferelektrolyten sind an die Hochspannungsquelle, bzw. die Hochspannungselektronik angeschlossen. Das jeweils andere Kapillarende ist an Bezugspotential, hier Erdpotential, angeschlossen. Damit erfolgt nach Injektion des Weinanalyten die Trennung im elektrischen Feld mittels der Kapillarelektrophorese, CE. Die Detektion der Substanzen im Analyten geschieht über die kontaktlose Leitfähigkeitsmessung, CCD, vor dem geerdeten Ende der Puffer-Elektrolyt-Kapillaren mittels Hochfrequenz. Hierzu wird über eine der Messelektroden im Chiphalter eine definierte Hochfrequenz eingestrahlt und das durchgestrahlte Messsignal mit der andern Messelektrode im Chiphalter detektiert. Der HF-Sender und der HF-Empfänger ist zur Steuerung und Einstellung hier mit einem Laptop verkabelt.In 2 is the microfluidic polymer chip for example, the wine analysis shown with its component component linkage. The end of the capillary with the analyte and the capillary end with the buffer electrolyte are connected to the high voltage source or the high voltage electronics. The other capillary end is connected to reference potential, here ground potential. Thus, after injection of the Weinanalyten the separation in the electric field by means of capillary electrophoresis, CE. The detection of the substances in the analyte via the contactless conductivity measurement, CCD, before the grounded end of the buffer electrolyte capillaries by means of high frequency. For this purpose, a defined high frequency is irradiated via one of the measuring electrodes in the chip holder and the transmitted measuring signal is detected with the other measuring electrode in the chip holder. The RF transmitter and the RF receiver are wired here for control and adjustment with a laptop.

Die Anwendung eignet sich besonders gut für kleine Kationen und Anionen.The Application is particularly suitable for small cations and anions.

3 zeigt das aufgenommene Elektropherogram. Es wurden organische Säuren in Apfelsaft und Wein detektiert. Das empfangene Hf-Signal ist dem Betrage nach mit der Einheit 500 μV über der Zeit in der Einheit 30s aufgenommen. Als Analyt wurden Apfelsaft und vier verschiedene Weinsorten vermessen. Die unterste Kurve zeigt den Standard mit den Spitzen: 1 = Sulfat, 2 = Weinsäure, 3 = Apfelsäure, 4 = Bernsteinsäure, 5 = Essigsäure und 6 = Milchsäure. 3 shows the recorded electropherogram. Organic acids in apple juice and wine were detected. The received RF signal is recorded in magnitude with unit 500 μV over time in unit 30s. As an analyte, apple juice and four different types of wine were measured. The bottom curve shows the standard with the peaks: 1 = sulphate, 2 = tartaric acid, 3 = malic acid, 4 = succinic acid, 5 = acetic acid and 6 = lactic acid.

Claims (5)

Messgerät zur Kapillarelektrophorese, bestehend aus: – einer kreuzförmigen Kapillaranordnung aus einer Trennkapillaren mit einem Puffer-/Trägerelektrolyt und einer Injektionskapillaren für die Injektion und Separation eines Analyten, – einer Hochspannungsquelle zur Erzeugung einer Potentialdifferenz für die Injektion und Separation, – einer elektrischen Leitfähigkeitsdetektion mittels Hochfrequenz am Ausgang der Trennkapillaren zum Nachweis von gelösten Bestandteilen im Analyten, gekennzeichnet durch die folgenden Neuerungen: das Gerät ist in einer handlichen Box mit elektrisch leitenden Wänden untergebracht, in dessen einem Bereich die Hochspannungsquelle, die in ihrer Spannungshöhe und Polarität einstellbar ist, elektrisch abgeschirmt mit vom . Boxinneren zugänglichen Hochspannungsausgang sitzt und in dessen anderem Bereich der Hochfrequenz-Sender und Hochfrequenz-Empfänger für die kontaktlose Leitfähigkeitsdetektion elektrisch abgeschirmt untergebracht sind, die kreuzförmige Kapillaranordnung ist als mikrofluidischer Chip ausgeführt und sitzt im Boxinneren auf der Abdeckung für den Hochfrequenz-Sender und -Empfänger über einen Chip-Halter von außen zugänglich sowie lös- und austauschbar, wobei der Chip-Halter an den Stellen der beiden nicht geerdeten Kapillarenenden an den Hochspannungsausgang angeschlossen ist und der HF-Senderausgang sowie der HF-Empfängereingang an je einen elektrischen Kontakt auf dem Chip-Halter kurz vor Ende der geerdeten Kapillaren mit dem Pufferelektrolyten geführt sind, wobei die beiden elektrischen Kontakte auf dem Chip-Halter zur Kapillaren eine definierte Messgeometrie bilden.Capillary electrophoresis measuring device, comprising: a cross-shaped capillary arrangement comprising a separating capillary with a buffer / carrier electrolyte and an injection capillary for the injection and separation of an analyte, a high-voltage source for generating a potential difference for the injection and separation, - An electrical conductivity detection by means of high frequency at the output of the separation capillaries for the detection of dissolved components in the analyte, characterized by the following innovations: the device is housed in a handy box with electrically conductive walls, in one area, the high voltage source, in their voltage level and polarity is adjustable, electrically shielded with the. Box inside accessible high-voltage output sitting and in the other area of the radio-frequency transmitter and radio frequency receiver for contactless conductivity detection are housed electrically shielded, the cruciform capillary is designed as a microfluidic chip and sitting in the box inside on the cover for the radio-frequency transmitter and receiver over a chip holder accessible from the outside as well as detachable and replaceable, wherein the chip holder is connected at the locations of the two ungrounded capillary ends to the high voltage output and the RF transmitter output and the RF receiver input to an electrical contact on the chip Holder are guided just before the end of the grounded capillaries with the buffer electrolyte, the two electrical contacts on the chip holder to capillaries form a defined measurement geometry. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip in der Box über eine gemeinsame Seitenwand der Hochspannungsquelle und der HF-Einrichtung zugänglich ist, wozu diese Seitenwand aufklappbar ist oder sich in ihr eine Klappe befindet.gauge according to claim 1, characterized in that the chip in the box via a common side wall of the high voltage source and the RF device accessible is what this side wall is hinged on or in it one Flap is located. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Box in zwei Hälften aufklappbar ist, wobei sich in der einen Hälfte die Hochspannungsquelle mit ihrem Hochspannungsausgang als herausragende Stifte oder als Steckbuchsen sitzt, und im Falle der Stifte dieselben beim Zusammenklappen an vorgesehenem Ort in den Chip oder den Chip-Halter eindringen und beim Aufklappen daraus gezogen werden und im Falle der Buchsen Stifte vom Chip-Halter oder Chip selber emporragen, die beim Zusammenklappen der Box in die Buchsen eindringen und beim Aufklappen daraus gezogen werden, und in dessen anderen Hälfte, dem anderen Bereich, der Hochfrequenz-Sender und Hochfrequenz-Empfänger untergebracht sind.gauge according to claim 1, characterized in that the box is hinged in two halves, being in one half the high voltage source with its high voltage output as outstanding Pins or sits as sockets, and in the case of pens the same when folding at the intended location in the chip or penetrate the chip holder and pull it out when unfolding and in the case of the sockets, pins from the chip holder or chip itself protrude, which penetrate when folding the box in the jacks and be pulled out of it when unfolding, and in the other one Half, the other area, the high-frequency transmitter and high-frequency receiver housed are. Gerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät in seiner Wand Anschlüsse für die elektrische Energieversorgung, für den Steuersignal- und Messdatentransfer hat.device according to the claims 2 and 3, characterized in that the device in its wall connections for the electrical Energy supply, for the Control signal and Messdatentransfer has. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die quaderförmige Außenkontur des zusammengeklappten Gerätekastens im Bereich 2 × 4 × 6 cm³ bis 10 × 20 × 30 cm³ liegt.Apparatus according to claim 4, characterized in that the cuboid outer contour of the folded device box in the range 2 × 4 × 6 cm ³ to 10 × 20 × 30 cm ³ .