JP4317340B2 - Small analysis system - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、微細構造型分析システムの製造および構造に関し、特に、電気伝導率のコントロールおよび測定のための装置を有するものに関する。
【０００２】
微細構造型分析システム、特に、微流チャンネル構造を有するものは、ますます重要になっている。微細構造型分析システムのうち、サンプルの電気泳動的分離および分析のための手段を提供するものは、特に注目を集めている。
【０００３】
そのようなアプリケーションのために使用することができる分析ユニットは、一般にベースプレート（基板）およびカバーを有しており、それらの間には、マイクロチャンネル構造、電極、および検出器、リアクター、バルブなどの他の必要な機能構造からなる。
【０００４】
微流分析システム対してなされなければならない要求は、機械的、化学的、電気的および熱的な影響に対する十分な安定性である。チャンネル構造にとって、機械的な安定性とは、特に寸法および体積測定における安定性を意味し、これは、例えば定量的に再現可能なサンプル送出のための重要な前提条件である。
【０００５】
マイクロチャンネルの内部における圧力に対する安定性も、例えばマイクロチャンネルに装填するために用いられるポンプの使用に対して要求される。使用される部材は、チャンネル内に移送された媒体に対して、化学的に不反応性でなければならないことは明らかである。電極がチャンネルへ導入される場合、例えば検出器電極として使用された場合に、これらは再現性のある結果を与えるために、チャンネルに高い精度（数μｍ）で配置されなければならない。
【０００６】
さらに、チャンネル内の接触表面に夾雑物（ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ）がないということも前提条件である。さらに、電極は低い内部抵抗および潜在的に高い電流フロー（ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｌｏｗ）を許容するものでなければならない。このことは、使用される媒体に依存して、チャンネル内に動電学的なフローを生じせしめることができるパワー電極（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）と名付けられたものに特にあてはまる。最後に、電極は容易に接続可能なものでなければならない。
【０００７】
このタイプの分析ユニットの製造のために頻繁に使用される物質は、二酸化ケイ素またはガラスである。しかしながら、これらの物質には、それらが分析システムの安価な大量生産に不適切であるという欠点がある。プラスチックベース材料は、この目的に対してはるかにより好適なものである。実際の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を含む基板およびカバー等のコンポーネントは、ホットエンボス加工（ｈｏｔ ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）、注入成形（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｕｌｄｉｎｇ）または反応成形（ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｏｕｌｄｉｎｇ）等の既知の方法によって、安価に、高度な再現性で製造可能である。
【０００８】
対照的に、結果として得られるカバーを備えた開放微細構造を密閉するための、プラスチックコンポーネントの大量生産に適した方法は現在まで存在しない。このことは、さらに、金属電極が閉じたチャンネル構造内のいかなる位置にも配置されなければならず、かつ、チャンネルの４面のいずれもが、同一物質からなるものでなければならない微小経路（マイクロカナル (ｍｉｃｒｏｃａｎａｌ)）構造に特にあてはまる。
【０００９】
EP 0 738 306は、溶解された熱可塑性物質が、構成されたポリマー基板上に落とされ（ｓｐｕｎ）、マイクロチャンネル構造を密閉する方法について記載している。この溶解された熱可塑性物は、互いに接着される部分より低い融点を有する。カバーおよび基板は、１４０℃において加熱されて結合される。したがって、チャンネル（３壁面）の表面は、熱可塑性接着剤からなる。接着剤がカバー上に落とされると、チャンネルの少なくとも１面が接着剤による付着を受ける。
【００１０】
米国特許5,571,410においては、 微流構造がレーザーによる除去によってカプトン（Ｋａｐｔｏｎ：登録商標）中に製造され、ＫＪ（登録商標）によって被覆されたカプトンに溶接されることが記載されている。この場合においても、チャンネル構造の少なくとも一壁面は第二の物質からなる。
【００１１】
ベッカーら(H. Becker、W. Dietz、P. Dannberg、"Microfluidic manifolds by polymehr hot embossing for μTAS applications," Proceedings Micro Total Analysis Systems 1998年、253-256、Banff, Canada)は、PMMAカバーに化学的に保持された結合手段（ｂｏｎｄｉｎｇ）によって密閉されたホットエンボスPMMAの中における、微流チャンネルの製造に関する報告を行っている。
【００１２】
WO 97/38300は、均質なポリジメチルシロキサン(PDMS)の粘着層によってカバーが付着せしめられ、ポリアクリル酸ベースの流体構造に接着される方法について記載している。
【００１３】
上記方法は全て、基板をカバーに接合することによって微流チャンネル構造の製造を可能にするものであるが、チャンネルの４つの壁面すべてが同一の材料からなるものではない。さらに、それらは、チャンネルの４つの側壁すべてが同時に同一の材料からなるなる場合に、チャンネル中の媒体と直接接触する電極の組み込みを可能にするものではない。
【００１４】
EP 0 767 256は、微細構造に電極を組み込む方法について記載しているが、金属塩溶液によってチャンネル中の金属の光化学的皮膜をすすがなければならないので、該方法は液体を介した接触（liquid-insulated contacting）を可能にするものではない。
【００１５】
電極が、液体を介した接触の可能性を有する、微細構造内の所望のあらゆるポイントに電極を組み込む方法は、Fieldenら(P. R. Fielden、S. J. Baldock、N. J. Goodard、L. W. Pickering、J. E. Prest、R. D. Snook、B. J. T. Brown、D. I. Vaireanu、"A miniturized planar isotachophoresis separation device for transition metals with integrated conductivity detection"、Proceedings Micro Total Analysis Systems '98、323-326、Banff、Canada)に記載されている。
【００１６】
その著者らは、シリコーン(PDMS)によって微流チャンネル構造を成形し、電極(銅)を備える圧盤にこれを機械的に押しつけている。このようにして、２つの異なる材料によってチャンネルの範囲が定められる。結果物であるチャンネルを密閉するためには、一定の機械的な圧力が維持されなければならない。このシステムにおいては、シリコーン・クッションに対する圧力によって、容易にチャンネル構造の変形が生じてしまう。この場合においても、チャンネル構造の少なくとも１つの側壁は別の材料からなるものである。
【００１７】
したがって、本発明の目的は、基板およびカバーがポリマー有機物質からなり、それらが互いに強固に結合せしめられ、その内部において、電極が液体を介して接触し得る、あらゆる所望のポイントに導入可能である、改良型微流分析システムを提供することである。電極を分析システムに組み入れる場合、さらなる目的は、チャンネル・システムでの電極をあらゆる所望のポイントに組み込むことが可能であり、接合過程によって破損も分離もされないようにすることである。
【００１８】
２つのプラスチックコンポーネントを接合するための特別な接合技術を用いて、プラスチック表面に対して良好な付着性を有する貴金属コーティングを製造するための新規な方法を組み合わせることによって、先行技術文献および前記目的において議論された性能を有する微流分析システム、より正確には、微流分析システムのための連続フローユニットの製造が可能になることが見出された。
【００１９】
したがって、本発明は、本質的に次のステップを含む分析システム用の微細構造化された、連続フローユニットを製造するための方法に関する：
ａ）プラスチック製の、少なくとも１つのコンポーネントが微細構造化された、少なくとも１つの基板およびカバー；
ｂ）チャンネルの内部に接着剤がない形で、基板またはカバーを接着剤で濡らすこと；
ｃ）コンポーネントを一列に配列すること；
ｄ）コンポーネント同士を押圧すること：
ｅ）接着剤を固化すること。
【００２０】
電極を備えた、少なくとも一つのコンポーネントをステップａ）において使用することは好ましい態様である。
スパッタ光学配列マーカー（registration marker）を用いて、ステップｃ）中の調節を行うことことも、本発明の方法の好ましい態様である。
さらに、本発明は、本発明の方法によって製造された、微細構造型連続フローユニットにも関する。
チャンネルシステム内部と自由に接触可能な電極を有するシステムは、本発明の連続フローユニットの好ましい態様である。
【００２１】
酸化クロムの粘着性コーティングおよび貴金属のコーティングを有する電極を有するシステムは、本発明の連続フローユニットの好ましい態様である。
図１は、２つのコンポーネントを有する連続フローのユニットの可能な構造の例を示す。
図２および３は、電極と接触する２つの可能な例を示す。
図４は、光学配列マーカーを有するコンポーネントを示す。
図５〜１１は、例においてより詳細に記載される。
【００２２】
微流的または微細構造型分析システムは、一般に、少なくともチャンネルシステムおよび選択的に、周辺装置を組み込むための凹部、ならびに連続的フローユニットに組み込まれるか、またはそれに接続されることが可能な、検出器、流体接続部、貯蔵部、反応チャンバ、ポンプ、制御装置などの周辺デバイスを有している。
【００２３】
電導率を測定し、および制御するために装置を有する微流分析システム用の連続フローユニットは、本発明のシステムであり、少なくとも２つのコンポーネント、例えば基板およびカバーを相互に連結することによって、液密的および／または気密的に密閉されたマイクロチャンネル構造を製造することができる。この目的のために、基板とカバーは、互いに強固に接合される。
【００２４】
さらに、これらのシステムは、電極がチャンネル内部と自由に接触可能であるように、チャンネルシステムに入り込んでいる電極を、チャンネルシステムのあらゆる所望の位置に設けることができる。したがって、本発明は、分析システムのための微細構造化された連続フローユニットに関し、したがって、より広い意味において、微細構造型分析システムに関する。
【００２５】
微流分析システムは、例えばチャンネル構造のような異なるパラメーター、ポンプ、供給ラインなどの他のシステムとの接続の変更、電極のあらゆる所望の配置の変更により、様々な適用に対応することができる。特に好ましくは、分析システム用の本発明の連続フローユニットは、キャピラリ電気泳動または等速電気泳動のため、および微量予備合成（micropreparative syntheses）または物質の誘導のための、電気泳動による分離および分析の分野における応用のためのものである。
【００２６】
検体は、分析システムから出た後、またはシステム、すなわち連続フローユニット内において直接検出され得る。好ましくは、光学的または電気化学的検出方法が連続フローユニットに組み込まれているものである。電気化学的検出は、適切に提供され配置された電極を用いて行われる。
【００２７】
チャンネルの中への、あるいはチャンネルからの、光学的入力または出力に関しては、主として、ガラスキャピラリ（例えば「古典的なCE」（"classical CE"））の前方に光ファイバーが直接配置される方法が使用される。平面的二次元システムにおける微細構造型チャンネルのレーザー誘起蛍光測定（LIF）については、励起されたレーザー光が、フリー・ビーム光学系によってチャンネル上に集められ、フリー・ビーム光学システム（多くの場合、例えばCCDカメラのような焦点を共有する（ｃｏｎｆｏｃａｌ）光学的検出器を有する顕微鏡）によって蛍光が検出される方法が確立されている。
【００２８】
分析システムの連続フローユニットのコンポーネントは、好ましくは、PMMＡ（ポリメチルメタクリル酸）、ＰＣ（ポリカーボネート）ポリスチレン、もしくはＰＭＰ（polymethylpentene）のような商業的に入手可能な加熱可塑性物、シクロオレフィン共重合体、または例えばエポキシ樹脂のような熱硬化性プラスチックからなる。より好ましくは、連続フローユニットのすべてのコンポーネント、すなわち基板とカバーとが、同一材料からなるものである。
【００２９】
コンポーネントは、当業者に公知の方法によって製造することができる。微細構造を含むコンポーネントは、例えばホットエンボス、注入成型（injection moulding）または反応鋳造のような、確立された方法によって製造することができる。特に好ましいのは、大量生産のための既知の方法によって複製可能なコンポーネントの使用である。微細構造型コンポーネントは、断面積が10〜250,000μｍ^２であるチャンネル構造を有することができる。
【００３０】
本発明の連続フローユニットへ導入される電極は、典型的には、イオンのフローの生成、または検出目的のために使用される。それらは、プラスチックコンポーネントに対して、十分な付着性を有していなければならない。このことは、個々のコンポーネントの接続、および分析システムの事後の使用の両方のために重要である。
【００３１】
分析システムの計画的な使用は、電極材料の選択に特に重要である。分析領域においては、マイクロチャンネル構造を有し、そして電極が組み込まれたシステムが主として用いられるため、電極は化学上不活性な材料、例えば貴金属（プラチナ、金)からなるものであるべきである。
【００３２】
このタイプの材料の選択およびそれらを適用する方法は当業者に公知である。典型的には、プラスチック表面は、金属塩溶液からの金属の電気化学的皮膜によって金属化される。この目的のために、多段階プロセスにおいて、まずプラスチック表面を化学的または機械的に前処理し、不連続な下塗り塗料（ｐｒｉｍｅｒ）を適用し、最後に電気化学的皮膜を施すことが一般的な慣例である。
【００３３】
これらの金属化方法は、例えばUS4,590,115、EP 0 414 097、EP 0 417 037、そしてWolf and Gieseke（G.D.Wolf、H.Gieseke、"Neues Verfahren zur ganzflaechigen und partiellen Metallisierung von Kunststoffen" [プラスチック表面の完全で部分的な金属化のための新たな方法] Galvanotechnik 84、2218-2226、1993）中に記載されている。湿潤化学的方法（wet-chemical processes）は、十分な付着強度を達成するために、比較的複雑な前処理工程が必要であるという事実において共通する。
【００３４】
DE 196 02 659には、気化（vaporizing）またはスパッタリング（sputtering）による多相ポリマーブレンドへの、銅の高い粘着強度を有する適用が記載されている。良好な付着の理由として言及されているのは、ポリマーブレンドの組成である。これによると、ブレンドはポリアリーレンスルフィド、ポリイミドまたは芳香族ポリエステルを含むものでなければならない。
【００３５】
金属のプラスチック表面への付着性の改善を達成するための金属のプラズマ前処理の効果は、Friedlich（J. Friedlich、"Plasma-behandlung von Polymere" [ポリマーのプラズマ処理]、kleben&dichten 41、28-33、1997）によって、種々の市販の加熱可塑性物によって例示され、概要が示されている。
【００３６】
プラズマ前処理の一般的な目的は、ポリマー表面上に極性官能基を生成することであり、その結果、金属層の付着強度の増加が生じる。例として、プラスチックの金属化における、粘着層としてのクロムの効果が記載されている。言及されているクロムの良好な付着の原因は、例えば、カルボニル基またはエステル基のような極性基の、クロム3d軌道との相互作用である。
【００３７】
特に好ましくは、電極構造は２層法（two-layer method）の使用によって、プラスチックコンポーネント上に形成される。本発明においては、この目的のために、まず酸化クロムの付着促進層が製造される。酸化クロムは、貴金属とは対照的にプラスチック表面において優れた付着性を有することが見出されている。さらに、酸化クロムは、元素としてのクロムおよび他の遷移元素とは対照的に、酸化還元反応のプロセスに対して相当程度より耐性がある。その後、例えばプラチナ、その合金または金のような貴金属が酸化クロム付着層に付着される。
【００３８】
酸化クロムおよびその上に形成される貴金属の層は、好ましくはリフト−オフ法（lift-off method）またはシャドウ−マスク法（shadow-mask method）と称せられる方法を用いて、プラスチック基板または全表面に最初に適用された金属層構造に選択的に適用される。これらの処理技術は、微細構造工学における標準的な処理方法である。以下に、前記製法のための２層法のために必要な作業ステップについて記載する。
【００３９】
リフト−オフ法：選択的に金属化されるプラスチック構成要素が、フォトレジストによって被覆される。このフォトレジストはエッチングしてはならないか、または金属化されるプラスチック部分の極くわずかなエッチングもしてはならない。例えば、PMMA、PSおよびPCにはベルリンのAllresist製フォトレジスト（AR 5300/8）が好適であることが明らかになっている。金属化される構造の露光および現像の後に、金属層がスパッタリングユニットに適用される。
【００４０】
酸化クロム層は、スパッタリング工程の間に、典型的に使用されるスパッタリングシステムのアルゴンプラズマに酸素を導入することによって適用される。用いられるスパッタリングのターゲットは、通常のクロムのターゲットである。典型的な酸化クロム層厚は１０〜５０ｎｍである。代替手段として、酸化クロムのターゲットを直接用いることもできる。プラチナまたはその合金、金のスパッタリングが、標準の条件下、すなわちアルゴンプラズマ中において、その後直接行われる。
【００４１】
さらに、酸化クロムをスパッタリングする前に、酸素／アルゴン（体積約５％／体積９５％）プラズマ中で、プラスチックのバック−スパッタリング（back-sputtering）を行うことが、酸化クロム層の付着強度に好適であることが明らかになっている。実際のリフト−オフ法においては、存在し続けたフォトレジスト、およびこれとともに、レシスト上に配置された金属層は、Allresist製ディベロッパ（developer）（AR 300-26）によってプラスチックコンポーネントから分離される。
【００４２】
シャドウマスク法：選択的に金属化されるプラスチック部分が、いわゆるシャドウマスクと呼ばれるもので覆われる。これは、金属化される領域内部に溝を有している。金属層は、リフト−オフ法と同様、これらによってスパッタリングされる。この方法の利点は、フォトレジスト処理が省略されるため、操作が著しく簡便なことである。電極の付着強度は、リフト−オフの技術と同等である。
【００４３】
平面金属層の構築：上記スパッタリング法と同様にして、最初に金属層が選択的に金属化されるプラスチック部分の全表面に適用される。この金属層は、続くプロセス段階において、例えばレーザー・アブレーション（laser ablation）（金およびプラチナ）を用いた選択的エロージョン（ｅｒｏｓｉｏｎ）、または、例えば選択的化学湿潤エッチングによって構築される。
【００４４】
化学湿潤エッチングを用いた構築には、フォトレジスト（ヘキスト ＡＧ、ドイツ； AZ 5214)が、金属層に最初に適用され、露光され現像される。その後金は、シアン化合物溶液中において、露光領域において除去される。非電導性酸化クロム層が残存する。残りのフォトレジストは、デベロッパ（例えばAR 300-26、Allresist、ベルリン）によって、最終的に除去される。
【００４５】
スパッタリング法を用いて、付着層としてクロム、およびさらに酸化クロムによって製造された電極の付着強度は、剥ぎ取り試験（tear-off test）によって試験されている。酸化クロム層の付着の強度は、有意により大きい。アルカリ溶液中における超音波処理においても、付着層として酸化クロムを用いて製造した金属層は、付着層としてクロムを用いて製造した金属層と比較して、有意に上回る耐性を示す。
【００４６】
個々のコンポーネントは、これらの製造および調製の後に、本発明による方法によって相互に連結される。好ましくは、基板であるコンポーネントは微細構造化され、そしてチャンネルを満たす、および／または電極と接触するための後部の穿孔または溝を備える。さらに、いわゆるシーリングリップ（ｓｅａｌｉｎｇ ｌｉｐ）、すなわち、典型的には０．５および５μｍの範囲の高さでチャンネル構造を完全に封入する、基板上の***の使用が、付着プロセスに関して極めて有用であることが判明している。
【００４７】
他のコンポーネントであるカバー、は覆い（ｃｏｎｖｅｒｉｎｇ）として機能し、そして、例えば電気泳動の分析システムにおいては電極を備える。この場合、発明によるカバーは電極カバーと称せられる。本発明の工程は、分析システムによる測定およびコントロール装置の製造に関係があるばかりでなく、前記システムのある態様は、この好ましい態様にあてはまらないコンポーネントの機能化を要求することもできる。
【００４８】
例えばこの場合、２より多いコンポーネント、例えば２つのカバーと１つの基板等を、階層的なチャンネル構造を形成するために相互に連結することができ、そして検出システム、反応チャンバ等の他の機能をコンポーネントへ組み入れることができる。本発明においては、ボンディング工程を用いて相互に連結される、分析的なシステムの連続フローのユニットの全ての部分はコンポーネントと称せられる。
【００４９】
それらは微細構造化するか、電極を供給されるか、または他の機能を有し得る。コンポーネントの区分は、基板、カバーまたは電極カバーのコンポーネントそれぞれが電極を供給されている場合には、特定のコンポーネントのさらに詳細な記載としてのものであるにすぎず、微細構造化のような、コンポーネントの他の特性、または相互の組み合わせに関する制限を表すものではない。
【００５０】
好ましい態様においては、分析システムは２つのコンポーネントからなる。１つのコンポーネント、例えば基板は微細構造化され、チャンネルシステムおよび他の機能、例えば流体用の接続のための他の凹所を有する。このコンポーネントは、注入成型工程を用いて製造される。チャンネルを満たしおよび／または電極と連絡するための穿孔は、この場合には型の中の対応するくぼみによって直接形成される。
【００５１】
第２のコンポーネントであるこの場合の電極カバーは、微細構造を全く有していない。その代わり、電極は全てこのコンポーネント上に配置される。この分け方によって、２つのコンポーネントの生産が極めて簡素化される。注入成型工程中において用いられる微細構造化されたコンポーネントを、他の工程ステップに付することは必要ではない。電極は、平らな未構築のコンポーネント上にスパッタリングされる。
【００５２】
本発明において、コンポーネントは高い精度で相互に連結される。いずれの壁にも高反応性プラスチック、すなわち未重合または溶融プラスチックを含まないことは、分析精度において重要である。このことは、チャンネル表面の特性を変える可能性があるため、接着剤がチャンネル内に浸入してはならず、かつ表面を覆うことを意味する。このことが、例えば蛋白質のような検体の、接着剤で濡れたカナルへの付着性の増大に例えばつながることが明らかになっている。このことは、その後分析システムの分離能に影響を及ぼす。同様に、電極に接着剤を付着させることはそれらの機能を損なわせる。
【００５３】
例えば接着剤の無制御な浸入によって生じ得るような、チャンネルの容積の変動がないことも極めて重要である。本発明においては、検出の感度を改善するために、チャンネルは検出電極の近くに構築される。その結果、厳密にこの領域において、接着剤がチャンネルへ透過しないことが重要である。
【００５４】
本発明においては、コンポーネントを相互に連結するために、接着剤は好ましくは微細構造化されたコンポーネントに、構築体が存在しない時点において最初に適用される。層厚は０．５〜１０μｍの範囲であり、好ましくは３〜８μｍの範囲である。典型的には、それは印刷技術において公知のフラットローラーアプリケーション（flat roller application）を用いて適用される。
【００５５】
好ましい態様においては、ここで、薄い粘着性フィルムが、決められた体積の接着剤を、ポリマーで覆われた別の未構築の第２のロールに取り上げる、構造化された金属製スクリーンロールによって適用される。これから、次に、構築された基板上に、好ましくは３〜８μｍの間の粘着厚を与えるように適用が直接実行される。
【００５６】
用いられるプラスチック（基板材料）に応じて、プラスチックロールおよび基板間の移送は、接着剤の如何なる粘性増加（前重合）によっても影響を受ける。この方法の重要な利点は、基板が接着剤を運ぶロールに関して位置させられる必要がなく、そうでない場合には接着剤は基板の未構築領域にしか適用されないことである。
【００５７】
接着剤の施用が多すぎるときにカバーおよび基板が一緒に押圧される場合、接着剤はチャンネルに流れ込むことになる。部分的に不十分な接着剤が適用された場合には、チャンネル構造内での漏れが生じる結果となる。このボンディング方法においては、好ましくは約５μｍ／ｃｍコンポーネント長より小さいコンポーネントの平坦さが要求される。
【００５８】
付着工程の間に電極が接着剤によって分離されず、または妨害されないために、用いられる接着剤はコンポーネントの表面をエッチングするものであってはならず、またはそれをわずかにエッチングするにすぎないものでものであってもならない。したがって、好ましくは、用いられる接着剤は、メルカプト基を含むアクリル酸塩である、アメリカニューブランズウィックＮＪのノーランド製製品ＮＯＡ ７２である。この接着剤は、光化学的に固化される。しかしながら、本方法には、例えば上記の条件に適合する熱によって固化されるような、他のタイプの接着剤も使用することができる。
【００５９】
接着剤が施用された後、薄層電極を有する第２のコンポーネントが、例えば露光装置（exposure machine）上の、基板に適切に配置され押圧される。この目的のためには、基板は好ましくは適用された接着剤とともに、露光装置中の別の状況ではシリコンウエハが供給される位置に固定される。
【００６０】
この方法ではＨｇランプ（放射波長３６６ｎｍ）を用いた露光によって、光化学的に位置決めおよび接着剤の固化を実行することができるので、押圧を行う表面として、好ましくは厚いガラスプレートを用いる。電極カバーは、圧延されたガラスプレートを有する真空装置によって保持することにより、露光マスクのために提供された位置に固定される。
【００６１】
電極カバー、およびカバーの保持のために用いられるガラスプレートは透明であるため、カバーは基板に関してこの配列で並べることができる。カバーが基板を越えて延伸する場合、このカバーも機械的に保持することができる。
【００６２】
付着工程においては、典型的には光学の配列マークの補助による光化学的配列に加えて、カバーは、プッシュイン装置（push-in apparatus）を用いて受動的かつ機械的に、特別な配列マークを使わず光化学的に、または電気的マーク（接触）を用いて電気機械的に、基板に配置することもできる。
【００６３】
図４は、光学機械的な配列のための、本発明において好ましい光学的配列マークを有するコンポーネントを示す。さらに、電極（黒）およびチャンネル構造が見られる。カバー上の金属配列マークは、電極とともに同じ工程段階で適用することができること、すなわち好ましくはスパッタリングすることができること、換言すれば追加費用が必要ではないとということが明らかになっている。これらは成型ステップにおいてチャンネル構造とともに基板へ導入されるので、基板上の対応する対構造にも追加費用は必要ない。
【００６４】
光学機械的な配列においては、少なくとも一つのコンポーネントが透明なプラスチックからなるものでなければならない。本発明によって適用される配列マークを用いて、２つのコンポーネントは、互いに少なくとも±１０μｍ、典型的には±２μｍ（例えば、検出電極の実際の位置における理論）の精度で配置され、互いに押圧される。高位の精度によって、再現可能な分析結果の達成が維持される。その後、接着剤はＵＶランプによって重合される。カバーの保持または機械的固定の解除のために真空状態を解除した後に、連続フローのユニットは露光装置からはずされる。
【００６５】
別の好ましい態様において、コンポーネントは印刷において公知の方法によって接着剤を供給される（パッドプリンティング（ｐａｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ））。この目的のために電極と共に供されるコンポーネントは、２つのコンポーネントが結合される場合、チャンネルの上に存在してはならず、電気的に連絡されていてもならない領域上において、この目的のための接着剤で濡らされる。微細構造化されたコンポーネントでは、接着剤がチャンネル構造または他の溝へ透過しないように濡らされる。パッドプリンティングは、構造化されたものの接着剤の適用である。
【００６６】
接着剤は基板のネガティブ側の型に格納される。典型的にはシリコーンパッドによって、この接着剤は構造化された方法で取り上げられ、例えば、その後流体チャンネルの壁を形成する領域が接着剤で湿らされないようにカバー上に適用される。そして、チャンネル構造を有するコンポーネントは、上記のように、適切な方法でその反部分（cpounterpiece）に配置され押圧される。固化は上記のように実行される。
【００６７】
接着剤の除去の方位分解能（lateral discharge）が十分であれば、スプレー法（例えばマイクロドロップ法（microdrop method））の使用またはスクリーン−プリンティング法（screen-printing method）の使用による、構造化された接着剤の適用が可能である。
【００６８】
本発明の目的のために、第２のコンポーネントを押圧すること、またはコンポーネントを互いに押圧することは、コンポーネントが互いに適切に接触させられることを意味する。コンポーネントの永久的な結合を達成するために、大きな力を加えること、すなわちコンポーネントを互いに固く押圧することは通常必要ではない。
【００６９】
接着剤を固化する工程が、カバーおよび基板の位置を決めるために用いられる配列装置の外部において行なわれる場合、金属化されたカバーおよび基板は、それらが相互に整列された後、最初にレーザー溶接によって接着することができる。この後に、複合体は配列装置から取り外され、用いられた接着剤は、別の露光装置または乾燥機（ｏｖｅｎ）中において固化される。配列装置の中は固化を実行する必要がなくなるため、この手順は工程の加速および簡便化に寄与する。
【００７０】
好ましく用いられる熱可塑性材料の大部分は、可視部および近外線波長域のレーザー光が透過性であるため、この波長域におけるレーザー溶接は、カバーと基板の間の境界において光学的パワーを吸収するための吸収層（absorber layer）を必要とする。この吸収層は、パワー電極または検出電極の適用と同時に適用される。例えば、貴金属による電極のスパッタリング中に、電極カバーは吸収層としての貴金属層とともに、さらなる場所においてさらにスパッタリングを行うことができる。
【００７１】
２００ｎｍ厚のプラチナ電極を備え、さらにレーザーパワー吸収のために追加のプラチナ表面を含む基板（ベース材料はPMMA）への電極カバーの溶接は、４０ワットの力および１．６ｍｍの焦点直径でダイオードレーザー放射線（８０８、９４０および９８０ｎｍの波長の混合）を用いて実行される。プラチナ層は溶接中に破壊される。
【００７２】
別法として、例えばカーボンブラック粒子を充満させた基板またはカバーを吸収体として用いることも可能である。しかしながら、この最後に述べた方法は、結果として少なくとも１つのチャンネル壁が別材料からなるという欠点を有する。光学的検出目的のための光学パワーのチャンネルへの入力またはチャンネルからの出力の可能性も、そのために制限される。
【００７３】
本発明による方法は、第一に、壁が一材料からなり、さらに電極がチャンネル内のあらゆる所望の位置に配置されることができる密閉系マイクロチャンネル構造を製造することを可能にする。構造化されたコンポーネント（基板）は、例えば電極カバーとともに、液密的および気密的なものとして供給することができる。
【００７４】
主として市販のプラスチックおよび単純な製造段階を用いることによって、本発明による分析システムは、低費用で大量に製造することができる。接着または結合のための本発明による方法によって、結合後に、接着剤がチャンネルシステム内部に浸入しない、すなわち、チャンネル、壁の内部、または電極あるいはチャンネルシステムに入り込んでいる他の装置の上に接着剤が浸入しないような形で、コンポーネントは接着剤によって濡らされる。
【００７５】
その結果、システムの分離能および分析感度が改善される。電導性の測定およびコントロール装置を有する分析システム用の本発明による連続フローユニットは、そのようなシステムに課されなければならない全ての要求に対応する：
−それらがチャンネルの寸法と容積測定の高い安定性を示すこと。
−粘着性の結合の強さの結果、それらがチャンネルの内部において圧力に対して安定であること。
−使用することができるプラスチックが多岐にわたること。
−コンポーネントおよび電極に化学的に不活性な材料を用いることができること。
−４つのチャンネル壁が好ましくはすべて同一の材料からなること。
−電極が、一般に±１０μｍ、さらに±２μｍの確度で、チャンネルのあらゆる所望の点に位置されることができること。
−電極の接触表面が接着剤により汚染されないこと。
−電極が容易に接続されること。
−システムが低い内部抵抗を示し、潜在的に高い電流密度を許容すること。
【００７６】
図１に、微細構造化された分析システムの２つの機能的コンポーネントを例として示す。電極カバーであるコンポーネント１は、イオンフローを生成するための４つの電極（Ｅ）および電気的または電気化学的検出用の３つの電極（Ｄ）とを有している。コンポーネント２は微細構造化されたものである。２つのコンポーネントを互いに連結すると、カバーの電極の末端は、基板のチャンネルに正確に入り込む。
【００７７】
図２および３は、電極との連絡の２つの可能性を示す。
図２では、電極（３）を備えたカバー（１）が、粘着層（４）を有する微細構造化されたコンポーネント（２）を越えて射出して構成される。２つのコンポーネントを互いに連結した後に、電極はその外部領域（３ｂ）経由で連絡されることができる。
【００７８】
図３では、カバー（１）および基板（２）が同じ大きさを有している。互いに連結された後、電極は側面で連絡されることはできない。代わりに、基板に付加的な穿孔（５）があり、それを通って電極（３）が、例えばバネ式のピン（sprung pin）を用いて連絡されることができる。
【００７９】
さらなる説明がなくても、当業者は上記記載を最大限に利用することができると思われる。したがって、好ましい態様および例は、如何なる意味においても制限するものではなく、記載による開示としてのみ理解されるべきである。
【００８０】
以上および以下に示された全ての出願、特許および刊行物、および１９９９年６月１６日に提出された対応する出願であるDE 199 27 533の完全な開示が、本出願において引用され組み入れられている。
【００８１】
例
以下の分離は、図５に対応する分析システムを用いて行われた。図５は、チャンネルセクションＫ、貯蔵体Ｒ、分枝ポイントＶ、流体接続Ｆおよびリード電極Ｌおよび検出電極Ｄを有するチャンネルシステムを示す。
１．トマト・ケチャップ中の安息香酸の検出
サンプル材料の２段階分離を行った。第一ステップにおいて等速電気泳動による分離をＴＥおよびＬＥバッファーで行い、第二ステップにおいてＴＥおよびＣＥバッファーを用いてキャピラリ電気泳動を行った。
【００８２】
分離条件：
ＬＥ (リード電解液):１０ｍｍｏｌ／ｌのＨＣｌ＋β−アラニン＋０．２％のメチルヒドロキシエチルセルロース、ｐＨ＝３．９
ＴＥ (ターミナル電解液):１０ｍｍｏｌ／ｌのプロピオン酸＋ε−アミノカプロン酸、ｐＨ＝４．７
ＣＥ (キャピラリ電気泳動バッファ):１０ｍｍｏｌ／ｌのプロピオン酸＋ε−アミノカプロン酸＋０．２％のメチルヒドロキシエチルセルロース、ｐＨ＝４．２
電流１：８μＡ
電流２：７μＡ
サンプル：Ketchup Tortex（登録商標、ポーランド）
【００８３】
サンプル調製：１ｇのケチャップに０．１ｍｍｏｌ／ｌ水酸化ナトリウム溶液を１００ｍｌ加え、超音波槽中で１０ｍｉｎ処理した。その後、混合液をろ過し、適度に希釈した。
サンプル１０μｌを適用した。分離の結果を図６および７の中で示す。ｘ軸を秒単位で示し、そしてｙ軸上に抵抗Ｒを与える。図６は第一の分離段階である等速電気泳動の後の分離を示す。図７は、先の等速電気泳動の後のキャピラリ電気泳動による分離の結果を示す。
【００８４】
上のグラフ線は５００倍に希釈したケチャップを示し、下のグラフ線は５００倍に希釈したケチャップに１０μｍｏｌ／ｌの安息香酸を添加した後のものを示す。Ｂの印を付したピークは安息香酸を示す。ピーク下の面積は、上のカーブと比較して著しく増加した。
したがって、困難を伴う基質（matrix）中の安息香酸の検出下限が、１０μｍｏｌ／ｌより明らかに低いことが見出された。
【００８５】
２．ワインの分析
分離条件：
ＬＥ： １０ｍｍｏｌ／ｌのＨＣｌ＋β−アラニン＋０．１％のメチルヒドロキシエチルセルロース、ｐＨ＝２．９
ＴＥ １：５ｍｍｏｌ／ｌのカプロン酸＋ヒスチジン、ｐＨ＝６．０
ＴＥ ２：５ｍｍｏｌ／ｌのグルタミン酸＋ヒスチジン、ｐＨ＝５．０
図８〜１０は、下記のサンプルの分析結果を示す。Ｘ軸は秒単位の時間を表し、Ｙ軸は抵抗値Ｒを表す。
【００８６】
図８：
０．２ ｍｍｏｌ／ｌの硫酸塩、亜硫酸塩、リン酸塩、マロン酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、リンゴ酸塩、乳酸塩、グルコン酸塩、アスパラギン酸塩、コハク酸塩、酢酸塩、アスコルビン酸塩、ソルビン酸塩。
電流１：１０μＡ
電流２：１０μＡ
【００８７】
図９：
２０倍に希釈した白ワイン＋０．２５ｍｍｏｌ／ｌのアスパラギン酸塩。
電流１：２０μＡ
電流２：１０μＡ
【００８８】
図１０：
２０倍に希釈した赤ワイン＋０．２５ｍｍｏｌ／ｌのアスパラギン酸塩。
電流１：１０μＡ
電流２：１０μＡ
【００８９】
図６〜８の番号は以下の成分を示す：
１ ＝ 硫酸塩
２ ＝ 亜硫酸塩
３ ＝ リン酸塩
４ ＝ マロン酸塩
５ ＝ 酒石酸塩
６ ＝ クエン酸塩
７ ＝ リンゴ酸塩
８ ＝ 乳酸塩
９ ＝ グルコン酸塩
１０ ＝ 内部標準としてのアスパラギン酸塩
１１ ＝ コハク酸塩
１２ ＝ アスコルビン酸塩
１３ ＝ 酢酸塩
１４ ＝ ソルビン酸塩
ｉ ＝ 不純物
【００９０】
３．スープ調製物中のグルタミン酸の定量
分離条件：
ＬＥ： １０ｍｍｏｌ／ｌのヒスチジン塩酸塩＋ヒスチジン＋０．２％のメチルヒドロキシエチルセルロース、ｐＨ＝６．１
ＴＥ：８ｍｍｏｌ／ｌのモルホリノエタンスルホン酸＋ヒスチジン、ｐＨ＝６
電流１：１０ｍＡ
電流２：１０ｍＡ
サンプル：
１−ビタナ（ＶＩＴＡＮＡ：商品名）ブイヨン（ｂｒｏｔｈ）：２５００倍希釈
２−クノール（ＫＮＯＲＲ：商品名）野菜スープ：６２５倍希釈
３−マギー（ＭＡＧＧＩ：商品名）フレンチスープ：６２５倍希釈
４−クノール（ＫＮＯＲＲ：商品名）ビーフブイヨン：５０００倍希釈
５−コタニー（ＫＯＴAＮＹＩ：商品名）混合シーズニング：１２５０倍希釈
６−カルパチア（ＣＡＲＰＡＴＨＩＡ：商品名）グーラッシュスープ：１２５０倍希釈
７−クノール（ＫＮＯＲＲ：商品名）混合シーズニング：２５００倍希釈
【００９１】
サンプルの分析結果を図１１中に示す。ｘ軸を秒単位で示し、そしてｙ軸は抵抗Ｒである。Ｇはグルタミン酸を意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つのコンポーネントを有する連続フローのユニットの可能な構造の例を示す。
【図２】電極と接触する２つの可能な例の一方の例を示す。
【図３】電極と接触する２つの可能な例の他方の例を示す。
【図４】光学配列マーカーを有するコンポーネントを示す。
【図５】チャンネルセクションＫ、貯蔵体Ｒ、分枝ポイントＶ、流体接続Ｆおよびリード電極Ｌおよび検出電極Ｄを有するチャンネルシステムを示す。
【図６】第一の分離段階である等速電気泳動の後の分離を示す。
【図７】先の等速電気泳動の後のキャピラリ電気泳動による分離の結果を示す。
【図８】０．２ｍｍｏｌ／ｌの硫酸塩、亜硫酸塩、リン酸塩、マロン酸塩、酒石酸塩、クエン酸塩、リンゴ酸塩、乳酸塩、グルコン酸塩、アスパラギン酸塩、コハク酸塩、酢酸塩、アスコルビン酸塩およびソルビン酸塩を含むサンプルの分析結果を示す。
【図９】２０倍に希釈した白ワイン＋０．２５ｍｍｏｌ／ｌのアスパラギン酸塩を含むサンプルの分析結果を示す。
【図１０】２０倍に希釈した赤ワイン＋０．２５ｍｍｏｌ／ｌのアスパラギン酸塩を含むサンプルの分析結果を示す。
【図１１】２５００倍希釈したビタナブイヨン、６２５倍希釈したクノール野菜スープ、６２５倍希釈したフレンチスープ、５０００倍希釈したクノールビーフブイヨン、１２５０倍希釈したコタニー混合シーズニング、１２５０倍希釈したカルパチアグーラッシュスープおよび２５００倍希釈したクノール混合シーズニングを含むサンプルの分析結果を示す。[0001]
The present invention relates to the manufacture and structure of microstructure analysis systems, and in particular to those having an apparatus for controlling and measuring electrical conductivity.
[0002]
Microstructural analysis systems, especially those with microfluidic channel structures, are becoming increasingly important. Of particular interest are microstructured analytical systems that provide a means for electrophoretic separation and analysis of samples.
[0003]
Analytical units that can be used for such applications generally have a base plate (substrate) and a cover between which microchannel structures, electrodes and detectors, reactors, valves, etc. It consists of other necessary functional structures.
[0004]
The requirement that must be made for a micro-flow analysis system is sufficient stability against mechanical, chemical, electrical and thermal effects. For channel structures, mechanical stability means in particular dimensional and volumetric stability, which is an important prerequisite for, for example, quantitatively reproducible sample delivery.
[0005]
Stability to pressure inside the microchannel is also required for the use of pumps used, for example, to load the microchannel. Obviously, the member used must be chemically unreactive with the medium transported in the channel. When electrodes are introduced into the channel, for example when used as detector electrodes, they must be placed with high accuracy (several μm) in the channel to give reproducible results.
[0006]
It is also a prerequisite that there is no contamination on the contact surface in the channel. In addition, the electrode must allow low internal resistance and potentially high current flow. This is especially true for what is termed a power electrode that can cause electrokinetic flow in the channel, depending on the medium used. Finally, the electrodes must be easily connectable.
[0007]
A frequently used material for the production of this type of analytical unit is silicon dioxide or glass. However, these materials have the disadvantage that they are unsuitable for cheap mass production of analytical systems. Plastic base materials are much more suitable for this purpose. Substrates such as substrates and covers that contain actual microstructures can be inexpensively advanced by known methods such as hot embossing, injection molding, or reaction molding. Manufacturable with reproducibility.
[0008]
In contrast, there is currently no suitable method for mass production of plastic components to seal the open microstructure with the resulting cover. This also means that the microelectrodes (microchannels) in which the metal electrode must be placed anywhere in the closed channel structure and all four sides of the channel must be made of the same material. This is especially true for the canal structure.
[0009]
EP 0 738 306 describes a method in which a melted thermoplastic is spun onto a constructed polymer substrate to seal the microchannel structure. This dissolved thermoplastic has a lower melting point than the parts that are bonded together. The cover and substrate are heated and bonded at 140 ° C. Therefore, the surface of the channel (three wall surfaces) is made of a thermoplastic adhesive. When the adhesive is dropped onto the cover, at least one surface of the channel is subjected to adhesion by the adhesive.
[0010]
In US Pat. No. 5,571,410 it is described that a micro-flow structure is produced in Kapton® by laser removal and welded to Kapton coated with KJ®. Also in this case, at least one wall surface of the channel structure is made of the second substance.
[0011]
Becker et al. (H. Becker, W. Dietz, P. Dannberg, “Microfluidic manifolds by polymehr hot embossing for μTAS applications,” Proceedings Micro Total Analysis Systems 1998, 255-256, Banff, Canada) Report on the manufacture of micro-flow channels in hot embossed PMMA sealed by bonding held in
[0012]
WO 97/38300 describes a method in which the cover is adhered by a homogeneous polydimethylsiloxane (PDMS) adhesive layer and adhered to a polyacrylic acid based fluid structure.
[0013]
All of the above methods allow the manufacture of a microflow channel structure by bonding the substrate to the cover, but not all four wall surfaces of the channel are made of the same material. Furthermore, they do not allow the incorporation of electrodes that are in direct contact with the media in the channel when all four side walls of the channel are made of the same material at the same time.
[0014]
EP 0 767 256 describes a method for incorporating an electrode into a microstructure, but since the metal salt solution must be used to rinse the photochemical coating of the metal in the channel, the method is liquid contact. -insulated contact) is not possible.
[0015]
Incorporating the electrode at any desired point in the microstructure where the electrode has the potential for contact via liquid is described by Fielden et al. (PR Fielden, SJ Baldock, NJ Goodard, LW Pickering, JE Prest, RD Snook, BJT Brown, DI Vaireanu, “A miniturized planar isotachophoresis separation device for transition metals with integrated conductivity detection”, Proceedings Micro Total Analysis Systems '98, 323-326, Banff, Canada).
[0016]
The authors molded the microflow channel structure with silicone (PDMS) and pressed it mechanically against a platen with electrodes (copper). In this way, the channel range is defined by two different materials. In order to seal the resulting channel, a constant mechanical pressure must be maintained. In this system, the channel structure is easily deformed by pressure on the silicone cushion. Even in this case, at least one side wall of the channel structure is made of another material.
[0017]
Therefore, the object of the present invention can be introduced at any desired point where the substrate and cover are made of a polymer organic material, which are firmly bonded to each other, within which the electrode can be contacted via a liquid. An improved microfluidic analysis system is provided. When incorporating electrodes into an analytical system, a further objective is to allow the electrodes in the channel system to be incorporated at any desired point and not be damaged or separated by the joining process.
[0018]
In the prior art document and the above object, by combining a novel method for producing a noble metal coating with good adhesion to the plastic surface using a special joining technique for joining two plastic components It has been found that it is possible to produce a micro-flow analysis system with the discussed performance, more precisely a continuous flow unit for the micro-flow analysis system.
[0019]
The present invention thus relates to a method for producing a microstructured, continuous flow unit for an analytical system comprising essentially the following steps:
a) at least one substrate and cover made of plastic and having at least one component microstructured;
b) wetting the substrate or cover with adhesive in the absence of adhesive inside the channel;
c) arranging the components in a row;
d) pressing components together:
e) solidify the adhesive.
[0020]
It is a preferred embodiment to use at least one component with electrodes in step a).
It is also a preferred embodiment of the method of the present invention to perform the adjustment during step c) using a sputter optical alignment marker.
The invention further relates to a microstructured continuous flow unit produced by the method of the invention.
A system having electrodes that are freely in contact with the interior of the channel system is a preferred embodiment of the continuous flow unit of the present invention.
[0021]
A system having an electrode having a chromium oxide adhesive coating and a noble metal coating is a preferred embodiment of the continuous flow unit of the present invention.
FIG. 1 shows an example of a possible structure of a unit of continuous flow with two components.
Figures 2 and 3 show two possible examples of contacting the electrodes.
FIG. 4 shows a component having an optical alignment marker.
Figures 5-11 are described in more detail in the examples.
[0022]
Microfluidic or microstructured analysis systems generally have at least a channel system and optionally a recess for incorporating peripheral devices, and a detection that can be incorporated into or connected to a continuous flow unit Peripheral devices such as vessels, fluid connections, reservoirs, reaction chambers, pumps, and controllers.
[0023]
A continuous flow unit for a micro-flow analysis system having a device for measuring and controlling conductivity is a system of the present invention, wherein a liquid is obtained by interconnecting at least two components, such as a substrate and a cover. Closely and / or hermetically sealed microchannel structures can be manufactured. For this purpose, the substrate and the cover are firmly joined together.
[0024]
In addition, these systems can have electrodes entering the channel system at any desired location in the channel system so that the electrodes can freely contact the interior of the channel. The present invention therefore relates to a microstructured continuous flow unit for an analysis system and thus in a broader sense relates to a microstructured analysis system.
[0025]
The microflow analysis system can accommodate a variety of applications with different parameters such as channel structure, changing connections with other systems such as pumps, supply lines, etc., and changing any desired arrangement of electrodes. Particularly preferably, the continuous flow unit of the invention for an analytical system is used for electrophoretic separation and analysis for capillary electrophoresis or isotachophoresis and for micropreparative syntheses or derivation of substances. For application in the field.
[0026]
The analyte can be detected directly after exiting the analysis system or directly in the system, i.e. the continuous flow unit. Preferably, optical or electrochemical detection methods are incorporated into the continuous flow unit. Electrochemical detection is performed using appropriately provided and arranged electrodes.
[0027]
For optical input or output into or out of the channel, mainly the method in which the optical fiber is placed directly in front of a glass capillary (eg “classical CE”) is used. Is done. For laser-induced fluorescence measurements (LIF) of microstructured channels in planar two-dimensional systems, the excited laser light is collected on the channel by free beam optics, and free beam optics systems (often, A method has been established in which fluorescence is detected by a microscope with a confocal optical detector, such as a CCD camera.
[0028]
The component of the continuous flow unit of the analytical system is preferably a commercially available thermoplastic, cycloolefin copolymer such as PMMA (polymethylmethacrylic acid), PC (polycarbonate) polystyrene, or PMP (polymethylpentene). Or a thermosetting plastic such as an epoxy resin. More preferably, all components of the continuous flow unit, i.e. the substrate and the cover, are made of the same material.
[0029]
The component can be manufactured by methods known to those skilled in the art. Microstructured components can be manufactured by established methods such as hot embossing, injection molding or reactive casting. Particularly preferred is the use of components that can be replicated by known methods for mass production. Microstructure components have a cross-sectional area of 10-250,000 μm ² Can have a channel structure.
[0030]
Electrodes introduced into the continuous flow unit of the present invention are typically used for ion flow generation or detection purposes. They must have sufficient adhesion to plastic components. This is important for both the connection of individual components and the subsequent use of the analytical system.
[0031]
The planned use of the analytical system is particularly important for the selection of electrode materials. In the analysis region, the electrode should be made of a chemically inert material, such as a noble metal (platinum, gold), since a system having a microchannel structure and incorporating the electrode is mainly used.
[0032]
The selection of this type of material and the methods of applying them are known to those skilled in the art. Typically, plastic surfaces are metallized with an electrochemical coating of metal from a metal salt solution. For this purpose, it is common in a multi-stage process to first chemically or mechanically pretreat the plastic surface, apply a discontinuous primer, and finally apply an electrochemical coating. It is customary.
[0033]
These metallization methods are described, for example, in US 4,590,115, EP 0 414 097, EP 0 417 037, and Wolf and Gieseke (GDWolf, H. Gieseke, "Neues Verfahren zur ganzflaechigen und partiellen Metallisierung von Kunststoffen" New method for partial metallization], Galvanotechnik 84, 2218-2226, 1993). Wet-chemical processes are common in the fact that relatively complex pretreatment steps are required to achieve sufficient adhesion strength.
[0034]
DE 196 02 659 describes the application of copper with high adhesive strength to multiphase polymer blends by vaporizing or sputtering. The reason for good adhesion is the composition of the polymer blend. According to this, the blend must contain polyarylene sulfide, polyimide or aromatic polyester.
[0035]
The effect of metal plasma pretreatment to achieve improved adhesion of metal to plastic surfaces is described by Friedlich (J. Friedlich, “Plasma-behandlung von Polymere” [polymer plasma treatment], kleben & dichten 41, 28-33. 1997), illustrated and outlined by various commercially available thermoplastics.
[0036]
The general purpose of plasma pretreatment is to generate polar functional groups on the polymer surface, resulting in increased adhesion strength of the metal layer. As an example, the effect of chromium as an adhesive layer in the metallization of plastics is described. The cause of the good adhesion of chromium mentioned is the interaction of polar groups, for example carbonyl groups or ester groups, with the chromium 3d orbitals.
[0037]
Particularly preferably, the electrode structure is formed on the plastic component by use of a two-layer method. In the present invention, a chromium oxide adhesion promoting layer is first manufactured for this purpose. Chromium oxide has been found to have excellent adhesion on plastic surfaces as opposed to noble metals. Furthermore, chromium oxide is considerably more resistant to the redox reaction process as opposed to chromium as an element and other transition elements. Thereafter, a noble metal such as platinum, its alloys or gold is deposited on the chromium oxide deposition layer.
[0038]
The layer of chromium oxide and the noble metal formed thereon is preferably a plastic substrate or the entire surface, using a method called the lift-off method or the shadow-mask method. Selectively applied to the metal layer structure first applied to These processing techniques are standard processing methods in microstructure engineering. The work steps necessary for the two-layer method for the manufacturing method are described below.
[0039]
Lift-off process: Plastic components that are selectively metallized are coated with photoresist. This photoresist should not be etched or etched very little of the plastic parts to be metallized. For example, it has been shown that Berlin-based Allresist photoresist (AR 5300/8) is suitable for PMMA, PS and PC. After exposure and development of the structure to be metallized, a metal layer is applied to the sputtering unit.
[0040]
The chromium oxide layer is applied during the sputtering process by introducing oxygen into the argon plasma of a typically used sputtering system. The sputtering target used is a normal chromium target. A typical chromium oxide layer thickness is 10-50 nm. As an alternative, a chromium oxide target can also be used directly. Sputtering of platinum or its alloys, gold is then performed directly under standard conditions, ie in an argon plasma.
[0041]
Furthermore, it is preferable to perform back-sputtering of plastic in oxygen / argon (volume about 5% / volume 95%) plasma before sputtering chromium oxide for the adhesion strength of the chromium oxide layer. It has become clear that. In an actual lift-off process, the photoresist that has been present, and the metal layer disposed on the resist, along with it, is separated from the plastic component by an Allresist developer (AR 300-26).
[0042]
Shadow mask method: A plastic part that is selectively metallized is covered with what is called a shadow mask. This has a groove inside the region to be metallized. The metal layer is sputtered by these as in the lift-off method. The advantage of this method is that the operation is remarkably simple because the photoresist treatment is omitted. The adhesion strength of the electrode is equivalent to the lift-off technique.
[0043]
Construction of a planar metal layer: Similar to the sputtering method above, the metal layer is first applied to the entire surface of the plastic part to be selectively metallized. This metal layer is constructed in a subsequent process step, for example by selective erosion using laser ablation (gold and platinum) or, for example, selective chemical wet etching.
[0044]
For construction using chemical wet etching, a photoresist (Hoechst AG, Germany; AZ 5214) is first applied to the metal layer, exposed and developed. The gold is then removed in the exposed area in the cyanide solution. A non-conductive chromium oxide layer remains. The remaining photoresist is finally removed by a developer (eg AR 300-26, Allresist, Berlin).
[0045]
The adhesion strength of electrodes made of sputtering and using chromium as the adhesion layer, and also chromium oxide, has been tested by a tear-off test. The strength of the chromium oxide layer deposition is significantly greater. Even in ultrasonic treatment in an alkaline solution, a metal layer produced using chromium oxide as the adhesion layer exhibits significantly higher resistance than a metal layer produced using chromium as the adhesion layer.
[0046]
The individual components are interconnected by the method according to the invention after their manufacture and preparation. Preferably, the component that is the substrate is microstructured and comprises a back perforation or groove to fill the channel and / or contact the electrode. Furthermore, the use of so-called sealing lips, ie ridges on the substrate that completely enclose the channel structure, typically at a height in the range of 0.5 and 5 μm, is very useful for the deposition process. It has been found.
[0047]
The other component, the cover, functions as converging and comprises electrodes, for example in an electrophoretic analysis system. In this case, the cover according to the invention is called an electrode cover. The process of the present invention is not only related to the measurement and control device manufacturing by the analytical system, but certain aspects of the system may require functionalization of components that do not apply to this preferred aspect.
[0048]
For example, in this case, more than two components, such as two covers and one substrate, can be interconnected to form a hierarchical channel structure, and other functions such as detection systems, reaction chambers, etc. Can be incorporated into components. In the present invention, all parts of a continuous flow unit of an analytical system that are interconnected using a bonding process are referred to as components.
[0049]
They can be microstructured, provided with electrodes, or have other functions. The component division is only as a more detailed description of a particular component if each component of the substrate, cover or electrode cover is supplied with an electrode, such as a microstructure. It does not represent a limitation on other properties or combinations of each other.
[0050]
In a preferred embodiment, the analysis system consists of two components. One component, such as the substrate, is microstructured and has other recesses for channel systems and other functions, such as connections for fluids. This component is manufactured using an injection molding process. The perforations for filling the channels and / or communicating with the electrodes are in this case formed directly by corresponding recesses in the mold.
[0051]
The electrode cover in this case, which is the second component, has no microstructure at all. Instead, all the electrodes are placed on this component. This separation greatly simplifies the production of the two components. It is not necessary to subject the microstructured components used in the injection molding process to other process steps. The electrode is sputtered onto a flat unstructured component.
[0052]
In the present invention, the components are interconnected with high accuracy. It is important for analytical accuracy that none of the walls contain highly reactive plastics, ie unpolymerized or molten plastic. This means that the adhesive must not penetrate into the channel and cover the surface as it may change the properties of the channel surface. This has been shown to lead to, for example, increased adhesion of analytes such as proteins to canals wet with adhesive. This in turn affects the resolution of the analytical system. Similarly, attaching adhesive to the electrodes impairs their function.
[0053]
It is also very important that there is no channel volume variation, such as can occur due to uncontrolled penetration of the adhesive. In the present invention, the channel is built near the detection electrode to improve the sensitivity of detection. As a result, it is important that the adhesive does not penetrate into the channel strictly in this region.
[0054]
In the present invention, an adhesive is first applied to the microstructured component, preferably at the point where no construct is present, to interconnect the components. The layer thickness is in the range of 0.5 to 10 μm, preferably in the range of 3 to 8 μm. Typically it is applied using a flat roller application known in the printing art.
[0055]
In a preferred embodiment, the thin tacky film is now applied by a structured metal screen roll that takes a defined volume of adhesive to another unstructured second roll covered with polymer. Is done. From this, the application is then carried out directly on the constructed substrate so as to give an adhesion thickness of preferably between 3 and 8 μm.
[0056]
Depending on the plastic (substrate material) used, the transfer between the plastic roll and the substrate is affected by any increase in viscosity (prepolymerization) of the adhesive. An important advantage of this method is that the substrate does not need to be positioned with respect to the roll carrying the adhesive, otherwise the adhesive is only applied to the unbuilt area of the substrate.
[0057]
If the cover and substrate are pressed together when too much adhesive is applied, the adhesive will flow into the channel. If a partially insufficient adhesive is applied, this will result in leakage within the channel structure. This bonding method requires component flatness, preferably less than about 5 μm / cm component length.
[0058]
The adhesive used should not etch the surface of the component or only slightly etch it so that the electrode is not separated or disturbed by the adhesive during the deposition process But it must not be. Thus, preferably, the adhesive used is NOLAND product NOA 72 from America New Brunswick NJ, which is an acrylate containing a mercapto group. This adhesive is solidified photochemically. However, other types of adhesives can be used in the method, such as, for example, solidified by heat that meets the above conditions.
[0059]
After the adhesive is applied, the second component with the thin layer electrode is suitably placed and pressed against the substrate, for example on an exposure machine. For this purpose, the substrate is fixed, preferably with applied adhesive, in another situation in the exposure apparatus where a silicon wafer is supplied.
[0060]
In this method, since the positioning and the solidification of the adhesive can be performed photochemically by exposure using an Hg lamp (radiation wavelength: 366 nm), a thick glass plate is preferably used as the pressing surface. The electrode cover is secured in the position provided for the exposure mask by being held by a vacuum apparatus having a rolled glass plate.
[0061]
Since the electrode cover and the glass plate used for holding the cover are transparent, the cover can be arranged in this arrangement with respect to the substrate. If the cover extends beyond the substrate, it can also be held mechanically.
[0062]
In the deposition process, in addition to the photochemical alignment, typically with the aid of optical alignment marks, the cover is passively and mechanically applied with special alignment marks using a push-in apparatus. It can also be placed on the substrate photochemically without use or electromechanically with electrical marks (contacts).
[0063]
FIG. 4 shows a component having an optical alignment mark that is preferred in the present invention for opto-mechanical alignment. In addition, the electrode (black) and channel structure can be seen. It has been found that the metal alignment marks on the cover can be applied in the same process step with the electrodes, i.e. preferably can be sputtered, in other words no additional costs are required. Since these are introduced into the substrate along with the channel structure in the molding step, no additional cost is required for the corresponding paired structure on the substrate.
[0064]
In an opto-mechanical arrangement, at least one component must be made of a transparent plastic. With the alignment mark applied according to the invention, the two components are placed and pressed against each other with an accuracy of at least ± 10 μm, typically ± 2 μm (eg the theory at the actual position of the detection electrode) . A high level of accuracy maintains the achievement of reproducible analytical results. The adhesive is then polymerized by a UV lamp. After releasing the vacuum for holding the cover or releasing the mechanical fixation, the continuous flow unit is removed from the exposure apparatus.
[0065]
In another preferred embodiment, the component is supplied with adhesive by a known method in printing (pad printing). Components provided with electrodes for this purpose may not be present on the channel when the two components are combined, but for this purpose on areas that must not be electrically connected. Wet with adhesive. In microstructured components, the adhesive is wetted so that it does not penetrate the channel structure or other grooves. Pad printing is the application of a structured adhesive.
[0066]
The adhesive is stored in the mold on the negative side of the substrate. This adhesive is typically taken up in a structured manner by a silicone pad and applied, for example, on the cover so that the areas forming the walls of the fluid channel are not subsequently wetted by the adhesive. The component having the channel structure is then placed and pressed against its cpounterpiece in an appropriate manner as described above. Solidification is performed as described above.
[0067]
Structured by using a spray method (eg microdrop method) or screen-printing method if the lateral discharge of the adhesive removal is sufficient Adhesive can be applied.
[0068]
For the purposes of the present invention, pressing the second component, or pressing the components together, means that the components are in proper contact with each other. In order to achieve a permanent connection of the components, it is usually not necessary to apply a large force, ie to press the components firmly together.
[0069]
If the step of solidifying the adhesive is performed outside the alignment device used to position the cover and substrate, the metallized cover and substrate are first laser welded after they are aligned with each other. Can be adhered by. After this, the composite is removed from the alignment device, and the used adhesive is solidified in a separate exposure device or oven. This procedure contributes to the acceleration and simplification of the process because it is not necessary to perform solidification in the array device.
[0070]
Since most of the thermoplastic materials that are preferably used are transparent to laser light in the visible and near-line wavelength regions, laser welding in this wavelength region absorbs optical power at the boundary between the cover and the substrate. An absorber layer is required. This absorption layer is applied simultaneously with the application of the power electrode or the detection electrode. For example, during sputtering of an electrode with a noble metal, the electrode cover can be further sputtered at additional locations with the noble metal layer as an absorbing layer.
[0071]
Electrode cover welding to a substrate (base material PMMA) with a 200 nm thick platinum electrode and an additional platinum surface for laser power absorption is a diode laser with a power of 40 watts and a focal diameter of 1.6 mm Performed with radiation (mixture of wavelengths of 808, 940 and 980 nm). The platinum layer is destroyed during welding.
[0072]
Alternatively, for example, a substrate or cover filled with carbon black particles can be used as the absorber. However, this last-mentioned method has the disadvantage that at least one channel wall results from another material. The possibility of input to or output from optical power channels for optical detection purposes is also limited thereby.
[0073]
The method according to the invention firstly makes it possible to produce a closed microchannel structure in which the walls are made of one material and the electrodes can be placed in any desired position in the channel. The structured component (substrate) can be supplied as liquid-tight and air-tight, for example with an electrode cover.
[0074]
By using mainly commercially available plastics and simple manufacturing steps, the analysis system according to the present invention can be manufactured in large quantities at low cost. By the method according to the invention for bonding or bonding, after bonding, the adhesive does not penetrate into the channel system, i.e. on the channel, the interior of the wall or on the electrode or other device entering the channel system. The component is wetted by the adhesive in such a way that it does not penetrate.
[0075]
As a result, the resolution and analytical sensitivity of the system are improved. The continuous flow unit according to the present invention for an analytical system with conductive measuring and control devices addresses all the requirements that must be imposed on such a system:
-They show a high stability of channel dimensions and volumetric measurement.
-As a result of the strength of the sticky bonds, they are stable against pressure inside the channel.
-A wide variety of plastics can be used.
The ability to use chemically inert materials for the components and electrodes;
-The four channel walls are preferably all made of the same material.
The electrode can be positioned at any desired point in the channel, with an accuracy of typically ± 10 μm, and even ± 2 μm.
The electrode contact surface is not contaminated by the adhesive.
-The electrodes are easily connected.
-The system exhibits a low internal resistance and allows a potentially high current density.
[0076]
FIG. 1 shows by way of example two functional components of a microstructured analysis system. The component 1 which is an electrode cover has four electrodes (E) for generating ion flow and three electrodes (D) for electrical or electrochemical detection. Component 2 is finely structured. When the two components are connected to each other, the end of the electrode on the cover enters exactly into the channel of the substrate.
[0077]
Figures 2 and 3 show two possibilities of communication with the electrodes.
In FIG. 2, the cover (1) with the electrodes (3) is constructed by injection beyond the microstructured component (2) having the adhesive layer (4). After connecting the two components together, the electrodes can be communicated via their external area (3b).
[0078]
In FIG. 3, the cover (1) and the substrate (2) have the same size. After being connected to each other, the electrodes cannot be communicated on the sides. Instead, there are additional perforations (5) in the substrate, through which the electrodes (3) can be communicated, for example using spring-loaded pins.
[0079]
Without further explanation, one skilled in the art would be able to make the best use of the above description. Accordingly, the preferred embodiments and examples should not be construed as limiting in any way, but should be understood only as a disclosure by description.
[0080]
The complete disclosure of all applications, patents and publications listed above and below, and the corresponding application DE 199 27 533 filed on June 16, 1999, is hereby incorporated by reference. Yes.
[0081]
Example
The following separation was performed using an analysis system corresponding to FIG. FIG. 5 shows a channel system having a channel section K, a reservoir R, a branch point V, a fluid connection F and a lead electrode L and a detection electrode D.
1. Detection of benzoic acid in tomato ketchup
Two-stage separation of sample material was performed. Separation by isotachophoresis was performed with TE and LE buffer in the first step, and capillary electrophoresis was performed with TE and CE buffer in the second step.
[0082]
Separation conditions:
LE (Lead electrolyte): 10 mmol / l HCl + β-alanine + 0.2% methylhydroxyethylcellulose, pH = 3.9
TE (terminal electrolyte): 10 mmol / l propionic acid + ε-aminocaproic acid, pH = 4.7
CE (capillary electrophoresis buffer): 10 mmol / l propionic acid + ε-aminocaproic acid + 0.2% methylhydroxyethylcellulose, pH = 4.2
Current 1: 8 μA
Current 2: 7 μA
Sample: Ketchup Tortex (registered trademark, Poland)
[0083]
Sample preparation: 100 ml of 0.1 mmol / l sodium hydroxide solution was added to 1 g of ketchup and treated for 10 min in an ultrasonic bath. Then, the liquid mixture was filtered and diluted moderately.
10 μl of sample was applied. The results of the separation are shown in FIGS. The x-axis is shown in seconds and resistance R is given on the y-axis. FIG. 6 shows the separation after isotachophoresis, the first separation step. FIG. 7 shows the result of separation by capillary electrophoresis after the previous isotachophoresis.
[0084]
The upper graph line shows the ketchup diluted 500 times, and the lower graph line shows the result after adding 10 μmol / l benzoic acid to the ketchup diluted 500 times. The peak marked with B indicates benzoic acid. The area under the peak increased significantly compared to the upper curve.
Therefore, it was found that the lower limit of detection of benzoic acid in a difficult matrix is clearly lower than 10 μmol / l.
[0085]
2. Wine analysis
Separation conditions:
LE: 10 mmol / l HCl + β-alanine + 0.1% methyl hydroxyethyl cellulose, pH = 2.9
TE 1: 5 mmol / l caproic acid + histidine, pH = 6.0
TE 2: 5 mmol / l glutamic acid + histidine, pH = 5.0
8-10 show the analysis results of the following samples. The X axis represents time in seconds, and the Y axis represents resistance value R.
[0086]
FIG. :
0.2 mmol / l sulfate, sulfite, phosphate, malonate, tartrate, citrate, malate, lactate, gluconate, aspartate, succinate, acetate, Ascorbate, sorbate.
Current 1: 10 μA
Current 2: 10 μA
[0087]
FIG. :
White wine diluted 20 times +0.25 mmol / l aspartate.
Current 1: 20 μA
Current 2: 10 μA
[0088]
FIG. :
Red wine diluted 20 times +0.25 mmol / l aspartate.
Current 1: 10 μA
Current 2: 10 μA
[0089]
The numbers in FIGS. 6-8 indicate the following components:
1 = sulfate
2 = sulfite
3 = Phosphate
4 = Malonate
5 = Tartrate
6 = citrate
7 = Malate
8 = lactate
9 = Gluconate
10 = Aspartate as internal standard
11 = Succinate
12 = Ascorbate
13 = acetate
14 = sorbate
i = impurity
[0090]
3. Determination of glutamic acid in soup preparations
Separation conditions:
LE: 10 mmol / l histidine hydrochloride + histidine + 0.2% methylhydroxyethylcellulose, pH = 6.1
TE: 8 mmol / l morpholinoethanesulfonic acid + histidine, pH = 6
Current 1: 10 mA
Current 2: 10 mA
sample:
1-Vitana (trade name) broth: diluted 2500 times
2-Kunor (KNORR: trade name) vegetable soup: 625 times diluted
3-Maggie (MAGGI: trade name) French soup: 625 times diluted
4-Kunor (KNORR: trade name) beef bouillon: diluted 5000 times
5-kotany (KOTANYI: trade name) mixed seasoning: 1250 times dilution
6-Carpathian (CARPPATHIA: trade name) goulash soup: 1250 times diluted
7-Kunor (KNORR: trade name) mixed seasoning: 2500-fold dilution
[0091]
The analysis result of the sample is shown in FIG. The x-axis is shown in seconds and the y-axis is resistance R. G means glutamic acid.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a possible structure of a unit of continuous flow with two components.
FIG. 2 shows one of two possible examples in contact with an electrode.
FIG. 3 shows the other of two possible examples in contact with an electrode.
FIG. 4 shows a component having an optical alignment marker.
FIG. 5 shows a channel system having a channel section K, a reservoir R, a branch point V, a fluid connection F and a lead electrode L and a detection electrode D.
FIG. 6 shows the separation after isotachophoresis, the first separation stage.
FIG. 7 shows the result of separation by capillary electrophoresis after the previous isotachophoresis.
FIG. 8: 0.2 mmol / l sulfate, sulfite, phosphate, malonate, tartrate, citrate, malate, lactate, gluconate, aspartate, succinate, The analysis result of the sample containing acetate, ascorbate and sorbate is shown.
FIG. 9 shows the analysis result of a sample containing white wine diluted 20 times + 0.25 mmol / l aspartate.
FIG. 10 shows the analysis result of a sample containing red wine diluted 20 times + 0.25 mmol / l aspartate.
FIG. 11. Vitona bouillon diluted 2500 times, Knorr vegetable soup diluted 625 times, French soup diluted 625 times, Knorr beef bouillon diluted 5000 times, Kotani mixed seasoning diluted 1250 times, Carpathian goulash soup diluted 1250 times and The analysis result of the sample containing the Knorr mixed seasoning diluted 2500 times is shown.

Claims (5)

微細構造型分析システムのための連続フローユニットを製造するための方法であって、
ａ）少なくとも１つのコンポーネントが微細構造化されたものであり、少なくとも１つのコンポーネントが電極を有するが、微細構造を有しないものである、少なくとも２つのプラスチックコンポーネントが提供されること；
ｂ）前記コンポーネントが連結された後に、チャンネルシステムの内部および電極の接触表面が接着剤でコートされない形で、前記電極を有するが、微細構造を有しない少なくとも１つのコンポーネントがフラットローラーアプリケーションまたはパッドプリンティングにより接着剤で濡らされること；
ｃ）前記コンポーネントが整列されること；
ｄ）前記コンポーネント同士が押圧されること：
ｅ）接着剤が固化されること、
を特徴とし、ここで、微細構造が、チャンネル、穿孔および溝からなる群から選択される、前記方法。A method for producing a continuous flow unit for a microstructural analysis system comprising:
a) at least two plastic components are provided, wherein at least one component is microstructured and at least one component has electrodes but no microstructure;
b) After the components are connected, at least one component having the electrode but not having the microstructure in the form of the channel system interior and electrode contact surfaces not coated with adhesive is flat roller application or pad printing. To be wetted with adhesive by ;
c) the components are aligned;
d) The components are pressed together:
e) the adhesive is solidified;
The features, wherein the microstructure, channel, Ru is selected from the group consisting of perforations and grooves, said method. ステップｃ）中の整列が、スパッタ光学配列マーカーを使用して実行されることを特徴とする、請求項１に記載の、微細構造型分析システムのための連続フローユニットを製造するための方法。The method for manufacturing a continuous flow unit for a microstructured analytical system according to claim 1, characterized in that the alignment during step c) is performed using sputter optical alignment markers. 請求項１または２に記載の方法によって製造された、微細構造型分析システムのための連続フローユニット。A continuous flow unit for a microstructure analysis system manufactured by the method according to claim 1 or 2 . 連続フローユニットが、チャンネルシステムのあらゆる所望の位置に設けられた電極を有し、該電極がチャンネル内部と自由に接触可能であるように、チャンネルシステムに入り込んでいることを特徴とする、請求項３に記載の、微細構造型分析システムのための連続フローユニット。The continuous flow unit has an electrode provided at any desired location of the channel system and enters the channel system so that the electrode can freely contact the interior of the channel. 4. A continuous flow unit for the microstructure analysis system according to 3 . 電極が、酸化クロムの粘着剤コーティングおよび貴金属のコーティングを有することを特徴とする、請求項３または４に記載の、微細構造型分析システムのための連続フローユニット。5. A continuous flow unit for a microstructure analysis system according to claim 3 or 4 , characterized in that the electrode has a chromium oxide adhesive coating and a noble metal coating.

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