DE69806499T2

DE69806499T2 - Serpentinenförmiger elektroforetischer kanal mit selbstkorrigierenden kurven

Info

Publication number: DE69806499T2
Application number: DE69806499T
Authority: DE
Inventors: S Nordman
Original assignee: PE Corp
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2003-02-27
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: CA2307623C; WO1999024828A1; JP2001523001A; EP1031032A1; ATE220456T1; DE69806499D1; CA2307623A1; EP1031032B1; AU747940B2; US6176991B1; AU1458099A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrophoretische Trennvorrichtungen und insbesondere eine Vorrichtung mit einem serpentinenförmigen Trennkanal, beispielsweise in einer mikrogefertigten Vorrichtung.

Hintergrund der Erfindung

Elektrophorese nutzt die differentielle Migrationsrate geladener Spezies durch ein Trennmedium unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes für die Zwecke geladene Spezies zu trennen und/oder deren physikalische Eigenschaften zu charakterisieren. Üblicherweise wird die Probe, welche die zu trennenden geladenen Spezies enthält, an einem Ende eines Trennkanals (welcher ein linearer Kanal oder eine Bahn in einem zweidimensionalen Stab sein kann)- platziert und eine Spannung wird an die gegenüberliegenden Kanalenden angelegt, bis ein erwünschter Migrationsendpunkt erreicht ist. Die getrennten Analytenmoleküle können dann erfasst werden, beispielsweise mittels optischer Erfassung, Radiographie oder Bandenelution
Zum Beispiel wird Gelelektrophorese unter Anwesenheit eines geladenen grenzflachenaktiven Stoffs, wie Dodecylsulfat, häufig für die Proteintrennung und für die Bestimmung von Proteinmolekulargewichten verwendet. Elektrophorese in einem Gel oder einem flüssigen Medium wird häufig verwendet, um Oligonukleotide mit einer verschiedenen Anzahl von Basen, beispielsweise bei der DNA-Sequenzierung, zu trennen.
Eine der möglichen Anwendungen von Mikrofertigungstechniken ist in dem Gebiet der Säulentrennvorrichtungen, einschließlich Elektrophoresevorrichtungen, vorgeschlagen worden. Jacobsen et al. (Anal. Chem. 66: 2369 (1994); Electrophoresis 16: 481 (1995)) haben eine. "Mikrochip"-Elektrophoresevorrichtung beschrieben, welche durch Ätzen eines offenen elektrophoretischen Kanals und geeigneter Verbindungsreservoirs auf einem Glassplättchen ausgebildet wird. Wegen der kleinen Ausmaße eines Chips, typischerweise weniger als 10- 15 cm pro Seite, ist es erforderlich, die Trennsäule in der Form eines Serpentinenwegs auszubilden, um die für die meisten Anwendungen geeigneten Trennsäulengesamtlängen zu erreichen.
Obwohl eine serpentinenförmige Säule das Problem adäquater Säulenlänge auf einem Mikrochip löst, bringt diese eine potentiell ernsthafte Beschränkung hinsichtlich der Säulenauflösung mit sich. Wenn eine elektrophoretische Bande durch einen linearen Kanal wandert, dann wandern die die Bande ausmachenden Moleküle, welche alle ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit wandern, in der Regel als eine schmale Bande. Wenn dieselben Moleküle jedoch durch eine Kurve in einem Serpentinenweg wandern, dann werden diese Moleküle schneller durch die kürzere innere Seite des Kanals als durch die längere äußere Seite des Kanals wandern, was zu einer Bandenverbreiterung und Ungleichförmigkeit entlang der Breite des Kanals führt. Bei jeder Kurve des Wegs geht weitere Bandenauflösung verloren. Bis zum heutigen Tag hat dieses Problem den Bereich praktischer Elektrophoreseanwendungen im Mikrochipformat stark begrenzt.

Zusammenfassung der Erfindung

In einem Aspekt schließt die Anwendung einen elektrophoretischen Kanal ein, durch den eine oder mehrere geladene Spezies unter dem Einfluss einer zwischen die gegenüberliegenden Enden des Kanals angelegten Spannung wandern sollen. Der Kanal schließt (i) ein Paar von Kanalsegmenten ein, die in Bezug aufeinander unter einem Winkel α angeordnet sind, sowie (ii) einen winkligen Kanalbereich, der die zwei Kanalsegmente verbindet.
Der winklige Kanalbereich weist einen ersten gekrümmten Kanalabschnitt auf, der einen Winkel αf > α aufspannt, wobei α den Winkel zwischen den zwei Kanalsegmenten bezeichnet, sowie einen zweiten gekrümmten Kanalabschnitt, der einen Winkel αs = αf - α aufspannt. Der erste gekrümmte Abschnitt definiert innere und äußere Spuren oder Kanalseiten, so dass ein durch den ersten Kanalabschnitt unter dem Einfluss einer derartigen Spannung wandernder Analyt die innere Spur in einem Zeitintervall δtf schneller durchlaufen wird, als derselbe Analyt die äußere Spur durchläuft. Der zweite gekrümmte Abschnitt definiert zweite innere und äußere Spuren, so dass ein durch den zweiten Kanalabschnitt unter dem Einfluss der gleichen Spannung wandernder Analyt die äußere Spur in einem Zeitintervall δts schneller durchlaufen wird, als derselbe Analyt die innere Spur durchläuft. Die Winkel und Querschnitte der zwei Kanalabschnitte sind derart, dass δtf ungefähr gleich δts ist.
Der Kanal ist typischerweise Teil eines Serpentinenwegs, der eine Vielzahl derartiger Segmente enthält, wobei jedes Paar von benachbarten Kanalsegmenten durch einen dazugehörigen winkligen Kanalbereich verbunden ist.
Wo die zwei Kanalsegmente in Bezug aufeinander unter einem rechten Winkel angeordnet sind, beträgt αf vorzugsweise zwischen ungefähr 110º und 160º bzw. αs zwischen ungefähr 20º und 70º. Wo die zwei Kanalsegmente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, beträgt αf vorzugsweise zwischen ungefähr 200º und 250º bzw. αs zwischen ungefähr 20º und 70º.
Im Format eines mikrogefertigten Chips weist der Kanal eine bevorzugte Breite von ungefähr 25-250 Mikrometer und eine bevorzugte Tiefe von ungefähr 5-100 Mikrometer auf.
In einer allgemeinen Ausführungsform weisen der erste und zweite gekrümmte Abschnitt im Wesentlichen eine konstante Kanalbreite Wf bzw. Ws auf, wobei Wf < Ws. In dieser Ausführungsform schließt der winklige Kanalbereich ferner Segmente mit verjüngter Breite ein, welche den zweiten gekrümmten Kanalabschnitt mit dem ersten Kanalabschnitt und mit einem der zwei Kanalsegmente verbinden. Eine ungefähre Beziehung zwischen Wf und Ws ist durch die Beziehung Ws = (αfWf²Rf/αsRs)1/2 gegeben, wobei Rf und Rs den Krümmungsradius des ersten bzw. des zweiten gekrümmten Abschnitts bezeichnen.
In einer weiteren allgemeinen Ausführungsform weist der erste gekrümmte Kanalabschnitt eine vorzugsweise feste Kanalbreite und der zweite Kanalabschnitt eine variable Breite auf, die stetig nach innen von jedem Ende zunimmt.
In einer noch weiteren Ausführungsform weist der erste gekrümmte Kanalabschnitt eine Kanaltiefe auf, die zu dem zweiten Kanalabschnitt hin stetig zunimmt, und der zweite gekrümmte Kanalabschnitt weist eine Kanaltiefe auf, die von dem ersten gekrümmten Kanalabschnitt weg stetig abnimmt. Die Kanalbreite kann in den Kanalsegmenten und dem Kanal verbindenden Bereich dazwischen im Wesentlichen konstant sein.
Allgemeiner schließt die Erfindung einen Analyt-Trennkanal ein, durch welchen einer oder mehrere Analyren unter dem Einfluss einer auf die gegenüberliegenden Enden des Kanals aufgebrachten Antriebskraft wandern sollen. Die Vorrichtung schließt (i) ein Paar von Kanalsegmenten ein, die in einem Winkel α in Bezug zueinander angeordnet sind und (ii) einen winkeligen Kanalbereich des vorstehend beschriebenen Typs, der die zwei Kanalsegmente verbindet. Die Antriebskraft kann eine an die gegenüberliegenden Enden des Kanals ange legte Spannung, eine Flüssigkeitsbewegung durch den Kanal erzeugende Kraft oder eine Kombination davon sein.
In einem verwandten Aspekt schließt die Erfindung eine mikrogefertigte Vorrichtung für die elektrophoretische Trennung von Analyten in einem Gemisch ein. Die Vorrichtung schließt ein Substrat mit einer darauf ausgebildeten im Wesentlichen planaren Oberfläche, ein erstes und zweites Reservoir sowie einen sich dazwischen erstreckenden serpentinenförmigen elektrophoretischen Kanal ein. Der Kanal weist eine Vielzahl von linearen Segmenten und einen die benachbarten Enden jeden Paares von benachbarten Segmenten verbindenden winkligen Kanalbereich des vorstehend beschriebenen Typs auf. Der Kanal einschließlich der linearen Segmente und der winkligen Kanalbereiche weist bevorzugt Kanalbreitenausmaße von ungefähr 25-250 Mikrometer und Tiefenausmaße von 5-100 Mikrometer auf.
Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung werden offensichtlicher werden, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß mikrogefertigten Vorrichtung mit einem offenen Elektrophoresekanal und auf einem Substrat ausgebildeten Flüssigkeitsreservoirs.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer 180º Kurve in einem erfindungsgemäßen serpentinenförmigen Kanal, die den Effekt der selbstkorrigierenden Kurve auf Bandverzerrung illustriert.
Fig. 3A-3C zeigen Teilansichten entlang der Linien 3A-3A, 3B-3B bzw. 3C-3C in Figur. 2.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer 90º Kurve in einem serpentinenförmigen Kanal, der gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgebildet ist.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer 90º Kurve in einem serpentinenförmigen Kanal, der gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgebildet ist.
Fig. 6 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer 90º Kurve in einem serpentinenförmigen Kanal, der gemäß einer noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgebildet ist.
Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht des Kanalbereichs in Fig. 6 entlang des Kanalwegs 7-7 in Fig. 6.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine mikrogefertigte Vorrichtung 10, die erfindungsgemäß konstruiert ist, für die elektrophoretische Trennung und/oder Charakterisierung eines oder mehrerer Analyten in einem Probengemisch. Die Vorrichtung schließt im Allgemeinen ein planares Substrat 12 ein, in dessen Oberfläche 14 offene Reservoire 16, 18, 19 und 20 sowie ein die Reservoirs verbindender serpentinenförmiger Elektrophoresekanal 22 ausgebildet sind. Die Reservoirs 16 und 18, die dafür gedacht sind, Buffer bzw. Probenflüssigkeit für die Elektrophorese zu enthalten, sind in flüssiger Kommunikation miteinander und mit Kanal 22 über eine gabelartige Verbindungseinrichtung 24 verbunden. Die Reservoirs 19, 20 sind dafür gedacht, den Abfluss zu halten. Die vier Reservoirs sind mit Elektroden 26, 28, 21 und 30 wie gezeigt miteinander verbunden, welche wiederum mit geeigneten Bleispannungsquellen während des Betriebs der Vorrichtung verbunden sind (i) zum Laden von Probe aus dem Reservoir 16 in den Kanal 22 durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 26, 28 und (ii) zum elektrophoretischen Trennen geladener Probenkomponenten durch Anlegen einer Spannung an die gegenüberliegenden Enden des Kanals, d. h. an die Elektroden 21, 30.
Weiter bezugnehmend auf Fig. 1, schließt Kanal 22 eine Vielzahl paralleler, linearer Kanalsegmente, wie Segmente 32, 34 und 36, und gekrümmte Kanalbereiche ein, welche die benachbarten Enden benachbarter linearer Segmente verbinden, wie der gekrümmte Kanalbereich 38, der die Enden der Segmente 32, 34 verbindet. In einer typischen Ausführungsform weist das Substrat oder der Chip Seitenausmaße von ungefähr 1 bis 15 cm auf und die linearen Segmente sind jeweils ungefähr 0.5 bis 10 cm lang. Somit weist zum Beispiel ein Kanal mit 30 linearen Segmenten, die jeweils 8 mm lang sind, eine Säulenlänge unter Vernachlässigung der Längen der verbindenden Bereiche von ungefähr 250 mm auf. Mit den zusätzlichen Längen der verbindenden Bereiche kann die Gesamtlänge im Bereich von 30 cm liegen auf einem Chip, dessen Seitenausmaße bis zu 1 cm klein sein können. Ein über dem Abschnitt des Substrats mit dem serpentinenförmigen Kanal angeordnetes Deckglas 23 dient dazu, den Kanal einzuschließen, obwohl ein offener serpentinenförmiger Kanal gleichfalls denkbar ist.
Der Aufbau eines gekrümmten, verbindenden Bereichs - in diesem Fall Bereich 38 - ist in vergrößerter Draufsicht in Fig. 2 gezeigt, welche Abschnitte der linearen Segmente 32, 34 zeigt, die durch den Bereich verbunden sind. Der Bereich schließt einen ersten gekrümmten Kanalabschnitt 40 ein, der einen Winkel αf aufspannt, der größer ist, als der minimale Winkel α, der dazu nötig ist, die zwei Segmente zu verbinden. Wo wie hier die linearen Segmente parallel sind und a 180º ist, beträgt αf typischerweise ungefähr 200º-250º, d. h. ungefähr 20º- 70º größer als der minimale Winkel. Wie gezeigt weist Abschnitt 40 eine im Wesentlichen konstante Kanalbreite Wf entlang dessen Länge auf, die der Kanalbreite der verbundenen linearen Segmente entspricht.
Wie Fig. 3A entnommen werden kann, welche einen Querschnitt entlang der Linie 3A-3A in Fig. 2 zeigt, weist der Kanal einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite Wf und einer Tiefe δf auf. Wf beträgt typischerweise ungefähr 25-200, vorzugsweise 50-100 Mikrometer und δf typischerweise 5-100, vorzugsweise 25-75 Mikrometer.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 2, schließt Abschnitt 38 einen zweiten gekrümmten Kanalabschnitt 42 ein, der einen Winkel αs aufspannt, der den Winkel αf korrigiert, um den gewünschten 180º Gesamtwinkel in dem gekrümmten Abschnitt bereitzustellen; das bedeutet αs = αf - α. Zum Beispiel beträgt somit, wo α 180º beträgt und αf ungefähr 210º bis 250º beträgt, αs ungefähr 20º bis 70º. Die Breite Ws des zweiten gekrümmten Abschnitts ist größer als Wf und ist im Verhältnis zu den zwei Winkeln αf und αf erfindungsgemäß ausgewählt, um die Bandenverzerrung zu korrigieren, die wie nachstehend beschrieben bei der Bewegung eines Bandes durch den Abschnitt 40 produziert wird. In der dargestellten Ausführungsform, und wie in Fig. 3C gezeigt, ist Ws größer als Wf, was den Effekt hat, die Stärke des elektrischen Feldes auf durch diesen Abschnitt wandernde Analytenmoleküle im Verhältnis zu Abschnitt 40 zu vermindern. Wie in Fig. 3C gezeigt, ist die Kanaltiefe ds im Abschnitt 42 gleich der in Abschnitt 40, d. h. ds = δf.
Der Kanalbereich 38 schließt ferner zwei Segmente 44, 46 verjüngter Breite ein, welche als Schnittstellen zwischen (i) dem Abschnitt kleinerer Breite 40 und dem Abschnitt größerer Breite 42 (Segment 44) und zwischen (ii) dem Abschnitt größerer Breite 42 und dem linearen Segment kleinerer Briete 34 (Segment 46) dienen. Eine Querschnittsansicht des Segments 44 ist in Fig. 3B gezeigt, die eine Kanalbreite zeigt, die zwischen der der Abschnitte 40, 42 und der Kanaltiefe desselben Segments liegt.
Die Arbeitsweise des zweiten Kanalabschnitts bei der Korrektur von in dem ersten Kanalabschnitt erzeugter Effekte des gekrümmten Kanals wird nun gleichfalls unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. In dieser Figur ist eine als eine Bande durch den Kanal wandernde geladene Spezies an mehreren Stellen entlang der gekrümmten Kanalbereiche durch Ziffern 48a-48g angedeutet. Die Bande 48a, welche sich an der Position unmittelbar vor dem Eintritt in den gekrümmten Kanalabschnitt befindet, ist im Wesentlichen unverzerrt, was bedeutet, dass die Bande sowohl schmal als auch entlang einer Achse angeordnet ist, die im Wesent lichen senkrecht zu der Kanalachse liegt. Wenn die Bande in den Kanalabschnitt 40 eintritt, fängt diese an, sich wie bei Fig. 48b gezeigt zu verzerren aufgrund des kürzeren Migrationswegs von Molekülen entlang der inneren Spur 40a und des längeren Migrationswegs von Molekülen entlang der äußeren Spur 40b. Die Verzerrung nimmt stetig zu, während die Bande durch den Abschnitt 40 wandert, wie es durch die Banden 48c und 48d illustriert ist.
Es kann gezeigt werden, dass eine Bande auf der inneren Spur einer Bande auf der äußeren Spur vorausläuft wird mit einer Zeit δtf die ungefähr gleich αf(2WfRf)/uEf-center ist, wobei Rf der Krümmungsradius des gekrümmten Abschnitts 40, Wf die Kanalbreite, u die Mobilität der wandernden Spezies in m²/V sec und Ef-center das elektrische Feld in Abschnitt 40 in der Mitte der Spur ist, das aus der zwischen den gegenüberliegenden Enden des Kanals angelegten Spannung resultiert.
Der Zweck des zweiten gekrümmten Abschnitts besteht darin, eine Korrektur auf der gegenüberliegenden Kanalseite für die in dem ersten gekrümmten Abschnitt erzeugten Bandenverzerrung bereitzustellen. Kurz gefasst ist dieser zweite gekrümmte Abschnitt derart aufgebaut, dass eine Bande auf der äußeren Spur 42b (welche nun die kürzere der beiden Spuren ist) der Bande auf der inneren Spur 42a mit einer Zeit δts vorauslaufen wird, die im Wesentlichen δtf entspricht. Ähnlich wie in der vorstehenden Rechnung kann gezeigt werden, dass δts ungefähr gleich αs(2WsRs)/uEs-center ist, wobei Rs der Krümmungsradius des gekrümmten Abschnitts 42, Ws die Kanalbreite, u die Mobilität der wandernden Spezies in m²/V sec Und Es-center das elektrische Feld in Abschnitt 42 in der Mitte der Spur ist, das gleichfalls aus der zwischen den gegenüberliegenden Enden des Kanals angelegten Spannung resultiert. Es wird bemerkt, dass aufgrund der größeren Kanalbreite im Kanal 42 Es-center gemäß der Beziehung Es = Ef(Wf/Ws) kleiner als Ef-center ist. Die Bedingung δtf = δts ist erfüllt, wenn αf(2WfRf)/uEf-center = αs(2WsRs)/uEs-center, dass bedeutet, wenn αf/αs = Ws²Rs/Wf²Rf. Nimmt man als ein Beispiel an, dass Ws 50 um, αs 210º, αf 30º und Rf = Rs = 1 mm beträgt, dann beträgt Wf ((50 um)²(210/30))1/2 oder ungefähr 132 um.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 2, kann erkannt werden, dass die Bande 48d durch das verjüngte Segment 44 im Wesentlichen ohne Korrektur wandert, innerhalb Abschnitt 42 vollständig korrigiert wird und anschließend durch Segment 46 und in Segment 34 in korrigierter Form wandert, d. h. mit der Bandenachse im Wesentlichen senkrecht zu der Segmentachse.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines 90º gekrümmten Kanalbereichs 50, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, zum Gebrauch beispielsweise in einem serpentinenförmigen Kanal des vorstehend beschriebenen Typs, bei dem jedoch jede 180º Kurve durch zwei an stoßende 90º Kurven erzeugt wird. Der Kanalbereich 50 verbindet zwei lineare Kanalsegmente 52, 54, welche in dieser Ausführungsform im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Der Kanalbereich 50 schließt einen ersten gekrümmten Kanalabschnitt 56 ein, der einen Winkel αf aufspannt, der größer als 90º ist, sowie einen zweiten Kanalabschnitt 58, der einen Winkel αs aufspannt, der den Winkel αf korrigiert, um den gewünschten Gesamtwinkel von 90º in dem gekrümmten Abschnitt bereitzustellen; das bedeutet αs = αf - α. In der α = 90º Ausführungsform beträgt αf typischerweise ungefähr 110º bis 160º bzw. αs ungefähr 20º bis 70º. Wie in der 180º Ausführungsform ist die Breite Ws des zweiten gekrümmten Abschnitts größer als Wf und ist im Verhältnis zu den zwei Winkeln αf und αf erfindungsgemäß ausgewählt, um die Bandenverzerrung zu korrigieren, die wie nachstehend beschrieben bei der Bewegung eines Bandes durch den Abschnitt 56 produziert wird. In der dargestellten Ausführungsform, in der die Kanaltiefe im gesamten Kanalbereich konstant ist, ist Ws größer als Wf und durch die Beziehung αf(2WfRf)/uEf-center = αs(2WsRs)/uEs-center miteinander verbunden oder äquivalent, wenn αf/αs = Ws²Rs/Wf²Rf, wobei Rf, Rs, u, Es-center und Es-center wie vorstehend sind. Nimmt man als ein Beispiel an, dass Ws 50 um, αs 120º, αf 30º und Rf = Rs = 1 mm beträgt, dann beträgt Wf((50 um)²(120/30))1/2 oder 100 um.
Bereich 50 schließt ferner verjüngte Segmente 60, 62 ein, welche als Schnittstellen dienen zwischen (i) dem Abschnitt kleinerer Briete 56 und dem Abschnitt größerer Breite 58 und zwischen (ii) dem Abschnitt größerer Breite 42 und dem linearen Segment kleinerer Breite 54.
Analog zu dem Bandenverhalten in einem 180º Kurvenbereich 38 wird eine im Wesentlichen senkrecht zu der Achse des Segments 52 in den Abschnitt 56 wandernde Analytenbande verzerrt werden aufgrund deren Migration durch Abschnitt 56, wobei die äußere Seite der Bande der inneren Seite der Bande nachläuft. Der Analyt wandert durch das verjüngte Segment 60 im Wesentlichen ohne Korrektur, wird innerhalb Abschnitt 58 vollständig korrigiert und wandert anschließend durch Segment 62 und in Segment 54 in korrigierter Form hinein, d. h. mit der Achse der Bande im Wesentlichen senkrecht zu der Segmentachse.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines 90º gekrümmten Kanalbereichs 64, der erfindungsgemäß aufgebaut ist, zum Gebrauch beispielsweise in einem serpentinenförmigen Kanal 66 des vorstehend beschriebenen Typs. Kanalbereich 64 verbindet zwei lineare Kanalsegmente 68, 70 miteinander, die in dieser Ausführungsform in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Kanalbereich 64 schließt einen ersten gekrümmten Kanalabschnitt 72 ein, der einen Winkel αf aufspannt, der größer als 90º ist, sowie einen zweiten Ka nalabschnitt 74, der einen Winkel αs aufspannt, der den Winkel αf korrigiert, um den gewünschten Gesamtwinkel von 90º in dem gekrümmten Abschnitt bereitzustellen.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 4 dargestellten darin, dass der gekrümmte Abschnitt 74 den Abschnitt 58 und die zwei verjüngten Segmente 60, 62 im Abschnitt 50 als ein kontinuierlich gekrümmter Abschnitt ersetzt. Mit anderen Worten, Ws ist durch den Abschnitt 74 von einer minimalen Breite Ws zu einer maximalen Breite Ws-max kontinuierlich variabel. Beispielhafte Winkel αs, αf sind wie vorstehend, wobei der Krümmungsradius Rs von Abschnitt 74 ungefähr drei- bis viermal so groß wie der in der Ausführungsform von Fig. 4 ist, jedoch der den Abschnitt aufspannende Winkel αs in beiden Ausführungsformen ungefähr gleich ist. Die Beziehung zwischen Ws und Wf ist komplexer als die vorstehend aufgezeigte, kann jedoch aus den vorstehend gegebenen Beziehungen durch Integration über αs bestimmt werden, wobei der Wert von Ws kontinuierlich über den Abschnitt 74 gemäß einer bekannten winkelabhängigen Beziehung variiert.
Die Arbeitsweise des Abschnitts 74 bei der Korrektur der im Abschnitt 72 erzeugten Bandenverzerrung ist im Wesentlichen wie vorstehend beschrieben, wobei jedoch die Bandenkorrektur über den gesamten Bereich zwischen dem Abschnitt 72 und dem Segment 70 stattfindet.
Eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung für eine 90º Kurve wird in Fig. 6 durch den winkligen Kanalbereich 76 dargestellt. Der Kanalbereich, der die rechtwinkligen Kanalsegmente 78, 80 verbindet, schließt einen ersten gekrümmten Kanalbereich 82 ein, der einen Winkel αf > 90º aufspannt, sowie einen zweiten gekrümmten Kanalabschnitt 84, der einen Winkel αs aufspannt, der den Winkel αf korrigiert, um den gewünschten 90º Gesamtwinkel in dem gekrümmten Abschnitt bereitzustellen. Gleichfalls einen Teil des Kanalbereichs ausbildend verbinden die Schnittstellensegmente 86, 88 Abschnitt 82 mit Abschnitt 84 bzw. Abschnitt 84 mit Segment 80. Beispielhaft sind αf und αs wie vorstehend.
Die Ausführungsform unterscheidet sich von den vorstehenden darin, dass die Breite Wf des Abschnitts 84 die gleiche ist, wie die Breite Ws des Abschnitts 82, jedoch Abschnitt 84 eine Tiefe ds aufweist, die größer ist, als δf, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, die eine segmentierte Querschnittsansicht (durch die mit A, B, C, D und E gekennzeichneten Segmente) entlang gekennzeichneter Abschnitte des Bereichs 76 zeigt. Wie gleichfalls gezeigt ist, weisen die Schnittstellensegmente 86, 88 verjüngte Kanaltiefen auf, statt der verjüngten Kanalbreiten der Schnittstellensegmente der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Das elektrische Feld Es im Abschnitt 84 ist gleich Ef(df/ds) und eine Bandenkorrektur (δtf = δts) tritt auf, wenn αf(2WfRf)/uEf-center = αs(2WsRs)/uEs-center, was bedeutet, wenn αf/αs = WsdsRs/Wfδf Rf. Nimmt man als ein Beispiel an, dass Ws = Wf, ds 50 um, αs 120º, αf 30º und Rf = Rs = 1 mm beträgt, dann beträgt δf 50 um(120/30) oder ungefähr 200 um.
Die Arbeitsweise des Bereichs 76 bei der Korrektur der Bandenverzerrung ist der vorstehend beispielsweise hinsichtlich der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform beschriebenen Arbeitsweise ähnlich. Kurz gefasst wird eine Bande durch deren Migration durch den Abschnitt 82 verzerrt, wobei die äußere Seite der Bande der inneren Seite der Bande nachläuft. Die Bande wandert durch das verjüngte Segment 86 im Wesentlichen ohne Korrektur, wird innerhalb Abschnitt 84 vollständig korrigiert und wandert anschließend durch das Segment 88 und in das Segment 80 in korrigierter Form, d. h. mit der Bandenachse im Wesentlichen senkrecht zu der Segmentachse.
Mit dem Vorstehenden kann gewürdigt werden, wie verschiedene Ziele und Merkmale der Erfindung erfüllt werden. Die Erfindung ist mit eng gewundenen serpentinenförmigen elektrophoretischen oder anderen chromatographischen Kanalanordnungen kompatibel, die in einem Mikrochip kleiner Fläche ausgebildet sind, beispielsweise unter Verwendung herkömmlicher Mikrofertigungstechniken. Das Mikrofertigungsverfahren kann entweder Ätzen mit gleicher Tiefe und variabler Breite oder Ätzen mit gleicher Breite und variabler Tiefe oder eine Kombination der beiden einschließen.
Das selbstkorrigierende Kurvenmerkmal der Erfindung wirkt dahin, die Verzerrung zu korrigieren, die durch Bandenmigration entlang einer Kurve aufgrund einer langsameren Migration an der Auenseite der Kurve erzeugt wird, was dahin wirkt, die Bandenauflösung entlang der gesamten Länge des Kanals zu erhalten, der viele Kurven, typischerweise 90º oder 180º Kurven, einschließen kann.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt man, dass eine Vielzahl von Abänderungen innerhalb der beanspruchten Erfindung gemacht werden können. Zum Beispiel kann der serpentinenförmige Kanal mittels chemischer oder Laserätztechniken auf einer verhältnismäßig großen Platte ausgebildet werden, beispielsweise auf einer 10 cm · 10 cm Platte, die für präperative Elektrophorese oder Chromatographie entwickelt wurde. Der serpentinenförmige Kanal kann in einem geschlossenen Rohr ausgebildet werden, beispielsweise in einem kapillarförmigen Elektrophoreserohr, wobei jede Kurve in dem Rohr eine selbstkorrigierende entgegengerichtete Kurve mit einem erweiterten Durchmesser einschließt. In einem noch weiteren Aspekt kann die selbstkorrigierende Kurve bei anderen Typen von chromatographischen Kanälen oder Rohren angewendet werden, wobei eine Flüssigkeitsbewegung unter Druck oder die Schwerkraft statt einer Spannung als Antriebskraft zum Bewegen von Analytenmolekülen durch ein Trennmedium dienen.

Claims

1. Analyt-Trennvorrichtung mit einem Substrat, in welchem ein Kanal (22) ausgebildet ist, durch welchen ein oder mehrere Analyte unter dem Einfluss einer Antriebskraft über den Kanal (22) wandern sollen, wobei der Kanal (22) umfasst:

(i) ein Paar von Kanalsegmenten (32; 34; 36), die in einem Winkel α in Bezug zueinander angeordnet sind, und

(ii) einen winkeligen Kanalbereich (38), der zwei Kanalsegmente verbindet, wobei der Bereich aufweist

(a) einen ersten gekrümmten Kanalabschnitt (40), der einen Winkel αf > α einschließt, und der erste innere und äußere Spuren definiert, so dass ein durch den ersten Kanalabschnitt unter dem Einfluss einer solchen Kraft wandernder Analyt die innere Spur in einem Zeitintervall δtf durchfließt, das kürzer ist als das des gleichen Analyten, der die äußere Spur durchfließt, und

(b) einen zweiten gekrümmten Kanalabschnitt (42), der einen Winkel αs = αf - α einschließt, und der zweite innere und äußere Spuren definiert, so dass ein durch den zweiten Kanalabschnitt unter dem Einfluss der gleichen Kraft wandernder Analyt die äußere Spur in einem Zeitintervall δts durchfließt, das kürzer ist als das des gleichen Analyten, der die innere Spur durchfließt,

wobei die Querschnitte der gekrümmten Kanalabschnitte derart sind, dass δtf ungefähr gleich δts ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zwei Kanalsegmente in rechten Winkeln in Bezug zueinander angeordnet sind, αf zwischen ungefähr 110º und 160º liegt bzw. αs zwischen ungefähr 20º und 70º liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kanalsegmente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, αf zwischen ungefähr 200º und 250º liegt bzw. αs zwischen ungefähr 20º und 70º liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die aus einem mikrogefertigten Chip (10) ausgebildet ist und Kanalbreitenabmessungen zwischen ungefähr 25 und 250 um sowie Tiefenabmessungen zwischen ungefähr 5 und 100 um aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die Teil eines Serpentinenweges ist, der eine Vielzahl solcher Segmente (32; 34; 36) enthält, wobei jedes Segmentenpaar durch den winkeligen Kanalbereich (38) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste (40) und der zweite (42) gekrümmte Abschnitt im Wesentlichen konstante Kanalbreiten Wf bzw. Ws aufweisen, wobei Wf < Ws, und wobei der winkelige Kanalbereich (38) ferner Segmente (60; 62) mit verjüngter Breite einschließt, die den zweiten gekrümmten Kanalabschnitt (42) mit dem ersten Kanalabschnitt (40) und mit einem der zwei dazugehörigen Kanalsegmente verbinden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei Ws = (αfWf²Rf/αsRs)1/2 wobei Rf und Rs die Krümmungsradien des ersten bzw. des zweiten gekrümmten Kanalabschnitts sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste gekrümmte Kanalabschnitt eine feste Kanalbreite aufweist und der zweite Kanalabschnitt eine variable Breite aufweist, die sich stetig nach innen von jedem Ende ausdehnt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste gekrümmte Kanalabschnitt eine Kanaltiefe aufweist, die zu dem zweiten Kanalabschnitt hin stetig ansteigt, und wobei der zweite gekrümmte Kanalabschnitt eine Kanaltiefe aufweist, die von dem ersten gekrümmten Kanalabschnitt weg stetig abnimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, deren Kanalbreite in den Kanalsegmenten und den Kanalverbindungsbereichen dazwischen im Wesentlichen konstant ist.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der elektrophoretischen Trennung von Analyten in einem Gemisch.

12. Mikrogefertigte Vorrichtung für die elektrophoretische Trennung von Analyten in einem Gemisch, umfassend

ein Substrat mit einer darauf ausgebildeten im Wesentlichen planaren Oberfläche, (i) ersten und zweiten Reservoirs und (ii) einem Kanal, wie er in einem der vorstehenden Ansprüche definiert ist, der sich zwischen den ersten und zweiten Reservoirs erstreckt.