DE102006045618A1 - Measuring arrangement for quantitative analytics, has micro-channel section with transparent detection window and self-regenerating thin film that passes separation fluid into micro-channel and section between segments and channel wall - Google Patents

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Thomas Dr. Henkel
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Katrin Strehle
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Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
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Abstract

The arrangement has a resonance-Raman-spectrometer (1), and a micro-channel (4) filled with a fluid and connected with a device for discharging liquids. A micro-channel section (31) is provided with an optically transparent detection window (5), and forms a flow cell (2) and an outlet opening (6) of the arrangement. The flow cell is adapted and adjusted to a detection position, where the cell is made of silicon and glass. A self-regenerating thin film passes a separation fluid into another micro-channel (3) and the micro-channel section between segments and a channel wall. An independent claim is also included for a method for quantitative analytics by using the nano-particle-reinforced Raman- and/or resonance Raman spectroscopy using the measuring arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Messverfahren für die quantitative Analytik, die auf der nanopartikelverstärkten Raman-Spektroskopie bzw. Resonanz-Raman-Spektroskopie basieren und die Integration der Preaggregation der Nanopartikel unter definierten, langzeitstabilen Prozessbedingungen in den Detektionsprozess ermöglichen.The The invention relates to a measuring arrangement and a measuring method for the quantitative Analysis based on nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy or resonance Raman spectroscopy based and integrating the preagregation of nanoparticles under defined, long-term stable process conditions in the detection process enable.

Die Infrarot-Spektroskopie und die Raman-Spektroskopie finden breite Anwendung in der Strukturaufklärung und für den Identitätsnachweis organischer Verbindungen.The Infrared spectroscopy and Raman spectroscopy are finding wide Application in structure elucidation and for the proof of identity organic compounds.

So offenbart die Schrift DE 10 2004 034 354 B3 bspw. ein ultrakompaktes Infrarot-Raman-Spektrometer (handheld-Gerät), das für Untersuchungen von chemischen Strukturen etc. oder auch für die quasi-simultane Identifizierung vieler Biopartikel auf Substraten zur Anwendung gelangen soll, wobei der Ort der zu untersuchenden Probe unmittelbar in der Abbildungsebene der optischen Spektraleinheit positioniert ist, die optische Anregung der zu untersuchenden Probe vermittels fokussierter Strahlung des Lasers genau in der Ebene der virtuellen Spaltposition der abbildenden Spektraleinheit erfolgt und im Strahlengang zwischen Probe und Spektraleinheit ausschließlich ein Raman-Strahlung durchlassender Filter angeordnet ist.This is how the Scripture reveals DE 10 2004 034 354 B3 For example, an ultra-compact infrared Raman spectrometer (handheld device), which should be used for investigations of chemical structures, etc. or for the quasi-simultaneous identification of many bioparticles on substrates, the location of the sample to be examined directly in the Positioning the optical spectral unit is positioned, the optical excitation of the sample to be examined by means of focused radiation of the laser exactly in the plane of the virtual gap position of the imaging spectral unit and in the beam path between the sample and spectral unit exclusively a Raman radiation transmitting filter is arranged.

Bedingt durch die hohe Informationsdichte der Schwingungsspektren organischer Moleküle und den ausgeprägten individuellen Charakter der Spektren einer Verbindung sind diese Verfahren der Schwingungsspektroskopie auch auf die Quantifizierung von Analyten in komplexen, analytischen Matrices anwendbar.conditioned due to the high information density of the vibrational spectra of organic matter molecules and the pronounced individual character of the spectra of a compound are these Method of vibrational spectroscopy also on the quantification of analytes in complex analytical matrices.

Vorteil der Ramanspektroskopie gegenüber der Infrarot-Absorptionsspektroskopie ist neben einer eindeutigen Bandenzuordnung vor allem die Tatsache, dass Raman-Spektren in wässrigem Medium gemessen werden können, da Wasser nur schwach Raman-aktive Banden hat und es somit nicht zu einer Überlagerung kommt.advantage of Raman spectroscopy infrared absorption spectroscopy apart from a clear band assignment, above all the fact that Raman spectra in aqueous Medium can be measured since water has only weak Raman-active bands and thus it is not comes to an overlay.

Einen weiteren Vorteil bietet der Einsatz der Technik der resonanzverstärkten Raman Spektroskopie. Unter Verwendung diese Technik gelingt es, gewünschte Strukturgruppen selektiv anzuregen und die Schwingungsspektren der angeregten Strukturelemente zu erfassen. Dabei werden für resonant angeregte Schwingungsmoden Verstärkungen um bis zu 9 Zehnerpotenzen beobachtet, welche eine zuverlässige Separation der gewünschten Signale vom Hintergrund der analytischen Matrix gewährleisten.a Another advantage is the use of the technique of resonance-enhanced Raman Spectroscopy. Using this technique, desired structure groups succeed selectively stimulate and the vibrational spectra of the excited structural elements capture. It will be for Resonantly excited vibration modes amplifications by up to 9 orders of magnitude observed which is a reliable Separation of the desired Ensuring signals from the background of the analytical matrix.

Für die Anregung der Resonanz werden elektronische Übergänge im Analyt-Molekül genutzt. Durch die Wahl verschiedener Anregungswellenlängen können bestimmte Struktureinheiten in einem Molekül selektiv angeregt werden. Die Effizienz der Resonanzverstärkung korreliert dabei mit der Extinktion der Absorptionsbande der jeweiligen Struktureinheit (siehe Beiträge zur Special Issue: J. Raman Spectrosc. 2001, 32, 399 .)For the excitation of the resonance electronic transitions in the analyte molecule are used. By choosing different excitation wavelengths, certain structural units in a molecule can be selectively excited. The efficiency of the resonance enhancement correlates with the extinction of the absorption band of the respective structural unit (see contributions to the Special Issue: J. Raman Spectrosc. 2001, 32, 399 .)

Eine weitere Erhöhung der Signalintensität kann durch die Nutzung lokaler Feldüberhöhungen, wie sie durch plasmonische Effekte in unmittelbarer Nachbarschaft zu Nanopartikeln und aggregierten Nanopartikeln (Nanopartikel-Cluster) erzielbar sind, genutzt werden. Dabei erweisen sich Nanopartikel Aggregate als besonders effizient. Methoden zu deren Herstellung aus stabilisierten Nanopartikel-Suspensionen werden in der Literatur beschrieben ( Faulds, K.; Littleford, R. E.; Graham, D.; Dent, G.; Smith, W. E., Comparison of Surface-Enhanced Resonance Raman Scattering from Unaggregated and Aggregated Nanoparticles. Analytical Chemistry 2004, 76, (3), 592–598 ). In diesem Falle wird für Analyt-Moleküle, welche sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Nanopartikeln befinden, eine weitere Signalverstärkung erzielt. Als zusätzliches Selektionskriterium kann in diesem Fall die Adsorption des Analytmoleküls an der Oberfläche des Nanopartikelclusters genutzt werden. Im Ergebnis ermöglicht die Nanopartikelverstärkte Resonanz-Raman-Spektroskopie den direkten Nachweis von Analyten bis hinab zum Nachweis von Einzelmolekülen ( Kneipp, K., Raman spectroscopy of single molecules. Single Molecules 2001, 2, (4), 291–292 ).A further increase in signal intensity can be exploited by the use of local field enhancements, as can be achieved by plasmonic effects in the immediate vicinity of nanoparticles and aggregated nanoparticles (nanoparticle clusters). In this case, nanoparticle aggregates prove to be particularly efficient. Methods for their preparation from stabilized nanoparticle suspensions are described in the literature ( Faulds, K .; Littleford, RE; Graham, D .; Dent, G .; Smith, WE, Comparison of Surface-Enhanced Resonance Raman Scattering from Unaggregated and Aggregated Nanoparticles. Analytical Chemistry 2004, 76, (3), 592-598 ). In this case, further signal amplification is achieved for analyte molecules which are in close proximity to the nanoparticles. As an additional selection criterion, the adsorption of the analyte molecule on the surface of the nanoparticle cluster can be used in this case. As a result, nanoparticle-enhanced resonance Raman spectroscopy enables the direct detection of analytes down to the detection of single molecules ( Kneipp, K., Raman spectroscopy of single molecules. Single Molecules 2001, 2, (4), 291-292 ).

Außerdem besitzt die oberflächenverstärkte Resonanz-Raman-Spektroskopie das Potential für eine hochspezifische, parallele, markierungsfreie Quantifizierung mehrerer Analytmoleküle in komplexen analytischen Matrizes ( Docherty, F. T.; Monaghan, P. B.; Keir, R.; Graham, D.; Smith, W. E.; Cooper, J. M., The first SERRS multiplexing from labeled oligonucleotides in a microfluidics lab-on-a-chip. Chemical Communications (Cambridge, United Kingdom) 2004, (1), 118–119 ).In addition, surface-enhanced resonance Raman spectroscopy has the potential for highly specific, parallel, label-free quantification of multiple analyte molecules in complex analytical matrices ( Docherty, FT; Monaghan, PB; Keir, R .; Graham, D .; Smith, WE; Cooper, JM, The first SERRS multiplexed from labeled oligonucleotides in a microfluidics lab-on-a-chip. Chemical Communications (Cambridge, United Kingdom) 2004, (1), 118-119 ).

Der Nachteil dieser Analysemethode ist jedoch, dass es aufgrund der hohen Energiedichte des Anregungslichtes in der Detektionsküvette zur Photodeposition von Nanopartikel/Analyt-Konjugaten an den Küvettenfensten kommt. Bei Verwendung von Mikrokanälen bedingt das Anhaften von NP-Analyt-Konjugaten das Auftreten eines sogenannten „Memory-effekts" Dieses Problem verhindert bislang den Einsatz dieses Verfahrens als spektral-aufgelöste Detektionstechnik für die Fließinjektionsanalysen (FIA).The disadvantage of this analysis method, however, is that it due to the high energy density of the excitation light in the detection cuvette for photodeposition of nanoparticle / analyte conjugates to the Küvet tenfensten comes. When using microchannels, the adhesion of NP-analyte conjugates causes the occurrence of a so-called "memory effect". This problem has hitherto prevented the use of this method as a spectrally resolved detection technique for flow injection analysis (FIA).

Ein naheliegender Ansatz zur Umgehung dieses Effektes ist die Reinigung der Küvettenfenster mit einer geeigneten Reinigungslösung vor und nach jedem Analysenschritt. Dieser Ansatz limitiert jedoch die Probenrate und erfordert den Einsatz aggressiver Chemikalien und Gefahrstoffe für diesen Teilschritt.One obvious approach to circumvent this effect is the cleaning the cuvette window with a suitable cleaning solution before and after each analysis step. However, this approach limits the sample rate and requires the use of aggressive chemicals and hazardous substances for this step.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Analysemethode ist die große zeitliche Fluktuation des SERS-Signals nach Zugabe von zusätzlichem Aggregierunsfluid. ( Schneider, S.; Grau, H.; Halbig, P.; Nickel, U., Kinetic effects in surface-enhanced Raman spectroscopy: does it have potential as an analytical tool? Analyst (Cambridge, United Kingdom) 1993, 118, (6), 689–94 ) und die schnelle Alterung der voraggregierten Nanopartikelsuspension. Diese muss unmittelbar vor der Detektion erzeugt und mit dem Analyt versetzt werden. Im Zuge der Alterung kommt es zu einer schnellen Änderung der mit dieser Lösung erzielbaren Resonanzverstärkung.Another disadvantage of the known analysis method is the large temporal fluctuation of the SERS signal after addition of additional Aggregierunsfluid. ( Schneider, S .; Gray, H .; Halbig, P .; Nickel, U., Kinetic effects in surface-enhanced Raman spectroscopy: does it have any potential as an analytical tool? Analyst (Cambridge, United Kingdom) 1993, 118, (6), 689-94 ) and the rapid aging of the pre-aggregated nanoparticle suspension. This must be generated immediately before the detection and mixed with the analyte. In the course of aging, there is a rapid change in the achievable with this solution resonance amplification.

Auch ist die Erzeugung von Flüssigkeitssegmenten, deren Transport in Mikrokanalsystemen erfolgt, sowie das Zudosieren von Fluiden zu diesen Flüssigkeitssegmenten bekannt [siehe dazu T. Henkel, T. Bermig, M. Kielpinski, A. Grodrian, J. Metze, J. M. Köhler: Chip modules for generation and manipulation of fluid segments for micro serial flow processes. Chemical Engineering Journal 101 (2004) pp. 430–445 sowie B. Zheng, J. D. Tice, and R. F. Ismagilov: Formation of Droplets of Alternating Composition in Microfluidic Channels and Applications to Indexing of Concentrations in Droplet-Based Assays. Anal. Chem. 76 (2004) pp. 4977–4982 ].Also known is the generation of fluid segments that are transported in microchannel systems, as well as the metered addition of fluids to these fluid segments [see T. Henkel, T. Bermig, M. Kielpinski, A. Grodrian, J. Metze, JM Köhler: Chip modules for generation and manipulation of fluid segments for micro serial flow processes. Chemical Engineering Journal 101 (2004) pp. 430-445 such as B. Zheng, JD Tice, and RF Ismagilov: Formation of Droplets of Alternating Composition in Microfluidic Channels and Applications to Indexing Concentrations in Droplet-Based Assays. Anal. Chem. 76 (2004) pp. 4977-4982 ].

Aus der Publikation Galder Cristobal, Laurence Arbouet, Flavie Sarrazin, David Talaga, Jean-Luc Bruneel, Mathieu Joanicot and Laurent Servant: On-line laser Raman spectroscopic probing of droplets engineered in microfluidic devices, Lab Chip, 2006, 6, 1140–1146 ist die Anwendung der klassischen Raman-Spektroskopie für die Analyse von in mikrofluidischen Bauelementen erzeugten Tropfensequenzen bekannt.From the publication Galder Cristobal, Laurence Arbouet, Flavie Sarrazin, David Talaga, Jean-Luc Bruneel, Mathieu Joanicot, and Laurent Servant: On-line laser Raman spectroscopic probing of droplets engineered into microfluidic devices, Lab Chip, 2006, 6, 1140-1146 the use of classical Raman spectroscopy for the analysis of droplet sequences generated in microfluidic devices is known.

Der Nachteil dieser Analysemethode ist, dass sie in ihrer Empfindlichkeit limitiert ist, da keine Signalverstärkung durch Nanopartikel erfolgt. Würde bei dieser bekannten Methode eine Verstärkung durch Nanopartikel zum Einsatz kommen, würde dies zu einer Anhaftung dieser am Küvettenfenster führen. Diese NP/Analytkonjugate wiederum wären nur durch die Reinigung des Küvettenfensters mit einer geeigneten Reinigungslösung vor und nach dem Analysenschritt jedes einzelnen Sequenztropfen zu beseitigen, was praktisch nicht realisierbar ist.Of the Disadvantage of this analysis method is that they are in their sensitivity is limited because there is no signal amplification by nanoparticles. Would be at this known method, a gain by nanoparticles for Use, would this lead to an adhesion of these on the cuvette window. These NP / analyte conjugates would be only by cleaning the cuvette window with a suitable cleaning solution before and after the analysis step of each individual sequence drop to eliminate what is practically unrealizable.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die zuvor stehend genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere eine Messanordnung und ein Messverfahren für die quantitative Analytik anzugeben, die auf der nanopartikelverstärkten Raman-, als auch Resonanz-Raman-Spektroskopie basieren und die Integration der Preaggregation der Nanopartikel unter definierten Prozessbedingungen in den Detektionsprozess ermöglichen.The The object of the invention is that mentioned above To avoid disadvantages of the prior art, in particular a Specify measuring arrangement and a measuring method for quantitative analysis, those on the nanoparticles reinforced Raman, as well as resonance Raman spectroscopy are based and integration the preagregation of the nanoparticles under defined process conditions enable in the detection process.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und des 22. Patentanspruches gelöst sowie durch vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen ergänzt.According to the invention This task is characterized by the characterizing features of the first and the 22nd claim and supplemented by advantageous embodiments according to the subclaims.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Nutzung von flüssig/flüssig Zweiphasenströmungen in Mikrokanälen für die Erzeugung von durch das Separationsmedium getrennten Nanopartikel-Analyt-Segmenten verwendet wird, das Zudosieren von Aggregierungsfluid zu diesen Nanopartikel-Analyt-Segmenten optional möglich ist, so dass nachfolgend die Detektion mittels Oberflächen-verstärkter Raman- beziehungsweise Resonanz-Raman-Spektroskopie erfolgen kann.The Essence of the invention is that the use of liquid / liquid two-phase flows in microchannels for the Generation of nanoparticle-analyte segments separated by the separation medium is used, the metered addition of aggregation fluid to these Nanoparticle analyte segments is optionally possible, so that below detection by surface-enhanced Raman or resonance Raman spectroscopy can be done.

Im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglichen die erfindungsgemäße Messanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren die Quantifizierung organischer Moleküle in einem Konzentrationsbereich zwischen 0,1 und 1 μmol/l. Dies entspricht 109 Moleküle/Segment.In contrast to the prior art, the measuring arrangement according to the invention and the inventive method allow the quantification of organic molecules in a concentration range between 0.1 and 1 .mu.mol / l. This corresponds to 10 9 molecules / segment.

Erfindungswesentlich ist dabei dass die Ausbildung eines sich selbst regenerierenden Dünnfilmes von Separations-Fluid im Kapillarspalt zwischen den Segmenten und der Kanalwandung für die Unterdrückung der Fotodeposition von Nanopartikelaggregaten in einer mikrofluidischen Anordnung genutzt wird. Dieser Effekt wird durch die speziellen Strömungsbedinungen in flüssig/flüssig segmentierten Probenströmen und den hier anzutreffenden speziellen Flussregimes des Taylor-Flows unterstützt. Dabei werden in den eingebetteten Segmenten in wandnahen Bereichen hohe Geschwindigkeitsgradienten beobachtet [siehe dazu A. Günther, M. Jhunjhunwala, M. Thalmann, M. A. Schmidt, K. F. Jensen: Micromixing of Miscible Liquids in Segmented Gas/Liquid Flow. Langmuir 21 (2005) pp. 1547–1555 sowie D. Malsch, M. Kielpinski, R. Merthan, J. Albert, G. Mayer, J. M. Köhler, H. Süße, M. Stahl, T. Henkel: μPIV-Analysis of Taylor Flow in Microchannels, Accepted for presentation an International Conferece an Micro Reaction Technology IMRET 9, Potsdam 6.9.2006–8.9.2006 , submitted for publication in Chemical Engineering Journal], welche zusätzlich einer Anheftung von Nanopartikel-Clustern entgegenwirken.Essential to the invention is that the formation of a self-regenerating thin film of separation fluid in the capillary gap between the segments and the channel wall for the suppression of photodeposition of nanoparticle aggregates is used in a microfluidic arrangement. This effect is supported by the special flow conditions in liquid / liquid segmented sample streams and the specific flow regime of the Taylor flow encountered here. High velocity gradients are observed in the embedded segments in near-wall areas [see A. Günther, M. Jhunjhunwala, M. Thalmann, MA Schmidt, KF Jensen: Micromixing of Miscible Liquids in Segmented Gas / liquid flow. Langmuir 21 (2005) pp. 1547-1555 such as D. Malsch, M. Kielpinski, R. Merthan, J. Albert, G. Mayer, JM Köhler, H. Süße, M. Stahl, T. Henkel: μPIV Analysis of Taylor Flow in Microchannels, Accepted for presentation to International Conferece to Micro Reaction Technology IMRET 9, Potsdam 6.9.2006-8.9.2006 , submitted for publication in Chemical Engineering Journal], which additionally counteract the attachment of nanoparticle clusters.

Erfindungsgemäß wird dieser an sich bekannte Effekt in der erfindungsgemäße Messanordnung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die effiziente Unterbindung der Fotodeposition von Nanopartikel-Aggregaten an den Detektionsfenstern genutzt.According to the invention this per se known effect in the measuring arrangement according to the invention and in the inventive method for the efficient suppression of photodeposition of nanoparticle aggregates used at the detection windows.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:The Invention will be described below with reference to the schematic drawing of embodiments explained in more detail. there demonstrate:

1: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung in schematischer Übersichtsdarstellung, 1 FIG. 2: an embodiment of the measuring arrangement according to the invention in a schematic overview,

2a: einen Ausschnitt aus 1 in einer Schnittdarstellung und 2a : a section from 1 in a sectional view and

2b: einen Ausschnitt aus 2a. 2 B : a section from 2a ,

Die in 1 dargestellte Messanordnung umfasst ein Raman Spektrometer 1 sowie eine an dessen Detektionsposition angepasste und justierte Durchflussküvette 2, wobei diese Durchflussküvette 2 mit einer Vorrichtung 7 zur Förderung von Separations-Flüssigkeit fluidisch über einen ersten Mikrokanal 3 verbunden ist und mit diesem flüssigkeitsbefüllten Mikrokanal 3 ein oder mehrere mit Vorrichtungen 7 zur Förderung von Flüssigkeiten verbundene weitere Mikrokanäle 4 fluidisch verbunden sind.In the 1 The measuring arrangement shown comprises a Raman spectrometer 1 and a flow cell adapted and adjusted to its detection position 2 , wherein this flow cell 2 with a device 7 for conveying separation fluid fluidly via a first microchannel 3 is connected and with this liquid-filled micro-channel 3 one or more with devices 7 for the promotion of liquids associated further micro-channels 4 are fluidically connected.

Dieser erste Mikrokanal 3 mündet, wie in 2a dargestellt, in ein mit mindestens einem optisch transparenten Detektionsfenster 5 versehenen Mikrokanalabschnitt 31, der gleichzeitig die Auslassöffnung 6 der Messanordung bildet.This first microchannel 3 flows as in 2a shown in a with at least one optically transparent detection window 5 provided micro-channel section 31 , which at the same time the outlet opening 6 the Messanordung forms.

Der Querschnitt des ersten Mikrokanals 3 liegt dabei vorzugsweise im Bereich zwischen 0,3 mm2 und 0,001 mm2.The cross section of the first microchannel 3 is preferably in the range between 0.3 mm 2 and 0.001 mm 2 .

Der Querschnitt der in den ersten Mikrokanal 3 einmündenden weiteren Mikrokanäle 4 liegt Bereich zwischen 0,3 mm2 und 0,001 mm2.The cross section of the first microchannel 3 opening further microchannels 4 range is between 0.3 mm 2 and 0.001 mm 2 .

Der Querschnitt der Einmündung der einmündenden Mikrokanäle 4 kann dabei mit einer zusätzlichen, scharfkantig begrenzten Verengung ausgestattet sein. Dabei beträgt der Querschnitt der Einmündung der in den ersten Mikrokanal 3 einmündenden Mikrokanäle 4 ca. 0,3 mm2 bis 0.001 mm2.The cross-section of the mouth of the opening microchannels 4 can be equipped with an additional, narrow edged narrowing. In this case, the cross section of the junction in the first microchannel 3 opening microchannels 4 about 0.3 mm 2 to 0.001 mm 2 .

Besonders vorteilhaft ist das optisch transparente Detektionsfenster 5 planar. Alternativ dazu kann es jedoch auch gekrümmt sein.Particularly advantageous is the optically transparent detection window 5 planar. Alternatively, however, it may also be curved.

Das Detektionsfenster 5 besteht aus einem kristallinen oder amorphen, transparenten anorganischen Material, bspw. Quarz, Quarzglas oder Glas.The detection window 5 consists of a crystalline or amorphous, transparent inorganic material, for example quartz, quartz glass or glass.

Alternativ dazu kann das Detektionsfenster 5 aus einem Verbund aus anorganischen oder organischen Materialien mit thermoplastischen oder duroplastischen Eigenschaften, bspw. anorganischen oder organischen Polymeren, bestehen.Alternatively, the detection window 5 from a composite of inorganic or organic materials having thermoplastic or thermosetting properties, for example inorganic or organic polymers.

Die Mikrokanälen 3; 4 weisen vorteilhaft verrundete Kanten auf und können bspw. einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.The microchannels 3 ; 4 have advantageously rounded edges and may, for example, have a circular cross-section.

Alternativ dazu können die Mikrokanäle 3; 4 aber auch einen viereckigen Querschnitt besitzen.Alternatively, the microchannels 3 ; 4 but also have a quadrangular cross-section.

Die Durchflussküvette 2 besteht vorteilhaft aus einem Verbund aus Silizium und Glas, insbesondere aus einem Verbund mehrerer Glashalbzeuge.The flow cell 2 advantageously consists of a composite of silicon and glass, in particular a composite of several glass semi-finished products.

Vorteilhaft ist ein sich selbst regenerierender Dünnfilm 9 von Separations-Fluid in den Mikrokanäle 3; 4 und der Durchflussküvette 2, welcher sich aufgrund der Funktionalisierung der Kanalwandung zwischen den Segmenten und der Kanalwandung ausbildet (2b). Funktionalisierung bedeutet dabei, dass zumindest der erste Mikrokanal 3 und der Mikrokanalabschnitt 31 mit einer Schicht versehen sind, die die Benetzung der Kanalwandungen durch die Separations-Flüssigkeit verbessert.A self-regenerating thin film is advantageous 9 of separation fluid in the microchannels 3 ; 4 and the flow cell 2 , which due to the functionalization of the channel wall between the Segments and the channel wall forms ( 2 B ). Functionalization means that at least the first microchannel 3 and the microchannel section 31 are provided with a layer which improves the wetting of the channel walls by the separation liquid.

Dabei kann die Schicht ein molekularer Film sein, der bspw. aus Alkyl oder Aryl-Silanen und deren Kondensationsprodukten besteht, wobei die Alkyl oder Aryl-Silane zusätzlich Amino-, Carboxy-, Hydroxy- oder Sulfonsäuregruppen besitzen können.there For example, the layer may be a molecular film, for example of alkyl or aryl silanes and their condensation products, wherein the alkyl or aryl silanes in addition Amino, carboxy, hydroxy or sulfonic acid groups may have.

Alternativ dazu kann die Schicht aus Polymeren, wie bspw. Polyacrylate, Polyester oder Polyolefine, bestehen, wobei diese zusätzlich Amino-, Carboxy-, Hydroxy- oder Sulfonsäuregruppen besitzen können.alternative For this purpose, the layer of polymers, such as. Polyacrylates, polyester or polyolefins, these additionally being amino, carboxy, hydroxy or sulfonic acid groups can own.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Mikrokanäle 3; 4 und die Durchflussküvette 2 mit organischen Polymeren beschichtet sind, die die Benetzung der Kanalwandungen und der Küvettenwände durch das Separationsmedium verbessern, was zu einer dünnen Grenzschicht zwischen Kanalwandung und Segmenten führt.It is particularly advantageous if the microchannels 3 ; 4 and the flow cell 2 coated with organic polymers that improve the wetting of the channel walls and the cuvette walls by the separation medium, resulting in a thin boundary layer between the channel wall and segments.

Alternativ kann diese Beschichtung durch die Behandlung mit Chlorosilane, Alkoxysilane, Acyloxysilane oder Hexamethydisilazan ausgebildet sein.alternative this coating can be obtained by treatment with chlorosilanes, alkoxysilanes, Acyloxysilane or hexamethydisilazane be formed.

Alternativ dazu kann die Benetzung der Kanalwandung durch das Separationsmedium vermittels Plasmabehandlung verbessert werden.alternative For this purpose, the wetting of the channel wall by the separation medium be improved by means of plasma treatment.

Bei dem Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Messanordnung werden in einem kontinuierlich von einem Separationsfluid durchströmten Mikrokanal 3 Test-Fluid enthaltende Segmente aus den Fluiden NP-Suspension und Analyt erzeugt, welche nachfolgend durch den als Durchflussküvette 2 ausgeführten Mikroanalabschnitt 31 geleitet werden und beim Durchtritt der Segmente durch den Detektionsbereich oberflächenverstärkte Raman- bzw. Resonanz-Raman-Spektren des im Segment enthaltenen Test-Fluids registriert werden.In the method using the measuring arrangement according to the invention are in a continuously traversed by a separation fluid microchannel 3 Test fluid-containing segments produced from the fluids NP suspension and analyte, which subsequently by the as a flow cell 2 executed microanalysis section 31 are passed and registered as the passage of the segments through the detection area surface-enhanced Raman or resonance Raman spectra of the test fluid contained in the segment.

Alternativ dazu können die Segmente des Test-Fluids aus den Fluiden NP-Suspension, Aggregations-Fluid und Analyt erzeugt werden.alternative can do this the segments of the test fluid from the fluids NP suspension, aggregation fluid and analyte are generated.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:

  • 1. Erzeugung von Segmenten enthaltend Nanopartikel-Suspension in einem Trägerstrom vom Separations-Fluid im ersten Mikrokanal 3,
  • 2. Zudosierung von Analyt zu den Segmenten im ersten Mikrokanal 3 durch Dosieroperationen oder Fusionierung vermittels eines weiteren Mikrokanals 4, wobei zuvor eine Durchmischung und Inkubation in einer Verweilschleife 8 erfolgen kann,
  • 3. Zudosieren von Aggregations-Fluid zu den Segmenten im ersten Mikrokanal 3 durch Dosieroperationen oder Fusionierung mit Aggreations-Fluid enthaltenden Segmenten vermittels eines Mikrokanals 4, wobei zuvor eine Durchmischung und Inkubation in einer Verweilschleife 8 erfolgen kann, und
  • 4. Vermessung des erzeugten Test-Fluids im Detektionsbereich durch das Detektionsfenster 5 hindurch vermittels des Resonanz-Raman Spektrometers 1,
wobei die zeitliche Abfolge der Prozessschritte 1 und 2 wahlfrei ist und der Prozessschritt 3 optional enthalten sein kann, falls ein zusätzlicher Aggregationsschritt benötigt wird.The method according to the invention comprises the following steps:
  • 1. Generation of segments containing nanoparticle suspension in a carrier stream from the separation fluid in the first microchannel 3 .
  • 2. Addition of analyte to the segments in the first microchannel 3 by metering operations or fusing by means of another microchannel 4 , where previously a mixing and incubation in a residence loop 8th can be done
  • 3. Metering of aggregation fluid to the segments in the first microchannel 3 by metering operations or fusion with segments containing aggreation fluid by means of a microchannel 4 , where previously a mixing and incubation in a residence loop 8th can be done, and
  • 4. Measurement of the generated test fluid in the detection area through the detection window 5 through the resonance Raman spectrometer 1 .
the timing of the process steps 1 and 2 is optional and the process step 3 may optionally be included if an additional aggregation step is needed.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Messanordnung und des erfindungsgemäßen Messverfahrens besteht darin, dass gegenüber dem Stand der Technik gemäß Galder Cristobal, Laurence Arbouet, Flavie Sarrazin, David Talaga, Jean-Luc Bruneel, Mathieu Joanicot and Laurent Servant: On-line laser Raman spectroscopic probing of droplets engineered in microfluidic devices, Lab Chip, 2006, 6, 1140–1146 , eine 107 bis 108 mal höhere Messempfindlichkeit bei kontinuierlicher Durchflussanalyse besteht, was im Bereich der wenig Durchsatz-effizienten Einzelküvetten-Detektion liegt.The advantage of the measuring arrangement according to the invention and of the measuring method according to the invention is that in comparison with the prior art Galder Cristobal, Laurence Arbouet, Flavie Sarrazin, David Talaga, Jean-Luc Bruneel, Mathieu Joanicot, and Laurent Servant: On-line laser Raman spectroscopic probing of droplets engineered into microfluidic devices, Lab Chip, 2006, 6, 1140-1146 , a 10 7 to 10 8 times higher measuring sensitivity in continuous flow analysis, which is in the range of low-throughput efficient single cuvette detection.

Die erfindungsgemäße Messanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend an Hand des Ausführungsbeispieles näher erläutert, ohne dass diese hierauf beschränkt werden.The Measuring arrangement according to the invention and the method according to the invention will be explained in more detail below with reference to the embodiment, without that limited to this become.

Ausführungsbeispielembodiment

Bei der erfindungsgemäßen Messanordnung wird ein Raman Mikroskop Labram der Fa. Horiba-Jobin-Yvon sowie eine mikrosytemtechnisch hergestellte Durchfluss-Messzelle (Microkanalchip), enthaltend einen Hauptkanal und T-förmig einmündende Nebenkanäle, eingesetzt. Hierfür kommt in der ersten Ausführungsform ein mit einem Hauptkanal, zwei einmündenden Kanälen, einem Verweiler und einem Detektionsbereich ausgestattete Durchflussmesszelle mit einer Größe von 16 × 25 mm zur Anwendung.In the measuring arrangement according to the invention is a Raman microscope Labram Fa. Horiba-Jobin-Yvon and a microsystem-produced flow meter (microchannel chip), containing egg NEN main channel and T-shaped opening secondary channels used. For this purpose, in the first embodiment, a flow measuring cell with a size of 16 × 25 mm and equipped with a main channel, two opening channels, a dwelling and a detection area is used.

In der zweiten Ausführungsform ist die Durchflussmesszelle mit insgesamt fünf einmündenden Kanälen und einem Küvettenbereich ausgestattet.In the second embodiment is the flow cell with a total of five opening channels and one cuvette area fitted.

Als Separationsfluid kommt Tetradekan zur Anwendung. Analyt, Nanopartikel-Suspension und Aggregations-Fluid werden als wässrige Lösung bzw. Suspension appliziert.When Separation fluid is used tetradecane. Analyte, nanoparticle suspension and aggregation fluid are applied as an aqueous solution or suspension.

1. Ausführungsform1st embodiment

Die Mikrokanalchips werden als Verbund zweier Glaswafer aus Glas, Borofloat 33, Schott, Jena, Durchmesser 100 mm, Dicke 0,7 mm hergestellt und nachfolgend durch Sägen vereinzelt.The Microchannel chips are used as a composite of two glass wafers made of glass, borofloat 33, Schott, Jena, diameter 100 mm, thickness 0.7 mm and manufactured subsequently by sawing sporadically.

Jeder dieser Glaswafer wird mit Halbkanälen in spiegelbildlicher Anordnung ausgestattet.Everyone This glass wafer is with half channels in a mirror image arrangement fitted.

Die Halbkanäle werden durch anodisches Bonden so zusammengefügt, dass Vollkanäle entstehen.The half channels are assembled by anodic bonding so that full channels arise.

Die Mikrokanäle werden durch Ätzen des Glases mit Fluorwasserstoffsäure unter Verwendung einer 100 nm dicken Nickel/Chrom Beschichtung als Ätzmaske hergestellt.The microchannels be by etching of the glass with hydrofluoric acid using a 100 nm thick nickel / chromium coating as an etching mask produced.

Die Hauptkanäle werden durch eine Weite der Maskenöffnung von 330 μm, die einmündenden Kanäle durch eine Weite der Maskenöffnung von 30 μm definiert. Die Maskenöffnungen der einmündenden Kanäle enden 200 μm vor der Maskenöffnung des Hauptkanals.The main channels are separated by a width of the mask opening of 330 microns Channels through a width of the mask opening of 30 μm Are defined. The mask openings the merging Channels end 200 μm before the mask opening of the main channel.

Auf diese Weise entstehen beim Ätzen an den Einmündungen Düsenstrukturen, welche die Prozesssicherheit der Erzeugung von Segmenten bei den Dosieroperationen positiv beeinflussen.On These are the result of etching at the junctions Nozzle structures, which the process reliability of the generation of segments in the Positively affect dosing operations.

Die Ätztiefe der Kanäle beträgt 135 μm. Für den Anschluss von HPLC-Kapillaren werden an den Enden der Mikrokanäle Anschlussbohrungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm durch Ultraschallschwingläppen erzeugt.The etching depth of the channels is 135 μm. For the Connection of HPLC capillaries be at the ends of the microchannels Connecting holes with a diameter of 0.5 mm generated by ultrasonic luffing.

Anschließend wird auf einem der Substrate kanalseitig eine 60 nm dicke Bondhilfsschicht, bestehend aus polykristallinem Silizium mittels Sputtern abgeschieden. Die so präparierten Halbkanäle werden zueinander justiert und mit dem Verfahren des anodischen Bondens miteinander verbunden.Subsequently, will on one of the substrates on the channel side, a 60 nm thick auxiliary bonding layer, consisting of polycrystalline silicon deposited by sputtering. The so prepared half channels are adjusted to each other and with the method of anodic Bonded together.

Im Ergebnis werden Mikrokanalchips mit den Dimensionen (Breite × Höhe) von 600 × 270 μm für den Hauptkanal und die Messküvette sowie (Breite × Höhe) 300 × 270 μm für die einmündenden Kanäle erhalten.in the The result will be microchannel chips with the dimensions (width × height) of 600 × 270 μm for the main channel and the cuvette and (width × height) 300 × 270 μm for the opening channels receive.

Nach Entfernung der Polysiliziumschicht aus den Mikrokanälen durch Behandlung mit einer 5%igen Lösung von Natriumhydroxid in Wasser bei 50°C und Nachspülen mit Wasser werden geeignete optisch transparente Mikrokanalchips erhalten, welche im Bereich des Detektionsfensters ober- und unterseitig durch planarallele Beobachtungsfenster mit einer Breite von 330 μm begrenzt werden.To Removal of the polysilicon layer from the microchannels Treatment with a 5% solution of sodium hydroxide in water at 50 ° C and rinsing with water are suitable obtained optically transparent microchannel chips, which in the field of the detection window on top and bottom by planar allele Be limited observation window with a width of 330 microns.

Vor dem Einsatz der Durchflussmesszelle müssen die Innenwandungen der Mikrokanäle chemisch so modifiziert werden, dass sie für, das hier eingesetzte Separationsfluid Tetradekan benetzende Eigenschaften aufweisen.In front the use of the flow cell, the inner walls of the microchannels be chemically modified so that they, for, the separation fluid used here Have tetradecane wetting properties.

Dies wird durch Behandlung der Kanäle mit einer Lösung von Oktadecyl-trichlorsilan (2 mmol/l) in wasserfreiem n-Heptan bei 50°C über einen Zeitraum von 2 Stunden erreicht.This is by treatment of the channels with a solution of octadecyltrichlorosilane (2 mmol / L) in anhydrous n-heptane at 50 ° C over a Period of 2 hours.

Überschüssiges Reagenz wird durch Spülen der Mikrokanäle mit wasserfreiem n-Heptan ausgewaschen. Alternativ können die Benetzungseigenschaften durch Beschichtung mit einem Polymerfilm eingestellt werden. Hierfür erfolgt im ersten Schritt die Behandlung der Mikrokanäle mit Hexamethyldisilazan (10 min), nachfolgendes Trockenblasen der Kanäle mit Luft und Ausheizen bei 120°C über einen Zeitraum von 20 min.Excess reagent is by rinsing the microchannels washed with anhydrous n-heptane. Alternatively, the Wetting properties by coating with a polymer film be set. Therefor In the first step, the treatment of the microchannels with hexamethyldisilazane takes place (10 min), followed by dry-blowing of the channels with air and heating 120 ° C over a Period of 20 min.

Auf diesem, als Haftvermittlungsschicht dienenden molekularen Film von Polydimethylsilan erfolgt die Abscheidung eines Polymerfilmes durch Befüllen der Mikrokanäle mit einer Lösung eines perfluoralkülgruppen-tragenden Polymers (Teflon-AF, DuPont) in Perfluoroktan und nachfolgendes Ausblasen überschüssiger Polymerlösung mit Luft und Trocknung bei 120°C über einen Zeitraum von 1 h.On this, serving as an adhesion-promoting layer molecular film of polydimethylsilane takes place the deposition of a polymer film by filling the microchannels with a solution of perfluoroalkülgruppen-bearing polymer (Teflon AF, DuPont) in perfluorooctane and subsequent blowing excess Polymer solution with air and drying at 120 ° C over a period of 1 h.

Die fluidische Anbindung der Durchfluss-Messzelle erfolgt mit Hilfe von Standard-HPLC-Bauelementen, welche auf die Fluidanschlussbohrungen aufgepresst werden. Die Förderung der Fluide erfolgt unter Verwendung eines 4-Kanal Spritzenpumpensystems der Fa. Cetoni unter Verwendung von 500 μl Präzisionsspritzen. Durch den Hauptkanal wird das Separationsfluid Tetradekan mit einer Flussrate von 0,1 μl/s gefördert.The Fluidic connection of the flow measuring cell takes place with the help of of standard HPLC devices attached to the fluid port holes be pressed on. The promotion the fluid is made using a 4-channel syringe pump system from Cetoni using 500 μl precision syringes. By the Main channel is the separation fluid tetradecane at a flow rate of 0.1 μl / s promoted.

An dem ersten einmündenden Kanal erfolgt die Erzeugung von Segmenten, enthaltend Nanopartikel durch Förderung der Nanopartikelsuspension in diesen Kanal mit einer Flussrate von 0,02 μl/s.At the first one Channel is the generation of segments containing nanoparticles by advancement of the nanoparticle suspension in this channel at a flow rate of 0.02 μl / s.

An der zweiten Einmündung erfolgt das Zudosieren einer Mischung aus Analyt und Aggregationsfluid.At the second confluence the metered addition of a mixture of analyte and aggregation fluid.

2. Ausführungsform2nd embodiment

Bei der zweiten Ausführungsform werden die gleichen Verfahren der Fertigung und Beschichtung der Kanalwände wie bei der ersten Ausführungsform angewendet.at the second embodiment be the same process of manufacturing and coating the channel walls as in the first embodiment applied.

Der Hauptkanal wird halbkreisförmig über den Chip angeordnet und mit fünf einmündenden Kanälen versehen.Of the Main channel becomes semicircular over the Chip arranged and with five opening out Provided channels.

Das Separationsfluid Tetradekan wird mit einer Flussrate von 0,1 μl/s gefördert.The Separation fluid tetradecane is delivered at a flow rate of 0.1 μl / s.

Bei dieser Bauform wird der erste einmündende Kanal für die Erzeugung von Wasser enthaltenden Segmenten mit einer Flussrate von 0,02 μl/s genutzt, in welche in dem zweiten einmündenden Kanal Nanopartikellösung mit Flussraten zwischen 0,005 und 0,02 μl/s appliziert werden.at this design becomes the first opening channel for the generation used by water-containing segments at a flow rate of 0.02 μl / s, into which in the second opening Channel nanoparticle solution with flow rates between 0.005 and 0.02 μl / s.

Auf diese Weise können Segmente mit variabler Nanopartikelkonzentration erzeugt werden.On this way you can Segments are generated with variable nanoparticle concentration.

An der dritten Einmündung erfolgt das Zudosieren von Aggregationsfluid mit variablen Flussraten zwischen 0,005 und 0,002 μl/s und an der 4. Einüdung das Zudosieren der Analyt-Lösung mit frei wählbaren, variablen Flussraten im Bereich zwischen 0,005 und 0,02 μl/s. Die verbleibende, fünfte Einmündung kann für das Zudosieren einer weiteren Komponente optionalen wahlfrei genutzt werden.At the third confluence the metered addition of aggregation fluid with variable flow rates between 0.005 and 0.002 μl / s and at the 4th fatigue the metered addition of the analyte solution with freely selectable, variable flow rates in the range between 0.005 and 0.02 μl / s. The remaining, fifth junction can for The metered addition of another optional component is optional become.

Bei Verwendung der Ausführungsform 1 ergeben sich folgende Messergebnisse:
Als Kolloid wird ein Citrat-reduziertes partiell voraggregiertes Goldkolloid verwendet. Als Analyt wird der Farbstoff Kristallviolett eingesetzt. Die Flussraten werden auf 0.02 μl/s für Analyt und Nanopartikel-Suspension und 0.1 μl/s für das Separationsmedium Tetradekan eingestellt und während den ganzen Messungen konstant gehalten.
When using the embodiment 1, the following results are obtained:
The colloid used is a citrate-reduced partially pre-aggregated gold colloid. The analyte used is the dye crystal violet. The flow rates are adjusted to 0.02 μl / s for analyte and nanoparticle suspension and 0.1 μl / s for the separation medium tetradecane and kept constant throughout the measurements.

Raman-Spektren werden kontinuierlich aufgenommen mit einer Integrationszeit von 1 s je Spektrum, wobei der Laserfokus im Kanal in x-, y- und z-Richtung während der Messung konstant gehalten wird, um Signalschwankungen aufgrund einer inhomogenen Partikelverteilung innerhalb des wässrigen Tropfens zu vermeiden.Raman spectra are recorded continuously with an integration time of 1 s per spectrum, with the laser focus in the channel in x-, y- and z-direction while the measurement is kept constant to reflect signal fluctuations an inhomogeneous particle distribution within the aqueous To avoid dripping.

Die 1 veranschaulicht das angewendete Messprinzip.The 1 illustrates the applied measuring principle.

Spektrum A zeigt dabei das in der Ölphase gemessene Raman-Spektrum des Separationsmedium Tetradekan. In Spektrum B hingegen, welches in einem wässrigen Segment gemessen wird, ist die Bandenstruktur des SERS-Spektrums von Kristallviolett zu erkennen. Die markierte Bande bei einem Wellenzahlwert von 1177 cm–1, welche im Folgenden zur Berechnung der integrierten Raman-Intensität herangezogen wird, ist auf eine in plane Deformationsmode des Ringes zurückzuführen. In dem linken Panel der Grafik ist die integrierte Raman-Intensität in einem Wellenzahlbereich von 1130–1217 cm–1 in Abhängigkeit von der Messzeit dargestellt. Man kann ein regelmäßig alternierendes Muster eines Kristallviolett-haltigen, wässrigen Segments und dem Separationsmedium Tetradekan erkennen, welches in der zur Berechnung der integrierten Raman-Intensität herangezogenen Bereich keine Banden aufweist. Aufgrund eines Signal Verhältnisses von I(B)/I(A) = 600 ist eine klare Abgrenzung der Kristallviolett-haltigen wässrigen Phase von dem Separationsmedium Tetradekan möglich.Spectrum A shows the Raman spectrum of the separation medium tetradecane measured in the oil phase. In contrast, in spectrum B, which is measured in an aqueous segment, the band structure of the SERS spectrum of crystal violet can be seen. The labeled band at a wave number value of 1177 cm -1 , which is used in the following to calculate the integrated Raman intensity, is due to an in plane deformation mode of the ring. The left panel of the graph shows the integrated Raman intensity in a wavenumber range of 1130-1217 cm -1 as a function of the measurement time. One can recognize a regularly alternating pattern of a crystal violet containing aqueous segment and the separation medium tetradecane, which has no bands in the region used to calculate the Raman integrated intensity. Due to a signal ratio of I (B) / I (A) = 600, a clear delimitation of the crystal violet-containing aqueous phase from the separation medium tetradecane is possible.

Wird der Fluss von Kristallviolett während einer Messreihe gestoppt, kann kein Kristallviolett mehr in den wässrigen Segmenten detektiert werden. (Siehe dazu 2)If the flow of crystal violet is stopped during a series of measurements, crystal violet can no longer be detected in the aqueous segments. (See 2 )

In dem wässrigen Segment, welches nun aus reinem Kolloid besteht, kann nun weder ein SERS Spektrum von Kristallviolett noch ein Raman-Spektrum des Tetradekans gemessen werden. (siehe A). Dies beweist die Tatsache, dass die wässrigen Tröpfchen von einem Ölfilm umgeben sind, was ein Anhaften von Nanopartikel-Aggregaten an dem Küvettenfenster verhindert.In the aqueous Segment, which now consists of pure colloid, can now neither a SERS spectrum of crystal violet nor a Raman spectrum of the tetradecane be measured. (see A). This proves the fact that the aqueous droplet from an oil film which is an adhesion of nanoparticle aggregates to the cuvette prevented.

Zur Durchführung einer quantitativen Analyse werden Kristallviolett-Lösungen mit verschiedenen Konzentrationen von 10–5 bis 10–6 M gemessen. Hierbei wird für jede Konzentration eine Messserie über einen Zeitraum von ca. 15 Minuten aufgenommen. In diesem Zeitraum können ca. 80 Kristallviolett-Segmente gemessen werden. Für die quantitative Auswertung wird anschließend der Mittelwert über die Peakspitzen der integrierten Raman-Intensität ermittelt und dieser dann gegen die jeweilige Kristallviolett-Konzentration aufgetragen.To perform a quantitative analysis, crystal violet solutions at various concentrations of 10 -5 to 10 -6 M are measured. In this case, a measurement series is recorded for each concentration over a period of about 15 minutes. During this period about 80 crystal violet segments can be measured. For the quantitative evaluation, the mean value is then determined via the peak peaks of the integrated Raman intensity and this is then plotted against the respective crystal violet concentration.

Dabei ergibt sich eine lineare Abhängigkeit des berechneten Mittelwertes von der Kristallviolett-Konzentration (siehe dazu 3).This results in a linear dependence of the calculated mean of the crystal violet concentration (see 3 ).

Der Regressionskoeffizient der linearen Regression beträgt R2 = 0.9823. Alle in der Beschreibung, dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, den Ansprüchen und Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.The regression coefficient of the linear regression is R 2 = 0.9823. All features shown in the description, the following embodiment, the claims and drawings can be essential to the invention both individually and in any combination.

Tabelle 1Table 1

Begriffsdefinitionen:Definition of terms:

  • Separationsfluidseparation fluid
    bezeichnet ein vorzugsweise Raman-inaktives Fluiddenotes a preferred Raman-inactive fluid
    Analytanalyte
    bezeichnet eine Lösung der zu analysierende Probe, beinhaltend die zu analysierenden Komponenten und darüberhinaus weitere Komponenten.denotes a solution of sample to be analyzed, containing the components to be analyzed and beyond other components.
    NP-SuspensionNP suspension
    bezeichnet eine langzeitstabile Suspension von Nanopartikeln in einem Fluiddenotes a long-term stable Suspension of nanoparticles in a fluid
    Aggregations-FluidAggregation fluid
    bezeichnet ein Fluid, welches Reagenzien beinhaltet, die Aggregation der Nanopartikel bewirken.denotes a fluid, which contains reagents that cause aggregation of the nanoparticles.
    ANP-SuspensionANP suspension
    bezeichnet eine Suspension aggregierter Nanopartikeldenotes a suspension aggregated nanoparticles
    Test-FluidTest fluid
    bezeichnet ein ANP-Suspension und Analyt enthaltendes Fluid, welches mit dem Separationsfluid nicht mischbar ist.refers to an ANP suspension and analyte-containing fluid associated with the separation fluid is immiscible.
    RamanRaman
    inaktiv Als Raman inaktiv werden Substanzen bezeichnet, welche unter den gewählten Detektionsbedingungen und Detektionsbereichen keinen nennenswerten Beitrag zum Raman-Schwingungsspektrum liefern bzw. deren Schwingungsbanden eindeutig von den Banden der Analyt-Moleküle separiert werden können.inactive As Raman inactive substances are called which under the selected detection conditions and detection areas no significant contribution to the Raman vibrational spectrum or their vibrational bands clearly from the bands of Analyte molecules can be separated.

Mischbarkeitssmatrix Tabelle 2Miscibility matrix Table 2

  • 1:1:
    mischbarenmiscible
    0:0:
    nicht mischbarimmiscible

Separations-FluidSeparations fluid Analytanalyte NP-SuspensionNP suspension Aggregations-FluidAggregation fluid ANP-SuspensionANP suspension Test-FluidTest fluid Separations-FluidSeparations fluid 11 00 00 00 00 00 Analyt-FluidAnalyte fluid 11 11 11 11 11 NP-SuspensionNP suspension 11 11 11 11 Aggregations-FluidAggregation fluid 11 11 11 ANP-SuspensionANP suspension 11 11 Test-FluidTest fluid 11

Benetzungsmatrix Tabelle 3Wetting matrix Table 3

  • 1:1:
    benetzendwetting
    0:0:
    nicht benetzendnot wetting

Kanalwandchannel wall Separations-FluidSeparations fluid 11 Analytanalyte 00 NP-SuspensionNP suspension 00 Aggregations-FluidAggregation fluid 00 ANP-SuspensionANP suspension 00 Test-FluidTest fluid 00

11
Resonanz-Raman SpektrometerResonance Raman spectrometer
1111
Laserlaser
1212
Spektraldetektorspectral detector
22
DurchflussküvetteFlow Cell
33
erster Mikrokanalfirst microchannel
3131
MikrokanalabschnittMicrochannel portion
44
weiterer MikrokanalAnother microchannel
55
Detektionsfensterdetection window
66
Auslassöffnungoutlet
77
Vorrichtung zur Förderung von Separations-Flüssigkeitcontraption to promote of separation fluid
88th
VerweilschleifeVerweilschleife
99
Dünnfilmthin film

Claims (25)

Messanordnung für die quantitative Analytik vermittels der nanopartikelverstärkten Raman-Spektroskopie bzw. Resonanz-Raman-Spektroskopie umfassend • ein Resonanz-Raman Spektrometer (1), • eine an dessen Detektionsposition angepasste und justierte Durchflussküvette (2), wobei diese Durchflussküvette (2) mit einer Vorrichtung zur Förderung von Separations-Flüssigkeit fluidisch über einen ersten Mikrokanal (3) verbunden und mit Separations-Flüssigkeit befüllt ist, sowie • zumindestens einen weitereren mit einer Flüssigkeit befüllten Mikrokanal (4) mit einer Vorrichtung zur Förderung von Flüssigkeiten, welcher fluidisch mit dem ersten Mikrokanal (3) verbunden ist, wobei der erste Mikrokanal (3) in ein mit mindestens einem optisch transparenten Detektionsfenster (5) versehenen Mikrokanalabschnitt (31) mündet, der die Durchflussküvette (2) und gleichzeitig die Auslassöffnung (6) der Messanordung bildet, und wobei ein sich selbst regenerierender Dünnfilm (9) von Separations-Fluid zumindest im ersten Mikrokanal (3) und dem Mikrokanalabschnitt (31) zwischen den Segmenten und der Kanalwandung besteht.Measuring arrangement for quantitative analysis by means of nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy or resonance Raman spectroscopy comprising • a resonance Raman spectrometer ( 1 ), • a flow cuvette adapted and adjusted to its detection position ( 2 ), whereby this flow cuvette ( 2 ) with a device for conveying separation fluid fluidly via a first microchannel ( 3 ) and filled with separation liquid, and at least one further microchannel filled with a liquid ( 4 ) with a device for conveying fluids, which fluidly with the first microchannel ( 3 ), the first microchannel ( 3 ) into a with at least one optically transparent detection window ( 5 ) provided microchannel section ( 31 ), the flow cuvette ( 2 ) and at the same time the outlet opening ( 6 ) forms the Messanordung, and wherein a self-regenerating thin film ( 9 ) of separation fluid at least in the first microchannel ( 3 ) and the microchannel section ( 31 ) between the segments and the channel wall. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Mikrokanal (3) und der Mikrokanalabschnitt (31) mit einer Schicht versehen sind, die die Benetzung der Kanalwandungen durch die Separations-Flüssigkeit verbessert.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that at least the first microchannel ( 3 ) and the microchannel section ( 31 ) are provided with a layer which improves the wetting of the channel walls by the separation liquid. Messanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht ein molekularer Film ist.Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the layer is a molecular film is. Messanordnung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der molekulare Film aus Alkyl oder Aryl-Silanen besteht.Measuring arrangement according to claim 3, characterized in that the molecular film of alkyl or aryl-silanes consists. Messanordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkyl oder Aryl-Silane zusätzlich Amino-, Carboxy-, Hydroxy- oder Sulfonsäuregruppen besitzen.Measuring arrangement according to claim 4, characterized in that the alkyl or aryl silanes additionally amino, Carboxy, hydroxy or sulfonic acid have. Messanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Polymeren besteht.Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the layer consists of polymers. Messanordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere Polyacrylate, Polyester oder Polyolefine sind.Measuring arrangement according to claim 6, characterized in that the polymers polyacrylates, polyesters or polyolefins. Messanordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyacrylate, Polyester oder Polyolefine zusätzlich Amino-, Carboxy-, Hydroxy- oder Sulfonsäuregruppen besitzen.Measuring arrangement according to claim 7, characterized in that the polyacrylates, polyesters or polyolefins additionally Have amino, carboxy, hydroxy or sulfonic acid groups. Messanordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch Chlorosilane, Alkoxysilane, Acyloxysilane oder Hexamethydisilazan generiert ist.Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the layer by chlorosilanes, Alkoxysilanes, acyloxysilanes or hexamethydisilazane is generated. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des ersten Mikrokanals (3) 0,3 mm2 und 0,001 mm2 beträgt.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the cross section of the first microchannel ( 3 ) Is 0.3 mm 2 and 0.001 mm 2 . Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des in den ersten Mikrokanal (3) einmündenden Mikrokanals (4) 0,3 mm2 und 0,001 mm2 beträgt.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the cross section of the first microchannel ( 3 ) opening microchannel ( 4 ) Is 0.3 mm 2 and 0.001 mm 2 . Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Einmündung des einmündenden Mikrokanals (4) mit einer zusätzlichen, scharfkantig begrenzten Verengung ausgestattet ist.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the cross-section of the mouth of the opening microchannel ( 4 ) is equipped with an additional, narrow-edged narrowing. Messanordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Einmündung des in den ersten Mikrokanal (3) einmündenden Mikrokanals (4) 0,3 mm2 bis 0.001 mm2 beträgt.Measuring arrangement according to claim 11, characterized in that the cross-section of the mouth of the first microchannel ( 3 ) opening microchannel ( 4 ) Is 0.3 mm 2 to 0.001 mm 2 . Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Detektionsfenster (5) planar ist.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the optically transparent detection window ( 5 ) is planar. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Detektionsfenster (5) gekrümmt ist.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the optically transparent detection window ( 5 ) is curved. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfenster (5) aus einem kristallinen oder amorphen, transparenten anaorganischen Material besteht.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the detection window ( 5 ) consists of a crystalline or amorphous, transparent inorganic material. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsfenster (5) aus einem Verbund aus anorganischen oder organischen Materialien mit thermoplastischen oder duroplastischen Eigenschaften besteht.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the detection window ( 5 ) consists of a composite of inorganic or organic materials with thermoplastic or thermosetting properties. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (3; 4) verrundete Kanten aufweisen.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the microchannels ( 3 ; 4 ) have rounded edges. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (3; 4) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the microchannels ( 3 ; 4 ) have a circular cross-section. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (3; 4) einen viereckigen Querschnitt besitzt.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the microchannels ( 3 ; 4 ) has a quadrangular cross-section. Messanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussküvette (2) aus einem Verbund aus Silizium und Glas besteht.Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the flow cell ( 2 ) consists of a composite of silicon and glass. Verfahren für die quantitative Analytik vermittels der nanopartikelverstärkten Raman- bzw. Resonanz-Raman Spektroskopie unter Verwendung der Messanordnung gemäß einem oder mehrer der voran stehenden Ansprüche bei dem in einem kontinuierlich von einem Separationsfluid durchströmten Mikrokanal Test-Fluid enthaltende Segmente aus den Fluiden NP-Suspension und Analyt erzeugt werden, welche nachfolgend durch den als Durchflussküvette ausgeführten Kanalabschnitt geleitet werden und beim Durchtritt der Segmente durch den Detektionsbereich oberflächenverstärkte Raman- bzw. Resonanz-Raman-Spektren des im Segment enthaltenen Test-Fluids registriert werden.Procedure for the quantitative analysis by means of the nanoparticle-reinforced Raman or resonance Raman spectroscopy using the measuring arrangement according to one or more of the preceding claims in which one continuous micro-channel test fluid through which a separation fluid flows containing segments are generated from the fluids NP suspension and analyte, which subsequently by the designed as a flow cell channel section be passed and the passage of the segments through the detection area surface-enhanced Raman or resonance Raman spectra of the test fluid contained in the segment are registered. Verfahren gemäß Anspruch 22 umfassend folgende Schritte: a) Erzeugung von Segmenten enthaltend Nanopartikel-Suspension in einem Trägerstrom vom Separations-Fluid im ersten Mikrokanal 3, b) Zudosierung von Analyt zu den Segmenten im ersten Mikrokanal 3 durch Dosieroperationen oder Fusionierung vermittels eines weiteren Mikrokanals 4, wobei zuvor eine Durchmischung und Inkubation in einer Verweilschleife 8 erfolgen kann, und c) Vermessung des erzeugten Test-Fluids im Detektionsbereich durch das Detektionsfenster 5 hindurch vermittels des Resonanz-Raman Spektrometers 1.A method according to claim 22 comprising the following steps: a) Generation of segments containing nanoparticle suspension in a carrier stream from the separation fluid in the first microchannel 3 . b) Addition of analyte to the segments in the first microchannel 3 by metering operations or fusing by means of another microchannel 4 , where previously a mixing and incubation in a residence loop 8th and c) measuring the generated test fluid in the detection area through the detection window 5 through the resonance Raman spectrometer 1 , Verfahren gemäß Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt b) und c) folgender Schritt dazwischen liegt: • Zudosieren von Aggregations-Fluid zu den Segmenten im ersten Mikrokanal 3 durch Dosieroperationen oder Fusionierung mit Aggreations-Fluid enthaltenden Segmenten vermittels eines Mikrokanals 4, wobei zuvor eine Durchmischung und Inkubation in einer Verweilschleife 8 erfolgen kann.A method according to claim 22, characterized in that between step b) and c) the following step is in between: • metering of aggregation fluid to the segments in the first microchannel 3 by metering operations or fusion with segments containing aggreation fluid by means of a microchannel 4 , where previously a mixing and incubation in a residence loop 8th can be done. Verfahren für die quantitative Analytik vermittels der nanopartikelverstärkten Raman- Spektroskopie unter Verwendung der Messanordnung gemäß einem oder mehrer der voran stehenden Ansprüche bei dem die Segmente des Test-Fluids aus den Fluiden NP-Suspension, Aggregations-Fluid und Analyt erzeugt werden.Procedure for the quantitative analysis by means of the nanoparticle-reinforced Raman Spectroscopy using the measuring arrangement according to a or more of the preceding claims in which the segments of Test fluids from the fluids NP suspension, aggregation fluid and Analyte be generated.
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