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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Abstract
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
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
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 (
Außerdem besitzt
die oberflächenverstärkte Resonanz-Raman-Spektroskopie das
Potential für
eine hochspezifische, parallele, markierungsfreie Quantifizierung
mehrerer Analytmoleküle
in komplexen analytischen Matrizes (
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.
(
Auch
ist die Erzeugung von Flüssigkeitssegmenten,
deren Transport in Mikrokanalsystemen erfolgt, sowie das Zudosieren
von Fluiden zu diesen Flüssigkeitssegmenten
bekannt [siehe dazu
Aus
der Publikation
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
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:
Die
in
Dieser
erste Mikrokanal
Der
Querschnitt des ersten Mikrokanals
Der
Querschnitt der in den ersten Mikrokanal
Der
Querschnitt der Einmündung
der einmündenden
Mikrokanäle
Besonders
vorteilhaft ist das optisch transparente Detektionsfenster
Das
Detektionsfenster
Alternativ
dazu kann das Detektionsfenster
Die
Mikrokanälen
Alternativ
dazu können
die Mikrokanäle
Die
Durchflussküvette
Vorteilhaft
ist ein sich selbst regenerierender Dünnfilm
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
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
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 Mikrokanals4 , wobei zuvor eine Durchmischung und Inkubation in einer Verweilschleife8 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 Mikrokanals4 , wobei zuvor eine Durchmischung und Inkubation in einer Verweilschleife8 erfolgen kann, und - 4. Vermessung des erzeugten Test-Fluids im Detektionsbereich
durch das Detektionsfenster
5 hindurch vermittels des Resonanz-Raman Spektrometers1 ,
- 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 microchannel4 , where previously a mixing and incubation in a residence loop8th 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 microchannel4 , where previously a mixing and incubation in a residence loop8th can be done, and - 4. Measurement of the generated test fluid in the detection area through the detection window
5 through the resonance Raman spectrometer1 .
Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Messanordnung
und des erfindungsgemäßen Messverfahrens
besteht darin, dass gegenüber
dem Stand der Technik gemäß
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
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
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
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
Benetzungsmatrix Tabelle 3Wetting matrix Table 3
-
- 1:1:
- benetzendwetting
- 0:0:
- nicht benetzendnot wetting
- 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)
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DE200610045618 DE102006045618A1 (en) | 2006-09-22 | 2006-09-22 | 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 |
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