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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Kompartimenten
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Verfahren zur Bildung und
Transport von Kompartimenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs
19.
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Reaktor-,
Kultivierungs- und Sortiersysteme für vereinzelte Mikroorganismen,
Zellen, DNA und RNA sind bekannt. Speziell sind auch solche Systeme
beschrieben worden, bei denen das vereinzelte organische Material
mit einer Flüssigkeit
z. B. aus Nährlösung in
Form einer Mikrosphäre
umgeben wird. Das aus organischem Material und umgebender Nährlösung bestehende
Kompartiment wird mit Hilfe eines Transportfluides durch ein Kanalsystem bewegt.
Da die Nährlösung mit
der in diesen Transportsystemen verwendeten Transportflüssigkeit
nicht mischbar ist, entsteht bedingt durch die Oberflächenspannung
eine Art Mikrokapsel oder Kompartiment für das eingeschlossene organische
Material. Auf diese Weise wird ein 3-Phasen-System aus organischem Material, Nährlösung und
Transportflüssigkeit gebildet.
Durch Titration mit Additiven lassen sich unterschiedliche Entwicklungs-
und Reaktionsbedingungen in der Mikrokapsel zum Zweck der Analyse oder
der Kultivierung erzeugen. Die Mikrosphäre kann auch gasförmig sein.
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Ein
solches System eines Tröpfchenreaktors wird
in der
GB 2 097 692
A beschrieben. Kompartimente verschiedener Reagenzien werden
in einen nicht mischbaren Trägerstrom
dosiert. Diese Kompartimente können
vereinigt, separiert und zu einer Auswertestation transportiert
werden.
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Die
US 4,253,846 beschreibt
ein kontinuierliches Flusssystem für separierte Proben, die mit
zudosierten Reagenzien behandelt werden. In den Proceedings of SPIE
2002 Vol 4937 S. 174–181
wurde eine Anordnung veröffentlicht,
bei der Kompartimente durch eine sequentielle Generierung zum Zweck der
parallelen Zellkultivierung erzeugt werden.
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In
den genannten Schriften erfolgt der Transport der Kompartimente
durch extern angeschlossene Pumpen für das Transportfluid bzw. die
Nährflüssigkeiten
und sonstige Additive. Diese Pumpen sind z. B. als Spritzenpumpen
ausgeführt,
bei denen Kolben durch eine Spindel vorangetrieben werden. Im Wesentlichen
wird dabei eine Kraft bzw. Druck aufgeprägt. Elastizitäten in den
Schlauchverbindungen bedingen eine ruckweise, schwer kontrollierbare
Strömung.
Die Kompartimentbildung ist zudem abhängig von dem dynamischen Gegendruck
des Fluidiksystems.
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Es
ist auch bekannt, steuerbare Pumpen soweit zu miniaturisieren, dass
sie unmittelbar in die Kanalstruktur integriert werden können. Sie
sind z. B. als Membranpumpen ausgeführt und lassen sich durch den
Druckabfall über
einen Messkanal steuern. Ein derartiges System ist in der
US 6,458,325 für eine Vorrichtung
zur automatischen und kontinuierlichen Analyse von Flüssigkeitsproben
beschrieben. Die Steuerung der Pumpen erfolgt über die Messung des Druckabfalls.
Allerdings würden
die in den Kanal eingebauten Mikropumpen der beschriebenen Bauart
die Kompartimente zerstören.
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Speziell
für den
Transport von Zellen in Trägerfluiden
werden dielektrophoretische Antriebe verwendet, bei denen die Wechselwirkung
der Zellen mit einem elektrischen Feld, das beispielsweise über eine
Kammstruktur einwirkt, ausgenutzt wird.
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In
der
EP 0871 888 wird
zum Beispiel ein automatisiertes molekularbiologisches Diagnosesystem
mit elektrophoretischem Transportsystem dargestellt. Speziell für den Transport
von Kompartimenten, entsprechend dem definierten 3-Phasensystem, wurden
Verfahren nach dem Prinzip des Electrowetting entwickelt (
US 2004/0058450 ), bei
dem die Tröpfchen
(Kompartimente) transportiert werden. Unter Nutzung elektrophoretischer
Antriebe oder des Prinzips des Electrowettings lassen sich auch
flächenmäßig ausgebildete
Antriebe mit Eigenschaften des Sortierens und Vereinzeln aufbauen
(
US 2003/0173223 ).
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Allerdings
besitzen auch diese Antriebssysteme für organisches Material Nachteile
beim Transport von organischem Material wie zum Beispiel Zellen
und Mikroorganismen. Es besteht dabei die Gefahr, dass die Lebensfunktionen
durch die relativ starken elektrischen Felder und die dadurch bedingte elektrische
Dipolbildung beeinflusst werden. Diese elektrischen Felder müssen auch
deshalb eine bestimmte Größe besitzen,
weil die Transportkräfte auch
an dem organischen Material angreifen und die Kompartimente gegen
den Widerstand des Transportfluids bewegt werden müssen. Die
Widerstandskräfte
sind in den Mikrokanälen
relativ hoch. Das Transportfluid wirkt eigentlich als Bremse.
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Zudem
lagern sich die Kompartimente unter Verdrängung der Transportflüssigkeit
an den Elektroden an, wodurch die schützende Hülle, gebildet aus der Oberflächenspannung
zwischen Transport- und Nährflüssigkeit
zerstört
wird. Damit besteht die Gefahr von Infektionen in Form einer gegenseitigen
Beeinflussung des Inhaltes der einzelnen Kompartimente. Ein weiterer
Nachteil besteht in der Gefahr der Sedimentierung von Stoffen bei
großvolumigen
Kammern.
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Die
bekannten Transportsysteme weisen daher für den gerichteten Transport
von Kompartimenten eine Reihe von Nachteilen auf. Die Feinfühligkeit bzw.
Regelbarkeit der Pumpen ist nicht gegeben und die Vibrationsantriebe
der Pumpen können
somit zur Zerstörung
des Kompartimentes führen.
Es erfolgt keine Rückmeldung über die
Position des Kompartimentes im Kanalsystem. Bei Gegendruck aus dem Kanalsystem
ist die Funktionsweise nicht reproduzierbar. In der Regel greift
der Antrieb am organischen Material im Kompartiment an gegen den
Widerstand der Trägerflüssigkeit.
Bei angelegten elektrischen Feldern kommt es zur Ausbildung von
Dipolen. Ein weiteres Problem insbesondere elektrischen Transportmethoden
stellt die direkte Berührung
der Elektrodenoberflächen
dar.
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Die
US 2005/0087122 A1 beschreibt
eine miniaturisierte Vorrichtung und ein Verfahren zum druckgetriebenen
Transport von Stopfen (plugs) bzw. Kompartimenten in einer Trägerflüssigkeit
in dieser Vorrichtung, wobei in den Kompartimenten chemische Reaktionen
durchgeführt
werden. Die Vorrichtung weist ein Mittel zum Anlegen eines kontinuierlichen
Druckes an eine der Flüssigkeiten
auf. Typischerweise wird eine Spritzpumpe zur Kontrolle der Flussrate
am Zufluss verwendet. Die Transportflüssigkeit und die Kompartiment-bildende
Flüssigkeit können an
einem oder mehreren Zuläufen
durch pneumatisch angetriebene Spritzenreservoirs, die entweder
die Transportflüssigkeit
oder die Kompartiment-bildende Flüssigkeit aufweisen, eingeführt werden.
Fliessgeschwindigkeit und Fliessrichtung können durch jede beliebige Methode
der Fliessregulierung, wie z. B. Erfassung der Druckdifferenz, kontrolliert
werden.
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In
der
US 2003/0006140
A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport
von Flüssigkeiten
in Mikrokanälen
mittels Verwendung von dielektrischen Pumpen beschrieben. Im Einzelnen
umfasst das Verfahren die Bewegung von zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen
dielektrischen Konstanten durch Anlegen eines elektrischen Feldes
an der Grenzfläche
der zwei Flüssigkeiten.
Die Vorrichtung umfasst zwei in der Nähe der Grenzfläche der
zwei Flüssigkeiten
angeordnete Elektroden, die einen Kondensator bilden, der ein elektrisches
Feld zur Bewegung der Grenzfläche
der zwei Flüssigkeiten
erzeugt.
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Der
Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Bildung und dem Transport von Kompartimenten bereitzustellen,
bei dem die Kompartimente schonend und präzise durch den Fluss der Transportflüssigkeit
bewegt werden und trotzdem eine Rückmeldung über die Position des Kompartimentes
erfolgt. Auch soll ein Kontakt mit der Kanalwandung sowie starke
elektrische, auf die Kompartimente einwirkende Felder weitgehend
vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
weist die Vorrichtung für
den Transport von mindestens einem Kompartiment in einer Transportflüssigkeit
in mindestens einem Transportkanal, in den an einer Mündung ein
Zulaufkanal mit einer von der Transportflüssigkeit verschiedenen Flüssigkeit
mündet,
wobei das Kompartiment eine mit der Transportflüssigkeit gebildete Grenzschicht aufweist,
mindestens eine dem Transportkanal zugeordnete erste Pumpe zum Transport
der Transportflüssigkeit
und mindestens eine dem Transportkanal und/oder Zulaufkanal zugeordnete
Druckmesseinrichtung zur Steuerung der ersten Pumpe auf. Der Transportkanal
weist in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Mündung von
Zulaufkanal in den Transportkanal eine Kanalverengung auf, wobei
in Flussrichtung der Transportflüssigkeit
hinter und/oder vor der Kanalverengung mindestens eine Druckmesseinrichtung
zur Steuerung der ersten und/oder einer weiteren Pumpe angeordnet
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
eine Steuerung der Kompartimentbildung und des Kompartimenttransportes.
Die Steuerung erfolgt durch eine kontinuierliche Messung des Druckes
an den jeweiligen Druckmesseinrichtungen, die die Pumpen ansteuern
und somit die Pumpleistungen in Abhängigkeit von der Veränderung
der Druckverhältnisse
in den Kanälen
regulieren. Eine derartige Steuerung ermöglicht einen schonenden Transport
der gebildeten Kompartimente in der Transportflüssigkeit und ermöglicht parallel
die Verfolgung der Position des Kompartiments in den Kanälen.
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Die
Kanalverengung ermöglicht
die Bestimmung des Abstandes der Kompartimente im Transportkanal.
Die Verengung bewirkt, das beim Passieren des Kompartiments an einer
ersten Druckmesseinrichtung, die in Flussrichtung der Transportflüssigkeit
vor der Kanalverengung angeordnet ist, eine Druckerhöhung gemessen
wird, während
an der in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Kanalverengung
angeordneten Druckmesseinrichtung eine Reduzierung des Kanaldruckes
gegenüber
dem vor der Passage der Kanalverengung gemessenen Druckes. Die Differenz
zwischen beiden Drücken
ist ausserdem ein Maß für die Fließgeschwindigkeit
der Transportflüssigkeit
mit den zu transportierenden Kompartimenten.
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Mit
Vorteil ist eine erste Pumpe dem Transportkanal zugeordnet und befindet
sich in Flussrichtung der Transportflüssigkeit vor der Mündung des Zulaufkanals
in den Transportkanal, wobei die Mündung des Zulaufkanals als
Düse ausgebildet
ist.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn in Flussrichtung der Transportflüssigkeit
zwischen der Pumpe und der Mündung
mindestens ein mechanischer Filter zur Glättung der impulsartigen Druckstöße dem Transportkanal
zugeordnet ist. Durch die Glättung der
Druckstöße werden
negative Auswirkungen auf die Kompartimente vermieden.
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Bevorzugt
ist der mechanische Filter in Form einer Kammer ausgebildet, die
mit einer elastischen Membran verschlossen ist. Die Eigenfrequenz
der Membran ist auf die Frequenz der Pumpe abgestimmt. Die Filter
weisen jedoch bevorzugt eine Grenzfrequenz kleiner als die Pumpfrequenz
auf. Durch Reihenschaltung mehrerer Filter kann die Filtercharakteristik
weiter verbessert werden. Die mögliche
Wirkung einer ungefilterten Pumpfrequenz auf die Kompartimente kann
aber auch bewusst genutzt werden, um zum Beispiel bestimmte Lebensfunktionen
bewusst zu stimulieren.
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Als
Pumpen werden bevorzugt bidirektionale Mikromembranpumpe verwendet,
die je nach Ansteuerung in die eine oder andere Richtung wirken. Die
Mikromembranpumpen können
Pumpleistungen von 10 kPa und Förderleistungen
bis zu 100 μl/min erzielen,
die für
Mikrokanäle
mit dem Durchmesser von ca. 100 μm
ausreichend sind. Daraus ergeben sich beispielsweise Durchmesser
von Kompartimenten zwischen 10 μm
bis 50 μm.
Pumpfrequenzen größer 1 kHz
sind sinnvoll, weil so einerseits eine schnelle Reaktion auf Ergebnisse
der Druckmessung ermöglicht
wird, zum anderen sich solche Frequenzen durch mechanische Filter
gut ausfiltern lassen.
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Als
Druckmesseinrichtung wird bevorzugt ein piezoresistiver Widerstandsarray
verwendet. Die dabei entstehenden Messfehler sind kleiner als 100 Pa,
ein für
die Ermittlung von Passagen von Kompartimenten durch eventuelle
Engstellen völlig
ausreichender Wert. Ein wichtiger Aspekt für die Funktionsweise sind die
Zeitkonstanten der einzelnen Funktionselemente.
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Vorteilhafterweise
weist die Transportflüssigkeit
eine höhere
spezifische Dichte als die Flüssigkeit im
Zulaufkanal auf. Insbesondere ist die Transportflüssigkeit
eine unpolare, nicht mit Wasser mischbare Flüssigkeit, insbesondere C8 bis C20- kettige
Kohlenwasserstoffe und/oder fluorisierte Kohlenwasserstoffe.
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Die
sich im Zulaufkanal befindende Flüssigkeit ist bevorzugt eine
wässrige
Lösung, insbesondere
eine Pufferlösung
und/oder eine Nährlösung, und enthält organisches
Material, insbesondere ganze Zellen, DNA, RNA, Peptide und/oder
weitere Additive wie optische aktive Substanzen zur optischen Detektion
von Zuständen
des Nährmediums
(z. B. pH, pO2) oder Zuständen des
organischen Materials (z. B. fluoreszierende Substanzen).
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Die
auftretende Oberflächenspannung
zwischen den beiden Flüssigkeiten
ermöglicht
somit die Ausbildung der Kompartimente. Mit Vorteil weisen die Kompartimente
mindestens ein in der Flüssigkeit eingekapseltes
organisches Material, wobei der Durchmesser der gebildeten Kompartimente
bevorzugt 50 bis 1000 μm,
insbesondere 100 bis 500 μm beträgt.
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Die
Vorrichtung ist des Weiteren dadurch charakterisiert, dass der Zulaufkanal
mit einem Winkel von 10 bis 170°,
insbesondere 70 bis 120°,
insbesondere 90° in
den Transportkanal mündet.
Der Durchmesser von Transportkanal und Zulaufkanal beträgt 50 bis
1000 μm,
insbesondere 100 bis 700 μm;
bevorzugt 500 μm.
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Transport-
und Zulaufkanal sind Teil eines verzweigten Kanalsystems. Mit Vorteil
ist das Kanalsystem dadurch charakterisiert, dass in Flussrichtung der
Transportflüssigkeit
der Transportkanal eine Verzweigung in mindestens einen ersten Ablaufkanal und
mindestens einen zweiten Ablaufkanal aufweist. Die Verzweigung ist
dabei in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Kanalverengung
angeordnet ist.
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Die
Verzweigung weist dabei die Funktion einer Weiche auf. Die Weichenfunktion
wird dadurch ermöglicht,
dass vorteilhafterweise mindestens eine Pumpe zur Lenkung der Kompartimente
mindestens einem weiteren Kanal zugeordnet ist, der an der Verzweigung
in den Transportkanal mündet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Kanalsystem mindestens einen Abflaufkanal auf, der in
Flussrichtung der Transportflüssigkeit
hinter der Verzweigung in mindestens einen Ansaugkanal unter Ausbildung
eines Überganges
mündet.
Dabei sind dem Ansaugkanal mindestens eine Saugpumpe und mindestens
eine Ansaugkammer mit einer Druckmesseinrichtung zugeordnet. Mit
Vorteil weist der Ansaugkanal einen geringeren Durchmesser als der
Abflusskanal am Übergang
auf.
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Durch
die derart gebildete Verengung des Kanals wird das Kompartiment
am Übergang
bedingt durch den Ansaugdruck festgehalten, wodurch Messungen verschiedener
Parameter wie Impedanz oder Volumen durchgeführt werden können. Zur
Durchführung
von Impedanzmessungen sind vorteilhafterweise mindestens zwei mit
einem Generator verbundene Elektroden am Übergang angeordnet.
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Modifizierungen
des Kompartiments mittels Titrationspumpen sind hier ebenfalls möglich. Mit Vorteil
ist daher mindestens eine Tritrationspumpe mindestens einem Kanal
zugeordnet, der in den Abflusskanal am Übergang mündet.
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Das
gesamte Kanalsystem ist zweckmäßig in einer
sandwichartigen Anordnung untergebracht.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 19 gelöst.
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Danach
ist das Verfahren zur Bildung und Transport der Kompartimente unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass die Transportflüssigkeit im Transportkanal
durch die Pumpe in Richtung Mündung
des Zulaufkanals befördert
wird, wobei durch die Förderung der
Transportflüssigkeit
ein Unterdruck im Zulaufkanal erzeugt wird. Dadurch wird die Flüssigkeit
mit dem organischen Material aus dem Zulaufkanal durch die Mündung von
der Transportflüssigkeit
in den Transportkanal unter Ausbildung eines Kompartiments mitgerissen.
Auf diese Weise wird ein dreiphasiges System aus organischem Material,
wässriger
Lösung
und Transportflüssigkeit
gebildet.
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Das
Verfahren wird vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass die dem Zulaufkanal
zugeordnete Druckmesseinrichtung den von der Fließgeschwindigkeit
der Transportflüssigkeit
abhängigen
Druck im Zulaufkanal misst und die dem Transportkanal vor der Mündung des
Zulaufkanals in den Transportkanal zugeordnete Pumpe zur Regulierung
der Fließgeschwindigkeit
der Transportflüssigkeit
im Transportkanal ansteuert. Somit wird die Pumpaktivität durch einen
Regelkreis bestehend aus einer Druckmesseinrichtung, einem Regler
mit bekannten Übertragungsverhalten
und einer Pumpe reguliert. Durch die Pumpregulierung ist es daher
möglich,
das Volumen der gebildeten Kompartimente durch die Leistung der Pumpe
so zu steuern, dass sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit
je nach vorgesehener Anwendung sich in je einem Kompartiment genau
ein Teil eines organischen Materials, z. B. eine einzelne Zelle eines
Mikroorganismus, befindet. Auch lässt sich durch die Regulierung
der Fließgeschwindigkeit
der Transportflüssigkeit
das Volumen der Kompartimente je nach Bedarf einstellen.
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Vorteilhafterweise
misst mindestens eine vor und/oder nach der Kanalverengung in Flussrichtung der
Transportflüssigkeit
angeordnete Druckmesseinrichtung den von der Fließgeschwindigkeit
und dem Abstand der Kompartimente abhängigen Druck im Transportkanal
und bildet das Eingangssignal für
den Soll-/Istwertvergleich des Reglers, welcher dann das Ausgangssignal
zur Ansteuerung der Pumpe zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit
der Transportflüssigkeit
und des Abstandes der Kompartimente generiert.
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Auch
ist es von Vorteil, wenn eine in Flussrichtung der Transportflüssigkeit
vor der Kanalverengung angeordnete Druckmesseinrichtung den vom Volumen
der Kompartimente abhängigen
Druck im Transportkanal misst und mindestens eine der Lenkpumpen
ansteuert, die eine Lenkung der Kompartimente in Abhängigkeit
von dessen Volumen in mindestens einen Ablaufkanal durch Abgabe
von Druckimpulsen bewirkt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
misst eine in Flussrichtung der Transportflüssigkeit vor der Kanalverengung angeordnete
Druckmesseinrichtung den vom Volumen der Kompartimente abhängigen Druck
im Transportkanal und steuert eine dem Ansaugkanal zugeordnete Ansaugpumpe
an. Die Saugwirkung der Ansaugpumpe bewirkt den Transport eines
Kompartiments mit einem spezifischen Volumen in mindestens einen
der Abflusskanäle
bis zum sich verengenden Übergang
des Abflusskanals in den Ansaugkanal. An diesem Übergang lagert sich das Kompartiment
ab und bewirkt durch die Ablagerung einen Druckanstieg im Ansaugkanal
und in der Ansaugkammer. Der Druckanstieg in der dem Ansaugkanal zugeordneten
Ansaugkammer wird durch eine dem Ansaugkanal ebenfalls zugeordnete
Druckmesseinrichtung gemessen, durch die wiederum die Ansaugleistung
der Ansaugpumpe reguliert wird.
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Zur
Modifizierung des am Übergang
abgelagerten Kompartiments wird mittels einer Titrationspumpe, die
einem weiteren in den Abflusskanal am Übergang mündenden Kanal zugeordnet ist,
eine definierte Menge eines Additivs durch die Grenzschicht des
abgelagerten Kompartiments transportiert. Bevorzugte Additive sind
optische aktive Substanzen zur optischen Detektion von Zuständen des
Nährmediums
(z. B. pH, pO2) oder Zuständen des
organischen Materials (z. B. fluoreszierende Substanzen). Das modifizierte
Kompartiment wird nach Abschluss des Tritrationsvorganges durch
die Ansaugpumpe entgegen der Flussrichtung der Transportflüssigkeit aus
dem Abflusskanal in mindestens einen weiteren Abflusskanal befördert.
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Die
Messung des elektrischen Widerstandes bzw. der Impedanz des am Übergang
abgelagerten Kompartiments wird mit Vorteil bei unterschiedlichen Frequenzen
durch Anlegen einer durch einen Generator erzeugten Wechselspannung
mit unterschiedlichen Frequenzen über mindestens zwei Elektroden im
Rahmen der Elektroimpedanzspektroskopie gemessen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren an mehreren
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines Kompartimentes;
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2:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3:
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4:
eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5:
eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6:
eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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7:
eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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8:
eine Seitenansicht der sechsten Ausführungsform.
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1 verdeutlicht
schematisch den Aufbau der Kompartimente 5 aus organischem
Material 1, einer umgebenden Flüssigkeit 2 z. B. Nährflüssigkeit, und
einer sich herausbildenden Grenzschicht 7 zur unpolaren
Transportflüssigkeit 3.
Das Kompartiment 5 definiert sich hier durch die Grenzschicht 7 zwischen
der Flüssigkeit 2 im
Kompartiment 5 und der umgebenden Transportflüssigkeit.
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In
das Kompartiment 5 wird ein Additiv 6 gegeben,
das z. B. einen Wirkstoff enthält,
der die Entwicklungsbedingungen des organischen Materials 1 verändert.
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Auch
wenn in allen Ausführungsbeispielen, ein
polare Flüssigkeit 2 im
Kompartiment 5 verwendet wird, ist es grundsätzlich auch
möglich,
ein Kompartiment 5 mit einer unpolaren Flüssigkeit
(z. B. mit einer organischen Phase) in einer polaren Transportflüssigkeit 3 zu
bewegen. Grundsätzlich
ist es auch möglich,
als Fluid ein Gas zu verwenden.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
mit einer Erzeugung eines Kompartimentes 5 wird in 2 dargestellt.
Im Transportkanal 12 wird die Transportflüssigkeit 3 durch
eine Pumpe 20, die z. B. als eine Mikromembranpumpe ausgeführt ist,
gefördert.
Im Zulaufkanal 11 befindet sich die Flüssigkeit 2 z. B. in Form
einer Nährlösung mit
dem organischen Material 1; z. B. Zellen von Mikroorganismen.
Durch eine hohe Verdünnung,
d. h. eine große
Menge der Nährlösung 2 im
Verhältnis
zu der Anzahl der Zellen ist der Abstand zwischen den Zellen in
der Flüssigkeit 2 relativ
hoch. Die Nährlösung 2 ist
wässrig
und in der Transportflüssigkeit 3 nicht
lösbar;
es bildet sich eine Grenzschicht 7 aus.
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Ohne
Wirkung der Pumpe 20 im Transportkanal 12 entsteht
an der Mündung
in Form einer Düse 13 ein
stabiler Meniskus, der durch die Oberflächenspannung zwischen der Nährlösung 2 gegenüber der
Transportflüssigkeit 3 bedingt
ist. Durch die Förderung
der Transportflüssigkeit 3 im
Transportkanal 12 entsteht ein Unterdruck im Zulaufkanal 11 und die
Nährlösung 2 wird
aus dem Zulaufkanal 11 durch die Düse 13 herausgezogen
bzw. mitgerissen. Die Funktion ist ähnlich einer Wasserstrahlpumpe.
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Es
bilden sich Kompartimente 5, deren Volumen von der Geometrie
der Düse 13,
von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten 2 und 3 aber
auch vom entstehenden Unterdruck im Zulaufkanal 11 bzw.
von der Leistung der Pumpe 20 abhängig ist. Es ist nun möglich, das
Volumen des Kompartiments 5 durch die Leistung der Pumpe 20 so
zu steuern, dass sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit je
nach vorgesehener Anwendung sich in jedem Kompartiment 5 genau
eine Zelle oder ein Mikroorganismus befindet.
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Die
erste Pumpe 20 ist hier dem Transportkanal 12 für einen
Transport der Transportflüssigkeit 3 zugeordnet.
Dem Zulaufkanal 11 ist eine Druckmesseinrichtung 30 zur
Steuerung der Pumpe 20 zugeordnet.
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Es
ist zweckmäßig, hinter
der Pumpe 20 einen mechanischen Filter 29 anzuordnen,
um impulsartige Druckstöße im Transportkanal 12 zu
glätten und
eine negative Auswirkung auf das organische Material 1 zu
vermeiden. Der mechanische Filter 29 kann z. B. als Kammer
ausgeführt
werden, die mit einer elastischen Membran verschlossen ist und deren Eigenfrequenz
auf die Frequenz der Pumpe 20 abgestimmt ist.
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Der
im Zulaufkanal 11 vorherrschende Unterdruck beim Betrieb
der Pumpe 20 baut sich bis zu einem Maximum auf, wobei
sich beim Abreißen
des Kompartimentes 5 kurzfristig ein Überdruck ergibt. Die Druckspitze
ist gut messbar und kann gut als Indikator für die Erzeugung eines Kompartimentes 5 benutzt
werden. Gleichzeitig kann mit dieser Anordnung der Abstand der Kompartimentbildung
beeinflusst werden, indem die Pumpe 20 zwar fördert, der erforderliche
Grenzdruck im Zulaufkanal 11 für die Nährlösung 2 nicht erreicht
wird.
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3 betrifft
eine zweite Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wie mit Hilfe einer Druckmessung im Kanalsystem auch der Abstand
zwischen Kompartimenten 5 bzw. die Passage von Kompartimenten 5 an
bestimmten Positionen im verzweigten Kanalsystem gemessen werden
kann. Zu diesem Zweck ist eine Verengung 18 im Transportkanal 12 vorgesehen,
die bewirkt, dass beim Passieren des Kompartimentes 5 an
der Druckmesseinrichtung 32 eine Druckerhöhung, an
der Druckmesseinrichtung 33 eine Reduzierung des Kanaldruckes
gegenüber
dem vor der Passage des Kompartimentes 5 gemessenen Drücken festgestellt
wird. Die Differenz zwischen beiden Drücken ist ebenfalls ein Maß für die Fließgeschwindigkeit
der Transportflüssigkeit 3 mit
den eingebetteten Kompartimenten 5. Die Druckdifferenz
bildet dabei das Eingangssignal für den Soll/Ist-Wert-Vergleich des Reglers,
welcher dann das Ausgangssignal zur Ansteuerung der Pumpe zur Regulierung
der Fliessgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit und des Abstandes
der Kompartimente generiert.
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Mit
Hilfe von im Kanalsystem integrierten Druckmesseinrichtungen 32 kann,
wie in 4 dargestellt auch ein Vorrichtung (dritte Ausführungsform)
zur Lenkung der Kompartimente bzw. eine Weiche in Form der Verzweigung 17 gesteuert
werden. Nach Passage des Kompartimentes 5 an der Kanalverengung 18 wird
entweder die Lenkpumpe 21 oder die Lenkpumpe 22 aktiv
und erteilt dem Kompartiment 5 einen Stoß, der das
Kompartiment 5 entweder in den ersten Ablaufkanal 14 oder
den zweiten Ablaufkanal 15 lenkt. Ein Impuls reicht in
diesem Fall aus, wenn an der Verzweigungsstelle ein stationäres Strömungsprofil
der Transportflüssigkeit 3 vorherrscht.
Mit der gleichen Anordnung lässt
sich auch der Abstand zwischen den einzelnen Kompartimenten 5 steuern,
in dem nach Passage der Kanalverengung 18 durch den zweiten
Ablaufkanal 15 kurzzeitig Transportflüssigkeit 3 entzogen
bzw. zudosiert wird.
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Für Analyseaufgaben
ist es wichtig, die Zusammensetzung der Flüssigkeit 2 im Kompartiment 5 zu
verändern
und die Reaktion auf das organische Material festzustellen. Zu diesem
Zweck wird die Bewegung des Kompartimentes 5 kurzzeitig
unterbrochen und ein Additiv 6 eingebracht. 5 zeigt
eine vierte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Modifizierung eines Kompartiments 5.
Zum Zweck der Modifizierung wird die Saugpumpe 23 nach
Passage des Kompartimentes 5 an der Engstelle 18 aktiv
und zieht das Kompartiment 5 in den Übergang 25, der auch
als Titrationssitz bezeichnet wird. Der Ansaugkanal 19 hat
einen wesentlich kleineren Durchmesser als ein Kompartiment 5,
so dass beim Berühren des Überganges
bzw. Titriersitzes 25 bedingt durch die Oberflächenspannung
der Grenzschicht 7 ein Druckanstieg durch die Druckmesseinrichtung 38 in der
Ansaugkammer 24 gemessen wird, was zum Abschalten der Ansaugpumpe 23 führt.
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Bedingt
durch die Strömung
im Transportkanal 12 und im Ablaufkanal 15 wird
das Kompartiment 5 im Übergang
bzw. Titriersitz 25 gehalten. Ansaugpumpe 23 und
Druckmesseinrichtung 38 können zu einem Regelkreis verschaltet
werden, so dass das Kompartiment 5 in den Titrationssitz 25 mit
einer definierten Kraft hereingepresst wird. Anschließend wird
die Titrationspumpe 26 aktiv und fördert eine gewünschte Menge
Additiv in das Kompartiment 5, wobei die Grenzschicht 7 durchschlagen
wird. Nach Abschluss des Titrationsvorganges wird die Pumpe 23 in
umgekehrte Richtung aktiv, fördert
Transportflüssigkeit 3 durch
die Ansaugkanäle 19 und
bewegt das Kompartiment 5b zu der Verzweigungsstelle im
Kanal. Das Kompartiment 5 verlässt anschließend den Ablaufkanal 14.
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Ähnlich kann,
wie in 6 für
eine fünfte Ausführungsform
dargestellt, eine Impedanzmessung des Kompartimentes 5 vorgenommen
werden Die Impedanz gibt wichtigen Aufschluss über die Lebensfunktionen des
organischen Materials 1, insbesondere auch von Zellen.
Zu diesem Zweck wird der Übergang
bzw. Titrationssitz 25 mit mindestens zwei Elektroden 40 ausgestattet.
Nachdem das zu messende Kompartiment 5 durch die Saugpumpe 23 in den
Titrationssitz 25 gezogen wurde, wird eine Wechselspannung
unterschiedlicher Frequenz mit dem Generator 43 über die
Elektroden 40 eingespeist und die Impedanz bei unterschiedlichen
Frequenzen gemessen. Das Messergebnis wird über eine elektronische Anpass-Verstärkerstufe 41 und
im Auswertesystem 42 ausgewertet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann gemäß einer
in den 7 und 8 gezeigten sechsten Ausführungsform
sandwichartig angeordnet sein.
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7 zeigt
eine Aufsicht auf eine Anordnung einer Pumpkammer 82 für die Pumpe 20,
einer Dämpfungskammer 84 für den mechanischen
Filter 29, Druckmesskammer 64 mit Drucksensor 65 der Druckmesseinrichtung 30,
Transportkanal 12, Zulaufkanal 11 sowie Mündung 13.
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In 8 ist
die sandwichartige Anordnung von der Seite zu sehen. Die gesamte
Anordnung wird zweckmäßig in einem
Sandwich 90 untergebracht, bei dem zwei Kanalkörper 87 und 89 zum
Beispiel aus Silizium mit halbkreisförmigen Kanälen passgenau aufeinander gesetzt
werden, sodass sich die kreisförmigen
Kanäle
beispielsweise 11 und 12 ergeben. Die Kanalkörper 89 enthalten
gleichzeitig die Membranen 91, 92 und 93 für die Mikropumpen,
Filter und Drucksensoren, indem die entsprechenden Kammern 82, 84 und 64 so
tief in den Kanalkörper 89 eingebracht
werden, dass nur eine dünne
Membran übrig
bleibt. Außen
auf dem Kanalkörper 89 angebracht
befinden sich die eigentlichen Pumpantrieb 66 der Pumpe 20 in
Form einer Piezoscheibe, die zusammen mit der Membran 91 ein
Bimorph bildet. Durch elektrische Ansteuerung der Piezoscheibe verformt
sich der Bimorph und erzeugt eine oszillierende Pumpbewegung auf
die Kammer. Der Transportkanal 12 stellt einen dynamischen
Strömungswiderstand
dar, der je nach Form des Ansteuersignals eine gerichtete Strömung bewirkt.
Die nachfolgende Dämpfungskammer 84 wird
durch die Membran 92 elastisch abgeschlossen und filtert
Druckspitzen in der Art eines Tiefpasses aus. Die Druckmesseinrichtung 30 besteht ähnlich der
Mikropumpe 20 aus einer Kammer, die mit einer Membran 64 und
einer darauf aufgebrachten Piezoschicht 65 abgeschlossen
wird.
-
Die
beschriebenen, im Wesentlichen durch eine Druckmessung gesteuerten
Funktionselemente können
zu einem Gesamtsystem kombiniert werden, das zum Beispiel eine Vorrichtung
zur die Kompartimenterzeugung mit einer impedimetrischen Messstation,
einer Titrationsstation, einem Röhrenspeicher zur
Sicherung von Entwicklungsbedingungen mit einer Selektionsstation,
bestehend aus einer weiteren Messstation und einer Weiche kombiniert.
-
- 1
- Organisches
Material
- 2
- Flüssigkeit
im Zulaufkanal
- 3
- Transportflüssigkeit
- 5
- Kompartiment
- 6
- Additiv
- 7
- Grenzschicht
- 11
- Zulaufkanal
- 12
- Transportkanal
- 13
- Mündung
- 14
- ein
erster Ablaufkanal
- 15
- ein
zweiter Ablaufkanal
- 16a,
b, c
- Kanal
- 17
- Verzweigung
- 18
- Kanalverengung
- 19
- Ansaugkanal
- 20
- erste
Pumpe, dem Transportkanal zugeordnet
- 21
- eine
erste Lenkpumpe
- 22
- eine
zweite Lenkpumpe
- 23
- Ansaugpumpe
- 24
- Ansaugkammer
- 25
- Übergang
von Ablaufkanal in Ansaugkanal
- 26
- Titrationspumpe
- 29
- Mechanische
Filter
- 30
- Druckmesseinrichtung,
dem Zulaufkanal zugeordnet
- 32
- Druckmesseinrichtung
vor der Verengung 18
- 33
- Druckmesseinrichtung
hinter der Verengung 18
- 38
- Druckmesseinrichtung,
der Ansaugkammer 24 zugeordnet
- 40
- Elektroden
- 41
- elektronische
Anpass-Verstärkerstufe
- 42
- Auswertesystem
- 43
- Generator
- 64
- Druckmesskammer
- 65
- Drucksensor
- 66
- Pumpantrieb
- 81
- Einlassdüse
- 82
- Pumpkammer
- 83
- Auslassdüse
- 84
- Dämpfungskammer
- 85
- Oberer
Halbkanal
- 86
- Unterer
Halbkanal
- 87
- ein
erster Kanalkörper
- 88
- Dämpfungskanal
- 89
- ein
zweiter Kanalkörper
- 90
- Sandwich
- 91
- Pumpmembran
- 92
- Filtermembran
- 93
- Druckmessmembran