DE102007017318A1

DE102007017318A1 - Verfahren zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms und Anordnung

Info

Publication number: DE102007017318A1
Application number: DE102007017318A
Authority: DE
Inventors: Janko Dipl.-Ing. Theisen; Martin Prof. Dr. rer. nat. Schmidt
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTRETEN DURCH DAS BU
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-04-12
Also published as: DE102007017318B4; WO2008125081A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms in einer Fluidkanalstruktur, insbesondere einer Mikrofluidkanalstruktur, bei dem der Fluidstrom hydrodynamisch fokussiert wird, indem in einem Fokussierkanalabschnitt (1) der Fluidkanalstruktur der Fluidstrom in einem eine Drallbewegung ausführenden und den Fluidstrom hierdurch hydrodynamisch fokussierenden Fluidhüllstrom geführt wird. Weiterhin ist eine zum Ausführen des Verfahrens konfigurierte Anordnung vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Technologien zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms in einer Fluidkanalstruktur, insbesondere in einer Mikrofluidkanalstruktur.
Hintergrund der Erfindung
Unter einer hydrodynamischen Fokussieren wird üblicherweise das Ineinanderleiten oder Führen von zwei Fluidströmen verstanden, die auch als zu fokussierender Fluidstrom und fokussierender Fluidhüllstrom bezeichnet werden können. Der zu fokussierende Fluidstrom wird in den fokussierenden Fluidhüllstrom eingeleitet und in diesem geführt. Ergebnis dieses Prozesses ist ein räumlich fokussierter Fluidstrom.
Die hydrodynamische Fokussierung wird zum Beispiel in einem Fokussierkanalabschnitt einer Fluidkanalstruktur ausgeführt, die von dem zu fokussierenden Fluidstrom und dem fokussierenden Fluidhüllstrom durchströmt wird. Bei einer bekannten Ausführung der hydrodynamischen Fokussierung wird diese erreicht, indem der zu fokussierende Fluidstrom über eine Kanüle in die Fluidkanalstruktur eingebracht wird, in welcher der Fluidstrom von dem ebenfalls in der Fluidkanalstruktur in den Fokussierkanalabschnitt eingebrachten Fluidhüllstrom umströmt wird. Mit Hilfe einer ausgeprägten Verjüngung der Fluidkanalstruktur in dem Fokussierkanalabschnitt wird dann eine Fokussierung des Fluidstroms erreicht. Beeinflusst wird der Fokussierungsprozess hierbei aus von den unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Fluidstroms und des fokussierenden Fluidhüllstroms. Der fokussierte Fluidstrom kann dann in einen nachgeschalteten Messkanal eingebracht werden, um den fokussierten Fluidstrom zu analysieren, sei es zum Beispiel mit Hilfe optischer oder elektrischer Messmethoden.
Mit Hilfe des bekannten Verfahrens können Fluidströme auf die Größe der zu untersuchenden Probenkörper (Partikel oder Zellen) fokussiert werden. Die Querschnittsfläche des Fluidstroms beträgt üblicherweise nur einen Bruchteil der Querschnittsfläche des diesen umgebenden Fluidhüllstroms. Typischerweise liegen hierbei Verhältnisse von 1:100 bis 1:1000 vor.
Es ist weiterhin bekannt, Mikrofluidkanalstrukturen zu nutzen, die Teil eines mikrofluidischen Systems sein können, beispielsweise mit Hilfe lithographischer Fertigungsverfahren hergestellt werden und in denen ein zu fokussierender Fluidstrom zu einem im wesentlichen bandförmigen Fluidstrom fokussiert wird, indem der fokussierende Fluidhüllstrom seitlich durch einander gegenüberliegende Öffnungen hindurch in Kontakt mit dem zu fokussierenden Fluidstrom gebracht wird, was auch als eindimensionale Fokussierung bezeichnet wird. Die im Bereich des Fokussierkanalabschnitts angeordneten Öffnungen von Hüllstromzuführungen bilden hierbei Ausgänge aus Hüllstromzuführkanälen.
Die hydrodynamische Fokussierung wird beispielsweise in Durchflusszytometern angewendet, um einen als Fluidstrom vorliegenden Probenstrom mit wenigstens einem Analyt für das Einbringen in den Messkanal zu fokussieren. Auf diese Weise können zum Beispiel Zellen oder Blutkörper „wie in einer Reihe hintereinander marschierend" in den Messkanal eingebracht werden, um sie einzeln, nacheinander und mit hohem Durchsatz zu analysieren, beispielsweise mittels optischer oder elektrischer Messverfahren.
Ein Verfahren zur zweidimensionalen Fokussierung eines Fluidstroms, also der Fokussierung des Fluidstroms in zwei Ebenen oder Dimensionen, ist beispielsweise aus dem Dokument KR 1020040012431 A bekannt. In dem Dokument US 7,115,230 B2 ist ein mikrofluidisches System beschrieben, in welchem eine kaskadierte Anordnung von hydrodynamischen Fokussiereinrichtungen gebildet ist. Weiterhin beschreibt das Dokument US 7,105,355 B2 ein Fluss-Zytometer, welches konfigurier ist, einen Gasfluss hydrodynamisch zu fokussieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms sowie eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Anordnung zu schaffen, bei denen eine effiziente und an verschiedene Anwendungszwecke anpassbare Möglichkeit zur hydrodynamischen Fokussierung gegeben ist. Die neuen Technologien der hydrodynamischen Fokussierung sollen darüber hinaus insbesondere für mikrofluidische Systeme geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms in einer Fluidkanalstruktur nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Anordnung nach dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms in einer Fluidkanalstruktur geschaffen, insbesondere einer Mikrofluidkanalstruktur, bei dem der Fluidstrom hydrodynamisch fokussiert wird, indem in einem Fokussierkanalabschnitt der Fluidkanalstruktur der Fluidstrom in einem eine Drallbewegung ausführenden und den Fluidstrom hierdurch hydrodynamisch fokussierenden Fluidhüllstrom geführt wird
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem Körper und einer in dem Körper gebildeten Fluidkanalstruktur, insbesondere Mikrofluidkanalstruktur, die konfiguriert ist, einen Fluidstrom in einem von der Fluidkanalstruktur umfassten Fokussierkanalabschnitt hydrodynamisch zu fokussieren, indem die Fluidkanalstruktur eine Drallbewegung eines Fluidhüllstrom erzeugend und in dem Fokussierkanalabschnitt den Fluidstrom in dem die Drallbewegung ausführenden Fluidhüllstrom führend und den Fluidstrom hierdurch hydrodynamisch fokussierend gebildet ist
Die Erfindung umfasst als Gedanken die Nutzung einer drall- oder schraubenartigen Bewegungen des Fluidhüllstroms zum hydrodynamischen Fokussieren des zu fokussierenden Fluidstroms, welcher seinerseits in dem Fluidhüllstrom geführt ist. Mit dem Wort Drall wird üblicherweise eine drehende oder rotierende Bewegung beim Fortbewegen entlang einer Bewegungsachse um diese Bewegungsachse bezeichnet. Die bei der Erfindung vorgesehene Drallbewegung des Fluidhüllstroms führt zu einer Fokussierung des in dem Fluidhüllstrom geführten Fluidstroms. Die Nutzung des Dralls des Fluidhüllstroms hat gegenüber dem Stand der Technik insbesondere den Vorteil, dass auf diese Weise der zu fokussierende Fluidstrom allseitig fokussiert werden kann, insbesondere bei kleinen Strukturhöhen, auch wenn dieses nicht in jeder Ausführungsform gewünscht und genutzt wird. Ein Fluid im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind beliebige Gase oder Flüssigkeiten.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Fluidhüllstrom vor dem Eintritt in den Fokussierkanalabschnitt die Drallbewegung ausführend hergerichtet wird, welche in dem Fokussierkanalabschnitt bedarfsweise unterstützt wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Fluidhüllstrom bereits außerhalb des Fokussierkanalabschnitts mit der Drallbewegung beaufschlagt, so dass der Fluidhüllstrom sich bereits beim Einströmen in den Fokussierkanalabschnitt drallartig bewegt. Die für den Fluidhüllstrom beim Eintritt in den Fokussierkanalabschnitt bestehende Drallbewegung kann in dem Fokussierkanalabschnitt mittels dort angeordneter, Drall induzierender Funktionselemente aufrechterhalten, verstärkt oder wenigstens unterstützt werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Fluidhüllstrom in dem Fokussierkanalabschnitt die Drallbewegung ausführend hergerichtet wird, wozu bedarfsweise Drall induzierende Funktionselementen in dem Fokussierkanalabschnitt gebildet sind. Bei den Drall induzierenden Funktionselementen kann es sich beispielsweise um Vertiefungen oder Erhöhungen auf der Innenwand im Bereich des Fokussierkanalabschnitts handeln. So können sich schraubenförmig auf der Innenwand entlang des Fokussierkanalabschnitts erstreckende Rillen oder Vorsprünge vorgesehen sein, seien diese durchgehend oder unterbrochen ausgeführt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Einströmverhalten des Fluidhüllstroms in den Fokussierkanalabschnitt Drall induzierend eingestellt wird. Bei dieser Ausführungsform kann gegebenenfalls auf das Vorsehen von Drall induzierenden Funktionselementen in dem Fokussierkanalabschnitt verzichtet werden. Trotzdem wird die Drallbewegung des Fluidhüllstroms erst in dem Fokussierkanalabschnitt und nicht vorher erzeugt, indem der Fluidhüllstrom so in den Fokussierkanalabschnitt einströmt, dass er sich dort die Drallbewegung ausführend fortbewegt. Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausgestaltung mit Hilfe des so konfigurierten Einströmverhaltens auch eine zuvor bereits beaufschlagte Drallbewegung noch verstärkt werden. Das die Drallbewegung induzierende Einströmverhalten kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass ein oder mehrere Fluidteilhüllströme über zueinander versetzte Öffnungen in den Fokussierkanalabschnitt einströmen. In einer bevorzugten Ausführung wird der den Fluidstrom in dem Fokussierkanalabschnitt umgebende Fluidhüllstrom mit der Drallbewegung so aus mehreren Teilströmen zusammengesetzt, die jeweils mit einer Drallbewegung beaufschlagt werden.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der Fluidstrom zu einem im wesentlichen bandförmigen Fluidstrom fokussiert wird, welcher bedarfsweise in eine vorgebbare Winkelstellung gebracht wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der fokussierte Fluidstrom durch einen dem Fokussierkanalabschnitt in der Fluidkanalstruktur nachgelagerten Messabschnitt geführt wird. In dem nachgelagerten Messabschnitt kann der zuvor fokussierte Fluidstrom mit Hilfe beliebiger Messverfahren analysiert werden, zu denen beispielsweise optische und elektrische Messverfahren gehören. In diesem Zusammenhang kann es dann zweckmäßig sein, dass zu dem Messkanal weitere Kanäle geführt sind, durch welche Messsignale heran- und abgeführt werden. In den weiteren Kanälen können optische oder elektrische Komponenten angeordnet sein. Beispielsweise können so Lichtwellenleiter zur Einkopplung des Messlichtes oder zur Auskopplung der Messsignale vorgesehen sein. Aber nicht nur zum Einführen des fokussierten Fluidstroms in einen Messabschnitt kann die hydrodynamische Fokussierung genutzt werden. Vielmehr ist das vorgeschlagene Verfahren zur hydrodynamischen Fokussierung nicht an einen bestimmten Zweck der anschließenden Verwendung des fokussierten Fluidstroms gebunden.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der Fluidhüllstrom zur Kontaktausbildung zwischen Fluidstrom und Fluidhüllstrom über ein oder mehrere Hüllstromzuführungen eingebracht wird, welche in und/oder außerhalb des Fokussierkanalabschnittes gebildet sind. Hüllstromzuführungen können dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechend hinsichtlich ihrer Anzahl und ihrer konstruktiven Ausgestaltungen in die Fluidkanalstruktur so eingepasst werden, dass eine gewünschte Fokussierung realisiert wird. Hierbei kann der einzuspeisende Fluidhüllstrom auf eine beliebige Anzahl von Teilströmen aufgeteilt werden, die über zugeordnete Kanäle und Öffnungen zum Ort der Kontaktausbildung zwischen Fluidstrom und Fluidhüllstrom gebracht werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Fluidhüllstrom über die eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen zumindest teilweise mit einer Strömungsrichtung eingebracht wird, die einen von Null verschiedenen Winkel zur Strömungsrichtung des Fluidstromes aufweist. Auch ein Strömen des Fluidhüllstroms entgegengesetzt zum Fluidstrom kann vorgesehen sein. Die Strömungsrichtung des eingebrachten Fluidhüllstroms oder der hierzu gebildeten Teilströme wird mittels geeigneter Ausführung der zum Heranführen an den Ort der Kontaktausbildung genutzten Kanalabschnitte eingestellt.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Fluidhüllstrom zumindest teilweise über wenigstens zwei der mehreren Hüllstromzuführungen mit im wesentlichen entgegengesetzten Strömungsrichtungen eingebracht wird, wahlweise über zueinander versetzt gebildete Öffnungen der wenigstens zwei der mehreren Hüllstromzuführungen. Beispielsweise erfolgt das Einströmen entlang der im wesentlichen entgegengesetzten Strömungsrichtungen oberhalb und unterhalb der Mitte des Fluidstroms, so dass dieser hierbei praktisch von dem einfließenden Fluidhüllstrom eingeschnürt und somit fokussiert wird. Die Öffnungen der Hüllstromzuführungen sind hierfür entsprechend relativ zu dem Bereich positioniert, in welchem der zu fokussierende Fluidstrom strömt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Fluidhüllstrom über die eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen zumindest teilweise mit einer Strömungsrichtung eingebracht wird, die im wesentlichen koaxial zur Strömungsrichtung des Fluidstroms gebildet ist. Im Unterschied zu der bekannten koaxialen Strömung von zu fokussierendem Fluidstrom und Fluidhüllstrom erfolgt die Fokussierung bei dieser Ausgestaltung mittels der Drallbewegung des Fluidhüllstroms.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die Drallbewegung des Fluidhüllstroms in der Fluidkanalstruktur, wahlweise nach dem Fokussierkanalabschnitt oder schon in dem Fokussierkanalabschnitt beginnend, mit Hilfe von Drall hemmenden Funktionselementen gedämpft wird, bedarfsweise schließlich ganz aufgehoben wird. Die für den Fluidhüllstrom erzeugte Drallbewegung verliert aufgrund von Reibungseffekten in der Fluidkanalstruktur nach einer gewissen Wegstrecke den aufgeprägten Impuls und hebt sich schließlich vollständig auf, sofern keine die Drallbewegung unterstützenden Maßnahmen vorgesehen sind. Dieser stets stattfindende Effekt des Auslaufens der Drallbewegung kann gezielt unterstützt und beeinflusst werden, indem drallhemmende Funktionselemente gebildet sind. Hierdurch kann der Fokussiereffekt je nach Anwendungszweck eingestellt werden, beispielsweise hinsichtlich einer räumlichen Ausprägung der Fokussierung, um zum Beispiel eine eher eindimensionale Fokussierung oder eine tatsächliche zweidimensionale Fokussierung auszuprägen.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen der zur hydrodynamischen Fokussierung konfigurierten Anordnung mit Körper und in dem Körper gebildeter Fluidkanalstruktur erläutert. Hierbei wird auf in den abhängigen Unteransprüchen aufgezeigte, zweckmäßige Ausführungsformen nicht noch einmal eingegangen, wenn diese Fortbildungen des vorangehend beschriebenen Verfahrens zum hydrodynamischen Fokussieren entsprechend gebildet sind und sich insoweit gleiche Vorteile ergeben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fluidkanalstruktur in dem Fokussierkanalabschnitt mit einem sich verjüngenden Querschnitt gebildet ist. Alternativ oder ergänzend zu dem sich verjüngenden Querschnitt des Fokussierkanalabschnitts können unterschiedliche Ausgestaltungen der Kanalstruktur vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Fluidkanalstruktur in Abschnitten, zum Beispiel in den Fokussierkanalabschnitt, einen elliptischen, runden oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Auch rechteckige und quadratische Querschnitte können vorgesehen sein, insbesondere in dem Fokussierkanalabschnitt. Als weitere Maßnahme können im Bereich des Fokussierkanalabschnitts ein oder mehrere Hinterschneidungen gebildet sein, wodurch beispielsweise ein gleichmäßigeres Umströmen des Fluidstromeinlasses durch den Fluidhüllstrom erreicht werden kann. In einer Ausgestaltung, die alternativ oder ergänzend zu den vorangehenden konstruktiven Maßnahmen genutzt werden kann, ist ein Röhrchen vorgesehen, beispielsweise eine Kapillare, um den zu fokussierenden Fluidstrom in den mit der Drallbewegung beaufschlagten Hüllfluidstrom einzuleiten.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem Analysechip gebildet ist, welcher wahlweise als ein Biochip ausgeführt ist. Ein solcher Analysechip kann beispielsweise zur Untersuchung beliebigen Körperflüssigkeiten verwendet werden. Aber auch die Ausgestaltung des Analysechips zum Untersuchen einer Partikelkonzentration in einem Gas, zum Beispiel Luft, kann vorgesehen sein. Mehrere Analysechips können austauschbar in ein Handgerät integriert sein, welches für beliebige Feldanwendungen nutzbar ist. Über das Handgerät können dann die für die Anwendung notwendigen Energien, Signale und Fluide zum Betrieb bereitgestellt werden. Weitere Anwendungsgebiete betreffen einen Analysechip, welcher für ein oder mehrere der folgenden Anwendungen konfiguriert ist: Blutbildanalyse, DNA-Analyse, HIV-Analyse, Malaria-Diagnose, allgemeine Flüssigkeitsuntersuchungen, Fruchtbarkeitsuntersuchungen und Bakterien- und Virenuntersuchungen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem Einwegartikel gebildet ist. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eventuell verstopfte Fluidkanalstrukturen auf einfache Weise ausgetauscht werden können, ohne dass ein Reinigungsprozess stattfinden muss.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem Zytometer gebildet ist, wodurch die vorgeschlagene hydrodynamische Fokussierung in Verbindung mit der Durchflusszytometrie nutzbar ist.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass der Körper aus einem oder mehreren Spritzgussbauteilen oder Heißprägebauteilen gebildet ist. Diese durch ihre jeweilige Fertigungstechnologie charakterisierten Bauteile können mit beliebigen Strukturen und in großen Stückzahlen hergestellt werden, so dass eine individuelle Anpassung der Fluidkanalstruktur an unterschiedliche Anwendungszwecke ohne weiteres ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem mikrofluidischen System gebildet ist, bei dem die Fluidkanalstruktur zumindest teilweise als Mikrofluidkanalstruktur ausgeführt ist.
Auch wenn die vorgeschlagenen Technologien sowohl im makroskopischen als auch im mikroskopischen Bereich von Fluidströmen eingesetzt werden können, entfalten sich ihre Vorteile doch insbesondere in Verbindung mit mikrofluidischen Systemen. Sowohl Gase als auch Flüssigkeiten können so hydrodynamisch fokussiert werden. Von besonderem Vorteil im Zusammenhang mit mikrofluidischen Systemen ist es, dass die für die Erzeugung der Drallbewegung des Fluidhüllstroms notwendigen Strukturen mit Hilfe einfacher konstruktiver Maßnahmen hinsichtlich der Kanalausprägung erreicht werden können, während bei bekannten mikrofluidischen Systemen mit einer hydrodynamischen Fokussierfunktionalität der konstruktive Aufbau üblicherweise recht kompliziert ist, was hohe Anforderungen an die Fertigungstechnologie stellt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Fluidkanalstruktur zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms,
2 eine schematische Darstellung eines Strömungsbildes für den Abschnitt der Fluidkanalstruktur in 1,
3 schematisch eine hydrodynamische Fokussierung eines Fluidstroms zu einem bandförmigen Fluidstrom in einer Fluidkanalstruktur, wie sie in 1. dargestellt ist,
4 eine grafische Darstellung für experimentelle und theoretische Untersuchungen der Ausdehnung eines fokussierten Fluidstroms bei einem Fluidhüllstromvolumen von 23 μl/s,
5 einen Vergleich einer simulierten und einer realen Strömung in einer x-y-Ebene, wobei auf der linken Seite Trajektorien des simulierten Stroms und auf der rechten Seite ein Mikroskopbild einer gemessenen Strömung bei einem Fluidstromvolumen von 0,04 μl/s und einem Fluidhüllstromvolumen von 20 μl/s dargestellt sind, und
6 eine schematische Darstellung eines zweiteiligen Aufbaus für den Abschnitt der Fluidkanalstruktur nach 1.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Fluidkanalstruktur mit einem Fokussierkanalabschnitt 1, in welchem ein über einen Fluidstromanschluss 2 eingeleiteter, zu fokussierender Fluidstrom hydrodynamisch fokussiert wird. Über Hüllstromanschlüsse 3a, 3b wird zum Zweck der hydrodynamischen Fokussierung in den Fokussierkanalabschnitt 1 ein fokussierender Fluidhüllstrom eingespeist. Der Fokussierkanalabschnitt 1 weist einen sich verjüngenden Querschnitt auf und geht schließlich in einen Messkanal 4 über. In dem Messkanal 4 kann dann der fokussierte Fluidstrom analysiert werden. Beispielsweise werden mittels der Fokussierung Zellen oder Blutkörper in eine Reihe gebracht, so dass sie anschließend in den Messkanal 4 einzeln analysiert und wahlweise gezählt werden können.
Gemäß 1 weisen sowohl der Fokussierkanalabschnitt 1 als auch die Hüllstromanschlüsse 3a, 3b sowie der Fluidstromanschluss 2 einen rechteckigen Querschnitt auf. Der über die Hüllstromanschlüsse 3a, 3b eingeleitete Fluidhüllstrom führt bei seiner Bewegung entlang des Fokussierkanalabschnittes 1 eine drall- oder schraubenförmige Bewegung aus, welche induziert wird, wenn der Fluidhüllstrom über die beiden Hüllstromanschlüsse 3a, 3b einströmt. Die so gebildete Drallbewegung des Fluidhüllstroms führt zur Fokussierung des eingespeisten Fluidstrom. Diese hydrodynamische Fokussierung erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel allseitig. Der mittels der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Einspeisung des Fluidhüllstroms über die Hüllstromanschlüsse 3a, 3b induzierte Drall wird aufgrund des rechteckigen Profils in dem Fokussierkanalabschnitt 1 zügig abgebremst, so dass dieser bis zum Beginn des Messkanals 4 im wesentlichen vollständig aufgehoben ist.
1 zeigt im wesentlichen den Fokussierkanalabschnitt 1 mit Zuleitungen einer Fluidkanalstruktur. Letztere kann in beliebiger Weise dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechend weitere Kanäle aufweisen und in einem makroskopischen oder einem mikrofluidischen System gebildet sein.
2 zeigt ein berechnetes Strömungsbild mit Trajektorien 20 für den Abschnitt der Fluidkanalstruktur aus 1. Es ergibt sich, dass der über den Fluidstromanschluss 2 eingespeiste Fluidstrom im Querschnitt vermindert und somit fokussiert wird, was die Folge der drall- oder schraubenförmigen Bewegung des Fluidhüllstroms ist, welche ihrerseits die Folge des Einströmens des Fluidhüllstroms über die beiden versetzt zueinander angeordneten Hüllstromeinflüsse 3a, 3b ist.
3 zeigt schematisch eine hydrodynamische Fokussierung eines Fluidstroms 30 zu einem bandförmigen Fluidstrom 31 in einer Kanalstruktur, wie sie beispielhaft in 1 dargestellt ist. Der bandförmige Fluidstrom 31 erstreckt sich im wesentlichen in der x-y-Ebene. Eine solche Fokussierung wird erreicht, indem die Verjüngung in dem Fokussierkanalabschnitt 1 (vgl. 1) verkürzt wird. Mittels geeigneter Wahl der geometrischen Parameter in dem Fokussierkanalabschnitt kann eine gewünschte Drehung des bandförmigen Fluidstroms 30 erreicht werden. Mittels Veränderung der Breite der Verjüngung und des Versatzes der Hüllstromanschlüsse 3a, 3b kann die Winkeldrehung des bandförmigen Fluidstroms 31 beeinflusst werden. Ebenso hängt die Drehung des fokussierten bandförmigen Fluidstroms 31 vom Volumenstrom des fokussierenden Fluidhüllstroms ab.
Unter Nutzung eines Labormusters für die hydrodynamische Fokussierung mittels schrauben- oder drallförmiger Fluidhüllströmung wurden experimentelle Untersuchungen an einem zu fokussierenden Fluidstrom mit einem fluoreszierenden Farbstoff gemacht, wobei Fluoreszenzlicht ausgewertet wurde, um die Fokussierung zu überprüfen. Aus mikroskopischen Aufnahmen in y- und z-Richtung wurde die Ausdehnung des fokussierten Fluidstroms bestimmt.
4 zeigt einen Vergleich der experimentell ermittelten Werte für die Ausdehnung des fokussierten Fluidstroms und hierzu mittels Simulation berechneter Daten (Kurven). Die gepunkteten Kurven 40 (experimentell) und 41 (simuliert) in 4 beziehen sich auf die Ausdehnung in z-Richtung, wohingegen die Kurven 42 (experimentell) und 43 (simuliert) mit durchgezogenen Linien in 4 die Ausdehnung in y-Richtung betreffen. Es ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Werten.
5 zeigt einen Vergleich einer simulierten und einer realen Strömung in einer x-y-Ebene, wobei auf der linken Seite Trajektorien 50 des simulierten Stroms und auf der rechten Seite ein Mikroskopbild einer gemessenen Strömung 51 bei einem Fluidstromvolumen von 0,04 μl/s und einem Fluidhüllstromvolumen von 20 μl/s dargestellt sind.
6 zeigt einen zweiteiligen Aufbau des Abschnitts der Kanalstruktur in 1 mit einem Bauteilabschnitt 60 und einem weiteren Bauteilabschnitt 61. Die beiden Bauteilabschnitte 60, 61 sind hinterschnittfrei hergestellt. Mittels Fügen der beiden Bauteilabschnitte 60, 61 entsteht dann eine Fluidkanalstruktur mit Hinterschnitt (vgl. 1). Auf diese Weise ist es ermöglicht, zunächst die beiden Bauteilabschnitte 60, 61 hinterschnittfrei mit geeigneten Herstellungstechnologien zu erzeugen, um sie dann zum Ausbilden des Hinterschnitts zu fügen.
Zur Herstellung der Fluidkanalstruktur zur hydrodynamischen Fokussierung werden in einer bevorzugten Fertigungsprozesskette zunächst die notwendigen dreidimensionalen Flächen mittels Ultrapräzisionsfräsen hergestellt. Anschließend werden kostengünstige Replikationsverfahren verwendet, um die beiden Bauteilabschnitte 60, 61 herzustellen, beispielsweise Spritzgießen oder Heißprägen. Das anschließende Fügen ist mit Hilfe von Laserdurchstrahlschweißen, Kleben, Ultraschallschweißen oder dergleichen möglich.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- KR 1020040012431 A [0007]
- US 7115230 B2 [0007]
- US 7105355 B2 [0007]

Claims

Verfahren zum hydrodynamischen Fokussieren eines Fluidstroms in einer Fluidkanalstruktur, insbesondere einer Mikrofluidkanalstruktur, bei dem der Fluidstrom hydrodynamisch fokussiert wird, indem in einem Fokussierkanalabschnitt (1) der Fluidkanalstruktur der Fluidstrom in einem eine Drallbewegung ausführenden und den Fluidstrom hierdurch hydrodynamisch fokussierenden Fluidhüllstrom geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidhüllstrom vor dem Eintritt in den Fokussierkanalabschnitt (1) die Drallbewegung ausführend hergerichtet wird, welche in dem Fokussierkanalabschnitt (1) bedarfsweise unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidhüllstrom in dem Fokussierkanalabschnitt (1) die Drallbewegung ausführend hergerichtet wird, wozu bedarfsweise Drall induzierende Funktionselementen in dem Fokussierkanalabschnitt (1) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einströmverhalten des Fluidhüllstroms in den Fokussierkanalabschnitt (1) Drall induzierend eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom zu einem im wesentlichen bandförmigen Fluidstrom (30) fokussiert wird, welcher bedarfsweise in eine vorgebbare Winkelstellung gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fokussierte Fluidstrom durch einen dem Fokussierkanalabschnitt (1) in der Fluidkanalstruktur nachgelagerten Messabschnitt (4) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidhüllstrom zur Kontaktausbildung zwischen Fluidstrom und Fluidhüllstrom über ein oder mehrere Hüllstromzuführungen (3a, 3b) eingebracht wird, welche in und/oder außerhalb des Fokussierkanalabschnittes (1) gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidhüllstrom über die eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b) zumindest teilweise mit einer Strömungsrichtung eingebracht wird, die einen von Null verschiedenen Winkel zur Strömungsrichtung des Fluidstromes aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidhüllstrom zumindest teilweise über wenigstens zwei der mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b) mit im wesentlichen entgegengesetzten Strömungsrichtungen eingebracht wird, wahlweise über zueinander versetzt gebildete Öffnungen der wenigstens zwei der mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidhüllstrom über die eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen zumindest teilweise mit einer Strömungsrichtung eingebracht wird, die im wesentlichen koaxial zur Strömungsrichtung des Fluidstroms gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallbewegung des Fluidhüllstroms in der Fluidkanalstruktur, wahlweise nach dem Fokussierkanalabschnitt (1) oder schon in dem Fokussierkanalabschnitt (1) beginnend, mit Hilfe von Drall hemmenden Funktionselementen gedämpft wird, bedarfsweise schließlich ganz aufgehoben wird.
Anordnung mit einem Körper und einer in dem Körper gebildeten Fluidkanalstruktur, insbesondere Mikrofluidkanalstruktur, die konfiguriert ist, einen Fluidstrom in einem von der Fluidkanalstruktur umfassten Fokussierkanalabschnitt (1) hydrodynamisch zu fokussieren, indem die Fluidkanalstruktur eine Drallbewegung eines Fluidhüllstrom erzeugend und in dem Fokussierkanalabschnitt (1) den Fluidstrom in dem die Drallbewegung ausführenden Fluidhüllstrom führend und den Fluidhüllstrom hierdurch hydrodynamisch fokussierend gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Drall induzierende Funktionselementen in dem Fokussierkanalabschnitt (1).
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussierabschnitt den Fluidstrom zu einem im wesentlichen bandförmigen Fluidstrom (30) fokussierend gebildet ist, bedarfsweise den im wesentlichen bandförmigen Fluidstrom (30) in eine vorgebbare Winkelstellung bringend.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidkanalstruktur ein dem Fokussierkanalabschnitt (1) nachgelagerter Messabschnitt (4) gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Hüllstromzuführungen (3a, 3b), über die der Fluidhüllstrom zur Kontaktausbildung zwischen Fluidstrom und Fluidhüllstrom eingebracht werden kann, wobei der eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b) in und/oder außerhalb des Fokussierkanalabschnittes (1) gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b) konfiguriert sind, den Fluidhüllstrom zumindest teilweise mit einer Strömungsrichtung einzubringen, die einen von Null verschiedenen Winkel zur Strömungsrichtung des Fluidstromes aufweist.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b) konfiguriert sind, den Fluidhüllstrom zumindest teilweise mit im wesentlichen entgegengesetzten Strömungsrichtungen einzubringen, wahlweise über zueinander versetzt gebildete Öffnungen der wenigstens zwei der mehreren Hüllstromzuführungen (3a, 3b).
Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren Hüllstromzuführungen konfiguriert sind, den Fluidhüllstrom zumindest teilweise mit einer Strömungsrichtung einzubringen, die im wesentlichen koaxial zur Strömungsrichtung des Fluidstromes ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch Drall hemmende Funktionselemente, die konfiguriert sind, die Drallbewegung des Fluidhüll stroms in der Fluidkanalstruktur, wahlweise nach dem Fokussierkanalabschnitt (1) oder schon in dem Fokussierkanalabschnitt (1) beginnend, zu dämpfen und bedarfsweise schließlich ganz aufzuheben.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanalstruktur in dem Fokussierkanalabschnitt (1) mit einem sich verjüngenden Querschnitt gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem Analysechip gebildet ist, welcher wahlweise als ein Biochip ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem Einwegartikel gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem Zytometer gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem oder mehreren Spritzgussbauteilen oder Heißprägebauteilen gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper mit der Fluidkanalstruktur in einem mikrofluidischen System gebildet ist, bei dem die Fluidkanalstruktur zumindest teilweise als Mikrofluidkanalstruktur ausgeführt ist.