DE102014203285A1

DE102014203285A1 - Hydrodynamische Fokussierungseinheit

Info

Publication number: DE102014203285A1
Application number: DE102014203285.7A
Authority: DE
Inventors: Marvin Kaminski; Martin Büscher; Christian Peth; Annette Jobst
Original assignee: Miltenyi Biotec GmbH
Current assignee: Miltenyi Biotec GmbH
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Hydrodynamische Fokussierungseinheit zur Fokussierung eines Probenstroms in einem Hüllstrom umfassend in Flussrichtung – einen ersten Bereich mit einer ersten Einlassöffnung für einen ersten Hüllteilstrom – einen zweiten Bereich mit einer Einlassöffnung für den Probenstrom – einen dritten Bereich mit einer zweiten Einlassöffnung für einen zweiten Hüllteilstrom – einem vierten Bereich mit einem Auslasskanal für die kombinierten Proben- und Hüllteilstöme, dadurch gekennzeichnet, das das Verhältnis der Fläche der Einlassöffnung des Probenstroms zu den kombinierten Flächen der Einlassöffnung des ersten und zweiten Hüllstroms zwischen 0,065 und 0,65 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Fokussierungseinheit mit der eine Probenflüssigkeit in zwei Hüllströmen fokussiert wird und die Verwendung der Fokussierungseinheit.
Die hydrodynamische Fokussierung eines Probenstroms ist eine bekannte Technik, um z.B. in einem Probenstrom suspendierte Partikel in geordneter Weise einer Messeinheit zuzuführen. Hierbei wird in der Regel der Probenstrom in mehreren Hüllströmen eingefasst wodurch verhindert wird das sich ein laminarer Strom der Probe mit großen Geschwindigkeitsunterschieden von der Mitte zu den äußeren Bereichen des Probenstroms ausbildet. Zudem wird der Kontakt des Probenstroms mit den Gefäßwänden verhindert, was ebenfalls zu Geschwindigkeitsunterschieden des Probenstroms von der Mitte zu den äußeren Bereichen des Stroms führen kann.
Die hydrodynamische Fokussierung eines Probenstroms wird insbesondere zur Detektion oder Analyse von lebenden Zellen in einer Suspension wie bei der Flow Cytometrie oder FACS Technik eingesetzt. So werden hydrodynamische Fokussierungseinheiten z.B. durch Rosenauer et al "Miniaturized ow cytometer with 3D hydrodynamic particle focusing and integrated optical elements applying silicon photodiodes ", in Microfluid. Nanofluid (2011) 10: 761; Moa et al "Microfluidic drifting three dimensional hydrodynamic focusing of microparticle" während der Twelfth International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, October 12–16, 2008, San Diego, California, USA und Motosuke et al. "Simplified monolithic flow cytometer chip with three-dimensional hydrodynamic focusing and integrated fiber-frree optics" während der 15th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, October 2–6, 2011, Seattle, Washington, USA beschrieben.
Die Herstellung und Verwendung von hydrodynamischen Fokussierungseinheiten ist auch in WO 2009/128938 A1 , WO 2008/125081 A1 and WO 2005042137A2 offenbart.
Die beschriebenen Fokussierungseinheiten besitzen kompliziert zu fertigende Kanalsysteme mit bis zu 5 Einlassöffnungen und sind schematisch in 1 dargestellt. In der Regel besitzen die Kanalsysteme einen Durchflußbreite von 10 bis 300 µm, was den Einsatz von lithografischen Techniken in Siliziumwafern oder photohärtenden Polymeren notwendig macht. Solche Techniken sind aus Kostengründen für eine Massenproduktion schlecht geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine hydrodynamische Fokussierungseinheit zur Verfügung zu stellen, die technisch einfacher und preiswerter herstellbar ist, aber dennoch für zellanalytische Methoden ausreichende Fokussierung erlaubt.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine hydrodynamische Fokussierungseinheit zur Fokussierung eines Probenstroms in einem Hüllstrom umfassend in Flussrichtung

– einen ersten Bereich mit einer ersten Einlassöffnung für einen ersten Hüllteilstrom
– einen zweiten Bereich mit einer Einlassöffnung für den Probenstrom
– einen dritten Bereich mit einer zweiten Einlassöffnung für einen zweiten Hüllteilstrom
– einem vierten Bereich mit einem Auslasskanal für die kombinierten Proben- und Hüllteilstöme,

Unter Fokussierung wird verstanden, das die Querschnittfläche des in den ersten und zweiten Hüllstroms eingebetteten Probenstroms kleiner ist als die Fläche der Einlassöffnung des Probenstroms. Die kombinierten Hüllteilströme werden im Folgenden als „Hüllstrom“ bezeichnet.
2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Fokussierungseinheit, wobei (1) und (2) für die Einlassöffnungen des ersten und zweiten Hüllteilstroms und (3) für die Einlassöffnung des Probenstroms stehen. (4) bezeichnet die kombinierten Proben- und Hüllteilstöme im Auslasskanal, wobei der Probenstrom in den Hüllteilströmen fokussiert ist. (5) steht für die um 90° aus der Ebene der Strömungsrichtung gedrehte Austrittsöffnung des Auslasskanals.
In der erfindungsgemäßen Fokussierungseinheit wird der Probenstrom im zweiten Bereich auf den ersten Hüllteilstrom geschichtet. Der zweite Hüllteilstrom wird dann im dritten Bereich so auf diese Ströme aufgebracht, das der Probenstrom weitgehend in die Mitte zwischen ersten und zweiten Hüllteilstrom „gedrückt“ wird. Durch den erfindungsgemäßen Quotienten der Flächen der Einlassöffnungen sind die Volumenströme des Proben- und der Hüllteilströme so angelegt das der Probenstrom im Auslasskanal innerhalb des Hüllstroms fokussiert wird. Der Auslasskanal dient zur Anbindung der erfindungsgemäßen Fokussierungseinheit an nach gelagerte Einrichtungen wie Zelldetektionen mittels FACS oder Zellseparationen über MEMS-Chips.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Auslasskanal eine Biegung von min. 45° wie z.B. 45–135°, bevorzugt 90 +– 5° zu den kombinierten Proben- und Hüllteilstömen auf. Die Biegung kann in oder außerhalb der Ebene der kombinierten Proben und Hüllteilstöme liegen. Die 2 und 3 zeigen Fokussierungseinheiten mit einer Biegung des Auslasskanals von ca. 90° außerhalb der Ebene der Strömungsrichtung.
Das erfindungsgemäße Verhältnis (der Quotient) der Fläche der Einlassöffnungen des Probenstroms zu den kombinierten Flächen der Einlassöffnung der Hüllteilströme ermöglicht es, einen Probenstrom so in dem Hüllströmen zu fokussieren das der so erhaltene Probenstrom in dem Auslasskanal nicht oder nur unwesentlich auffächert, und auch in oder nach der Biegung des Auslasskanals weitgehend seine Position in dem Hüllstrom beibehält.
Die erfindungsgemäße Fokussierungseinheit ist im Betrieb vollständig mit Flüssigkeit gefüllt. Dies kann z.B. durch eine entsprechende Größe der jeweiligen Einlassöffnungen ereicht werden. So beträgt die die Fläche der Einlassöffnung des Probenstroms bevorzugt 0,05 bis 1 mm² und/oder die Flächen der Einlassöffnung des ersten und/oder zweiten Hüllstroms 0,3 bis 0,8 mm². Die Flächen der Einlassöffnung des ersten und/oder zweiten Hüllstroms können die gleiche oder unterschiedliche Fläche aufweisen. Unabhängig von den Flächen der Einlassöffnungen der Hüllströme kann die Fläche der Einlassöffnung des Probenstroms 0,05 bis 1 mm² betragen.
Die Form der Einlassöffnungen ist für die Fokussierungseigenschaften nicht von großer Bedeutung. In der Praxis ist die Einlassöffnung des Probenstroms kreisförmig z.B. mit einem Durchmesser von 0,3 mm ausgeführt. Die Einlassöffnungen des ersten und/oder zweiten Hüllstroms können ebenfalls kreisförmig, rechteckig oder oval sein. Diese Einlassöffnungen der Hüllströme sind bevorzugt weitgehend über die Breite des ersten oder dritten Bereiches angelegt.
Die Füllung der erfindungsgemäßen Fokussierungseinheit mit Flüssigkeit kann unabhängig oder in Zusammenwirken mit den Flächen der Einlassöffnungen durch die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströme eingestellt werden. Bevorzugt beträgt die Geschwindigkeit des Probenstroms an der Einlassöffnung 0,1 bis 100 mm/s, bevorzugt 0,1 bis 5 mm/s. Unabhängig hiervon kann die Geschwindigkeit des ersten und/oder zweiten Hüllteilstroms jeweils an dessen Einlassöffnung 0,5 bis 100 mm/s, bevorzugt 0,5 bis 2 mm/s betragen.
Die Hydrodynamische Fokussierungseinheit besteht aus vier Bereichen, wobei der vierte Bereich einen Auslasskanal für die kombinierten Proben- und Hüllteilstöme darstellt. Bevorzugt beträgt die Querschnittsfläche des ersten, zweiten und dritten Bereiches 0,05 bis 0,40 mm². Die Querschnittsflächen dieser Bereiche können gleich oder unterschiedlich ein, z.B. kann die Querschnittsfläche des dritten Bereichs kleiner als die Querschnittsfläche des ersten und/oder zweiten Bereichs ausgeführt sein.
Die Form der Querschnittsflächen ist ebenfalls nicht von großer Bedeutung für die Fokussierung. Der Einfachheit halber sind jeweils rechteckige Querschnittsflächen bevorzugt.
In der Praxis kann die Hydrodynamische Fokussierungseinheit Querschnittsflächen des ersten, zweiten und dritten Bereiches einer Höhe von 0,1 bis 1 mm und einer Breite (jeweils in Flussrichtung der Ströme) von 0,5 bis 5 mm besitzen.
Die Länge das Auslasskanals ist für die Fokussierung des Probenstroms nicht erheblich. Bevorzugt beträgt die Querschnittsfläche des Auslasskanals 0,02 bis 1,0 mm², bevorzugt. 0,02 bis 0,25 mm².
Hydrodynamische Fokussierungseinheiten gemäß der Erfindung bestehen bevorzugt aus Polystyrol oder Polycarbonat und werden durch Spritzguss hergestellt.
Verwendung
Die Hydrodynamische Fokussierungseinheit kann insbesondere zur Fokussierung eines Probenstroms der lebende Zellen wie z.B. Leukozyten enthält, verwendet werden. Die Zellen sind bevorzugt isoliert d.h. liegen als vereinzelte Zellen ohne Verbund vor.
Ein so fokussierter Probenstrom kann z.B. zur Detektion, Analyse oder Separation von Zellen wie Leukozyten eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Fokussierungseinheit wird bevorzugt zur Probenvorbereitung von Zellseparation in FACS Geräten oder mit MEMS-Chips verwendet.
Beispiele
Der Effekt der Flächen der Einlassöffnungen von erfindungsgemäßen hydrodynamischen Fokussierungseinheiten wurde mit dem Programm ANSYS und den folgenden Parametern simuliert.

– Bei allen Simulationen konstanter Volumenstrom ca. 0,1 ml/h am Probeneinlass und je 1 ml/h an den Einlässen des Hüllteilströmen
– Durchmesser des Probenstromeinlasses wird von 50–500 µm variiert (2/3)
– Netz ca. 250.000 Elemente

Es zeigte sich gemäß 4 das die Höhe des Probenstroms im Verhältnis zum Durchmesser des Auslasskanals mit größerer Fläche der Einlassöffnung abnimmt. Die Breite des Probenstroms im Verhältnis zum Durchmesser des Auslasskanals nimmt mit größerer Fläche der Einlassöffnung jedoch zu. Die Fokussierung ist daher bei einem Durchmesser einer kreisförmigen Einlassöffnung des Probenstroms von ca. 200–400 nm besonders ausgeprägt.
5 zeigt, dass die Position des Probenstroms im Auslasskanal horizontal durch die Fläche der Einlassöffnung praktisch nicht beeinflusst wird. Die Position des Probenstroms im Auslasskanal in vertikaler Ausrichtung kann durch vergrößern der Fläche der Einlassöffnung in Richtung der Einlassöffnung verschoben werden.
Neben der der Fläche der Einlassöffnung wurde die Auswirkung der Geschwindigkeit des Probenstroms auf die Fokussierung mit dem Programm ELMER und den folgenden Parametern simuliert:

– Bei allen Simulationen konstanter Probenstromeinlassdurchmesser (350 µm) und Hüllstromfluss ca. 1 ml/h je Einlass
– Variable Volumenstromrate am Probenstromeinlass von 0,1–1 ml/h
– Netz ca. 200.000 Elemente

6 zeigt das mit steigender Geschwindigkeit des Probenstroms an dessen Eingangsöffnung die Höhe des Probenstroms im Auslasskanal relativ zu dessen Querschnitt stark zunimmt. Die Breite des Probenstroms nimmt nur wenig zu. Die beste Fokussierung wird daher bei geringen Geschwindigkeiten erhalten.
Die horizontale Position des Probenstroms im Auslasskanal wird durch die Geschwindigkeit des Probenstroms praktisch nicht beeinflusst (s. 7, runde Punkte). Die Position des Probenstroms im Auslasskanal in vertikaler Ausrichtung kann durch vergrößern der Geschwindigkeit des Probenstroms in Richtung der Mitte des Auslasskanal verschoben werden (s. 7, Dreieckige Punkte).
Die Position und Größe des Probenstroms wurden nach der Biegung des Auslasskanals ermittelt. Die anspruchsgemäßen Parameter und Anordnung der Einlassöffnungen stellen somit eine Auswahl zur optimalen Fokussierung eines Probenstroms dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/128938 A1 [0004]
WO 2008/125081 A1 [0004]
WO 2005042137 A2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Rosenauer et al “Miniaturized ow cytometer with 3D hydrodynamic particle focusing and integrated optical elements applying silicon photodiodes “, in Microfluid. Nanofluid (2011) 10: 761 [0003]
Moa et al “Microfluidic drifting three dimensional hydrodynamic focusing of microparticle” während der Twelfth International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, October 12–16, 2008, San Diego, California, USA [0003]
Motosuke et al. “Simplified monolithic flow cytometer chip with three-dimensional hydrodynamic focusing and integrated fiber-frree optics” während der 15th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, October 2–6, 2011, Seattle, Washington, USA [0003]

Claims

Hydrodynamische Fokussierungseinheit zur Fokussierung eines Probenstroms in einem Hüllstrom umfassend in Flussrichtung – einen ersten Bereich mit einer ersten Einlassöffnung für einen ersten Hüllteilstrom – einen zweiten Bereich mit einer Einlassöffnung für den Probenstrom – einen dritten Bereich mit einer zweiten Einlassöffnung für einen zweiten Hüllteilstrom – einem vierten Bereich mit einem Auslasskanal für die kombinierten Proben- und Hüllteilstöme, dadurch gekennzeichnet, das das Verhältnis der Fläche der Einlassöffnung des Probenstroms zu den kombinierten Flächen der Einlassöffnung des ersten und zweiten Hüllteilstroms zwischen 0,065 und 0,65 liegt.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet das die Fläche der Einlassöffnung des Probenstroms 0,05 bis 1 mm² beträgt.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet das die Flächen der Einlassöffnung des ersten und/oder zweiten Hüllstroms 0,3 bis 0,8 mm² betragen.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, das die Querschnittsfläche des Auslasskanals 0,02 bis 0,25 mm² beträgt.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, das die Querschnittsfläche des ersten, zweiten und dritten Bereiches 0,05 bis 0,40 mm² betragen.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, das die Querschnittsfläche des dritten Bereichs kleiner als die Querschnittsfläche des ersten und/oder zweiten Bereichs ist.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, das die Geschwindigkeit des Probenstroms an der Einlassöffnung 0,1 bis 100 mm/s beträgt.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, das die Geschwindigkeit des ersten Hüllteilstroms an dessen Einlassöffnung 0,5 bis 100 mm/s beträgt.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, das die Geschwindigkeit des zweiten Hüllteilstroms an dessen Einlassöffnung 0,5 bis 100 mm/s beträgt.
Hydrodynamische Fokussierungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, das der Auslasskanal eine Biegung von min. 45° zu den kombinierten Proben und Hüllteilstömen aufweist.