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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Überführen ausgewählter, magnetisch markierter Partikel von einem ersten Medienstrom in einen zweiten Medienstrom, bei dem
- - die magnetisch markierten Partikel zusammen mit dem ersten Medienstrom durch eine erste Zuleitung in einen Durchflusskanal eingeleitet werden,
- - der zweite Medienstrom durch eine zweite Zuleitung in den Durchflusskanal eingeleitet wird,
- - so dass der erste und der zweite Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals erstreckenden Grenzfläche laminar durch den Durchflusskanal strömen,
- - wobei die magnetisch markierten Partikel mittels eines Magnetfeldgradienten innerhalb des Durchflusskanals in einer ersten Richtung quer zur Strömungsrichtung zu einem Kanalboden hin abgelenkt werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des Verfahrens. Beschrieben ist auch eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens mit einem Substrat, in dem ein eine Strömungsrichtung definierender, Durchflusskanal mit einem Kanalboden und wenigstens eine erste und eine zweite in den Durchflusskanal mündende Zuleitung ausgebildet sind, und mit einem Magnetisierungsmittel, das eingerichtet ist, einen Magnetfeldgradienten in dem Durchflusskanal zu erzeugen, der quer zur Strömungsrichtung auf den Kanalboden hin gerichtet ist.
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Technische Anwendungsgebiete des Verfahrens und der Vorrichtung sind beispielsweise die Isolation, Selektion und/oder Anreicherung ausgewählter Zellen, die unter den Oberbegriff „Partikel“ subsummiert sein sollen, aus komplexen, heterogenen Suspensionen, beispielsweise im Bereich der medizinischen Verfahrenstechnik, der Biochemie oder biotechnologischen Prozesstechnik. Insbesondere zur Detektion und Untersuchung von seltenen Zellen, wie beispielsweise zirkulierenden Tumorzellen (CTCs), hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) oder zirkulierenden fetalen Zellen (FCs), ist eine Anreicherung der Zielzellen mit hoher Reinheit aus Suspensionen unerlässlich.
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Untersucht werden oft Suspensionen, die nur in sehr kleinen Mengen zur Verfügung stehen. In solchen Fällen kommen Vorrichtungen mit entsprechend miniaturisierten Strukturen zum Einsatz. Das Substrat der Vorrichtung wird dabei von einem Mikrofluidikchip bereitgestellt, in dem kanalförmige Strukturen (Mikrofluidikstrukturen) ausgebildet und so dimensioniert sind, dass sie der Handhabung von Flüssigkeitsmengen im Bereich weniger ml bis in den µl-Bereich dienen. Die Kanäle in solchen Strukturen weisen laterale Abmessungen im Bereich weniger mm und darunter auf. Flüssigkeiten werden in einer solchen Mikrofluidikstruktur im Durchfluss gehandhabt, d.h. beispielsweise durch Erzeugen einer Druckdifferenz (Über- und/oder Unterdruck) durch die Fluidleitungen gefördert. Hierfür kommen neben dem mikrofluidischen Chip technisch anspruchsvolle Steuer- oder Betreibergeräte zum Einsatz, die an den Mikrofluidikchip angeschlossen werden bzw. in die der Mikrofluidikchip eingelegt wird.
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Zur Separation von Zellen aus Suspensionen im Durchfluss sind bisher im Wesentlichen zwei Verfahrensprinzipien bekannt, nämlich die Separation mit Hilfe äußerer Felder und die Separation ohne äußere Felder. Die Erfindung gehört, wie eingangs geschildert, zu der Gattung der erstgenannten Verfahren.
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Zur Separation mit Hilfe von äußeren Feldern müssen die Zellen zuerst markiert werden, was in bekannter Weise mithilfe sogenannter magnetischer Beads erfolgt. Durch äußere Magnetfelder können die so markierten Zellen dann mittels magnetischer Kraft extrahiert werden. Stellvertretend für diese Gattung wird auf die Artikel von N. Chronis, W. Lam und L. Lee, „A Microfabricated Bio-Magnetic Separator Based on Continuous Hydrodynamic Parallel Flow,“ in Micro Total Analysis Systems 2007, 2001, pp. 497-498 und von N. Pamme und C. Wilhelm, „Continuous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow,“ Lab on a Chip, no. 6, p. 974-980, 2006, sowie auf das Patent
US 7 138 269 B2 verwiesen.
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Nachteilig bei den dort geschilderten Verfahren ist, dass magnetisch markierte Zellen/Partikel mit abnehmender Größe jedenfalls nicht allein durch moderate Magnetfelder zuverlässig über eine Grenzfläche zweier Medienströme hinweg abgelenkt werden können und deshalb eine zuverlässige Separation nicht in allen Fällen möglich ist. Außerdem müssen die Partikel über eine weite Strecke quer zur Strömungsrichtung abgelenkt werden, um sicher von einem in den anderen Medienstrom zu gelangen und zuverlässig separiert zu werden. Die Separationszeit und damit auch die Länge des Durchflusskanals müssen daher ausreichend lang sein und es wird ein entsprechend großes Volumen der Trägermedien benötigt. Auch insoweit besteht ein Verbesserungsbedarf. Schließlich lassen sich durch die Ablenkung mittels Magnet, abgesehen von jener zuvor angesprochenen Größenselektivität, nur zwei Zustände einstellen, nämlich der vollständig abgelenkter und der nicht abgelenkter Partikel. Es wäre für eine ganze Reihe von Anwendungen insofern mehr Flexibilität wünschenswert.
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Eine Kombination von mechanischen Führungsstrukturen und äußeren magnetischen Feldern zwecks Anreicherung markierter Zellen an einem Kammerboden ist in der Schrift
WO 2013/ 014 146 A1 vorgestellt. Hierbei dient das äußere Magnetfeld genauer gesagt zur Fixierung markierter Zellen in Bodennähe und die mechanischen Führungsstrukturen lenken die Zellen quer zur Strömungsrichtung so ab, dass diese in der Mitte der Kammer zu einem engen Bündel fokussiert und zu einer Zellmesseinrichtung gelenkt werden.
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Aus der
US 2008 / 0 124 779 A1 ist eine mikrofluidische Sortiervorrichtung mit
- - einem Einlasskanal, der eingerichtet ist, separate Ströme einer Probe, die eine Zielspezies, eine Nicht-Zielspezies und magnetische Partikel mit einer Affinität für die Zielspezies in der Probe aufweist, und eines Puffer bereitzustellen, der im Wesentlichen frei von der Probe ist,
- - einer Sortierstation, die in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Einlass und in einem Pfad des Probenstroms angeordnet ist;
- - einem Magnetfeldgradientengenerator zur Wechselwirkung mit einem externen Magnetfeld, um eine Änderung des magnetischen magnetischen Feldgradienten in der Sortierstation zu erzeugen und dadurch die magnetischen Partikel in Richtung des Pufferstroms abzulenken; und
- - mindestens einem Auslasskanal, der eingerichtet ist, den Pufferstrom mit abgelenkten magnetischen Partikeln und einen Abfallstrom, der die zumindest teilweise abgereicherte Probe enthält, separat aufzunehmen.
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Die
WO 2008/ 147 530 A1 offenbart eine fluidische Sortiervorrichtung, mit
- - einem Substrat mit einer Vielzahl von fluidischen Modulen;
- - einer Sortierstation mit einem Magnetfeldkonzentrator zum Ausüben einer magnetischen Kraft auf eine Probe in einem Fluidmedium ausübt, um magnetische Teilchen in der Probe abzulenken und dadurch magnetische und nichtmagnetische Einheiten in dem Fluidmedium zu sortieren;
- - einem Einfangmodul, das mit der Sortierstation strömungstechnisch gekoppelt und stromabwärts davon angeordnet ist und (i) ein Ventil zum Steuern des Flusses des fluiden Mediums zwischen der Sortierstation und dem Einfangmodul, (ii) einen Einlass zum Zuführen eines Reagens, und (iii) eine Struktur zum zumindest vorübergehenden Einfangen und Immobilisieren von magnetischen Partikeln oder einer bestimmten Spezies in der Probe aufweist, wobei das Einfangmodul eingerichtet ist, eine oder mehrere der folgenden Funktionen auszuführen: Freisetzen der magnetischen Partikel von spezifisch an die magnetischen Partikel gebundenen, Freisetzung der magnetischen Partikel von Probenspezies, die spezifisch an die magnetischen Partikel gebunden sind, und Waschen der eingefangenen Spezies in der Probe; und
- - einem zusätzlichem Modul, das fluidisch mit dem Einfangmodul gekoppelt und stromabwärts davon angeordnet ist und ein Ventil zum Steuern des Flusses des flüssigen Mediums zwischen dem Einfangmodul und dem zusätzlichen Modul aufweist, wobei das zusätzliche Modul eingerichtet ist, eine oder mehrere der folgenden Funktionen auszuführen: Speziesnachweis und Nukleinsäureamplifikation,
wobei die Sortierstation, das Einfangmodul und das zusätzliche Modul jeweils auf dem Substrat vorgesehen sind.
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Obgleich nicht gattungsbildend sei der Vollständigkeit halber auch auf Verfahren zur Separation der Zellen ohne äußere Felder (passive Verfahren) hingewiesen. Diese Verfahren bedienen sich beispielsweise physikalischer Wechselwirkung zwischen dem Fluid mit den Partikeln und der Kanalwand. Beschrieben ist ein solches Verfahren beispielsweise in dem wissenschaftlichen Aufsatz von D. R. Gossett, H. T. K. Tse, J. S. Dudani, K. Goda, 1. A. Woods, S. W. Graves und D. D. Carlo, .Inertial Manipulation and Transfer of Microparticles Across Laminar Fluid Streams, Small, Bd. 8, Nr. 17, p. 2757-2764, 2012. Das hierin beschriebene Verfahren umfasst auch den Transport der Zellen über die Grenzfläche laminarer Strömungen und eignet sich deshalb, wie das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere zur Abtrennung ausgewählter Partikel oder Zellen aus einer heterogenen Suspension. Die beschriebene Methode beruht auf dem Prinzip repulsiver Kräfte in dem Fluid in der Nähe der Kanalwand. Der physikalische Effekt wurde erstmals 1961 in der wissenschaftlichen Arbeit von G. Segre und A. Silberberg, „Radial particle displacement in poiseuille flow of suspensions“, Nature, Vol. 189, 21. Januar 1961, beschrieben, siehe hierzu auch
DE 10 2013 210 953 A1 . Sie konnten zeigen, dass Festkörperteilchen in einer eine zylindrische Röhre durchströmenden Dispersion nach einer gewissen Strecke eine inhomogene Verteilung annehmen.
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Ein anderes passives Verfahren zur Separation der Zellen ohne äußere Felder macht von bestimmten Mikrostrukturen in den Mikrokanälen Gebrauch. Es wird auf die Schriften von L. R. Huang, E. C. Cox, R. H. Austin und J. C. Stu, „Continuous Particle Separation Through Deterministic Lateral Displacement‟, Science, Nr. 304, pp. 987-990, 2004, von T. A. J. Duke und R. H. Austin, „Microfabricated Sieve for the Continuous Sorting of Macromolecules,“ Phys. Rev. Lett., Nr. 80, p. 1552-1555, 1998 und von K. J. Morton, K. Loutherback, D. W. Inglis, o. K. Tsui, J. C. Sturm, S. Y Chou und R. H. Austin, „Crossing microfluidic streamlines to lyse, label and wash cells.“ Lab on a Chip, Nr. 8, p. 1448-1453, 2008 verwiesen.
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Jedoch ist man bei allen passiven Verfahren, deren Wirkprinzipien nicht auf äußeren Feldern beruhen, bei gegebener Größe der zu separierenden Zellen oder Partikel bezüglich der Kanalausdehnungen festgelegt, weil die zugrunde liegenden Kräfte nur sehr kurzreichweitig sind. Die Kanalausdehnung liegt meist in der Größenordnung der zu separierenden Zellen. Ferner sind diese Verfahren deshalb immer auch größenselektiv. Mit den Zielzellen aus einer Zellsuspension werden immer auch alle weiteren Zellen vergleichbarer Größe extrahiert. Dies ermöglicht eine Extraktion ausgewählter Zellen oder Partikel nur unter günstigen Umständen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges Verfahren und die korrespondierende Vorrichtung zum kontinuierlichen Überführen ausgewählter, magnetisch markierter Partikel von einem ersten Medienstrom in einen zweiten Medienstrom bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln ein größeres Anwendungsspektrum bietet als die bisher bekannten Verfahren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und die Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art bewegen sich erfindungsgemäß die in der ersten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel in Annäherung an einen Kanalboden des Durchflusskanals in Strömungsrichtung weiter und werden mittels wenigstens einer an dem Kanalboden angeordneten ersten Barriere in einer zweiten Richtung quer zur Strömungsrichtung und quer zur Grenzfläche so weit abgelenkt, dass sie aus dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergehen.
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Die Vorrichtung der eingangs genannten Art weist dazu eine an dem Kanalboden des Durchflusskanals angeordnete, sich quer zur Strömungsrichtung und quer zum Magnetfeldgradienten erstreckende erste Barriere auf.
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Das Substrat der Vorrichtung ist, wie eingangs erwähnt, beispielsweise ein Teil eines Mikrofluidikchips. Es besteht bevorzugt aus Cyclo-Olefin-(Co)Polymer (COC, COP), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP) oder Polyetheretherketon (PEEK). Als „Durchflusskanal“ im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine kanalartige Struktur in dem Substrat verstanden, welche in eine oder mehrere Ableitungen für die Medienströme mündet. Der Durchflusskanal weist in der Regel eine lang gestreckte Form auf, wobei die Längsrichtung die Strömungsrichtung definiert. „Kanalboden“ im Sinne der Erfindung definiert diejenige Kanalwand, an der die Barriere angeordneten ist bzw. entlang der sich die Barriere erstreckt. Dies ist in aller Regel herstellungsbedingt der Boden des in dem Chip ausgebildeten Kanals. Auf die räumliche Orientierung kommt es dabei nicht an. Insbesondere kann ein erfindungsgemäß ausgestatteter Mikrofluidikchip auch kopfüber betrieben werden, so dass der Kanalboden nach oben orientiert ist. Das kann von Vorteil sein, wenn man Zielzellen oder Partikel aus einer Suspension von Partikeln extrahieren möchte, deren Dichte höher ist als die des umgebenden Mediums. Dadurch beginnen die nicht magnetisch markierten Partikel („Nicht-Zielzellen“) zu sedimentieren, so dass deren Trajektorien unter den oben am Kanalboden angeordneten Barrieren entlang verlaufen.
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Als „Magnetisierungsmittel“ kommen beispielsweise einer oder mehrere Permanentmagnete und/oder Elektromagnete in Betracht. Der oder die Magnete sind typischerweise außerhalb des Substrats angeordnet und beispielsweise Teil eines Betreibergerätes, in das das Substrat bzw. der mikrofluidische Chip eingelegt werden kann. Bevorzugt sind die Magnetisierungsmittel unmittelbar unterhalb des Kanalbodens des Durchflusskanals und/oder unterhalb des flachen Substrats angeordnet und erzeugen einen Magnetfeldgradienten, der besonders bevorzugt näherungsweise parallel zu der Grenzfläche verläuft.
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Damit die magnetisch markierten Partikel von der ersten Barriere in der zweiten Richtung quer zur Strömungsrichtung und quer zur Grenzfläche so weit abgelenkt werden, dass sie aus dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergehen, beginnt die erste Barriere im von dem ersten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals und erstreckt sich bis in den von dem zweiten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals hinein, also über die Grenzfläche zwischen beiden Bereichen oder Medienströmen hinweg. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Barriere bei einer Breite B des Durchflusskanals um ein Maß b senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hinein, das wenigstens 5% der Breite B des Durchflusskanals beträgt. Wie die von dem ersten und dem zweiten Medienstrom durchflossenen Bereiche im Verhältnis zueinander bemessen sind, hängt vom Verhältnis der Flussraten der beiden Medienströme und der Kanalgeometrie ab. Der Magnetfeldgradient erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen Bereich, der vor der Barriere beginnt und vorzugsweise frühestens mit dieser endet.
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Die Ablenkung der magnetisch markierten Partikel erfolgt über eine Grenzfläche zweier Medienströme hinweg nicht in der Wirkrichtung des Magnetfeldes, sondern senkrecht dazu mittels Ablenkung durch eine Barriere oder mehrere Barrieren. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die magnetisch markierte Zellen oder Partikel unabhängig von ihrer Größe zuverlässig über die Grenzfläche hinweg transportiert werden. Ferner kann durch eine geeignete Anordnung von mehreren Barrieren, ohne Umschaltung des Magnetfeldes und damit ohne steuerungstechnisch eingreifen zu müssen, ein stufenweiser Prozess gestaltet werden, bei dem die ausgewählten Zellen oder Partikel auf kleinem Raum schrittweise vor und/oder zurück bewegt und dabei unterschiedlichen Medien ausgesetzt werden. So lassen sich sehr effektiv ein oder mehrere Extraktions- und Syntheseschritte im Durchfluss und damit auch komplexe Verfahrensabläufe ohne großen apparativen Aufwand und ohne komplizierte Steuerungstechnik realisieren. Zudem verkürzt sich die Strecke, über die die markierten Partikel oder Zellen magnetisch abgelenkt werden. Wie zuvor schon angesprochen, erfordert die geforderten Prozesssicherheit, beispielweise bei der Separation, eine gewisse Mindestdistanz, um die die Partikel quer zur Strömungsrichtung und über die Grenzfläche hinweg abgelenkt werden müssen. Diese Richtung fällt in der Regel mit der Breite des Durchflusskanals zusammen. Bei den bekannten Verfahren erfolgt diese Ablenkung magnetisch und es bedarf einer längeren Dauer und somit auch einer längeren Strecke in Strömungsrichtung, bis alle markierten Partikel diese Mindestdistanz bewältigt haben. Demgegenüber kann die Distanz, über die die Partikel in der ersten Richtung zum Kanalboden hin abgelenkt werden, vergleichsweise kurz gewählt werden, ohne die Prozessgenauigkeit zu beeinträchtigen. Diese Richtung fällt in der Regel mit der Tiefe des Durchflusskanals zusammen, die ebenfalls regelmäßig geringer ist als dessen Breite. Die Ablenkung in der zweiten Richtung ist allein durch geometrische Faktoren (den Anstellwinkel der Barriere) bestimmt und kann trotz eines weiteren Weges quer zur Strömungsrichtung und über die Grenzfläche hinweg auf viel kürzerer Länge des Durchflusskanals erfolgen. Als Konsequenz benötigt man kürzere Kanäle, wodurch sich Trägermedium und Material einsparen lässt.
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Vorzugsweise weist der Durchflusskanal eine erste und eine zweite an den Kanalboden angrenzende Kanalwand auf. Besonders bevorzugt mündet die erste Zuleitung auf der Seite der ersten Kanalwand in den Durchflusskanal und die zweite Zuleitung auf der Seite der zweiten Kanalwand in den Durchflusskanal. Die Mündungsstellen beider Zuleitungen definieren zumeist den Anfang des Durchflusskanals, wo der erste und der zweite Medienstrom erstmals aufeinander treffen. Je nach Flussrate des ersten Medienstroms Q1 und des zweiten Medienstroms Q2 bildet sich die Grenzfläche zwischen den beiden Medienströmen an unterschiedlicher Stelle in dem Durchflusskanal aus, wobei die von dem ersten und dem zweiten Medienstrom eingenommenen Querschnittsflächen in dem Durchflusskanal etwa das gleiche Verhältnis aufweisen wie das Verhältnis der Flussraten. Da parabolische Flussprofile vorliegen, bewegen sich Flüssigkeitsanteile wandnah mit anderer Geschwindigkeit als wandferne Anteile. Der relative Anteil in jedem Medienstrom der sich wandnah bewegt hängt vom Verhältnis der Volumenflüsse ab und sorgt somit für eine geringfügige Abweichung von besagter Proportionalität. Im konstruktiv einfachsten Fall stehen die Kanalwände senkrecht auf dem Kanalboden und auch die Grenzfläche bildet sich senkrecht zu dem Kanalboden aus.
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Bevorzugt erstreckt sich die erste Barriere von der ersten Kanalwand des Durchflusskanals ausgehend in Richtung der Kanalmitte. Dabei schließt sie besonders bevorzugt mit der Strömungsrichtung einen Anstellwinkel α ein, der zwischen 15° und 80°, weiterhin bevorzugt zwischen 30° und 60° liegt, wobei sich die Barriere von der ersten Kanalwand ausgehend in Strömungsrichtung erstreckt.
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Der Anschluss der ersten Barriere an die erste Kanalwand stellt sicher, dass keines der ausgewählten Partikel die erste Barriere auf der falschen Seite, also in Richtung der ersten Kanalwand, umströmen kann. Dabei sorgt die Ausrichtung der ersten Barriere in Strömungsrichtung unter den angegebenen Anstellwinkeln dafür, dass die ausgewählten Partikel aufgrund des Vortriebs in Strömungsrichtung entlang der schrägen Barriere auf kürzest möglichem Wege und zugleich prozesssicher abgeleitet werden. Ein stumpferer Winkel als 80° erhöht die Gefahr, dass sich die magnetisch markierten Partikel vor der Barriere anhäufen oder diese überlaufen. Ein spitzerer Winkel als 15° erfordert bei gleichem Weg der Ablenkung in der zweiten Richtung einen längeren Durchflusskanal. Des Weiteren erfahren die nichtmagnetischen Partikel bei einem spitzeren Winkel eine größere Ablenkung in x-Richtung, bevor sie über das Hindernis laufen, was die Trennungsgenauigkeit beinträchtigen kann.
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Die Barriere ist ansonsten so ausgebildet, dass zum einen nur die abgelenkten, magnetisch markierten Partikel in der Nähe des Kanalbodens abgelenkt werden, während der übrige erste Medienstrom und insbesondere etwaige unmagnetisierte Partikel in der Suspension des ersten Medienstroms die Barriere nahezu ungehindert überströmen können. Zum anderen ist sie vorzugsweise so ausgebildet, dass die Medienströme den gesamten Durchflusskanal unter Aufrechterhaltung der laminaren Strömung passieren können.
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Dies wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Barriere ausgehend vom Kanalboden eine Höhe aufweist, die zwischen 5% und 33%, bevorzugt zwischen 12% und 16% der Kanalhöhe zwischen dem Kanalboden und einer gegenüberliegenden Kanaldecke beträgt.
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Beispielsweise ist die Vorrichtung dadurch weitergebildet, dass in dem Substrat eine erste und eine zweite Ableitung ausgebildet sind, in die der Durchflusskanal mündet. Dabei ist weiterhin bevorzugt, dass die erste Ableitung auf der Seite der ersten Kanalwand und die zweite Ableitung auf der Seite der zweiten Kanalwand an den Durchflusskanal angebunden ist.
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Das erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass die in der zweiten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel mittels wenigstens einer dem Kanalboden stromabwärts der ersten Barriere angeordneten zweiten Barriere entgegengesetzt zur zweiten Richtung soweit abgelenkt werden, dass sie aus dem zweiten Medienstrom zurück in den ersten Medienstrom übergehen.
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In entsprechender Weise ist die Vorrichtung dahingehend weitergebildet, dass in dem Substrat eine an dem Kanalboden des Durchflusskanals stromabwärts der ersten Barriere angeordnete, sich quer zur Strömungsrichtung erstreckende zweite Barriere ausgebildet ist.
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Die zweite Barriere beginnt also im von dem zweiten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals und erstreckt sich bis in den von dem ersten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals hinein und damit ebenfalls über die Grenzfläche zwischen beiden Bereichen oder Medienströmen hinweg, damit die magnetisch markierten Partikel von der zweiten Barriere in der entgegengesetzten Richtung wie zuvor von der ersten Barriere quer zur Grenzfläche so weit abgelenkt werden, dass sie aus dem zweiten Medienstrom in den ersten Medienstrom übergehen.
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Bevorzugt weist der Durchflusskanal eine zweite, an den Kanalboden angrenzende Kanalwand auf, wobei die zweite Zuleitung auf der Seite der zweiten Kanalwand in den Durchflusskanal mündet. Die zweite Barriere erstreckt sich dabei vorzugsweise von der zweiten Kanalwand des Durchflusskanals ausgehend und in Richtung der Kanalmitte. Besonders bevorzugt tut sie dies unter einem Anstellwinkel α zwischen -15° und -80° zur Strömungsrichtung, weiterhin bevorzugt zwischen -30° und -60°, wobei sich die Barriere von der zweiten Wand ausgehend in Strömungsrichtung erstreckt. Auch weist die zweite Barriere ausgehend vom Kanalboden vorzugsweise eine Höhe auf, die zwischen 5% und 33%, bevorzugt zwischen 12% und 16% der Kanalhöhe zwischen dem Kanalboden und einer gegenüberliegenden Kanaldecke beträgt. Die Gründe für diese geometrische Anordnung sind die gleichen wie im Fall der ersten Barriere. Die zweite Barriere erstreckt sich im Unterschied zur ersten lediglich von der zweiten Kanalwand ausgehend in entgegengesetzter Richtung, so dass die Partikel eben in umgekehrter Richtung und damit über die Grenzfläche hinaus aus dem zweiten in den ersten Medienstrom zurückgelenkt werden. Ein Anschluss der zweiten Barriere an der zweiten Kanalwand ist nicht unbedingt erforderlich. Es kann genügen, wenn sie in Bezug auf die zweite Ablenkungsrichtung über den Pfad der von der ersten Barriere abgelenkten markierten Partikel hinaus beginnt.
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Auch hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der erste Medienstrom zusammen mit den magnetisch markierten Partikeln durch eine erste Ableitung und der zweite Medienstrom durch eine zweite Ableitung aus dem Durchflusskanal herausgeleitet werden. Dies wird apparativ wieder dadurch umgesetzt, dass in dem Substrat eine erste und eine zweite Ableitung ausgebildet sind, in die der Durchflusskanal mündet, wobei die erste Ableitung auf der Seite der ersten Kanalwand und die zweite Ableitung auf der Seite der zweiten Kanalwand an den Durchflusskanal angebunden ist.
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Das Verfahren und die Vorrichtung bewirken einen zweifachen Transport der magnetisch markierten Partikel über eine Grenzfläche zweier laminarer, nebeneinander verlaufender Strömungen, wobei zweimal dieselbe Grenzfläche passiert wird. Dies lässt sich bevorzugt zur temporären Synthese aus den magnetisch markierten Partikeln und dem zweiten Medienstrom verwenden, wobei die Synthese jeweils nach der Überleitung der magnetisch markierten Partikeln in den ersten Medienstrom endet. Bei dieser Verwendung können der erste und der zweite Medienstrom reaktiv oder neutral sein, d.h. ein Reagenz beinhalten oder als reines Transportmittel fungieren.
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Die Dauer der Synthese mit dem zweiten Medienstrom (Retardationszeit) wird bei gegebenem Abstand in Strömungsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Barriere durch die Flussraten aller zwei bzw. drei Medienströme und damit durch die Strömungsgeschwindigkeit des Gesamtstroms eingestellt. Eine Kontrolle der Retardationszeiten ist erforderlich, um gleichbleibende Untersuchungsbedingungen zu gewährleisten.
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Auf besonders platzsparende Weise und, da im Durchflussverfahren, zugleich auf zeitsparende Weise können die Zellen/Partikel nach ihrer Isolation in weiteren Schritten sehr gezielt und flexibel unterschiedlichen Medien zur Wechselwirkung ausgesetzt werden. Insbesondere kann die Vorrichtung nach Bedarf in analoger Weise so erweitert werden, dass eine dritte und gegebenenfalls weitere Barrieren die ausgewählten Partikel weitere Male innerhalb des Durchflusskanals von einem in einen anderen Medienstrom ablenken. Auch können vierte und gegebenenfalls weitere Medienströme in den Durchflusskanal eingeleitet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sowie der Verwendung des Verfahrens werden nachfolgend anhand von Figurenzeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematisierte Aufsicht auf eine nicht zur Erfindung gehörende Vorrichtung ;
- 2 eine seitliche Schnittdarstellung der Vorrichtung nach 1;
- 3 eine schematisierte Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung;
- 4 eine seitliche Schnittdarstellung der Vorrichtung aus 3;
- 5 eine schematisierte Aufsicht auf eine nicht zur Erfindung gehörende Vorrichtung;
- 6 ein Diagramm zur Illustration des Strömungsverhaltens magnetisch markierter Partikel an einer Barriere im Vergleich zu unmagnetischen Partikeln;
- 7 ein Ausschnitt des Durchflusskanals in Draufsicht mit einer ersten Barriere gemäß einem ersten Design;
- 8 ein Ausschnitt des Durchflusskanals in Draufsicht mit einer ersten Barriere gemäß einem zweiten Design und
- 9 ein Ausschnitt des Durchflusskanals in Draufsicht mit einer ersten und einer zweiten Barriere gemäß einem dritten Design.
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Eine Ausführungsform einer nicht zur Erfindung gehörenden Vorrichtung ist in den 1 und 2 in zwei Ansichten illustriert. Die Ansicht gemäß 1 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 10, in dem ein Durchflusskanal 12 mit einer Breite B und einem Kanalboden 14 ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Substrat 10 eine Kunststoffplatine sein, in die der Durchflusskanal 12 eingeformt ist (erodiert, gefräst oder im Spritzgussverfahren). Dieser Durchflusskanal 12 ist auf seiner dem Substrat 10 gegenüberliegenden Seite, wie bei Mikrofluidikchips bekannt, mittels einer Abdeckfolie 16 verschlossen.
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Das Substrat weist ferner eine erste Zuleitung 18 und eine zweite Zuleitung 20 auf, die beide in den Durchflusskanal münden. Die Transport- oder Strömungsrichtung der durch die Zuleitungen 18 und 20 zugeführten Medien erfolgt innerhalb des Durchflusskanals in positiver y-Richtung, auch Längsrichtung genannt. Die Flussraten der Medien sind so gewählt, dass die beiden Fluide einen laminaren Charakter aufweisen. Dadurch bilden der erste, durch die erste Zuleitung 18 eingeleitete Medienstrom und der zweite, durch die zweite Zuleitung 20 eingeleitete Medienstrom in dem Durchflusskanal 12 unter laminaren Bedingungen eine sich in Längsrichtung des Durchflusskanals erstreckende Grenzfläche 22 aus.
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Der Durchflusskanal weist ferner eine erste, an den Kanalboden 14 angrenzende Kanalwand 24 auf, wobei die erste Zuleitung 18 auf der Seite der ersten Kanalwand 24 in den Durchflusskanal 12 mündet. Spiegelsymmetrisch hierzu weist der Durchflusskanal 12 eine zweite an den Kanalboden 14 angrenzende Kanalwand 26 auf, wobei die zweite Zuleitung 20 auf der Seite der zweiten Kanalwand 26 in den Durchflusskanal 12 mündet. Gleichzeitig bilden die Zuleitungen 18 und 20 den Anfang des Durchflusskanals. Die Grenzfläche 22 bildet sich unter den Bedingungen gleicher Flussraten der Medienströme 18 und 20 und eines symmetrischen Querschnittes des Durchflusskanals 12 in der Kanalmitte aus, wie in 1 dargestellt. Dies stellt freilich nur einen Spezialfall dar. Regelmäßig sind die Flussraten der Medienströme unterschiedlich. Auch kann, wie in einem später gezeigten Design, die Höhe des Kanals in Querschnittsrichtung variieren. Dann kann sich die Grenzfläche 22 zu der ein oder anderen Seite verschieben. Die Kanalwände 24, 26 stehen, je nach Fertigungstechnik, meist senkrecht, vor allem bei gefrästen oder erodierten Strukturen, oder nahezu senkrecht, vor allem bei (spritz)gegossenen Strukturen aufgrund von Entformungsschrägen, auf dem Kanalboden 14. Letzterer ist im einfachsten Fall eben und auch die Grenzfläche 22 steht in der Regel senkrecht auf den Kanalboden.
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An dem Kanalboden 14 ist eine erste Barriere 32 ausgebildet, die sich quer zur Strömungsrichtung erstreckt. Tatsächlich wird die Grenzfläche 22 wenigstens im Bereich der ersten Barriere 32 eine leichte Ausbuchtung erfahren, welche hier nicht dargestellt ist, aber im Zusammenhang mit 6 noch näher erläutert werden wird. Insofern ist die durchgehend parallele Ausrichtung der Grenzfläche 22 zu den Kanalwänden 24 und 26 in der Darstellung der 1 als idealisiert zu betrachten.
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An dem der Zuleitungen 18 und 20 entgegengesetzten Ende des Durchflusskanals 12 mündet dieser in eine erste, in dem Substrat 10 ausgebildete Ableitung 28 sowie in eine zweite, in dem Substrat 10 ausgebildete Ableitung 30.
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Unterhalb des Durchflusskanals 12 weist die Vorrichtung ein Magnetisierungsmittel 34 auf, das eingerichtet ist, einen Magnetfeldgradienten in dem Durchflusskanal 12 zu erzeugen, der quer zur Strömungsrichtung y auf den Kanalboden 14 hin und quer zur Erstreckungsrichtung der ersten Barriere 32 gerichtet ist. Der Magnetfeldgradient muss nicht senkrecht auf dem Kanalboden stehen. Es genügt im Prinzip, wenn dieser nur eine Komponente in dieser Richtung aufweist.
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Das Magnetisierungsmittel 34 ist gemäß 2 in das Substrat 10 integriert dargestellt. Dies ist nur eine mehrerer möglicher Varianten. In 4 ist eine insoweit bevorzugte Variante dargestellt, bei der das Magnetisierungsmittel 34' unterhalb des Substrates und damit außerhalb des Mikrofluidikchips als externes Element angeordnet ist. Diese Variante reduziert die Produktionskosten und erhöht die Flexibilität der Anordnung.
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Zusammen mit dem durch die erste Zuleitung in den Durchflusskanal 12 eingeleiteten Medienstrom werden auch magnetisch markierte Partikel 36 in den Durchflusskanal 12 eingeleitet. Diese sind als offene Kreise dargestellt. In dem in 1 gezeigten Fall handelt es sich bei dem ersten Medienstrom um eine Suspension mit weiteren unmagnetischen Partikeln 38, die als gefüllte Kreise dargestellt sind. Die magnetisierten Partikel 36 werden innerhalb des Durchflusskanals 12 aufgrund des von dem Magnetisierungsmittel 34 erzeugten Magnetfeldgradienten in einer ersten Richtung quer zur Strömungsrichtung abgelenkt, nämlich in negativer z-Richtung, vergl. 2. Die unmagnetisierten Partikel 38 hingegen verteilen sich über den vertikalen Querschnitt des Durchflusskanals 12 in üblicher Weise. Dies heißt insbesondere, dass es nahe des Kanalbodens 14 eine Verarmungszone aufgrund repulsiver Kräfte in Wandnähe gibt. Beides zusammen, die Anreicherung der magnetisierten Partikel 36 entlang des Kanalbodens 14 und der Verarmungszone der unmagnetischen Partikel 38 entlang des Kanalbodens 14 sorgt dafür, dass bei einem Transport der Partikel zusammen mit dem ersten Medienstrom in Strömungsrichtung y nur die magnetisch markierten Partikel 36 im Wesentlichen auf Flusslinien parallel zur ersten Barriere 32 transportiert werden und in Richtung der Kanalmitte abgelenkt werden, vergl. 1.
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Die unmagnetisierten Partikel 38 hingegen überströmen die Barriere 32. Zu diesem Zweck weist die Barriere vorzugsweise eine Höhe h in z-Richtung auf, die zwischen 5% und 33 % und besonders bevorzugt zwischen 12% und 16 % der Höhe H des gesamten Durchflusskanals 12 zwischen dem Kanalboden 14 und der gegenüberliegenden Decke, die durch die Abdeckung 16 bereitgestellt wird, beträgt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich genau in diesem Bereich einerseits eine besonders zuverlässige Umlenkung der magnetisch markierten Partikel in der zweiten Richtung einstellt, während ebenso zuverlässig die unmagnetischen Partikel 38 die Barriere überströmen.
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Die erste Barriere 32 erstreckt sich einerseits quer zur Strömungsrichtung y und andererseits ebenso in Strömungsrichtung y, indem sie unter einem Anstellwinkel α von 45° von der ersten Kanalwand ausgehend in Strömungsrichtung und aufgetragen gegen die Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
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Durch das selektive Ablenken der magnetisch markierten Partikel 36 durch die Barriere 32 gehen diese aus dem ersten Medienstrom durch die Grenzfläche 22 hindurch in den zweiten Medienstrom über. Damit dies sichergestellt ist, ragt die Barriere um ein Maß b senkrecht zur Strömungsrichtung y in den zweiten Medienstrom hinein, das wenigstens 5% der Breite B des Durchflusskanals 12 beträgt. Auf diese Weise werden Partikel 36 bereits in dem Durchflusskanal, nämlich in Strömungsrichtung y hinter der ersten Barriere 32, isoliert zur weiteren Untersuchung oder Verwendung bereitgestellt. Je nach Anwendungsfall kann eine solche Untersuchung also schon unmittelbar nach dem Isolieren in dem Durchflusskanal 12 stattfinden, wenn der zweite Medienstrom beispielsweise eine reaktive Substanz enthält, oder erst nachdem die Partikel 36 zusammen mit dem zweiten Medienstrom durch die zweite Ableitung 30 aus dem Durchflusskanal 12 herausgeleitet und beispielsweise einer nachfolgenden Reaktions- oder Analysekammer zugeführt werden.
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Der erste Medienstrom wird nach der Extraktion der ausgewählten Partikel 36 zusammen mit den verbleibenden Partikeln 38 durch die erste Ableitung 28 aus dem Durchflusskanal 12 herausgeleitet und kann anschließend beispielsweise als Abfall entsorgt werden. Will man sicherstellen, dass nichts von dem ersten Medienstrom zusammen mit den ausgewählten extrahierten Partikeln 36 durch die zweite Ableitung 30 aus dem Durchflusskanal 12 austritt, wird man in der Praxis den Querschnitt der ersten Ableitung 28 größer wählen als den der zweiten Ableitung 30. Dadurch wird die Mediengrenze 22 nicht exakt auf die Mitte des Kanalendes treffen sondern innerhalb der ersten Ableitung 28 verlaufen. In diesem Fall ist aber zu beachten, dass sich das Maß b, um das die erste Barriere 32 senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hineinragt, entsprechend größer als 5% der Breite B des Durchflusskanals 12 gewählt werden sollte. Denn entscheidend ist dann nicht nur, dass die Partikel die Mediengrenze überwinden, sondern dass ihr Pfad stromabwärts der Barriere auch sicher in die zweite Ableitung 30 führt.
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Eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Draufsicht und der Seitenansicht der 3 und 4 illustriert. Gleiche Merkmale wie in der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 werden hierin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es wird insoweit auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, dass an dem Kanalboden 14 des Durchflusskanals 12 stromabwärts der ersten Barriere 32 eine zweite Barriere 40 ausgebildet ist, die sich ebenfalls quer zur Strömungsrichtung y erstreckt. Genauer gesagt erstreckt sich die zweite Barriere 40 von der zweiten Kanalwand 26 des Durchflusskanals 12 ausgehend in Richtung der Kanalmitte. Dabei erstreckt sie sich zugleich in Strömungsrichtung und schließt mit dieser einen Anstellwinkel von -45° ein, so dass sie sich ebenso wie die erste Barriere 32 zwar in Strömungsrichtung, aber quer zur Strömungsrichtung in der entgegengesetzten Richtung erstreckt. Im Übrigen sind die Dimensionen der zweiten Barriere 40, insbesondere deren Höhe, wie die der ersten Barriere 32 gewählt.
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Ein weiterer struktureller Unterschied der Vorrichtung gemäß den 3 und 4 ist, dass sich die Magnetisierungsmittel 34' in dem hier gezeigten Fall unterhalb des Substrats 10 befindet und damit außerhalb des mikrofluidischen Chips. Die Vorzüge dieser Ausgestaltung wurden bereits dargelegt.
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Die magnetisch markierten Partikel 36 werden, nachdem sie wie zuvor beschrieben, mittels der ersten Barriere 32 von dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergeleitet wurden, mittels der stromabwärts gelegenen zweiten Barriere 40 in entgegengesetzter Richtung wieder aus dem zweiten Medienstrom in den ersten Medienstrom zurückgeleitet. Hiernach werden sie zusammen mit dem ersten Medienstrom durch die erste Ableitung 28 aus dem Durchflusskanal 12 herausgeleitet, während der zweite Medienstrom durch die zweite Ableitung 30 herausgeleitet wird.
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In dem hier dargestellten Beispielfall ist der durch die erste Zuleitung 18 in den Durchflusskanal 12 eingeleitete Medienstrom mit den magnetischen Partikeln 36 als keine anderen Partikel enthaltende Suspension dargestellt. Es könnte sich hierbei beispielsweise um jenen zweiten Medienstrom handeln, welcher den Durchflusskanal 12 gemäß 1 durch die zweite Ableitung 30 verlässt.
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Ebenso könnte aber der erste Medienstrom auch in dem Beispiel der 3 eine komplexere Suspension mit weiteren unmagnetischen Partikeln sein.
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Ein typischer Anwendungsfall für diesen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem eine temporäre Synthese aus den magnetisch markierten Partikeln 36 und dem zweiten Medienstrom hergestellt werden soll, um die Partikel beispielsweise einer kurzzeitigen Wechselwirkung mit einem Reagenz auszusetzen. Das zweite Medium könnte also beispielsweise ein Synthesereagenz enthalten, mit welchem die ausgewählten Partikel manipuliert werden sollen. Die Dauer einer solchen temporären Synthese, auch als Retardationszeit bezeichnet, wird durch die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Durchflusskanals 12, also die Flussraten der ersten und zweiten Medienströme, und den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Barriere 32, 40 in Strömungsrichtung eingestellt.
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Eine weitere Ausführungsform einer nicht zur Erfindung gehörenden Vorrichtung ist in der Aufsicht der 5 illustriert. Wiederum werden gleiche Merkmale wie in den beiden vorausgegangenen Ausführungsformen hierin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auch insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Die Ausführungsform der 5 unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschriebene Ausführungsform durch eine zweite Barriere 40', die sich in gleicher Richtung wie die erste Barriere 32 erstreckt, also quer zur Strömungsrichtung y und zugleich in Strömungsrichtung unter einem Anstellwinkel von 45°. Ferner weist diese zweite Barriere 40' im Unterschied zu der zweiten Barriere 40 in 4 keinen Anschluss an die zweite Kanalwand 26 auf. Da sie zudem auch keinen Anschluss an die ersten Kanalwand 24 aufweist, kann sie in Bodennähe auf beiden Seiten umströmt werden. Im Übrigen sind die Dimensionen der zweiten Barriere 40', insbesondere deren Höhe, wiederum so wie die der ersten Barriere 32 gewählt.
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Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die zweite Zuleitung 20' mittig in den Durchflusskanal 12 mündet und eine dritte Zuleitung 42 vorgesehen ist, welche auf der Seite der zweiten Kanalwand 26 in den Durchflusskanal 12 mündet, so dass insgesamt drei Zuleitungen 18, 20', 42 in den Durchflusskanal 12 münden. In gleicher Weise ist am Ende des Durchflusskanals 12 die zweite Ableitung 30' zentral angeordnet und eine dritte Ableitung 46 auf der Seite der zweiten Kanalwand 26 angeordnet, so dass der Durchflusskanal 12 in insgesamt drei Ableitungen 28, 30', 46 mündet.
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Bei dieser Anordnung wird neben dem ersten und dem zweiten Medienstrom ein dritter Medienstrom durch die dritte Zuleitung 42 in den Durchflusskanal 12 dergestalt eingeleitet, dass der zweite und der dritte Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals 12 erstreckenden zweiten Grenzfläche 44 laminar in den Durchflusskanal 12 strömen, so dass insgesamt zwei Grenzflächen 22 und 44 in dem Durchflusskanal 12 ausgebildet sind. In dem gezeigten schematischen Beispiel verlaufen die Grenzflächen 22 und 44 näherungsweise parallel zueinander und parallel zu den beiden Kanalwänden 24 und 26. In der Realität werden die Ströme auch hier wenigstens bedingt durch die Barrieren 32 und 40' keine ideale parallele Ausrichtung in dem gesamten Durchflusskanal aufweisen.
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Die magnetisch markierten Partikel 36 werden, wie zuvor beschrieben, zunächst von der ersten Barriere 32 in der zweiten Richtung abgelenkt und dabei durch die erste Grenzfläche 22 in den zweiten Medienstrom übergeleitet. Dort verweilen sie für eine vorbestimmte Dauer, welche wieder von der Strömungsgeschwindigkeit in der Durchflusskammer 12 einerseits und dem Abstand der ersten Barriere 32 und der zweiten Barriere 40' abhängt, bevor sie von der zweiten Barriere 40' in der gleichen Richtung quer zur Strömungsrichtung durch die zweite Grenzfläche 44 in den dritten Medienstrom übergeleitet werden. Zusammen mit dem dritten Medienstrom strömen die Partikel 36 durch die dritte Ableitung 46 aus dem Durchflusskanal 12 heraus. Der erste Medienstrom, welcher wieder als Suspension mit wenigstens einem weiteren, unmagnetischen Partikeln 36 dargestellt ist, überströmt die erste Barriere 32 und umströmt die zweite Barriere 40' im Wesentlichen und fließt schließlich durch die erste Ableitung 28 ab. Der zweite Medienstrom fließt nach dem Passieren der ersten und zweiten Barrieren 32 und 40' durch die zweite Ableitung 30' aus dem Durchflusskanal heraus. In der Praxis gelten auch hier analog die Überlegungen zu 1, wenn man sicherstellen will, dass nichts von dem zweiten Medienstrom zusammen mit den ausgewählten extrahierten Partikeln 36 durch die dritte Ableitung 46 aus dem Durchflusskanal 12 austreten soll.
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Mit der Vorrichtung gemäß 5 lassen sich beispielsweise die beiden Verfahren, welche im Zusammenhang mit den 1 und 3 beschrieben wurden, kombinieren. Zunächst werden die magnetisch markierten Partikel 36 aus der Suspension des ersten Medienstroms isoliert und dabei in dem zweiten Medienstrom für eine vorgegebene Retardationszeit einer reaktiven Substanz ausgesetzt, nach deren Ablauf sie von dem zweiten Medienstrom getrennt werden, um die Reaktion zu stoppen. Schließlich werden die Partikel, weiterhin von der Suspension des ersten Medienstroms isoliert, zusammen mit dem dritten, beispielweise nicht reaktiven Medienstrom, abtransportiert und dem sich an die Ableitung 46 anschließenden Modul zugeführt.
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Die Ausgestaltung und die Anwendungsvielfalt der Vorrichtung und des Verfahrens erschöpfen sich ganz offenkundig nicht in den drei gezeigten Beispielen. Es können mehrere der gezeigten Vorrichtungen kaskadenartig hintereinandergeschaltet oder auch innerhalb eines Durchflusskanals 12 weitere laminare Ströme und/oder Barrieren hinzugefügt werden, so dass eine beliebige Kaskade von Reaktionsvorgängen und Medienwechseln im Durchflussverfahren vorstellbar ist.
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6 illustriert das Strömungsverhalten einzelner magnetischer Partikel einerseits und nicht magnetische Partikel andererseits beim Passieren einer Barriere 32' in der x-y-Ebene parallel zum Kanalboden 14 anhand einer Simulationsrechnung. Die Spur oder Trajektorie magnetisch markierter Partikel in dem Fluid oder Medienstrom sind als durchgezogene Linie und die der nicht magnetischen Partikel als gestrichelte Linie dargestellt.
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Sowohl die magnetischen als auch die unmagnetischen Partikel bewegen sich auf der gleichen Anfangsbahn in positiver y-Richtung auf die Barriere 32' zu. Die magnetischen Partikel werden in Annäherung an die Barriere 32' in negativer Richtung abgelenkt und umströmen die Barriere in negativer x-Richtung vollständig, weil sie sich aufgrund der Magnetkraft entlang des Kanalbodens bewegen und dort die Barriere nicht überspülen können.
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Man erkennt deutlich, dass auch die nicht magnetischen Partikel an der Barriere 32' zunächst ein Stück in negativer x-Richtung abgelenkt werden. Dies hat damit zu tun, dass der Medienstrom insgesamt an der Barriere in negativer x-Richtung und zugleich in positiver z-Richtung, also vom Kanalboden weg, abgelenkt wird. Die hier gezeigte Trajektorie stellt die maximale Ablenkung unmagnetisierter Teilchen dar, die nur solche Teilchen durchlaufen die sich eingangs in nächstmöglicher Distanz zu dem Kanalboden bewegen. Dann aber überströmen die unmagnetischen Partikel die Barriere, weil sie nicht am Boden gehalten werden, sondern der Strömung in dem Kanal folgen.
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Diese Strömungsumlenkung an der Barriere ist, nebenbei bemerkt, auch der Grund für die weiter oben angesprochene leichte Ausbuchtung der Grenzfläche 22 im Bereich der ersten Barriere 32'.
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Nach dem Passieren der Barriere erfahren die unmagnetischen Partikel noch einmal eine Ablenkung in negativer x-Richtung auf die Mitte des Durchflusskanals 12 zu. Die Ursache hierfür ist überwiegend immer noch der von der Barriere hervorgerufenen Kanalverjüngung und der damit einhergehenden Richtungsänderung der Strömung geschuldet. Danach strömen die unmagnetischen Partikel 38 noch deutlich in der oberen Hälfte des Durchflusskanals 12 und parallel zu dessen Kanalwänden weiter.
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Die magnetischen Partikel 36 strömen nach Umströmen der Barriere 32' zunächst nicht auf einer geradlinigen Trajektorie parallel zu den Kanalwänden weiter, sondern zunächst um ein geringes Maß Δx in positiver x-Richtung zurück. Aus dieser Erkenntnis ergibt sich die Notwendigkeit, die Barriere 32' so lang auszuführen, dass sie mindestens um das Maß Δx über die hier nicht eingezeichnete Grenzfläche der beiden parallelen Medienströme in den zweiten Medienstrom hineinragt. Dann ist sichergestellt, dass die magnetischen Partikel 36 in dem zweiten Medienstrom verbleiben, in den sie übergeleitet werden sollen. Dieses Maß hängt mit der Breite des Durchflusskanals 12 zusammen. Um einen zuverlässigen Übergang in das angrenzende Medium sicher zu stellen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Barriere um das Maß oder den Überstand b senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hineinragt, das wenigstens 5% der Breite B des Durchflusskanals 12 beträgt, vgl. 1.
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In 7 ist ein Ausschnitt eines Durchflusskanals 50 in Draufsicht mit einer an dem Kanalboden angeordneten Barriere 52 gezeigt, welche sich von der ersten Kanalwand 54 ausgehend in Strömungsrichtung und unter einem Anstellwinkel α von 45° zur Strömungsrichtung erstreckende vordere Flanke 56 aufweist, an der die ausgewählten magnetisierten Partikel in der zuvor beschriebenen Weise abgelenkt werden. Insoweit besteht Gemeinsamkeit mit den bisher besprochenen, eher schematischen Darstellungen der Barriere. Im Unterschied dazu erstreckt sich die Barriere auf ihrer Rückseite, bezogen auf die Strömungsrichtung y, bis an das durch die beiden Abflüsse 58 und 59 markierte Ende des Durchflusskanals 50 in Form eines Plateaus, d.h. auf gleichbleibend erhabenem Niveau. Der Kanalboden ist mit dem Beginn der Barriere 52 deshalb nicht mehr flach und weist bis an das Ende des Kanals 50 einen Querschnitt mit einer Stufe auf. Hierdurch verschiebt sich in diesem gesamten Bereich die Grenzfläche zwischen den beiden Medienströmen in Richtung der zweiten Kanalwand 55. Diese Verschiebung muss bei der Bemessung der Breite der Barriere 52 quer zur Strömungsrichtung berücksichtigt werden. Durch die Weiterführung der Barriere 52 bis zum Kanalausgang 58 verhindert man, dass die nichtmagetischen Partikel, wie in 6 angedeutet, eine Ablenkung in Richtung des „falschen“ Ausgangs erfahren. Gleichzeitig verhindert man, dass die magnetischen Partikel eine Ablenkung hin zu ihrem „falschen Ausgang“ erfahren. Die magnetisch markierten Partikel laufen gewissermaßen in einer Rinne parallel zu der langgestreckten Barriere. Des Weiteren wird die Bildung von Sekundärströmen hinter dem Objekt minimiert, so dass die Grenzfläche der beiden Medienströme weniger gestört wird. Fertigungstechnisch ist der Vorteil, dass beim Fräßen weniger Material weggenommen werden muss, was die Stabilität der Struktur selber erhöht und die Fertigungszeit minimiert.
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Eine Abwandlung der in 7 gezeigten Barriere sieht vor, dass an der seitlichen, in Längsrichtung y des Durchflusskanals verlaufenden Kante der Barriere ein überhöhter Rand angeordnet ist, der verhindert, dass die nichtmagnetischen Partikel, die nicht von der Barriere abgelenkt werden sondern über sie hinweglaufen, stromabwärts seitlich von der Barriere in die vertiefte Rinne „herunterrutschen“ und in die für diese Partikel unerwünschten Ableitung gelangen können.
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Eine andere Form der Barriere 62 ist in dem Ausschnitt gemäß 8 gezeigt. Diese Barriere 62 unterscheidet sich im Wesentlichen von der gemäß 7 dadurch, dass ihre stromabwärts gelegene Flanke 67 senkrecht zu den Kanalwänden 64, 65 verläuft. Auch die Barriere 62 bildet in Strömungsrichtung y im Vergleich zu den Varianten der 1, 3 und 5 noch ein ausgedehntes Plateau, jedoch nun nicht mehr bis zum Ende des Durchflusskanals 60. Aus fertigungstechnischer Sicht bietet diese Struktur im Vergleich zu der im Folgenden in Zusammenhang mit 9 diskutierten Variante Vorteile. Beispielsweise ist durch die in Strömungsrichtung breitere Struktur eine höhere mechanische Stabilität gewährleistet, was die Ausschussraten bei den Fertigungsschritten Fräsen und Entgraten zu verringern hilft.
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Die in 9 gezeigte Ausgestaltung des Durchflusskanals 70 unterscheidet sich von der der 8, abgesehen davon, dass hier eine erste Barriere 72 und eine zweiten Barriere 73 dargestellt sind, abermals in der Form der Barrieren. Beide Barriere 72, 73 kommen den Varianten aus den 1, 3 und 5 am nächsten und stellen im Prinzip deren praktisch mögliche Umsetzung dar. Die Barrieren 72, 73 weisen in Strömungsrichtung jeweils eine vordere und eine hintere Flanke 76 und 77 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Lediglich in der Nähe der jeweiligen Kanalwand 74 bzw. 75 haben die Barrieren 72, 73 jeweils eine in Strömungsrichtung ausgedehntere Wurzel. Dies ist fertigungstechnischen Gründen geschuldet. Der Vorteil der ansonsten in Strömungsrichtung sehr schmalen Barrieren ist, dass durch das geringere Gesamtvolumen der Barrieren im Vergleich zu 8 die Wechselwirkung mit dem Fluid minimiert wird, so dass die Grenzfläche der Medienströme weniger gestört wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist im Übrigen bei der Fertigung im Spritzguss zu finden, weil weniger Ausgangsmaterial verwendet werden muss.
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Grundsätzlich ist die Anordnung von Barrieren nicht auf die gezeigten Formen beschränkt. Beispielsweise kann es in Abhängigkeit von den Fluiden/Medien und der dem Grad der Magnetisierbarkeit der Partikel auch sinnvoll sein, zur Verbesserung der Trennleistung mehrere Führungsstrukturen gleicher Art hintereinander in dem Durchflusskanal anzuordnen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Substrat
- 12
- Durchflusskanal
- 14
- Kanalboden
- 16
- Abdeckfolie
- 18
- erste Zuleitung
- 20, 20'
- zweite Zuleitung
- 22
- erste Grenzfläche
- 24
- erste Kanalwand
- 26
- zweite Kanalwand
- 28
- erste Ableitung
- 30, 30'
- zweite Ableitung
- 32, 32'
- erste Barriere
- 34, 34'
- Magnetisierungsmittel
- 36
- magnetisch markierte Partikel
- 38
- unmagnetische Partikel
- 40, 40'
- zweite Barriere
- 42
- dritte Zuleitung
- 44
- zweite Grenzfläche
- 46
- dritte Ableitung
- 48
- Durchflusskanal
- 50
- Durchflusskanal
- 52
- Barriere
- 54
- erste Kanalwand
- 55
- zweite Kanalwand
- 56
- vordere Flanke
- 58
- erster Abfluss
- 59
- zweiter Abfluss
- 60
- Durchflusskanal
- 62
- Barriere
- 64
- Kanalwand
- 65
- Kanalwand
- 67
- hintere Flanke
- 70
- Durchflusskanal
- 72
- erste Barriere
- 73
- zweite Barriere
- 74
- Kanalwand
- 75
- Kanalwand
- 76
- vordere Flanke
- 77
- hintere Flanke
- b
- Maß, Überstand der Barriere
- B
- Breite des Durchflusskanals
- h
- Höhe der Barriere
- H
- Höhe des Durchflusskanals
- x
- zweite Richtung quer zur Strömungsrichtung
- y
- Strömungsrichtung, Längsrichtung des Durchflusskanals
- z
- erste Richtung quer zur Strömungsrichtung
- Δx
- Maß der Rückströmung in x-Richtung
- α, α'
- Anstellwinkel zwischen Barriere und Strömungsrichtung
