DE102016124097A1

DE102016124097A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis von Teilchen

Info

Publication number: DE102016124097A1
Application number: DE102016124097.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Bassler; Christian Sommer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: DE102016124097B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis von Teilchen. Die Vorrichtung weist einen Kanal, mit einem Kanalabschnitt, der einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat, auf. Durch den Kanal ist ein Fluid förderbar, wobei der Kanalabschnitt einen Kanalboden und eine Kanaldecke aufweist, die mit dem Abstand d voneinander entfernt angeordnet sind, so dass der Abstand d die Höhe des Kanalabschnitts bildet und mit einem optischen Detektionssystem. Um eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Nachweis von Teilchen zur Verfügung zu stellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Kanalabschnitt eine Breite b aufweist, die größer als die Höhe d ist und das optische Detektionssystem einen Flächendetektor und eine abbildende Optik aufweist, die derart ausgebildet ist, das sie eine Objektebene hat, die innerhalb des Kanalabschnittes liegt, die parallel zur Kanaldecke und/oder zum Kanalboden verläuft und auf den Flächendetektor abgebildet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Nachweis von Teilchen in einem Fluid.
Die Vorrichtung sieht einen Kanal mit einem Kanalabschnitt mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt vor, durch den ein Fluid förderbar ist. Der Kanalabschnitt weist einen Kanalboden und eine Kanaldecke auf, die mit dem Abstand d voneinander entfernt angeordnet sind, so dass der Abstand d die Höhe des Kanalabschnittes bildet. Des Weiteren hat die Vorrichtung ein optisches Detektionssystem.
Dementsprechend sieht das Verfahren vor, dass zum Nachweis von Teilchen die Teilchen in ein Fluid gegeben werden, das die Teilchen enthaltende Fluid durch einen Kanalabschnitt mit einer Höhe d geführt wird, und mit einem optischen Detektionssystem die Teilchen im Fluid detektiert werden.
Solch eine Vorrichtung bzw. solch ein Verfahren wird bspw. in Durchflusszytometern verwendet. In den meisten Durchflusszytometem werden Teilchen mittels optischer Detektionsmethoden nachgewiesen. Teilchen können bspw. biologische Zellen sein.
Eine bekannte Methode der optischen Detektion von Teilchen in der Durchflusszytometrie ist die bildgebende Methode, deren Prinzip auf dem wiederholten Fotografieren einer strömenden Teilchensuspension beruht. Die auf den fotografierten Bildern der strömenden Teilchensuspension zu sehenden Teilchen werden gezählt. Anhand der daraus gewonnenen Zählrate und dem Volumenstrom der Teilchensuspension wird auf die Teilchenkonzentration in der Teilchensuspension geschlossen. Selbstverständlich wird heute das Zählen der Teilchen auf den Bildern, sowie das Berechnen der Teilchenkonzentration von Softwarealgorithmen übernommen. Anhand der Bilder kann auch die Beschaffenheit, wie bspw. Größe und Form der Teilchen, untersucht werden.
Nachteilig bei der bildgebenden Methode ist, dass die Teilchen nur mit geringen Geschwindigkeiten strömen dürfen, da im Falle zu hoher Geschwindigkeiten ihre Konturen auf den Fotografien verwischt werden und bei zu starker Unschärfe der Teilchen auf den Fotografien die Softwarealgorithmen nicht mehr in der Lage sind, die Teilchen zu erkennen / zu zählen. Sie sind somit schlecht geeignet für das Untersuchen hoher Teilchensuspensionvolumina, da die Bearbeitungsszeit aufgrund der niedrig zu haltenden Strömungsgeschwindigkeiten der strömenden Teilchensuspension hoch ist.
In einer weiteren bekannten Ausführungsform wird eine Teilchensuspension durch einen Laserfokus geführt, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt sich immer nur ein Teilchen im Laserfokus befindet.
Die Teilchen sind mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert und senden beim Durchströmen des Laserfokus einen Fluoreszenzlichtblitz aus, der durch einen Detektor detektiert wird.
Damit sich immer nur ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt im Laserfokus befindet und somit ein Fluoreszenzlichtblitz zuverlässig auch nur einem Teilchen zugeordnet werden kann, sind Systeme entwickelt worden, mit denen die Position der Teilchen in der Strömung derart verändert werden kann, bevor sie in den Laserfokus eintreten, dass die Teilchen nacheinander durch den Laserfokus bewegt werden.
Die genannten Systeme nutzen beispielsweise die geometrische Struktur eines Kanals, der die Fluidströmung führt, aus, um mit Hilfe von hydrodynamischen Kräften des Fluides, die auf die Teilchen in der Fluidströmung wirken, eine beim Eintritt in einen Kanal zufällige Verteilung von Teilchen über die Kanalquerschnittsfläche zu beeinflussen, sodass die Verteilung der Teilchen über die Kanalquerschnittsfläche nach einer bestimmten Laufstrecke der Teilchen in der Strömung nicht mehr zufällig ist, sondern die Teilchen sich ausschließlich in bestimmten Bereichen der Querschnittsfläche bewegen.
Die US 8,186,913 beschreibt eine Mehrzahl solcher Systeme. Beispielsweise wird ein mäanderförmig geführter Kanal beschrieben, der dazu führt, dass die Teilchen am Ausgang des Kanals wie auf einer Perlenschnur in der Mitte des Kanals aufgereiht sind.
Des Weiteren wird in der US 8,186,913 die intrinsische Eigenschaft einer Strömung in einem geraden Kanal mit quadratischem Querschnitt beschrieben, wonach sich beim Durchströmen des Kanals mit einem Fluid ein Strömungsgeschwindigkeitsprofil derart ausbildet, dass die Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte des Kanals am größten ist und in Richtung der Kanalwände abnimmt. Dies hat wiederum zur Folge, dass Teilchen, die sich nahe der Wand des Kanals in der Strömung befinden, durch die hydrodynamischen Kräfte der Strömung, von der Wand weg quer zur Strömungsrichtung in Richtung Kanalmitte transportiert werden, während Teilchen, die sich nahe der Kanalmitte befinden, also im Bereich mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit, quer zur Strömungsrichtung von dieser weg, in Richtung Wand verschoben werden.
Aufgrund dieser entgegengesetzt wirkenden Kräfte werden die Teilchen in der Strömung eines geraden Kanals auf bestimmte Gleichgewichtspositionen verschoben. Nachdem die Teilchen nach einer Laufstrecke Δx diese Gleichgewichtspositionen erreicht haben, werden sie von der Strömung weiter transportiert, ohne dass sich ihre Position in der Strömung quer zur Strömungsrichtung verändert. Wenn daher im Folgenden von Gleichgewichtspositionen oder Gleichgewichtslagen die Rede ist, ist dies lediglich in Bezug auf eine Teilchenbewegung senkrecht zur Fluidströmungsrichtung gemeint, da sich die Teilchen selbstverständlich in Fluidströmungsrichtung bewegen.
In 1 ist bspw. der quadratische Querschnitt eines geraden Kanals, d.h. eines Kanals dessen Querschnitt und Verlauf sich über die Länge des Kanals nicht ändert, gezeigt. Dargestellt ist ein Schnitt quer durch den Kanal an einer Stelle, an der die Teilchen bereits mindestens die obengenannte Laufstrecke Δx durchlaufen haben. Der Fluidstrom verläuft daher senkrecht zur Papierebene der 1. In der Figur sind die Positionen von vier Gleichgewichtslagen 11, die in einer solchen Strömung existieren, markiert. Zusätzlich ist ein Koordinatensystem mit willkürlichen Längeneinheiten gezeigt.
Aufgrund der Form des Kanals wird somit erreicht, dass auch dann, wenn die Teilchen in dem Fluid zunächst gleichmäßig verteilt sind, es nach Durchlaufen einer bestimmten Laufstrecke zu einer Ansammlung aller Teilchen auf einer der vier Gleichgewichtstrajektorien kommt, so dass alle Teilchen sich entlang einer von vier Linien bewegen. Beispielsweise ist eine Gleichgewichtstrajektorie auf der Koordinate (0,5/0,2) angeordnet, was bedeutet, dass sich Teilchen auf dieser Trajektorie horizontal in der Mitte des Kanals und vertikal auf einer Höhe von 20% der Kanalhöhe befinden.
Der beschriebene Effekt, der auch Segré-Silberberg-Effekt genannt wird, bewirkt somit, dass die Teilchen in einer Fluidströmung allein aufgrund der hydrodynamischen Kräfte in einem Kanal auf vier Trajektorien, d.h. wie auf Perlenschnüren aufgereiht, geführt werden.
Wird nun der Laserfokus auf eine der Trajektorien gelegt, so dass die Partikel, die sich auf dieser Trajektorie bewegen, einzeln durch den Laserfokus treten, können diese Partikel detektiert werden. Allerdings wird hierdurch nur ein Viertel der Teilchen detektiert, da die anderen Gleichgewichtstrajektorien nicht durch den Laserfokus treten. Um die Gesamtzahl der Teilchen zu ermitteln, kann beispielsweise das detektierte Ergebnis mit Vier multipliziert werden. Alternativ können auch die Teilchen der anderen Gleichgewichtstrajektorien detektiert werden, was jedoch die Anzahl der notwendigen Detektoren vergrößert.
In der US 8,186,913 ist daher bereits vorgeschlagen worden, den Kanal nicht als geraden Kanal, sondern als mäanderförmigen oder spiralförmigen Kanal auszuführen. Durch eine geeignete Krümmung des Kanals und die damit verbundene Veränderung des Geschwindigkeitsprofils der Strömung kann die Teilchenpopulation auf bestimmten Gleichgewichtstrajektorien reduziert werden, in dem die Teilchen die Gleichgewichtstrajektorie wechseln. Dadurch kann erreicht werden, dass im Wesentlichen alle Teilchen sich nur noch auf einer Trajektorie befinden und dort detektiert werden können.
Das Problem an dieser Aufreihung der Partikel auf einer oder mehreren Trajektorien ist jedoch, dass der Durchsatz von Partikeln pro Zeit durch einen Laserfokus nur gering ist, da die Konzentration der Teilchen in der Teilchensuspension entsprechend gering gewählt werden muss, um sicherzustellen, dass immer nur ein Teilchen pro Detektorerfassung im Laserfokus ist. Darüber hinaus ist die Herstellung von gekrümmten Kanälen aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, das mit einfachen Mitteln die Erfassung einer großen Anzahl von Teilchen erlaubt.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem hinsichtlich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass der Kanalabschnitt eine Breite b aufweist, die größer als die Höhe d ist und das optische Detektionssystem einen Flächendetektor und eine abbildende Optik aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie eine Objektebene hat, die innerhalb des Kanalabschnittes liegt, die parallel zur Kanaldecke und/oder zum Kanalboden verläuft, und auf den Flächendetektor abgebildet werden kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass in Kanalabschnitten mit rechteckigen, aber nicht quadratischen Querschnitten sich ein Teil der vorherbeschriebenen Gleichgewichtstrajektorien zu Gleichgewichtsflächen verbreitern. Der Grund für die Verbreiterung in Gleichgewichtsflächen liegt darin, dass der Gradient des Strömungsprofils innerhalb eines solchen Kanalabschnitts groß ist entlang der Höhe d, aber klein entlang der Breite b. Die hydrodynamischen Kräfte hängen von dem Gradienten ab. Aufgrund des größeren Gradienten, werden Teilchen entlang der Höhe d innerhalb der Strömung wesentlich schneller verschoben als entlang der Breite b. Ab einem Aspektverhältnis von ε = d/b ≤ 0,5 treten Bereiche innerhalb des Kanalabschnitts auf, in denen der Gradient des Strömungsprofils entlang der Breite b verschwindet. Dementsprechend findet innerhalb eines solchen Bereichs keine Teilchenbewegung entlang der Breite b statt, da in diese Richtung keine hydrodynamischen Kräfte auf ein Teilchen wirken.
Die Verbreiterung der Gleichgewichtstrajektorien in Gleichgewichtsflächen ist schematisch in 2 dargestellt. Neben den Gleichgewichtslagen 11, wie sie bereits von dem quadratischen Kanalquerschnitt aus 1 bekannt sind, sind ausgedehnte Gleichgewichtsflächen 12 vorhanden. Mit anderen Worten konzentrieren sich die Teilchen sowohl auf den Gleichgewichtstrajektorien 11 als auch auf den Gleichgewichtsflächen 12. Je nach Aspektverhältnis des Kanalabschnittquerschnitts verteilen sich die Teilchen auf die Gleichgewichtstrajektorien 11 und die Gleichgewichtsfläche 12.
Die Teilchen reihen sich in rechteckigen, nichtquadratischen Abschnitten von Kanälen daher nicht nur wie auf Perlenschüren auf, sondern verteilen sich, wenn sie sich in den Gleichgewichtslagen 12 befinden über zwei Flächen deren Breite von der Breite b des rechteckigen Querschnittes abhängt und die parallel jeweils zum Kanalboden 13 oder zur Kanaldecke 14 verlaufen. Die Definition von Kanalboden oder-decke hängt im Folgenden nicht ab von der relativen Ausrichtung zum Erdboden, sondern es werden als Kanalboden oder -decke die zwei gegenüberliegenden Flächen bezeichnet. Selbstverständlich kann die Vorrichtung gedreht werden, so dass der Boden oben oder seitlich angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der Kanalabschnitt rechteckig ausgebildet. Fertigungstechnisch ist es allerdings nicht immer möglich, Kanalabschnitte mit exakt rechteckigen Querschnitten zu fertigen. So kann es zum Beispiel sein, dass Kanalboden und Kanaldecke nicht parallel zueinander verlaufen, oder dass Kanalboden und -decke leicht gewölbt sind. Die erfindungsgemäße Wirkung wird jedoch bei kleinen Abweichungen dennoch im Wesentlichen erreicht, solange der Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist.
Die sich innerhalb einer Gleichgewichtsfläche 12 bewegenden Teilchen können mit Hilfe eines Flächendetektors und der zugeordneten abbildenden Optik erfasst werden.
Die abbildende Optik, z.B. ein Objektiv, ist dabei derart angeordnet, dass die Bildebene in der Detektorebene und die Objektebene im Kanalabschnitt und zwar parallel zum Kanalboden und/oder zur Kanaldecke liegen. Die Objektebene der abbildenden Optik ist die Ebene, aus der Teilchen, die sich in ihr befinden, scharf in die Bildebene abgebildet werden. Für die Erfassung muss dann die Objektebene in einer Gleichgewichtsfläche liegen, so dass die Objektebene in einer der Flächen liegt, durch die die Teilchen strömen und somit die Teilchen detektiert werden können.
Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Konzentration der Teilchen auf die Gleichgewichtslagen und -flächen erst allmählich, nachdem die Teilchensuspension eine gewisse Wegstrecke, nämlich die Laufstrecke Δx durchströmt hat, erfolgt. Daher muss die Objektebene, die auf den Flächendetektor abgebildet wird, vom stromaufwärtigen Kanalende um mindestens diese Laufstrecke beabstandet sein.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit auch große Teilchenanzahlen erfasst werden.
Allerdings werden nur diejenigen Teilchen erfasst, die sich in der abgebildeten Gleichgewichtsfläche befinden. Die Teilchen, die sich in der anderen Gleichgewichtsfläche oder den Gleichgewichtstrajektorien befinden, werden nicht erfasst.
Um den Anteil derjenigen Teilchen, die sich in den Gleichgewichtstrajektorien befinden zu reduzieren, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Aspektverhältnis ε = d/b ≤ 0,5 ist, vorzugsweise ε = d/b ≤ 0,1 ist und besonders bevorzugt ε ≤ 0,05 ist.
Durch solche Aspektverhältnisse werden die Gleichgewichtsflächen breiter und können im Verhältnis zu den Gleichgewichtstrajektorien eine größere Anzahl von Teilchen aufnehmen. Des Weiteren ist in Kanälen mit solchen Verhältnissen der Gradient des Strömungsgeschwindigkeitsprofils besonders groß, so dass die hydrodynamischen Kräfte groß sind und die Teilchen somit schneller in die Gleichgewichtsflächen transportiert werden, was die Laufstrecke reduziert. Daher kann auch die Kanallänge reduziert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere optische Detektionssysteme bestehend jeweils aus einem Flächendetektor und einer entsprechenden abbildenden Optik vorgesehen, so dass mehrere Objektebenen vorhanden sind. Diese Objektebenen können auf die beiden Gleichgewichtsflächen verteilt sein. So können sie beispielsweise übereinander angeordnet sein. Alternativ können sie aber auch nur in einer der beiden Gleichgewichtsflächen in Strömungsrichtung hintereinander oder neben einander angeordnet sein. Sowohl eine überlappende Anordnung der Objektebenen als auch eine beabstandete Anordnung ist denkbar. In jedem Fall wird die Erfassungsfläche, d.h. die Fläche innerhalb derer Teilchen erfasst werden können, vergrößert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Detektionssystem zumindest zwei abbildende Optiken und damit zwei Objektebenen aufweist, wobei die beiden Objektebenen im Kanalabschnitt liegen und parallel zum Kanalboden und/oder der Kanaldecke angeordnet sind. Dabei sind die beiden abbildenden Optiken über einen Strahlteiler, wie z. B. einen dichroitischen Spiegel, mit dem Flächendetektor verbunden.
Dadurch werden zwei Objektebenen auf einer Detektorfläche abgebildet und so die Kosten für einen zweiten Detektor eingespart.
Aufgrund der hydrodynamischen Kräfte, die auf die Teilchen wirken, kommt es zu einer Rotation der Teilchen, die sich in der Gleichgewichtsfläche befinden. Werden nun zwei Objektebenen verwendet, die nacheinander angeordnet sind, so kann das Teilchen mehrfach detektiert werden und bei dieser Detektion aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden. Dies ist insbesondere für die Differenzierung, die Klassifizierung oder auch die Bestimmung von Teilchen von Vorteil. Teilchen, die aus einer Perspektive ähnlich zu anderen Teilchen sind, können sich aus einer anderen Perspektive von diesen Teilchen deutlich unterscheiden. Durch die Detektion der Teilchen aus mehreren Perspektiven wird eine bessere Abgrenzung der Teilchen untereinander möglich, sodass verschiedene Teilchenpopulationen voneinander präzise unterschieden werden können, was besonders wichtig für die Differenzierung, die Klassifizierung oder auch die Bestimmung von Zellen von Vorteil ist.
Des Weiteren dient der Einsatz mehrerer Objektebenen der Fehlerreduktion, indem die Ergebnisse der Mehrfachdetektion untereinander verglichen bzw. abgeglichen werden können und so falsche Detektionsereignisse aussortiert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kanalboden und/oder die Kanaldecke eine Öffnung zur Zuführung eines Fluides in den Kanalabschnitt aufweist. Dabei kann die Öffnung rund ausgebildet sein.
Das über die Öffnung in den Kanalabschnitt eingebrachte Fluid kann Teilchen enthalten oder nicht. Mit beiden Betriebsarten dieser Anordnung können die Teilchen gezielt in nur eine der beiden Gleichgewichtsflächen eingebracht werden.
Wird eine entsprechend konzentrierte Teilchensuspension durch die Öffnung dem Kanalabschnitt zugeführt, so besteht die Strömung im Kanalabschnitt im weiteren Strömungsverlauf aus zwei aneinander anliegenden Schichten, wobei die eine Schicht Teilchen führt, die andere nicht. Gleiches gilt, wenn zu einer entsprechend konzentrierten Teilchensuspensionsströmung durch die Öffnung ein Fluid ohne Teilchen dem Kanalabschnitt zugeführt wird, mit dem Unterschied, dass bei dieser Betriebsart die Teilchen in der anderen Schicht geführt werden, als bei der vorherigen Betriebsart.
Das Verhältnis der Schichtdicken zueinander ist proportional zu dem Verhältnis der Flussraten der Teilchensuspension und des Fluids, das keine Teilchen enthält. So kann die Schichtdicke der Strömung, die Teilchen enthält, derart eingestellt werden, dass sich die Teilchen beim Durchströmen des Kanalabschnitts nur hydrodynamischen Kräften ausgesetzt sehen, welche sie in eine der beiden Gleichgewichtsflächen transportiert. Die Schichtdicke kann über das Einstellen des Verhältnisses der Flussraten so gewählt werden, dass sie sich auf der Querschnittsfläche des Kanals gesehen über den Einzugsbereich einer Gleichgewichtsfläche erstreckt.
Eine runde Öffnung hat den Vorteil, dass sie einfacher herstellbar ist, als andere Formen wie z.B. eine rechteckige Öffnung, da sie bspw. gebohrt werden kann. Auch ist eine runde Öffnung vorteilhaft hinsichtlich der Kompatibilität mit standardisierten Anschlüssen, da diese zumeist ebenfalls runde Querschnitte aufweisen. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Verteilung der zuzuführenden Teilchensuspension nach der Zuführung in den Kanal über den Querschnitt des Kanals nicht, oder nur geringfügig nachteilig gegenüber anderen Verteilungen ist, die mit anderen Formen der Öffnung erreicht werden können.
Mit Vorteil hat die Öffnung eine Breite senkrecht zur Strömungsrichtung, die kleiner als die Breite des Kanalabschnittes ist.
Wählt man die Breite senkrecht zur Strömungsrichtung kleiner als die Breite des Kanalabschnitts, so besteht die Möglichkeit, die Teilchen nur in einen Teil der Gleichgewichtsfläche einzubringen. Dies ist besonders dann von Interesse, wenn die Breite der Objektebene kleiner ist als die Breite der Gleichgewichtsfläche und vermieden werden muss, das Teilchen an der Objektebene vorbeiströmen und deshalb nicht detektiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abschnitt des Kanals eine Länge L aufweist und die Höhe d im Wesentlichen konstant über L ist.
Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine wesentlich einfachere Fertigung des Kanals.
Der Flächendetektor kann beliebig aufgebaut sein. Er muss lediglich in der Lage sein, ein Abbild einer zweidimensionalen Fläche, die mittels der abbildenden Optik auf diesem abgebildet wird, aufzunehmen bzw. zu detektieren.
Der Flächendetektor kann aus einer Vielzahl von einzelnen Detektoren bestehen. Besonders bevorzugt weist der Flächendetektor einen CCD Sensor oder einen CMOS Sensor auf.
Dadurch ist das optische Detektionssystem in der Lage die Objektebene zu fotografieren und die Teilchen können bspw. mit Hilfe von Softwareroutinen anhand ihrer inneren Struktur identifiziert werden. Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist die Detektion der Teilchen unter verschiedenen Perspektiven aufgrund der Rotation der Teilchen in der Gleichgewichtsfläche von Vorteil, da so Strukturen innerhalb von Teilchen erkannt werden können, die aus einer anderen Perspektive verdeckt waren.
In einerweiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Höhe d Werte im Bereich zwischen 0,1µm und 1000µm annimmt.
Dadurch kann die erfindungsmäße Ausführungsform im Bereich der Mikrotechnik und insbesondere in mikrofluidischen Chips verwendet werden.
Mikrofluidische Chips werden bspw. aus Plastik oder Glas gefertigt, selten auch aus Metall. In solche Chips sind Kanäle eingebracht, wobei die Kanäle gefräst, gebohrt, gestanzt oder auch geprägt sind. Die Größenordnung der Kanalstrukturen liegt im Bereich von einigen Millimetern bis hinunter zu wenigen Mikrometern, teilweise sogar im Nanometerbereich. Der Einsatz lohnt insbesondere daher, weil diese mikrofluidischen Chips als Einwegteile verwendbar sind, sodass diese nach einem Einsatz weggeworfen werden. Dies ist für die klinische Diagnostik von Vorteil, da auf diese Art sterile Kanäle für jede einzelne Anwendung bzw. Untersuchung zur Verfügung stehen. Des Weiteren muss kein aufwendiges Reinigungssystem für die Vorrichtung vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an den Kanal zumindest ein weiterer Kanal angeschlossen ist, wobei durch den/die weiteren Kanal/Kanäle ein weiteres Fluid zusätzlich in den Kanal förderbar ist, wobei der Anschluss des/der weiteren Kanal/Kanäle am Kanal stromaufwärts vor dem Beginn des Kanalabschnitts angeordnet ist.
Mit Hilfe von einem weiteren Kanal, der am Kanal stromaufwärts vor dem Kanalabschnitt angeschlossen ist, kann ein Fluid an der Anschlussstelle zu dem Fluid, dass im Kanal strömt zugeführt werden und beide Fluide bilden anschließend eine in zwei Schichten aufgeteilte Strömung im Kanal, wie weiter oben bereits ausgeführt. Mit mehreren an den Kanal angeschlossenen, weiteren Kanälen, können mehrere Fluide zugeführt werden, so dass die Strömung aus mehreren Schichten besteht.
Die Schichtdicke jeder Schicht hängt ab von den Flussraten der einzelnen, zugeführten Fluide und der Flussrate des Fluids im Kanal. So kann mit der Wahl der Flussraten eingestellt werden, durch welchen Bereich des Kanals und somit auch des Kanalabschnitts welches Fluid strömt. Es kann auch eingestellt werden, ob ein Fluid überhaupt durch den Kanalabschnitt strömt oder am Kanalabschnitt vorbei. Diese in Schichten aufgeteilte Strömung kann als ein Fluid aufgefasst werden.
Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei weitere Kanäle an den Kanal angeschlossen sind, wobei die Anschlüsse der beiden weiteren Kanäle Öffnungen in der Kanalwand des Kanals aufweisen, wobei die Öffnungen in der Kanalwand einander gegenüber liegend angeordnet sind.
Mit Hilfe dieser Anordnung kann man sich den Effekt der hydrodynamischen Fokussierung zu Nutze machen. Dabei wird die zu untersuchende Teilchensuspension durch den Kanal geführt. Die beiden weiteren Kanäle werden dafür genutzt, um Fluid ohne Teilchen dem Kanal zuzuführen. Da die Öffnungen der Anschlüsse einander gegenüberliegend auf der Kanalwand des Kanals angeordnet sind, wird die Strömung derTeilchensuspension zwischen den Strömungen des zugeführten Fluids „eingehüllt“.und über das Verhältnis der Flussraten der drei Strömungen zueinander kann unter anderem die Dicke der zwischen den beiden Fluidströmungen gelegenen Schicht der Strömung der Teilchensuspension eingestellt werden. Verjüngt sich die Schicht der Teilchensuspension an der Anschlussstelle, so spricht man von hydrodynamischer Fokussierung und die außen liegenden Fluidströmungen werden Hüllströme genannt.
Werden die Flussraten der beiden Hüllströme unterschiedlich zueinander gewählt, so kann die Strömung der Teilchensuspension quer zur Strömungsrichtung verschoben werden.
Mit Hilfe dieser Anordnung kann die Strömung der Teilchensuspension durch einen bestimmten Teil des Kanalabschnitts geleitet werden.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die zu detektierenden Teilchen in ein Fluid zur Bildung einer Teilchensuspension eingebracht werden und die Teilchensuspension durch den Kanalabschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung geführt und Teilchen in der Objektebene der abbildenden Optik detektiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Teilchen bzw. die Teilchensuspension in einen Bereich des Kanalabschnittes nahe der Kanaldecke oder dem Kanalboden zugeführt werden, wobei sich der Zuführungsbereich von der Kanaldecke oder dem Kanalboden um maximal 30% und vorzugsweise um maximal 25% der Höhe d in Richtung Kanalmitte erstreckt. Besonders bevorzugt erfolgt die Zuführung in einem Abstand von der Kanaldecke oder dem Kanalboden zwischen 18 und 25% der Höhe d.
Dieser Maßnahme liegt die Beobachtung zugrunde, dass Teilchen, die sich in der Nähe der Kanaldecke oder dem Kanalboden befinden sehr viel schneller die Gleichgewichtsfläche erreichen als Teilchen, die sich in der Nähe der Kanalmitte befinden. Durch die erfindungsgemäße Zuführung kann somit die Laufstrecke und damit die Kanallänge reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, dass im Abschnitt des Kanals eine mittleren Geschwindigkeit v der Strömung des Fluids eingestellt wird, so dass die Kanal -Reynoldszahl $R e = \frac{(ρ \cdot \bar{v} \cdot d_{h y d})}{μ}$
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt und vorzugsweise Werte zwischen 1 und 250, wobei d_hyd der hydraulische Durchmesser des Kanals ist, ρ die mittlere Dichte und µ die mittlere Viskosität der Fluide.
Die untere Grenze der Kanalreynoldszahl bei 0,1, bzw. bei 1 markiert die Grenze, bei der das Strömungsprofil stark genug ist, in fertigbaren Kanallängen einen Transport der Teilchen in die Gleichgewichtsfläche zu ermöglichen.
Die obere Grenze bei einer Kanalreynoldszahl von 500 bzw. 250 ist die Grenze, bei der sich die Positionen auf dem Querschnitt der Gleichgewichtslagen ändern und zusätzlich Turbulenzen am der Strömung um das Teilchen auftreten können. Daher sind größere Werte für das erfindungsgemäße Verfahren zu vermeiden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Verfahrens und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

1 quadratischer Querschnitt eines Kanals
2 Querschnitt eines rechteckigen Kanals
3
1. a) eine Aufsicht auf einen mikrofluidischen Chip
2. b) einen ersten Schnitt A durch den mikrofluidischen Chip von 1 a)
3. c) einen zweiten Schnitt A durch den mikrofluidischen Chip von 1 a)

In 3 a) ist eine Aufsicht auf einen mikrofluidischen Chip 1 gezeigt. Dieser Chip wird aus einem transparenten Material wie Plastik oder Glas gefertigt. Der mikrofluidische Chip 1 hat einen Zulauf 2, durch den ein Fluid in den Kanal 3 eingebracht werden kann. Durch den Zulauf 4 kann eine Suspension mit Teilchen dem Kanal 3 zugeführt werden. Das Fluid und die Suspension strömen innerhalb des Kanals 3 in Richtung Ablauf 5, durch den sie den mikrofluidischen Chip verlassen. Die beiden Zuläufe sind um einen Abstand I voneinander beanstandet.
Nach der Zuführung der Teilchen in den Kanal 3 sind diese der Strömung für eine Strecke Δx ausgesetzt, bevor sie in den Messabschnitt 6 des Kanals eintreten in dem ein oder mehrere Objektebenen von Kamerasystemen (nicht gezeigt) mit abbildenden Optiken hintereinander entlang des Kanals 3 angeordnet sind. Der Messabschnitt hat die Länge ΔM.
Das Fluid bzw. die Suspension wird in die jeweiligen Zuläufe von Spritzenpumpen gefördert, mit denen sich die Flussrate der Suspension bzw. des Fluids einstellen lässt.
Anstatt eines Ablaufs wäre auch ein Auffangreservoir innerhalb des Chips möglich, so dass weder das Fluid noch die Suspension den mikrofluidischen Chip wieder verlässt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine geringstmögliche Kontamination des den Chip aufnehmenden Geräts erwünscht ist. Da ein mikrofluidischer Chip als Einwegteil verwendet werden kann, werden die aufgefangenen Reste zusammen mit dem Chip entsorgt.
3 b) zeigt einen Schnitt entlang der Schnittmarkierung aus 3 a). Man sieht, dass der Zulauf 2 und der Ablauf 5 in die entgegengesetzte Richtung von dem Zulauf 4 der Suspension zeigen.
Das Verhältnis zwischen der Flussrate des Fluids und der Flussrate der Suspension wird mit Hilfe der Spritzenpumpen derart eingestellt, das die Suspension nach der Zuführung durch den Zulauf 4 in den Kanal 3 eine Strömungsschicht in dem Kanal bildet, die an der Kanalwand anliegt, die von dem Zulauf 4 unterbrochen. Die Höhe dieser Schicht beträgt maximal eine Höhe von 30% der Gesamthöhe des Kanals in der Schnittzeichnung von 3 b).
3 b) ist eine mögliche Ausführungsform des Chips, jedoch ist die in der Schnittzeichnung von 3 c) gezeigte Ausführungsform, bei der alle Zu- und Abläufe auf der gleichen Seite des Chips angeordnet sind, von Vorteil, da somit die den Zu- und Abläufen gegenüberliegende Fläche frei ist und Platz bietet für die Optiken und Halteelemente des Kamerasystems. Insbesondere können die Optiken des Kamerasystems näher zu dem Messabschnitt gebracht werden, wodurch mehr Licht aus dem Messabschnitt 6 von den Optiken gesammelt werden, da diese so einen größeren Raumwinkel abdecken.
In 2 ist ein Querschnitt durch den Kanal aus 2 nach der Strecke Δx nach dem Zulauf 4 gezeigt. s ist wieder die Position entlang der Höhe des Kanals, b ist die Position entlang der Breite des Kanals. Mögliche Gleichgewichtslagen in der Strömung sind die beiden Gleichgewichtslagen 11, die mit einem Kreis markiert sind. Aufgrund des rechteckigen Querschnitts, bilden viele Gleichgewichtslagen entlang der Breite b Gleichgewichtsflächen 12. Durch die Vorrichtung von 2 werden die Teilchen nur in eine der Gleichgewichtsflächen 12 transportiert. Die Teilchen bilden nach der Strecke Δx förmlich einen Teppich entlang der Messstrecke ΔM.
Deckungsgleich mit diesem Teilchenteppich werden die einzelnen Objektebenen der Kamerasysteme hintereinander entlang ΔM angeordnet. Je nach Anzahl der benötigten Objektebenen wird die Messstrecke ΔM verlängert.
Innerhalb der Gleichgewichtsflächen 12 rotieren die Teilchen, so dass sie in den verschiedenen Objektebenen von verschiedenen Seiten betrachtet, detektiert oder auch fotografiert werden können.
Bezugszeichenliste

1: mikrofluidischer Chip
2: Zulauf
3: Kanal
4: Zulauf
5: Ablauf
6: Messbereich
11: Gleichgewichtslage
12: Gleichgewichtsfläche
13: Kanalboden
14: Kanaldecke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8186913 [0011, 0012, 0018]

Claims

Vorrichtung zum Nachweis von Teilchen mit einem Kanal mit einem Kanalabschnitt, der einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und durch den ein Fluid förderbar ist, wobei der Kanalabschnitt einen Kanalboden und eine Kanaldecke aufweist, die mit dem Abstand d voneinander entfernt angeordnet sind, so dass der Abstand d die Höhe des Kanalabschnitts bildet und mit einem optischen Detektionssystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt eine Breite b aufweist, die größer als die Höhe d ist und das optische Detektionssystem einen Flächendetektor und eine abbildende Optik aufweist, die derart ausgebildet ist, das sie eine Objektebene hat, die innerhalb des Kanalabschnittes liegt, die parallel zur Kanaldecke und/oder zum Kanalboden verläuft und auf den Flächendetektor abgebildet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis ε = d/b ≤ 0,5 ist, vorzugsweise ε = d/b ≤ 0,1 ist und besonders bevorzugt ε ≤ 0,05 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere optische Detektionssysteme bestehend jeweils aus einem Flächendetektor und einer entsprechenden abbildenden Optik vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der oberen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die optische/n Detektionssystem/e zumindest zwei abbildende Optiken und damit zwei Objektebenen aufweist/aufweisen, wobei die beiden Objektebenen im Kanalabschnitt liegen und parallel zum Kanalboden und/oder der Kanaldecke angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der oberen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalboden und/oder die Kanaldecke eine Öffnung zur Zuführung eines Fluides in den Kanalabschnitt aufweist, welche vorzugsweise im Wesentlichen rund ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung eine Breite senkrecht zur Strömungsrichtung hat, die kleiner als die Breite des Kanalabschnittes ist.
Vorrichtung nach einem der oberen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt eine Länge L aufweist und die Höhe d im Wesentlichen konstant über L ist.
Vorrichtung nach einem der oberen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächendetektor einen CCD Sensor oder einen CMOS Sensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der oberen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe d Werte im Bereich zwischen 0,1µm und 1000µm annimmt.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kanal zumindest ein weiterer Kanal angeschlossen ist, wobei durch den/die weiteren Kanal/Kanäle ein Fluid in den Kanal förderbar ist, wobei der Anschluss des/der weiteren Kanal/Kanäle am Kanal stromaufwärts vor dem Beginn des Kanalabschnitts angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Kanäle an den Kanal angeschlossen sind, wobei die Anschlüsse der beiden weiteren Kanäle Öffnungen in der Kanalwand des Kanals aufweisen, wobei die Öffnungen in der Kanalwand einander gegenüber liegend angeordnet sind.
Verfahren zum Nachweis von Teilchen, wobei die Teilchen in ein Fluid gegeben werden, das die Teilchen enthaltende Fluid durch einen Kanalabschnitt mit einer Höhe d geführt wird, und mit einem optischen Detektionssystem die Teilchen im Fluid detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierenden Teilchen in ein Fluid zur Bildung einer Teilchensuspension eingebracht werden und die Teilchensuspension durch den Kanalabschnitt einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 geführt und Teilchen in der Objektebene der abbildenden Optik detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen in einen Bereich des Kanalabschnittes nahe der Kanaldecke oder dem Kanalboden zugeführt werden, wobei sich der Zuführungsbereich von der Kanaldecke oder dem Kanalboden um maximal 30% und vorzugsweise um maximal 25% der Höhe d in Richtung Kanalmitte erstreckt, besonders bevorzugt erfolgt die Zuführung in einem Abstand von der Kanaldecke oder dem Kanalboden zwischen 18 und 25% der Höhe d.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Kanalabschnitt eine mittleren Geschwindigkeit v der Strömung des Fluids eingestellt wird, so dass die Kanal -Reynoldszahl $R e = \frac{(ρ \cdot \bar{v} \cdot d_{h y d})}{μ}$
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt und vorzugsweise Werte zwischen 1 und 250, wobei d_hyd der hydraulische Durchmesser des Kanals ist, ρ die mittlere Dichte und µ die mittlere Viskosität der Fluide.