DE102019122981A1

DE102019122981A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung

Info

Publication number: DE102019122981A1
Application number: DE102019122981.2A
Authority: DE
Inventors: Raphael Wittkowski
Original assignee: Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Current assignee: Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung, umfassend zumindest einen Einlass (2), wobei der Einlass (2) derart eingerichtet ist, Partikel in eine Kammer (3) einzuleiten, eine Kammer (3) mit einer Haupterstreckungsachse (6) und einem Innenraum (7), wobei der Innenraum (7) einen Volumenraum zum Bewegen der Partikel bildet, eine Bestrahlungseinrichtung (8), wobei die Bestrahlungseinrichtung (8) sich zumindest teilweise über den Umfang der Kammer (3) erstreckt und derart eingerichtet ist, die Kammer (3) geeignet zu bestrahlen, um die Partikel Strahlungskräften auszusetzen, welche von der Ausprägung von Asymmetrien in den strahlungsbezogenen (z.B. optischen) Eigenschaften der Partikel abhängen und die asymmetrischen Partikel winklig zur Haupterstreckungsachse (6) der Kammer (3) bewegen, und zumindest einen Auslass (10, 11) für die sich herausbewegenden Partikel. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung der Vorrichtung in einem mikrofluidischen Chip. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung.
Die Trennung und Sortierung von Partikeln ist eine wichtige Tätigkeit in vielen Anwendungen einschließlich der Analytik, Aufbereitung und Qualitätssicherung in den Bereichen Chemie, Pharmazie, Medizin, Biologie und Lebensmitteltechnologie. Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von unterschiedlichen Verfahren bekannt, die es ermöglichen, Partikel im Hinblick auf bestimmte Eigenschaften zu unterscheiden und zu sortieren.
Viele Verfahren beinhalten dabei eine Datenverarbeitung. Dies betrifft auch die verbreitete Durchflusszytometrie. Hier werden die Partikel, die sich in einer Flüssigkeit befinden, durch einen mikrofluidischen Kanal geleitet und nacheinander einzeln untersucht. Sie werden beispielsweise mit unterschiedlichen Lasern beleuchtet und es werden das transmittierte Licht, das Streulicht, eventuelles Fluoreszenzlicht etc. detektiert. Des Weiteren können von allen Partikeln Mikroskopaufnahmen erfasst werden. Die gesammelten Daten werden verarbeitet, um die Partikel zu klassifizieren. Anschließend werden die Partikel an einer Verzweigung des Kanals mit Hilfe von Aktuatoren, elektrischen Feldern, optischen Pinzetten o.Ä. in Abhängigkeit von dem Auswertungsergebnis in einen von mehreren abzweigenden Kanälen geleitet. Solche Verfahren können durch die genaue Untersuchung der Partikel viele ihrer optischen Eigenschaften berücksichtigen, aber sie sind sehr aufwändig und die entsprechenden Geräte sind kompliziert und sowohl in der Anschaffung als auch in Betrieb und Wartung sehr teuer. Da die Partikel nacheinander einzeln untersucht, einer Klasse zugeordnet und entsprechend einsortiert werden müssen, sind diese Verfahren zudem relativ langsam und wenig effizient. Außerdem können sie leichte Asymmetrien in den optischen Eigenschaften der Partikel nur sehr schwer identifizieren und quantifizieren, da die Partikel klein sind und sich i.d.R. mit einer zufälligen Orientierung durch die Messzelle bewegen.
Aus dem Stand der Technik sind des Weiteren Verfahren bekannt, die Magnetfelder einsetzen, um magnetische von nicht magnetischen Partikeln zu trennen. Diese Verfahren können jedoch nur die magnetischen, aber nicht die optischen Eigenschaften der Partikel unterscheiden.
Weiterhin gibt es Verfahren, die elektrische Felder einsetzen, um die Partikel zu unterscheiden und zu sortieren. Aus dem Dokument US 2017304824 A1 ist eine biologische Sortiervorrichtung bekannt, die einen Chip für lichtinduzierte Dielektrophorese, eine unterstützende Plattform, eine Einspritzeinheit und ein Projektionsmodul umfasst. Der Chip ist dabei so konfiguriert, dass bei geeigneter Beleuchtung ein internes elektrisches Feld erzeugt wird, um Mikropartikel in einem Fluid durch Dielektrophorese zu sortieren. Die Tragplattform besitzt eine Öffnung und wird verwendet, um den Chip darauf zu tragen. Die Einspritzeinheit ist konfiguriert, um das Fluid in den Chip zu injizieren. Das Projektionsmodul ist unterhalb der Tragplattform angeordnet und derart konfiguriert, durch die Öffnung der Tragplattform ein Lichtmuster auf einen Projektionsbereich des Chips zu projizieren, das für das dielektrophoretische Sortieren der Mikropartikel geeignet ist. Dadurch können jedoch nur die elektrischen Eigenschaften wie Ladung und Polarisation der Partikel, nicht aber ihre optischen Eigenschaften, unterschieden werden.
Aus dem Dokument DE 3218487 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Sortieren von Teilchen verschiedenen Durchmessers bekannt, wobei die Teilchen verschiedenen Durchmessers in einer Flüssigkeit, die sich in einem stehenden, intensitätsmodulierten Ultraschallfeld mit mehreren Knotenebenen befindet, sortiert werden. Die Teilchentrennung wird durch Überlagerung akustischer Kräfte und der Sedimentation unter dem Einfluss einer statischen Beschleunigung bewirkt. Hier erfolgt die Unterscheidung der Partikel auf der Grundlage ihrer akustischen Eigenschaften. Für eine Kontrolle, Unterscheidung, Separation oder Sortierung der Partikel anhand ihrer optischen Eigenschaften sind solche Verfahren dagegen ungeeignet.
Aus dem Dokument WO 2010063478 A4 sind eine Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln sowie ein entsprechendes Verfahren bekannt. Die Sortiervorrichtung umfasst eine miniaturisierte Durchflusszelle mit einem Kanal, der im Betrieb laminar von einer die zu sortierenden Partikel enthaltenden Probenlösung durchströmt wird. Weiterhin ist mindestens eine optische Detektionseinheit zum Bestimmen der geometrischen Position und optischen Klassifizieren der zu sortierenden Partikel vorgesehen. Eine über einen Spiegel oder einen akusto-optischen Deflektor auslenkbare optische Pinzette ist zum sequentiellen Sortieren der klassifizierten Partikel durch gezieltes Bewegen des Partikels aus der detektierten Position in eine vorbestimmte Zielposition in dem laminaren Probenlösungsstrom vorgesehen.
Des Weiteren gibt es rein hydrodynamische Separationsverfahren. Diese basieren darauf, dass sich unterschiedlich große oder unterschiedlich geformte Partikel, die in einer Flüssigkeit dispergiert sind, bei der Strömung durch geeignet gestaltete mikrofluidische Kanäle entlang anderer Wege bewegen. Jedoch sind auch diese Verfahren für eine Kontrolle, Unterscheidung, Separation oder Sortierung der Partikel anhand ihrer optischen Eigenschaften ungeeignet.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung anzugeben, wobei Partikel, die hinsichtlich ihrer strahlungsbezogenen (z.B. optischen) Eigenschaften symmetrisch sind, von Partikeln, die hinsichtlich ihrer strahlungsbezogenen Eigenschaften eine Asymmetrie aufweisen, unterschieden werden können. Des Weiteren sollen Partikel mit einer Asymmetrie in den strahlungsbezogenen Eigenschaften von anderen Partikeln, bei denen die Asymmetrie schwächer oder stärker ausgeprägt ist, unterschieden werden können. Außerdem soll die Erfindung für die Kontrolle, Unterscheidung, Separation und Sortierung der Partikel ein einfaches, effizientes und kostengünstiges Verfahren bereitstellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist somit eine Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung angegeben, umfassend zumindest einen Einlass, wobei der Einlass derart eingerichtet ist, Partikel in eine Kammer einzuleiten, eine Kammer mit einer Haupterstreckungsachse und einem Innenraum, wobei der Innenraum einen Volumenraum zum Bewegen der Partikel bildet, eine Bestrahlungseinrichtung, wobei die Bestrahlungseinrichtung sich zumindest teilweise über den Umfang der Kammer erstreckt und derart eingerichtet ist, die Kammer geeignet zu bestrahlen, um die Partikel Strahlungskräften auszusetzen, welche von einer Ausprägung von Asymmetrien in den strahlungsbezogenen (z.B. optischen) Eigenschaften der Partikel abhängen und derart geeignet sind, die asymmetrischen Partikel winklig zur Haupterstreckungsachse der Kammer zu bewegen, und zumindest einen Auslass für die sich herausbewegenden Partikel.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung mit einer zuvor genannten Vorrichtung angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einleiten beweglicher Partikel in einen Innenraum einer Kammer über einen Einlass, wobei sich die Partikel in der Ausprägung von Asymmetrien hinsichtlich ihrer strahlungsbezogenen Eigenschaften unterscheiden, Bestrahlung des Innenraums der Kammer mittels einer Bestrahlungseinrichtung, wobei die Bestrahlung geeignet erfolgt, sodass die Partikel Strahlungskräften ausgesetzt werden, die die asymmetrischen Partikel winklig zur Haupterstreckungsachse der Kammer bewegen, wobei die Bewegung der Partikel von der Ausprägung ihrer Asymmetrien abhängt, Bereitstellen zumindest eines Auslasses für die sich aus der Kammer herausbewegenden Partikel, Sortierung der Partikel nach der Ausprägung ihrer Asymmetrien.
Weiterhin ist erfindungsgemäß die Verwendung der Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung in einem mikrofluidischen Chip angegeben. Mittels mikrofluidischer Chips oder mikrofluidischer Lab-on-a-chip-Anwendungen können verschiedene Aufgaben effektiver, besser und schneller gelöst werden. Außerdem können die Chips gezielt für entsprechende Aufgaben beispielsweise in der In-vitro-Diagnostik eingesetzt werden.
Eine „geeignete Bestrahlung“ im Sinne dieser Erfindung ist dadurch charakterisiert, dass die Bestrahlung weder einseitigen Strahlungsdruck noch Gradientenkräfte auf die Partikel ausübt, sodass bei dieser Art von Bestrahlung effektive Strahlungskräfte, die die Partikel in Bewegung versetzen, nur auf asymmetrische, jedoch nicht auf symmetrische Partikel wirken. In der Regel ist eine geeignete Bestrahlung auch homogen. Ein Beispiel für eine geeignete Bestrahlung ist gegeben, wenn zwei gleichartige homogene Bündel paralleler Strahlen, die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, überlagert sind. Ein weiteres Beispiel ist gegeben, wenn mehrere solcher Paare von Strahlenbündeln überlagert sind, wobei die Paare von Strahlenbündeln unterschiedliche Eigenschaften wie z.B. Intensitäten und räumliche Orientierungen aufweisen können. Des Weiteren ist insbesondere jede Art von Bestrahlung, die homogen und isotrop erfolgt, geeignet im Sinne dieser Erfindung. Der Begriff „homogen“ bedeutet im Zusammenhang mit der Bestrahlung, dass die Bestrahlungsintensität in der Kammer nicht ortsabhängig ist. Der Begriff „isotrop“ betrifft die Richtung, in der die Strahlen verlaufen. Ein Strahlungsfeld ist isotrop, wenn seine Eigenschaften richtungsunabhängig sind. Unter dem Begriff „Strahlung“ ist insbesondere elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von sichtbarem Licht und naher Infrarotstrahlung zu verstehen. In diesem Frequenzbereich ist eine Realisierung der Bestrahlung technisch leicht möglich und sowohl bei vielen Flüssigkeiten wie Wasser als auch bei vielen Partikeln wie Zellen lässt sich in diesem Frequenzbereich eine Frequenz finden, bei der die Absorption sehr gering ist. Dies verhindert ein unerwünschtes Aufheizen der Flüssigkeit bzw. Partikel. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Bestrahlungsquellen der Bestrahlungseinrichtung auch Strahlung anderer Art oder anderer Frequenzbereiche ausstrahlen. Typische Bestrahlungsintensitäten liegen im Bereich 1-1000 W/mm².
Dabei bezeichnet der Begriff „Partikel“ sowohl nicht lebende als auch lebende Objekte mit einer Größe zwischen typischer Weise 0,1 µm und 1 mm wie z.B. Mikroteilchen, Zellen und Zellteile. Mit „symmetrisch“ sind orthotrope Partikel wie beispielsweise kugelförmige, quaderförmige oder ellipsoidale Partikel, die aus einem einheitlichen Material bestehen, gemeint. Als „asymmetrisch“ werden nicht orthotrope Partikel mit einer Unregelmäßigkeit in ihrer Form, wie z.B. eine Kugel mit einer abgeflachten oder eingebeulten Stelle oder ein zu einem Ende hin breiter werdender Quader oder Ellipsoid, oder mit einer Unregelmäßigkeit in ihrem Material, die sich z.B. in einem an einem Ende des Partikels größeren Brechungsindex äußert, bezeichnet. Mit dem Begriff „orthotrop“ ist gemeint, dass eine Symmetrie bzgl. drei zu einander senkrecht stehender Symmetrieebenen vorliegt.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der sich Partikel mit orthotroper Symmetrie in ihren strahlungsbezogenen (z.B. optischen) Eigenschaften unter geeigneter Bestrahlung anders verhalten als Partikel, bei denen diese Symmetrie durch eine Asymmetrie gebrochen ist.
Dieses von ihren Symmetrieeigenschaften abhängige unterschiedliche Verhalten der Partikel kann dazu genutzt werden, Asymmetrien in vermeintlich symmetrischen Partikeln zu identifizieren. Dazu müssen die Partikel nur wie oben beschrieben bestrahlt und dann beobachtet werden. Wenn eine Asymmetrie vorhanden ist, zeigen die Partikel eine aus der Bestrahlung resultierende Fortbewegung. Partikel mit und ohne Asymmetrie können also leicht voneinander unterschieden werden, weil sich nur die Partikel mit einer Asymmetrie fortbewegen. Partikel mit einer unterschiedlich starken Ausprägung der Asymmetrie können auch leicht voneinander unterschieden werden, weil ihre Fortbewegung unterschiedlich schnell ist. Durch ihr unterschiedliches Verhalten können Partikel auch im Hinblick darauf, ob eine Asymmetrie vorhanden ist oder wie stark eine Asymmetrie ausgeprägt ist, getrennt und sortiert werden. Wenn die Partikel an einem gemeinsamen Ort starten, werden sich die Partikel mit der stärksten Asymmetrie am schnellsten von diesem Ort wegbewegen. Nachdem etwas Zeit vergangen ist, sind die Partikel also so sortiert, dass ihre Asymmetrie mit der Entfernung vom Startort zunimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr einfach und kostengünstig in der Umsetzung und kann zur Kontrolle, Unterscheidung, Separation und Sortierung der Partikel verwendet werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass sehr viele Partikel gleichzeitig kontrolliert, unterschieden, separiert und/oder sortiert werden können, wodurch das Verfahren sehr effizient ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren führt die selbe im Sinne der Erfindung geeignete statische Beleuchtung sowohl dazu, dass Unterschiede bei den Partikeln erkennbar werden, als auch dazu, dass unterschiedliche Partikel voneinander getrennt werden. Bei den bisherigen optischen Verfahren, mit denen sich symmetrische und asymmetrische Partikel unterscheiden lassen, ist das nicht der Fall. Dort erfolgen die Untersuchung der Partikel und ihre Separation entweder unter Verwendung zeitabhängiger inhomogener Lichtfelder oder mit unterschiedlichen Methoden und in beiden Fällen auf viel aufwändigere Weise. Anders als bei den bisherigen Verfahren sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weder zeitabhängige und speziell strukturierte Lichtfelder noch verschiedenartige Lichtquellen, Detektoren oder eine Datenverarbeitungseinheit erforderlich.
Eine Unterscheidung und/oder Sortierung nach der Form oder nach Materialinhomogenitäten ist u.a. bei kolloidalen Teilchen zur Kontrolle und Verbesserung ihrer Qualität sinnvoll. Kolloidale Teilchen werden in großem Umfang in der Industrie und Forschung eingesetzt und sind in zahlreichen Formen und Materialien erhältlich. Konkrete Anwendungsbeispiele sind Mikrokugeln und Mikrostäbe, bei denen z.B. Deformationen oder Inhomogenitäten zu identifizieren oder auszuschließen sind. Weitere Beispiele sind Mikrohohlkugeln, auch „Cenosphären“ oder „microballoons“ genannt, Nano- und Mikrokristalle, Nanopolydiamanten, nanodiamantene Mikrobälle und aggregierte Diamant-Nanostäbchen.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren Asymmetrien in den strahlungsbezogenen Eigenschaften erkennen und die Partikel entsprechend sortieren können, sind sie auch für das weite Feld der Mikrooptik von großer Bedeutung. In der Mikrooptik werden - i.d.R. transparente - Mikropartikel als mikroskopisch kleine optische Bauteile eingesetzt. Dies erfordert eine sehr hohe Qualität und Regelmäßigkeit der Partikel. Beispiele für mikrooptische Bauteile sind Mikrolinsen und Mikroprismen. Neben Oberflächenprofil-Mikrolinsen gibt es auch Gradientenindex-Mikrolinsen, bei denen die optischen Eigenschaften auf einem inhomogenen Brechungsindexprofil basieren und nicht an der Form des Partikels erkennbar sind. Fehler in dem Brechungsindexprofil sind ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren nur sehr schwer zu erkennen und eine entsprechende automatische Sortierung der Partikel ist mit den bisherigen Verfahren nicht möglich. Weitere Beispiele sind optische Mikrokavitäten und Mikroresonatoren.
Auch bei dem Sortieren von Zellen können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Für die Zellsortierung in der Biologie und Medizin ist die Durchflusszytometrie zu einem Standardverfahren geworden. Der Vorteil der Durchflusszytometrie gegenüber anderen Verfahren besteht darin, dass viele unterschiedliche Eigenschaften der Zellen berücksichtigt und viele Arten von Zellen identifiziert werden können. Bei manchen Anwendungen ist es jedoch ausreichend, z.B. nur zwei verschiedene Zellsorten zu unterscheiden und voneinander zu trennen. Dafür stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine viel günstigere und einfachere Alternative dar.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Erfindung ergibt sich daraus, dass mit ihr auch Partikel wie Mikroteilchen oder Staubteilchen in Gasen, beispielsweise bei Aerosolen, oder auch im Vakuum, beispielsweise bei kosmischem Staub, untersucht und sortiert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bestrahlungseinrichtung mehrere Bestrahlungsquellen in gleichmäßiger Anordnung um den Innenraum der Kammer. Dies hat den Vorteil, dass so eine (nahezu) homogene und isotrope Ausstrahlung des Innenraums der Kammer erzielt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung derart eingerichtet, die Kammer aus zwei entgegengesetzten Richtungen mittels Bestrahlungsquellen, vorzugsweise mit gleicher Intensität, zu bestrahlen. Erfolgt die Bestrahlung mit gleicher Intensität aus zwei genau entgegengesetzten Richtungen, wirkt aus Symmetriegründen insgesamt keine effektive Kraft auf symmetrische Partikel. Die Bestrahlung ist vorzugsweise homogen, damit keine Gradientenkräfte auf die Partikel wirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung derart über den Umfang der Kammer angeordnet, die Strahlung mehrerer Paare von Bestrahlungsquellen entgegengesetzter Richtung und bevorzugt gleicher Intensität zu überlagern. Zwischen den Paaren kann die Intensität variieren, sie muss nur jeweils bei den beiden Richtungen, die zum selben Paar gehören, gleich sein. Auch in diesem Fall tritt eine strahlungsgetriebene Fortbewegung nur bei den asymmetrischen Partikeln auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bestrahlungseinrichtung Resonatoren zur Verstärkung der Strahlung. Der Einsatz von Resonatoren ist vorteilhaft, da durch die Verwendung von Resonatoren Energie gespart werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung derart eingerichtet, die Partikel derart intensiv zu bestrahlen, dass eine strahlungsgetriebene Fortbewegung der Partikel dominant gegenüber ihrer brownschen Bewegung ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung derart eingerichtet, die Partikel isotrop zu bestrahlen. Eine isotrope Bestrahlung ist vorteilhaft, weil die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Partikel dann unabhängig von ihrer Orientierung ist. Dabei ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zu jedem Strahl ein entgegengesetzt verlaufender Strahl mit gleicher Intensität vorgesehen, damit keine der beiden Richtungen bevorzugt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Diffusor, wobei der Diffusor derart ausgelegt ist, wenn Strahlung aus den Bestrahlungsquellen auf den Diffusor trifft, die Strahlung zu streuen und den Innenraum der Kammer (näherungsweise) homogen und isotrop zu bestrahlen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Einlass entlang der Haupterstreckungsachse der Kammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel den gesamten Volumenraum der Kammer für ihre Bewegung zur Verfügung haben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zumindest einen ersten Auslass, der entlang der Haupterstreckungsachse der Kammer gegenüber dem Einlass angeordnet ist, und zumindest einen zweiten Auslass, wobei der zweite Auslass von der Haupterstreckungsachse beabstandet angeordnet ist. Durch weitere Auslässe können Partikel in Abhängigkeit von dem Abstand zur Haupterstreckungsachse gesammelt werden. Die in den von der Haupterstreckungsachse beabstandeten Auslässen gesammelten Partikel sind dann die Partikel mit einer ausgeprägten bestrahlungsbedingten Geschwindigkeit und damit die Partikel mit einer ausgeprägten Asymmetrie.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zumindest einen ersten Auslass, der entlang der Haupterstreckungsachse der Kammer gegenüber dem Einlass angeordnet ist, und zumindest einen zweiten Auslass, wobei der zweite Auslass konzentrisch um den ersten Auslass angeordnet ist. Durch die konzentrische Anordnung der Auslässe wird eine lückenlose Unterteilung des Kammerendes ermöglicht. Partikel und Flüssigkeit können überall am Ende der Kammer austreten, wobei die Partikel je nach ihren Eigenschaften nur zu bestimmten Auslässen gelangen. Auf diese Weise lassen sich die symmetrischen Partikel durch den ersten und die asymmetrischen Partikel durch den zweiten Auslass aus der Kammer leiten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Ende der Kammer auf andere Weise vorzugsweise lückenlos in mehrere Auslässe unterteilt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Schritt des Einleitens beweglicher Partikel in die Kammer den Schritt des Einleitens der Partikel mittels eines strömenden Mediums, wobei die Strömung des Mediums eine laminare Strömung ist. Durch das Einleiten der Partikel mittels einer laminaren Strömung werden die Partikel einer konstanten Drift ausgesetzt und können sie über verschiedene Auslässe aus der Kammer herausgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Die dargestellten Merkmale können sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele sind übertragbar von einem Ausführungsbeispiel auf ein anderes.
Es zeigt

1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mit mehreren Bestrahlungsquellen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 schematische Ansichten verschiedener Auslasskonfigurationen,
6 eine Querschnittszeichnung einiger Partikel mit Symmetrieachse.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung 9. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Kammer 3 mit einem Innenraum 7 sowie einen Einlass 2, um bewegliche Partikel durch den Einlass 2 in den Innenraum 7 der Kammer 3 einzuleiten. Die Kammer 3 besitzt eine Haupterstreckungsachse 6, wobei der Innenraum 7 der Kammer 3 entlang der Haupterstreckungsachse 6 einen Volumenraum zum Bewegen der Partikel bildet. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Bestrahlungseinrichtung 8, die sich zumindest teilweise um den Umfang der Kammer 3 erstreckt. Die Bestrahlungseinrichtung 8 bestrahlt mittels Bestrahlungsquellen 12 den Innenraum 7 der Kammer 3 aus entgegengesetzten Richtungen und homogen, sodass die Partikel weder einseitigem Strahlungsdruck noch Gradientenkräften ausgesetzt werden.
Von links strömt ein Medium 13, beispielsweise eine Flüssigkeit (z.B. Wasser), mit der Geschwindigkeit V_L in den Innenraum 7 der Kammer 3. Die Strömung des Mediums ist laminar. Der Einlass 2 für die Suspension 14 der voneinander zu trennenden Partikel befindet sich links mittig. Die Partikel sind beispielsweise kugelförmig mit einem Radius von 5 µm. Die Flüssigkeit in der Suspension 14 entspricht der separat einströmenden Flüssigkeit 13 und auch die Suspension 14 strömt mit der gleichen Geschwindigkeit V_L. Die optischen Eigenschaften der Partikel, z.B. der Brechungsindex des Partikelmaterials, sind bei einer Hälfte der Partikel symmetrisch, beispielsweise ein konstanter Brechungsindex, und bei der anderen Hälfte der Partikel asymmetrisch, beispielsweise ein von einem zum gegenüber liegenden Ende des Partikels zunehmender Brechungsindex.
Nach dem Verlassen des Einlasses 2 bewegen sich die asymmetrischen Partikel unter dem Einfluss der Bestrahlung mit einer Geschwindigkeit V_A fort, die von der Orientierung der Partikel abhängen kann und i.d.R. nicht parallel zur Haupterstreckungsachse 6 orientiert ist. Die Partikel bewegen sich auch unter dem Einfluss der brownschen Bewegung, die die Position und Orientierung der Partikel stochastisch ändert, aber aufgrund der Größe der Partikel - insbesondere im Vergleich zu V_L und V_A - nur sehr schwach ausgeprägt ist. Zusätzlich bewegen sich die Partikel unter dem Einfluss der Schwerkraft mit einer konstanten Geschwindigkeit V_G, die typischer Weise klein ist. Durch geeignete Orientierung der Vorrichtung 1 kann bewirkt werden, dass die Schwerkraft parallel zur Haupterstreckungsachse 6 der Kammer 3 gerichtet ist. Die symmetrischen Partikel haben keine strahlungsgetriebene Bewegung, aber auch sie zeigen brownsche Bewegung und schwerkraftgetriebene Bewegung. Der Bewegung aller Partikel ist eine konstante Drift mit der Geschwindigkeit V_L von links nach rechts überlagert, da die Strömung 17 der Flüssigkeit 13 mit dieser Geschwindigkeit die Partikel mit sich nimmt. In dem bestrahlten Innenraum 7 der Kammer 3 verhalten sich die beiden Partikelarten also sehr unterschiedlich. Die symmetrischen Partikel bewegen sich im Wesentlichen entlang von Trajektorien 4, die ähnlich zur Haupterstreckungsachse 6 verlaufen, von links nach rechts mit der Strömung 17 und nur sehr wenig senkrecht zur Strömungsrichtung. Dadurch strömen sie rechts in den mittig angebrachten inneren Auslass 10 und mit dem Medium aus der bestrahlten Kammer 3 hinaus 16. Demgegenüber bewegen sich die asymmetrischen Partikel durch ihre strahlungsgetriebene Bewegung auch relativ schnell senkrecht zur Strömungsrichtung. Diese Partikel bewegen sich somit entlang von Trajektorien 5, die deutlich winklig zur Haupterstreckungsachse 6 der Kammer 3 verlaufen. Rechts angekommen strömen dadurch fast alle asymmetrischen Partikel außen an dem inneren Auslass 10 vorbei in den äußeren Auslass 11 und mit dem Medium aus der bestrahlten Kammer 3 hinaus 15. Die beiden Partikelsorten verlassen die Vorrichtung 1 also durch verschiedene Auslässe 10, 11. Auf diese Weise ergibt sich durch eine sehr einfache Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, ein sehr effizientes Verfahren zur Partikelsortierung im Hinblick auf Asymmetrien in den optischen Eigenschaften der Partikel.
Die Partikel können sich, statt in einer Flüssigkeit, auch in einem Gas oder Vakuum befinden. Es ist also mit der Erfindung auch möglich, z.B. Staubpartikel zu untersuchen und zu sortieren.
Die Kontrolle, Unterscheidung, Separation und Sortierung von Partikeln sind auch ohne den Durchflussbetrieb, d.h. ohne ein strömendes Medium 13, wie es in 1 gezeigt ist, möglich. Wenn das Medium nicht strömt, werden sich die asymmetrischen Partikel - anders als die symmetrischen Partikel - immer noch schnell von dem Startort entfernen, sodass eine Kontrolle, Unterscheidung, Separation und Sortierung weiterhin möglich sind. Um eine Diffusion durch brownsche Bewegung zu vermeiden, können sich die Partikel auch in einem viskoelastischen Fluid befinden. Dann sind sie nur bei ausreichend starker Bestrahlung und Asymmetrie in der Lage, sich fortzubewegen. Nur asymmetrische Partikel würden sich dann von ihrer Startposition aus durch das Medium fortbewegen.
Die zuvor beschriebenen Details zu Partikelform, Partikelgröße, laminarer Strömung etc. beziehen sich lediglich auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Es ist selbstverständlich, dass die Details auch anders ausgestaltet sein können.
Die in 1 gezeigte Sortiervorrichtung 1 kann insbesondere zumindest einen Diffusor umfassen. Ein Diffusor streut Strahlung. Der Diffusor kann derart ausgelegt sein, dass er, wenn Strahlung aus den Bestrahlungsquellen auf den Diffusor trifft, die Strahlung streut, um den Innenraum der Kammer homogen und isotrop zu bestrahlen. Beispielsweise könnte die Kammerwand als strahlungsdurchlässiger Diffusor ausgeführt werden, z.B. durch Verwendung von Milchglas als Wandmaterial. Wird die Kammer 3 dann von außen bestrahlt, ist die Bestrahlung im Innenraum 7 der Kammer 3 i.d.R. deutlich gleichmäßiger (nahezu homogen und isotrop) als bei direkter Bestrahlung. Der Diffusor weist dafür beispielsweise mehrere Diffusorschichten eines dünnen, schwach streuenden Schichtmaterials auf. Die durch die Diffusorschichten in die Kammer 3 eintretende Strahlung verläuft in unterschiedlichen Richtungen durch die Kammer 3 und wird bei jedem Erreichen der Kammerwand mit einer hohen Wahrscheinlichkeit wieder in eine andere Richtung gestreut. Durch die Mehrfachstreuung wird die Richtungsverteilung der Strahlen in der Kammer 3 sehr gleichmäßig. Es sind unterschiedliche Ausführungsformen mit einem Diffusor möglich. Beispielsweise kann die Kammerwand auch strahlungsundurchlässig sein und nur streuen. Dann müssten sich in der Kammerwand Öffnungen befinden, durch die Strahlung in die Kammer 3 geleitet wird. Im Innenraum 7 der Kammer 3 würde die Strahlung dann durch die diffus streuenden Kammerwände in der Kammer 3 gleichmäßig verteilt werden. Die Diffusorschicht kann sich auch in einem Abstand von der Kammer 3 befinden und diese umgeben. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Kammerwand strahlungsdurchlässig ist.
In 2 ist das Ausführungsbeispiel gemäß 1 gezeigt, wobei die Vorrichtung 1 mehrere Auslässe 10, 11, 24 umfasst. Statt nur symmetrische und asymmetrische Partikel voneinander zu trennen, könnten auch Partikel mit unterschiedlich stark ausgeprägter Asymmetrie im Hinblick auf die Stärke der Ausprägung der Asymmetrie sortiert werden. Da die Partikel mit stärker ausgeprägter Asymmetrie eine höhere Geschwindigkeit V_A haben, verteilen sie sich, wenn sie rechts an den Auslässen ankommen, über eine deutlich größere Fläche. Mit zunehmender Asymmetrie erreichen die Partikel also immer größer werdende radiale Abstände von der Haupterstreckungsachse 6, sodass die an dem äußersten Auslass 11 die Kammer 3 verlassenden Partikel dann die mit der größten bestrahlungsbedingten Geschwindigkeit und damit am stärksten ausgeprägten Asymmetrie sind. Will man die Partikel also selektiver in Abhängigkeit von dem Abstand, den sie rechts von dem mittig platzierten inneren Auslass 10 haben, sammeln und somit in Abhängigkeit von der Ausprägung ihrer Asymmetrie sortieren, kann man statt nur eines inneren Auslasses 10 und eines äußeren Auslasses 11, wie sie in 1 gezeigt sind, mehr als zwei konzentrische Auslässe verwenden. In 2 ist der Fall drei konzentrischer Auslässe 10, 11, 24 dargestellt. Auf diese Weise lassen sich die symmetrischen Partikel durch den inneren Auslass 10, die Partikel mit leichter Asymmetrie durch den mittleren Auslass 24 und die Partikel mit größerer Asymmetrie durch den äußeren Auslass 11 aus der Kammer 3 leiten. Durch Hinzufügen weiterer Auslässe kann eine noch selektivere Partikelsortierung erreicht werden.
Bei der Partikelsortierung können neben der Ausprägung der Asymmetrie auch gleichzeitig weitere Merkmale berücksichtigt werden. Wenn die strahlungsangetriebenen Partikel z.B. zusätzlich zu der Asymmetrie in ihren optischen Eigenschaften auch eine asymmetrische Massenverteilung aufweisen, bewegen sie sich immer noch winklig zu der Strömungsrichtung, aber nun gibt es durch die Schwerkraft eine weitere Vorzugsrichtung. Das liegt daran, dass die Asymmetrie in der Massenverteilung unter dem Einfluss der Schwerkraft zu einem Drehmoment führt, das die Partikel in einem bestimmten Winkel relativ zur Schwerkraftrichtung auszurichten versucht. Dann strömen die strahlungsgetriebenen Partikel rechts am Ende der Kammer 3 noch immer an der inneren Auslassöffnung 10 außen vorbei, aber nun häufen sie sich z.B. oberhalb dieser Auslassöffnung 10 und passieren sie nicht mehr mit gleicher Wahrscheinlichkeit oben, unten, rechts und links. Daher kann vorgesehen sein, dass am Ende der Kammer mehrere Auslässe neben- und/oder übereinander angeordnet sind, um im Hinblick auf mehrere Merkmale der Partikel eine Sortierung zu erreichen.
Die 3 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zum Sortieren von Partikeln gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In 3 ist die Kammer 3 mit dem Innenraum 7 gezeigt. Die Bestrahlungseinrichtung 8 erstreckt sich teilweise um die Kammer 3 und umfasst zwei Bestrahlungsquellen 12, wobei die Bestrahlungsquellen 12 in entgegengesetzten Richtungen angeordnet sind und den Innenraum 7 der Kammer 3 vorzugsweise mit gleicher Intensität bestrahlen. Bei symmetrischen Partikeln heben sich die Strahlungskräfte gegenseitig auf. Die Bestrahlungseinrichtung 8 kann auch mehrere solcher Paare von Bestrahlungsquellen 12 umfassen. Die Strahlungen mehrerer Paare von Bestrahlungsquellen 12 mit jeweils entgegengesetzten Richtungen und gleicher Intensität können dabei im Innenraum 7 der Kammer 3 überlagert sein. Zwischen den Paaren kann die Intensität variieren. Durch die unterschiedlichen Intensitäten ergibt sich eine Anisotropie der Bestrahlung, wodurch für die Partikel Vorzugsrichtungen entstehen, die von den Vorzugsrichtungen der Bestrahlung abhängen. Hierdurch können die Partikel gezielt innerhalb des Innenraums 7 der Kammer 3 gelenkt werden. Die 3 zeigt die Anordnung der Bestrahlungsquellen 12 der Bestrahlungseinrichtung 8 für den Fall eines Paares von Bestrahlungsquellen. Für eine gleichmäßige Intensitätsverteilung in der Kammer 3 ist es vorteilhaft, wenn das Strahlenbündel, das von einer Bestrahlungsquelle 12 ausgeht, vom Querschnitt mindestens so groß wie die Kammer 3 ist. Dadurch kann das Strahlenbündel die Kammer 3 überall mit gleicher Intensität bestrahlen. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Bestrahlungsquellen 12 zur Kammer 3 beabstandet angeordnet sind.
Die 4 zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zum Sortieren von Partikeln mit mehreren Bestrahlungsquellen 12 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In 4 ist gezeigt, dass mehrere Paare von Bestrahlungsquellen 12 in gleichmäßiger Anordnung um den Innenraum 7 der Kammer 3 verteilt sind. Die 4 zeigt die Anordnung der Bestrahlungsquellen 12 der Bestrahlungseinrichtung 8 für den Fall von zwei Paaren von Bestrahlungsquellen. In einer Ausführungsform der Erfindung können auch mehr Paare entgegengesetzter Bestrahlungsquellen 12 vorgesehen sein. In dem theoretischen Grenzfall, dass Strahlen 9 mit gleicher Intensität aus allen Richtungen kommen, liegt eine isotrope Bestrahlung vor. Bei einer homogenen und isotropen Bestrahlung der Kammer 3 würden die Partikel an jedem Ort innerhalb der Kammer 3 und aus jeder Richtung mit gleicher Intensität bestrahlt werden. In einer technischen Vorrichtung ist eine isotrope Bestrahlung nur näherungsweise erreichbar. Eine näherungsweise Isotropie kann in einer Ausführungsform der Erfindung auch durch den Einsatz eines Diffusors erreicht werden.
Die 5 zeigt verschiedene Ansichten von Ausführungsformen für verschiedene Auslasskonfigurationen der Kammer 3. In den 5 a) bis d) ist die Kammer 3 jeweils in der Seitenansicht mit verschiedenen Auslasskonfigurationen gezeigt. Durch den Mittelpunkt der Kreise verläuft die Haupterstreckungsachse 6 der Kammer 3. In 5 a) umfasst die Kammer einen zentralen inneren Auslass 10, der konzentrisch von einem äußeren Auslass 11 umgeben ist. In 5 b) sind drei konzentrische Auslässe 10, 11, 24 gezeigt. Es ist möglich, durch mehr als drei konzentrische Auslässe 10, 11, 24 die Selektivität der Vorrichtung weiter zu verbessern. Wenn bei den asymmetrischen Partikeln unterschieden werden soll, ob sie links, rechts, unten oder oben an dem inneren Auslass 10 vorbei strömen, kann der äußere Auslass 11, 24 in Sektoren eingeteilt werden. Dies ist in den 5 c) und d) gezeigt. In 5 c) ist eine Auslasskonfiguration mit fünf Auslässen 10, 11 zu sehen. Dabei gibt es einen inneren Auslass 10 und vier, unterschiedlichen Sektoren entsprechende, äußere Auslässe 11. Es ist darüber hinaus möglich, eine Unterteilung sowohl in radialer Richtung als auch in Sektoren vorzunehmen. Ein Beispiel mit neun Auslässen, die drei unterschiedliche radiale Abstände und vier Sektoren unterscheiden, ist in 5 d) dargestellt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch noch feinere oder andersartige Unterteilungen der Auslässe 10, 11, 24 vorgesehen sein.
Die 6 zeigt unterschiedliche Partikel, die sich aufgrund der Symmetrieeigenschaften hinsichtlich der optischen Eigenschaften der Partikel unter homogener und isotroper Bestrahlung fortbewegen (Asymmetrie in den optischen Eigenschaften vorhanden 23) oder nicht fortbewegen (keine Asymmetrie in den optischen Eigenschaften vorhanden 22). Alle dargestellten Partikel haben eine Symmetrieachse 18. Dabei kann es sich um eine Achse handeln, in der sich zwei zu einander senkrecht stehende Symmetrieebenen, über die ein Partikel verfügt, schneiden. Alternativ dazu kann bzgl. der Symmetrieachse auch eine Rotationssymmetrie des Partikels vorliegen. Aus Gründen der Einfachheit ist bei den dargestellten Partikeln jeweils nur ein Partikelquerschnitt, der die Symmetrieachse 18 enthält, gezeichnet. Ein Dreieck-Partikel ist also z.B. als Pyramide oder Kegel zu verstehen. Eine Asymmetrie liegt vor, wenn ein Partikel nach einer Spiegelung an einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 18 nicht mehr allein durch Verschieben der Position des Partikels mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann 23. Dabei kommt es auf alle optischen Eigenschaften des Partikels an und damit nicht nur auf die Form, sondern z.B. auch auf die Oberflächenbeschaffenheit und den Verlauf des Brechungsindexes n. In der ersten Spalte 22 sind Partikel gezeigt, die hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften eine orthotrope Symmetrie aufweisen. Bei diesen Partikeln ist eine senkrecht auf der Symmetrieachse 18 stehende und durch den Mittelpunkt der Partikel verlaufende Symmetrieebene 19 vorhanden. In den weiteren Spalten 23 sind dagegen Partikel gezeigt, die hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften eine Asymmetrie aufweisen, dadurch nicht orthotrop sind und über keine Symmetrieebene 19 verfügen. Bei den in den Zeilen 1-4 dargestellten Partikeln hat das Material, aus denen die Partikel bestehen, räumlich konstante Eigenschaften, sodass die Symmetrieeigenschaften hinsichtlich der optischen Eigenschaften der Partikel durch die Symmetrieeigenschaften der Partikelform gegeben sind. Dagegen ist die Partikelform bei den Partikeln der Zeilen 5 und 6 einheitlich orthotrop. Hier ergibt sich bei den hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften nicht orthotropen Partikeln 23 die Asymmetrie der Partikel in Zeile 5 durch einen räumlich nicht konstanten Brechungsindex n, der in dem Partikel von einem Ende zum anderen Ende ansteigt, und in Zeile 6 durch eine nicht konstante Reflektivität, wobei eine Hälfte der Partikeloberfläche stark reflektierend 20 und die andere Hälfte stark absorbierend 21 sind. Statt in der Reflektivität können die Partikel auch z.B. in ihrem Streuvermögen eine Asymmetrie aufweisen. Bei Partikeln, wie sie in den Zeilen 5 und 6 rechts dargestellt sind, können ein Partikel und sein Spiegelbild trotz symmetrischer Form des Partikels nicht allein durch Verschieben zur Deckung gebracht werden, weil nach der Spiegelung der Brechungsindex n zu dem anderen Ende hin ansteigt bzw. die stark reflektierende Partikelhälfte sich am anderen Ende des Partikels befindet.
Eine solche Asymmetrie in einer optischen Eigenschaft eines Partikels führt bei geeigneter (z.B. homogener und isotroper) Bestrahlung des Partikels dazu, dass die vom Partikel gebrochene, gebeugte, reflektierte und/oder gestreute Strahlung eine asymmetrische Verteilung bzgl. der Richtung oder Intensität hat. Der Symmetriebruch in den optischen Eigenschaften des Partikels führt also zu einer Vorzugsrichtung bei der Brechung, Beugung, Reflexion und/oder Streuung der Strahlung durch den Partikel. Dies impliziert einen Impulsübertrag von der Strahlung auf den Partikel, woraus in Abhängigkeit von der genauen Ausgestaltung des Partikels eine Fortbewegung des Partikels parallel oder antiparallel zu der Partikelachse 18 resultiert. Dagegen gibt es bei Partikeln ohne eine solche Asymmetrie, beispielsweise bei orthotropen Partikeln 22, keinen effektiven Impulsübertrag auf den Partikel und somit keine bestrahlungsbedingte Fortbewegung. Durch diesen Mechanismus zeigen Partikel mit orthotroper Symmetrie 22 unter einer im Sinne dieser Erfindung geeigneten Bestrahlung ein deutlich anderes Verhalten als nicht orthotrope Partikel 23. Damit lassen sich vermeintlich orthotrope Partikel auf (z.B. herstellungsbedingte) Asymmetrien hin überprüfen. Darüber hinaus können Partikel mit einer Form, die einen Symmetriebruch beinhaltet, wie z.B. projektilförmige Partikel, auf die Ausprägung der Asymmetrie hin untersucht werden. Unterschiede in der Form äußern sich dabei durch unterschiedliche Geschwindigkeiten der Partikel. Ebenso lassen sich z.B. mikroskopisch kleine Gradientenindex-Linsen auf Herstellungsfehler hin überprüfen. Dies sind Linsen, die planare Flächen haben können und Licht nicht durch ihre Form, sondern durch einen in der Linse ortsabhängigen Brechungsindex n bündeln. Da auch Asymmetrien in der räumlichen Verteilung des Brechungsindexes in der Linse unter einer im Sinne dieser Erfindung geeigneten Bestrahlung zu einer Bewegung des Partikels führen, äußern sich Fehler in der räumlichen Verteilung des Brechungsindexes in einer (anderen) Bewegungsgeschwindigkeit der betroffenen Partikel.
Solche Fehler sind gerade bei Mikrolinsen mit anderen Verfahren nur sehr schwer zu beurteilen, weil es dafür nicht einmal ausreicht, wenn die Partikel bzw. ihre Form unter dem Mikroskop direkt beobachtet werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch möglich, die Partikel im Hinblick auf diese Fehler zu sortieren.
Bezugszeichenliste

1: Sortiervorrichtung
2: Einlass
3: Kammer
4: Trajektorien von Partikeln ohne Asymmetrie
5: Trajektorien von Partikeln mit Asymmetrie
6: Haupterstreckungsachse
7: Innenraum der Kammer
8: Bestrahlungseinrichtung
9: Strahlung
10: innerer Auslass
11: äußerer Auslass
12: Bestrahlungsquelle
13: strömendes Medium ohne Partikel
14: einströmende Suspension
15: mit Medium ausströmende Partikel mit Asymmetrie
16: mit Medium ausströmende Partikel ohne Asymmetrie
17: laminare Strömung
18: Symmetrieachse
19: Symmetrieebene
20: stark reflektierend
21: stark absorbierend
22: Symmetrieebene senkrecht zur Symmetrieachse, orthotrop
23: keine Symmetrieebene senkrecht zur Symmetrieachse, nicht orthotrop
24: mittlerer Auslass
n: Brechungsindex

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017304824 A1 [0005]
DE 3218487 A1 [0006]
WO 2010063478 A4 [0007]

Claims

Vorrichtung zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung, umfassend zumindest einen Einlass (2), wobei der Einlass (2) derart eingerichtet ist, Partikel in eine Kammer (3) einzuleiten, eine Kammer (3) mit einer Haupterstreckungsachse (6) und einem Innenraum (7), wobei der Innenraum (7) einen Volumenraum zum Bewegen der Partikel bildet, eine Bestrahlungseinrichtung (8), wobei die Bestrahlungseinrichtung (8) sich zumindest teilweise über den Umfang der Kammer (3) erstreckt und derart eingerichtet ist, die Kammer (3) geeignet zu bestrahlen, um die Partikel Strahlungskräften auszusetzen, welche von einer Ausprägung von Asymmetrien in den strahlungsbezogenen Eigenschaften der Partikel abhängen und derart geeignet sind, die asymmetrischen Partikel winklig zur Haupterstreckungsachse (6) der Kammer (3) zu bewegen, und zumindest einen Auslass (10, 11) für die sich herausbewegenden Partikel.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (8) mehrere Bestrahlungsquellen (12) in gleichmäßiger Anordnung um den Innenraum (7) der Kammer (3) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (8) derart eingerichtet ist, die Kammer (3) aus zwei entgegengesetzten Richtungen mittels Bestrahlungsquellen (12), vorzugsweise mit gleicher Intensität, zu bestrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (8) derart über den Umfang der Kammer (3) angeordnet ist, die Strahlung (9) mehrerer Paare von Bestrahlungsquellen (12) entgegengesetzter Richtung zu überlagern.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (8) Resonatoren zur Verstärkung der Strahlung (9) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (8) derart eingerichtet ist, die Partikel derart intensiv zu bestrahlen, dass eine strahlungsgetriebene Fortbewegung der Partikel dominant gegenüber ihrer brownschen Bewegung ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (8) derart eingerichtet ist, die Partikel isotrop zu bestrahlen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Diffusor umfasst, wobei der Diffusor derart ausgelegt ist, wenn Strahlung (9) aus den Bestrahlungsquellen (12) auf den Diffusor trifft, die Strahlung (9) zu streuen und den Innenraum (7) der Kammer (3) homogen und isotrop zu bestrahlen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (2) entlang der Haupterstreckungsachse (6) der Kammer (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen ersten Auslass (10) umfasst, der entlang der Haupterstreckungsachse (6) der Kammer (3) gegenüber dem Einlass (2) angeordnet ist, und die Vorrichtung zumindest einen zweiten Auslass (11) umfasst, wobei der zweite Auslass (11) von der Haupterstreckungsachse (6) beabstandet angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen ersten Auslass (10) umfasst, der entlang der Haupterstreckungsachse (6) der Kammer (3) gegenüber dem Einlass (2) angeordnet ist, und die Vorrichtung zumindest einen zweiten Auslass (11, 24) umfasst, wobei der zweite Auslass (11, 24) konzentrisch um den ersten Auslass (10) angeordnet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem mikrofluidischen Chip.
Verfahren zum Sortieren von Partikeln mittels Strahlung mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einleiten beweglicher Partikel in einen Innenraum (7) einer Kammer (3) über einen Einlass (2), wobei sich die Partikel in der Ausprägung von Asymmetrien hinsichtlich ihrer strahlungsbezogenen Eigenschaften unterscheiden, Bestrahlung des Innenraums (7) der Kammer (3) mittels einer Bestrahlungseinrichtung (8), wobei die Bestrahlung geeignet erfolgt, sodass die Partikel Strahlungskräften ausgesetzt werden, die die asymmetrischen Partikel winklig zur Haupterstreckungsachse (6) der Kammer (3) bewegen, wobei die Bewegung der Partikel von der Ausprägung ihrer Asymmetrien abhängt, Bereitstellen zumindest eines Auslasses (10, 11) für die sich aus der Kammer (3) herausbewegenden Partikel, Sortierung der Partikel nach der Ausprägung ihrer Asymmetrien.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Einleitens beweglicher Partikel in die Kammer (3) den Schritt des Einleitens der Partikel mittels eines strömenden Mediums umfasst, wobei die Strömung des Mediums eine laminare Strömung (17) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung des Innenraums (7) der Kammer (3) mittels einer Bestrahlungseinrichtung (8) homogen und isotrop erfolgt.