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Die Erfindung betrifft eine mikrofabrizierte Vorrichtung mit einer Positionierungsvorrichtung zur sequentiellen Positionierung von Partikeln. Die Positionierungsvorrichtung weist eine vorzugsweise starre Begrenzungsstruktur auf, wobei die Begrenzungsstruktur eine erste Aufnahme zur Positionierung eines Partikels und eine zweite Aufnahme zur Positionierung eines Partikels bildet. Die erste Aufnahme und die zweite Aufnahme sind in Reihe angeordnet, wobei die Positionierungsvorrichtung eine Vorrichtungsöffnung aufweist, durch die Fluid in die Positionierungsvorrichtung strömen kann. Die Positionierungsvorrichtung weist einen Vorrichtungskanal auf, der sich von der Vorrichtungsöffnung in die Positionierungsvorrichtung hinein erstreckt, wobei der Vorrichtungskanal die erste Aufnahme und die zweite Aufnahme umfasst. Die Vorrichtung weist mindestens einen Bypasskanal auf. Die Vorrichtung weist eine Verzweigungsstelle auf, wobei der Vorrichtungskanal und der Bypasskanal über die Verzweigungsstelle derart verzweigt sind, dass ein Strömungsteilchen, das sich in der Verzweigungsstelle befindet, in den Bypasskanal oder über die Vorrichtungsöffnung in den Vorrichtungskanal strömen kann.
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Eine solche Vorrichtung ist aus der internationalen Anmeldung
WO 2019 048 713 A1 bekannt. Wie in der
27.2 D der internationalen Anmeldung ersichtlich ist, enthält die Vorrichtung einen Vorrichtungskanal, der drei Aufnahmen zur sequentiellen Positionierung von Partikeln umfasst, und zwei Bypasskanäle. Wie auf Seiten 29 und 30 der Beschreibung zu entnehmen ist, wird zunächst jedes der drei Aufnahmen mit einem Partikeln besetzt, bevor ein viertes in den Bypasskanal zu der nächsten Vorrichtung strömen kann. Dies liegt daran, dass die Kanäle einen höheren hydrodynamischen Widerstand aufweisen als der Vorrichtungskanal. Dies ist auch dann der Fall, wenn sogar zwei der drei Aufnahmen des Vorrichtungskanals jeweils mit einem Partikel belegt sind. Der höhere hydrodynamische Widerstand der Bypasskanäle ist auf ihre im Vergleich zum Vorrichtungskanal viel größere Länge zurückzuführen.
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Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass ein in die Vorrichtung strömendes Partikel zwangsläufig in den Vorrichtungskanal strömt und dass ein Partikel nur dann in den Bypasskanal strömt, wenn bereits alle Aufnahmen mit Partikeln belegt sind. Dies ist aber nicht bei jeder Anwendung erwünscht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass wählbar ist, ob ein Partikel in den Vorrichtungskanal oder in den Bypasskanal strömt.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Ebenso wird die Aufgabe durch das System und die Verfahren gemäß den Nebenansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen, sowie in der Beschreibung und den Figuren beschrieben.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Vorrichtungskanal einen größeren hydrodynamischen Widerstand als der Bypasskanal aufweist. Da Partikel in einer Strömung dem Weg des geringsten Widerstandes folgen, strömen die Partikel in den Bypasskanal, sofern kein Eingriff in das System erfolgt. Ein Eingriff kann erfolgen, indem dem Partikel in der Strömung ein bestimmter Impuls verliehen werden kann, den es benötigt, um in den Vorrichtungskanal zu strömen anstatt in den Bypasskanal. Ein höherer Impuls kann dem Partikel durch gezielte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit verliehen werden. So kann beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, wenn sich das Partikel in der Verzweigungsstelle der Kanäle befindet.
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In einer alternativen Ausführungsform weist der Vorrichtungskanal einen gleich großen hydrodynamischen Widerstand wie der Bypasskanal auf.
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Vorzugsweise ist der Vorrichtungskanal derart ausgebildet, dass Fluid, das durch die Vorrichtungsöffnung einströmt, an dem der Vorrichtungsöffnung gegenüberliegenden Ende des Vorrichtungskanals (Kanalende) aus dem Vorrichtungskanal ausströmen kann. Dazu weist der Vorrichtungskanal am Kanalende mindestens eine Öffnung auf. Ein hinreichend großes Partikel kann dabei in der zweiten Aufnahme gehalten werden, während gleichzeitig das Fluid durch die Öffnung am Kanalende ausströmen kann. Die Öffnung am Kanalende hat zudem den Vorteil, dass bei Umkehr der Strömung ein Partikel, das sich in der zweiten Aufnahme befindet, aus der zweiten Aufnahme in die erste Aufnahme befördert oder ein Partikel, das sich in der ersten Aufnahme befindet, aus der ersten Aufnahme durch die Vorrichtungsöffnung befördert werden kann.
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Vorzugsweise ist die erste (zweite) Aufnahme breiter als die erste Öffnung und als die zweite Öffnung. Somit kann ein elastisches Partikel, das größer als die erste und zweite Öffnung ist, während des Passierens der ersten Öffnung zusammengedrückt werden und nach dem Passieren der ersten Öffnung expandieren. Dadurch kann das Partikel verlustsicher in der ersten Aufnahme positioniert werden. Entsprechendes gilt für das Passieren der zweiten Öffnung und das Positionieren in der zweiten Aufnahme.
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Die Vorrichtung weist vorzugsweise einen zweiten Bypasskanal auf, wobei der Vorrichtungskanal, der erste Bypasskanal und der zweite Bypasskanal über die Verzweigungsstelle derart verzweigt sind, dass ein Strömungsteilchen, das sich in der Verzweigungsstelle befindet, in den ersten Bypasskanal, in den zweiten Bypasskanal oder über die Vorrichtungsöffnung in den Vorrichtungskanal strömen kann. Dabei weist der Vorrichtungskanal einen größeren hydrodynamischen Widerstand auf als der erste Bypasskanal und als der zweite Bypasskanal. Alternativ weisen der Vorrichtungskanal, der erste Bypasskanal und der zweite Bypasskanal den gleichen hydrodynamischen Widerstand auf.
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Der Begriff „Vorrichtungskanal“ ist ein Synonym für „Positionierungsvorrichtungskanal“. Der Begriff „Vorrichtungsöffnung“ ist ein Synonym für „Positionierungsvorrichtungsöffnung“. Diese Begriffe werden aufgrund ihrer kürzeren Schreibweise und der damit einhergehenden Verbesserung der Lesbarkeit bevorzugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Vorrichtungskanal auch dann einen größeren hydrodynamischen Widerstand auf als der Bypasskanal, wenn die erste Aufnahme oder die zweite Aufnahme belegt ist. Dies gilt auch dann, wenn eine der beiden Aufnahmen vollständig belegt ist, also der Aufnahmeraum vollständig gefüllt ist, insbesondere mit einem Partikel.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Begrenzungsstruktur ferner eine dritte Aufnahme zur Positionierung eines Partikels, wobei die erste Aufnahme, die zweite Aufnahme und die dritte Aufnahme in Reihe angeordnet sind, wobei der Vorrichtungskanal die erste Aufnahme, die zweite Aufnahme und die dritte Aufnahme umfasst. Dadurch ist es möglich, drei Partikel in je einer Aufnahme der Vorrichtung zu positionieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Bypasskanal kürzer, gleich lang oder höchstens doppelt so lang wie der Vorrichtungskanal. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass der Bypasskanal wesentlich kleiner ist als der Bypasskanal der bekannten Vorrichtung. Die Länge der Kanäle ist der Hauptfaktor zur Einstellung des hydrodynamischen Widerstands. Der Kanalquerschnitt eignet sich hierzu lediglich bedingt, da er die Maßgabe erfüllen muss, ein Partikel mit einem bestimmten Durchmesser passieren zu lassen. Im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung, die auf einen langen Bypasskanal angewiesen ist, um den erforderlichen hydrodynamischen Widerstand einzustellen, kann der erfindungsgemäße Bypasskanal sogar kleiner als der Vorrichtungskanal sein. Ein Blick in die
27.2 D der
WO 2019 048 713 A1 verdeutlich bereits, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung demgegenüber eine enorme Platzersparnis zur Folge hat.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Begrenzungsstruktur einen ersten Begrenzungsabschnitt auf, wobei der erste Begrenzungsabschnitt eine erste Öffnung bildet, so dass ein Partikel durch die erste Öffnung in die erste Aufnahme gelangen kann. Zusätzlich oder alternativ weist die Begrenzungsstruktur einen zweiten Begrenzungsabschnitt auf, wobei der zweite Begrenzungsabschnitt eine zweite Öffnung bildet, so dass ein Partikel durch die zweite Öffnung in die zweite Aufnahme gelangen kann. Die erste Öffnung ist vorzugsweise die Vorrichtungsöffnung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden der erste Begrenzungsabschnitt und der zweite Begrenzungsabschnitt die erste Aufnahme, wobei die Positionierungsvorrichtung einen dritten Begrenzungsabschnitt aufweist. Der zweite Begrenzungsabschnitt und der dritte Begrenzungsabschnitt bilden dabei die zweite Aufnahme.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Positionierungsvorrichtung einen vierten Begrenzungsabschnitt auf, wobei der dritte Begrenzungsabschnitt und der vierte Begrenzungsabschnitt die dritte Aufnahme bilden, wobei der dritte Begrenzungsabschnitt eine dritte Öffnung bildet, so dass ein Partikel durch die dritte Öffnung in die dritte Aufnahme gelangen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Begrenzungsabschnitt zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die erste Öffnung definieren. Zusätzlich oder alternativ weist der zweite Begrenzungsabschnitt zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die zweite Öffnung definieren. Vorzugsweise ist der dritte Begrenzungsabschnitt einteilig. Vorzugsweise liegt der dritte Abschnitt auf der Längsachse des Vorrichtungskanals und erstreckt sich nicht über den gesamten Querschnitt des Vorrichtungskanals. Dadurch kann Fluid, das in den Vorrichtungskanal über die Vorrichtungsöffnung einströmt, den Vorrichtungskanal auf der der Vorrichtungsöffnung gegenüberliegenden Seite des Vorrichtungskanals verlassen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Begrenzungsabschnitt zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die erste Öffnung definieren. Zusätzlich oder alternativ weist der zweite Begrenzungsabschnitt zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die zweite Öffnung definieren. Zusätzlich oder alternativ weist der dritte Begrenzungsabschnitt zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die dritte Öffnung definieren. Vorzugsweise ist der vierte Begrenzungsabschnitt einteilig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Begrenzungsabschnitte entlang einer Achse zueinander beabstandet, wobei der zweite Begrenzungsabschnitt zwischen dem ersten Begrenzungsabschnitt und dem dritten Begrenzungsabschnitt angeordnet ist.
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Insbesondere ist der dritte Begrenzungsabschnitt zwischen dem zweiten Begrenzungsabschnitt und dem vierten Begrenzungsabschnitt angeordnet ist, wenn ein vierter Begrenzungsabschnitt vorgesehen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Positionierungsvorrichtung spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, wobei die Ebene durch die erste Öffnung und die zweite Öffnung verläuft und vorzugsweise nicht die Abschnittsteile der ersten Begrenzungsstruktur und die Abschnittsteile der zweiten Begrenzungsstruktur schneidet, wobei die Ebene vorzugsweise die dritte Begrenzungsstruktur schneidet.
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Alternativ ist die Positionierungsvorrichtung spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, wobei die Ebene durch die erste Öffnung, die zweite Öffnung und die dritte Öffnung verläuft und vorzugsweise nicht die Abschnittsteile des ersten Begrenzungsabschnitts, die Abschnittsteile des zweiten Begrenzungsabschnitts und die Abschnittsteile des dritten Begrenzungsabschnitts schneidet, wobei die Ebene vorzugsweise den vierte Begrenzungsabschnitt schneidet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Begrenzungsstruktur derart ausgebildet, dass ein starres kugelförmiges Objekt, das sich vorzugsweise vollständig in der ersten Aufnahme befindet, an einer Bewegung in Richtung der ersten Öffnung und an einer Bewegung in Richtung der zweiten Öffnung gehindert ist, wenn das Objekt einen derart großen Durchmesser hat, dass es weder die erste Öffnung noch die zweite Öffnung passieren kann, und den ersten Begrenzungsabschnitt und den zweiten Begrenzungsabschnitt kontaktiert, und/oder wobei die Begrenzungsstruktur derart ausgebildet ist, dass ein starres kugelförmiges Objekt, das sich vorzugsweise vollständig in der zweiten Aufnahme befindet, an einer Bewegung in Richtung der zweiten Öffnung und an einer Bewegung in entgegengesetzter Richtung gehindert ist, wenn das Objekt einen derart großen Durchmesser hat, dass es weder die erste Öffnung noch die zweite Öffnung passieren kann, und den zweiten Begrenzungsabschnitt und den dritten Begrenzungsabschnitt kontaktiert. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass insbesondere kugelförmige Partikel in der ersten und zweiten Aufnahme sicher positioniert werden können.
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Zusätzlich oder alternativ ist die Begrenzungsstruktur derart ausgebildet, dass ein starres kugelförmiges Objekt, das sich vorzugsweise vollständig in der dritten Aufnahme befindet, an einer Bewegung in Richtung der dritten Öffnung und an einer Bewegung in entgegengesetzter Richtung gehindert ist, wenn das Objekt einen derart großen Durchmesser hat, dass es nicht die dritte Öffnung passieren kann, und den dritten Begrenzungsabschnitt und den vierten Begrenzungsabschnitt kontaktiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ein erstes Partikel und ein zweites Partikel auf. Dabei ist das erstes Partikel in der ersten Aufnahme positioniert und das zweites Partikel ist in der zweiten Aufnahme positioniert, wobei sich die Partikel vorzugsweise berühren, wobei das erste und zweite Partikel vorzugsweise ein Hydrogel umfassen, wobei vorzugsweise das erste Partikel eine oder mehrere Arten von Bindungsmolekülen, wie etwa Antikörper oder Aptamere, beinhaltet und das zweite Partikel eine oder mehrere biologische Zellen, Viren oder zelluläre Bestandteile beinhaltet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Aufnahme größer als die zweite Aufnahme. Dadurch kann ein größeres Partikel in der ersten Aufnahme positioniert werden und ein kleineres Partikel in der zweiten Aufnahme. Vorzugsweise ist die erste Aufnahme auch größer ist als die dritte Aufnahme. Insbesondere bevorzugt sind die zweite Aufnahme und die dritte Aufnahme gleich groß. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Aufnahme größer als die zweite Aufnahme und die zweite Aufnahme ist größer als die dritte Aufnahme. Dadurch kann zum Beispiel ein Partikel eines ersten Typs in der ersten Aufnahme, ein Partikel eines zweiten Typs in der zweiten Aufnahme und ein Partikel eines dritten Typs in der dritten Aufnahme positioniert werden. Vorzugsweise ist dann das Partikel ersten Typs größer als das Partikel zweiten Typs, welches wiederum größer ist als das Partikel dritten Typs. Dadurch können Partikel unterschiedlicher Typen miteinander gepaart werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Öffnung größer als die zweite Öffnung. Das hat den Vorteil, dass ein Partikel, dass größer ist als die zweite Öffnung aber kleiner ist als die erste Öffnung in der ersten Aufnahme gehalten werden kann, wenn ein Fluid durch die erste Öffnung in den Vorrichtungskanal strömt. Wird die Strömungsrichtung umgekehrt, kann das Partikel durch die erste Öffnung den Vorrichtungskanal verlassen, ohne dabei verformt werden zu müssen. Das Partikel kann damit auf einfache Weise und ohne zusätzliche Kraft mit der Strömung den Vorrichtungskanal verlassen.
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Dieser Vorteil wirkt sich auch bei einer erweiterten Ausführungsform aus, bei der die erste Öffnung größer ist als die dritte Öffnung und insbesondere die zweite und dritte Öffnung gleichgroß sind; das Partikel in der ersten Aufnahme kann unkompliziert durch bloße Strömungsumkehr aus der ersten Aufnahme befördert werden, währenddessen das zweite Partikel in der zweiten Aufnahme und das dritte Partikel in der dritten Aufnahme gehalten werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Öffnung größer als die zweiten Öffnung und die zweiten Öffnung größer als die dritte Öffnung.
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Ferner betrifft die Erfindung ein System aufweisend eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung und mindestens eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die erste Vorrichtung und die zweite Vorrichtung über einen Verbindungskanal derart verbunden sind, dass ein Partikel, das an der Verzweigungsstelle der ersten Vorrichtung in den Bypasskanal strömt, über den Verbindungskanal in die Verzweigungsstelle der zweiten Vorrichtung gelangen kann. Vorzugsweise umfasst das System eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Da bereits die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik eine enorme Platzersparnis gewährleistet, gilt dies in besonderem Maße für das System. Das erfindungsgemäße System erlaubt es, eine deutlich höhere Anzahl von Partikeln zu behandeln und zu analysieren. Dadurch kann die Produktivität von biotechnologischen Verfahren deutlich gesteigert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbindungskanal einen Einlassabschnitt auf, wobei der Einlassabschnitt mit der Verzweigungsstelle der zweiten Vorrichtung verbunden ist. Vorzugsweise sind der Einlassabschnitt und der Vorrichtungskanal der zweiten Vorrichtung koaxial oder die Achse des Einlassabschnitts und die Achse des Vorrichtungskanals bilden einen Winkel von -45° bis 45°. Aufgrund dieser Anordnung ist ein geringerer Impuls erforderlich, um ein Partikel in den Vorrichtungskanal zu bewegen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verbindungskanal einen Verlängerungsabschnitt auf. Der Verlängerungsabschnitt ist vorzugsweise schlangenförmig. Vorzugsweise erstreckt sich der Verlängerungsabschnitt quer oder schräg zu der Achse des Vorrichtungskanals der ersten Vorrichtung und des Vorrichtungskanals der zweiten Achse, die insbesondere bevorzugt koaxial sind. Auf diese Weise verbleibt eine dichte Anordnung der Vorrichtungen bei gleichzeitiger Verlängerung des Strömungswegs der Partikel von einer Vorrichtung zur anderen. Für bestimme Anwendungen ist ein längerer Strömungsweg und eine längere Strömungsdauer von Partikeln erforderlich oder vorteilhaft.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur sequentiellen Positionierung von Partikeln in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfasst: Bewegen eines ersten Partikels in die erste Aufnahme, so dass das erste Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das erste Partikel die erste Öffnung passiert; Bewegen des ersten Partikels in die zweite Aufnahme, so dass das erste Partikel in der zweiten Aufnahme positioniert ist, wobei das erste Partikel die zweite Öffnung passiert; Bewegen eines zweiten Partikels in die erste Aufnahme, so dass das zweite Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das zweite Partikel die erste Öffnung passiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den nachstehenden Schritt: Bewegen des zweiten Partikels durch die erste Öffnung, so dass das zweite Partikel die erste Aufnahme verlässt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die nachstehenden Schritte: Bewegen des ersten Partikels in die erste Aufnahme, so dass das erste Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das erste Partikel die zweite Öffnung passiert; Bewegen des ersten Partikels durch die erste Öffnung, so dass das erste Partikel die erste Aufnahme verlässt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Bewegen des ersten oder zweiten Partikels in die erste Aufnahme (wobei das erste oder zweite Partikel die erste Öffnung passiert) durch Erhöhung des Impulses des Partikels, wenn das Partikel an der Verzweigungsstelle ist, wobei die Erhöhung des Impulses derart erfolgt, dass der Impuls einen Schwellenwert erreicht, wobei bei Nichterreichung des Schwellenwerts das Partikel in den Bypasskanal strömt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Partikel elastisch und größer als die erste Öffnung und als die zweite Öffnung. Zusätzlich oder alternativ ist das zweite Partikel elastisch und größer als die erste Öffnung und als die zweite Öffnung. Die Elastizität führt dazu, dass das jeweilige Partikel durch die jeweilige Öffnung gequetscht werden kann, wohingegen ein entsprechendes starres Partikel die Öffnung nicht passieren könnte. Vorzugsweise ist das Partikel nach Passieren der Öffnung wieder in einem nicht verformten Zustand. Vorzugsweise haben die Partikel die gleiche Elastizität und/oder die gleiche Masse und/oder die gleiche Größe. Alternativ haben die Partikel unterschiedliche Elastizitäten und/oder die unterschiedliche Massen und/oder die unterschiedliche Größen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bewegen eines Partikels durch die Strömung eines Fluids bewirkt, in dem sich das Partikel befindet, wobei durch Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit die Partikelgeschwindigkeit eingestellt wird, so dass dem Partikel ein Impuls verliehen wird, um die betreffende Öffnung zu passieren, wobei vorzugsweise die Strömungsgeschwindigkeit die einzige Stellgröße ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur sequentiellen Positionierung von Partikeln in einem erfindungsgemäßen System, wobei das Verfahren die nachstehenden Schritte umfasst: Bewegen eines ersten Partikels in die erste Aufnahme der ersten Vorrichtung, so dass das erste Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das erste Partikel die erste Öffnung der ersten Vorrichtung passiert; Bewegen eines zweiten Partikels in die erste Aufnahme der zweiten Vorrichtung, so dass das zweite Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das zweite Partikel die erste Öffnung der zweiten Vorrichtung passiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die nachstehenden Schritte: Bewegen des ersten Partikels in die zweite Aufnahme der ersten Vorrichtung, so dass das erste Partikel in der zweiten Aufnahme positioniert ist, wobei das erste Partikel die zweite Öffnung passiert; Bewegen des zweiten Partikels in die zweite Aufnahme der zweiten Vorrichtung, so dass das zweite Partikel in der zweiten Aufnahme positioniert ist, wobei das zweite Partikel die zweite Öffnung passiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den nachstehenden Schritt: Durchspülen der Positionierungsvorrichtung der ersten Vorrichtung und der Positionierungsvorrichtung der zweiten Vorrichtung mit einem Fluid, das eine Beadpopulation eines ersten Typs enthält.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die nachstehenden Schritte: Bewegen eines dritten Partikels in die erste Aufnahme der ersten Vorrichtung, so dass das dritte Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das dritte Partikel die erste Öffnung der ersten Vorrichtung passiert; Bewegen eines vierten Partikels in die erste Aufnahme der zweiten Vorrichtung, so dass das vierte Partikel in der ersten Aufnahme positioniert ist, wobei das vierte Partikel die erste Öffnung der zweiten Vorrichtung passiert; Durchspülen der Positionierungsvorrichtung der ersten Vorrichtung und der Positionierungsvorrichtung der zweiten Vorrichtung mit einem Fluid, das eine Beadpopulation eines zweiten Typs enthält.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur sequentiellen Positionierung von Partikeln in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur sequentiellen Positionierung von Partikeln in einem erfindungsgemäßen System.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kanalsystem, das mindestens zwei parallel zueinander verlaufende erfindungsgemäße umfasst, wobei das Kanalsystem mindestens eine erste Kanalverzweigungsstelle aufweist, welche die erste Vorrichtung des ersten Systems und die erste Vorrichtung des zweiten Systems derart miteinander verbindet, dass ein Partikel von der ersten Kanalverzweigungsstelle entweder in die Verzweigungsstelle der ersten Vorrichtung des ersten Systems oder in die Verzweigungsstelle der ersten Vorrichtung des zweiten Systems strömen kann.
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Vorzugsweise weist das Kanalsystem eine zweite Kanalverzweigungsstelle auf, welche die letzte Vorrichtung des ersten Systems und die letzte Vorrichtung des zweiten Systems derart miteinander verbindet, dass ein Partikel, welches aus dem ersten System über die letzte Vorrichtung ausströmt, und ein Partikel, welches aus dem zweiten System über die letzte Vorrichtung ausströmt, in die zweite Kanalverzweigungsstelle strömen kann.
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Die parallele Anordnung bietet den Vorteil einer schnelleren Beladung der Vorrichtungen mit Partikeln sowie kürzere Wege für die Partikel bis diese das jeweilige System verlassen. Dies erlaubt auch kürzere Waschzeiten, die etwa für Färbeverfahren wichtig sind. Insgesamt kann eine effizientere Umspülung erfolgen.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden anhand der nachstehenden Figuren beschrieben. Darin zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Systems,
- 3 eine mögliche Reihenfolge bei der Positionierung von Partikeln,
- 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 5 Verfahren zum Positionieren von Partikeln unterschiedlicher Größe,
- 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kanalsystems.
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Positionierungsvorrichtung 2 zur sequentiellen Positionierung von Partikeln. Die Positionierungsvorrichtung 2 weist eine starre Begrenzungsstruktur auf. Die Begrenzungsstruktur bildet eine erste Aufnahme 3 zur Positionierung eines Partikels und eine zweite Aufnahme 4 zur Positionierung eines Partikels. Die erste Aufnahme 3 und die zweite Aufnahme 4 sind in Reihe angeordnet. Die Positionierungsvorrichtung weist eine Vorrichtungsöffnung 5 auf, durch die Fluid in die Positionierungsvorrichtung 2 strömen kann. Die Positionierungsvorrichtung 2 weist einen Vorrichtungskanal auf, der sich von der Vorrichtungsöffnung 5 in die Positionierungsvorrichtung 2 hinein erstreckt, wobei der Vorrichtungskanal die erste Aufnahme 3 und die zweite Aufnahme 4 umfasst. Die Vorrichtung 1 weist einen ersten Bypasskanal 6 und einen zweiten Bypasskanal 7 auf. Die Vorrichtung weist eine Verzweigungsstelle 8 auf, wobei der Vorrichtungskanal, der erste Bypasskanal 6 und der zweite Bypasskanal 7 über die Verzweigungsstelle 8 derart verzweigt sind, dass ein Strömungsteilchen, das sich in der Verzweigungsstelle 8 befindet, in den ersten Bypasskanal 6, in den zweiten Bypasskanal 7 oder über die Vorrichtungsöffnung 5 in den Vorrichtungskanal strömen kann. Der Vorrichtungskanal weist einen größeren hydrodynamischen Widerstand als der erste Bypasskanal 6 und als der zweite Bypasskanal 7 auf.
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Die Begrenzungsstruktur weist einen ersten Begrenzungsabschnitt 9 auf, wobei der erste Begrenzungsabschnitt eine erste Öffnung 5 bildet, so dass ein Partikel durch die erste Öffnung 5 in die erste Aufnahme 3 gelangen kann. Zusätzlich weist die Begrenzungsstruktur einen zweiten Begrenzungsabschnitt 10 auf, wobei der zweite Begrenzungsabschnitt 10 eine zweite Öffnung 11 bildet, so dass ein Partikel durch die zweite Öffnung 11 in die zweite Aufnahme 4 gelangen kann. Die erste Öffnung 5 ist vorliegend identisch mit der Vorrichtungsöffnung 5.
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Der erste Begrenzungsabschnitt 9 und der zweite Begrenzungsabschnitt 10 bilden die erste Aufnahme 3 wobei die Positionierungsvorrichtung einen dritten Begrenzungsabschnitt 12 aufweist. Der zweite Begrenzungsabschnitt 10 und der dritte Begrenzungsabschnitt 12 bilden dabei die zweite Aufnahme 4.
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Der erste Begrenzungsabschnitt 9 weist zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die erste Öffnung 5 definieren. Zusätzlich weist der zweite Begrenzungsabschnitt 10 zwei getrennte Abschnittsteile auf, wobei die Abschnittsteile die zweite Öffnung 11 definieren. Der dritte Begrenzungsabschnitt 12 ist einteilig.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 100 aufweisend eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Dabei sind die erste Vorrichtung 1 und die zweite Vorrichtung 1 über einen Verbindungskanal 101 derart verbunden, dass ein Partikel, das an der Verzweigungsstelle 8 der ersten Vorrichtung in einen der beiden Bypasskanäle 6 oder 7 strömt, über den Verbindungskanal in die Verzweigungsstelle 8 der zweiten Vorrichtung 1 gelangen kann.
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Der Verbindungskanal 101 weist einen Einlassabschnitt 102 auf, wobei der Einlassabschnitt 102 mit der Verzweigungsstelle 8 der zweiten Vorrichtung 1 verbunden ist. Der gerade Einlassabschnitt 102 und der Vorrichtungskanal der zweiten Vorrichtung sind koaxial. Der Verbindungskanal 101 weist einen schlangenförmigen Verlängerungsabschnitt auf.
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3 zeigt eine mögliche Reihenfolge bei der Positionierung von Partikeln in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die linke Teilfigur zeigt die Vorrichtung mit einem ersten Partikel 200, das in der ersten Aufnahme 3 positioniert wurde. Das Partikel 200 ist elastisch und im nicht verformten Zustand kugelförmig. Es ist größer als die erste Öffnung 5. Mittels der Strömung wurde dem Partikel 200 ein hinreichend großer Impuls verliehen, sodass es die erste Öffnung 5 passieren konnte. Die mittlere Teilfigur zeigt das erste Partikel 200 in der zweiten Aufnahme 4. Dabei wurde mittels der Strömung der Impuls des Partikels 200 erhöht, sodass es die zweite Öffnung 11 passieren konnte. Die rechte Teilfigur zeigt ein zweites Partikel 201, dass in der ersten Aufnahme 3 positioniert ist. Das zweite Partikel 201 ist elastisch und im nicht verformten Zustand kugelförmig. Es ist größer als die erste Öffnung 5. Mittels der Strömung wurde der Impuls des zweiten Partikels 201 erhöht, sodass es die erste Öffnung 5 passieren konnte.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese ist bis auf zwei Unterschiede identisch mit der Ausführungsform gemäß 1. Der erste Unterschied besteht darin, dass die erste Aufnahme 3 größer ist als die zweite Aufnahme 4. Dies ist mithilfe der gestrichelten Kreise, die das Vorhandensein verschiedengroßer Partikel in den Aufnahmen andeuten, veranschaulicht.
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5 zeigt ein Verfahren zum Positionieren von Partikeln unterschiedlicher Größe. Dabei zeigen die 5a bis 5d aufeinanderfolgender Schritte bis zum Erreichen dieses Ergebnisses, wobei es im vorliegenden Beispiel aus verfahrenstechnischen Gründen gewünscht ist, als Vorstufe zwei gleichgroße Partikel sequentiell zu positionieren. 5a zeigt zunächst eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 4. Wie die Pfeile andeuten erfolgt eine Strömung eines Fluids von links nach rechts. Beim Fluid handelt es sich um eine Suspension.
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5b zeigt den Zustand, bei dem sich ein erstes Partikel in der ersten Aufnahme 3 und ein zweites Partikel in der zweiten Aufnahme 4 befinden. Die Partikel sind gleich groß und vom gleichen Typen. Sie wurden sequentiell in der oben beschriebenen Weise positioniert. Dabei fließt die Suspension nach wie vor von links nach rechts.
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Gemäß 5c erfolgt nun eine Umkehr der Strömungsrichtung. Diese bewirkt, dass das Partikel, welches sich in der ersten Aufnahme 3 befindet, in einfacher Weise die zweite Aufnahme 4 durch die erste Öffnung 5 verlassen kann. Denn das Partikel ist kleiner als die erste Öffnung 5. Die Strömungsumkehr bewirkt jedoch nicht, dass sich das zweite Partikel aus der zweiten Aufnahme 4 bewegt, denn es ist größer als die zweite Öffnung 11. Hierzu müsste die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, um es durch die zweite Öffnung 11 zu quetschen. Dieselbe Strömungsgeschwindigkeit reicht also aus, um das erste Partikel aus der ersten Aufnahme 3 zu befördern, genügt aber nicht, um das zweite Partikel aus der zweiten Öffnung 11 zu drücken.
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Gemäß 5d wird die Strömungsrichtung wieder umgekehrt, sodass die Suspension wieder von links nach rechts strömt. In der Suspension wird sodann ein Partikel eines zweiten Typs transportiert, bis es in der oben beschriebenen Weise in die erste Aufnahme 3 gelangt. Dieses Partikel ist größer als das Partikel in der zweiten Aufnahme 4.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 hat im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß 4 eine dritte Aufnahme 13 zur Positionierung eines weiteren Partikels. Dabei bilden der dritte Begrenzungsabschnitt 12 und der vierte Begrenzungsabschnitt 14 die dritte Aufnahme. Vorliegend ist die erste Aufnahme 3 größer als die zweite Aufnahme 4 und die dritte Aufnahme 13.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 6 ist die erste Aufnahme 3 größer als die zweite Aufnahme 4, welche wiederum größer ist als die dritte Aufnahme 13. In der ersten Aufnahme 3 befindet sich ein Partikel eines ersten Typs. In der zweiten Aufnahme 4 befindet sich ein Partikel eines zweiten Typs und in der dritten Aufnahme 13 befindet sich ein Partikel eines dritten Typs. Das Partikel ersten Typs ist größer als das Partikel zweiten Typs, das wiederum größer ist als das Partikel dritten Typs.
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8 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kanalsystems 16. Dieses umfasst acht parallel zueinander verlaufende Systeme 100a bis 100h mit einer Vielzahl von Vorrichtungen 1a bis 1z. Die Bezugszeichen für die Vorrichtungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur an dem oberen System 100a angebracht, sind aber entsprechend auf die restlichen Systeme anwendbar.
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Paarweise werden die Systeme über eine erste Kanalverzweigungsstelle 17 und eine zweite Kanalverzweigungsstelle 18. Dies soll am Beispiel der Systeme 100a und 100b erläutert werden. Die erste Kanalverzweigungsstelle 17 verbindet die erste Vorrichtung 1a des ersten Systems 100a und die erste Vorrichtung 1a des zweiten Systems 100b derart miteinander, dass ein Partikel von der ersten Kanalverzweigungsstelle entweder in die Verzweigungsstelle 8 der ersten Vorrichtung 1a des ersten Systems 100a oder in die Verzweigungsstelle 8 der ersten Vorrichtung 1a des zweiten Systems 100a strömen kann.
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Die zweite Kanalverzweigungsstelle 18 verbindet die letzte Vorrichtung 1z des ersten Systems 100a und die letzte Vorrichtung 1z des zweiten Systems 100b derart miteinander, dass ein Partikel, welches aus dem ersten System 100a über die letzte Vorrichtung 1z ausströmt, und ein Partikel, welches aus dem zweiten System 100b über die letzte Vorrichtung 1z ausströmt, in die zweite Kanalverzweigungsstelle 18 strömen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2019048713 A1 [0002, 0014]