DE10334341A1 - Kaskadierte hydrodynamische Fokussierung in Mikrofluidikkanälen - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren stellen einen Körperaufbau (28) mit einer Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen (30, 32, 34, 46, 48, 56, 58) bereit, welche einen Mittelkanal (30) und Fokussierungskanäle (32, 34, 46, 48, 56, 58) aufweisen, die mit dem Mittelkanal (30) über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36, 44, 60) in Fluidverbindung sind. Das Verfahren sorgt ferner für eine Strömung eines Probenfluids innerhalb des Mittelkanals (30), für Strömungen eines Hüllfluids in den Fokussierungskanälen (32, 34, 46, 48, 56, 58) und für die Steuerung oder Fokussierung der Strömung des Probenfluids durch Einstellen der Rate, mit der das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32, 34, 46, 48, 56, 58) und kaskadierten Verbindungen (36, 44, 60) und in den Mittelkanal (30) strömt. Die Vorrichtung und das Verfahren können für eine Steuerung oder eine Fokussierung einer Strömung eines Probenfluids in einem Mikrofluidikprozess brauchbar sein. Darüber hinaus können die Vorrichtung und das Verfahren zur Ermittlung von interessierenden Molekülen in einem Mikrofluidikprozess brauchbar sein.

Description

  • Hintergrund der Offenbarung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich generell auf Fluid-Transportphänomene und genauer gesagt auf die Steuerung einer Fluidströmung in Mikrofluidiksystemen und zur präzisen Lokalisierung von Partikeln/Molekülen in derartigen Fluidströmungen.
  • Kurze Beschreibung der verwandten Technologie
  • Die Miniaturisierung einer Vielzahl von Laboranalysen und -funktionen führt zu einer Anzahl von Vorteilen, wie beispielsweise zur Erzielung nennenswerter Einsparungen in der Zeit und den Kosten von Analysen, und in den Raumanforderungen für die die Analysen ausführenden Instrumente. Eine solche Miniaturisierung kann in Mikrofluidiksystemen verkörpert sein. Diese Systeme sind in der chemischen und biologischen Forschung von Nutzen, wie z.B. für eine DNA-Sequenzdarstellung und bei immunochromatischen Verfahren, bei der Blutanalyse und bei der Identifikation und Synthese eines weiten Bereichs von chemischen und biologischen Arten. Genauer gesagt sind diese Systeme bei der Trennung und beim Transport von biologischen Molekülen bei der Ausführung von Versuchen bzw. bei Proben verwendet worden (z.B. Enzymproben, Immunoproben, Rezeptorbindungsproben und andere Proben beim Ausblenden von Affektoren von biochemischen Systemen).
  • Generell verwenden Mikrofluidikprozesse und -vorrichtungen in typischer Weise mikroskopische Kanäle, durch die verschiedene Fluids transportiert werden. Innerhalb dieser Prozesse und Vorrichtungen können die Fluids mit zusätzlichen Fluids gemischt, Änderungen in der Temperatur, im pH-Wert und der Ionenkonzentration ausgesetzt werden und in Bestandselemente aufgeteilt werden. Weiterhin sind diese Vorrichtungen und Prozesse auch in bzw. bei anderen Technologien von Nutzen, wie beispielsweise bei der Tintenstrahl-Drucktechnologie. Die Anpassbarkeit von Mikrofluidikprozessen und -vorrichtungen kann zusätzliche Einsparungen in Verbindung mit den Kosten des menschlichen Faktors (oder des Fehlers) bei der Ausführung derselben Analysen oder Funktionen, wie beispielsweise Laborkosten und Kosten in Verbindung mit einem Fehler und/oder der Unvollkommenheit von menschlichen Verhalten mit sich bringen.
  • Die Fähigkeit, diese komplexen Analysen und Funktionen auszuführen, kann durch die Rate und den Wirkungsgrad beeinflusst werden, mit denen diese Fluids innerhalb eines Mikrofluidiksystems transportiert werden. Genauer gesagt beeinflusst die Rate, mit der die Fluids innerhalb dieser Systeme strömen, die Parameter, von denen die Ergebnisse der Analysen abhängen können. Wenn beispielsweise ein Fluid Moleküle enthält, deren Größe und Struktur zu analysieren sind, dann sollte das System so ausgelegt sein, dass gewährleistet ist, dass das Fluid die gegenständlichen Moleküle in korrekter Weise durch eine Detektiervorrichtung mit einer solchen Strömungsrate transportiert, dass die Vorrichtung die notwendigen Größen- und Strukturanalysen ausführen kann. Es gibt eine Vielzahl von Merkmalen, die in das Design von Mikrofluidiksystemen einbezogen werden können um sicherzustellen, dass die gewünschte Strömung erzielt wird. Genauer gesagt kann ein Fluid durch interne oder externe Quellen, wie integrierte Mikropumpen, und durch die Verwendung von mechanischen Ventilen zur Zurückleitung von Fluids transportiert werden. Die Nutzung von akustischer Energie, elektrohydrodynamischer Energie und anderen Mitteln, um eine Fluidbewegung zu bewirken, sind ebenfalls in Betracht gezogen worden. Diese leiden jedoch jeweils an gewissen Nachteilen, und an einer höchst bemerkenswerten Fehlfunktion. Darüber hinaus ad diert sich das jeweilige Vorhandensein jeweils in einem Mikrofluidiksystem zu den Kosten des Systems.
  • Mikrofluidiksysteme enthalten in typischer Weise eine Vielzahl von Mikrofluidikkanälen, die miteinander (und in Fluidverbindung miteinander stehend) und einem oder mehreren Fluidvorratsbehältern verbunden sind. Derartige Systeme können sehr einfach sein, lediglich einen oder zwei Kanäle und Sammel- bzw. Vorratsbehälter enthalten, oder sie können recht komplex sein, eine Vielzahl von Kanälen und Sammelbehältern enthalten. Mikrofluidikkanäle weisen generell zumindest eine Innenquerabrnessung auf, die kleiner ist als etwa 1 Millimeter (mm) und die in typischer Weise im Bereich von 0,1 Mikrometer (μm) bis etwa 500μm reicht. Die axialen Abmessungen dieser Mikrotransportkanäle können bis zu 10 Zentimeter (cm) oder mehr reichen.
  • Generell enthält ein Mikrofluidiksystem ein Netzwerk aus Mikrofluidikkanälen und Vorratsbehältern, die auf einem ebenen Substrat durch Ätzen, Spritzgießen, Prägen bzw. Herausarbeiten oder Stanzen aufgebaut sind. Lithografische und chemische Ätzverfahren, die durch die Mikroelektronikindustrie entwickelt worden sind, werden routinemäßig zur Herstellung von Mikrofluidikvorrichtungen auf Silizium- oder Glassubstraten angewendet. Entsprechende Ätzverfahren können auch ebenso für den Aufbau von Mikrofluidikvorrichtungen auf verschiedenen Polymersubstraten verwendet werden. Nach dem Aufbau des Netzwerks von Mikrofluidikkanälen und Vorratsbehältern auf dem ebenen Substrat wird das Substrat in typischer Weise mit einer oder mehreren planaren Schichten zusammengefügt, die die Kanal- und Vorratsbehälteroberseiten und/oder -unterseiten abdichten, während sie für Zugriffslöcher zur Fluideinspritzung und für Extraktionsanschlüsse sowie für elektrische Verbindungen sorgen, und zwar in Abhängigkeit von der Endanwendung der Vorrichtung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren
  • Für ein vollständigeres Verständnis der Offenbarung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden; in den Zeichnungen zeigen 1 schematisch eine Teilschnittansicht einer vergrößerten Mikrofluidikvorrichtung, die eine hydrodynamische Einzelschritt-(Nicht-Kaskadierungs)-Fluidfokussierung beispielhaft veranschaulicht,
  • 2 eine schematische Darstellung, die eine Teilschnittansicht einer vergrößerten Mikrofluidikvorrichtung veranschaulicht, die eine mehrschrittige (kaskadierende) hydrodynamische Fluidfokussierung gemäß der Offenbarung beispielhaft zeigt, und
  • 3 schematisch eine Teilschnittansicht einer vergrößerten Mikrofluidikvorrichtung, die eine mehrschrittige (kaskadierende) hydrodynamische Fluidfokussierung gemäß der Offenbarung beispielhaft veranschaulicht.
  • Während das angegebene Verfahren und die angegebene Vorrichtung für Ausführungsformen in verschiedenen Formen geeignet sind, sind in den Zeichnungsfiguren spezifische Ausführungsformen der Offenbarung dargestellt (und diese werden nachstehend beschrieben), und zwar mit dem Verständnis, dass die Offenbarung dazu dient, veranschaulichend zu sein, und nicht dazu dient, die Erfindung auf hier beschriebenen und dargestellten besonderen bzw. spezifischen Ausführungsbeispiele zu beschränken.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Wie hier benutzt, bezieht sich der Ausdruck (oder die Vorsilbe) "Mikro" generell auf strukturelle Elemente oder Merkmale einer Vorrichtung oder eine Komponente einer Vorrichtung, die zumindest eine hergestellte Dimension im Bereich von etwa 0,1 Mikrometer (μm) bis etwa 500μm aufweist. Somit werden beispielsweise eine Vorrichtung oder ein Prozess, die bzw. der hier als Mikrofluidikvorrichtung bzw. -prozess bezeichnet wird, zumindest ein strukturelles Merkmal mit einer derartigen Abmessung aufweisen. Der Ausdruck "Mikrofluidik" bezieht sich, wenn er benutzt ist, um ein Fluidikelement zu beschreiben, wie einen Kanal, eine Verbindung oder einen Vorratsbehälter, generell auf ein oder mehrere Fluidikelemente (z.B. Kanäle, Verbindungen und Vorratsbehälter), die zumindest eine innere Querschnittsabmessung (z.B. Tiefe, Breite, Länge und Durchmesser) besitzen, welche kleiner ist als etwa 500μm und welche in typischer Weise zwischen etwa 0,1μm und etwa 500μm liegt.
  • Der Ausdruck "hydraulischer Durchmesser", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Durchmesser, wie er in Tabelle 5-8 des Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6. Auflage, S. 5-25 (1984) definiert ist. Siehe auch Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7. Auflage, Seiten 6-12 bis 6-13 (1997). Eine derartige Definition betrifft Kanäle mit einem nichtkreisförmigen Querschnitt oder für offene Kanäle, und sie betrifft außerdem eine Strömung durch einen Ringraum.
  • Wie dem Durchschnittsfachmann bekannt, ist eine Reynolds-Zahl (NRe) eine von mehreren dimensionslosen Größen der Form: NRe = lνρ/μ die alle dem Verhältnis der Trägheitskraft zur Viskosekraft in einem Strömungssystem proportional sind. Genauer gesagt ist l eine charakteristische lineare Dimension des Strömungskanals, ν ist die lineare Geschwindigkeit, ρ ist die Fluiddichte und μ ist die Fluidviskosität. Ferner ist dem Durchschnittsfachmann der Begriff "Stromlinie" bekannt, der eine Linie definiert, die in der Strömungsrichtung an jedem Punkt zu einem gegebenen Zeitpunkt liegt. Der Begriff "laminare Strömung" definiert eine Strömung, in der die Stromlinien über ihre gesamte Länge voneinander getrennt bleiben. Die Stromlinien brauchen nicht gerade zu verlaufen oder die Strömung braucht nicht stetig zu sein, solange dieses Kriterium erfüllt ist. Siehe generell Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6. Auflage, S. 5-6, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6. Auflage, S. 5-6, (1984). Generell wird in dem Fall, dass die Reynolds-Zahl kleiner als oder gleich 2100 ist, die Strömung als laminar angenommen, und in dem Fall, dass die Reynolds-Zahl 2100 übersteigt, wird die Strömung als nicht-laminar (das heißt als turbulent) angenommen. Vorzugsweise sind hier die Fluidströmungen während der verschiedenen Mikrofluidikprozesse und in den verschiedenen Mikrofluidikvorrichtungen laminar.
  • Nunmehr wird auf die Zeichnungsfiguren Bezug genommen, in denen entsprechende Bezugszeichen dieselben oder entsprechende Elemente in den verschiedenen Figuren bezeichnen bzw. darstellen; 1 zeigt schematisch eine Teilschnittansicht einer vergrößerten Mikrofluidikvorrichtung, die eine einzelschrittige (nicht kaskadierende) hydrodynamische Fluidfokussierung beispielhaft veranschaulicht. Die Vorrichtung besitzt eine Körperstruktur 10 mit einem Mittelkanal 12 sowie mit symmetrischen ersten und zweiten Fokussierungskanälen 14 und 16 in Fluidverbindung mit dem Mittelkanal 12 über einen Verbindungsbereich bzw. eine Verbindung 18. Wie in 1 dargestellt, befindet sich der erste Fokussierungskanal 14 mit einem ersten Sammel- bzw. Vorratsbehälter 20 in Fluidverbindung, und der zweite Fokussierungskanal 16 befindet sich mit einem zweiten Sammel- bzw. Vorratsbehälter 22 in Fluidverbindung. Die voll ausgezogenen Pfeile bezeichnen die Strömungsrichtung durch die verschiedenen Kanäle 12, 14 und 16.
  • Wie veranschaulicht, besitzt der mittlere Kanal bzw. Mittelkanal 12 einen festen Innendurchmesser, der mit dc bezeichnet ist. In Strömungsaufwätsrichtung der Verbindung 18 strömt ein Probenfluid durch den Mittelkanal 12 mit einer Geschwindigkeit von v1 und nimmt darin einen Bereich ein, der generell einen hydraulischen Durchmesser von d1 besitzt, welcher durch die Innenwände des Mittelkanals 12 festgelegt ist. In Strömungsaufwärtsrichtung der Verbindung 18 ist d1 identisch mit dc. Ein Umhüllungsfluid strömt aus den ersten und zweiten Vorratsbehältern 20 bzw. 22 durch die ersten bzw. zweiten Fokussie rungskanäle 14, 16 und durch die Verbindung 18 mit einer Geschwindigkeit von vr1. Da die Geschwindigkeit der Strömungen des Umhüllungsfluids identisch ist und von den Dichten und Viskositäten der Umhüllungs- und Probenfluids abhängt, kombinieren sich die Strömungen des in den Mittelkanal 12 durch die Verbindung 18 eintretenden Umhüllungsfluids zur Bildung einer diskreten Umhüllung 24 um die Probenfluidströmung. Die Abgesondertheit der Umhüllung 24 ist dort sichergestellt, wo, wie oben erwähnt, die Fluidströmungen laminar sind. Auf der Strömungsabwärtsseite der Verbindung 18 strömt das Probenfluid durch den Mittelkanal 12 mit derselben Strömungsrate, jedoch mit einer unterschiedlichen (und höheren) Geschwindigkeit von v2 und nimmt darin einen Bereich ein, der generell einen hydraulischen Durchmesser von d2 aufweist. Die Strömungen des Umhüllungsfluids aus den ersten und zweiten Vorratsbehältern 20 und 22 kombinieren sich zur Bildung der Umhüllung 24 um das Probenfluid (eine Außenlinie des betreffenden Probenfluids ist durch die fortlaufende gestrichelte Stromlinie innerhalb des Mittelkanals 12 dargestellt).
  • Generell wird die in 1 dargestellte einschrittige (nicht kaskadierende) hydrodynamische Fokussierung durch die 3-Wege-Verbindung 18 durchgeführt, wenn das Umhüllungsfluid aus den Fokussierungskanälen 14 und 16 das Probenfluid in dem Mittelkanal 12 dichter zur Mittelachse des Mittelkanals 12 drückt, während die Geschwindigkeit des Probenfluids durch den Mittelkanal 12 von v1 auf v2 gesteigert wird. Diese Fokussierung ist in 1 durch fortlaufende gestrichelte Linien innerhalb des Mittelkanals 12 dargestellt. Jegliche Partikel (oder Moleküle), die in dem Probenfluid des Mittelkanals 12 auf der Strömungsaufwärtsseite der Verbindung 18 fein verteilt bzw. suspendiert sind, migrieren zur Mittelachse des Kanals 12, wenn das Fluid durch die Verbindung 18 und hinter dieser strömt. Eine räumliche Lokalisierung der Partikel (oder Moleküle) kann auf diese Weise gesteuert und fokussiert und in Strömungsabwärts-Operationen analysiert oder manipuliert werden.
  • Das maximal erzielbare Fokussierungsverhältnis in einem einzelnen Fokussierungsschritt wird durch die hydrodynamischen und geometrischen Zwangsbedingungen eingeschränkt, die einer asymptotischen Beziehung genügen. Genauer gesagt kann das Fokussierungsverhältnis (fs) durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, in der d1 und d2 hydraulische Durchmesser sind, wie dies oben beschrieben worden ist: fs = d1/d2
  • In idealer Weise ist ein hohes Fokussierungsverhältnis erwünscht. Für einen einzelnen bzw. einzigen Fokussierungsschritt wird bzw. ist dieses Verhältnis jedoch Beschränkungen ausgesetzt, wie jenen, die durch hydrodynamische Effekte, Druckgradienten und Kanalabmessungen auferlegt werden. Wenn beispielsweise der Druck in den Fokussierungskanälen zunimmt, ist die Strömung in dem Mittelkanal empfänglich für eine Rückströmung. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, dass in Abhängigkeit von der Strömungsrate im Mittelkanal auf der Strömungsaufwärtsseite der Verbindung in dem Fall, dass die Strömungsrate des (oder der Druck, der ausgeübt wird durch das) Umhüllungsfluid(s) in den Fokussierungskanälen zu groß ist, das Umhüllungsfluid nicht nur in den betreffenden Bereich des mittleren Kanals auf der Strömungsabwärtsseite der Verbindung strömen wird, sondern auch in Bereiche des mittleren Kanals, die auf der Strömungsaufwärtsseite der Verbindung liegen; dies ruft effektiv eine Rückströmung des Probenfluids hervor.
  • Es ist herausgefunden worden, dass derartige Beschränkungen dadurch überwunden werden können, dass mehrfache (oder mehrschrittige) kaskadierte Verbindungen verwendet werden, wobei das Probenfluid in jeder folgenden Verbindung inkremental fokussiert wird. Genauer gesagt veranschaulichen die 2 und 3 schematisch Teilschnittansichten von vergrößerten Mikrofluidikvorrichtungen, die eine mehrschrittige (kaskadierende) hydrodynamische Fluidfokussierung beispielhaft anwenden. Genauer gesagt weist in 2 die Vorrichtung eine Körperstruktur 28 mit einem Mittelkanal 30 und mit symmetrischen ersten und zweiten Fokussierungskanälen 32 bzw. 34 in Fluidverbindung mit dem Mittelkanal 30 über eine erste Verbindung 36 auf. Wie in 2 gezeigt, befindet sich der erste Fokussierungskanal 32 in Fluidverbindung mit einem ersten Vorratsbehälter 38, und der zweite Fokussierungskanal 34 befindet sich in Fluidverbindung mit einem zweiten Vorratsbehälter 40. Die voll ausgezogenen Pfeile geben die Strömungsrichtung der Strömung durch die verschiedenen Kanäle 30, 32 und 34 an.
  • Wie dargestellt, weist der Mittelkanal 30 einen mit dc bezeichneten festen Innendurchmesser auf. Auf der Strömungsaufwärtsseite der Verbindung 36 strömt ein Probenfluid aus einem (nicht dargestellten) Sammel- bzw. Vorratsbehälter und durch den Mittelkanal 30 mit einer Geschwindigkeit von v1 und nimmt einen Bereich darin ein, der generell einen hydraulischen Durchmesser von d1 besitzt, welcher durch die Innenwand des Mittelkanals 30 bestimmt ist. Ruf der Strömungsaufwärtsseite der Verbindung 36 ist d1 identisch mit dc. Ein Umhüllungs- bzw. Hüllfluid strömt aus den Vorratsbehältern 38 und 40 durch die Fokussierungskanäle 32 und 34 und durch die erste Verbindung 36 mit einer Geschwindigkeit von vr1. Da die Strömungsgeschwindigkeiten der Strömungen des Hüllfluids identisch sind und von den Dichten und Viskositäten der Hüll- und Probenfluids abhängen, kombinieren sich die Strömungen des in den Mittelkanal 30 eintretenden Hüllfluids durch die erste Verbindung 36 zur Bildung einer diskreten ersten Hülle bzw. Umhüllung 42 um die Probenfluidströmung. Die Abtrennung der ersten Hülle 42 ist dort sichergestellt, wo, wie oben erwähnt, die Fluidströmungen laminar sind. Auf der Strömungsabwärtsseite von der ersten Verbindung 36 aus strömt das Probenfluid durch den Mittelkanal 30 mit derselben Strömungsrate, jedoch mit einer unterschiedlichen (und höheren) Geschwindigkeit von v2 und nimmt einen Bereich darin ein, der generell einen hydraulischen Durchmesser von d2 besitzt. Die Strömungen des Hüllfluids aus den ersten und zweiten Vorratsbehältern 38 bzw. 40 kombinieren sich zur Bildung der ersten Hülle 42 um das Probenfluid (eine Außenlinie davon ist durch die fortlaufende gestrichelte Stromlinie innerhalb des Mittelkanals 30 angedeutet).
  • Eine zweite Verbindung 44 auf der Strömungsabwärtsseite (in Richtung der Strömung des Probenfluids im Mittelkanal 30) von der ersten Verbindung 36 kommuniziert zusätzliches Hüllfluid von symmetrischen dritten und vierten Fokussierungskanälen 46 bzw. 48 zu dem bzw. in den Mittelkanal 30, der bereits das von der ersten Hülle 42 umgebene Probenfluid enthält. Wie in 2 gezeigt, befindet sich der dritte Fokussierungskanal 46 mit einem dritten Sammel- bzw. Vorratsbehälter 50 in Fluidverbindung, und der vierte Fokussierungskanal 48 befindet sich mit einem vierten Sammel- bzw. Vorratsbehälter 52 in Fluidverbindung. Die durch volle Linien dargestellten Pfeile geben die Strömungsrichtung durch die verschiedenen Kanäle 30, 46 und 48 an.
  • Auf der Strömungsabwärtsseite der ersten Verbindung 36 und auf der Strömungsaufwärtsseite der zweiten Verbindung 44 strömt das Probenfluid durch den Mittelkanal 30 mit derselben Strömungsrate, jedoch mit einer unterschiedlichen (und höheren) Geschwindigkeit v2 und nimmt darin einen Bereich ein, der generell einen hydraulischen Durchmesser von d2 besitzt. Ein Umhüllungs- bzw. Hüllfluid strömt aus den dritten und vierten Vorratsbehältern 50 und 52 durch die dritten bzw. vierten Fokussierungskanäle 46 und 48 und durch die zweite Verbindung 44 mit einer Geschwindigkeit vr2. Da die Strömungsgeschwindigkeit der Hüllfluidströmungen identisch ist und von den Dichten und Viskositäten der Hüll- und Probenfluids abhängt, kombinieren bzw. vereinigen sich die Strömungen des in den Mittelkanal 30 eintretenden Hüllfluids durch die zweite Verbindung 44, um eine zweite diskrete Hülle 54 um die Strömung des Probenfluids und die erste Hülle 42 zu bilden. Die Strömungen des Hüllfluids von den dritten und vierten Vorratsbehältern 50 bzw. 52 kombinieren sich zur zweiten Hülle 54 um das Probenfluid herum (eine Außenlinie davon ist durch die fortlaufende gestrichelte Stromlinie innerhalb des Mittelkanals 30 angedeutet).
  • Zusammen umfassen die ersten und zweiten Verbindungen 36 und 44 und die Fokussierungskanäle (32, 34, 46 und 48), die mit dem Mittelkanal 30 über diese Verbindungen kommunizieren, eine Ausführungsform eines mehrstufigen (kaskadierenden) hydrodynamischen Fluid-Fokussierungsverfahrens und einer mehrstufigen (kaskadierenden) hydrodynamischen Fluidfokussierungsvorrichtung – genauer gesagt zwei Fokussierungsschritte oder -verbindungen. Wie in 2 gezeigt, kann die Vorrichtung zusätzliche Fokussierungskanäle 56 und 58 enthalten, die für eine Kommunikation bzw. Verbindung mit einem zusätzlichen Hüllfluid über eine zusätzliche bzw. über zusätzliche Verbindung(en) 60 mit dem Mittelkanal 30 imstande sind. Diese zusätzlichen Fokussierungskanäle kommunizieren bzw. stehen mit zusätzlichen Vorratsbehältern 62 und 64 in entsprechender Weise in Verbindung, die eine Quelle für das zusätzliche Hüllfluid sein können. Um den jeweiligen Fokussierungsschritt (fi) in einer Vorrichtung, wie der in 2 dargestellten einen Vorrichtung individuell zu steuern, kann der Druck im jeweiligen Vorratsbehälter (38, 40, 50, 52, 62 und 64) eingestellt werden, um die gewünschte Strömungsrate des Hüllfluids innerhalb der kommunizierenden Kanäle (32, 34, 46, 48, 56 und 58) hervorzubringen.
  • 3 veranschaulicht schematisch einen Teilschnitt einer vergrößerten Mikrofluidikvorrichtung, die eine mehrstufige (kaskadierende) hydrodynamische Fluidfokussierung beispielhaft anwendet. Generell ist diese Ausführungsform ähnlich jener, die in 2 dargestellt ist; in 3 besitzt die Vorrichtung jedoch eine Körperstruktur 66, die Fokussierungskanäle enthält, welche das Hüllfluid aus weniger (und gemeinsamen) Vorratsbehältern 68 und 70 beziehen bzw. ziehen. Entsprechend der 2 ist jedoch 3 imstande, für eine inkrementale hydrodynamische Fluidfokussierung zu sorgen. Zur individuellen Steuerung des jeweiligen Fokussierungsschritts (fi) in einer Vorrichtung, wie der in 3 dargestellten, bei der sämtliche (oder viele) der Fokussierungskanäle mit einem einzigen Vorratsbehälter in Verbindung stehen, können die Abmessungen der individuellen Fokussierungskanäle, die mit dem einzigen Vorratsbehälter verbunden sind, so ausgelegt sein, dass die gewünschte Strömungsrate des Hüllfluids innerhalb jener kommunizierender Kanäle hervorgerufen wird.
  • In einer Vorrichtung, wie den in 2 und 3 dargestellten Vorrichtungen, kann das durch n Fokussierungsschritte (oder Verbindungen) hervorgerufene Gesamtfokussierungsverhältnis (fn) durch die folgende Gleichung abgeleitet werden, in der fi den jeweiligen individuellen Fokussierungsschritt bezeichnet:
    Figure 00120001
  • Das Fokussierungsverhältnis des jeweiligen bestimmten Fokussierungsschritts (fi) kann dadurch eingestellt werden, dass die Strömungsrate des in den Kanal bei der entsprechenden Verbindung eintretenden Hüllfluids gesteuert wird. Alternativ kann das Fokussierungsverhältnis des jeweiligen bestimmten Fokussierungsschritts (fi) dadurch eingestellt werden, dass der durch das Hüllfluid auf das Probenfluid ausgeübte Druck gesteuert wird, wenn das Hüllfluid in den Mittelkanal an der entsprechenden Verbindung eintritt.
  • Für n Fokussierungsschritte (oder Verbindungen), die jeweils mit Fokussierungskanälen kommunizieren, welche Durchmesser von dfei besitzen, die mit einem einzigen Paar von Vorratsbehältern 68 und 70 verbunden sind (siehe 3) reduziert sich die vorstehende Gleichung zur Gleichung fn = (ƒs)n die für fs > 1 monoton zunimmt.
  • Die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Verbindungen brauchen nicht identisch zu sein, und sie können durch Durchschnittsfachleute auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung bestimmt werden. In entsprechender Weise brauchen die Längen und die hydraulischen Durchmesser der verschiedenen Mikrofluidikkanäle nicht miteinander identisch zu sein, und sie können auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung von Durchschnittsfachleuten bestimmt werden.
  • Als Ergebnis des Erhaltungsgesetzes von laminaren Strömungen nimmt die Geschwindigkeit des Probenfluids nach jeder aufeinanderfolgenden Verbindung zu. Um das Überschreiten der maximal zulässigen Fluidgeschwindigkeit zu vermeiden, sollten die Vorrichtung und das Verfahren unter Berücksichtigung der Geschwindigkeiten der Eingangsströmung (die beispielsweise eine Geschwindigkeit von v1 besitzt, wie in 2 und 3) und die Fokussierungsströmungen (die Geschwindigkeiten von beispielsweise vr1, vr2 und vi besitzen, wie in 2 und 3) ausgelegt werden. In der Situation, in der ein Mikrofluidiksystem zur Einzelmolekülermittelung (z.B. von interessierenden Molekülen bei Genom- oder DNA-Sequenzdarstellungsverfahren) in einer auf der Strömungsabwärtsseite vorgesehenen Detektiervorrichtung verwendet wird, können die vorstehenden Fokussierungseffekte dazu herangezogen werden, die Intermolekül-Distanzen bzw. die Abstände zwischen Molekülen innerhalb des Proben-(Molekül-tragenden)-Fluids inkremental zu strecken. Ausgehend von einem sehr engen Abstand zwischen benachbarten Molekülen können die Moleküle in zunehmenden Abständen voneinander beabstandet werden, wenn die Proben-(Molekül-führende)-Flüssigkeit den jeweils aufeinanderfolgenden Fokussierungsschritt passiert, bis zu einem Punkt hin, an dem die Moleküle hinreichend voneinander in Abstand vorgesehen sind, um eine schnelle und genaue Ermittlung durch die Detektiervorrichtung zu ermöglichen. Dies stellt immerhin einen Weg dar, auf dem eine hydrodynamische Fokussierung unter Verwendung einer Vielzahl von kaskadierten Verbindungen in Mikrofluidiksystemen brauchbar sein kann.
  • Obgleich laminare Fluidströmungen bevorzugt werden, wie zuvor erwähnt, können Diffusionseffekte sogar mit bzw. bei derartigen laminaren Strömungen vorhanden sein. Speziell können Diffusionseffekte realisiert werden, wenn die Zeitspanne zunimmt, innerhalb der das Hüllfluid in Kontakt mit dem Probenfluid verweilt. Der realisierte Effekt kann beispielsweise in dem Fall demonstriert werden, dass ein Probenfluid zehn interessierende Moleküle enthält. Da dieses Probenfluid durch den Mittelkanal strömt und mit einem Hüllfluid in Kontakt gelangt, wird seine Strömung gesteuert (oder fokussiert). Obwohl die Strömungen beider Fluids laminar sein können, werden dann, wenn die Zeitdauer zunimmt, während der das Hüllfluid und das Probenfluid miteinander in Kontakt sind, Diffusionskräfte bewirken, dass einige der zehn interessierenden Moleküle aus dem Strömungsprobenfluid in das Strömungshüllfluid diffundieren. Diese Diffusionskräfte können beispielsweise dadurch gesteuert werden, dass die Fluidströmungen eingestellt werden, dass die Zeitspanne, während der das Probenfluid mit dem Hüllfluid in Kontakt verweilt, eingestellt wird, dass geeignete Hüllfluids ausgewählt werden und/oder dass die Länge des Mittelkanals eingestellt wird. In bzw, bei gewissen Anwendungen können die Effekte einer Diffusion erwünscht (brauchbar bzw. nützlich) sein, während derartige Effekte in bzw. bei anderen Anwendungen nicht erwünscht sein können. Diese Diffusionseffekte können beispielsweise dazu nützlich sein, ein Fluiddetektiervolumen in dem Fall zu erhalten, dass lediglich ein einziges interessierendes Molekül anwesend ist.
  • Der hydraulische Durchmesser der Mikrofluidikkanäle beträgt jeweils vorzugsweise etwa 0,01μm bis etwa 500μm und stark bevorzugt etwa 0,1μm und 200μm und noch stärker bevorzugt etwa 1 μm bis etwa 100μm, und sogar noch stärker bevorzugt vorzugsweise etwa 5μm bis etwa 20μm. Die verschiedenen Fokussierungskanäle (32, 34, 46, 48, 56 und 58) können dieselben oder unterschiedliche hydraulische Durchmesser besitzen. Vorzugsweise weisen symmetrische Fokussierungskanäle gleiche oder im wesentlichen gleich große hydraulische Durchmesser auf. In Ab hängigkeit von der besonderen Anwendung können die verschiedenen Fokussierungskanäle hydraulische Durchmesser besitzen, die geringer als (oder größer als) der hydraulische Durchmesser des Mittelkanals sind.
  • Generell strömt das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle und kaskadierten Verbindungen mit unterschiedlichen Strömungsraten bezogen aufeinander. Vorzugsweise sind jedoch die Fluidströmungen des Fluids durch symmetrische Fokussierungskanäle gleich oder im wesentlichen gleich. Darüber hinaus kann das Hüllfluid durch die jeweiligen Fokussierungskanäle und die jeweiligen kaskadierten Verbindungen mit einer höheren Strömungsrate strömen als mit der Strömungsrate, mit der das Fluid durch den Mittelkanal unmittelbar in Strömungsaufwärtsrichtung der jeweiligen Verbindungen strömt.
  • Die Körperstruktur bzw. der Körperaufbau der hier beschriebenen Mikrofluidikvorrichtung und des hier beschriebenen Mikrofluidikverfahrens enthält in typischer Weise eine Ansammlung von zwei oder mehr gesonderten Substraten, die dann, wenn sie in geeigneter Weise zusammengebracht oder verbunden werden, die gewünschte Mikrofluidikvorrichtung bilden, welche beispielsweise die hier beschriebenen Kanäle und/oder Kammern enthält. In typischer Weise kann die hier beschriebene Mikrofluidikvorrichtung obere und untere Substratbereiche und einen inneren Bereich enthalten, wobei der innere Bereich im wesentlichen die Kanäle, Verbindungen und Vorratsbehälter der Vorrichtung festlegt.
  • Geeignete Substratmaterialien enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf ein Elastomer, Glas, ein auf Silizium basiertes Material, Quarz, Quarzglas, Saphir, polymerisches Material und Mischungen daraus. Das polymerische Material kann ein Polymer oder Copolymer sein, welches Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat, Polytetrafluorethylen (z.B. TEFLONTM), Polyvinylchlorid (PVC), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polysulfon und Mischungen daraus enthält, ohne darauf beschränkt zu sein. Der artige Polymersubstratmaterialien werden aufgrund ihrer leichten Herstellung, ihrer geringen Kosten und ihrer Verfügbarkeit sowie aufgrund ihrer generellen Inaktivität bevorzugt. Derartige Substrate werden unter Anwendung verfügbarer Mikroherstellungstechniken und Formungsverfahren leicht hergestellt, wie durch Spritzgießen, Prägen bzw. Pressen oder Stanzen, oder durch Polymerisierung eines polymerischen Vorläufermaterials innerhalb der Form. Die Oberflächen des Substrats können mit Materialien behandelt werden bzw. sein, die üblicherweise in Mikrofluidikvorrichtungen vom Durchschnittsfachmann verwendet werden, um verschiedene Strömungscharakteristiken zu verbessern.
  • Die Anwendung einer Vielzahl von kaskadierten Verbindungen in der hier beschriebenen Art und Weise führt zu Mikrofluidik-Strömungssystemen, die keine konventionelle Strömungssteueranlage benötigen, wie interne oder externe Druckquellen, wie integrierte Mikropumpen oder mechanische Ventile, um die Fluids zurückzuleiten. Die Anwendung von akustischer Energie, elektrohydrodynamischer Energie und anderer elektrischer Mittel, um eine Fluidbewegung zu bewirken, sind ebenfalls nicht notwendig, wenn die Vielzahl von kaskadierten Verbindungen in der hier beschriebenen Weise verwendet wird. Ohne die konventionelle Ausrüstung bzw. Einrichtung ist eine geringe Wahrscheinlichkeit für eine Systemfehlfunktion und die mit dem Betrieb und der Herstellung derartiger Systeme verbundenen Gesamtkosten gegeben.
  • Die hier beschriebenen Mikrofluidikprozesse und -vorrichtungen können als Teil eines größeren Mikrofluidiksystems angewendet werden, wie in Verbindung mit der Instrumentierung zur Überwachung eines Fluidtransports, mit einer Detektierinstrumentierung zur Ermittlung oder Feststellung von Ergebnissen der durch das System ausgeführten Operationen, mit Prozessoren, z.B. Computern zur Befehlsabgabe an die Überwachungsinstrumentierung entsprechend vorprogrammierten Befehlen, zum Empfang von Daten von der Detektierinstrumentierung und zur Analyse, Speicherung und Interpretierung der Daten sowie zur Bereitstellung der Daten und Interpretationen in einem leicht zugänglichen Berichtsformat.
  • Die vorstehende Beschreibung ist lediglich zur Klarheit eines Verständnisses gegeben worden, und daraus sollten nicht unnötige Beschränkungen verstanden bzw. abgeleitet werden, da Modifikationen im Rahmen der Offenbarung für Durchschnittsfachleute ersichtlich sein können.

Claims (40)

  1. Vorrichtung, die zur Steuerung oder zur Fokussierung einer Strömung eines Probenfluids in einem Mikrofluidikprozess brauchbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Körperstruktur (28; 66) mit einer Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen (30,32,34,46,48,56,58) vorgesehen ist, die einen Mittelkanal (30) und Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) aufweisen, welche über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36,44,60) mit dem Mittelkanal (30) in Fluidverbindung sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelkanal (30) mit einem das Probenfluid enthaltenden Sammel- bzw. Vorratsbehälter (38,40,50, 52, 62, 64; 68, 70) in Fluidverbindung ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungskanäle (32,34,46,48, 56,58) mit einem oder mehreren Sammel- bzw. Vorratsbehältern (38,40,50,52,62,64;68,70) in Fluidverbindung sind, von denen jeder Behälter ein Hüllfluid enthält.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperstruktur (28; 66) ein Material ist bzw. aus einem Material besteht, welches aus der ein Elastomer, Glas, ein Material auf Siliziumbasis, Quarz, Quarzglas, Saphir, Polymermaterial und Mischungen daraus enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein Polymer oder ein Copolymer ist, welches aus der Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polytetrafluoräthylen, Polyvinylchlorid, Polydimenthylsiloxan, Polysulfon und Mischungen daraus enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Mikrofluidikkanäle (30,32,34, 46,48,56,58) einen hydraulischen Durchmesser besitzt und dass die hydraulischen Durchmesser der Fokussierungskanäle (32,34, 46,48,56,58) alle gleich sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikkanäle (30,32,34,46,48, 56,58) einen hydraulischen Durchmesser besitzen und dass der hydraulische Durchmesser jedes der Fokussierungskanäle kleiner ist als der hydraulische Durchmesser des Mittelkanals (30).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikkanäle (30,32,34,46,48, 56,58) jeweils einen hydraulischen Durchmesser besitzen und dass der hydraulische Durchmesser der Fokussierungskanäle jeweils größer ist als der hydraulische Durchmesser des Mittelkanals (30).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikkanäle (30,32,34,46,48, 56,58) jeweils einen hydraulischen Durchmesser von etwa 0,01 Mikrometer (μm) bis etwa 500μm aufweisen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser etwa 0,1μm und 200μm beträgt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser etwa 1μm bis etwa 100μm beträgt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser etwa 5μm bis 20μm beträgt.
  13. Verfahren, das zur Steuerung oder zur Fokussierung der Strömung eines Probenfluids in einem Mikrofluidikprozess brauchbar bzw. geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, (a) dass eine Körperstruktur (28; 66) mit einer Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen (30,32,34,46, 48,56,58) bereitgestellt wird, die einen Mittelkanal (30) sowie Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) aufweisen, welche mit dem Mittelkanal (30) über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36,44,60) in Fluidverbindung sind, (b) dass eine Strömung eines Probenfluids innerhalb des Mittelkanals (30) hervorgerufen wird, (c) dass Strömungen eines Hüllfluids in den Fokussierungskanälen (32,34,46,48,56,58) hervorgerufen werden und (d) dass die Strömung des Probenfluids dadurch gesteuert oder fokussiert wird, dass die Rate eingestellt wird, mit der das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32,34,46,48, 56,58) und kaskadierten Verbindungen (36,44,60) und in den Mittelkanal (30) strömt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Probenfluids laminar ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungen des Hüllfluids laminar sind.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) und kaskadierten Verbindungen (36,44, 60) mit unterschiedlichen Strömungsraten relativ zueinander strömt.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllfluid durch die jeweiligen Fokussierungskanäle und die jeweiligen kaskadierten Verbindungen (36,44,60) mit einer Strömungsrate strömt, die größer ist als die Rate, mit der das Fluid durch den Mittelkanal (30) unmittelbar in Strömungsaufwärtsrichtung der jeweiligen Verbindungen strömt.
  18. Verfahren, das zur Ermittlung von Molekülen in einem Mikrofluidikprozess brauchbar bzw. geeignet ist, gekennzeichnet durch die Schritte (a) Bereitstellen einer Körperstruktur (28; 66) mit einer Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen (30, 32,34,46,48,56,58), die einen Mittelkanal (30) sowie Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) umfassen, welche mit dem Mittelkanal (30) über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36,44,60) in Fluidverbindung sind, (b) Bereitstellen einer Strömung aus dem Probenfluid innerhalb des Mittelkanals (30), wobei das Probenfluid interessierende Moleküle enthält, die um einen Abstand voneinander entfernt sind, (c) Bereitstellen von Strömungen eines Hüllfluids in den Fokussierungskanälen (32,34,46,48,56,58), (d) Steuern oder Fokussieren der Strömung des Probenfluids durch Einstellen der Rate, mit der das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) und die kaskadierten Verbindungen (36,44,60) und in den Mittelkanal (30) strömt, (e) Vergrößern des Abstands zwischen den Molekülen innerhalb des Probenfluids, um eine Einzelmolekül-Ermittlung in einer Detektiervorrichtung zu ermöglichen, und (f) Ermitteln der Moleküle in der Detektiervorrichtung.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Probenfluids laminar ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hüllfluids laminar ist.
  21. Vorrichtung mit einer Körperstruktur, die eine Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Mikrofluidikkanäle einen Mittelkanal (30) und Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) aufweist, die mit dem Mittelkanal (30) über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36,44,60) in Fluidverbindung sind.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelkanal (30) mit einem ein Probenfluid enthaltenden Sammel- bzw. Vorratsbehälter (38,40,50, 52,62,64;68,70) in Fluidverbindung ist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungskanäle (32,34,46,48, 56,58) mit einem oder mehreren Vorratsbehältern (38,40,50,52, 62,64;68,70) in Fluidverbindung sind, von denen jeder Vorratsbehälter ein Hüllfluid enthält.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperstruktur (28; 66) aus einem Material besteht, welches aus der ein Elastomer, Glas, ein Material auf Siliziumbasis, Quarz, Quarzglas, Saphir, Polymermaterial und Mischungen daraus enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein Polymer oder ein Copolymer ist, welches aus der Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polytetrafluoräthylen, Polyvinylchlorid, Polydimenthylsiloxan, Polysulfon und Mischungen daraus enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Mikrofluidikkanäle (30,32,34, 46,48,56,58) einen hydraulischen Durchmesser besitzt und dass die hydraulischen Durchmesser der Fokussierungskanäle (32,34, 46,48,56,58) alle gleich sind.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikkanäle (30,32,34,46,48, 56,58) einen hydraulischen Durchmesser besitzen und dass der hydraulische Durchmesser jedes der Fokussierungskanäle (32,34, 46,48,56,58) kleiner ist als der hydraulische Durchmesser des Mittelkanals (30).
  28. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikkanäle (30,32,34,46,48, 56,58) jeweils einen hydraulischen Durchmesser besitzen und dass der hydraulische Durchmesser der Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) jeweils größer ist als der hydraulische Durchmesser des Mittelkanals (30).
  29. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofluidikkanäle (30,32,34,46,48, 56,58) jeweils einen hydraulischen Durchmesser von etwa 0,01 Mikrometer (μm) bis etwa 500μm besitzen.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser etwa 0,1μm und 200μm beträgt.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser etwa 1μm bis etwa 100μm beträgt.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser etwa 5μm bis 20μm beträgt.
  33. Verfahren, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer Körperstruktur (28; 66) mit einer Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen (30, 32,34,46,48,56,58, die einen Mittelkanal (30) sowie Fokussierungskanäle (32,34, 46,48,56,58) aufweisen, welche mit dem Mittelkanal (30) über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36,44, 60) in Fluidverbindung sind, (b) Hervorrufen einer Strömung eines Probenfluids innerhalb des Mittelkanals (30), (c) Hervorrufen von Strömungen eines Hüllfluids in den Fokussierungskanälen (32,34,46,48,56,58), (d) Steuern oder Fokussieren der Strömung des Probenfluids dadurch, dass die Rate eingestellt wird, mit der das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32,34,46,48, 56,58) und die kaskadierten Verbindungen (36,44,60) und in den Mittelkanal (30) strömt.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Probenfluids laminar ist.
  35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungen des Hüllfluids laminar sind.
  36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) und die kaskadierten Verbindungen (36,44,60) mit unterschiedlichen Strömungsraten relativ zueinander strömt.
  37. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllfluid durch die jeweiligen Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) und die jeweiligen kaskadierten Verbindungen (36,44,60) rnit einer Strömungsrate strömt, die größer ist als die Rate, mit der das Fluid durch den Mittelkanal (30) unmittelbar in Strömungsaufwärtsrichtung der jeweiligen Verbindungen (36,44,60) strömt.
  38. Verfahren, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen einer Körperstruktur (28; 66) mit einer Vielzahl von darin hergestellten Mikrofluidikkanälen (30, 32,34,46,48,56,58), die einen Mittelkanal (30) sowie Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) umfassen, welche mit dem Mittelkanal (30) über eine Vielzahl von kaskadierten Verbindungen (36,44,60) in Fluidverbindung sind, (b) Bereitstellen einer Strömung aus dem Probenfluid innerhalb des Mittelkanals (30), wobei das Probenfluid interessierende Moleküle enthält, die um einen Abstand voneinander entfernt sind, (c) Bereitstellen von Strömungen eines Hüllfluids in den Fokussierungskanälen (32,34,46,48,56,58), (d) Steuern oder Fokussieren der Strömung des Probenfluids durch Einstellen der Rate, mit der das Hüllfluid durch die Fokussierungskanäle (32,34,46,48,56,58) und die kaskadierten Verbindungen (36,44,60) und in den Mittelkanal (30) strömt, (e) Vergrößern des Abstands zwischen den Molekülen innerhalb des Probenfluids, um eine Einzelmolekül-Ermittlung in einer Detektiervorrichtung zu ermöglichen, und (f) Ermitteln der Moleküle in der Detektiervorrichtung.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Probenfluids laminar ist.
  40. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Hüllfluids laminar ist.
DE10334341A 2002-08-30 2003-07-28 Kaskadierte hydrodynamische Fokussierung in Mikrofluidikkanälen Withdrawn DE10334341A1 (de)

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US10/232,170 US20040043506A1 (en) 2002-08-30 2002-08-30 Cascaded hydrodynamic focusing in microfluidic channels
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