DE4017709C2 - Verfahren und Vorrichtung zum gesteuerten Aussondern von fluiden Substanzen aus einer Fluidströmung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum gesteuerten Aussondern von fluiden Substanzen aus einer FluidströmungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zum
Durchführen des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 29.
Zwei Verfahren von praktischem Wert und mehrere auf diesem
Verfahren basierende Vorrichtungen zum Sortieren individueller
Teilchen, wie Zellen und Chromosomen, aus einer
Suspension sind, wie im folgenden angegeben, bereits
bekannt. Unter Verwendung des einen dieser Verfahren ist
kürzlich eine Vorrichtung zum Verteilen von Tropfen entwickelt
worden. Auch
diese Vorrichtung wird nachfolgend beschrieben.
Das ältere Verfahren wird oft als das "Jet-Verfahren" oder als
das "Offene Verfahren" bezeichnet; hierzu wird beispielsweise
hingewiesen auf "Electronic Separation of Biological Cells by
Volume", M. J. Fulwyler, Science, Band 150, Nov. 1965,
910/911. Das ältere Verfahren arbeitet auf folgende Weise:
Eine etwa 10 µm starke Zentralströmung, die von einer Hüllströmung
mit einem äußeren Durchmesser von etwa 50 bis 100 µm
umgeben ist, wird durch den Auslaß eines als Düsenkammer bezeichneten
Hohlraums in eine Richtung nach unten in die Umgebungsluft
durch die Wirkung eines auf die Behälter der jeweiligen
Flüssigkeiten der beiden Strömungen ausgeübten Drucks
ausgestoßen. Die Teilchen oder Zellen werden innerhalb der
dünnen Zentralströmung zu dem Kreuzungspunkt eines sehr
energiereichen Laserstrahls und den optischen Achsen von zwei
Objektiven gebracht. Dort werden die Teilchengröße und eine
der physio-chemischen Komponenten durch Erfassen des an den
Teilchen gestreuten Lichts bzw. des von den Teilchen emittierten
Fluoreszenzlichts durch Sammeln in den Objektiven gemessen.
Die beiden Arten von Lichtimpulsen der passierenden Teilchen
oder Zellen werden mit Hilfe von Photomultipliern in elektrische
Impulse, die proportional zu den beiden Teilcheneigenschaften
sind, umgewandelt. Aus diesen Impulsen werden über
elektronische Mittel zwei Histogramme erhalten, die den Teilchentyp
der Suspension kennzeichnen. Gleichzeitig untersuchen
andere elektronische Mittel diese Impulse und bestimmen, ob
ein bestimmtes Teilchen aus der Suspension auszusortieren ist,
um nach dem Sortieren in einem entsprechenden Behälter gesammelt
zu werden.
Eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz von etwa 5×10⁴ Hz
wird mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers längs der kombinierten
offenen Strömung erzeugt, so daß die Strömung nach
wenigen mm in einen Strom von kleinen Tropfen aufbricht, von
denen einige die aus der Suspension auszusortierenden Teilchen
enthalten. Während des Sortierens wird der Strom in dem Moment
elektrisch beladen, in dem die Tröpfchen dabei sind auszubrechen,
so daß die Tröpfchen etwas elektrische Ladung mit sich
tragen. Ein elektrisches Feld von einigen tausend V/cm lenkt
diese Teilchen abhängig von deren Ladung zur einen oder anderen
Seite ab, wodurch die auszusortierende Teilchen enthaltenden
Tropfen in ihren zugehörigen Behältern gesammelt werden.
Tropfen, die nicht auszusortierende Teilchen enthalten, werden
nicht beladen, solche Tropfen fallen daher vertikal nach unten
und werden in einem mittleren Behälter gesammelt.
Ausgezeichnete Ergebnisse beim Sortieren von Zellen und Chromosomen
werden neuerdings berichtet für einen Teilchendurchflußbereich
von 700 bis 2200 (Zellen oder Chromosomen)/sec.
Es haben sich dabei auch ausgezeichnete Verteilungen der sortierten
Populationen ergeben. Hierzu wird verwiesen auf
"Analysis of Glycosaminoglycans of Flow Sorted Cells, etc.",
O. C. Blair et al., Cytology, Band 3, 1982, Nr. 3, 166-171, und
"Separation and Analysis of Human Chromosomes, etc.", J. G.
Collard et al., Cytometry, Band 5, 1984, 9-19.
Die empfindliche Form der offenen Strömung neigt jedoch stark
zu Instabilität mit der Folge einer entsprechenden Betriebsunsicherheit
des Verfahrens. In neueren Veröffentlichungen gibt
es zu diesem Nachteil des Sortierens ausführliche Kommentare.
Es wird beispielsweise verwiesen auf "Multistation
Multiparameters Flow Cytometry: Some Influences of Instrumental
Factors on System Performance", H. M. Shapiro et al., Cytometry,
Band 4, 1983, 11-19, und "Helpful Hints in Flow Cytometry
and Sorting", Ph. N. Dean, Cytometry, Band 6, 1985, 62-
64.
Weiterhin kann dieses kombinierte offene Strömungssystem sogar
durch die zu untersuchenden oder zu sortierenden Teilchen bzw.
Zellen selbst gestört werden, wenn diese Teilchen relativ zum
Strömungsdurchmesser zu groß sind. Es wird hierzu verwiesen
auf "The Influence of Particles on Jet Breakoff", R. T.
Stovel, J. Histochem. Cytochem., Band 25, 1977, Nr. 7, 813-
820.
Schließlich bringt auch die Verwendung einer energiereichen
Lichtquelle, z. B. eines Lasers, wegen der Raumaufwendigkeit
Nachteile. Im bekannten wird jedoch eine energiereiche Lichtquelle
gebraucht, weil nur schwach Licht sammelnde Objektive
sicher mit der offenen Düsenströmung kombiniert werden können,
wenn eine Befeuchtung des Objektivs durch die Strömung vermieden
werden soll. Außerdem kann das Erfordernis eines energiereichen
Lasers auch nachteilig sein, wenn besondere Sicherheitsvorschriften
erfüllt werden müssen.
Aus der US-PS 43 41 310 ist eine Vorrichtung zum Verteilen eines
Fluids bekannt, bei der die "Düsen-Methode" eingesetzt
wird. Hierbei soll das aufzuteilende Fluid als Strom
ungeladener Teilchen fließen, wobei die Menge des Stroms am
Ziel durch eine andere Strömung beladener Tröpfchen durch Kollision
der Tröpfchen beider Strömungen gesteuert wird. Dieses
offene Verteilsystem kann jedoch nicht ohne weiteres eingesetzt
werden, wenn umwelt-bedenkliche Fluide zu bearbeiten
sind, außerdem kann nach diesem Verfahren nur eine Strömung
bearbeitet werden.
Die verschiedenen Nachteile der ersten Methode, der Düsenmethode,
und die darauf basierenden Meßsysteme sind lange bekannt,
aus diesem Grunde war man bemüht, eine verbesserte,
nach anderen Prinzipien arbeitende Methode zu schaffen.
Die eingangs genannte zweite Methode zur Analyse und zum Sortieren
von Teilchen in einer Suspension wurde vom Anmelder erfunden;
vgl. DE-OS 27 16 095 und US-PS 41 75 662. Diese zweite Methode
arbeitet wie folgt: Die Kombination einer sehr dünnen Zentralströmung
und deren Hüllströmung werden in einer Düsenkammer
auf eine - flüchtig gesehen - ähnliche Weise wie beim ersten
Verfahren erzeugt. Die kombinierte Strömung fließt jedoch in
dem flachen Hauptkanal weiter, der selbst einen mit dem Düsenstrom
der ersten Methode vergleichbaren Querschnitt besitzt.
Der Hauptkanal verzweigt sich an seinem Ende in drei Auslaßkanäle.
Nicht nur die Düsenkammer und der Hauptkanal, sondern
auch die drei Auslaßkanäle werden mit ein und demselben, sehr
dünnen - etwa 100 µm dicken - Mikroskop-Deckglas überdeckt, so
daß die verschiedenen Strömungen alle in einem vollkommen verschlossenen
Kanalsystem fließen.
In dem geschlossenen System nach der genannten DE-OS 27 16 095
werden die innerhalb der Zentralströmung fließenden Zellen
oder Teilchen typisch nach einem optischen System analysiert.
Hierzu werden die Teilchen mit einem UV-Licht beleuchtet, das
mit Hilfe einer Quecksilberhochdrucklampe von 100 W erzeugt
wird. Die Lampe liefert ein UV-Licht von etwa 10 mW durch ein
sehr stark lichtsammelndes UV-Objektiv, das Teil eines Auflicht-
Mikroskops ist. Das dabei von geeignet gefärbten Teilchen
emittierte Fluoreszenzlicht wird durch dasselbe Objektiv
gesammelt, und die gesammelten Lichtimpulse werden mit Hilfe
eines einen Teil des Mikroskopsystems bildenden Photomultipliers
in elektrische Impulse umgewandelt. Da das Lichtsammelvermögen
dieses Objektivs rund 20- bis 30mal größer als bei
der ersten Methode ist, genügt die beschriebene einfache Lampe
zum Liefern des gleichen Fluoreszenzlichts wie ein Vier-Watt-
Argonlaser, der etwa 80 mW in dem quasi UV-Bereich leistet.
Nach der Analyse fließen die Teilchen weiter innerhalb der
Zentralströmung zu dem Kanalverzweigungsbereich, während die
entsprechenden elektrischen Impulse durch eine elektronische
Einrichtung, die entscheidet, ob das jeweilige Teilchen aus
der Suspension aussortiert werden soll oder nicht, analysiert
werden.
Bei dem Sortieren aus einer "Zweier-Besetzung" werden zwei
Gruppen von Teilchen oder Zellen aus ihrer Suspension
getrennt. Wenn die auszusortierenden Teilchen in den linken
Auslaßkanal strömen sollen, wird durch Elektrolyse eine Gasmenge
im rechten und im mittleren Kanal erzeugt, so daß diese
Kanäle vorübergehend für die aus dem Kanalverzweigungsbereich
kommende Strömung verschlossen werden und die ausgewählten
Teilchen zusammen mit etwa umgebendem Elektrolyt in den linken
Kanal gezogen werden, weil dort kein Gas erzeugt worden ist
und die Ansaugkapazität dieses Kanals während der Ablenkzeit
nicht vermindert ist. Wenn natürlich die Teilchen in den rechten
äußeren Kanal abgelenkt werden sollen, weil sie der zweiten
auszusortierenden Gruppe angehören, wird Gas im linken und
mittleren Auslaßkanal erzeugt. Schließlich werden Teilchen,
die weder zur einen noch zur anderen Gruppe gehören und nach
keiner Seite abzulenken sind, ohne Störung der Strömung in den
mittleren Auslaßkanal entlassen.
Die drei Teilsuspensionen werden in drei getrennten Flaschen
gesammelt. Die Flaschen werden auf dieselbe Saugpumpe geschaltet.
Die Saugpumpe soll einen Druck von 300 mm Hg, das
heißt ein Vakuum erzeugen, um den Elektrolyt (Suspension)
durch das Strömungssystem in die Flaschen zu ziehen. Dadurch
werden auch größere Gasblasen als bei Betrieb mit Atmosphärendruck
erzeugt.
Bei einem Trennverfahren mit Einfachbesetzung von auszusortierenden
Teilchen werden die Teilchen, die zu der Auswahlgruppe
gehören, nicht abgelenkt, sie verlassen das System daher durch
den mittleren Auslaßkanal. Alle anderen Teilchen werden abgelenkt.
Das Ablenken erfolgt jedoch abwechselnd in den linken
und rechten Kanal, um den Sortierer symmetrisch zu belasten.
Die angeschlossenen Kanäle arbeiten normalerweise in den Abfall.
Bei dieser Sortiermethode verbleiben die ausgewählten
Teilchen immer im reinen Elektrolyt, wenn im mittleren Auslaßkanal
kein Gas erzeugt wird. Diese Betriebsweise ist daher
speziell wertvoll zum Sortieren lebender Zellen in
Abhängigkeit von deren physio-chemischen Eigenschaften.
Indirekte Versuche zeigen jedoch, daß auch die Zweier-Besetzungs-
Methode zum Sortieren lebender Zellen einsetzbar ist,
hier gibt es aber wahrscheinlich einige Grenzen betreffend die
Zeitdauer des Sortierens. Beispielsweise Krebszellen von Mäusen
können zwei Stunden in einem Elektrolyten leben, der durch
Nebenprodukte der Elektrolyse einer physiologischen Kochsalzlösung
verunreinigt wurde.
Sortierergebnisse und zusätzliche Beobachtungen haben gezeigt,
daß nach dieser zweiten Methode arbeitende Vorrichtungen sehr
stabil und zuverlässig sind. Zentralströmungen mit einer Dicke
von etwa 1,0 µm schwanken oder flimmern nicht unter einem 50fachen
Stereo-Mikroskop, wenn diese Strömung durch Färben mit
schwarzer Tinte von der Hüllströmung kontrastiert wird. Mit
einer auf der Basis der zweiten Sortiermethode konstruierten
Vorrichtung konnten fluoreszierende Latexkügelchen von etwa 20
µm Durchmesser sehr erfolgreich sortiert werden. Derartige Kügelchen-
Durchmesser konnten bei Konstruktion der Vorrichtung
nach der ersten Methode nicht getrennt werden; vgl. hierzu die
Stovel-Veröffentlichung. Das Sortieren kleinerer Kügelchen
nach der Zwei-Besetzungs-Methode erfolgte ebenfalls sehr
zuverlässig, wobei gezeigt wurde, daß nach dieser Methode zwei
Gruppen von Teilchen gleichzeitig sortiert werden konnten.
Ähnlich besaß auch die Einfach-Besetzungs-Methode beim
Sortieren von Zellen eine sehr hohe Zuverlässigkeit.
Aus einigen Sortierergebnissen bei der Zweier-Besetzungs-
Methode hat sich ergeben, daß sehr weiche, gallertartige
Zellen, nicht an den Wänden des Kanalsystems schleifen dürfen,
wenn sie sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Solche Zellen
können nämlich nach einem Zusammenstoß mit den Wänden als Folge
der Reibung an der Wand, die niemals vollkommen glatt sein
kann, zerstört werden. Am Ende der Entwicklung der vorgenannten
Sortiervorrichtung wurden jedoch so große Ablenkwinkel erreicht,
daß ausgezeichnete Sortierergebnisse auch bei empfindlichen
Zellen zu erwarten waren. Die Bedeutung einer ausreichend
großen Zellenablenkung ergab sich in den Experimenten,
als eine gebrochene Elektrodenspitze und die sich dabei ergebende
Elektrodenform die Sortierqualität verminderte.
Viele der Zweier-Besetzungs-Moden der Zellsortierung waren jedoch
nur ein Teilerfolg, wenn die Zahl der Zellen der einen
Komponente beträchtlich größer als diejenige der anderen Komponente
war. Eine zusätzliche Beobachtung hat weiterhin ergeben,
daß bei fluoreszierend kontrastierten Zellen die Zentralströmung
im Mittel von dem Seitenkanal weggebogen wurde, an
dem die Ablenk-Gasblasen erzeugt wurden, wodurch eine weitere
Ablenkung der Zellen begünstigt wurde. Als Konsequenz hieraus
wurden die Zellen der an Zahl größeren Komponente besser sortiert
als die Zellen der anderen Komponente. Von letzterer Besetzung
wurden in einigen Fällen nur Trümmer als Sortierergebnis
erhalten, was klar zeigt, daß die Zellen dieser Komponente
nicht weit genug weg von den Kanalwänden abgelenkt worden
waren.
Dieser Nachteil wird darauf zurückgeführt, daß das erzeugte
Gas von dem entsprechenden Auslaßkanal nicht abgeführt wurde.
Dadurch ergab sich eine Verminderung des Vakuums in diesem Kanal,
die eine stärkere Saugkraft im anderen Kanal mit gleichzeitiger
Biegung der Zentralströmung zur Folge hatte. Es
stellten sich daher sehr schlechte Sortierergebnisse ein, wenn
eine Komponente der Besetzung deutlich größer als die andere
war. Die relativ langsame Abführung des erzeugten Gases in
dieser Vorrichtung zeigt auch, daß Sortierleistungen in der
Größenordnung von mehreren tausend Zellen pro Sekunde in diesem
System ziemlich unwahrscheinlich sind.
Eine reine Fluid-Verteilung nach der zweiten Methode wurde
bisher nicht probiert, man kann jedoch leicht sehen, daß
einige Variationen dieser Betriebsart mit den Vorrichtungen
auszuführen sind, wenn die steuernden Gasblasen nach einem
durch eine elektronische Einrichtung, wie einen Computer,
vorgegebenen Programm erzeugt werden.
Nach der US-PS 45 26 276 bestehen die geometrischen und elektrischen
Hauptkennzeichen darin, daß die Teilchensuspension
gesteuert entweder innerhalb eines quasi koaxial in einem größeren
Rohr angeordneten Rohrs oder zwischen diesen beiden Röhren
fließt, wobei zum Steuern der Strömung eine undefinierte
Art der Gaserzeugung zu verwenden ist. Obwohl die Konstruktion
von zwei koaxialen Röhren keine besonderen Probleme
machen dürfte, ist jedoch die Realisierung der
Steuerelektroden in diesen Röhren bestimmt nicht einfacher
als das Einbetten der gleichen Elektrodentypen in
die vertikalen und leicht zu beobachtenden sowie erreichbaren
Wände des Kanalsystems nach der US-PS 41 75 662.
Ein Aspekt ist ganz klar, das Zwei-Zylinder-Strömungssystem
erlaubt nur ein Sortieren einer Einfachbesetzung,
während das Kanalsystem nach der US-PS 41 75 662 sowohl
eine Einfach- als auch eine Doppel-Besetzung und sogar
eine Vielfach-Besetzung sortieren kann. Zur Klarstellung
ist auch wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Teilchen in
beiden aus den zuletzt genannten US-PS bekannten
Systemen indirekt sortiert werden, indem nämlich nicht
unmittelbar die Teilchen selbst, sondern kleine Volumenelemente
des Elektrolyten, die die Teilchen umhüllen, zum
Ablenken unmittelbar erfaßt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum schnellen und zuverlässigen Austeilen von Fluid-Volumenelementen
nach Programm bzw. zum Aussortieren von
Teilchen aus dem Fluid nach Analyse zu schaffen, das auch
in der Lage ist, asymmetrisch zu sortieren und/oder größere
Sortiergeschwindigkeiten als bisher zu liefern. Insbesondere
besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum
schnellen und zuverlässigen Sortieren individueller Teilchen
in einer Suspension in Abhängigkeit von einer oder
mehrerer von deren physio-chemischen Eigenschaften oder
zum schnellen und zuverlässigen Verteilen irgendeines
Fluids, Gases oder Aerosols in Abhängigkeit von einem
vorgegebenen Programm zu schaffen, wobei die Substanz
durch ein geschlossenes, höhlenartiges Strömungssystem
fließt, unabhängig davon, ob dieselbe Geschwindigkeit von
Fluid oder Suspension in allen Auslässen des Systems besteht
oder nicht. Weiterhin sollen Vorrichtungen zum
Durchführen des Verfahrens geschaffen werden, mit deren
Hilfe das gesamte Strömungssystem einfach zu beobachten
und daher durch die verschiedenen Einlaß- und/oder Auslaßröhren
zu reinigen ist, ohne das Strömungssystem
selbst zu öffnen, so daß die Unterhaltung der Vorrichtung
wesentlich einfacher als bei früheren Einrichtungen dieser
Art wird. Schließlich sollen die verschiedenen geometrischen
und physio-chemischen Parameter, die in Konstruktion
und den Betrieb des Systems einbezogen werden,
bis zu einem sehr hohen Grad optimiert werden, um eine
Vorrichtung mit wesentlich verbesserter Betriebsweise zu
erhalten.
Die erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 29 angegeben.
Hiernach werden die bei einer asymmetrischen
Teilchenbesetzung und/oder bei hohen Verteil- bzw. Sortiergeschwindigkeiten
auftretenden Probleme durch eine
Vakuum-Kompensation überwunden. Verbesserungen und weitere
Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen
beschrieben. Der Einfachheit halber wird im folgenden
häufig nur von einem Teilchensortierer gesprochen,
wenn im jeweiligen Zusammenhang auch eine Abtrennung von
reinen Fluidelementen gemeint ist und umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines Verfahrens zum
gesteuerten Aussondern von Volumenelementen aus einem in
einer Ursprungsrichtung als dünner Strömungsstrahl fließenden
Fluid in eine dem jeweiligen Volumenelement zugeordnete
Verteilrichtung wird erfindungsgemäß für jedes
Volumenelement ein bezüglich der Ursprungsrichtung seitlicher
Ablenkimpuls mit Hilfe eines aus einem Steuermedium
gebildeten Fluidikpolsters erzeugt. Erfindungsgemäß
soll die durch den Ablenkimpuls auf den Strömungsstrahl
ausgeübte Schwingung vor dem Auslösen eines nächsten Ablenkvorgangs
für ein Entkoppeln der Schwingungen gedämpft
werden, indem das Fluidikpolster seitlich weg von der Ursprungsrichtung
abgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird entweder - in einer ersten Betriebsart
- nach einem vorgegebenen Verteilprogramm oder - nach
einer zweiten Betriebsart - in Abhängigkeit von einer
oder mehreren individuellen physio-chemischen Eigenschaften
der Teilchen gearbeitet. Die Substanz strömt unter
der Wirkung einer Druckdifferenz durch ein geschlossenes
bzw. hohlraumartiges und damit umweltfreundliches Leitungssystem.
Die Druckdifferenz wird zwischen die Einlässe
und die Auslässe des Systems gelegt.
Hierzu stellt ein kombinierter Kompensationsprozeß erfindungsgemäß
ein schnelles und zuverlässiges Erreichen
jeder vorgewählten Strömungskonfiguration sicher. Diese
Konfiguration wird durch die Verteilung der aufzuteilenden
Substanz und die Strömung der in die Auslaßleitungen
eingeführten bzw. injizierten Steuersubstanz, ein Fluid
oder Gas, definiert. Der kombinierte
Kompensationsprozeß sichert auch während des gesamten
Betriebs des Systems die Rückkehr der Strömung in die stationäre
Ursprungskonfiguration nach jeder Ablenkung in eine Verteilkonfiguration.
Zu dem Verfahren gehören: das Transportieren der fluiden
Substanz in einer oder mehreren Strömungen in wenigstens eine
Transportleitung in Richtung auf einen Kanalverzweigungsbereich;
das Analysieren der individuellen Teilchen in der
Transportleitung in Abhängigkeit von einer oder mehreren von
deren physio-chemischen Eigenschaften bei Einsatz zum Sortieren
(zweite Betriebsmode); das Bestimmen der geeigneten Verteil-
Strömungskonfiguration durch ein elektronisches System;
das Erzeugen der entsprechenden Verteil-Strömungskonfiguration
in dem Kanalverzweigungsbereich, in den nicht nur die Transportleitungen
eintreten, sondern von dem aus sich auch auf wenigstens
zwei Verteilleitungen in jede mögliche Richtung verzweigen.
Hierbei wird ein Fluid-Steuermedium - eine Flüssigkeit
oder ein Gas - am Eingang dieser Verteil-Kanäle, in die
die zu verteilende oder zu sortierende Substanz nicht eintreten
soll, mit solchem Druck eingebracht bzw. injiziert, daß
die zu behandelnde Substanz gedrängt wird, in die
Verteilkanäle einzutreten. Dort wird nämlich ein solcher Druck
bzw. eine solche Injektion während derselben Verteilphase
nicht erzeugt. In dieser Phase fließt jedoch das Steuermedium
in die Steuerkanäle, in die die aufzuteilende Substanz nicht
eintreten konnte.
Zu dem Verfahren gehören ferner: das Transportieren der verteilten
Substanzen in ihrem eigenen Verteilkanal zu einem entsprechenden
Pufferhohlraum und das gleichzeitige Transportieren
des Steuermediums, ebenfalls in seinem eigenen Kanal zu
einem ähnlichen Pufferhohlraum, der am Ende jedes Steuer- oder
Verteilkanals vorgesehen ist; das durch ein großes fluidfreies
Volumen des Hohlraums erfolgende Entkoppeln schneller Schwingungen
der kleinen Masse der Substanz und des Steuermediums,
die von den Verteilkanälen in die entsprechenden Pufferhohlräume
strömen von der bereits bearbeiteten, relativ großen
Menge der fluiden Substanz, die nun langsam aus den
Pufferhohlräumen abfließt, indem jeder dieser Hohlräume mit
einem fluidfreien Volumen ausgestattet wird, das wesentlich
größer als dasjenige des gesamten verteilenden Strömungssystems
ist, weshalb sehr schnelle Schwingungen der kleinen
Menge der zu verteilenden Substanz möglich sind, woraus eine
sehr schnelle Betriebsweise des Verteil/Sortier-Systems folgt.
Zu dem Verfahren gehört ferner, wenn nötig, das gleichzeitige
Puffern von Druckschwingungen bzw. -schwankungen in den sehr
großen Hohlräumen, wenn solche Schwingungen durch das ebenfalls
schwingende oder schwankende Einfließen des Steuermediums
in diese Hohlräume verursacht werden.
Ferner gehört zu dem Verfahren das Trennen des Steuermediums
von der verteilten Substanz oder von den sortierten Teilchen.
Wenn diese Substanz ein Gas ist, erfolgt das Trennen durch Abdrängen
des Gases zum Verlassen des Hohlraums unter der Wirkung
hydrostatischen Auftriebs durch ein Gas-Auslaßloch. Letzteres
kann im oberen Teil des fraglichen Hohlraums angeordnet
werden. Währenddessen verläßt das abgeteilte Fluid den Hohlraum
durch ein an dessen Boden vorgesehenes Auslaßloch. Durch
diese Art der Pufferung wird eine exakte Rückkehr zu den stationären
Druck- und Strömungsbedingungen des Verteilbereichs
des Systems möglich. Nach Erreichen des stationären Zustands
ist das System bereit für eine weitere vorgegebene Verteilphase.
Durch die beschriebene Kompensation wird also ein
schnelles und zuverlässiges Verteil/Sortier-System geschaffen.
Zu dem Verfahren gehört es weiterhin, anschließend die verteilten
Fluide durch ein Zwei-Stellungs-Ventil entweder zu
ihrem entsprechenden Filter/Auffang-Hohlraum oder in einen
Abfallcontainer zu leiten. Im ersteren Fall, in dem Filter/
Auffang-Hohlraum, wird die Suspension vom größten Teil des
suspendierenden Fluids getrennt, so daß als Endergebnis des
Sortierverfahrens eine sehr hochkonzentrierte Teilchensuspension
erhalten wird. Übrigens ist diese letztere Strömungsart
nur in einer Anfangsphase des Betriebs erforderlich, wenn nämlich
die verschiedenen Parameter, wie die Strömung, die Druckdifferenz,
die Ablenkmittel usw., für die spezielle Betriebsmode
justiert werden sollen. Es sei darauf hingewiesen, daß das
Zwei-Stellungs-Ventil und die Filter/Auffang-Hohlräume auch
außerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet werden
können, wenn das für die jeweilige Betriebsweise günstiger
sein sollte. In diesem Fall wird der Hohlraum als
Filter/Auffang-Flasche bezeichnet. Die Flasche wird über Röhren
mit dem Hauptteil der erfindungsgemäßen Verteil/Sortier-
Vorrichtung verbunden.
Außerdem betrifft die erfindungsgemäße Lösung auch eine
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zum gesteuerten
Aussondern von Volumenelementen aus einem Fluid durch
pneumatisches Ablenken eines gerichteten, dünnen Strömungstrahls
des Fluids in einem dem jeweiligen Volumenelement
zugeordneten Verteilkanal. Dabei soll die Bewegungsbahn
des Strömungsstrahls durch ein Fluiddruckpolster
in mindestens einem anderen, dem Strömungsstrahl zugewandten
Kanal verändert werden. Hierbei sollen am jeweiligen,
zum wahlweisen Erzeugen eines Fluiddruckpolsters
vorgesehene Kanal Kompensationsmittel zum vollständigen
Abbau des Druckpolsters vor dem Aufbau eines
dem nächsten Volumenelement zugeordneten Druckpolsters
und zum Dämpfen von durch den Auf- und Abbau des Druckpolsters
erzeugten Schwingungen vorgesehen werden. Vorzugsweise
können die vom Druckpolster ausgehenden Schwingungen
bzw. Schwankungen annähernd aperiodisch gedämpft
werden. In jedem Fall können Volumenelemente des Fluids
als solche, z. B. nach vorgegebenem Programm, einfach abgeteilt
werden, oder es können in solchen Volumenelementen
enthaltene Teilchen nach vorheriger Analyse willkürlich
durch jeweils kurzzeitiges Ablenken des Strömungsstrahls
aus der Ursprungsrichtung aus diesem in bestimmte
Verteilkanäle aussortiert werden.
Gemäß weiterer Erfindung können die folgenden Merkmale
und Mittel für spezielle Anwendungen oder zum Erreichen
einer sehr hohen Betriebsqualität mit dem Verfahren oder
der Vorrichtung kombiniert werden.
Die Strömung der zu behandelnden Substanz wird vorzugsweise
entweder durch Anlegen eines Drucks an die Eingänge des Strömungssystems
oder durch Anlegen eines Vakuums an die Auslässe
des Systems vereinfacht. Es ist jedoch auch, wenn nötig, möglich,
zugleich einen Druck an den Eingang und ein Vakuum an
den Ausgang anzulegen. Dabei brauchen nicht alle Eingangs-
oder Auslaßleitungen in gleicher Weise beaufschlagt zu werden.
Die nicht angeschlossenen Ein- oder Ausgänge können auf einen
abweichenden Druck, insbesondere auf Atmosphärendruck, gehalten
werden.
Weiterhin können die fluiden Substanzen in den am Systemeingang
vorgesehenen Transportleitungen den ganzen Querschnitt
dieser Leitungen einnehmen, oder die Substanz kann aus einer
Kombination mehrerer Substanzen bestehen, die dann in einer
für jeden besonderen Fall konstruierten Kammer zusammengeführt
werden, wenn das Fluid eine solche Kombination aus einem oder
mehreren dünnen Strömungen, die von einer Hüllströmung umgeben
werden, darstellen soll, werden die Strömungen und die genannte
Hüllflüssigkeit in einer Düsenkammer zusammengeführt. Eine
Version einer solchen Düsenkammer wird in dem US-Patent 4 954 715
beschrieben. Die dort
angegebene Vorrichtung wird gekennzeichnet durch ihre hohe
Stabilität und Zuverlässigkeit beim Erzeugen der genannten
Strömungen. Natürlich ist ein stabiler und zuverlässiger Betrieb
des Sortier/Verteil-Bereichs nicht möglich ohne eine
ebenfalls stabile und zuverlässige Düsenkammer.
In der stationären Strömungskonfiguration fließt die kombinierte
Strömung entweder durch denselben Verteilkanal oder
durch verschiedene Kanäle. Während des Verteilprozesses jedoch
soll die Strömung entsprechend in das System eingeprägten Erfordernissen
in die vorgeschriebenen Verteilkanäle fließen.
Zum Erreichen von schnellen Schwankungen bzw. Schwingungen des
Fluids während deren Unterteilung wird es erfindungsgemäß
nicht nur bevorzugt, Pufferhohlräume vorzusehen, sondern es
soll auch die Ursache der Strömung, das heißt die auf die Vorrichtung
ausgeübte Druckdifferenz, so stark wie möglich sein,
während die Beträge der zu verteilenden Substanz und des
Steuermediums besser auf einen erforderlichen Minimalwert zu
halten sind.
Daher sollen die Querschnitte der verschiedenen Leitungen die
zulässige Minimumgröße besitzen, die durch die Teilchengröße
und/oder die Größe von erwarteten, möglicherweise in das
System durch ein dem Eingang vorgeschaltetes Vorfiltersystem
eingedrungenen Fremdkörpern gegeben ist. Die Länge der Leitungen
oder Kanäle wird ebenfalls durch verschiedene funktionelle,
konstruktive und die Wartung betreffende Erfordernisse,
die unten erläutert werden, begrenzt.
Gemäß weiterer Erfindung soll der Ort der Injektion des
Steuermediums teilweise am Eingang der Verteilkanäle und
teilweise sogar leicht innerhalb des Kanalverzweigungsbereichs
liegen. Auf diese Weise wird die in dieser Zone während der
Verteilphase hin- und herzuschüttelnde Substanz auf einen Minimalwert
reduziert. Hiermit wird also ein weiterer bevorzugter
Optimier-Parameter für den schnellstmöglichen Betrieb des
Systems erhalten.
Wenn die Strömung der zu behandelnden Substanz in dem System
nur durch Druck erzeugt wird, kann vorzugsweise die Injektion
des Steuermediums durch ein spezielles Injektionsloch mit einem
solchen Injektionsdruck bewirkt werden, daß das Steuermedium
eine völlige Sperrung der Substanzströmung in diese Kanäle
bewirkt, während es das Steuermedium ist, das nun während
der Verteilphase in diese Steuerkanäle fließt. Gegebenenfalls
erfolgt die Injektion des Steuermediums durch ein Injektionsloch,
dessen Auslaß an einer für die Injektion optimalen Stellung
angeordnet wird. Demgegenüber kann der Einlaß etwas weiter
weg vom Kanalvolumen angeordnet werden, so daß sogar eine größere
Zahl voluminöser Ventile, z. B. elektromechanische Ventile,
ebenfalls leicht in fächerförmiger Weise rund um den Kanalverzweigungsbereich
zu positionieren ist.
Als Steuermedium wird ein Inertgas benutzt, wenn Reaktionen
oder Mischungen zwischen der zu behandelnden Substanz und dem
Steuermedium vermieden werden sollen. Wenn jedoch eine
Mischung gewünscht wird, kann als Steuermedium die
einzumischende Substanz verwendet werden. Im allgemeinen jedoch
ist die Verwendung eines Gases als Steuermedium in diesem
Fall wünschenswert, weil die während der Verteilphase in
Schwankung zu versetzende Masse bei Gas eine minimale Größe
hat. Dadurch wiederum wird die gesamte, in Schwingungen zu
versetzende Masse vermindert und demgemäß die Systemgeschwindigkeit
weiter erhöht.
Wenn die Fluide unter dem Einfluß eines an die Auslässe des
Strömungssystems angelegten Vakuums durch das System fließen,
ist die Verwendung eines Gases als durch die Injektionsleitung
eingestoßenes Steuermedium eine Betriebsmöglichkeit. In diesem
Fall wird der Injektionsprozeß durch ein elektromechanisches
oder piezoelektrisches Ventil gesteuert. Wenn es sich jedoch
bei der aufzuteilenden Substanz um eine Flüssigkeit handelt,
ist ein Gas oder Dampf, die injiziert oder bevorzugt durch einen
elektrischen oder elektrochemischen Prozeß erzeugt werden,
besonders vorteilhaft als Steuermedium, weil das Gas oder der
Dampf in vielen Fällen genau an dem vorher definierten optimalen
Platz erzeugt werden können und nicht erst durch eine Injektionsleitung
mit Hilfe eines voluminösen Ventils herangeführt
werden müssen.
Es gibt folgende im Rahmen der Erfindung bevorzugte Gas- und
Dampf-Erzeugungsprozesse:
- (a) Die Elekrolyse eines geeignet ausgewählten Elektrolyten, z. B. einer physiologischen Kochsalzlösung, die für alle Zellbearbeitungen geeignet ist;
- (b) das Verdampfen eines Fluids, bei dem es sich um die gleiche Art von Elektrolyt, wie vorher definiert, handeln kann, zwischen zwei Elektroden durch ohmsches Erhitzen mit Hilfe eines sehr kurzen und gut stabilisierten elektrischen Bogens oder Funkens; oder
- (c) das Widerstandsheizen, erzeugt durch einen oder mehrere ausreichend leistungsfähige Laser.
Es ist leicht zu sehen, daß alle diese Gas- oder Dampf-Erzeugungsprozesse
wegen des Fehlens jeglicher mechanisch bewegter
Teile durch eine sehr hohe Betriebsgeschwindigkeit gekennzeichnet
sind. Die Erzeugung dieser Medien findet statt
zwischen stabil konstruierten Teilen, so daß nicht nur eine
hohe Geschwindigkeit, sondern auch eine hohe Stabilität zu erreichen
sind, das heißt, die Betriebsschwankungen sind gering
gegenüber denjenigen der vorgenannten elektromechanischen Ventile.
Hieraus folgt, daß die elektromechanischen Ventile nur
in den Fällen benutzt werden sollten, in denen keiner der Gas/
Dampf-Erzeugungsprozesse geeignet ist, wenn es sich also um
die Behandlung von Gasen oder Aerosolen handelt.
Gemäß weiterer Erfindung soll das Steuergas am Eingang desjenigen
Verteilkanals erzeugt werden, der als Nur-Steuerkanal
bezeichnet wird, wenn er ausschließlich für Steuerzwecke vorgesehen
ist und keine der in dem System behandelten Teilchen
führt. Hierbei findet die Masse der Erzeugung des Steuermediums
an der oben definierten optimalen Stelle statt, nämlich
teilweise innerhalb der Leitung selbst und teilweise in dem
Kanalverzweigungsbereich, um die Menge des während der Verteilphase
zu schüttelnden Fluids auf ein Minimum zu beschränken
und die Betriebsgeschwindigkeit entsprechend zu erhöhen.
Die Elektroden werden gegebenenfalls stabil in den Wänden des
Kanalsystems an dem am besten geeigneten Platz angeordnet und
aus einem sehr harten, wärme- und korrosionsbeständigen Material,
wie Platin, Molybdän, Wolfram oder Tantal, hergestellt.
Für einen optimalen Verteil/Sortier-Prozeß sind nicht nur der
Platz und die Dauer der Injektion des Steuermediums wichtig,
sondern auch die Länge des entsprechenden Kanals. Diese soll
einen solchen Wert haben, daß die während jeder Verteilphase
injizierte oder erzeugte Steuersubstanz sich im Kanal in dessen
voller Länge entwickeln kann, bevor ihr stromabseitiges
Ende in den entsprechenden Pufferhohlraum eintritt. Es ist
nämlich einfach zu sehen, daß eine solche unvollständige
Entwicklung des Injektions/Erzeugungs-Prozesses eine nachteilige
Wirkung auf den Verschluß des entsprechenden Kanals und
damit auf die ganze Verteilphase hat.
Wenn Gas oder Dampf als Steuermedium benutzt wird, soll das
Vakuum am Ort der Injektion einen sehr hohen Wert besitzen.
Aus diesem Grunde soll der hydrodynamische Widerstand des
eingangsseitigen Transportkanals so hoch wie möglich sein,
woraus folgt, daß die entsprechenden Leistungen den kleinst
zulässigen Querschnitt und die maximal mögliche Länge haben
sollen.
Wenn diese Leitungen bzw. Kanäle sehr lang sind, kann für ein
zu sortierendes Teilchen, die Durchflußzeit so lang werden,
daß das System zu langsam arbeitet. Aus ersichtlichen Gründen
kann nämlich nur zugelassen werden, daß während der Bearbeitung
jedes Teilchens nur ein einziges derselben zwischen dem
Analysator und dem Kanalverzweigungsbereich strömt. Gemäß weiterer
Erfindung wird daher vorgesehen, das Analysiervolumen
irgendwo längs der Transportleitung anzuordnen, ohne zu nahe
an den Kanalverzweigungsbereich zu kommen, damit gerade genug
Zeit bleibt, die dünne, das Teilchen tragende, Strömung vollständig
abzulenken, wenn das fragliche Teilchen in den Kanalverzweigungsbereich
eintritt.
Es gibt wenigstens drei Gründe für ein maximales Systemvakuum:
(a) Je höher das Systemvakuum, um so größer ist die Kraft, die beim Aufteilen auf das zu teilende Fluid wirkt, woraus eine entsprechend hohe Betriebsgeschwindigkeit folgt; (b) je höher das Vakuum, um so größer wird (nach den Gasgesetzen) das während der Elektrolyse oder des Erwärmens entstehende Gasvolumen, und hieraus folgt auch, daß, wenn das Gas durch einen elektrischen Impuls erzeugt wird, die für ein bestimmtes Gas- oder Dampfvolumen erforderliche Energie bei hohem Systemvakuum ebenfalls kleiner ist. Aus den Gründen (a) und (b) folgt der dritte Grund (c): Wenn das Steuergas einen schädlichen Effekt auf die zu behandelnde Teilchen hat, übt natürlich gegebenenfalls die geringere Molmenge des größeren Gasvolumens einen geringeren schädlichen Effekt auf diese Teilchen aus.
(a) Je höher das Systemvakuum, um so größer ist die Kraft, die beim Aufteilen auf das zu teilende Fluid wirkt, woraus eine entsprechend hohe Betriebsgeschwindigkeit folgt; (b) je höher das Vakuum, um so größer wird (nach den Gasgesetzen) das während der Elektrolyse oder des Erwärmens entstehende Gasvolumen, und hieraus folgt auch, daß, wenn das Gas durch einen elektrischen Impuls erzeugt wird, die für ein bestimmtes Gas- oder Dampfvolumen erforderliche Energie bei hohem Systemvakuum ebenfalls kleiner ist. Aus den Gründen (a) und (b) folgt der dritte Grund (c): Wenn das Steuergas einen schädlichen Effekt auf die zu behandelnde Teilchen hat, übt natürlich gegebenenfalls die geringere Molmenge des größeren Gasvolumens einen geringeren schädlichen Effekt auf diese Teilchen aus.
Ein solcher Kontakt von Steuermedium und abgeteilten Volumenelementen
kann auch in den Pufferhohlräumen stattfinden, wenn
nämlich das Steuergas nicht innerhalb einer sehr kurzen Zeit,
die sich auf einen Bruchteil einer Millisekunde reduzieren
kann, aus diesen Hohlräumen im oberen Teil des Hohlraums angeordnete
spezielle Gasauslaßlöcher abfließt. Um an dieser Stelle
einen nachteiligen Kontakt zwischen Steuergas und zu bearbeitenden
Volumenelementen bzw. Teilchen auszuschließen, wird
gemäß weiterer Erfindung das folgende Konstruktionsmerkmal
vorgesehen: Obwohl die Länge der Steuerkanäle wenigstens so
groß sein soll, daß diese Länge eine ungestörte Injektion oder
Erzeugung des Steuergases erlaubt, sollen diese Kanäle jedoch
auch nicht zu lang sein, um die Möglichkeit eines Kontakts
zwischen den Teilchen und den Gasblasen auf ein
vernachlässigbares Maß zu vermindern. Der Querschnitt dieser
Kanäle soll sich jedoch vorteilhaft in Richtung auf deren Ausgang
zu dem zugehörigen Pufferhohlraum erweitern, um eine einfache
Abtrennung der Gasblasen von dem Elektrolyt und damit
von den Teilchen etc. durch den Effekt des hydrostatischen
Auftriebs zu erleichtern.
Wenn gemäß weiterer Erfindung eine Leitung nur als Steuerkanal
verwendet wird, in welchem nur teilchenfreier Elektrolyt
fließt, soll dieser Kanal lang genug sein, um den oben
angegebenen Erfordernissen zu entsprechen. In diesem Fall soll
der Elektrolyt in einer solchen Weise aus dem Pufferhohlraum
fließen, daß er nirgends das Abströmen des Steuergases
blockiert. In diesem Fall wird der Pufferhohlraum daher
vorzugsweise in seinem großen Teil ständig fluidfrei und immer
(während des gesamten Betriebs des Systems) in Luftkontakt mit
der Abfallflasche gehalten. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher
Abfluß des Gases während des gesamten Betriebs
sichergestellt.
Abhängig von der Art der Abfuhr des Steuergases werden für den
Pufferhohlraum gemäß weiterer Erfindung zwei verschiedene Versionen
vorgesehen. In der ersten Version fließt der Elektrolyt
durch einen Auslaß am Boden des Hohlraums. Der Auslaß hat in
diesem Fall einen so großen Durchmesser, daß sowohl der abgeteilte
Elektrolyt als auch das Steuergas parallel zueinander
immer nach unten fließen. Es wird also am Ausgang der ersten
Version des Pufferhohlraums keine syphonartige Biegung in dem
Rohr vorgesehen, das den Hohlraum mit der Abfall-Flasche verbindet.
Die Abfall-Flasche wird an die System-Vakuum-Pumpe angeschlossen,
die den Elektrolytstrom im ganzen System aufrechterhält.
In der vorgenannten zweiten Version wird das Gas sehr schnell
von der schon behandelten Suspension getrennt und verläßt den
Hohlraum durch ein spezielles Gasauslaßloch, welches im oberen
Teil des Hohlraums angeordnet wird. In dieser zweiten Version
nämlich wird das der Suspension zugeordnete Auslaßloch ebenfalls
am Boden des Pufferhohlraums vorgesehen, es soll aber
einen nur so kleinen Durchmesser haben, daß schon eine kleine
Menge der behandelten Teilchen enthaltenden Suspension ständig
im Hohlraum verbleibt und dadurch ein Abfließen des Gases nach
unten blockieren würde. Das Gas wird daher durch die Wirkung
des hydrodynamischen Auftriebs gedrängt, den Pufferhohlraum
durch das in dessen Oberteil vorgesehene Auslaßloch zu verlassen.
Natürlich werden beide Auslässe an das Vakuumsystem angeschlossen,
und das Gasauslaßloch wird in direkter "Luft-Verbindung"
mit einer Pufferflasche, die sich auf System-Vakuum
befindet, gehalten.
Ersichtlich wird der erste Hohlraumtyp nur in den Fällen benutzt,
in denen entweder keine gasempfindlichen Teilchen oder
überhaupt keine Teilchen mit dem Elektrolyten ausfließen müssen.
Das ist der Fall bei Verwendung des Kanals als Nur-
Steuerkanal, der dann in allen Betriebsphasen überhaupt keine
Teilchen trägt. Gemäß weiterer Erfindung wird durch die Verwendung
solcher Nur-Steuerkanäle in Verbindung mit Nur-Verteilkanälen,
in welche letztere überhaupt kein Steuergas gelangt,
ein sehr sauberer Teilchensortierer erhalten, weil in
einem solchen System die Teilchen sowohl vor als auch nach der
Bearbeitung in reinem Elektrolyt verbleiben. Dieses System ist
daher sehr vorteilhaft zum Sortieren von Teilchen, die - wie
einige lebende Zellen - sehr empfindlich gegenüber vom Steuergas
herrührenden Verunreinigungen sind.
Die zweite Version des Pufferhohlraums hat den Vorteil einfacherer
Betriebserfordernisse, was sich in diesem Falle daraus
ergibt, daß die Verbindungsleitungen einen kleineren Durchmesser
als beim ersten Hohlraumtyp haben können. Obwohl die Möglichkeit
einer sehr kurzen Kontaktzeit zwischen Steuergas und
behandelten Teilchen nicht ausgeschlossen werden kann, ist
diese Version trotzdem im allgemeinen günstig zum Sortieren
von verunreinigungsempfindlichen Teilchen, z. B. einigen lebenden
Zellen. Bei der zweiten Hohlraumversion kann nämlich
der schädigende Effekt des Gases auf die Teilchen wegen der
konstruktionsbedingt außerordentlich kurzen gegenseitigen Kontaktzeit
von nur einem kleinen Bruchteil einer Millisekunde
meist als vernachlässigbar angesehen werden. Eine Millisekunde
ist in der Tat eine sehr kurze Zeit relativ zu den annähernd 2
Stunden, während der Krebszellen von Mäusen lebend in einem
Elektrolyten gefunden wurden, der mit Nebenprodukten der normalen
physiologischen Kochsalzlösung durch Elektrolyse verunreinigt
war. Unabhängig davon jedoch, welche der beiden Typen
von Pufferhohlräumen benutzt wird, fließt jede Komponente des
bearbeiteten Fluids durch dasselbe Multirohr-Ventil, welches
nämlich für jede Komponente ein besonderes Rohr besitzt.
Während des tatsächlichen Betriebs fließt die Suspension behandelter
Teilchen in den entsprechenden Filter/Auffang-Hohlraum.
Dort wird die Masse des suspendierenden Elektrolyten von
den behandelten Teilchen abgetrennt, wodurch eine angereicherte
Endsuspension mit sehr hoher Dichte erhalten wird. Der
hierzu passende Hohlraumtyp ist vorzugsweise ein etwa
vertikaler Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt, der in den
Grundkörper der Vorrichtung gebohrt wird. Das weiter unten beschriebene
kapillare Filtersystem wird austauschbar in einen
patronenartigen Behälter gesetzt, der vakuumdicht in den Hohlraum
einzusetzen ist. Hierzu wird beispielsweise ein Bajonetthaltersystem
verwendet. Diese Anordnung befindet sich bei Betrieb
auf Systemvakuum, da in der entsprechenden Position des
Zwei-Stellungs-Ventils die beiden Hohlräume durch Röhren mit
passenden Größen von Querschnitt und Länge verbunden werden
und da das Vakuum in dem Filter/Auffang-Hohlraum durch
Anschließen der System-Vakuum-Pumpe über flexible Röhren an
den Hohlraumausgang, der im oberen Teil des Hohlraums
vorgesehen ist, angelegt wird. Ein anderer Hohlraumauslaß wird
am Boden der Patrone vorgesehen und dient dazu, den ausgefilterten
(Abfall-)Elektrolyten in einen Abfallbehälter, der
sich ebenfalls auf System-Vakuum befindet, abzuleiten.
Ein erfindungsgemäß vorteilhaftes kapillares Filtersystem arbeitet
auf folgende Weise: Wenn das schon behandelte Fluid
bzw. die schon geteilte/sortierte Suspension gefiltert werden
soll, um den größten Teil des suspendierenden Elektrolyts zu
entfernen, tritt die aus dem entsprechenden Pufferhohlraum
kommende Suspension in den Filter/Auffang-Hohlraum durch eine
Röhre passenden Durchmessers in Form einer Folge kleiner Tropfen
von wenigen mm Durchmesser ein und fällt auf ein feines
Membran-Filter. Die Öffnungen dieses Membran-Filters sollen
etwas kleiner sein als die kleinste aus der Suspension auszufilternde
Teilchengröße. Die auf dem Filter liegenbleibenden
Teilchen werden dann durch die nachfolgenden Tropfen weggewaschen,
so daß sich die Form eines Rings rund um einen kleinen
Bereich, in den die Tropfen fallen, auf dem Membran-Filter
bildet. Letztlich stellt sich auf diese Weise ein kraterartiger
Wulst rund um den Punkt des Tropfenfalls ein. Der Durchmesser
dieses Wulstes kann beschränkt werden durch einen Ring,
z. B. mit der Form eines Traurings, mit vertikaler Innenwand.
Währenddessen wird die Masse des Elektrolyten mit Hilfe eines
dickeren, weicheren Membran-Filters durch das feine Membran-
Filter nach unten gezogen. Bei dem unteren Filter kann es
sich um ein im Handel erhältliches Kaffee-Filter oder
dergleichen mit ebenfalls einer ausreichend feinen Kapillarstruktur
handeln, so daß auf diese Weise der Elektrolyt weiter
nach unten in ein drittes Kapillarsystem zu saugen ist. Das
letzte Kapillarsystem kann beispielsweise aus einem Bündel
vertikaler Glas- oder Kunststoffröhren bestehen, die einen
Innendurchmesser von etwa 1,0 mm besitzen und durch ein oder
zwei Gummibänder zusammengehalten werden. Von hier fließt der
verbrauchte Elektrolyt nach unten auf den Boden der Patrone
und verläßt diese durch einen Auslaß, der über ein flexibles
Rohr mit einer Abfall-Flasche verbunden werden kann. Nach Abschluß
dieses Trenn- bzw. Anreicherungsvorgangs wird jede Patrone
aus ihrem Hohlraum herausgezogen. Die Teilchen werden
dann entweder von dem feinen Membran-Filter in eine andere
Flüssigkeit beliebigen Volumens gewaschen, oder sie werden auf
ein Mikroskop-Objektglas gestrichen und mit einem dünnen
Mikroskop-Deckglas für die direkte Beobachtung unter dem
Mikroskop überdeckt.
Ein großer Vorteil des bevorzugten Filter/Auffang-Hohlraums
der soeben beschriebenen Art besteht darin, daß während des
Betriebs des Systems die Dichte der bearbeiteten Suspension
bis zu einem extrem hohen Grad vergrößert wird, so daß ein
beträchtlicher Zeitaufwand, der bisher zur Kondensation durch
Zentrifugieren der Suspension erforderlich war, eingespart
wird. Weiterhin können Teilchen, z. B. Zellen in der
Mitose-Phase, erfindungsgemäß ohne das Risiko sortiert werden,
daß die Zellen durch rohe mechanische Behandlung zerstört würden.
Eine solche rohe Behandlung würden die Teilchen beispielsweise
in dem offenen Düsen-Sortiersystem erfahren, in
welchem die Zellen in die offene Luft geblasen werden und dann
auf der Oberfläche eines Fluids oder an der Wand eines Containers
landen.
Wenn die Teilchen sehr klein sind, z. B. eine Größe von nur 1
µm haben, kann das feine Membran-Filter so kleine Öffnungen
besitzen, daß der Elektrolyt nur mit einem stärkeren Vakuumsystem
- z. B. einer zusätzlich zur System-Vakuum-Pumpe verwendeten
Hilfs-Vakuum-Pumpe - durch das Membran-Filter gesaugt
werden kann. Im übrigen funktioniert das Filter/Auffang-System
dann in derselben Weise wie oben angegeben. Es kann jedoch in
diesem Fall vorteilhaft sein, das Feinfilter auf ein Sieb zu
legen, welches selbst auf der Oberseite eines Zylinders angeordnet
wird, an den die Hilfspumpe durch ein Rohr anzuschließen
ist. Diese Pumpe soll immer eine größere Saugkraft als die
System-Pumpe haben.
Alternativ - und wenn es bequemer ist - können das Multirohr-
Zwei-Stellungs-Ventil und die Filter/Auffang-Hohlräume bzw.
Behälter von dem Hauptsystem getrennt werden und außerhalb
desselben - auch voneinander getrennt - angeordnet werden.
Gegebenenfalls können alle Teile über flexible Schläuche miteinander
verbunden werden. In diesem Fall werden die Filter/
Auffang-Hohlräume als Filter/Auffang-Flaschen bezeichnet. Natürlich
läßt eine solche Anordnung den Gebrauch größerer
Flaschenvolumen zu, welche in einigen Fällen vorteilhaft sind,
obwohl die prinzipielle Betriebsweise und die Effektivität
diese Filter/Auffang-Systeme gegenüber den vorbeschriebenen
nicht geändert werden.
In dem kombinierten Fall, in dem sowohl Druck an die Eingänge
des Systems als auch Vakuum an wenigstens einige der Auslässe
angelegt wird, erfolgt das Steuern der Strömung vorzugsweise
entsprechend den Bedingungen für die beiden Einzelfälle.
Folgende Konstruktionsmerkmale werden im Rahmen der Erfindung
bevorzugt: Das Material des Systems soll so ausgewählt werden,
daß es allen mechanischen, thermischen, elektrischen und optischen
Anforderungen des jeweiligen Einzelfalls genügt. Es
soll eine derartige Außenkonstruktion vorgesehen werden, daß
eine einfache Befestigung der Vorrichtung am Rest des Apparates,
in den das erfindungsgemäße System einzubauen ist, möglich
wird. Die Geometrie der verschiedenen Hohlräume und Kanäle
soll nicht die nur für die Funktion geeignete Form haben,
sondern das ganze Strömungssystem soll auch leicht zu bedienen
sein, was insbesondere bedeutet, daß jede Stelle des Systems
durch ein Stereo-Mikroskop mit etwa 50facher Vergrößerung beobachtbar
sein soll. Außerdem soll jeder Teil des Systems entweder
durch einen flüssigen Reinigungsstrahl, z. B. Wasser,
oder durch einen feinen Faden oder Draht erreichbar sein, um
Fremdkörper aus jedem Teil der Vorrichtung entfernen zu können,
ohne gezwungen zu sein, andere Teile des Systems, die
normalerweise permanent befestigt sind, abzunehmen. Ein
solches permanent befestigtes Teil ist das schon oben beschriebene
dünne Glas, das die Kanäle überdeckt und in die
Oberfläche des Systems eingelassen ist. Wenn nötig, werden
spezielle Putzlöcher in das System gebohrt, um die Wartungsarbeiten
zu erleichtern. Natürlich werden derartige Putzlöcher
bei Betrieb des Systems vakuumdicht verschlossen. Die Verwendung
eines Filters am Eingang jedes Einlasses des Systems vermindert
die Möglichkeit des Eindringens solchen Fremdmaterials
in das Strömungssystem. Um die Entwicklung von Bakterien und
Algenkulturen in dem Strömungssystem zu verhindern, werden die
Wände des Systems mit einem geeigneten, im Handel erhältlichen
Epoxid bestrichen. Die Entwicklung solcher Kulturen wird auch
unterdrückt, wenn das ganze Strömungssystem mit Alkohol oder
mit einer Mischung von Alkohol und destilliertem Wasser - während
Nichtgebrauchs - gefüllt gehalten wird.
Obwohl sich die Verteilerkanäle erfindungsgemäß in alle möglichen
Richtungen verzweigen können, sollen sie sich bevorzugt
nur mit einem kleinen Winkel relativ zueinander verzweigen, um
ein schnelles Verteilen/Sortieren der Substanz oder der Teilchen
durch Ablenkung nur um einen sehr kleinen Winkel zu erreichen.
Wenn die genannten Kanäle getrennt sind in Nur-Verteilkanäle
und Nur-Steuerkanäle werden die ersteren gemäß weiterer
Erfindung nahe aneinander und nahe zu dem mittleren Austrittskanal
angeordnet, der dann ebenfalls ein Nur-Verteilkanal
ist, während die Nur-Steuerkanäle den ersteren Kanaltypen
fächerartig umgeben und sich mit einem größeren Winkel als die
Nur-Verteilkanäle relativ zueinander verzweigen. Auf diese
Weise wird eine optimale Geometrie für beide Kanaltypen
erreicht, wenn die Nur-Verteilkanäle sich mit einem kleinen
Winkel verzweigen und daher nur eine Ablenkung der zu verteilenden
Substanz um einen entsprechend kleinen Winkel verlangen,
mit der Folge, daß die Vorrichtung entsprechend schnell
zu betreiben ist. Ebenso vorteilhaft sind die größeren
Verzweigungswinkel der Nur-Steuerkanäle, da sie eine entsprechend
vergrößerte Ablenkleistung zur Folge haben und damit ebenfalls
zur Beschleunigung der Betriebsgeschwindigkeit beitragen.
Wenn die Vorrichtung mit einem Objektiv mit sehr großem Öffnungswinkel
kombiniert wird, das auch einen sehr kurzen Objektabstand
besitzt, der etwa gleich der Brennweite ist, kann
es wichtig sein, daß die Transportkanäle in die obere Fläche
der Vorrichtung, vorzugsweise zusammen mit anderen Leitungen,
Kanälen und Hohlräumen eingelassen bzw. eingraviert werden und
wenn das ganze Strömungssystem mit demselben dünnen Glas bedeckt
wird. Dadurch wird dann das geforderte geschlossene bzw.
hohlraumartige Strömungssystem erhalten. Für das genannte dünne
Glas wird in den meisten Fällen vorzugsweise ein Mikroskop-
Deckglas von etwa 100 µm Stärke verwendet. Wenn ein optisches
System als Teilchenanalysator einzusetzen ist, werden die Wände
der fraglichen Leitungen bzw. Kanäle vorzugsweise mit einem
nichtreflektierenden und nichtfluoreszierenden schwarzen
Stoff, wie Epoxid, bedeckt, um die Hintergrundbeleuchtung auf
einen minimalen Wert zu reduzieren.
Eine erfindungsgemäß bevorzugte Vorrichtung nur für das Verteilen
und/oder Sortieren reiner Fluide - also ohne Teilchensortierer
- soll enthalten: eine passende Variante eines Verteiler/
Sortier-Systems; mehrere an dessen Eingänge und Auslässe
über flexible oder teilweise flexible Leitungen angeschlossene
Behälter; wenigstens eine Pumpe, die vorher beschriebene
Systempumpe, die einen Strom der Substanzen in dem System verursacht;
und eine elektronische Einrichtung zum Überwachen und
Steuern des Verteil/Sortier-Prozesses.
Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß eine Vorrichtung,
die zum Sortieren individueller Teilchen in Abhängigkeit
von deren physio-chemischen Eigenschaften geeignet
ist, ebensogut für einige Arten von Fluid- oder
Gas-Verteilprozessen eingesetzt werden kann. Die Einsetzbarkeit
hängt nur ab von der Konstruktion des speziellen Strömungssystems,
und bei der Verteil-Betriebsweise muß lediglich
das Programm der elektronischen Steuerung entsprechend modifiziert
werden. Demgegenüber müssen oder können die für die Sortier-
Betriebsweise gebrauchten Analysatoren abgeschaltet oder
von dem elektronischen System abgekoppelt werden, weil die
reine Verteilung immer in Abhängigkeit von einem vorgegebenen
gespeicherten Programm, z. B. mit Hilfe eines Computers, erfolgt.
Wenn die erfindungsgemäße Apparatur dazu benutzt wird, einige
Substanzen direkt in eine andere Substanz zu verteilen oder
einzusortieren, wenn sie z. B. benutzt wird zum Injizieren von
Flüssigkeiten und/oder Gasen in einen Verbrennungsmotor, wird
die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft in die durch den
Injektionsprozeß zu steuernde Apparatur integriert, so daß
mehrere oben genannte Teile nicht mehr nötig sein können. Zum
Beispiel die Filter/Auffang-Hohlräume oder -Flaschen und sogar
die Pufferhohlräume können von der erfindungsgemäßen Vorrichtung
abgekoppelt werden, wenn andere Mittel in der gesteuerten
Apparatur vorhanden sind, die die Funktion der abgekoppelten
Mittel übernehmen. Das Multirohr-Zwei-Stellungs-Ventil soll
jedoch aus ersichtlichen Gründen selbst in diesem Fall beibehalten
werden, um unrichtig injizierte Substanzen in der Phase
der Voreinstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung abzuleiten.
Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen
werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf den Kanalverzweigungsbereich
der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit geänderter
Elektrodengeometrie;
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung mit nochmals geänderter
Elektrodengeometrie; und
Fig. 5 eine Schnittzeichnung einer Filter/Auffang-
Flasche mit Kapillar-Filtersystem.
Das in Fig. 1 dargestellte Kanalsystem wird als "Rein-Elektrolyt-
Vorrichtung" bezeichnet, da die darin zu behandelnden
Teilchen oder Zellen während der gesamten Behandlungszeit in
einem reinen Elektrolyt bleiben. Fig. 2 zeigt den etwa 10fach
vergrößerten Kanalverzweigungsbereich des Kanalsystems von
Fig. 1, der aus einem Transportkanal versorgt wird und von
welchem verschiedene Ableitkanäle abzweigen. Der Transportkanal
besteht nach Fig. 1 aus der Kombination eines Verbindungskanals
8 und eines Verzögerungskanals 11. Letztere werden
durch eine Blende 9 voneinander getrennt.
Obwohl dieses Ausführungsbeispiel hauptsächlich vorgegeben ist
zum reinen Aussortieren verunreinigungsempfindlicher Teilchen,
z. B. lebender Zellen, aus einer Suspension, kann diese Konstruktion
natürlich ebenso gut zum einfachen Verteilen von
Elementen aus einem strömenden Fluid verwendet werden. Während
das Aussortieren im ersteren Fall abhängig von einer vorausgehenden
Analyse der strömenden Suspension erfolgt, wird die
Verteilung im anderen Fall nach Programm durch ein
elektronisches System vorbestimmt und ausgeführt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 wird für den Vakuumbetrieb
mit Gas als Steuermedium beschrieben. Das System ist
aber auch für eine Betriebsweise geeignet, bei der die Einlässe
mit Druck beaufschlagt werden.
Der Grundkörper 1 der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 besitzt
die Form eines flachen Zylinders mit konzentrischer
Doppelwand. Dieser ist zusammengesetzt aus einer größeren und
einer kleineren Zylinderscheibe 2 bzw. 3. Der Durchmesser der
größeren Scheibe 2 kann zwar jeden gewünschten Wert haben,
derjenige der kleineren Scheibe 3 soll jedoch etwa 18 mm
betragen, damit dessen fein polierte Oberseite 4 mit einem im
Handel erhältlichen Mikroskop-Deckglas desselben Durchmessers
abzudecken ist. Dieses (nicht gezeichnete) Deckglas wird für
den normalen Betrieb der Vorrichtung mit Hilfe eines nicht reflektierenden
und nicht fluoreszierenden schwarzen Klebstoffs,
wie Epoxid, fest auf die Oberseite 4 aufgeklebt, so daß es die
Gesamtheit der oberen, offenen Flächen der verschiedenen, unten
beschriebenen Kanäle und Hohlräume überdeckt und ein vollständig
geschlossenes, höhlenartiges Durchflußsystem für die
gesamte Vorrichtung erhalten wird. Die Wände der Kanäle und
Hohlräume werden vorzugsweise in die Oberseite 4 des Grundkörpers
1 eingelassen bzw. eingraviert und ebenfalls mit dem
schwarzen Klebstoff bestrichen, wenn der Grundkörper 1 nicht
schon selbst aus einem Material solcher optischer Eigenschaften
besteht. Schließlich soll der Grundkörper 1 aus einem
elektrisch nicht leitenden Material hergestellt werden, wenn
nicht die Bauteile, die elektrisch leitende Teile tragen,
elektrisch isolierend sind.
In einer Düsenkammer 7a wird die Kombination einer sehr dünnen,
von der Hüllströmung 6 eingeschlossenen Zentralströmung 5
erzeugt. Diese Konfiguration entsteht, wenn das Fluid der Zentralströmung
5 und mit dieser die zu behandelnden Teilchen
durch die Düse 7b in die Düsenkammer 7a fließen und die
Hüllströmung 6 als Flüssigkeitshülle unter der Saugwirkung einer
an die Auslässe des Strömungssystems angeschlossenen Vakuumpumpe
mitreißen.
Die Düsenkammer 7a soll vorzugsweise die Grundform haben, die
in der US-Patentanmeldung Serial No. 5 98 151 vom 9. April 1984
beschrieben wird. Mit Hilfe der dort angegebenen Düsenkammer
kann eine Strömungskombination der benötigten Art mit sehr hoher
Zuverlässigkeit und Stabilität erzeugt werden. Eine Strömungskonfiguration
dieser Qualität wird in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bevorzugt, weil sie die Gesamtqualität des
Verteil/Sortier-Betriebs begünstigt.
Die Strömungskombination 5 und 6 fließt durch den sich von dem
Ausgang der Düsenkammer 7a zu der Blende 9 erstreckenden Verbindungskanal
8. Dort sollen sich die Hauptmittel für die
Teilchenanalyse befinden. In diesem Volumenbereich soll auch
die optische Achse eines UV-Mikroskopobjektivs angeordnet werden.
Bei Ausbildung als Auflicht-Mikroskop beleuchtet dieses
Objektiv nicht nur die jeweilig vorbeiströmende Zelle bzw. das
Teilchen mit einem quasi ultravioletten Licht, sondern sammelt
auch das Fluoreszenz-Licht, das durch das mit dem quasi
ultravioletten Licht beleuchtete Teilchen emittiert wird. Auf
diese Weise ist es möglich, das Teilchen zu analysieren und
entsprechend nach einer seiner Eigenschaften, wie Volumen, DNA
oder Protein-Gehalt, zu sortieren.
Wenn nun ein Teilchen mit einer oder mehreren speziellen Farbsubstanzen
gefärbt wird, entspricht das von diesem Teilchen
ausgesandte Fluoreszenzlicht der Größe der mit der Farbe behandelten
Einheit. Das Fluoreszenzlicht wird durch das genannte
UV-Objektiv auch gesammelt und im Mikroskopteil des Sortiergeräts
mittels Photomultiplier in elektrische Impulse umgewandelt.
Diese Impulse wiederum triggern die verschiedenen
elektronischen Einrichtungen, von denen eine Gruppe das Sortiergerät
in Betrieb setzt. Übrigens muß die optische Achse
des UV-Objektivs mit der Mittelachse 10 des Grundkörpers 1
nicht zusammenfallen.
Nach Verlassen der Blende 9 passieren die Teilchen - noch innerhalb
der Zentralströmung 5 - den Verzögerungskanal 11, der
sich von der Blende 9 zum Eingang des Kanalverzweigungsbereichs
12 erstreckt. Letzterer wird definiert als das Volumen,
das durch die Querschnitte von (im Ausführungsbeispiel) sechs
dort endenden oder anfangenden Kanälen, den Boden des Kanalsystems
und die untere Seite des Deckglases begrenzt wird. Abhängig
von den Sortierbedingungen setzen die Teilchen nach
Durchquerung des Kanalverzweigungsbereichs 12 entweder ihren
geraden Weg in einen mittleren Verteilerkanal 13 fort, wenn nämlich
eine solche Strömungskonfiguration der stationären Strömung
sowohl der Suspension als auch der Teilchen entspricht,
oder sie werden durch den unten beschriebenen Ablenkprozeß in
einen seitlichen Verteilkanal 14 oder 15 abgelenkt. Anschließend
wird die Suspension entweder in einem innen angeordneten
Filter-/Auffang-Hohlraum (nicht gezeichnet) oder in einer außen
angeordneten Filter-Auffang-Flasche (Fig. 5) gefiltert.
Der zum ersten Mal im Zusammenhang mit dieser Erfindung erwähnte
Verbindungskanal 8 ist ein sehr günstiges, neues Element,
da durch diesen eine Länge von einigen mm aufweisenden Kanal
der hydrodynamische Widerstand dieses Bereichs der Vorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel auf ein Maximum erhöht wird. Dadurch
wird es möglich, das Systemvakuum, das heißt, das durch die
Saugwirkung einer Pumpe erzeugte Vakuum, ebenfalls auf einen
maximalen Wert zu erhöhen, ohne zugleich den Suspensions- bzw.
Elektrolytfluß durch das Strömungssystem unnötig zu vergrößern.
Das genannte erhöhte Vakuum liefert mehrere weitere sehr vorteilhafte
Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Einer dieser Vorteile ergibt sich aus dem großen Gasvolumen,
das bei umgebendem Unterdruck nach den Gasgesetzen aus derselben
Mol-Menge Gas zu erzeugen ist. Dementsprechend kann die
installierte Energie an den gaserzeugenden Elektrodenpaaren
klein gehalten werden. Weiterhin wird an sich eine durch die
erzeugten Gasmoleküle eventuell verursachte Verunreinigung der
Suspension der Zahl der Moleküle entsprechend kleiner. Im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 wird dieser Vorteil allerdings
kaum genutzt, da die Kanäle 16 und 17 reine Steuerkanäle und
die Kanäle 13, 14, 15 reine Verteilkanäle bilden, so daß das
Steuergas und die Suspension im wesentlichen getrennt bleiben.
Schließlich wird bei verstärktem Vakuum auch die auf die die
abzulenkenden Teilchen enthaltenden Elektrolytelemente wirkende
Ablenkungskraft vergrößert.
Durch Verwendung des Verzögerungskanals 11 wird eine Zeitverzögerung
zwischen den Vorgängen der Teilchenanalyse und einer
gegebenenfalls nachfolgenden Ablenkung desselben Teilchens in
einen vorgewählten Nur-Verteilkanal geliefert. Diese Verzögerung
ist erforderlich, um der Vorrichtung Zeit zu geben, die
Zentralströmung 5 genau in dem Zeitpunkt in einen vorgewählten
Nur-Verteilkanal 14, 15 zu lenken, in dem die Teilchen im Kanalverzweigungsbereich
12, das heißt am Ende des Verzögerungskanals 11,
ankommen.
Die Strömung des Elektrolyts verläuft im Verzögerungskanal 11
rein axial. Das gilt auch dann, wenn die verschiedenen Verteilkanäle
14, 15 mit ziemlich großem Winkel gefächert von dem
Kanalverzweigungsbereich 12 ausgehen. Diese Tatsache ergibt
sich aus der Trägheit des Elektrolyts, die dieser hier in der
geschlossenen Kammer ebenso wie im offenen Raum besitzt, und
die am Ende jeder Röhre wirkt. Daher kann die Zentralströmung
ihren gleichförmigen Querschnitt überall beibehalten, wo sie
stationär im Strömungssystem der Vorrichtung fließt. Die Kanäle
13, 14 und 15 haben nach Fig. 1 und 2 ausschließlich Verteilaufgaben,
da Steuerelektroden an keinem dieser Kanäle vorgesehen
werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß durch die Ablenkung
der Zentralströmung 5 eine asymmetrische Strömung in
dem Kanalverzweigungsbereich 12 verursacht wird, durch die gegebenenfalls
die Teilchen in einen der Nur-Verteilkanäle 14
oder 15 gedrängt werden. Weiterhin existiert diese Asymmetrie
der Strömung nur so lange, wie einer der Nur-Ablenkkanäle
(Steuerkanäle) 16 oder 17 für den Eintritt von
Elektrolytströmung gesperrt ist, das heißt, nur so lange, wie
es für die Ablenkung eines Teilchens in einen der Nur-Verteilkanäle
15 bzw. 14 erforderlich ist.
Eine eine Ablenkung bedingende Sperrung des Steuerkanals wird
durch Erzeugen einer Gasblase durch Elektrolyse in einem
Steuerelektrodenpaar 19 bzw. 18 verursacht. Durch eine solche
Gasblase wird der Druck im fraglichen Kanal erhöht, weil
das erzeugte Gas das Vakuum schwächt. Alternativ zur Elektrolyse
kann bei geeignet geformten Elektroden oder bei Beleuchtung
des Volumens zwischen den Elektroden mit einem ausreichend
starken Laserstrahl auch Dampf im selben Teil der Nur-
Steuerkanäle erzeugt werden; durch die damit verbundene
Druckerhöhung ist der Verteil/Sortier-Prozeß ebenfalls
steuerbar.
Dieses Verfahren wird zusammen mit dem Kräftespiel der Elektrolyt-
Ablenkung im einzelnen in dieser Beschreibung erläutert,
wobei die verschiedenen, sich erfindungsgemäß einstellenden
Verbesserungen des Sortier-Wirkungsgrads in bezug auf
den Sortierer nach der US-PS 41 75 662 ebenfalls angegeben
werden.
Eines von vielen bevorzugten, in Fig. 1 gezeigten, erfindungsgemäßen
Merkmalen besteht darin, daß das Gas nur in den reinen
Steuerkanälen 16 oder 17 erzeugt wird, in die die fraglichen
Teilchen niemals strömen. Ein anderes erfindungsgemäßes Merkmal
betrifft die reinen Verteilkanäle 13, 14 und 15, in die
allein die Teilchen strömen, in denen aber Gas nicht erzeugt
wird. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 und 2
verbleiben die Teilchen daher ständig, das heißt, während und
nach der gesamten Behandlungszeit, im reinen Elektrolyt. Demgemäß
wird diese erfindungsgemäße Vorrichtung als "Rein-Elektrolyt-
Vorrichtung" bezeichnet.
Auf der anderen Seite verläßt der möglicherweise verunreinigte
Elektrolyt, der in die Nur-Steuerkanäle 16 und 17 fließt, die
Vorrichtung über entsprechende Hohlräume 20 bzw. 21. Das relativ
erhebliche Volumen dieser zum größten Teil elektrolytfreien
Hohlräume, das 10⁴ mal größer als das zusammengefaßte
Volumen aller Nur-Verteilkanäle und Nur-Steuerkanäle sowie des
Kanalverzweigungsbereichs 12 sein kann, wird durch die Funktion
der Hohlräume 20 und 21 gerechtfertigt. Letztere können
ihre verschiedenen Pufferungsaufgaben, das heißt Kompensationsaufgaben,
wie oben beschrieben wird, nämlich nur erfüllen,
wenn ihr fluidfreies Volumen beträchtlich größer als die
Summe der Volumina des verteilenden Strömungssystems ist.
Putzlöcher 25 und 26, die jeweils mit einem der Hohlräume 20,
21 verbunden sind, werden bei normalem Betrieb luftdicht verschlossen
und nur geöffnet, wenn Schmutz aus dem Kanalverzweigungsbereich
12 oder dessen Nachbarschaft entfernt werden muß.
Die Verteilkanäle 13, 14 und 15 können in den Pufferhohlräumen
20, 21 ähnlichen Pufferhohlräumen 22, 23 und 24 münden, wenn
hierzu eine Notwendigkeit besteht. Gegebenenfalls brauchen die
Pufferhohlräume 22 bis 24 an den Enden der Verteilkanäle 13,
14 und 15 jeweils nicht sehr groß zu sein, da sie nur Elektrolyt-
Schwankungen in den entsprechenden Verteilkanälen kompensieren
sollen.
Die die Strömung betreffenden dynamischen Aspekte des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 1 werden unter Bezugnahme auf Fig. 2
erläutert. Fig. 2 zeigt den etwa zehnfach vergrößerten Teil
von Fig. 1 mit dem Kanalverzweigungsbereich 12, ohne jedoch
die Pufferhohlräume aus offensichtlich zeichnungstechnischen
Gründen mit demselben Maßstab darzustellen; die Pufferhohlräume
sind viel zu groß im Verhältnis zu den übrigen Teilen der
Figur.
In Fig. 2 wird die Hüllströmung 6 von Fig. 1 in fünf Partial
strömungen 6a bis 6e unterteilt dargestellt, um die Beschreibung
der verschiedenen Prozesse zu erleichtern. Diese Partialströmungen
werden zum Teil durch die beiden physikalisch realen
Wände des Transportkanals, der aus der Kombination von
Verbindungskanal 8 und Verzögerungskanal 11 besteht, und zum
anderen Teil durch virtuelle Ebenen begrenzt. Die virtuellen
Ebenen werden dabei als auf den gezeichneten Stromlinien 30a
bis 30d in einer Richtung senkrecht zum Boden des Transportkanals,
das heißt senkrecht zur Zeichnungsebene von Fig. 2,
stehend gedacht.
Die äußeren Randströmungen 6a und 6b nach Fig. 2 fließen in
den linken und rechten Nur-Steuerkanal 17 bzw. 16. Die
Elektrolytmenge, die in diesen Randströmungen fließt, soll so
groß wie möglich sein, weil durch diese beiden Strömungen die
schon beschriebene Asymmetrie der Strömung im Kanalverzweigungsbereich
12 nach Fig. 1 und demgemäß die Ablenkung der
Zentralströmung 5 und derjenigen der Teilchen in einen der
Nur-Verteilkanäle 14 oder 15 zustandegebracht wird. Die mittleren
Randströmungen 6c und 6d, die durch die längs der Strom
linien 30a und 30c bzw. 30b und 30d, angeordneten vertikalen
Ebene begrenzt werden, fließen in die seitlichen Ausgänge mit
den Nur-Verteilkanälen 15 und 14, wobei diese Strömungen 6c
und 6d zunächst gegen die leicht geneigten Enden des
Trennwandpaars 33 stoßen und dadurch in die genannten Kanäle
abgelenkt werden. Diesen mittleren Randströmungen 6c und 6d
wird die Aufgabe zugeordnet, die sortierten Teilchen in eine
vorbestimmte Filter/Auffang-Flasche oder dergleichen zu spülen,
die außerhalb der Vorrichtung angeordnet und daher in
Fig. 2 nicht gezeichnet ist. Da diese beiden mittleren
Randströmungen 6c, d die Ablenkung der Zentralströmung 5 nicht
verstärken, soll der Betrag an Elektrolyt, der in diesen Strömungen
fließt, so klein wie möglich gehalten werden.
Im Gegensatz zu den insoweit entsprechend Fig. 2 beschriebenen
Teilströmen der Hüllströmung 6 von Fig. 1 ist die mittlere
Partial-Hüllströmung 6e die einzige wirklich einhüllende
Strömung, da nur sie die Zentralströmung 5 unmittelbar umgibt,
da der Transportkanal eher breiter als tief ist. Diese beiden
Strömungen treten bei stationärer Strömung in den mittleren
Nur-Verteilkanal 13 ein, oder sie werden in einen der Nur-Verteilkanäle
14, 15 abgelenkt, wenn die Teilchen in einem dieser
Kanäle sortiert werden sollen. Da es nur zwei Nur-Verteilkanä
le gibt, ist es nur möglich, diese beiden Kanäle auszuwählen.
Daraus folgt, daß nach Fig. 1 und 2 nur zwei Populationen von
Teilchen aus ihrer Suspension aussortiert werden können, ein
verbleibender dritter Teil der Population wird als Residuum
bezeichnet.
Der Ablenkprozeß, das heißt die Ablenkung der Zentralströmung
5 und damit diejenige der Teilchen, in den linken
Nur-Verteilkanal 15, der sich in dem linken Auslaßhohlraum
(Pufferhohlraum) 24 fortsetzt, vollzieht sich im einzelnen wie
folgt: Da die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 zum Saugtyp gehört,
wird die Elektrolytströmung durch die Gaserzeugung mittels
Elektrolyse oder durch einen anderen geeigneten Dampferzeugungsprozeß
(wie weiter unten angegeben wird) gesteuert. Es
ist bekannt, daß Gas mit Hilfe eines gesteuerten elektrischen
Stromimpulses durch einen zwischen dem Elektrodenpaar 18 fließenden
Elektrolyten erzeugt werden kann. Die entsprechenden
Elektroden können in die vertikalen Wände des rechten Nur-
Steuerkanals 16 eingebettet werden.
Wenn die Geschwindigkeit der Gas-Volumen-Erzeugung an dem
Elektrodenpaar 18, die nicht mit der in Mol gemessenen
Gas-Molekül-Erzeugung gleich ist, nicht kleiner ist als die
Geschwindigkeit der Elektrolytströmung in dem rechten Nur-
Steuerkanal 16 bzw. in dessen unterem Teil 27, ist weiterhin
leicht zu sehen, daß der Elektrolyt ungestört in Strömungsrichtung
der Gasblasen zum Pufferhohlraum 20 fließt, da das
erzeugte Gas das von dem Elektrolyten nicht eingenommene Volumen
mit derselben Geschwindigkeit auffüllt, wie der Elektrolyt
ausströmt. Dies ist natürlich möglich, weil während dieses
Prozesses der Druck zwischen dem Elektrodenpaar auf einen
solchen Wert und für so lange Zeit vergrößert wurde, daß während
dieser Zeit keine weitere Elektrolytströmung in diesen
Nur-Steuerkanal möglich war.
Das Vorstehende entspricht der Erfindung, die besagt, daß während
einer Gasproduktion der Druck erhöht wird, das heißt, das
Vakuum so weit vermindert wird, daß kein Elektrolyt in diesen
Kanal eintreten kann. Hieraus folgt also, daß während einer
Gasproduktion auf den Elektrolyten kein Sog am Stromauf-Ende
des Elektrodenpaars 18, das heißt am Kanal 16, ausgeübt wird.
Mit anderen Worten, bei der genannten Geschwindigkeit der Gaserzeugung
zwischen diesem Elektrodenpaar wird der rechte Nur-
Steuerkanal 16 durch das Gas oder den Dampf derart überströmt,
daß das am Stromab-Ende des Kanals 16, das heißt an
dessen Bereich 27, erzeugte konstante Vakuum ausschließlich
die erzeugte Gasblase und den Elektrolyten in Richtung auf den
rechten Pufferhohlraum 20 ansaugt. Es bleibt daher keine Saugwirkung
übrig, um die äußere rechte Randströmung 6b in den
Nur-Steuerkanal 16 abzulenken.
Im Ergebnis wird die symmetrische Strömung, die im Transportkanal
im stationären Zustand existiert, zerstört. Der sonst
energiereiche rechte Nur-Steuerkanal 16 ist nämlich gesperrt.
Die Folge dieser Sperrung ist es, daß der linke Nur-Steuerkanal
17 und der linke Nur-Verteilkanal 15 mehr Elektrolyt als
bei stationärer Strömung saugen, weil die von ihnen ausgehenden
Saugkräfte jetzt nicht mehr durch den rechten Nur-Steuerkanal
16 kompensiert werden.
Das Ergeb 30197 00070 552 001000280000000200012000285913008600040 0002004017709 00004 30078nis der Ablenkung ist, daß die äußere rechte Randströmung
6b nun teilweise in den rechten Nur-Verteilkanal 14
und teilweise auch in den mittleren Nur-Verteilkanal 13
fließt. Außerdem fließt der ebenfalls abgelenkte rechte
mittlere Teilstrom 6d in den mittleren Nur-Verteilkanal 13 und
weiter in den mittleren Auslaßhohlraum 23. Die mittlere Partial
hüllströmung 6e fließt zusammen mit der Zentralströmung 5
in den linken Nur-Verteilkanal 15 und damit in den zugehörigen
Auslaßhohlraum 24, wenn die abgelenkte Elektrolytmenge der äußeren
rechten Randströmung 6b groß genug ist. Folglich stellt
sich eine Überschußströmung des Elektrolyts sowohl in der
mittleren Seitenströmung 6c als auch in der äußeren linken
Randströmung 6a ein.
In dieser Phase des Ablenkprozesses nimmt die Zentralströmung
5 ihre "nach links abgelenkte" Form ein, die durch die Kurve
31 beschrieben wird. Wenn nun ein Teilchen nahe dem Stromauf-Ende
der Nur-Steuerkanäle 16 und 17 angeordnet gedacht wird,
insbesondere in der Position 32a, und wenn die Ablenkzeit der
Zentralströmung lang genug ist, tritt dieses Teilchen in den
linken Nur-Verteilkanal 15 ein, wie durch den Punkt 32b in
Fig. 2 angedeutet wird.
Die Rückkehr zu der stationären Strömung beginnt mit Nachlassen
der Gaserzeugung des rechten Elektrodenpaars 18 in dem
Nur-Steuerkanal 16, das heißt zeitlich gesprochen am Ende des
entsprechenden elektrischen Impulses. Daraufhin verschwindet
die vorher erzeugte Gasblase aus dem Kanal 16 in den rechten
Pufferhohlraum 20, beginnt der Elektrolyt wieder, in dem Kanal
16 zu fließen, und der stationäre Zustand mit Drucksymme
trie stellt sich in allen Teilströmungen, insbesondere auch in
der äußeren rechten Randströmung 6b, wieder ein. Währenddessen
wird das Aussortieren des Teilchens 32a in dem linken Nur-Verteilkanal
15 vervollständigt. Das Teilchen verläßt die Vorrichtung
durch den linken Auslaßhohlraum 24.
Es ist leicht zu sehen, daß das Aussortieren eines Teilchens
in den rechten Nur-Verteilkanal 14 in ähnlicher Weise erfolgt,
wenn eine Gasblase in dem linken Nur-Steuerkanal 17 in dem
Elektrodenpaar 19 erzeugt wird. In diesem Fall verlassen die
Teilchen die Vorrichtung nach Ablenkung in den rechten Nur-Verteilkanal
14 durch den rechten Auslaßhohlraum 22 und treten
in die entsprechende Filter/Auffang-Flasche (nicht gezeichnet)
ein.
Das Verfahren zum Verteilen und damit das Verfahren zum Sortieren
der Teilchen besteht offenbar aus einer Reihe von partiellen
dynamischen Prozessen, die sich wiederum aus einer
Reihe von unregelmäßig folgenden Beschleunigungen und
Abstoßungen von Fluidsubstanzen in den verschiedenen Kanälen
und in dem Kanalverzweigungsbereich 12 zusammensetzen; unregelmäßig
deshalb, weil die zu sortierenden Teilchen einander
in zufälliger Weise folgen. Für einen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Vorrichtung soll daher das in
diesem Verfahren infrage kommende Kraft/Masse-Verhältnis so
groß wie möglich gemacht werden. Außerdem soll im vorliegenden
Fall die Saugwirkung, das heißt das auf das Strömungssystem
wirkende Vakuum während des gesamten Betriebs des Systems unabhängig
davon, welcher Typ in der Verteilphase vorgesehen
ist, so hoch und konstant wie möglich gehalten werden.
Weiterhin soll die Schwingungsamplitude des Elektrolyts so
klein wie möglich sein, und außerdem soll die Ablenkung der
Teilchen in einen der seitlichen Nur-Verteilkanäle 14 oder 15
beim kleinsten vorbestimmten Ablenkwinkel relativ zur stationären
Strömungslinie erfolgen. Aus dem Vorstehenden folgt offensichtlich,
daß diese Kanäle in der oberen Fläche der Vorrichtung
4 von Fig. 1 mit dem kleinstmöglichen Winkel - gemessen
gegenüber der stationären Strömungslinie - hergestellt
werden müssen.
Um weiterhin den Elektrolyt-Durchlaß auf einem niedrigen Wert
trotz des hohen an das System angelegten Vakuums zu halten,
das heißt bei einer Geschwindigkeit von etwa 10 m/sec, sollen
der Verbindungskanal 8 von Fig. 1 so lang und sein Querschnitt
so klein wie möglich gemacht werden, um den hydrodynamischen
Widerstand dieses Kanals auf einen für eine bestimmte Vorrichtung
maximalen Wert anzuheben. Hiernach wird eine im Sinne der
Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe optimale
Kraft auf den stark asymmetrisch fließenden Elektrolyten ausgeübt,
wenn einer der Nur-Steuerkanäle, das heißt entweder der
Kanal 16 oder der Kanal 17, durch dortige Gaserzeugung gesperrt
wird, um den Elektrolyten in der oben beschriebenen
Weise mechanisch abzulenken.
Weiterhin wird die Absaugstabilität durch die Verwendung der
Pufferhohlräume erreicht. Es geht hierbei um die großen Hohlräume
20 und 21, die in den Grundkörper 1 der Vorrichtung quasi
senkrecht in die Oberseite 4 gemäß Fig. 1 und 2 gebohrt
werden. Der größte Teil des Volumens der Pufferhohlräume 20
und 21 wird elektrolytfrei gehalten, damit die Hohlräume 20,
21 ihre Stabilisierungsaufgabe erfüllen können. Ihre
Auslaßlöcher werden über flexible (nicht gezeichnete) Röhren
mit einer Abfallflasche sehr großen Volumens derartig verbunden,
daß sowohl der Elektrolyt als auch das erzeugte Gas
parallel zueinander, ohne sich gegenseitig zu blockieren, in
die Flasche fließen können.
Die Auslaßhohlräume der Nur-Verteilkanäle 13, 14 und 15 werden
vorzugsweise über flexible Röhren mit Filter/Auffang-Flaschen
sehr großen Volumens verbunden. In letzteren wird die aussortierte/
abgeteilte Suspension nach Durchfluß durch ein Mehr
röhren-Zwei-Stellungs-Ventil, bei dem es sich im vorliegenden
Fall um ein Drillingsrohr-Ventil handelt, gefiltert.
Die Filter/Auffang-Flaschen, die im einzelnen weiter unten beschrieben
werden, stehen unter demselben Vakuum wie die Pufferhohlräume
und werden unter der Vorrichtung derart angeordnet,
daß die fragliche, gegebenenfalls bereits mit Teilchen
angereichtert aus den Pufferhohlräumen ausfließende Suspension
nicht nur unter der Wirkung des Vakuums sondern auch unter der
Wirkung der Schwerkraft, im vorliegenden Fall eine beträchtlich
große Kraft, abfließt. Natürlich gilt das gleiche für den
Fluid-Abfluß aus den Pufferhohlräumen, die an das Ende jedes
der Nur-Steuerkanäle 16 und 17 angeschlossen werden. Während
übrigens für diese letzteren Kanäle Pufferhohlräume erforderlich
sind, um die Vakuum- sowie die Einströmschwingungen zu
kompensieren und um die letzteren Schwankungen von der großen
Masse des langsam fließenden, schon behandelten Elektrolyts in
den anschließenden Rohren abzukoppeln, sind solche Pufferhohlräume
für die Nur-Verteilkanäle 13, 14 und 15 nur erforder
lich, wenn die Elektrolytschwankungen in diesen Kanälen viel
zu groß sind, so daß die Betriebsgeschwindigkeit der
Vorrichtung ohne solche Hohlräume vermindert werden würde.
Eine zusätzliche Kompensation von Suspensionsschwankungen in
den Nur-Verteilkanälen wird durch kleine Querkanäle 34 erhalten,
wenn diese so positioniert werden, daß sie eine geringe
Kommunikation des Fluids zwischen den Seitenkanälen 14, 15 mit
dem mittleren Auslaßkanal 13 erlauben, ohne die aussortierten
Teilchen irrtümlich in diesen letzteren Kanal fließen zu lassen.
Bei kleineren Elektrolyt-Schwankungen können diese Kompensations-
Kanäle 34 ausreichend sein.
Die Pufferhohlräume sind daher sehr vorteilhafte Elemente der
neuen Vorrichtung und damit der Erfindung. Auf ihr Erfordernis
kam der Erfinder nach der Analyse der Leistung früherer Sortierer,
die entsprechend der Lehre der US-PS 41 75 662 - natürlich
ohne die Hohlräume - konstruiert waren. In kürzlich
ausgeführten Experimenten wurde beobachtet, daß bei Erzeugung
von Gasbläschen nur in einem der Seitenkanäle mit Hilfe eines
Impulsgenerators die Zentralströmung in einer dichten Suspension
von gefärbten Maus-Tymus-Zellen (mouse tymus cells) von
etwa 5 µm Durchmesser sichtbar und damit unterscheidbar von
der Hüllströmung gemacht werden kann. Die Strömung zeigte eine
stationäre Ablenkung weg von der Kanalseite, auf der die Gasbläschen
erzeugt waren. Diese Beobachtung beweist klar, daß
ohne die Vakuum-Kompensationswirkung der Pufferhohlräume das
Vakuum bei zunehmender Gasblasenproduktion in den Steuerkanälen,
das heißt in den Kanälen, wo das Gas erzeugt wird, abnimmt.
Dieser Effekt ist daher eine der Rechtfertigungen für
die erfindungsgemäß bevorzugte Verwendung der unten genannten
Pufferhohlräume.
Eine hohe Zellen-Sortierqualität war jedoch auch in älteren
Vorrichtungen möglich, wenn die Zahl der zu sortierenden Zellen
in beiden Populationen etwa gleich war. Beim asymmetrischen
Sortieren, das heißt bei sich stark unterscheidenden
Zellen-Besetzungen, war jedoch nur das Zählergebnis der größeren
Zellenzahl befriedigend. Dieses nur partiell erfolgreiche
Sortieren kann dadurch erklärt werden, daß als Folge
des Aufbaus der Vorrichtung die relativ kleine Gasmenge, die
durch einen auf sie wirkenden hydrostatischen Auftrieb zum
Verbleib am Kanalende - (wo der Kanal in einen quasi
vertikalen Hohlraum übergeht) - gebracht wurde, die Vakuumschwankung
nicht vollständig stabilisieren konnte. Als eine
Folge davon entwickelte sich eine mittlere Ablenkung der Zentralströmung,
die ein sauberes Aussortieren der in größerer
Zahl vorliegenden Zellen begünstigte, aber die Zellen der anderen
Komponente längs der Wand am Eingang des entsprechenden
Verteilkanals vorbeigleiten ließ. Die Ablenkung der Zellen der
schwächer besetzten Komponente war also Zellen nicht groß
genug, um sie daran zu hindern, an der Wand zu schleifen. Als
Konsequenz wurden die meisten der letzteren Zellen zerstört
oder nur in Form von Trümmern wiedergefunden.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Pufferanordnungen
auch in anderen Zweigen moderner Technik angewendet werden.
Zum Beispiel die Speicherelemente an der Grenzschicht zwischen
der Zentraleinheit eines Computers und dem angeschlossenen Peripheriegerät,
beispielsweise eine Tastatur oder ein Bild
schirm funktionieren in derselben Weise, indem sie einen
schnellen Betrieb der extrem schnellen Zentraleinheit anstelle
der zitierten, langsam arbeitenden Peripheriegeräte erlauben.
Aus der oben genannten Beschreibung ergibt sich auch, daß zum
schnellen und zuverlässigen Sortieren die Verwendung der Pufferhohlräume
von größtem Vorteil ist sowohl für das Stabilisieren
des Vakuums als auch für das Entkoppeln der sehr
schnell schwankenden bzw. schwingenden Suspension, die in die
Verteilkanäle aus der sehr langsam fließenden Strömung verteilt
werden soll, von der großen Menge behandelter Substanz
in den Verbindungsröhren.
Die Tatsache, daß in diesen Hohlräumen das Gas auch von der
Suspension getrennt wird, als Ergebnis des bekannten hydrostatischen
Auftriebs, führt noch zu einer dritten Anwendung
dieser Hohlräume: Dieser dritte Typ von Hohlräumen wird jedoch
nur in solchen Vorrichtungen eingesetzt, in denen der Steuer-
und Verteilvorgang im selben Kanal bzw. in derselben Leitung,
stattfindet.
Da die während der Verteilphase erschütterte Masse der
Suspension bevorzugt minimal bleiben soll, ist es günstig, den
Querschnitt der verschiedenen Kanäle des Verteilbereichs so
klein wie möglich zu machen. Der Transportkanal, der aus dem
Verbindungskanal 8 und dem Verzögerungskanal 11 zusammengesetzt
ist, soll daher eher breit als tief sein, wenn eine große
Ablenkung der Zentralströmung 5 nur in der horizontalen
Ebene zu bewirken ist. Außerdem soll diese Kanalkombination so
lang wie möglich sein. Die Breite und Tiefe des Kanals sind
jedoch auch durch den Typ des UV-Objektivs begrenzt, welches
für die meisten optischen Untersuchungen von Teilchen benutzt
und an einem auch als Blende 9, bezeichneten Beobachtungspunkt
angeordnet wird. Dort soll es möglich sein, die innerhalb der
Zentralströmung 5 fließenden Teilchen ohne irgendein optisches
Hindernis, etwa eine vertikale Kanalwand, zu "sehen".
Intermittierende Bewegungen jedes Betrages der Suspension - abgesehen
von den abzulenkenden Teilchen - sollen in diesem Sinne
erfindungsgemäß ebenfalls auf einen minimalen Betrag beschränkt
werden, da das Vor- und Zurück-Schütteln des Elektrolyten
das Abbremsen und erneute Beschleunigen der Elektrolytmasse
in sich schließt. Das ist jedoch ein zeitraubender Prozeß,
der eine Verminderung der Arbeitsgeschwindigkeit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Folge haben kann.
Nach Vorstehendem kann es günstig sein, wenn die Elektrodenpaare
der Nur-Steuerkanäle 16 und 17 so nahe wie möglich am
Eingang dieser Kanäle beginnen. Dabei soll aber vermieden werden,
daß das Steuergas in die Kanäle überströmt, die stromabwärts
des Eingangs dieser Nur-Steuerkanäle liegen. Ein solches
Überspülen des Gases kann nämlich eine unerwünschte Verunreinigung
der ursprünglich reinen Elektrolytströmung im Verzögerungskanal
zur Folge haben. Diese Reinhaltung des Elektrolyts
ist aber gerade ein Grundmerkmal des erfindungsgemäßen
Typs der Sortier/Verteil-Vorrichtung. Wie bereits früher erläutert
wurde, muß die Länge der Nur-Steuerkanäle wenigstens
so groß sein, daß das Steuermedium, in diesem Fall ein Gas,
sich im Kanal entwickeln kann, ohne in den entsprechenden Pufferhohlraum
zu fließen. Andernfalls können die Gasentwicklung
und folglich der Ablenkprozeß gestört werden.
Der Ablenkwinkel der Zentralströmung 5 relativ zur Richtung
des stationären Strömungszustands soll ebenfalls so klein wie
möglich sein, um eine kurze Ablenkzeit und folglich eine hohe
Betriebsgeschwindigkeit der Vorrichtung zu erhalten. Dieser
Winkel wird vorzugsweise im wesentlichen durch Verminderung
der Dicke der Trennwände 33 an der Grenze zum mittleren
Nur-Ventilkanal 13 verkleinert. Unter Verwendung von Materialien
wie Mylar, kann die Wandstärke in diesem Bereich auf etwa
10 bis 20 µm reduziert werden, wodurch der Ablenkwinkel der
Zentralströmung 5 auf etwa 30° oder sogar noch weniger herabzusetzen
ist. Das ist auf jeden Fall eine beträchtliche Verbesserung
gegenüber ca. 70°Winkeln früherer Sortiervorrich
tungen.
Im allgemeinen soll der Grundkörper 1 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eben gemacht werden, und seine Durchmesser sollen
so klein wie möglich sein, derart, daß die verschiedenen Einlaß-
und Auslaßkanäle oder -hohlräume und die Putzlöcher 24,
25 kurz gemacht werden können. Die Auslaßhohlräume bzw.
-löcher 22, 23 und 24 werden mit einem kleinen streifenden
Winkel, etwa 30°, relativ zur Oberseite 4 der Vorrichtung in
den Grundkörper 1 gebohrt, derart, daß die Löcher 22, 23, 24
die entsprechenden Nur-Ventilkanäle 14, 13 und 15 glatt stoßen
und daß durch diese Löcher der Kanalverzweigungsbereich 12
leicht mit einem dünnen, flexiblen Faden oder Metalldraht erreicht
werden kann. Dadurch soll es ermöglicht werden, diesen
Teil des Strömungssystems ohne ein Abnehmen des das gesamte
Strömungssystem überdeckenden Deckglases, welches in die Oberseite
4 der Vorrichtung eingefügt ist, zu reinigen. Dieser
einfache Weg zum Reinigen der Kanäle stellt in der Tat einen
großen Vorteil der neuen Vorrichtung dar, weil das Entfernen
und nachfolgende Wiederbefestigen dieses Glases eine ziemlich
langwierige Arbeit ist, die eine beträchtliche Konzentration
beim Wiederaufsetzen erfordert.
Wenn ein optischer Teilchenanalysator benutzt werden soll, wird
die Vorrichtung entweder aus nicht reflektierendem und nicht
fluoreszierendem Material hergestellt, oder alle Kanäle werden
mit einer dünnen Lage solchen Materials bedeckt, um eine unerwünschte
Hintergrundbeleuchtung auf einen sehr geringen Wert
zu beschränken. Bevorzugt wird sogar das Deckglas aus
denselben Gründen mit einem solchen Material auf die Oberseite
4 geklebt. Der Grundkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung
soll ferner aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt
werden, da elektrische Drähte in ihn eingebettet werden,
an denen oft Spannungen von mehreren 100 V liegen.
Alternativ kann die Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 und 2 anstelle mit Vakuum mit Überdruck betrieben werden.
Bevorzugt werden gegebenenfalls Drücke von mehr als
Atmosphärendruck an die mit den Einlässen verbundenen
Behältern angelegt. In diesem Fall soll jedoch das Steuermedium,
ein Fluid oder Gas, durch die Pufferhohlräume 20 und 21
an die Nur-Steuerkanäle 16 oder 17 herangebracht werden. Der
Durchmesser bzw. das Volumen der Pufferhohlräume 20, 21 soll
dann viel kleiner sein, da bei dieser Betriebsweise keine Pufferung
in den Hohlräumen stattfindet. Die Pufferhohlräume jedoch
können in den Nur-Verteilkanälen 13, 14 oder 15 erforderlich
sein, wenn sie überhaupt gebraucht werden. Die kleinen
verbindenden Querkanäle 34 sind bei dieser Anwendung bestimmt
nützlich.
Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei andere nützliche Anordnungen der
Steuerelektroden. Diese werden im Grundkörper vorzugsweise
derart eingebettet, daß das Steuermedium bzw. -gas teilweise
innerhalb und teilweise unmittelbar benachbart dem Kanalverzweigungsbereich
erzeugt wird. Letzterer wird nach Fig. 3 und 4
begrenzt durch die Anstoßstellen von Transportkanal 8 und den
drei Verteil/Steuerkanälen 13, 14 und 15. Die Kanäle 13 bis 15
werden jetzt als "Verteil/Steuer-Kanäle" bezeichnet, weil sie
beide Betriebsweisen - nämlich sowohl das Steuern als auch
Verteilen bzw. Ableiten - ausführen. Das Deckglas wird in den
Fig. 3 und 4 zur Vereinfachung der Zeichnung nicht darge
stellt.
Diese Art der Elektroden-Anordnung ist optimal für den Betrieb
von Gerätetypen, bei denen die Auslaßkanäle sowohl die Steueraufgaben
als auch die Verteilaufgaben gemäß Ausführungsbeispiel
übernehmen. Demgemäß wird die Zentralströmung 5 in Bezug
auf ihre stationäre Strömungslinie 40 durch die Erzeugung von
Gas zwischen dem Elektrodenpaar 41a und 41b nach links abgelenkt,
wenn ein durch gestrichelte Linien angedeutetes elektrisches
Feld und der begleitende elektrische Strom zwischen
den Elektroden aufgebaut wird. In entsprechender Weise wird
die Zentralströmung nach rechts abgelenkt, wenn das
elektrische Feld 43 zwischen den Elektroden 45a, 45b erzeugt
wird.
Aus Fig. 3 ergibt sich klar, daß die aktive Oberfläche der
Elektroden 41a und 45b im wesentlichen aus deren Spitzen
besteht, mit denen die Elektroden einen Teil der Wände des
Transportkanals 8 bilden. Andererseits werden die aktiven
Oberflächen der Elektroden 41b und 45b, das sind die schraffierten
Teile in der Zeichnung, durch einen Teil des Bodens
der Verteilkanäle 14 und 15 am Kanalverzweigungsbereich
gebildet. Die Gaserzeugung findet daher außermittig, teilweise
innerhalb des Kanalverzweigungsbereichs und teilweise innerhalb
der Kanäle statt. Da die aktiven Flächen der Elektroden
41a und 45a zugespitzt ausgebildet werden können, läßt sich
dieser Elektrodenaufbau auch leicht zur Erzeugung gut kontrollierbarer
elektrischer Bögen anwenden, die bereits als Mittel
zum Erzeugen des Steuermediums, das heißt hier des Steuer-
Dampfs, angegeben worden sind.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 werden die Steuerelektroden
46a und 46b so konstruiert, daß sie näher aneinanderliegen und
größere parallele Oberflächen besitzen als diejenigen nach
Fig. 3, so daß zwischen diesen Elektroden eine größere Gas-
oder Dampfmenge als nach Fig. 3 erzeugt werden kann. Die Konstruktions
bedingungen sind hier jedoch etwas schwieriger, da
die stromabwärts liegende Elektrode 46b einen Teil der Kanaltrennwand
48a bildet. Die Elektrode 46b muß daher derart geschnitten
werden, daß sie den Verteilerkanal 15 nicht versperrt.
Das bedeutet, daß der aktive Teil der Elektrode 46b
mit dem Hauptverbindungsdraht 46c durch einen Teil der
Elektrode selbst, der tiefer als der Boden des Kanals 15
liegt, zu verbinden ist. Obgleich die Konstruktion einer
solchen Elektrodengeometrie nicht übermäßig schwierig ist, erfordert
sie jedoch zusätzliche Arbeit relativ zur Konstruktion
nach Fig. 3. Die rechte Seite des Strömungssystems und alle
zugehörigen Gesichtspunkte entsprechen denjenigen der linken
Seite. Das Erzeugen eines elektrischen Bogens ist auch hier
einfach, da die Elektroden 46a und 47a eine ihren jeweiligen
Gegenelektroden zugewandte scharfe Kante besitzen, die das Erzeugen
eines solchen elektrischen Phänomens erleichtern.
Fig. 5 zeigt einen vertikalen Schnitt durch die Filter/Auffang-
Flasche, die vorher als eine Alternative zu dem Filter/
Auffang-Hohlraum beschrieben worden ist. Letzterer kann übrigens
im wesentlichen dieselbe innere Struktur wie die Flasche
nach Fig. 5 besitzen. Beide Geräte dienen dazu, bereits aussortierte
bzw. im Elektrolyten angereicherte Teilchen, wie
Zellen, Chromosomen usw., von der Masse des sie suspendierenden
Elektrolyts zu trennen. Dabei wird eine fast beliebig
dicke, angereicherte Suspension erhalten, da dieser sanfte
Filterprozeß fast den gesamten Elektrolyten von den Teilchen
abtrennt.
Die Filter/Auffang-Flasche arbeitet wie folgt: Ein Zuflußrohr
50 der Flasche wird mit Hilfe eines flexiblen Schlauchs über
ein Mehrrohr-Zwei-Stellungs-Ventil, bei dem es sich im vorliegenden
Fall um ein Drillingsrohr-Ventil mit einem Rohr für jeden
Geräteauslaß handelt, mit den entsprechenden Auslaß-Hohlräumen
der Verteil/Sortier-Vorrichtung verbunden. Stromab werden
die Flaschen über ihre Luftauslaßrohre 51 auf ein Vakuumsystem
geschaltet, das die verschiedenen Fluide durch das ganze
Strömungssystem der Vorrichtung zieht. Der Elektrolyt tritt
also in Form von Tropfen 54 durch das Zuflußrohr 50 in den Innenraum
der Flasche ein. Der Flascheninnenraum wird durch den
Topf 52 und dessen luftdichten Deckel 53 begrenzt. Einige der
Tropfen 54 tragen in sich Teilchen. Ein Teilchen wird durch
einen Punkt in dem Tropfen 54 gekennzeichnet. Gas tritt jedoch
nicht in dieses Volumen ein, da es bereits vorher durch eine
der beiden schon beschriebenen Verfahren abgetrennt worden
ist.
Während die Teilchen in einem kleinen kraterförmigen Wulst 55
auf einem Feinfilter 56 verteilt werden, wird das Fluid selbst
durch die Wirkung der Oberflächenspannung des Kapillarsystems
dieses Filters abgesaugt. Das Filter soll Öffnungen mit einem
Durchmesser von mehr als 1 µm besitzen, jedoch dürften die
Öffnungen bestimmt nicht größer sein als das kleinste aus der
Suspension auszufilternde Teilchen. Der Elektrolyt wird dann
weiter nach unten in ein dickeres Filter 57 gesaugt, von wo er
weiter nach unten zum Boden des Topfs 52 durch ein vertikales
Kapillarsystem 58 gelangt. Das dickere Filter bzw. Papierfilter
57 kann von derselben Art wie ein übliches Kaffeefilter
ausgebildet werden. Als vertikales Kapillarsystem 58 kann ein
Bündel dünner Glasröhrchen von jeweils 2 mm Durchmesser verwendet
werden. Das Bündel wird mit zwei oder mehr Gummibändern
59 zusammengehalten.
Der Durchmesser des Teilchenwulstes 55 auf dem Feinfilter 56
kann durch einen kleinen Ring 63 begrenzt werden. Der Durchmesser
dieses Rings soll so groß sein, daß immer ein kleiner
Teil auf dem Filter um den Punkt herum, auf den die Tropfen 54
fallen, von Teilchen freibleibt. Nur unter einer solchen Bedingung
ist das Filter 56 in der Lage, den Elektrolyten nach
unten weg durch die in dem Wulst 55 verbleibenden Teilchen zu
saugen. Andernfalls können diese Teilchen das Feinfilter 56
verstopfen, ein Überfließen des Wulstes mit Elektrolyt verursachen
und damit ein Abspülen der Teilchen in den normalerweise
teilchenfreien, am Boden des Topfes 52 gesammelten, Abfallelektrolyten
62 zur Folge haben. Natürlich sind diese
Teilchen dann für jede weitere Verwendung verloren.
Das quasi vertikale Kapillarsystem 58 kann auch aus sehr kleinen
Kügelchen hergestellt werden. Vorzugsweise werden diese
Kügelchen durch eine zylindrische Hülse zusammengehalten, die
eine große Zahl von Löchern an ihren vertikalen Enden besitzt.
Das gefilterte Suspensionsfluid bildet im Kapillarsystem 58
bevorzugt ein "hängendes Kapillarwasser-Niveau" 60, von der der
Elektrolyt zum normalen Kapillarniveau 61 tropft. Von letzterem
wiederum fließt das gefilterte Fluid nach unten zum gefilterten
Elektrolyt 62. Offensichtlich ist es für die korrekte
Arbeit dieses Filtersystems vorteilhaft, wenn das hängende Kapillarwasser
niveau 60 niemals in einen ständigen Kontakt mit
dem normalen Kapillarniveau 61 des schon gefilterten
Elektrolyten kommt, weil dann die beiden Fluide ein stationäres
Fluid zwischen dem normalen Niveau 61 und dem Papierfilter
57 bilden würden, und anstelle der abwärts gerichteten Saugkraft
kann eine aufwärts gerichtete Saugkraft mit offensichtlich
schädlicher Wirkung auf den Teilchen-Filterprozeß in dieser
Flasche auftreten.
Nach dem Aussortieren werden die Teilchen des auf dem Feinfilter
56 gebildeten Wulstes 55 entweder in ein anderes Fluid gespült
oder auf einen Mikroskop-Objekthalter für eine direkte
visuelle Beobachtung und Prüfung gestrichen. Abhängig von der
Menge des neuen Fluids wird auf diese Weise eine beliebig
dichte neue Suspension der fraglichen Teilchen erhalten. Die
Fläche des Feinfilters 56 soll nicht kleiner sein, als nötig
ist, alle Teilchen zu sammeln, das bedeutet, daß die die Teilchen
tragende Suspension nicht von den Kanten des Filters abfließen
darf, vielmehr soll die Suspension durch das Feinfilter
selbst hindurchströmen.
Es ist möglich, die behandelten Teilchen direkt auf ein Objekthalterglas
zu sortieren, wenn dieses Glas genau unter das
Zuflußrohr 50 mit kleinem Winkel gegenüber der Horizontalen
plaziert wird und wenn zusätzlich ein Siebfilter passender
Öffnungsgröße auf das Glas gelegt wird. In diesem Fall kann
der Elektrolyt unter den Siebfilter und zwischen dessen
Löchern vom Glas abfließen, demgegenüber werden die Teilchen
zwischen den Öffnungen des Siebfilters zurückgehalten. Daher
müssen die Öffnungen größer als der Teilchendurchmesser sein.
Bei Teilchen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1 µm
ist ein kleiner als 1 µm feines Membranfilter 56 erforderlich,
diese Teilchen auszufiltern. Aus Versuchen hat sich ergeben,
daß bei solchen Filtern die kapillare Saugkraft nicht
stark genug ist. Daher wird in diesem Fall das vertikale Kapillarsystem
58 ersetzt durch ein anderes, stärkeres Vakuumsystem.
Hierbei handelt es sich um einen vertikalen Zylinder
mit einem an dessen Oberseite angeordneten starken gitterartigen
Halter als Tragsystem für das feine und das dicke Filter
56, 57. Innerhalb dieses Zylinders wird mit Hilfe einer zusätzlichen
Vakuumpumpe ein Hochvakuum erzeugt, mit welchem der
suspensierende Elektrolyt durch die beiden aufeinander und auf
der gitterartigen Struktur liegenden Filter gesaugt werden
kann. Die auf dem Feinfilter verbleibenden Teilchen können in
derselben Weise wie oben angegeben weiterbehandelt werden.
Aus der vorausgehenden Beschreibung ergibt sich klar, daß in
beiden Versionen des Sortierens auf Membranfiltern bzw. auf
dem Objekthalterglas das Filterverfahren und demgemäß das
Anreicherungs- oder Verdichtungsverfahren der Teilchensuspension
sehr schonend ist. In diesen Systemen fallen die Teilchen
nämlich weich und zusammen mit einer großen Menge Elektrolyt
aus der Höhe von 1 oder 2 cm auf ein Membranfilter oder auf
ein Objekthalterglas. Von dort werden die Teilchen auf
ebenfalls sehr schonende Weise für die weitere Verwendung aufgearbeitet.
Das in der eingangs erwähnten bekannten Düsenmethode
vorgesehene Ausblasen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit
in einem Düsenstrom des Elektrolyts, bei dem die Teilchen
oft an die Wände des Behälters anstoßen, kommt also nicht
vor. Daher sind der Filter/Auffang-Hohlraum und/oder die Fil
ter/Auffang-Flasche zusätzlich sehr vorteilhaft für ein strukturelles
Studium von Zellen in deren Mitose-Phase oder zum
Studium von Chromosomen und im allgemeinen in jedem
strukturell empfindlichen Fall.
Claims (59)
1. Verfahren zum gesteuerten Aussondern von fluiden Substanzen,
die als fluide Volumenelemente vorliegen und
wahlweise individuelle Teilchen in einer Suspension
tragen, aus einer, insbesondere aus Gas, Flüssigkeit
oder Aerosol bestehenden, Fluidströmung, die in einer
Ursprungsrichtung in einem geschlossenen, hohlraumartigen
Kanalströmungssystem mit Ein- und Auslässen unter
der Wirkung einer zwischen den Ein- und Auslässen
vorhandenen Druckdifferenz als dünner Strömungsstrahl
fließt, in eine dem jeweiligen Volumenelement zugeordnete
Verteilrichtung, wobei für jedes Volumenelement
ein bezüglich der Ursprungsrichtung seitlicher
Ablenkimpuls mit Hilfe eines aus einem, insbesondere
aus Gas oder Flüssigkeit bestehenden, Steuermedium
gebildeten Fluiddruckpolsters erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine durch den jeweiligen Ablenkimpuls auf den
Strömungsstrahl ausgeübte Schwingung vor dem Auslösen
des jeweils nächsten Ablenkimpulses für ein Entkoppeln
der Schwingungen gedämpft wird, indem das Fluiddruckpolster
seitlich von der Ursprungsrichtung abgeführt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Fluidströmung in einer ersten Betriebsweise des Kanalströmungssystems
im Sinne des Verteilens der fluiden Substanzen
auf eine Zahl von Auslässen des Systems programmgesteuert
abgelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fluidströmung in einer zweiten Betriebsweise des Kanalströmungssystems
im Sinne des Verteilens von jeweils wenigstens
ein Teilchen enthaltenden Volumenelementen, auf eine Zahl
von Auslässen des Systems abhängig von wenigstens einer individuellen
physio-chemischen Eigenschaft des jeweiligen Teilchens
gesteuert bzw. abgelenkt wird und daß diese Teilchen in
einem nachgeschalteten Filter/Auffang-Mittel konzentriert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fluidströmung in wenigstens einem Transportkanal (8,
11) zu einem Kanalverzweigungsbereich (12), von dem aus sich
mehrere Steuer- und Vertikalkanäle (13 bis 17) radial nach außen
verzweigen, transportiert wird, daß die zu verteilenden
fluiden Substanzen durch diskontinuierliches Zuführen eines
fluiden Steuermediums am Eingang eines Teils von mehreren Verteilkanälen
(13 bis 15), in die die zu verteilenden Substanzen
nicht eintreten sollen, in jeweils andere Verteilkanäle (13
bis 15) gedrängt werden und daß das Steuermedium in einen der
Steuerkanäle (16, 17) abgeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die verteilten fluiden Substanzen in den jeweiligen Verteilkanälen
(13 bis 15) zu jeweils zugehörigen Pufferhohlräumen
(22 bis 24) und das Steuermedium in den Steuerkanälen (16,
17) ebenfalls zu jeweils zugehörigen Pufferhohlräumen (20, 21)
transportiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die schnell schwingende, in die entsprechenden Pufferhohlräume
(20, 21) fließende kleine Masse der verteilten fluiden
Substanzen und des Steuermediums von der in die Verteilkanäle
(13, 15) gelangenden, größeren Masse der Fluidströmung mit
Hilfe eines flüssigkeitsfreien Volumenteils jedes dieser
Pufferhohlräume (20, 21) entkoppelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Vorliegen eines gasförmigen Steuermediums und einer
flüssigen Substanz der teilweise durch ein schwingendes Einfließen
des Steuermediums in die Pufferhohlräume (20, 21) erzeugte
Druck gepuffert und gleichzeitig das Steuermedium durch
hydrostatischen Auftrieb von der behandelten Substanz getrennt
wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Fluidströmung im System verursachende Druckdifferenz
durch Anlegen eines überatmosphärischen Drucks auf die
Einlässe des Systems verursacht wird, während die Auslässe des
Systems auf atmosphärischem Druck gehalten werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Fluidströmung in dem System verursachende Druckdifferenz
erzeugt wird durch Anlegen eines Vakuums an die Auslässe
des Systems, während die Einlässe auf Atmosphärendruck
gehalten werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Fluidströmung im System verursachende Druckdifferenz
erzeugt wird durch Anlegen eines überatmosphärischen
Drucks an die Einlässe des Systems und Anlegen eines Vakuums
an einige der Auslässe des Systems, wobei die verbleibenden
Auslässe auf einem anderen Druck, insbesondere Atmosphärendruck,
gehalten werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei mehreren Transportkanälen (8, 11) mit Hilfe jedes der
Transportkanäle mindestens ein Substanz-Typ zum Kanalverzweigungsbereich
(12) unabhängig von den anderen Transportkanälen
geleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gesamte Querschnitt einiger Transportkanäle (8, 11)
mit fluider Substanz ausgefüllt wird, während in anderen
Transportkanälen, den Eingangskanälen des Systems, eine andere
Strömungsgeometrie gewählt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß einige der Transportkanäle (8, 11) mit mehr als einer fluiden
Substanz ausgefüllt werden, wobei diese Substanzen quasi-laminar
nebeneinander in jedem der Kanäle fließen, und daß
die quasi-laminaren Strömungen in einer am Eingang jeder der
Transportkanäle angesetzten Strömungskammer eingestellt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine dünne Strömung (5) in einigen der Transportkanäle
erzeugt wird und daß diese dünne Strömung (5) in
einer Düsenkammer (7a) in eine Hüllströmung (6) eingeschlossen
und dadurch beim Fließen in dem Transportkanal (8, 11) stabilisiert
wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne oder die dünnen Strömungen (5) in der Ursprungsrichtung
im stationären Strömungszustand in denselben Verteilkanal
(13) oder in mehrere Verteilkanäle und in der Verteilphase
in einen vorgewählten Verteilkanal (14, 15) gerichtet
werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungen mit einem Querschnitt zum Orientieren mit
geführter Teilchen in eine passende Richtung relativ zum Querschnitt
des entsprechenden Transportkanals ausgestattet werden,
um für eine Analyse der Teilchen optimale Bedingungen zu
erhalten.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Teilchenanalyse in einer solchen Entfernung vom Eingang
des Kanalverzweigungsbereichs (12) ausgeführt wird, daß
die Durchflußzeit eines Teilchens von der Analyse zu dem Eingang
nicht kürzer als die zum Einstellen einer zugehörigen
Verteilströmungskonfiguration erforderliche Zeit ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuermedium am Eingang des jeweiligen Steuerkanals
(16, 17) an einer optimalen Stelle geringfügig innerhalb des
Kanalverzweigungsbereichs (12) und teilweise in den entsprechenden
Steuerkanal (16, 17) eingebracht wird, derart, daß die
beim Einstellen der geforderten Strömungskonfiguration umzudirigierende
Menge der zu verteilenden Substanz einen minimalen
Wert erhält.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuermedium durch eine mit der Außenseite des Kanalströmungssystems
kommunizierende Steueröffnung an die optimale
Stelle gebracht bzw. injiziert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 9 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der zum Injizieren des Steuermediums optimalen Stelle
ein Dampf oder ein Gas erzeugt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verteilkanäle (13 bis 15) mindestens so lang gemacht
werden, daß das Steuermedium das Ende dieser Kanäle während
seiner in den jeweiligen Kanal gerichteten Injektion nicht erreicht
und demgemäß die Teilchenauswahl durch eine mögliche,
durch den Eintritt des Steuermediums in den entsprechenden
Pufferhohlraum verursachte Druckvariation nicht gestört wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Sinne einer Erhöhung der Betriebsgeschwindigkeit ein
Gas als Steuermedium verwendet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine vorgegebene Mischung zwischen Steuermedium und zu
verteilender fluider Substanz erzeugt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß als aufzuteilende fluide Substanz eine während des Verteilens
nicht gelöste Flüssigkeit und daß als Steuermedium ein
inertes Gas verwendet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Vakuum vor dem Eingang eines der Verteilkanäle (13 bis
15) und eines der Steuerkanäle (16, 17) gebildet wird und daß
als Steuermedium ein durch einen physikalischen Prozeß gebildetes
Gas verwendet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas durch Elektrolyse zwischen Platin-Elektroden erzeugt
wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Steuermedium ein an der optimalen Position zwischen
wenigstens zwei nicht korrodierenden Metallelektroden, vorzugsweise
aus Wolfram, Molybdän oder Platin, durch elektrische
Bögen oder Funken im Fluid erzeugter Dampf eingesetzt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Steuermedium ein in der optimalen Position durch Beleuchten
des Fluids mit einem ausreichend intensiven Lichtstrahl,
insbesondere Laserstrahl, erzeugter Dampf eingesetzt
wird.
29. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
daß an zum wahlweisen Erzeugen eines Fluiddruckpolsters vorgesehenen
Steuerkanälen (16, 17) Kompensationsmittel in Form von
Pufferhohlräumen (20, 21) zum vollständigen Abbau des Druckpolsters
vor dem Aufbau eines dem nächsten Volumenelement zugeordneten
Druckpolsters und zum Dämpfen von durch den Auf-
und Abbau des Druckpolsters erzeugten Schwingungen vorgesehen
sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29,
gekennzeichnet durch
wenigstens einen Kanalverzweigungsbereich (12), der annähernd
durch die unteren Enden von Transportkanälen (8, 11) und die
Eingänge von sich von diesem Bereich aus verzweigenden Verteil-
und Steuerkanälen (13 bis 17) begrenzt ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30,
gekennzeichnet durch
wenigstens zwei sich von dem Kanalverzweigungsbereich (12) aus
mit kleinem Winkel relativ zueinander verzweigende Verteilkanäle
(14, 15).
32. Vorrichtung nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verteilkanäle (14, 15) ausgehend von dem Kanalverzweigungsbereich
(12) sich mit dem kleinstmöglichen Winkel relativ
zueinander verzweigen, während die Steuerkanäle (16, 17) die
Verteilkanäle (14, 15) umgeben und dadurch eine optimale Kanalverzweigungsgeometrie
schaffen.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32,
gekennzeichnet durch
einen Pufferhohlraum (20 bis 24) am Ende jedes Steuer- bzw.
Verteilkanals (13 bis 17) mit einem flüssigkeits-freien Volumen,
welches wesentlich größer ist als dasjenige des gesamten,
alle Transportkanäle (8, 11), das Volumen des Kanalverzweigungsbereichs
(12) sowie alle Steuer- und Verteilkanäle (13,
17) umfassende Volumen des Strömungssystems.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33,
gekennzeichnet durch
ein Mehrröhren-Zwei-Stellungs-Ventil, das in seiner einen
Stellung in einem Abfallbehälter und in seiner anderen
Stellung zu Filter/Auffang-Hohlräume zum selektiven Vergrößern
der Konzentration einer Teilchensuspension führt.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 34,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Transportkanal (8, 11) wenigstens einen Teilchenanalysator
und wenigstens Teile einer Einrichtung zum Umwandeln mindestens einer
vorgegebenen physio-chemischen Eigenschaft der Teilchen,
die in einer angeschlossenen elektronischen Apparatur elektronisch
zu Impulsen zu verarbeiten sind, beherbergt.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 35,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Transportkanäle (8, 11) einen maximalen hydrodynamischen
Widerstand besitzen, der es ermöglicht, an die Ausgänge
des Systems ein entsprechend hohes Vakuum anzulegen.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 odere 36,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Teilchenanalysator ein optisches System nach der
Episkop-Beleuchtungsart mit einem Objektiv sehr kurzer
Brennweite ist und daß ein Transportkanal in die Oberseite der
Vorrichtung eingelassen bzw. eingraviert und mit einem sehr
dünnen Glas luftdicht abgedeckt ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 37,
dadurch gekennzeichnet,
daß optische Teilchenanalysatoren vorgesehen sind und daß das
in der Vorrichtung verwendete Material ein nichtfluoreszierendes,
schwarzes Material ist.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 38,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zum Injizieren eines Steuermediums zwecks Minimierung
der abzulenkenden Menge der fluiden Substanz unmittelbar
vor dem Kanaleingang und teilweise in den Kanal selbst gerichtet
sind.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum optimalen Injizieren des Steuermediums ein Injektionskanal
vorgesehen ist, dessen Eingang außerhalb der Vorrichtung
liegt, und daß dort zur Injektion ein elektromechanisches Ventil
angeordnet ist.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 40,
dadurch gekennzeichnet,
daß einer der Verteil- und Steuerkanäle mindestens eine solche Länge besitzt,
daß das Stromab-Ende des Steuermediums das Stromab-Ende
des Kanals während des Injizierens des Kontrollmediums nicht
erreicht.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 41,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Pufferhohlraum (20 bis 24) einen Auslaß an seinem
Boden mit einer derartigen Größe besitzt, daß sowohl das behandelte
Fluid als auch das gasförmige Steuermedium ausfließen
können, ohne sich gegenseitig zu stören, wodurch sowohl die
Druckdifferenz als auch Fluid-Schwingungen bis zu einem sehr
hohen Grad kompensiert werden.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 41,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Pufferhohlraum (20 bis 24) an seinem Boden einen
Auslaß besitzt, der das gasförmige Steuermedium nicht
durchläßt, und daß im oberen Teil eines jeden Pufferhohlraums
ein Gasauslaßloch für das Steuermedium vorgesehen ist, derart,
daß das Steuermedium den jeweiligen Hohlraum durch die Wirkung
des hydrodynamischen Auftriebs verläßt und der große flüssigkeitsfreie
Volumenteil des jeweils Pufferhohlraums unter
dem Systemdruck steht und Druckschwankungen in diesem Hohlraum
kompensiert sind.
44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 43,
gekennzeichnet durch
ein erstes elektronisches System zum Einstellen der passenden
Verteil-Strömungskonfiguration und ein zweites elektronisches
System zum Einstellen der stationären Strömungskonfiguration.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 44,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht.
46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 45,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zum Beobachten offene Oberseite des Kanalströmungssystems
durch ein sehr dünnes Mikroskop-Deckglas unter Verwendung
eines Klebstoffs, insbesondere ein Epoxid, versiegelt ist,
so daß eine unerwünschte Hintergrundbeleuchtung im wesentlichen
vermieden ist.
47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 46,
dadurch gekennzeichnet,
daß alle Kanäle und Hohlräume in einem einzigen Körper derart
angeordnet sind, daß jeder Teil des Strömungssystems durch ein
Stereo-Mikroskop klar beobachtbar ist und jeder Fremdkörper
darin leicht zu beobachten und zu entfernen ist.
48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 47,
dadurch gekennzeichnet,
daß elektrische Leitungen gegenüber einem elektrisch leitenden
Körper der Vorrichtung isoliert sind.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 48,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Analysator ein elektronisches System vorgesehen ist,
das für die Verteilmethode ein vorbestimmtes Programm zum Vorbestimmen
der Verteilung der Substanzen enthält.
50. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 49,
gekennzeichnet durch
einen einen Filter/Auffang-Hohlraum und eine mit einem Bajonettverschluß
ausgestatteten Patrone aufnehmenden Körper (52,
53), ein Einlaßrohr (50) für die in den Hohlraum eintretende
Substanz, ein Membran-Feinfilter (55) mit Öffnungen kleiner
als die kleinste Größe der aus der zu behandelnden Substanz
auszufilternden Teilchen, ein grobes Membranfilter (56) unter
dem Feinfilter (55), ein vertikales Kapillarsystem (58), und
ein Auslaßrohr (51) im oberen Bereich des zylinderförmigen
Körpers (52) zum Stabilisieren der Druckdifferenz in dem
Hohlraum.
51. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 49,
gekennzeichnet durch
einen einen Filter/Auffang-Hohlraum und eine Patrone mit einem
Bajonettsystem zum luftdichten Verschließen der Patrone in dem
Hohlraum enthaltenden Körper (52, 53), ein Einlaßrohr (50) zum
Einführen der behandelten Substanz in den Hohlraum, eine sehr
feine Membran (56) mit Öffnungen von nicht mehr als 1,0 µm
Durchmesser, ein grobes Membranfilter (57) unter der feinen
Membran (56), einen vertikalen Zylinder mit einem durch ein die
beiden Filter (56, 57) tragenden Metallgitter abgedeckten oberen
Ende, eine Öffnung am oberen Ende des Zylinders zum Stabilisieren
des Drucks in dem Hohlraum, und eine zweite Öffnung
am Boden des vertikalen Zylinders zum Anlegen eines
ausreichend großen Vakuums zum Ansaugen des suspendierten
Fluids und zum Ausfiltern der behandelten Teilchen.
52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 49,
gekennzeichnet durch
einen Hauptkörper, an den die Filter/Auffang-Hohlraummittel durch
flexible Schläuche angeschlossen ist und der eine Flasche mit
einem Behälter umfaßt, ein Einlaßrohr (50) am Kopf des
Behälters (52) für den Eintritt der Suspension in diese
Flasche, ein feines Membranfilter (56) mit Öffnungen, die
nicht kleiner sind als die Größe der kleinsten aus der behandelten
Suspension auszufilternden Teilchen, ein grobes Membranfilter
(57) unter dem Feinfilter (56), ein vertikales Kapillarsystem
(58), und ein Auslaßrohr (51) im oberen Teil der
Flasche (52) zum Stabilisieren des Differenzdrucks der
Flasche.
53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 49,
gekennzeichnet durch
einen Hauptkörper, wobei ein Filter/Auffang-Hohlraummittel über flexible
Röhren mit jedem teilchenführenden Suspensions-Auslaß
der Vorrichtung des Grundkörpers (1) verbunden ist und eine
Flasche mit einem Behälter (52) umfassen, ein Einlaßrohr (50) am
oberen Ende der Flasche, welches etwa vertikal für den Eintritt
der behandelten Suspension in die Flasche orientiert
ist, ein sehr feines Membranfilter (56) mit Öffnungen von
nicht mehr als etwa 1,0 µm Durchmesser, ein grobes Membranfilter
(57) unter dem Feinmembranfilter (56), einen vertikalen
Zylinder, dessen oberes Ende mit einem die beiden Filter tragenden
Metallgitter abgedeckt ist, eine Öffnung im oberen Teil
der Flasche zum Stabilisieren des Drucks im ganzen Strömungssystem,
und eine zweite Öffnung am Boden des vertikalen Zylinders
zum Anlegen eines ausreichend hohen Vakuums in dem Zylinder
für ein Ansaugen der Suspension und Ausfiltern der aussortierten
Teilchen.
54. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 53,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem feinen Membranfilter (56) ein Ring (63) zum Begrenzen
der Ausbreitung der zu filternden Teilchen auf dem
Filter angeordnet ist.
55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 53,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Mikroskop-Objekthalterglas unter das Einlaßrohr (50)
gesetzt ist, daß das Glas mit einem feinen Sieb bedeckt ist,
derart, daß die ausgewählten Teilchen in den Öffnungen des
Siebs hängenbleiben, während das Fluid selbst nach unten auf
den Boden der Flasche fließt.
56. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 50 bis 55,
dadurch gekennzeichnet,
daß das an die Auslässe (51) des Filter/Auffang-Hohlraums angelegte
Vakuum so hoch wie für die Gesamtheit der Konstruktion
zulässig eingestellt ist.
57. Vorrichtung nach Anspruch 50 oder 52,
dadurch gekennzeichnet,
daß das vertikale Kapillarsystem (58) aus einem Bündel von,
vorzugsweise durch elastische Bänder (59) zusammengehaltenen,
Glasröhren besteht, von denen jede einen Durchmesser von etwa
1,0 mm besitzt.
58. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 57,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Grundkörper (1) mehrere Reinigungsleitungen (25,
26) vorgesehen sind, durch die der Kanalverzweigungsbereich
(12) durch einen Düsen-Reinigungsstrahl erreichbar ist, so daß
Fremdmaterial aus diesem Bereich zu entfernen ist, und daß die
Putzlöcher bei Betrieb der Vorrichtung luftdicht zu verschließen
sind.
59. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 57,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Reinigungsleitungen im einem Grundkörper (1) derart
vorgesehen sind, daß der Kanalverzweigungsbereich (12) mit
Hilfe eines Reinigungsfadens zum Entfernen von Fremdmaterial
aus diesem Bereich erreichbar ist, und daß die Reinigungsleitungen
bei Betrieb der Vorrichtung luftdicht zu verschließen
sind.
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