EP1815230A1 - Mikrofluidisches system mit einer kanalaufweitung - Google Patents

Mikrofluidisches system mit einer kanalaufweitung

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EP1815230A1
EP1815230A1 EP05823473A EP05823473A EP1815230A1 EP 1815230 A1 EP1815230 A1 EP 1815230A1 EP 05823473 A EP05823473 A EP 05823473A EP 05823473 A EP05823473 A EP 05823473A EP 1815230 A1 EP1815230 A1 EP 1815230A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
microfluidic system
particles
widening
carrier flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05823473A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Schnelle
Torsten Müller
Annette Pfennig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PerkinElmer Cellular Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Evotec Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evotec Technologies GmbH filed Critical Evotec Technologies GmbH
Publication of EP1815230A1 publication Critical patent/EP1815230A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N15/1023—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502753—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by bulk separation arrangements on lab-on-a-chip devices, e.g. for filtration or centrifugation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02—Separators
    • B03C5/022—Non-uniform field separators
    • B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647—Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0864—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices comprising only one inlet and multiple receiving wells, e.g. for separation, splitting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0424—Dielectrophoretic forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
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    • B03C2201/26—Details of magnetic or electrostatic separation for use in medical applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1404—Fluid conditioning in flow cytometers, e.g. flow cells; Supply; Control of flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N15/1484—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers microstructural devices
    • G01N15/149—
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology
    • G01N2015/1028—
    • G01N2015/133—

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic system, in particular for a cell sorter, with a carrier flow channel for receiving a carrier flow with particles suspended therein according to the preamble of claim 1.
  • Such a microfluidic system is known for example from DE 103 20 956 A1 and can be used in a cell sorter to examine biological cells and to sort the cells depending on the result of the examination into one of several output channels.
  • the known microfluidic system a carrier flow channel for receiving a carrier flow with suspended therein Par ⁇ tikeln, wherein the carrier flow channel into several ducts Skypeka- branched, in which the biological cells by the ⁇ .
  • a Messsta ⁇ tion arranged, which examines the suspended biological cells by, for example, a transmitted light measurement, a fluorescence measurement or an impedance spectroscopy is performed.
  • the measuring station it is also possible for the measuring station to measure the deformation of the suspended particles or their rotational speed or an electrical or magnetic quantity.
  • the investigation of the suspended biological cells in the measuring station requires in this case that the biological cells to be examined are spatially fixed during the examination or at least greatly slowed down. Therefore, the microfluidic system has be known ⁇ for fixation of the biological cells to be examined in the carrier flow channel on a field cage, the dielectrophoretically from a we- In the case of a suitable electrode, the biological cells which are suspended in the carrier flow are held fast by a suitable electrical control so that the measuring station can examine the cells in the stationary state.
  • a disadvantage of the known micro-fluidic system described above is the quantitatively unsatisfactory throughput or the high loading of the biological cells.
  • the invention is therefore based on the object, to increase the through ⁇ set of biological cells in such a microfluidic system.
  • the invention is based on the newly gained insight that the throughput of biological cells at the outset be ⁇ signed known microfluidic system on the one hand by the maximum detection speed of the Messsta ⁇ tion and bounded on the other hand by the maximum allowable electrical control of the field cage.
  • the suspended biological cells must not exceed a certain flow velocity.
  • the field cage slows the biological cells therefore from the normal flow rate in the carrier flow channel to such an extent that the flow rate drops of the test cells under the maximum permissible detection speed of the Messsta ⁇ tion.
  • the quantitative throughput can therefore by ⁇ He heightening the flow speed in the carrier flow channel raise only so far that despite maximum permissible elektri ⁇ shear control of the field cage, the maximum permissible Detek- tion speed of the measurement station is reached.
  • the carrier flow channel has a channel widening with a widened channel cross section over part of its length.
  • the channel widening leads corresponding to the relationship of the channel cross-sections in front of the widened channel portion and in the channel widening in a corresponding reduction of the flow velocity, whereby it can be the deceleration to be un ⁇ tersuchenden cells supported by the box cage or so ⁇ even replaced.
  • the carrier flow channel has the advantage that the flow velocity in the carrier flow channel outside of the channel widening and thus also the quantitative throughput of biological cells or sons- term particles can be increased without having to ban ⁇ sponding particles at the measuring station, the maximum detection - exceed speed.
  • Another advantage of the widened channel portion is may be that the field cage and the measuring station further ent from the channel edge arranged ⁇ removed. This is particularly advantageous in the case of high-resolution fluorescence measurements, which can be hindered by fluorescing channel materials or adhesives.
  • at least one measuring station is arranged in the region of the channel widening in order to examine the cells or other particles suspended in the carrier flow.
  • the station itself can be constructed in a conventional manner, as example, described ⁇ in the already cited patent application DE 103 20 956 Al, so that the content of this publication with respect to training and function of the measuring station of the present description in full environmental fang is attributable.
  • a Manipula ⁇ is arranged at least tion device to manipulate the suspended particles, wherein the reduced flow velocities facilitates speed in the region of the channel widening the manipulation of the suspended particles.
  • a sorting device eg a dielectric switch
  • a manipulation device which can arrange different particles (eg red and white)
  • the manipulation device may also be a holding device, which holds the suspended particles in a suitable control.
  • the manipulation device may carry out a manipulation in the strict sense by stretching the particles or by pairing (for example by electrofusion), which is known per se.
  • the manipulation device may be, for example, a laser or a laser tweezers or a dielectrophoretic electrode arrangement.
  • the channel widening is preferably restricted to the area of the measuring station or the manipulation device in the flow direction, since only there is a lowering of the flow mungs Alfa is required to er ⁇ possible an investigation in the measuring station or a manipulation of the particles.
  • the measuring station in a preferred embodiment of the present invention to a predetermined, maximum permissible speed of detection, up to which the measurement ⁇ station can search the particles suspended in the carrier flow under ⁇ .
  • the carrier stream comprises a stream have on speed, which lies in the region of the widened channel portion below the maximum detection speed and outside the Ka ⁇ nalaufweitung above the maximum detection speed. Can be so the channel widening leads in this case to a Absen ⁇ effect of the flow rate to below the maximum permissible speed of detection of the measuring station, so that the flow velocity in the carrier flow channel before the channel widening increased accordingly, thereby increasing the quantitative flow rate of particles.
  • the reduction provides the Strömungsgeschwindig ⁇ ness in the range of the channel widening the possibility that can be dispensed to a field cage or other fixing means for retaining the particles during the investigation.
  • a great advantage of the use of microchannels for the investigation of biological samples (eg cells), in particular for the investigation of their reaction to the addition of agents (eg pharmaceutically or cell-differentiating substances), is that only the smallest volumes are needed. This is of great importance in drug scission.
  • agents eg pharmaceutically or cell-differentiating substances
  • the small channel dimensions place narrow limits on the parallel investigation. If a plurality of manipulation elements are accommodated in a channel widening, in which individual cells or cell aggregates can be held, the advantages of the small amounts of substance can be combined with the parallelizability.
  • the invention is not limited to such embodiments in which no field cage is arranged in the region of the channel widening. Rather, there is also the Mög ⁇ friendliness that the braking or fixing together through the channel widening and a field cage is carried to the sec ⁇ sponding particles during the examination, whereby the
  • the field cage is preferably arranged in the region of the measuring station in order to decelerate or even fix the particles for examination by the measuring station.
  • the bifunctional integration described above is not limited to the combination of a dielectric field cage with a measuring station. It is for example also mög ⁇ Lich to integrate the station with a manipulating device (eg, a laser or a laser tweezers) in a component, wherein the manipulating device can also operate mag ⁇ netic.
  • a manipulating device eg, a laser or a laser tweezers
  • the channel cross section of the carrier flow channel in the region of the channel widening is extended by 5% to 400% in relation to the region outside the channel revaluation, any intermediate values being possible within the scope of the invention and a range of 10% to 500%, preferably 10% to 300 %, ⁇ is particularly advantageous.
  • a Sortierein ⁇ is preferably arranged direction which NEN the suspended particles in Ab ⁇ dependence on the actuation of the sorting device in ei ⁇ of the output channels, sorted and such Sor ⁇ also animal facility from the already cited patent application DE 103 20 956 Al is known.
  • At least one of the output channels ⁇ se a centering device which centers the suspen arranged ⁇ -founded particles in the output channel and thereby prevents transmission channels a gravitational settling of the particles in the off ⁇ .
  • at least one of the output flow channels opens into at least one of the output channels, which is also known per se.
  • a holding device ( "Hook” eng.) May be upstream of the measuring station are ⁇ which retains the suspended particles, depending on their dently ⁇ tion or to pass through. This offers the possibility that the particles to be examined are held upstream of the measuring station and fed to the measuring station in a targeted manner.
  • the sorting device preferably have a dielectrophoretic manner in this case acting electrode arrangement.
  • Such dielectrophoretically acting electrode drive North ⁇ voltages are, for example, from Mueller, T. et al. : “A 3-D microelectrode system for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14 (1999), 247-256, known, so that the content of this publication of the present description is attributable in its entirety ,
  • an additional channel may be provided, which is connected to the carrier flow channel and extends substantially transversely to the carrier flow channel, wherein the additional channel is connected with DC voltage signals for deflecting the particles.
  • the particles are magnetically manipulated by laser (for example by means of laser tweezers) or.
  • the individual particles can also be stretched, which is described, for example, in DE 103 52 416, so that the contents of this document are to be fully attributed to the present description.
  • the sorting device and / or the measuring station is arranged eccentrically in the carrier flow channel.
  • the eccentric arrangement of the sorting device in front of the mouth opening of one of the output channels offers the possibility that the particles to be sorted independently flow into the respective output channel without an active control of the sorting device, so that the sorting device is merely sorted into one of the Other output channels must be actively controlled.
  • the channel widening may in the inventive microfluidic system be one-dimensional, for example, the width of only the carrier flow channel in the region of the channel ⁇ expansion is increased while the height of the carrier flow channel ⁇ is constant.
  • the channel widening is two-dimensional in that both the height and the width of the carrier flow channel in the region of the channel widening are increased.
  • micro fluidic system according to the invention is integrated on a chip.
  • the advertising can also be achieved by the channel widening, the carrier flow channel that upstream of the Ka ⁇ nalaufweitung into several parallel sub-channels branched, which are returned Miltonge ⁇ downstream of the channel extension.
  • the total cross section of the individual subchannels is preferably larger than the cross section of the carrier. gerstromkanals outside the channel extension, so that in this case the flow velocity in the region of Kanalauf ⁇ expansion is reduced.
  • a plurality of channel widenings are arranged one behind the other in the carrier flow channel. This can be particularly useful when several stations are arranged one behind the other in the Trä ⁇ gerstromkanal.
  • the individual channel widenings are then preferably arranged in each case at the location of the measuring stations, in order there to
  • the inventive microfluidic system has a plurality of parallel or verzwei ⁇ ing carrier flow channels, in each of which at least one channel widening is arranged.
  • the lowering of the invention is the flow velocity in the channel widening, not only for a study of the particle makes sense, but also for de ⁇ ren manipulation, such as education for a specific pair ⁇ . Therefore, within the scope of the invention, there is also the possibility that a manipulation device is arranged in the region of the channel widening.
  • microfluidic system according to the invention can be advantageously used in a cell sorter.
  • the invention also encompasses the novel use of such a microfluidic system in medical or pharmaceutical research, in diagnostics or in forensic medicine.
  • the invention also encompasses the use of a microfluidic system according to the invention for separating different cell types from one another, in particular apoptotic and necrotic cells, cells with different expression patterns and / or stem cells. Furthermore, in the microfluidic system according to the invention, it is also possible to sort cells or, in general, particles of different size and / or different morphology.
  • particle used in the context of the invention is to be understood generally and is not restricted to individual biological cells.
  • this term also encompasses synthetic or biological particles, with particular advantages if the particles are biological materials, for example biological cells, cell groups, cell constituents or biologically relevant macromolecules, in each case optionally in combination with other biological particles or synthetic Carrier particles comprise.
  • Synthetic particles may comprise solid particles, liquid particles separated from the suspension medium, or multiphase particles which form a separate phase with respect to the suspension medium in the carrier stream.
  • the term of a microfluidic system used in the context of the invention means that the carrier flow channel contains a volume which is preferred. wise in the milli-, micro- or nanoliter range.
  • the Vo ⁇ lumen of the carrier flow channel can therefore in the inventive ⁇ microfluidic system SEN, for example in the range of 0.01 nl to 10 ml or in the narrower range of 1 nl to 1 ml lie, wherein any intermediate values are also possible.
  • Figure IA is a schematic representation of a microfluidic system according to the invention ⁇ SEN tung with a Kanalaufwei ⁇ and a field cage for the joint braking or fixing of the particles to be examined,
  • Figure IB shows an alternative embodiment of a microfluidic system according OF INVENTION ⁇ dung nannenweitung with a Ka ⁇ and a non-central field cage for the joint braking or fixing of the particles to be examined,
  • Figure 2A shows an alternative embodiment of a microfluidic system according OF INVENTION ⁇ dung with a Ka nalaufweitung for braking to be examined the
  • Figure 2B shows an alternative embodiment of a microfluidic system according OF INVENTION ⁇ dung with a Ka nalaufweitung for fixation and load to be un ⁇ tersuchenden particles.
  • microfluidic system in accordance with FIG IA is partly formed forth ⁇ kömmlich so that in addition to the publication Müller, T. et al. : "A 3-D microelectrode system for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14 (1999), 247-256 and to DE 103 20 956 Al.
  • the microfluidic system has a carrier flow channel 1, in which a carrier stream with particles 2 suspended therein flows, which is known per se.
  • the carrier flow channel 1 is a funnel-shaped, dielectrophoretic electrode assembly 3, which centered in the carrier flow stream 2 suspended particles in the Trä ⁇ gerstromkanal 1 and therefore also as "Funnel" be ⁇ draws.
  • the carrier flow channel 1 Downstream of the hook-shaped electrode arrangement 4, the carrier flow channel 1 has a channel widening 5, wherein the channel cross section in the area of the channel widening 5 is increased by 50% compared to the channel cross section outside the channel widening 5.
  • the channel widening 5 brings about a reduction in the flow rate in the range of Ka ⁇ nalaufweitung what 2 is Tikel important for the subsequent investigation of Par, as subsequently wrote more detail be ⁇ .
  • the measuring station 6 In the region of the channel widening 5 there is a measuring station 6, which examines the particles 2.
  • the measuring station 6 may in this case be formed in a conventional manner, as is described in the two publications mentioned above, so that a detailed description of the measuring station 6 can be dispensed with at this point.
  • the measuring station 6 can only examine the particles 2 if the flow velocity of the particles 2 does not exceed a predetermined maximum permissible detection speed.
  • a further dielectrophoretically acting electrode driving voltage North ⁇ 7 is arranged, which is formed cage-shaped, and the particles 2 can fix dielectrophoretically at a suitable electrical control and is therefore also referred to as a "cage".
  • the channel portion 5, and the cage-shaped electrode drive North ⁇ voltage 7 act here taken together with the target, the particles 2 in the carrier flow channel 1 decelerate so far and to be noted that the station 6 can chen the particles 2 sec ⁇ .
  • a further di ⁇ electrophoretically acting electrode assembly 10 is disposed ⁇ supply area, which acts as a particulate soft and therefore also called a "switch" referred to as.
  • the soft like Elektrodenanord- voltage 10 sorts the particles 2 in function of their At ⁇ control and what is known per se in dependence on the result of the process performed by the observation station 6 Investigation into one of the two output channels 8,. 9 In this case, there is another funnel-shaped, dielectrophoretically acting electrode arrangement 11 in the outlet channel 9 which centers the particles 2 in the outlet channel 9 and thereby prevents the particles 2 in the outlet channel 9 from sinking as a result of gravity.
  • microfluidic system according to FIG. 1B largely corresponds to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIG. 1A, so that in order to avoid repetition, reference is largely made to the above description of FIG. 1A, the same reference numerals being used for corresponding components below.
  • the special features of this embodiment exist represents ⁇ in, is that the measuring station 6 and the cage-shaped electric ⁇ not end assembly 7 centrally in the region of the widened channel portion 5 are, and also the hook-shaped electrode assembly 4 in Figure IA ei ⁇ through the electrode assembly 4 with the function ner particles diverter ( engl. "Switch") was replaced.
  • the particles 2, which were evaluated positively by means of the measuring station 6, reach the desired output channel 9 without additional switching.
  • a special feature of this embodiment is that in the region of the channel widening 5 no additional kar ⁇ figieri electrode assembly 7 is arranged, so that the deceleration of the particles 2 for the investigation by the measuring station 6 alone by the channel widening 5 is effected.
  • channel widening 5 extends in comparison to the embodiment of Figure 1 over a much larger ⁇ re length of the carrier flow channel 1.
  • the soft-type electrode assembly 10 in this case in the carrier flow channel 1 in the region of Kanalauf ⁇ expansion 5 eccentrically in front of the mouth opening of administratska ⁇ nals 9 are arranged.
  • the soft-type electrode assembly 10 must be in this case thus only activated when the particles are to be sorted in the output channel 8 2 ⁇ wohinge gen the particles to be sorted 2 without an active dently ⁇ tion of the soft-type electrode assembly 10 independently flow into the output pin 9.
  • a special feature of this embodiment is that in the region of the channel widening 5 a plurality of electrode arrangements 7 are accommodated, wherein the electrode arrangements 7 can also comprise measuring stations.
  • an additional loading channel 1 ' opens in the area of the channel widening 5.
  • cells in the cage-like electrode arrangements 7 (cages) can first be caught and then adjusted by suitable regulation of the flow conditions in the carrier flow channel 1 or the loading channel 1 'are exposed to a spatial or temporal chemical concentration profile. This may be, for example, the supply of artificial particles, pharmacological substances, antibodies, viruses, etc. via the loading channel 1 '. Subsequently, sorting can take place as a function of the detection.
  • This exemplary embodiment advantageously combines the low substance consumption with parallel evaluation in the microsystem.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System mit einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2). Es wird vorgeschlagen, dass der Trägerstromkanal (1) auf einem Teil seiner Länge eine Kanalaufweitung (5) mit einem erweiterten Kanalquerschnitt aufweist, um die Strömungsgeschwindigkeit für eine Untersuchung der Partikel (2) zu verringern.

Description

BESCHREIBtJNG
Mikrofluidisches System mit einer Kanalaufweitung
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, insbeson¬ dere für einen Zellsortierer, mit einem Trägerstromkanal zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges mikrofluidisches System ist beispielsweise aus DE 103 20 956 Al bekannt und kann in einem Zellsortierer ein¬ gesetzt werden, um biologische Zellen zu untersuchen und die Zellen in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Untersuchung in einen von mehreren Ausgangskanälen zu sortieren. Hierzu weist das bekannte mikrofluidische System einen Trägerstromkanal zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Par¬ tikeln auf, wobei der Trägerstromkanal in mehrere Ausgangska- näle verzweigt, in die die biologischen Zellen sortiert wer¬ den. Darüber hinaus ist in dem Trägerstromkanal eine Messsta¬ tion angeordnet, welche die suspendierten biologischen Zellen untersucht, indem beispielsweise eine Durchlichtmessung, eine Fluoreszenzmessung oder eine Impedanzspektroskopie durchge- führt wird. Es ist jedoch auch möglich, dass die Messstation die Deformation der suspendierten Partikel oder deren Rotati¬ onsgeschwindigkeit oder eine elektrische oder magnetische Größe misst. Die Untersuchung der suspendierten biologischen Zellen in der Messstation setzt hierbei voraus, dass die zu untersuchenden biologischen Zellen während der Untersuchung räumlich fixiert oder zumindest stark gebremst sind. Das be¬ kannte mikrofluidische System weist deshalb zur Fixierung der zu untersuchenden biologischen Zellen in dem Trägerstromkanal einen Feldkäfig auf, der aus einer dielektrophoretisch wir- kenden Elektrodenanordnung besteht und die in dem Trägerstrom suspendierten biologischen Zellen bei einer geeigneten elekt¬ rischen Ansteuerung festhält, damit die Messstation die Zel¬ len im ruhenden Zustand untersuchen kann.
Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen bekannten mikro- fluidischen System ist der quantitativ unbefriedigende Durch¬ satz bzw. die hohe Belastung der biologischen Zellen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Durch¬ satz von biologischen Zellen bei einem derartigen mikroflui- dischen System zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes mikrofluidi- sches System gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf der neu gewonnenen Erkenntnis, dass der Durchsatz von biologischen Zellen bei dem eingangs be¬ schriebenen bekannten mikrofluidischen System zum einen durch die maximal zulässige Detektionsgeschwindigkeit der Messsta¬ tion und zum anderen durch die maximal zulässige elektrische Ansteuerung des Feldkäfigs begrenzt wird.
Zur Durchführung einer Untersuchung in der Messstation dürfen die suspendierten biologischen Zellen nämlich eine bestimmte Fließgeschwindigkeit nicht überschreiten. Der Feldkäfig bremst die biologischen Zellen deshalb von der normalen Fließgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal so weit ab, dass die Fließgeschwindigkeit der zu untersuchenden Zellen unter die maximal zulässige Detektionsgeschwindigkeit der Messsta¬ tion absinkt.
Diese Abbremsung der zu untersuchenden Zellen ist jedoch nur beschränkt möglich, da die an den Feldkäfig zum Abbremsen bzw. Festhalten der Zellen angelegte elektrische Spannung nicht beliebig erhöht werden kann, da die Zellen ansonsten thermisch oder elektrisch geschädigt werden können.
Der quantitative Durchsatz lässt sich deshalb durch eine Er¬ höhung der Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal nur so weit anheben, bis trotz maximaler zulässiger elektri¬ scher Ansteuerung des Feldkäfigs die maximal zulässige Detek- tionsgeschwindigkeit der Messstation erreicht ist.
Die Erfindung umfasst deshalb die allgemeine technische Leh¬ re, dass der Trägerstromkanal auf einem Teil seiner Länge ei¬ ne Kanalaufweitung mit einem erweiterten Kanalquerschnitt aufweist. Die Kanalaufweitung führt entsprechend dem Verhält- nis der Kanalquerschnitte vor der Kanalaufweitung und in der Kanalaufweitung zu einer entsprechenden Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit, wodurch die Abbremsung der zu un¬ tersuchenden Zellen durch den Feldkäfig unterstützt oder so¬ gar ersetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Kanalaufweitung des Trägerstromkanals bietet den Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal außerhalb der Kanalaufweitung und damit auch der quantitative Durchsatz von biologischen Zellen oder sons- tigen Partikeln erhöht werden kann, ohne dass die zu untersu¬ chenden Partikel an der Messstation die maximale Detektions- geschwindigkeit überschreiten.
Ein weiterer Vorteil der Kanalaufweitung besteht darin, dass der Feldkäfig bzw. die Messstation weiter vom Kanalrand ent¬ fernt angeordnet sein kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei hochaufgelösten Fluoreszenzmessungen, die von fluoreszie¬ renden Kanalmaterialien bzw. Klebern behindert werden können. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Bereich der Kanalaufweitung mindestens eine Messstation ange¬ ordnet, um die in dem Trägerstrom suspendierten Zellen oder sonstige Partikel zu untersuchen. Die Messstation an sich kann in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, wie beispiels¬ weise in der bereits eingangs zitierten Offenlegungsschrift DE 103 20 956 Al beschrieben ist, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung hinsichtlich der Ausbildung und der Funktion der Messstation der vorliegenden Beschreibung in vollem Um- fang zuzurechnen ist.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass im Bereich der Kanalaufweitung mindestens eine Manipula¬ tionseinrichtung angeordnet ist, um die suspendierten Parti- kel zu manipulieren, wobei die verringerte Strömungsgeschwin¬ digkeit im Bereich der Kanalaufweitung die Manipulation der suspendierten Partikel erleichtert. Beispielsweise kann im Bereich der Kanalaufweitung als Manipulationseinrichtung eine Sortiereinrichtung (z.B. eine dielektrische Weiche) angeord- net sein, die verschiedene Partikel (z.B. rote und weiße
Blutkörperchen) sortiert. Bei der Manipulationseinrichtung kann es sich auch um eine Halteeinrichtung handeln, welche die suspendierten Partikel bei einer geeigneten Ansteuerung festhält. Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass die Ma- nipulationseinrichtung eine Manipulation im engeren Sinne durchführt, indem die Partikel gestreckt werden oder indem eine Paarbildung (z.B. durch Elektrofusion) erfolgt, was an sich bekannt ist. Die Manipulationseinrichtung kann hierbei beispielsweise ein Laser bzw. eine Laserpinzette oder eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung sein.
Die Kanalaufweitung ist hierbei in Strömungsrichtung vorzugs¬ weise auf den Bereich der Messstation bzw. der Manipulations¬ einrichtung beschränkt, da nur dort eine Absenkung der Strö- mungsgeschwindigkeit erforderlich ist, um eine Untersuchung in der Messstation bzw. eine Manipulation der Partikel zu er¬ möglichen.
Darüber hinaus weist die Messstation in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine vorgegebene, maximal zulässige Detektionsgeschwindigkeit auf, bis zu der die Mess¬ station die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel unter¬ suchen kann. Der Trägerstrom weist dagegen eine Fließge- schwindigkeit auf, die im Bereich der Kanalaufweitung unter der maximalen Detektionsgeschwindigkeit und außerhalb der Ka¬ nalaufweitung über der maximalen Detektionsgeschwindigkeit liegt. Die Kanalaufweitung führt hierbei also zu einer Absen¬ kung der Strömungsgeschwindigkeit bis unter die maximal zu- lässige Detektionsgeschwindigkeit der Messstation, so dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal vor der Kanalaufweitung entsprechend angehoben werden kann, wodurch der quantitative Durchsatz von Partikeln erhöht wird.
Darüber hinaus bietet die Absenkung der Strömungsgeschwindig¬ keit im Bereich der Kanalaufweitung die Möglichkeit, dass auf einen Feldkäfig oder eine sonstige Fixierungseinrichtung zum Festhalten der Partikel während der Untersuchung verzichtet werden kann.
Ein großer Vorteil der Verwendung von Mikrokanälen zur Unter¬ suchung biologischer Proben (z.B. Zellen), insbesondere zur Untersuchung von deren Reaktion auf die Zugabe von Agenzien (z.B. pharmazeutisch oder zeildifferenzierend wirkender Sub- stanzen) , besteht darin, dass nur kleinste Volumina benötigt werden. Dies ist von großer Bedeutung beim WirkstoffScree¬ ning. Allerdings stellen die geringen Kanaldimensionen enge Grenzen für die parallele Untersuchung. Werden in einer Ka¬ nalaufweitung mehrere Manipulationselemente untergebracht, in denen einzelne Zellen bzw. Zellaggregate gehalten werden kön¬ nen, lassen sich die Vorteile der geringen Substanzmengen mit der Parallelisierbarkeit vereinen.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt, bei denen im Bereich der Kanalaufweitung kein Feldkäfig angeordnet ist. Es besteht vielmehr auch die Mög¬ lichkeit, dass die Abbremsung bzw. Fixierung der zu untersu¬ chenden Partikel während der Untersuchung gemeinsam durch die Kanalaufweitung und einen Feldkäfig erfolgt, wodurch die
Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal vor der Ka¬ nalaufweitung und damit des Durchsatz von Partikeln noch wei¬ ter gesteigert werden kann.
Der Feldkäfig ist vorzugsweise im Bereich der Messstation an¬ geordnet, um die Partikel für eine Untersuchung durch die Messstation abzubremsen oder sogar zu fixieren.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Feldkäfig mit seinen Elektroden gleichzeitig die Messstation bildet, so dass der Feldkäfig und die Messstation in einem bifunktiona¬ len Bauelement integriert sind. Derartige bifunktionale E- lektrodenanordnungen sind beispielsweise in der Patentanmel¬ dung DE 10 2004 017 482.2 beschrieben, so dass der Inhalt dieser Patentanmeldung der vorliegenden Beschreibung in vol¬ lem Umfang zuzurechnen ist.
Die vorstehend beschriebene bifunktionale Integration ist nicht auf die Kombination eines dielektrischen Feldkäfigs mit einer Messstation beschränkt. Es ist beispielsweise auch mög¬ lich, die Messstation mit einer Manipulationseinrichtung (z.B. einem Laser oder einer Laserpinzette) in einem Bauteil zu integrieren, wobei die Manipulationseinrichtung auch mag¬ netisch arbeiten kann. Vorzugsweise ist der Kanalquerschnitt des Trägerstromkanals im Bereich der Kanalaufweitung gegenüber dem Bereich außer¬ halb der Kanalaufwertung um 5% bis 400% erweitert, wobei im Rahmen der Erfindung beliebige Zwischenwerte möglich sind und ein Bereich von 10% bis 500%, bevorzugt 10% bis 300%, beson¬ ders vorteilhaft ist.
In den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ver- zweigt der Trägerstromkanal in einem stromabwärts hinter der Kanalaufweitung gelegenen Verzweigungsbereich in mehrere Aus¬ gangskanäle, in welche die zu untersuchenden Partikel sor¬ tiert werden können. Eine derartige Verzweigung ist bei¬ spielsweise aus der bereits eingangs zitierten Offenlegungs- schrift DE 103 20 956 Al bekannt, so dass deren Inhalt hin¬ sichtlich der konstruktiven Gestaltung des mikrofluidischen Systems in dem Verzweigungsbereich der vorliegenden Beschrei¬ bung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
In dem Verzweigungsbereich ist vorzugsweise eine Sortierein¬ richtung angeordnet, welche die suspendierten Partikel in Ab¬ hängigkeit von der Ansteuerung der Sortiereinrichtung in ei¬ nen der Ausgangskanäle sortiert, wobei eine derartige Sor¬ tiereinrichtung ebenfalls aus der bereits eingangs zitierten Offenlegungsschrift DE 103 20 956 Al bekannt ist.
Ferner ist in mindestens einem der Ausgangskanäle vorzugswei¬ se eine Zentriereinrichtung angeordnet, welche die suspen¬ dierten Partikel in dem Ausgangskanal zentriert und dadurch ein schwerkraftbedingtes Absetzen der Partikel in den Aus¬ gangskanälen verhindert . Darüber hinaus mündet vorzugsweise in mindestens einen der Ausgangskanäle mindestens ein Hüllstromkanal, was an sich e- benfalls bekannt ist.
In dem Trägerstromkanal kann sich stromaufwärts vor der Mess¬ station eine Halteeinrichtung (engl. "Hook") befinden, welche die suspendierten Partikel in Abhängigkeit von ihrer Ansteue¬ rung festhält oder durchlässt. Dies bietet die Möglichkeit, dass die zu untersuchenden Partikel stromaufwärts vor der Messstation festgehalten und der Messstation gezielt zuge¬ führt werden.
Die Sortiereinrichtung (engl. "Switch"), die Zentriereinrich¬ tung (engl. "Funnel"), der Feldkäfig (engl. "Cage") und/oder die Halteeinrichtung (engl. "Hook") weisen hierbei vorzugs¬ weise eine dielektrophoretisch wirkende Elektrodenanordnung auf. Derartige dielektrophoretisch wirkende Elektrodenanord¬ nungen sind beispielsweise aus Müller, T. et al. : "A 3-D mic- roelectrode System for handling and caging Single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14 (1999), 247-256, bekannt, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vor¬ liegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Anstelle von dielektrophoretisch wirkenden Elektrodenanord- nungen können jedoch im Rahmen der Erfindung auch andere e- lektrokinetische Kräfte ausgenutzt werden, die beispielsweise auf Elektrophorese oder Elektroosmose beruhen. Hierzu kann ein Zusatzkanal vorgesehen sein, der mit dem Trägerstromkanal verbunden ist und im Wesentlichen quer zum Trägerstromkanal verläuft, wobei der Zusatzkanal mit Gleichspannungssignalen zum Ablenken der Partikel beschaltet wird. Darüber hinaus be¬ steht auch die Möglichkeit, dass die Partikel magnetisch oder durch Laser (z.B. mittels Laserpinzette) manipuliert werden. Dabei können die einzelnen Partikel auch gestreckt werden, was beispielsweise in DE 103 52 416 beschrieben ist, so dass der Inhalt dieser Druckschrift der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Sortiereinrich¬ tung und/oder die Messstation in dem Trägerstromkanal exzent¬ risch angeordnet ist. Die exzentrische Anordnung der Sortier¬ einrichtung vor der Mündungsöffnung eines der Ausgangskanäle bietet die Möglichkeit, dass die zu sortierenden Partikel oh- ne eine aktive Ansteuerung der Sortiereinrichtung selbständig in den jeweiligen Ausgangskanal strömen, so dass die Sortier¬ einrichtung lediglich für eine Sortierung in einen der ande¬ ren Ausgangskanäle aktiv angesteuert werden muss.
Die Kanalaufweitung kann bei dem erfindungsgemäßen mikroflui- dischen System eindimensional sein, indem beispielsweise die lediglich Breite des Trägerstromkanals im Bereich der Kanal¬ aufweitung vergrößert wird, während die Höhe des Trägerstrom¬ kanals konstant ist.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Kanalaufwei¬ tung zweidimensional ist, indem sowohl die Höhe als auch die Breite des Trägerstromkanals im Bereich der Kanalaufweitung vergrößert wird.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße mikro- fluidische System auf einem Chip integriert wird.
Weiterhin kann die Kanalaufweitung auch dadurch erreicht wer- den, dass sich der Trägerstromkanal stromaufwärts vor der Ka¬ nalaufweitung in mehrere parallele Teilkanäle verzweigt, die stromabwärts hinter der Kanalerweiterung wieder zusammenge¬ führt sind. Der Gesamtquerschnitt der einzelnen Teilkanäle ist hierbei vorzugsweise größer als der Querschnitt des Trä- gerstromkanals außerhalb der Kanalerweiterung, so dass auch hierbei die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Kanalauf¬ weitung verringert wird.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass in dem Trägerstromkanal mehrere Kanalaufweitungen hintereinander angeordnet sind. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn in dem Trä¬ gerstromkanal mehrere Messstationen hintereinander angeordnet sind. Die einzelnen Kanalaufweitungen sind dann vorzugsweise jeweils am Ort der Messstationen angeordnet, um dort die
Strömungsgeschwindigkeit der suspendierten Partikel zu ver¬ ringern und dadurch eine Messung zu ermöglichen.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass das erfindungs- gemäße mikrofluidische System mehrere parallele oder verzwei¬ gende Trägerstromkanäle aufweist, in denen jeweils mindestens eine Kanalaufweitung angeordnet ist.
Ferner ist die erfindungsgemäße Absenkung der Strömungsge- schwindigkeit im Bereich der Kanalaufweitung nicht nur für eine Untersuchung der Partikel sinnvoll, sondern auch für de¬ ren Manipulation, wie beispielweise für eine gezielte Paar¬ bildung. Es besteht deshalb im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass im Bereich der Kanalaufweitung eine Manipu- lationseinrichtung angeordnet ist.
Auch ist zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße mikrofluidi- sche System in einem Zellsortierer vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Durch eine geeignete Kanalaufweitung kann zudem die Verweil¬ zeit der Mikroobjekte bei unveränderte Pumprate so verlän¬ gert/eingestellt werden, wie es im Rahmen einer notwendigen Assayinkubationszeit notwendig ist. Damit ist die Kopplung von kontinuierlicher Pumprate und diskontinuierlichem Zeitre¬ gime erfolgt .
Weiterhin umfasst die Erfindung auch die neuartige Verwendung eines derartigen mikrofluidischen Systems in der medizini¬ schen oder pharmazeutischen Forschung, in der Diagnostik oder in der forensischen Medizin.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch die Verwendung ei- nes erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems zur Separation verschiedener Zelltypen voneinander, wie insbesondere apopti- scher und nekrotischer Zellen, Zellen mit unterschiedlichen Expressionsmustern und/oder Stammzellen. Ferner können in dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System auch Zellen bzw. allgemein Partikel unterschiedlicher Größe und/oder unter¬ schiedlicher Morphologie sortiert werden.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Partikels allgemein zu verstehen ist und nicht auf einzelne biologische Zellen beschränkt ist.
Vielmehr umfasst dieser Begriff auch synthetische oder biolo¬ gische Partikel, wobei sich besondere Vorteile ergeben, wenn die Partikel biologische Materialien, also beispielsweise biologische Zellen, Zellgruppen, Zellbestandteile oder biolo- gisch relevante Makromoleküle, jeweils ggf. im Verbund mit anderen biologischen Partikeln oder synthetischen Trägerpar¬ tikeln umfassen. Synthetische Partikel können feste Partikel, flüssige, vom Suspensionsmedium abgegrenzte Teilchen oder Mehrphasenpartikel umfassen, die gegenüber dem Suspensionsme- dium in dem Trägerstrom eine getrennte Phase bilden.
Schließlich ist zu erwähnen, dass der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines mikrofluidischen Systems bedeutet, dass der Trägerstromkanal ein Volumen enthält, das Vorzugs- weise im Milli-, Mikro- oder Nanoliterbereich liegt. Das Vo¬ lumen des Trägerstromkanals kann also bei dem erfindungsgemä¬ ßen mikrofluidischen System beispielsweise im Bereich von 0,01 nl bis 10 ml oder in dem engeren Bereich von 1 nl bis 1 ml liegen, wobei beliebige Zwischenwerte möglich sind.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusam¬ men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur IA eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä¬ ßen mikrofluidischen Systems mit einer Kanalaufwei¬ tung und einem Feldkäfig zur gemeinsamen Abbremsung bzw. Fixierung der zu untersuchenden Partikel,
Figur IB ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einer Ka¬ nalaufweitung und einem nichtzentralen Feldkäfig zur gemeinsamen Abbremsung bzw. Fixierung der zu untersuchenden Partikel,
Figur 2A ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einer Ka- nalaufweitung zur Abbremsung der zu untersuchenden
Partikel ohne einen zusätzlichen Feldkäfig, sowie
Figur 2B ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einer Ka- nalaufweitung zur Fixierung und Beladung der zu un¬ tersuchenden Partikel.
Das mikrofluidische System gemäß Figur IA ist teilweise her¬ kömmlich ausgebildet, so dass ergänzend auf die Veröffentli- chung Müller, T. et al. : "A 3-D microelectrode System for handling and caging Single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14 (1999), 247-256 sowie auf DE 103 20 956 Al verwiesen wird.
Das mikrofluidische System weist einen Trägerstromkanal 1 auf, in dem ein Trägerstrom mit darin suspendierten Parti¬ keln 2 strömt, was an sich bekannt ist.
In dem Trägerstromkanal 1 befindet sich eine trichterförmige, dielektrophoretisch wirkende Elektrodenanordnung 3, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel 2 in dem Trä¬ gerstromkanal 1 zentriert und deshalb auch als "Funnel" be¬ zeichnet wird.
Stromabwärts hinter der Elektrodenanordnung 3 befindet sich eine weitere dielektrophoretisch wirkende Elektrodenanord¬ nung 4, welche die von der trichterförmigen Elektrodenanord¬ nung 3 zentrierten und aufgereihten Partikel 2 vorübergehend festhalten kann und deshalb und auch als "Hook" bezeichnet wird.
Stromabwärts hinter der hakenförmigen Elektrodenanordnung 4 weist der Trägerstromkanal 1 eine Kanalaufweitung 5 auf, wo- bei der Kanalquerschnitt im Bereich der Kanalaufweitung 5 ge¬ genüber dem Kanalquerschnitt außerhalb der Kanalaufweitung 5 um 50% vergrößert ist. Die Kanalaufweitung 5 bewirkt eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Ka¬ nalaufweitung, was für die nachfolgende Untersuchung der Par- tikel 2 wichtig ist, wie nachfolgend noch detailliert be¬ schrieben wird.
Im Bereich der Kanalaufweitung 5 befindet sich eine Messsta¬ tion 6, welche die Partikel 2 untersucht. Die Messstation 6 kann hierbei an sich in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, wie in den beiden vorstehend erwähnten Veröffentlichungen be¬ schrieben ist, so dass an dieser Stelle auf eine detaillierte Beschreibung der Messstation 6 verzichtet werden kann.
Zu erwähnen ist jedoch, dass die Messstation 6 die Partikel 2 nur dann untersuchen kann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Partikel 2 eine vorgegebene maximal zulässige Detektions- geschwindigkeit nicht überschreitet.
In dem Bereich der Kanalaufweitung 5 ist deshalb zusätzlich eine weitere dielektrophoretisch wirkende Elektrodenanord¬ nung 7 angeordnet, die käfigförmig ausgebildet ist und die Partikel 2 bei einer geeigneten elektrischen Ansteuerung di- elektrophoretisch fixieren kann und deshalb auch als "Cage" bezeichnet wird.
Die Kanalaufweitung 5 und die käfigförmige Elektrodenanord¬ nung 7 wirken hierbei gemeinsam zusammen mit dem Ziel, die Partikel 2 in dem Trägerstromkanal 1 so weit abzubremsen bzw. festzuhalten, dass die Messstation 6 die Partikel 2 untersu¬ chen kann.
Stromabwärts hinter der Kanalaufweitung 5 verzweigt der Trä- gerstromkanal in zwei Ausgangskanäle 8, 9, wobei im Verzwei¬ gungsbereich der beiden Ausgangskanäle 8, 9 eine weitere di¬ elektrophoretisch wirkende Elektrodenanordnung 10 angeordnet ist, die als Partikelweiche wirkt und deshalb auch als "Switch" bezeichnet wird. Die weichenartige Elektrodenanord- nung 10 sortiert die Partikel 2 in Abhängigkeit von ihrer An¬ steuerung und in Abhängigkeit von dem Ergebnis der durch die Messstation 6 durchgeführten Untersuchung in einen der beiden Ausgangskanäle 8, 9, was an sich bekannt ist. In dem Ausgangskanal 9 befindet sich hierbei eine weitere trichterförmige, dielektrophoretisch wirkende Elektrodenan¬ ordnung 11, welche die Partikel 2 in dem Ausgangskanal 9 zentriert und dadurch ein schwerkraftbedingtes Absinken der Partikel 2 in dem Ausgangskanal 9 verhindert.
Ferner münden in den Ausgangskanal 9 zwei Hüllstromkanäle 12, 13, was ebenfalls an sich bekannt ist.
Das mikrofluidische System gemäß Figur IB stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur IA dargestell¬ ten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu Figur IA verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Die Besonderheiten dieses Ausführungsbeispiels bestehen dar¬ in, dass sich die Messstation 6 und die käfigförmige Elektro¬ denanordnung 7 nicht zentral im Bereich der Kanalaufweitung 5 befinden und zudem die hakenförmige Elektrodenanordnung 4 in Figur IA durch die Elektrodenanordnung 4 mit der Funktion ei¬ ner Partikelweiche (engl. "Switch") ersetzt wurde. Vorteil¬ hafterweise können bei beladener Elektrodenanordnung 7 (engl. "Cage") weitere Partikel 2 auf Grund der Kanalaufweitung 5 dicht an der käfigartigen Elektrodenanordnung 7 vorbei in den Ausgangskanal 8 (engl. "Waste") überführt werden, was die Ge¬ fahr einer Kanalverstopfung verringert. Außerdem gelangen die Partikel 2, die mittels der Messstation 6 positiv bewertet wurden, ohne zusätzliches Schalten in den gewünschten Aus- gangskanal 9.
Das in Figur 2A dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen mikrofluidischen Systems stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur IA dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wie¬ derholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu Figur IA verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass im Bereich der Kanalaufweitung 5 keine zusätzliche kä¬ figartige Elektrodenanordnung 7 angeordnet ist, so dass die Abbremsung der Partikel 2 für die Untersuchung durch die Messstation 6 alleine durch die Kanalaufweitung 5 bewirkt wird.
Eine weitere Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass sich die Kanalaufweitung 5 im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 über eine wesentlich größe¬ re Länge des Trägerstromkanals 1 erstreckt.
Schließlich besteht eine Besonderheit dieses Ausführungsbei¬ spiels darin, dass die trichterförmige Elektrodenanordnung 3, die Messstation 6 und die weichenartige Elektrodenanordnung
10 hierbei in dem Trägerstromkanal 1 im Bereich der Kanalauf¬ weitung 5 exzentrisch vor der Mündungsöffnung des Ausgangska¬ nals 9 angeordnet sind. Die weichenartige Elektrodenanordnung 10 muss hierbei also nur angesteuert werden, wenn die Parti- kel 2 in den Ausgangskanal 8 sortiert werden sollen, wohinge¬ gen die zu sortierenden Partikel 2 ohne eine aktive Ansteue¬ rung der weichenartigen Elektrodenanordnung 10 selbständig in den Ausgangskanal 9 strömen.
Das in Figur 2B dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen mikrofluidischen Systems stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 2A dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wie¬ derholungen weitgehend auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 2A verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass im Bereich der Kanalaufweitung 5 mehrere Elektrodenan¬ ordnungen 7 untergebracht sind, wobei die Elektrodenanordnun¬ gen 7 auch Messstationen umfassen können.
Desweiteren wird anstelle der trichterförmigen Elektrodenan- Ordnung 3 (engl. "Funnel") eine Elektrodenanordnung 3 als
Verteilerelement verwendet, welche das Beladen der Elektro¬ denanordnungen 7 ermöglicht .
Zudem mündet zusätzlich zu dem Trägerstromkanal 1 ein zusätz- licher Beladungskanal 1' in der Bereich der Kanalaufwei¬ tung 5. In diesem Ausführungsbeispiel können Zellen in den käfigartigen Elektrodenanordnungen 7 (engl. "Cages") zunächst gefangen werden und dann durch geeignete Regulierung der Strömungsverhältnisse in dem Trägerstromkanal 1 bzw. dem Be- ladungskanal 1' einem räumlichen bzw. zeitlichen chemischem Konzentrationsprofil ausgesetzt werden. Dabei kann es sich bspw. um die Zuführung von künstlichen Partikeln, pharmakolo¬ gischen Substanzen, Antikörpern, Viren etc. über den Bela¬ dungskanal 1' handeln. Anschließend kann in Abhängigkeit der Detektion eine Sortierung erfolgen. Dieses Ausführungsbei¬ spiel kombiniert in vorteilhafter Weise den geringen Sub¬ stanzverbrauch bei paralleler Evaluierung im Mikrosystem.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen be- vorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die eben¬ falls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Bezugszeichenliste:
1 Tragerstromkanal
1' Beladungskanal
2 Partikel
3 Elektrodenanordnung
4 Elektrodenanordnung
5 Kanalaufweitung
6 Messstation
7 Elektrodenanordnung
8 Ausgangskanal
9 Ausgangskanal
10 Elektrodenanordnung
11 Elektrodenanordnung
12 Hüllstromkanal
13 Hüllstromkanal

Claims

ANSPRUCHE
1. Mikrofluidisches System mit mindestens einem Träger¬ stromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin sus¬ pendierten Partikeln (2), dadurch gekennzeichnet, dass der
Trägerstromkanal (1) auf einem Teil seiner Länge mindestens eine Kanalaufweitung (5) mit einem erweiterten Kanalquer- schnitt aufweist.
2. Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Messstation (6) zur Untersuchung der in dem Trägerstrom suspendierten Partikel (2), wobei die Mess- Station (6) zumindest teilweise oder vollständig im Bereich der Kanalaufweitung (5) angeordnet ist.
3. Mikrofluidisches System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mehrere Messstationen (6) zur Untersuchung der in dem Trägerstrom suspendierten Partikel (2), wobei mindestens eine der Messstationen (6) im Bereich der Kanalaufweitung (5) an¬ geordnet ist, während mindestens eine der Messstationen (6) außerhalb des Bereichs der Kanalaufweitung (5) angeordnet ist .
4. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Manipulati¬ onseinrichtung zur Manipulation der suspendierten Partikel, wobei die Manipulationseinrichtung zumindest teilweise oder vollständig im Bereich der Kanalaufweitung (5) angeordnet ist .
5. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalerweiterung (5) in Strömungsrichtung auf den Bereich der Messstation (6) oder der Manipulationseinrichtung beschränkt ist.
6. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstation (6) eine vor¬ gegebene maximale Detektionsgeschwindigkeit aufweist, bis zu der die Messstation (6) die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel (2) untersuchen kann, wobei der Trägerstrom mit den darin suspendierten Partikeln (2) eine Fließgeschwindigkeit aufweist, die im Bereich der Kanalaufweitung (5) unter der maximalen Detektionsgeschwindigkeit und außerhalb der Kanal¬ aufweitung (5) über der maximalen Detektionsgeschwindigkeit liegt .
7. Mikrofluidisches System nach Anspruch 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass im Bereich der Kanalaufweitung (5) kein Feldkäfig (7) und/oder keine Manipulationseinrichtung ange¬ ordnet ist.
8. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Feldkäfig (7) zur Fixierung der suspendierten Partikel (2) in dem Trägerstromkanal (1), wobei der Feldkäfig (7) im Bereich der Kanalaufweitung (5) und/oder an der Messstation (6) angeordnet ist.
9. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt des Trägerstromkanals (1) im Bereich der Kanalaufweitung (5) gegenüber dem Bereich außerhalb der Kanalaufweitung (5) um 10% bis 500% erweitert ist.
10. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal
(1) in einem stromabwärts hinter der Kanalaufweitung (5) ge- legenen Verzweigungsbereich in mehrere Ausgangskanäle (8, 9) verzweigt .
11, Mikrofluidisches System nach Anspruch 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem Verzweigungsbereich eine Sortier¬ einrichtung (10) angeordnet ist, welche die suspendierten Partikel (2) in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Sortier¬ einrichtung (10) in einen der Ausgangskanäle (8, 9) sortiert.
12. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 10 o- der 11, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Ausgangskanäle (8, 9) eine Zentriereinrichtung (11) angeord¬ net ist, welche die suspendierten Partikel (2) in dem Aus¬ gangskanal (9) zentriert.
13. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 10 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einen der Aus¬ gangskanäle (8, 9) mindestens ein Hüllstromkanal (12, 13) mündet .
14. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 2 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trägerstromkanal (1) stromaufwärts vor der Messstation (6) eine Halteeinrichtung (4) angeordnet ist, welche die suspendierten Partikel (2) in Abhängigkeit von ihrer Ansteuerung festhält oder durchlässt.
15. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 8 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sortiereinrichtung (10) und/oder die Zentriereinrichtung (11) und/oder der Feldkäfig (7) und/oder die Halteeinrichtung (4) eine dielektrophore- tisch wirkende Elektrodenanordnung aufweist.
16. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 2 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sortiereinrichtung (10) und/oder die Messstation (6) in dem Trägerstromkanal (1) ex¬ zentrisch angeordnet ist.
17. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal (1) im Bereich der Kanalaufweitung (5) nur in einer Raumdi¬ mension aufgeweitet ist.
18. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal (1) im
Bereich der Kanalaufweitung (5) in zwei Raumdimensionen auf¬ geweitet ist.
19. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Integration auf einem
Chip.
20. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalaufweitung aus einer Aufteilung des Trägerstromkanals in mehrere paral¬ lele Teilkanäle besteht.
21. Zellsortierer mit einem mikrofluidischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
22. Verwendung eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in der medizinischen und/oder pharma¬ zeutischen Forschung und/oder in der Diagnostik und/oder in der forensischen Medizin.
23. Verwendung eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Separation verschiedener Zelltypen voneinander, wie insbesondere apoptischer und nekrotischer Zellen, Zellen mit unterschiedlichen Expressionsmustern und/oder Stammzellen.
24. Verwendung eines mikrofluidischen Systems nach einem
5 der Ansprüche 1 bis 20 zu mindestens einem der folgenden Zwe¬ cke:
- Bildung von Paaren von Zellen,
- Zellfusion,
- Stretching von Zellen, 10 - als Sammlerkammer.
25. Verwendung eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 20 zur Inkubation von Zellen und/oder zum
Sammeln von Zellen. ] ^ * * * * *
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