SE527483C2 - Mikrofluidikanordning - Google Patents

Description

25 30 35 527 483 2 alltså bibehålla vätskan i en tillsluten miljö. Av denna anledning har skrymmande celler eller behållare använts vid ingången till och vid utgången från kapillären, var- vid ett optiskt fönster tillhandahålles för hantering av den optiska kopplingen in i kapillären.

Tyvärr tar dessa skrymmande och ofta läckande arran- gemang bort en av huvudfördelarna med att utnyttja kapil- lärer för analysen, nämligen möjligheten att använda yt- terst små volymer av den vätska som undersöks.

Det finns alltså ett generellt problem i den tidiga- re tekniken avseende hur man på ett effektivt sätt skall koppla belysningsljuset longitudinellt in i en kapillär för optisk analys av en vätska som finns i denna.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett sätt att koppla belysningsljus longitudi- nellt in i en vätska som finns i en kapillär.

Det är sedan länge känt hur man tillverkar optiska fibrer med ett eller flera längsgående hål (fluidkanaler) som löper parallellt med fiberns kärna. I den kända tek- niken har sådana fibrer exempelvis använts som trycksen- sorer.

Både i kapillärer och i optiska fibrer med längsgå- ende hål skulle det vara önskvärt om man hade möjlighet att koppla ljus i en rät linje från fibern och in i och igenom kapillärens fluidkanal utan att någon menisk bil- das, och samtidigt hålla den vätska som undersöks i en innesluten miljö.

Föreliggande uppfinning löser detta problem genom att tillhandahålla en mikrofluidikanordning i enlighet med bifogade patentkrav.

En konkurrenskraftig fördel med föreliggande uppfin- ning jämfört med tidigare teknik inom detta område är att tekniker vanliga inom telekom för skarvning av fibrer kan användas för fogning av den optiska fibern till kapillä- ren. 10 15 20 25 30 35 527 483 3 Den uppfinningsmässiga mikrofluidikanordningen för- väntas finns tillämpningar inom en mängd olika områden, inklusive både fotonik och biovetenskaper.

Mikrofluidikanordningen i enlighet med föreliggande uppfinning undanröjer således behovet av användning av skrymande fluidceller för medgivande av ljuskoppling in i och ut från kapillärer och fotonikfibrer, samtidigt som den fluid som undersöks hålles i en innesluten och skyd- dad miljö. Samtidigt medger föreliggande uppfinning enkel transport av fluid in i och ut från kapillären.

I enlighet med föreliggande uppfinning kan flödet av vätska genom anordningen styras genom användning av transversellt infallande ljus. Vätskan i ett utvalt längsgående hål i fibern fås då att expandera, så att vätska från just detta hål pumpas in i kapillärens fluid- kanal. Genom växelvis belysning av vätskan i fiberns två hål, kan vätska selektivt införas i kapillären. När en utgående fiber med flera hål används, kan på liknande sätt vätska selektivt pumpas från kapillären och in i av- sett hàl i den utgående fibern.

Om inget av hålen i den inkommande fibern belyses, kommer vätska från alla dessa hål att pumpas in i kapil- lären och blandas där. Om emellertid ett av hålen belyses kan vätska från just detta hål pumpas in i kapillären. I beaktande av den lilla diametern för fluidkanalen i ka- pillären, kan tvâ olika vätskor selektivt pumpas in i ka- pillären från de tvâ hålen utan att blandas. (Det skall noteras att för en mikrofluidikanordning är flödet inuti en fluidkanal primärt laminär.) Detta uppnås, vilket har beskrivits ovan, genom selektiv belysning av hålen ett åt gången. Som princip fungerar denna selektiva, transver- sella belysning av vätskan i hålen som en optisk ventil.

Vid utgångssidan kan denna typ av optisk ventil an- vändas för utsortering av olika partier av provet som finns i kapillärens fluidkanal till olika hål i den utgå- ende fibern. Detta kan exempelvis användas för sortering av partiklar, så som celler eller liknande, till olika 10 15 20 25 30 35 527 483 4 utgående hål beroende på något urvalskriterium (t.ex. färgämnesmarkering eller luminiscensetiketter).

I utföringsformer där en utdragen fluidkanal önskas i kapillären kan organ tillhandahållas för att hålla kvar ljus längs kapillären.

Ett sätt att hålla kvar ljus i kapillären kan vara att tillhandahålla en reflekterande beläggning på fluid- kanalens innervägg i kapillären, varvid sålunda ljus hindras från att slippa ut.

Ett annat lämpligt sätt att hålla kvar ljus i kapil- lären är att som kapillär utnyttja en fiber med foton- bandgap (”photonic bandgap fiber, PBF”) eller en hålför- sedd fiber med flytande kärna. I en PBF leds ljus i ett område med lågt index, vilket omges av en periodisk struktur. Tack vare den periodiska strukturen förhindras ljus på ett effektivt sätt från att lämna den ljusledande kärnan. På ett sätt som liknar det med vanliga kapillär- rör, kan en vätska införas i den ljusledande kärnan av en PBF, och samtidigt kommer ljus som skickas in i denna PBF att hållas kvar i denna tack vare den fotoniska struktu- ren hos nämnda PBF. I en hålförsedd fiber med flytande kärna kan ljus hållas kvar i kärnan trots att den flytan- de kärnan kan ha ett lägre brytningsindex än mantelmate- rialet (kapillären). Detta kan uppnås genom att man an- ordnar ett antal små hål (därav benämningen ”hàlförsedd fiber”) nära kärnan, varvid sålunda mantelns effektiva brytningsindex reduceras.

Fastän denna beskrivning huvudsakligen är inriktad på exempel i vilka en fluid i form av en vätska används, skall det inses att anordningen i enlighet med uppfin- ningen också kan tillämpas för fall där fluiden är ett gasformigt medium.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningens olika aspekter, samt dess speciella särdrag och fördelar, kommer att framgå ur den följande, 10 15 20 25 30 35 527 483 5 utförliga beskrivningen och de bifogade ritningarna. På ritningarna: Figur 1 visar schematiskt en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning.

Figur 2 visar schematiskt en annan anordning i en- lighet med uppfinningen.

Figur 3 visar en bild av en typisk optisk fiber med två hål, vilken används i utföringsformer av föreliggande uppfinning.

Utförlig beskrivning av uppfinningen Uppfinningen kommer att förklaras ytterligare i det följande, med hänvisning till en anordning som innefattar en inkommande optisk fiber 10 med tvà längsgående hål (fluidkanaler) lla och llb parallellt med och intill fi- berns kärna 12. Denna tváhålsfiber skarvas till en kapil- lär 20 (exempelvis ett kapillärrör, en fiber med foton- bandgap eller en hàlförsedd fiber med flytande kärna), företrädesvis med väsentligen samma ytterdiameter som för fibern. Arrangemanget med den optiska fibern 10 (och dess hàl lla, llb) och kapillären 20 är sådant att det finns möjlighet till fluidkommunikation mellan vart och ett av hålen lla, llb och fluidkanalen 21 i kapillären (anges med dubbelpilar i figurerna 1 och 2). Dessutom är mitten av fiberns 10 kärna 12 axiellt upplinjerad med åtminstone något parti av kapillärens fluidkanal 21. Följaktligen kan ljus pá ett bekvämt sätt kopplas från den optiska fi- bern och in i kapillärens fluidkanal med en longitudi- nell, eller axiell, konfiguration. Eftersom det finns fluidkommunikation mellan fiberns hål och kapillärens fluidkanal, kan även vätska på ett bekvämt sätt införas i kapillärens fluidkanal. En anordning av detta slag visas schematiskt i figur 1 på ritningarna.

Anordningen tillverkas företrädesvis genom att man sammanfogar den optiska fibern 10 och kapillären 20 med hjälp av en vanlig skarvapparat. I de experiment som ut- fördes i anslutning till denna uppfinning användes till 10 15 20 25 30 35 527 483 6 exempel en smältskarvningsutrustning av märket Ericsson FSU 875 PM-A. När skarvningen àstadkommes bör företrädes- vis en lägre ström användas än vad som vanligen är fallet vid skarvning av standardfiber. Anledningen till att man vill använda en lägre svetsström i skarvapparaten är att man vill undvika termisk kollaps av fluidkanalerna.

I en första utföringsform användes en dubbelhàls op- tisk fiber 10 tillsammans med ett kapillärrör 20. Diame- tern för den optiska fiberns yttre mantel var omkring 125 um. vardera fluidkanal lla, llb i fibern hade en dia- meter på omkring 25 um och avståndet från centrum till centrum var omkring 50 um. Denna fiber skarvades till en kapillär 20 som hade liknande ytterdiameter och en kapil- lärfluidkanal 21 med en diameter på omkring 25 pm. Kapil- lärens fluidkanal överlappade alltså med god marginal bägge fluidkanalerna i den optiska fibern, så att det gavs möjlighet till fluidkommunikation mellan den optiska fiberns fluidkanaler och kapillärröret. Den optiska fi- berns ljusledande kärna, med en diameter på omkring 8 pm, var placerad ungefär halvvägs och symmetriskt mellan fi- berns två fluidkanaler. När fibern och kapillären hade sammanfogats genom smältskarvning, var alltså den ljusle- dande kärnan axiellt upplinjerad med kapillärrörets flu- idkanal, pà ett sådant sätt att ljus på ett bekvämt sätt kunde passera mellan den ljusledande kärnan och kapillä- rens fluidkanal. Vätska kunde flöda mellan fiberns hål lla, llb och kapillärens fluidkanal 21 utan att några bubblor bildades.

I en andra utföringsform användes mindre dimensio- ner. I detta fall hade kapillären en diameter på omkring 25 pm och den tvåhåls optiska fibern hade fluidkanaler med en diameter på omkring 34 pm och en centrumseparation på omkring 21 um. Även i detta fall överlappade kapillä- rens fluidkanal med marginal de bägge fluidkanalerna i den optiska fibern, så att det gavs möjlighet till fluid- kommunikation mellan den optiska fiberns fluidkanaler och kapillärröret. 10 15 20 25 30 35 527 483 7 En annan utföringsform visas i figur 2. Vid en utgå- ende ände av kapillären finns det företrädesvis anordnat en andra optisk fiber 10.2 i form av en utgående fiber utöver den första optiska fibern 10.1, som är skarvad till kapillären 20 på ett sätt som liknar situationen för den första, inkommande fibern. Ljus och vätska från ka- pillärens fluidkanal kan således samlas in vid den utgå- ende fibern för vidare bearbetning och analys.

Figur 3 visar en bild av en tvåhåls optisk fiber som kan användas i anordningen enligt föreliggande uppfin- ning. Man kan se att de två hålen (fluidkanalerna) är symmetriskt anordnade intill fiberns ljusledande kärna.

Eftersom systemet för transport av ljus och fluid är baserat på välkänd fiberteknik, kan godtycklig känd prin- cip eller anordning användas vid analys av det utgående ljuset. Exempelvis kan reflekterande fibergitter användas för att selektivt separera belysningsljus från fluore- scensljus som kommer från fibern.

Kapillären kan ha i stort sett godtycklig längd. Om mycket långa kapillärer skall användas tillsammans med en fluid som har ett brytningsindex som är lägre är för ka- pillärens material (t.ex. kvarts med ett brytningsindex på omkring 1,45), kan emellertid fluidkanalens innerväg- gar beläggas med ett reflekterande material, så att ljus- ledning åstadkommas längs kapillären i syfte att reducera ljusförluster i analysprocessen. När en fiber med foton- bandgap eller en hålförsedd fiber med flytande kärna an- vänds som kapillär kan alternativt sådan reflekterande beläggning avvaras, eftersom ljus kan hållas kvar i ka- pillären med hjälp av de ljusledande egenskaperna hos själva fibern. Detta senare alternativ har den fördelen att det har lägre optiska förluster jämfört med fallet där en reflekterande beläggning används inuti kapillärrö- ret. Eventuellt kan även gradientindexlinser (GRIN- linser) tillhandahållas vid gränsen mellan den optiska fibern och kapillären i syfte att förbättra den axiella kopplingen av ljus in i och ut från kapillären, varvid 10 15 20 25 30 35 527 485 8 det sålunda även àstadkommes en mer kollimerad ljusstràle genom kapillären.

Ett fördelaktigt särdrag hos anordningen enligt fö- religgande uppfinning är att flödet av vätska inuti mik- rofluidikanordningen kan styras optiskt. I allmänna orda- lag kan man, genom att fokusera en laserstrále med hög effekt mot kapillären, använda termisk expansion av väts- kan inuti kapillären för att intermittent stoppa eller tillåta vätskeflöde. Följande beskrivning antar att det finns ett förtryck applicerat på mikrofluidiksystemet som driver vätskan igenom anordningens fluidkanaler.

Initialt är flödet inuti kapillären huvudsakligen kontinuerligt pà grund av det förtryck som har applice- rats. När en laserstrále fokuseras pà kapillären, uppvi- sar det belysta partiet av vätskan termisk expansion or- sakad av den energi som deponeras av laserstrålen. Denna termiska expansion (i tvâ riktningar längs kapillären) ger en snabb knuff av vätskan vid kanten av det uppvärmda partiet i framàtriktningen, och stoppar flödet pà den motsatta sidan av det uppvärmda partiet som alltså mot- verkar det pàlagda förtrycket. När laserljuset stängs av sker det motsatta, varvid vätskan minskar i volym pà grund av den minskade temperaturen, vilket medför snabbt stopp av flödet i framàtriktningen. Denna princip kan an- vändas för styrning av vätskeflödet från de två (eller flera) fluidkanalerna i den optiska fibern in i kapillä- rens fluidkanal, eller vice versa.

I syfte att testa denna princip för optisk flödes- styrning, användes en anordning i enlighet med förelig- gande uppfinning, varvid vätskor med olika färg infördes i den optiska fiberns två fluidkanaler. Ett förtryck ap- plicerades på anordningen, så att sama flödeshastighet erhölls från de två kanalerna i den optiska fibern in i kapillärens fluidkanal, varvid sålunda vätskorna blanda- des vid anslutningen mellan kanalerna. Två laserstràlar riktades mot den optiska fibern, en vid varje fluidkanal i därav. De två laserstrålarna synkroniserades pà ett så- 10 15 20 25 30 35 527 483 9 dant sätt att en slogs på när den andra slogs av, och vice versa. Denna uppställning resulterade i växelvis in- föring av vätska från fiberns fluidkanaler en åt gången, vilket gav en situation där vätskan inuti kapillärens fluidkanal innehöll åtskilda partier med olikfärgade vätskor. Det skall noteras att kapillärens dimensioner är tillräckligt små för att den införda vätskan skall förbli väsentligen oblandad i den axiella riktningen.

Kanske än mer intressant är att samma princip kan användas för att selektivt skicka innehållet i kapillä- rens fluidkanal in i den ena av två fluidkanaler i en ut- gående optisk fiber. Exempelvis kan partiklar, så som celler, som strömmar i ett flytande medium och som är markerade genom fluorescens ledas in i en utvald kanal i den utgående fibern beroende på, till exempel, huruvida en bestämd etikett har detekterats eller ej.

Det bör påpekas att effekten och växlingsperiodici- teten för de belysande laserstrålarna bör stämmas av med avseende på förtrycket, så att önskad flödesstyrning er- hàlles. Om förtrycket är alltför högt jämfört med den termiskt inducerade ändringen i flödeshastighet, komer inte vätskans flöde att avstanna fullständigt under väx- lingen, vilket resulterar i kvarvarande blandning av de två vätskorna (eller dålig separering, vilketdera det nu är).

Slutsats En mikrofluidikanordning har visats, innefattande en optisk fiber med en ljusledande kärna och åtminstone en fiberfluidkanal bildad intill kärnan, samt en kapillär som har en kapillärfluidkanal. Den optiska fibern och ka- pillären är skarvade till varandra på ett sådant sätt att mitten av fiberns ljusledande kärna är axiellt upplinje- rad med kapillärens fluidkanal, medan samtidigt det åstadkommes fluidkommunikation mellan fiberfluidkanalerna och kapillärfluidkanalen. 10 15 527 483 10 En praktisk och konkurrenskraftig mikrofluidikanord- ning har alltså àstadkommits, i vilken fluid och ljus kan införas axiellt in i en kapillärfluidkanal. Anordningen kan tillverkas med användande av vanliga skarvningstekni- ker, vilket gör den billigare än anordningar enligt den tidigare kända tekniken. Problem med den kända tekniken avseende de jämförelsevis stora volymer som ingår, och problemet med gränsytan hos den fluid som analyseras, undviks dessutom. Anordningen i enlighet med uppfinningen medger dessutom optisk flödesstyrning av en vätska som finns inuti fluidkanalerna, varvid sålunda hantering av vätskan och selektiv sortering av prov förenklas.

De utföringsformer som beskrivs ovan och som schema- tiskt visas pà ritningarna har endast illustrativt syfte.

Det kommer således att inses att olika modifikationer är möjliga inom ramen för uppfinningen så som den definieras i patentkraven.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 527 483 ll PATENTKRAV

1. Mikrofluidikanordning, innefattande: en första optisk fiber med en ljusledande kärna och åtminstone en fiberfluidkanal bildad intill kärnan, och en kapillär med en kapillärfluidkanal, varvid den första optiska fibern och kapillären är förenade med varandra på ett sådant sätt att mitten av den ljusledande kärnan i nämnda fiber är axiellt upplin- jerad med åtminstone något parti av kapillärfluidkanalen i kapillären, och varvid nämnda första optiska fiber och nämnda kapil- lär är anordnade att ge fluidkommunikation mellan nämnda åtminstone en fiberfluidkanal i nämnda fiber och fluidka- nalen i kapillären.

2. Anordning enligt krav l, varvid nämnda optiska fiber innefattar två eller flera fiberfluidkanaler som har för- måga till fluidkommunikation med kapillärens kapillärflu- idkanal.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, vidare innefattande en andra optisk fiber som har en ljusledande kärna och åtminstone en fiberfluidkanal bildad intill kärnan, varvid nämnda andra optiska fiber och nämnda kapil- lär är förenade med varandra på ett sådant sätt att mit- ten av den ljusledande kärnan i nämnda andra optiska fi- ber är axiellt upplinjerad med åtminstone något parti av kapillärens fluidkanal, och varvid nämnda andra optiska fiber och nämnda kapil- lär är så anordnade att de medger fluidkommunikation mel- lan nämnda åtminstone en fluidkanal i nämnda optiska fi- ber och fluidkanalen i nämnda kapillär.

4. Anordning enligt något av kraven 1-3, varvid fiber- fluidkanalen i den eller de optiska fibrerna utgörs av ett respektive längsgående hål i respektive fiber, vilket v: 10 15 20 25 30 35 527 483 12 längsgående hål löper intill och parallellt med den ljus- ledande kärnan.

5. Anordning enligt krav 3, varvid mitten av den ljus- ledande kärnan i de bägge fibrerna och mitten av kapillä- rens fluidkanal alla är axiellt upplinjerade längs en ge- mensam geometrisk axel.

6. Anordning enligt krav 2, vidare innefattande organ för att ändra temperaturen hos vätska i en utvald kanal av nämnda fiberfluidkanaler och att därigenom styra flö- det av vätska från nämnda utvalda fluidkanal in i kapil- lärens kapillärfluidkanal.

7. Anordning enligt krav 6, varvid nämnda organ för att ändra temperaturen innefattar en laserkälla för belysning av den utvalda kanalen.

8. Anordning enligt något av föregående krav, varvid den eller de optiska fibrerna och kapillären har väsent- ligen samma diameter, och varvid fibern eller fibrerna är fogade till kapillären genom smältskarvning.

9. Anordning enligt något av föregående krav, varvid kapillären är en fiber med fotonbandgap eller en hålför- sedd fiber med flytande kärna.

10. Anordning enligt något av föregående krav, vidare innefattande en gradientindexlins vid gränsen mellan den optiska fibern och kapillären.

11. Anordning enligt något av föregående krav, varvid insidan av kapillärfluidkanalen är försedd med en reflek- terande beläggning.