WO2005075958A1 - Mikrofluidisches system und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

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WO2005075958A1
WO2005075958A1 PCT/EP2005/001085 EP2005001085W WO2005075958A1 WO 2005075958 A1 WO2005075958 A1 WO 2005075958A1 EP 2005001085 W EP2005001085 W EP 2005001085W WO 2005075958 A1 WO2005075958 A1 WO 2005075958A1
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particles
carrier
microfluidic system
process space
suspended
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PCT/EP2005/001085
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Thomas Schnelle
Torsten Müller
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Evotec Technologies Gmbh
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    • G01N2035/00158—Elements containing microarrays, i.e. "biochip"

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic system, in particular for a cell sorter, and to an associated operating method.
  • a disadvantage of this known microfluidic system is the fact that separate examination series are used to investigate and sort different particle types. are required, between which the microfluidic system usually has to be flushed in order to remove particle residues from the previous series of tests.
  • the invention is therefore based on the object of creating the simplest possible way of examining different particle types in a microfluidic system.
  • the invention encompasses the general technical teaching of creating a microfluidic system with at least two carrier stream feed lines, via which carrier streams with particles suspended therein can be introduced into a process space in which the particles are subjected to an examination, observation, manipulation and / or selection can.
  • This offers the advantage that different particle types can be examined in the course of a single examination without intermediate rinsing of the microfluidic system.
  • All carrier streams therefore preferably contain particles suspended in the individual carrier stream feed lines, which are then examined, observed, manipulated and / or selected in the process space.
  • a candidate compound e.g. a cell activator
  • two carrier flow feed lines open into the process space, so that two different carrier flows with different particles suspended therein can be introduced into the process space.
  • the invention is not limited to two carrier current leads in terms of the number of carrier current leads. Rather, a larger number of carrier power supply lines is also possible if a larger number of particle types is to be examined in the course of a single series of tests.
  • the individual carrier current supply lines can both be angled to the carrier current output line, wherein the individual carrier current supply lines can have the same junction angle relative to the carrier current output line.
  • the carrier current output line or the channel-shaped process space forms an extension of one of the carrier current supply lines, so that the other carrier current supply line opens into a continuous channel.
  • the junction angle of the carrier current feed lines can in principle have any value greater than 0 ° and less than 180 °, any intermediate values being possible.
  • the carrier current feed lines preferably open at an acute angle into the process space or into the carrier current outlet line, that is to say with a junction angle greater than 0 ° and less than 90 °, 60 °, 50 °, 40 °, 30 ° or even less than 20 °.
  • the individual carrier current feed lines preferably open into the process space at the same point. This means that the mouths of the individual carrier current feed lines are not offset in the direction of flow.
  • the process space does not necessarily have to be channel-shaped in the context of the invention. It is also possible, for example, for the carrier current supply lines and / or the carrier current output line to open into the process space in a star shape in the microfluidic system according to the invention.
  • a measuring station is preferably provided for examining the particles suspended in the individual carrier streams, it being possible for the individual measuring stations to be arranged in the separate carrier stream feed lines.
  • the individual measuring stations for the different particles are preferably arranged in the common process space, a separate examination of the individual particles being made possible by the fact that the individual carrier streams fed in the process space run side by side at least in an examination area located upstream within the process space to mix well there.
  • a selection unit is therefore preferably arranged between the two measuring stations for examining the different particles and the field cage, which selects certain particles from the first carrier stream and / or from the second carrier stream and feeds them to the field cage so that the latter can fix the particles.
  • the selection unit preferably has a dielectrophoretic electrode arrangement, as described in the above-mentioned publication by MÜLLER, T. et al .: "A 3-D microelectrode system for handling and caging single cells and particles" and there as “ Funnel "is called.
  • the construction of the selection unit is not restricted to this known construction principle.
  • the particles suspended in the two carrier streams are selected together and brought together in the field cage to form pairs.
  • a holding unit can also be arranged in one or more carrier flow lines, in the process space or in one or more output lines, which temporarily holds the particles suspended in the carrier flow.
  • a holding unit can then always have a certain supply of particles ready.
  • a holding unit also enables the particles to be temporarily fixed, which can be useful, for example, in a batch operation in which the desired particles are collected and then transported onward together.
  • Such a holding unit preferably has a dielectrophoretic electrode arrangement which is known per se and is usually referred to as a "hook".
  • one of the carrier current output lines preferably opens out of the process space in a flow line behind the field cage, so that the particles released by the field cage are discharged via this carrier current output line without active control of the sorting unit.
  • the other carrier flow output lines preferably open out of the process space laterally offset with respect to the flow line behind the field cage, so that active control of the sorting unit is necessary in order to discharge the particles released by the field cage via this carrier flow output line offset laterally.
  • the carrier flow outlet line that opens out in the flow line behind the field cage is preferably used to discharge those particles that frequently occur in the carrier flows, whereas the laterally offset carrier flow outlet lines are preferably used to discharge particles. be used that occur less frequently in the carrier streams. This is advantageous because the sorting unit has to be actively controlled less frequently in this way.
  • a cell fusion takes place in the microfluidic system according to the invention and then an examination of the resulting cell pair. Depending on the result of this examination, sorting is then carried out on one of several output lines.
  • particle used in the context of the invention is to be understood generally and is not restricted to individual biological cells. Rather, this term also includes synthetic or biological particles, with particular advantages if the particles contain biological materials, for example biological cells, cell groups, cell components, viruses or biologically relevant macromolecules, each in combination with other biological particles or synthetic Carrier- include particles. Synthetic particles can comprise solid particles, liquid particles delimited from the suspension medium or multiphase particles which form a separate phase in relation to the suspension medium in the carrier stream.
  • the process space preferably has a length which is in the range from 100 nm to 10 mm, any intermediate values and partial ranges being possible within this interval.
  • Figure 1 shows an embodiment of a microfluidic system according to the invention in a sorting chip of a cell sorter
  • two carrier stream feed lines 1, 2 open into a process space 3, suspended particles 4, 5 being fed in via the two carrier stream feed lines 1, 2.
  • a partition 8 in an upstream examination area at the mouth of the two carrier flow feed lines 1, 2, so that the particles 4, 5 suspended in the carrier flows of the two carrier flow feed lines 1, 2 are initially parallel to each other and in the process space 3 be carried out separately.
  • the partition 8 is therefore impermeable to the two carrier streams and to the particles 4, 5 suspended therein.
  • the preliminary examination can be carried out in a conventional manner and can include, for example, a transmitted light measurement or a fluorescence-optical examination.
  • the examination in the measuring station 13 can also be carried out in a conventional manner and comprises, for example, a transmitted light measurement, a fluorescence measurement, an electrical measurement (e.g. impedance measurement) or a combination of several measurements.
  • the fixation of the particles 4, 5 in the field cage 12 is advantageous since the particles 4, 5 can be examined more precisely in the quiescent state.
  • the output lines 15, 17 serve to discharge the negatively selected particles 4, 5, while the carrier current output line 16 serves to continue the positively selected particles.
  • the carrier flow output line 16 opens out of the process space 3 in the flow line behind the field cage 12, while the output lines 15, 17 discharge laterally offset from the process space 3 with respect to the flow line behind the field cage 12. The result of this is that the particles 4, 5 released by the field cage 12 reach the carrier current output line 16 without any external force.
  • the electrode arrangement 14 must therefore be actively controlled if the particles 4, 5 are to be conveyed into the output lines 15, 17 for the negatively selected particles 4, 5, whereas there is no activation for the positively selected particles 4, 5. This arrangement is therefore particularly suitable for examinations in which only a few of the particles 4, 5 are selected negatively.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the particles 4, 5 can be effectively fused into aggregates, in particular hybrid pairs, in the microfluidic system, different types of particles 4, 5 being supplied via the carrier current feed lines 1, 2.
  • the field cage 12 is therefore designed somewhat differently in this exemplary embodiment and combines the functions of one Centering unit (“Funnel”) and a field cage ("Cage").
  • the (multi-) electrode arrangements 6, 7 in the two carrier current feed lines 1, 2 each consist of several funnel-shaped and several hook-shaped electrodes, which can be galvanically connected to one another on at least one of the electrode levels and are then controlled together. This has the advantage of being able to reduce the number of electrical supply lines and ensures improved centering and separation of the particles.
  • the (multi-) electrode arrangements 6, 7 should be galvanically connected at most in one electrode level in order to be able to switch them independently in the two carrier current feed lines 1, 2.
  • the two is' carrier feeders 1, 2 upstream of the (multi-) electrode assemblies 6, 7 each have a holding unit 18, 19, which consists of a DIE lektrophoretician electrode assembly.
  • the holding units 18, 19 can temporarily store the particles 4, 5 supplied via the carrier current feed lines 1, 2, so that at the entrance of the microfluidic system there is always a sufficient, but not too high, number of particles 4, 5 available for pair fertilization.
  • the electrode arrangements of the two holding units 18, 19 each consist of two zigzag-shaped electrodes which are arranged one behind the other in the direction of flow, the two zigzag-shaped electrodes of the holding units 18, 19 being galvanically connected to one another and controlled together can be.
  • the holding unit 18 and the electrode arrangement 6 in the carrier current feed line 1 are coordinated in time with this the holding unit 19 and the electrode arrangement 7 in the carrier current feed line 2. In this way it is ensured that a sufficient number of particles 4, 5 of both types is always collected for pair formation. In addition, the time-coordinated activation also prevents the particles 4, 5 from clumping too much when the cell concentration is unsuitable.
  • the funnel-shaped (multi) electrode arrangements 6, 7 guide the particles 4, 5 from the channel edges to the center of the channel and at the same time raise them in the z-plane, which contributes to an improved particle flow and prevents cells or aggregates from sticking to the glass surface slightly stick and lead to a particle jam.
  • the (multi-) electrode arrangements 6, 7 are arranged in such a way that the two particle streams do not mix in an uncontrolled manner. Individual particles 4, 5 can be temporarily stored in the multiple hook-shaped electrodes of the (multi) electrode arrangements 6, 7 and released in a controlled manner into the process space 3.
  • this can be achieved by briefly switching the electrodes off or on, so that, with the release of the particles 4, 5 trapped furthest downstream, the other temporarily stored particles 4, 5 are each stored again one position downstream. If this is correlated with the manipulation and or detection carried out in the process space 3, then an optimal supply of the process space 3 with the particles 4, 5 and thus a high throughput of the microsystem can be realized.
  • a further holding unit 20 is arranged in the carrier current output line 16, which also consists of a dielectrophoretic electrode arrangement and is constructed similarly to the holding units 18, 19.
  • Unit 20 allows a pair of cells formed in the field cage 12 to be held in the carrier current output line 16 before being passed on. This is particularly advantageous in the case of batch operation of the microsystem.
  • the electrode arrangement has an arrow electrode, which is oriented counter to the direction of flow and is permanently activated, two arrow electrodes adjoining the arrow electrode, which are used for deflection into the desired one Output line can be controlled individually.
  • This configuration is referred to as an "Ultra Fast Sorter” (UFS) and enables the suspended particles 2 to be sorted quickly.
  • UFS Ultra Fast Sorter
  • the corresponding individual legs of the electrode arrangement 11 are switched on and the particle 4, 5 arrives in front of the field cage 12, which is used for pair formation.
  • this can be a so-called "hook” or a so-called “Hohlka merfunnel” (also with several pockets, not shown here).
  • This process is repeated after the missing particle 4 or 5 has been released from the corresponding carrier current feed line 1 or 2, until two particles 4, 5 are ready in front of the field cage 12, which are then at least the upstream by briefly switching or switching on and off Field cage electrodes can be caught in the field cage 12 as a pair. This can be followed by additional manipulation.
  • the particles 4, 5 can be dielectrically pressed against one another for a sufficiently long time or strongly in the field cage 12 so that they can form a firm bond and / or are exposed to brief high electrical DC pulses. With this e.g. biological cells are fused.
  • the composite formation can also be activated optically (e.g. photochemically or by means of so-called laser scalpels) and or thermally (e.g. by applying an increased cage voltage).
  • the cell pair can pass through the system and is flushed out in the middle carrier current output line 16, or temporarily stored in the holding unit 20 during batch processing. Otherwise, the middle carrier current output line 16 is dielectrically closed by the blocking function of the arrow-shaped electrode arrangement 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, insbesondere in einem Zellsortierer, mit einer ersten Trägerstromzuleitung (1) zur Zuführung eines ersten Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (4), einer ersten Trägerstromausgangsleitung (15) zum Abführen mindestens eines Teils des Trägerstroms mit den darin suspendierten Partikeln (4), einem Prozessraum (3) zur Untersuchung, Beobachtung, Manipulation und/oder Selektion der Partikel (4), wobei die erste Trägerstromzuleitung (1) in den Prozessraum (3) einmündet, während die erste Trägerstromausgangsleitung (15) aus dem Prozessraum (3) ausmündet. Es wird vorgeschlagen, dass in den Prozessraum (3) mindestens eine zweite Trägerstromzuleitung (2) einmündet, um einen zweiten Trägerstrom mit darin suspendierten Partikeln (5) zuzuführen. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Description

BESCHREIBUNG
Mikrofluidisches System und zugehöriges Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, insbesondere für einen Zellsortierer, sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.
Aus MÜLLER, T. et al . : "A 3-D microelectrode System for hand- ling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14 (1999) 247-256 ist ein üntersuchungsverfah- ren für biologische Zellen bekannt, bei dem die zu untersu- chenden Zellen in einem Trägerstrom eines mikrofluidischen
Systems suspendiert sind und dielektrophoretisch manipuliert und sortiert werden. In dem Trägerstrom werden die zu untersuchenden Zellen zunächst durch eine trichterförmige di- elektrophoretische Elektrodenanordnung (engl. "Funnel" ) auf- gereiht und anschließend in einem dielektrophoretischen Käfig (engl. "Cage") festgehalten, um die in dem Käfig befindlichen Zellen im ruhenden Zustand untersuchen zu können, wozu mikroskopische, spektroskopische oder fluoreszenzoptische Messmethoden angewendet werden können. In Abhängigkeit von der Un- tersuchung der in dem dielektrophoretischen Käfig gefangenen Zellen können diese anschließend sortiert werden, wozu der Bediener eine Sortiereinrichtung ansteuert, die aus einer in dem Trägerstrom stromabwärts hinter dem dielektrophoretischen Käfig angeordneten dielektrophoretischen Elektrodenanordnung besteht.
Nachteilig an diesem bekannten mikrofluidischen System ist die Tatsache, dass zur Untersuchung und Sortierung unterschiedlicher Partikeltypen getrennte üntersuchungsreihen er- forderlich sind, zwischen denen das mikrofluidische System in der Regel sogar gespült werden muss, um Partikelrückstände der vorangegangenen Untersuchungsreihe zu beseitigen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Möglichkeit zur Untersuchung verschiedener Partikeltypen in einem mikrofluidischen System zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten An- sprüche gelöst.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, ein mikrofluidisches System mit mindestens zwei Trägerstromzuleitungen zu schaffen, über die Trägerströme mit darin suspen- dierten Partikeln in einen Prozessraum eingeleitet werden können, in dem die Partikel einer Untersuchung, Beobachtung, Manipulation und/oder Selektion unterzogen werden können. Dies bietet den Vorteil, dass im Rahmen einer einzigen Untersuchung ohne eine zwischenzeitliche Spülung des mikrofluidi- sehen Systems verschiedene Partikeltypen untersucht werden können.
Vorzugsweise enthalten also sämtliche Trägerströme in den einzelnen Trägerstromzuleitungen suspendierte Partikel, die dann in dem Prozessraum untersucht, beobachtet, manipuliert und/oder selektiert werden. Hiervon zu unterscheiden sind mikrofluidische Systeme, bei denen ebenfalls mehrere Trägerströme zugeführt werden, wobei aber nur ein einziger Trägerstrom die interessierenden Partikel (z.B. biologische Z'ellen) enthält, während die anderen Trägerströme beispielsweise eine Kandidatenverbindung (z.B. einen Zeilaktivator) enthalten, der mit den Partikeln reagiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung münden in den Prozessraum zwei Trägerstromzuleitungen, so dass zwei unterschiedliche Trägerströme mit darin suspendierten unterschiedlichen Partikeln in den Prozessraum eingeleitet werden können.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Anzahl der Trägerstromzuleitungen nicht auf zwei Trägerstromzuleitungen beschränkt. Vielmehr ist auch eine größere Anzahl von Träger- Stromzuleitungen möglich, falls eine größere Zahl von Partikeltypen im Rahmen einer einzigen Untersuchungsreihe untersucht werden soll.
Die einzelnen Trägerstromzuleitungen können bei dem erfin- dungsgemäßen mikrofluidischen System beide zu der Tragerstromausgangsleitung angewinkelt sein, wobei die einzelnen Trägerstromzuleitungen denselben Einmündungswinkel relativ zu der Tragerstromausgangsleitung aufweisen können.
Es besteht jedoch alternativ die Möglichkeit, dass die Tragerstromausgangsleitung oder der kanalförmige Prozessraum eine Verlängerung einer der Trägerstromzuleitungen bildet, so dass die andere Tragerstromzuleitung in einen durchgehenden Kanal einmünden.
Der Einmündungswinkel der Trägerstromzuleitungen kann hierbei grundsätzlich jeden Wert größer als 0° und kleiner als 180° aufweisen, wobei beliebige Zwischenwerte möglich sind. Vorzugsweise münden die Trägerstromzuleitungen jedoch spitzwink- lig in den Prozessraum bzw. in die Tragerstromausgangsleitung ein, also mit einem Einmündungswinkel größer als 0° und kleiner als 90°, 60°, 50°, 40°, 30° oder sogar kleiner als 20°. Weiterhin münden die einzelnen Trägerstromzuleitungen vorzugsweise an derselben Stelle in den Prozessraum. Dies bedeutet, dass die Mündungen der einzelnen Trägerstromzuleitungen in Strömungsrichtung nicht versetzt sind.
Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Trägerstromzuleitungen in Strömungsrichtung hintereinander in den Prozessraum einmünden, so dass die Mündungen der einzelnen Trägerstromzuleitungen in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.
Der Prozessraum muss jedoch im Rahmen der Erfindung nicht notwendigerweise kanalförmig sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Trägerstromzuleitungen und/oder die Träger- stromausgangsleitung bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidi- schen System sternförmig in den Prozessraum mündet.
Vorzugsweise ist zur Untersuchung der in den einzelnen Trägerströmen suspendierten Partikel jeweils eine Messstation vorgesehen, wobei die einzelnen Messstationen in den getrennten Trägerstromzuleitungen angeordnet sein können. Vorzugsweise sind die einzelnen Messstationen für die verschiedenen Partikel jedoch in dem gemeinsamen Prozessraum angeordnet, wobei eine getrennte Untersuchung der einzelnen Partikel da- durch ermöglicht wird, dass die einzelnen zugeführten Trägerströme in dem Prozessraum zumindest in einem stromaufwärts innerhalb des Prozessraums gelegenen Untersuchungsbereich nebeneinander verlaufen, ohne sich dort nennenswert zu vermischen.
Beispielsweise können die beiden Trägerstromzuleitungen y-förmig in den gemeinsamen Prozessraum münden und dort zunächst nebeneinander verlaufen. Die erste Messstation ist dann in dem Untersuchungsbereich des Prozessraums im Bereich des ersten Trägerstroms angeordnet, während die zweite Messstation in dem Untersuchungsbereich des Prozessraums im Bereich des zweiten Trägerstroms und bezüglich der Strömungsrichtung neben der ersten Messstation angeordnet ist.
Zur Vermeidung einer Mischung der beiden Trägerströme in dem stromaufwärts gelegenen Untersuchungsbereich des Prozessraums ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine optionale Trennwand zwischen den beiden Trägerströmen vorgesehen, wobei die Trennwand für die Partikel undurchlässig ist. Vorzugsweise ist die Trennwand auch für die Trägerströme undurchlässig, jedoch ist es auch denkbar, dass die Trennwand nur für die Partikel undurchlässig ist, wohingegen die Trennwand für die Trägerströme durchlässig ist.
Auch ohne eine Trennwand in dem Prozessraum ist das erfindungsgemäße mikrofluidischen System vorzugsweise so ausgelegt, dass sich die einzelnen Trägerströme in dem Prozessraum nicht oder nur vernachlässigbar vermischen. Dies lässt sich durch eine laminare Strömung in dem Prozessraum erreichen.
Weiterhin ist in dem gemeinsamen Prozessraum vorzugsweise mindestens ein dielektrophoretischer Feldkäfig angeordnet, um die Partikel zu fixieren. Es besteht auch die Möglichkeit, in dem Prozessraum in jedem Trägerstrom jeweils einen Feldkäfig anzuordnen, was eine Parallelisierung ermöglicht. Es ist aber auch möglich, dass die bereits erwähnten Messstationen als Feldkäfig ausgebildet sind und mit ihnen auch eine Fixierung, Sortierung, etc. stattfinden kann.
Eine Fixierung der Partikel in dem Feldkäfig ist beispielsweise vorteilhaft, da die Partikel im fixierten Zustand besser untersucht werden können, wozu vorzugsweise eine dritte Messstation vorgesehen ist, welche die in dem Feldkäfig fi- xierten Partikel untersucht. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Feldkäfigs ist beispielsweise in der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von MÜLLER, T. et al . : "A 3- D icroelectrode system for handling and caging Single cells and particles" beschrieben, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Feldkäfigs ist jedoch allgemein zu verstehen und nicht auf die bekannten konstruktiven Gestaltungen von Feld- käfigen beschränkt. Vielmehr umfasst der Begriff eines Feldkäfigs im Sinne der Erfindung alle dielektrophoretischen Halteelemente, wie beispielsweise auch einen sogenannten "Hook".
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Feldkäfig in dem Prozessraum bezüglich der Strömungsrichtung im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Trägerströmen angeordnet . Ohne eine externe Ansteuerung strömen die in den beiden Trägerströmen suspendierten Partikel deshalb seitlich an dem Feldkäfig vorbei und werden von diesem nicht fixiert.
Zwischen den beiden Messstationen für die Untersuchung der verschiedenen Partikel und dem Feldkäfig ist deshalb vorzugsweise eine Selektionseinheit angeordnet, die bestimmte Partikel aus dem ersten Trägerstrom und/oder aus dem zweiten Trä- gerstrom selektiert und dem Feldkäfig zuführt, damit dieser die Partikel fixieren kann. Die Selektionseinheit weist vorzugsweise eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung auf, wie sie in der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von MÜLLER, T. et al.: "A 3-D microelectrode System for hand- ling and caging single cells and particles" beschrieben ist und dort als "Funnel" bezeichnet wird. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Aufbaus der Selektionseinheit nicht auf dieses an sich bekannte Konstruktionsprinzip beschränkt. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Selektionseinheit die in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel und die in dem zweiten Trägerstrom suspendierten Partikel vorzugsweise unabhängig voneinander selektieren und dem Feldkäfig zuführen kann. Hierbei kann die Selektionseinheit also wahlweise die in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel oder die in dem zweiten Trägerstrom suspendierten Partikel selektieren und dem Feldkäfig zuführen. Die Auswahl der zu selektierenden Partikel kann hierbei in Abhängigkeit von dem Untersuchungs- ergebnis in den beiden Messstationen erfolgen. Beispielsweise kann ein in dem ersten Trägerstrom suspendierter Partikel selektiert und dem Feldkäfig zugeführt werden, wenn die vorangegangene Untersuchung in der ersten Messstation ein bestimmtes Untersuchungsergebnis erbracht hat. Entsprechend kann ein in dem zweiten Trägerstrom suspendierter Partikel selektiert und dem Feldkäfig zugeführt werden, wenn die vorangegangene Untersuchung dieses Partikels in der zweiten Messstation ein bestimmtes Untersuchungsergebnis erbracht hat.
Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die in den beiden Trägerströmen suspendierten Partikel gemeinsam selektiert und zur Paarbildung in dem Feldkäfig zusammengeführt werden.
Ferner kann in einer oder mehreren Trägerstromzuleitungen, in dem Prozessraum und/oder in einer oder mehreren Trägerstrom- ausgangsleitungen eine Zentriereinheit angeordnet sein, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel zentriert. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Partikelablagerung und -anhaftung an der Innenwand der Trägerstromzuleitungen, des Prozessraums bzw. der Tragerstromausgangsleitung verhindert. Eine derartige Zentriereinheit weist vorzugsweise eine die- lektrophoretische Elektrodenanordnung auf, wie sie beispielsweise in der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von MÜLLER, T. et al.: "A 3-D microelectrode System for handling and caging Single cells and particles" beschrieben ist und dort als "Funnel" bezeichnet wird. Der Inhalt dieser Veröffentlichung ist deshalb der vorliegenden Beschreibung hin- sichtlich der Gestaltung der Zentriereinheit zuzurechnen.
Darüber hinaus kann in einer oder mehreren Trägerstromzuleitungen, in dem Prozessraum oder in einer oder mehreren Ausgangsleitungen auch eine Halteeinheit angeordnet sein, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel vorübergehend festhält. Am Eingang des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems kann eine derartige Halteeinheit dann stets einen bestimmten Vorrat an Partikeln bereithalten. Am Ausgang des mikrofluidischen System ermöglicht eine derartige Halteein- heit ebenfalls eine vorübergehende Fixierung der Partikel, was beispielsweise bei einem Batch-Betrieb sinnvoll sein kann, bei dem die gewünschten Partikel gesammelt und dann gemeinsam weiter transportiert werden. Vorzugsweise weist eine derartige Halteeinheit eine dielektrophoretische Elektroden- anordnung auf, die an sich bekannt ist und üblicherweise als "Hook" bezeichnet wird.
Weiterhin münden aus dem Prozessraum vorzugsweise mehrere Trägerstromausgangsleitungen aus, wobei die Partikel auf die verschiedenen Trägerstromausgangsleitungen sortiert werden können. Hierzu ist vorzugsweise eine Sortiereinheit vorgesehen, die vorzugsweise in dem stromabwärts gelegenen Bereich des Prozessraums angeordnet ist und die Sortierung auf die verschiedenen Trägerstromausgangsleitungen vornimmt. Die Sor- tiereinheit weist vorzugsweise eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung auf, wie sie beispielsweise in der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von MÜLLER, T. et al.: "A 3-D microelectrode System for handling and caging Single cells and particles" beschrieben ist und dort als "Switch" bezeichnet wird. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise der Sortiereinheit nicht auf dieses an sich bekannte Konstruktionsprinzip beschränkt .
Die Ansteuerung der Sortiereinheit zur Sortierung der Partikel auf die verschiedenen Trägerstromausgangsleitungen erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Untersuchung der Partikel in dem Prozessraum. Hierbei kann die Sortierung aus- schließlich in Abhängigkeit von der Untersuchung der in dem Feldkäfig fixierten Partikel erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Sortierung nur in Abhängigkeit von der Untersuchung der Partikel in den getrennten Trägerströmen erfolgt. Darüber hinaus kann die Sortierung auch in Abhängig- keit von sämtlichen Untersuchungen erfolgen, die in dem Prozessraum durchgeführt werden.
Vorzugsweise mündet hierbei eine der Trägerstromausgangsleitungen in einer Strömungslinie hinter dem Feldkäfig aus dem Prozessraum aus, so dass die von dem Feldkäfig freigegebenen Partikel ohne eine aktive Ansteuerung der Sortiereinheit über diese Tragerstromausgangsleitung abgeführt werden. Die anderen Trägerstromausgangsleitungen münden dagegen vorzugsweise gegenüber der Strömungslinie hinter dem Feldkäfig seitlich versetzt aus dem Prozessraum aus, so dass eine aktive Ansteuerung der Sortiereinheit erforderlich ist, um die von dem Feldkäfig freigegebenen Partikel über diese seitlich versetzten Tragerstromausgangsleitung abzuführen.
Die in der Strömungslinie hinter dem Feldkäfig ausmündende Tragerstromausgangsleitung wird vorzugsweise zur Abführung solcher Partikel benutzt, die in den Trägerströmen häufig vorkommen, wohingegen die seitlich versetzten Trägerstromausgangsleitungen vorzugsweise zur Abführung von Partikeln be- nutzt werden, die in den Trägerströmen seltener vorkommen. Dies ist vorteilhaft, da die Sortiereinheit auf diese Weise seltener aktiv angesteuert werden muss.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur das vorstehend beschriebene mikrofluidische System als Einzelteil, wie beispielsweise als Chip, umfasst, sondern auch einen Zellsortierer und einen Zellfusionierer mit einem derartigen mikrofluidischen System betrifft.
Hinsichtlich der Einzelheiten der Zellfusio ' wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Patentanmeldung DE 198 59 459 AI verwiesen, wobei der Inhalt dieser Patentanmeldung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Zellfusion zuzu- rechnen ist.
In einer Variante der Erfindung erfolgt in dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System zuerst eine Zellfusion und anschließend eine Untersuchung des entstandenen Zellpaars. In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Untersuchung erfolgt dann eine Sortierung auf eine von mehreren Ausgangsleitungen.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren, das bereits vorstehend beschrieben wurde.
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, Viren oder biologisch relevante Makromoleküle, jeweils ggf. im Verbund mit anderen biologischen Partikeln oder synthetischen Träger- partikeln umfassen. Synthetische Partikel können feste Partikel, flüssige, vom Suspensionsmedium abgegrenzte Teilchen o- der Mehrphasenpartikel umfassen, die gegenüber dem Suspensionsmedium in dem Trägerstrom eine getrennte Phase bilden.
Ferner ist der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines mikrofluidischen Systems allgemein zu verstehen und bedeutet vorzugsweise, dass die Abmessungen der Trägerstromzuleitungen, des Prozessraums und der Trägerstromausgangslei- tungen so klein sind, dass der Trägerstrom laminar ist, ohne dass sich Wirbel bilden. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Breite der Trägerstromzuleitungen, des Prozessraums und der Trägerstromausgangsleitungen vorzugsweise im Bereich eines Mehrfachen (z.B. das 10- bis 400-fache) des Partikel- durchmessers liegen.
Vorzugsweise liegen die Abmessungen (Breite, Tiefe und/oder Durchmesser) der Trägerzuleitungen, des Prozessraums und/oder der Trägerstromausgangsleitungen im Bereich von 50 nm bis 2 mm, wobei beliebige Zwischenwerte und Teilbereiche innerhalb dieses Intervalls möglich sind.
In Strömungsrichtung weist der Prozessraum vorzugsweise eine Länge auf, die im Bereich von 100 nm bis 10 mm liegt, wobei beliebige Zwischenwerte und Teilbereiche innerhalb dieses Intervalls möglich sind.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusam- men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen System in einem Sortierchip eines Zellsortierers sowie
Figur 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems zur Zellfusion.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 münden zwei Trägerstromzuleitungen 1, 2 in einen Prozessraum 3, wobei über die beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 jeweils suspendierte Partikel 4, 5 zugeführt werden.
In den beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 ist jeweils eine trichterförmige Elektrodenanordnung 6, 7 angeordnet, um die in den Trägerströmen der beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 suspendierten Partikel 4, 5 zu zentrieren. Der Aufbau und die Funktionsweise der Elektrodenanordnungen 6, 7 ist an sich bekannt und beispielsweise in der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung MÜLLER, T. et al . : "A 3-D microelectrode system for handling and caging Single cells and particles" beschrieben .
In dem Prozessraum 3 befindet sich optional in einem stromaufwärts gelegenen Untersuchungsbereich an der Mündungsstelle der beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 eine Trennwand 8, so dass die in den Trägerströmen der beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 suspendierten Partikel 4, 5 in dem Prozessraum 3 zunächst parallel nebeneinander und getrennt voneinander geführt werden. Die Trennwand 8 ist deshalb für die beiden Trä- gerströme und für die darin suspendierten Partikel 4, 5 undurchlässig.
Im Bereich der Trennwand 8 befinden sich in dem Prozessraum 3 zwei Messstationen 9, 10, um die suspendierten Partikel 4, 5 während des Vorbeiströmens einer Voruntersuchung zu unterziehen. Die Voruntersuchung kann in herkömmlicher Weise erfolgen und beispielsweise eine Durchlichtmessung oder eine fluoreszenzoptische Untersuchung umfassen.
Stromabwärts hinter den beiden Messstationen 9, 10 befindet sich in dem Prozessraum 3 eine trichterförmige Elektrodenanordnung 11, welche die in den beiden Teilströmen beiderseits der Trennwand 8 suspendierten Partikel 4, 5 zentriert und ei- nem dielektrophoretischen Feldkäfig 12 zuführt, der die Partikel 4, 5 für eine Untersuchung in einer weiteren Messstation 13 fixieren kann. Der Aufbau und die Funktionsweise der Elektrodenanordnung 11 ist ebenfalls an sich bekannt und in der bereits vorstehend erwähnten Veröffentlichung von MÜLLER, T. et al . : "A 3-D microelectrode System for handling and caging Single cells and particles" beschrieben. Die Elektrodenanordnung 11 weist jedoch in diesem Ausführungsbeispiel zwei Schenkel auf, die getrennt und unabhängig voneinander schaltbar sind.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Untersuchung in der Messstation 13 ebenfalls in herkömmlicher Weise erfolgen kann und beispielsweise eine Durchlichtmessung, eine Fluoreszenzmessung, eine elektrische Messung (z.B. Impedanzmessung) oder eine Kombination mehrerer Messungen umfasst.
Die Fixierung der Partikel 4, 5 in dem Feldkäfig 12 ist vorteilhaft, da die Partikel 4, 5 im ruhenden Zustand genauer untersucht werden können.
Hinter jeder der beiden Messstationen 9, 10 und vor der E- lektrodenanordnung 11 kann zusätzlich jeweils ein Retardie- rungselement (Halteelemente) angeordnet sein, wobei diese beiden Retardierungselemente in der Zeichnung nicht darge- stellt sind. Die Elektrodenanordnung 11 würde hierbei nur angesteuert, wenn die beiden Retardierungsele ente wirklich Partikel enthalten, wohingegen eine Ansteuerung der Elektrodenanordnung überflüssig ist, wenn sich in den Retardierungs- elementen keine Partikel befinden.
Wenn der Partikel 4 in der Messstation 9 positiv bewertet wird und von der Elektrodenanordnung 11 in den Feldkäfig 12 gelenkt wird, sind die Eintrittselektroden (oder besser ge- sagt die stromaufwärts gelegenen Elektroden) des Feldkäfigs 12 ausgeschaltet, und die stromabwärts gelegenen Elektroden angeschaltet. Der Partikel 4 wird so von den angeschalteten Elektroden an einer Bewegung mit der Strömung gehindert und praktisch gehaltert. Erst wenn der weitere Partikel 5 nach einer positiven Bewertung in der Messstation 10 von der Elektrodenanordnung 11 in den Feldkäfig 12 abgelenkt wird, werden auch die stromaufwärts gelegenen Elektroden angeschaltet . •
Alternativ besteht auch folgende Möglichkeit: Alle Elektroden des Feldkäfigs 12 sind angeschaltet und bilden für den Partikel 4 eine Barriere, die den Partikel 4 an einer Weiterbewegung hindert. Erst wenn der Partikel 5 auch in Richtung des Feldkäfigs 12 abgelenkt wurde, werden alle Elektroden kurz ausgeschaltet, so dass beide Partikel 4, 5 in den Feldkäfig gelangen können. Unmittelbar danach werden sie wieder angeschaltet.
Stromabwärts hinter dem dielektrophoretischen Feldkäfig 12 befindet sich eine weitere Elektrodenanordnung 14, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel 4, 5 nach der Freigabe durch den Feldkäfig 12 in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Untersuchung in der Messstation 13 einer von drei Ausgangsleitungen 15, 16, 17 zuführt. Die Ausgangsleitungen 15, 17 dienen zur Abführung der negativ selektierten Partikel 4, 5, während die Tragerstromausgangsleitung 16 der Weiterführung der positiv selektierten Parti- kel dient. Die Tragerstromausgangsleitung 16 mündet hierbei in der Strömungslinie hinter dem Feldkäfig 12 aus dem Prozessraum 3 aus, während die Ausgangsleitungen 15, 17 gegenüber der Strömungslinie hinter dem Feldkäfig 12 seitlich versetzt aus dem Prozessraum 3 ausmünden. Dies hat zur Folge, dass die von dem Feldkäfig 12 freigegebenen Partikel 4, 5 ohne eine äußere Krafteinwirkung in die Tragerstromausgangsleitung 16 gelangen. Die Elektrodenanordnung 14 muss also aktiv angesteuert werden, wenn die Partikel 4, 5 in die Ausgangsleitungen 15, 17 für die negativ selektierten Partikel 4, 5 befördert werden sollen, wohingegen keine Ansteuerung für die positiv selektierten Partikel 4, 5 erfolgt. Diese Anordnung eignet sich deshalb besonders bei solchen Untersuchungen, bei denen nur wenige der Partikel 4, 5 negativ selektiert werden.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel überein, so dass ergänzend auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei im Folgenden für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Partikel 4, 5 in dem mikrofluidischen System effektiv zu Aggregaten, insbesondere zur Hybridpaaren, fusioniert werden können, wobei über die Trägerstromzuleitungen 1, 2 unterschiedliche Typen von Partikeln 4, 5 zugeführt werden.
Der Feldkäfig 12 ist deshalb in diesem Ausführungsbeispiel etwas anders gestaltet und vereinigt die Funktionen einer Zentriereinheit (engl. "Funnel") und eines Feldkäfigs (engl. "Cage") .
Weiterhin bestehen die (Multi-) Elektrodenanordnungen 6, 7 in den beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 hierbei jeweils ggf. aus mehreren trichterförmigen und mehreren hakenförmigen E- lektroden, die auf mindestens einer der Elektrodenebenen galvanisch miteinander verbunden sein können und dann gemeinsam angesteuert werden. Dies bietet den Vorteil, die Anzahl der elektrischen Zuleitungen reduzieren zu können und sichert eine verbesserte Zentrierung und Vereinzelung der Partikel. Die (Multi-) Elektrodenanordnungen 6, 7 sollten galvanisch höchstens in einer Elektrodenebene verbunden sein, um sie in den beiden Trägerstromzuleitungen 1, 2 unabhängig schalten zu können.
Darüber ist in den beiden' Trägerstromzuleitungen 1, 2 stromaufwärts vor den (Multi-) Elektrodenanordnungen 6, 7 jeweils eine Halteeinheit 18, 19 angeordnet, die aus einer die- lektrophoretischen Elektrodenanordnung besteht. Die Halteeinheiten 18, 19 können die über die Trägerstromzuleitungen 1, 2 zugeführten Partikel 4, 5 Zwischenspeichern, so dass am Eingang des mikrofluidischen Systems stets eine ausreichende, aber nicht zu hohe Anzahl der Partikel 4, 5 für eine Paarbil- düng zur Verfügung steht. Die Elektrodenanordnungen der beiden Halteinheiten 18, 19 bestehen hierbei jeweils aus zwei Zick-Zack-förmigen Elektroden, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die beiden Zick-Zack- förmigen Elektroden der Halteeinheiten 18, 19 galvanisch mit- einander verbunden sein und gemeinsam angesteuert werden können.
Die Halteeinheit 18 und die Elektrodenanordnung 6 in der Tragerstromzuleitung 1 werden hierbei zeitlich koordiniert mit der Halteeinheit 19 und der Elektrodenanordnung 7 in der Tragerstromzuleitung 2 angesteuert. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass immer eine ausreichende Anzahl der Partikel 4, 5 beider Typen für die Paarbildung angesammelt wird. Darüber hinaus wird durch die zeitlich koordinierte Ansteuerung auch verhindert, dass sich die Partikel 4, 5 bei einer ungeeigneten Zellkonzentration zu stark verklumpen.
Durch die trichterförmigen (Multi-) Elektrodenanordnungen 6, 7 werden die Partikel 4, 5 von den Kanalrändern hin zur Kanalmitte geführt und zugleich auch in z-Ebene angehoben, was zu einem verbesserten Partikelfluss beiträgt und verhindert, dass sich Zellen oder Aggregate an der Glasoberfläche leicht anhaften und zu einem Partikelstau führen. Die (Multi-) E- lektrodenanordnungen 6, 7 sind hierbei so angeordnet, dass beide Partikelströme sich nicht unkontrolliert vermischen. In den mehreren hakenförmigen Elektroden der (Multi-) Elektrodenanordnungen 6, 7 können einzelne Partikeln 4, 5 zwischen-' gespeichert werden und kontrolliert in den Prozessraum 3 ab- gegeben werden. Dies kann bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit durch kurzzeitiges Ab- bzw. Umschalten der Elektroden realisiert werden, so dass unter Freisetzung der am weitesten stromabwärts gefangenen Partikeln 4, 5 die anderen zwischengespeicherten Partikel 4, 5 jeweils eine Position stromab- wärts wieder gespeichert werden. Erfolgt dies korreliert mit der im Prozessraum 3 erfolgten Manipulation und oder Detekti- on, so kann eine optimale Versorgung des Prozessraums 3 mit den Partikeln 4, 5 und damit ein hoher Durchsatz des Mikro- systems realisiert werden.
Ferner ist in der Tragerstromausgangsleitung 16 eine weitere Halteeinheit 20 angeordnet, die ebenfalls aus einer dielektrophoretischen Elektrodenanordnung besteht und ähnlich aufgebaut ist wie die Halteeinheiten 18, 19. Die Halteein- heit 20 ermöglicht es, ein in dem Feldkäfig 12 gebildetes Zellpaar vor der Weitergabe in der Tragerstromausgangsleitung 16 festzuhalten. Dies ist insbesondere bei einem batchweisen Betrieb des Mikrosystems vorteilhaft.
Im Folgenden wird nun das weitere Betriebsverfahren in dem Prozessraum 3 des in Figur 2 dargestellten Mikrosystems beschrieben.
Passieren die Partikel 4, 5 der beiden Zelltypen unabhängig von einander die Messstationen 9, 10, werden bspw. ihre optischen Eigenschaften registriert (z.B. Größe, Fluoreszenz, Durchlichteigenschaft, Phasenkontrast, Einzeln/Aggregat, Abstand zur nächsten Zelle) . Das Ein- bzw. Freischalten des Feldkäfigs 12 wird über einen detektionsseitigen Trigger ausgelöst .
Erfüllt der jeweilige Partikel 4, 5 die ausgesuchten Zielkriterien nicht, werden die unabhängig zu schaltenden Schenkel der trichterförmigen Elektrodenanordnung 11 ausgeschaltet und der negativ evaluierte Partikel 4, 5 gelangt nach Passieren der Elektrodenanordnung 14 in die Ausgangsleitungen 15, 17. Alternativ können anstelle der trichterförmigen Elektrodenanordnung 11 (engl. "Funnel") zwei sogenannte Fast-Switches eingesetzt werden. Derartige Fast-Switches sind beispielsweise aus den Figur 2 und 3 der deutschen Patentanmeldung 10 2004 017 482 bekannt, deren Inhalt deshalb der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
Die Besonderheit besteht bei derartigen Fast-Switches darin, dass die Elektrodenanordnung eine Pfeilelektrode aufweist, die entgegen der Strömungsrichtung ausgerichtet ist und permanent angesteuert wird, wobei an die Pfeilelektrode zwei Ablenkelektroden angrenzen, die zur Ablenkung in die gewünschte Ausgangsleitung jeweils einzeln angesteuert werden. Diese Konfiguration wird als "Ultra Fast Sorter" (UFS) bezeichnet und ermöglicht eine schnelle Sortierung der suspendierten Partikel 2.
Ist einer der Partikel 4, 5 positiv ev-aluiert, werden die korrespondierenden Einzelschenkel der Elektrodenanordnung 11 eingeschaltet und der Partikel 4, 5 gelangt vor den Feldkäfig 12, welcher der Paarbildung dient. Dies kann anstelle des Feldkäfigs 12 ein sogenannter "Hook" sein oder ein sogenannter "Hohlka merfunnel" (auch mit mehreren Taschen, hier nicht gezeigt) . Dieser Prozess wird nach Freigabe des fehlenden Partikels 4 bzw. 5 aus der entsprechenden Tragerstromzuleitung 1 bzw. 2 wiederholt, bis zwei Partikel 4, 5 vor dem Feldkäfig 12 bereit stehen, die anschließend durch kurzes Um- bzw. Ein- und Ausschalten zumindest der stromaufwärtsliegenden Feldkäfigelektroden in dem Feldkäfig 12 als Paar gefangen werden. Hieran kann sich eine zusätzliche Manipulation anschließen. So können die Partikel 4, 5 bspw. hinreichend lan- ge bzw. stark in dem Feldkäfig 12 dielektrisch aufeinander gepresst werden, so dass sie einen festen Verbund ausbilden können und/oder kurzen hohen elektrischen Gleichspannungspulsen ausgesetzt werden. Damit können z.B. biologische Zellen fusioniert werden. Die Verbundbiidung kann auch optisch (z.B. photochemisch oder durch sogenannte Laserskalpelle) und oder thermisch (z.B. durch Anlegen einer erhöhten Käfigspannung) aktiviert werden.
Ist durch die z.B. optische Detektion sichergestellt, dass die Paarbildung erfolgte, kann das Zellpaar das System passieren und wird in der mittleren Tragerstromausgangsleitung 16 ausgespült, bzw. bei batchweisem Abarbeiten in der Halteeinheit 20 zwischengespeichert. Ansonsten wird durch die Sperrfunktion der pfeilförmigen E- lektrodenanordnung 14 die mittlere Tragerstromausgangsleitung 16 dielektrisch verschlossen.
Anspruchsvoller ist es, wenn die beiden Partikel 4, 5 erst in dem Feldkäfig 12 gezielt vereint werden sollen. Damit ist es bspw. möglich, alle Paare einer Beschickung (engl. "batch") eine definierte Zeitspanne miteinander in Kontakt treten zu lassen, um etwa eine zuverlässige Aktivierung der einen Par- tikelsorte zu realisieren. Zusätzlich ermöglicht diese Vorgehensweise bei mehr als zwei Trägerstromzuleitungen eine definierte Abfolge der Partikelaggregation. Zur Partikelvereinigung in dem Feldkäfig 12 ist es sinnvoll, nach dem Passieren der trichterförmigen Elektrodenanordnung 11 durch den positiv bewerteten Partikel 4, 5 den Partikel 4, 5 in dem eingeschalteten Feldkäfig 12 zu halten. Wenn der zweite Partikel 4, 5 vor den Feldkäfig 12 gelangt, werden die stromaufwärts liegenden Elektroden des Feldkäfigs 12 kurz um- bzw. aus- und dann wieder angeschaltet. Das Partikelpaar ist dann gefangen. Alternativ ist es auch möglich zunächst nur den Feldkäfig 12 im Fangmodus zu betrieben. Hier sind die Strömungsabgewandten Elektrodenpaare angeschaltet, die in Strömung liegenden Bereich sind ausgeschaltet. Einer der Partikel 4, 5 wird im Käfigbereich gehalten. Erst wenn der zweite Partikel 4, 5 in den Zentralbereich des Feldkäfigs 12 gelangt, wird auch die strömungszugewandte Seite über ein Triggersignal angeschaltet
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. -Ä- -k -k Bezugszeichenliste:
1 Tragerstromzuleitung
2 Tragerstromzuleitung
3 Prozessraum
4 Partikel
5 Partikel
6 Elektrodenanordnung
7 Elektrodenanordnung
8 Trennwand
9 Messstation
10 Messstation
11 Elektrodenanordnung
12 Feldkäfig
13 Messstation
14 Elektrodenanordnung
15 Tragerstromausgangsleitung
16 Tragerstromausgangsleitung
17 Tragerstromausgangsleitung
18 Halteeinheit
19 Halteeinheit
20 Halteeinheit •k k k k

Claims

ANSPRUCHE
1. Mikrofluidisches System, insbesondere in einem Zellsortierer, mit einer ersten Tragerstromzuleitung (1) zur Zuführung eines ersten Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (4), einer ersten Tragerstromausgangsleitung (15) zum Abführen mindestens eines Teils des Trägerstroms mit den darin suspendierten Partikeln (4), einem Prozessraum (3) zur Untersuchung, Beobachtung, Manipulation und/oder Selektion der Partikel (4), wobei die erste Tragerstromzuleitung (1) in den Prozessraum (3) einmündet, während die erste Tragerstromausgangsleitung (15) aus dem Prozessraum (3) ausmündet, gekennzeichnet durch
- mindestens eine zweite Tragerstromzuleitung (2) zur Zuführung eines zweiten Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (5) , wobei die zweite Tragerstromzuleitung (2) ebenfalls in den Prozessraum (3) einmündet.
2. Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - eine erste Messstation (9) zur Untersuchung der in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel (4) und
- eine zweite Messstation (10) zur Untersuchung der in dem zweiten Trägerstrom suspendierten Partikel (5) .
3. Mikrofluidisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trägerstrom und der zweite Trägerstrom in dem Prozessraum (3) zumindest in einem stromaufwärts gelegenen Untersuchungsbereich nebeneinander verlaufen.
4. Mikrofluidisches System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messstation (9) in dem Untersuchungsbereich des Prozessraums (3) im Bereich des ersten Trägerstroms angeordnet ist, während die zweite Messstation (10) in dem Untersuchungsbereich des Prozessraums (3) im Bereich des zweiten Trägerstroms und bezüglich der Strömungsrichtung neben der ersten Messstation (9) angeordnet sind.
5. Mikrofluidisches System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Untersuchungsbereich des Prozessraums (3) eine Trennwand (8) zwischen dem ersten Trägerstrom und dem zweiten Trägerstrom angeordnet ist, wobei die Trennwand (8) für die Partikel (4, 5) und/oder für die Trägerströ- me undurchlässig ist.
6. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 3 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Prozessraum (3) ein dielektrophoretischer Feldkäfig (12) angeordnet ist, um die Partikel (4, 5) zu fixieren.
7. Mikrofluidisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (12) stromabwärts hinter der ersten Messstation (9) und der zweiten Messstation (10) ange- ordnet ist.
8. Mikrofluidisches System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (12) in dem Prozessraum
(3) im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Trägerströmen angeordnet ist.
9. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung zwischen den Messstationen (9, 10) und dem Feldkäfig (12) eine Selek- tionseinheit (11) angeordnet ist, die bestimmte Partikel (4, 5) aus dem ersten Trägerstrom und/oder aus dem zweiten Trägerstrom selektiert und dem Feldkäfig (12) zuführt.
10. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine dritte MessStation (13) zur Untersuchung der in dem Feldkäfig (12) fixierten Partikel.
11. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Tragerstromzuleitung (1) und/oder in der zweiten Tragerstromzuleitung (2) und/oder in dem Prozessraum (3) mindestens eine Zentriereinheit (6, 7) angeordnet ist, welche die Partikel (4, 5) zentriert.
12. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Tragerstromzuleitung (1) und/oder in der zweiten Tr gerstromzuleitung (2) und/oder in dem Prozessraum (3) mindestens eine Hal- teeinheit (18, 19) angeordnet ist, welche die Partikel (4, 5) festhält .
13. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Prozessraum (3) mindestens eine zweite Tragerstromausgangsleitung (16) ausmündet .
14. Mikrofluidisches System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im stromabwärts gelegenen Bereich des Pro- zessraums (3) eine Sortiereinheit (14) angeordnet ist, welche die Partikel (4, 5) auf die erste Tragerstromausgangsleitung (15) oder auf die zweite Tragerstromausgangsleitung (16) sortiert.
15. Mikrofluidisches System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Tragerstromausgangsleitung (16) in einer Strömungslinie hinter dem Feldkäfig (12) aus dem Prozessraum (3) ausmündet, während die zweite Trägerstromaus- gangsleitung (15) seitlich versetzt aus dem Prozessraum (3) ausmündet .
16. Mikrofluidisches System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Prozessraum (3) eine dritte Trä- gerstromausgangsleitung (17) ausmündet, wobei die dritte Tragerstromausgangsleitung (17) gegenüber der Strömungslinie hinter dem Feldkäfig (12) seitlich versetzt aus dem Prozessraum (3) ausmündet.
17. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriereinheit (6, 7), die Sortiereinheit (14) , die Selektionseinheit (11) und/oder die Halteeinheit eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung aufweist.
18. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Trägerstromausgangsleitungen (15, 16, 17) eine Halteeinheit (20) angeordnet ist, um die Partikel (4, 5) in der Aus- gangsleitung (16) zwischenzuspeichern.
19. Zellfusionierer mit einem mikrofluidischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
20. Zellsortierer mit einem mikrofluidischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
21. Betriebsverfahren für ein mikrofluidisches System, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, mit den folgenden Schritten: Zuführung eines ersten Trägerstroms mit darin suspendier- ten Partikeln (4) durch eine erste Tragerstromzuleitung (1) in einen Prozessraum (3) des mikrofluidischen Systems,
- Untersuchung, Beobachtung, Manipulation und/oder Selektion der Partikel (4) in dem Prozessraum (3),
- Abführen mindestens eines Teiles des ersten Trägerstroms mit den darin suspendierten Partikeln (4) durch eine erste Tragerstromausgangsleitung (15) , gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Zuführung mindestens eines zweiten Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (5) durch eine zweite Tragerstromzuleitung (2) in den Prozessraum (3).
22. Betriebsverfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Untersuchung der in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel (4) und
- Untersuchung der in dem zweiten Trägerstrom suspendierten Partikel (5) .
23. Betriebsverfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Selektion der in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel (4) oder der in dem zweiten Trägerstrom suspendierten Partikel (5) in Abhängigkeit von der Untersuchung der in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel (4) und/oder in Abhängigkeit von der Untersuchung der in dem zweiten Trägerstroms suspendierten Partikel (5) .
24. Betriebsverfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: - Fixierung der selektierten Partikel (4, 5) in einem dielektrophoretischen Feldkäfig (12) .
25. Betriebsverfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch folgenden Schritt :
- Untersuchung der in dem Feldkäfig (12) fixierten Partikel (4, 5) .
26. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
- Sortierung der Partikel (4, 5) auf eine von mehreren Trägerstromausgangsleitungen (15, 16, 17).
27. Betriebsverfahren nach Anspruch 26, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Sortierung in Abhängigkeit von der Untersuchung der in dem Feldkäfig (12) fixierten Partikel (4, 5) erfolgt.
28. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der in dem ersten Trägerstrom suspendierten Partikel (4) und/oder die Untersuchung der in dem zweiten Trägerstrom suspendierten Partikel (5) und/oder die Untersuchung der in dem Feldkäfig (12) fixierten Partikel (4, 5) eine Durchlichtmessung und/oder ei- ne Fluoreszenzmessung umfasst.
29. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Tragerstromzuleitung angeordnete Zentriereinheit und/oder Halteeinheit ei- nerseits und die in der zweiten Tragerstromzuleitung angeordnete Zentriereinheit und/oder Halteinheit andererseits zeitlich koordiniert angesteuert werden. k k -k k *k
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