WO2014198813A1 - Method and device for determining undissolved particles in a fluid - Google Patents

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WO2014198813A1
WO2014198813A1 PCT/EP2014/062200 EP2014062200W WO2014198813A1 WO 2014198813 A1 WO2014198813 A1 WO 2014198813A1 EP 2014062200 W EP2014062200 W EP 2014062200W WO 2014198813 A1 WO2014198813 A1 WO 2014198813A1
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particles
measuring
channel
fluid
section
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PCT/EP2014/062200
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Inventor
Michael Bassler
Christian Sommer
Stephan Quint
Peter Spang
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • G01N15/1459Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals the analysis being performed on a sample stream
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    • G01N2015/1027Determining speed or velocity of a particle

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for differentiation, for the classification or for the determination of undissolved particles present in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity ⁇ .
  • the method provides that the fluid is conveyed with the particles through a measuring channel, wherein the fluid flows through a measuring path with the particles.
  • the device has a measuring channel, through which the fluid can be conveyed with the particles and which comprises a measuring section, and a pumping device for conveying the fluid with the particles through the measuring channel.
  • the invention has its origin in the field of flow cytometry.
  • this is a process in which the fluid with the particles, in this case biological cells, is pumped through a flow cell in which they are excited to emit fluorescence by means of incident light.
  • the cells are therefore usually previously labeled with fluorescent substances.
  • the emitted light is picked up by a detector as the particle passes through the flow cell.
  • a mask also shadow mask, with which the emitted light is modulated in time due to the relative movement of the particles to the mask.
  • Such a signal is recorded at a certain sampling rate. The result is called sampling.
  • the correspondingly temporally modulated detection signal is then subjected to a correlation analysis in which a reference sequence is mathematically formed from the known pattern of the mask, this in its absolute length set (scaled) and compared or folded with the sampling. The comparison is done by shifting the scaled reference sequence across the signal. The process is iteratively repeated at other scales until a match is found.
  • the correspondence is shown for each particle passing through the detection cell in the form of a correlation peak, by means of which the particles can be counted, for example.
  • the present invention proposes an alternative or additional method with which particle properties in a flowing fluid can be determined in order, for example, to differentiate different particles, to be able to classify the particles or even to determine the particles in the fluid.
  • the inventive method for differentiation, for classification or for determining in a flowing fluid undissolved particles of the type described above provides that the fluid is conveyed through the entire measuring channel with a mean flow velocity v, in which the channel Reynolds number _ p 'v ⁇ d hyd
  • dhyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel.
  • the migration speed of the particles or their equivalent is determined over the measuring section and the flow behavior of the particles is analyzed on the basis of the determined migration rate or its equivalent and used for differentiation, classification or determination of the particles.
  • the invention further provides that the device of the type mentioned has a control device associated with the pump device, which is set to set a flow velocity v for the fluid through the entire measuring channel, wherein the channel Reynolds number
  • the device according to the invention has a measuring device arranged along the measuring section, which is set up to ascertain the migration speed of the particles or their equivalent over the measuring section, and an analysis device which is set up, to determine the flow behavior of the particles on the basis of the determined migration speed or its equivalent analyze and output for differentiation, classification or determination of the particles.
  • a channel Reynolds number of more than 200 or even more than 50 to a very high pressure in the measuring channel or the entire line system of the device not every basically suitable material (eg plastic, glass or steel) can withstand.
  • the flow velocity in the measuring channel increases above values, which involve a considerable higher technical outlay for the detection of the particles or even a measurement of their velocity in the measuring channel make necessary. For these reasons, it is advantageous in some cases to limit the channel Reynolds number to 200 or even 50.
  • the "flow behavior" can as a generic term of at least one of the parameters
  • Change in the distribution of the migration speed of the particles is understood as a function of the change in the flow conditions, of which not only the velocity distribution used so far, but typically each parameter behaves in a significant manner as a function of the hydrodynamic particle properties while maintaining the flow conditions. Due to the significance of the flow behavior, it is possible to differentiate, classify or determine individual particles.
  • the term “particles” includes extended solids as well as droplets of a liquid, meaning that the fluid with particles may be a suspension or also an emulsion flowable medium are understood and in particular rewrite gases and liquids.
  • determining the migration speed in the sense of the invention, it is meant neither that the migration rate is measured directly nor that it must be determined as an absolute value at all Particles in the measuring channel are made over the distance of the measuring section as their equivalent, whereby the dwell time as such, ie without conversion into a speed, can be fed to further evaluation described by sampling.
  • the physical quantity of interest is determined in a manner known per se, usually at the end of the digital evaluation from the sampling data by calibration, wherein the speed need not have been determined at any point as an absolute (intermediate) value.
  • Extracting the parameter (s) relevant for the differentiation, classification or determination of the particles from the data of the determined migration speed is part of the "analysis" in the sense of the invention and is carried out by the analysis device.
  • the analysis may include an evaluation of individual or a plurality of events or individual measurements, for example to determine a distribution or a mean value .
  • the analysis device outputs the result of the analysis, that is, the flow behavior characterizing one or more Parameter according to user request for image display, print out, in tabular form, as graphic or as electronic data record.
  • the parameter may be used to differentiate, classify or determine the particles in a variety of ways, and if the method or apparatus is calibrated, the parameter may lead directly to the classification or determination of the particle and result in classification or determination of the particle based on experience, a tabular comparison, or further data processing.
  • Classification means, for example, if only one or more of the hydrodynamic properties of the particles but not the particle itself can be clearly determined, the classification of the particle into a particle class with just those hydrodynamic properties.
  • the present invention finds application in so-called microfluidics in which minute volumes of liquid in the range of ⁇ are handled and analyzed.
  • the device according to the invention for miniaturization is suitable for a so-called microfluidic chip or lab-on-a-chip system with which, for example, blood samples or other organic cell material can be analyzed.
  • measuring path in the sense of the patent claims is the section of the measuring channel in which the migration speed of the particles is determined
  • the measuring channel can in special embodiments, which are explained in more detail below, also an “excitation zone” and / or All three terms measuring path, excitation zone and start-up path describe functional sections of the measuring channel, while the start-up section and the measuring section are arranged in this order in Flow direction are arranged spatially one behind the other, but the excitation zone and the measuring section or even the excitation zone and the start-up path but spatially coincide or overlap. It should be noted that the adjustment of the significant flow behavior due to the hydrodynamic properties of the particles does not necessarily require a constant channel cross-section.
  • the method provides that the particles have a maximum particle diameter a p and that the fluid with the particles in the measuring channel in the flow direction in front of the measuring section a start-up path with a length L of at least
  • R K a denotes the channel Reynolds number in the start-up section and wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the start-up section, but preferably in the entire measuring channel.
  • the device according to the invention preferably provides that the measuring channel in the flow direction upstream of the measuring section is provided with a start-up has this length L, wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the run-up distance, but preferably in the entire measuring channel.
  • the particle diameter a p is assumed to be the largest extent in the case of non-spherical particles, that is to say the main axis in the case of a rotational ellipsoid.
  • the term "height h” is understood to mean the dimension of the lesser extent, for example, for a channel with a rectangular cross section, the length of the short side of the cross section In the case of a circle, the height h as well as the width w correspond in each case to the diameter of the cross section. Any changes in the transverse section should generally and in particular in the direction of the height h not abruptly but only steadily, so that the flow within In general, however, the height h and the width w are constant throughout the measuring channel in order to avoid accelerating forces which can disturb the arrangement of the particles on certain flow paths in the measuring channel and thus widen their velocity distribution.
  • Compliance with the above condition ensures that an equilibrium flow has formed at the end of the starting section L and thus at the beginning of the measuring section, in which the particles or individual particle populations with uniform hydrodynamic properties in the flowing fluid are arranged in their equilibrium configuration and therefore the velocity distribution of the Particle has the mentioned significance.
  • the method and the device preferably further provide that the measuring channel at least in the region of the measuring section, but preferably via the Whole length of the measuring channel, a cross section with a width w and a height h, wherein the measuring channel always the limit for the
  • the cross section of the measuring channel in the second spatial direction, the width w a much greater extension than the height h and just preferred at least ten times the extent.
  • the inventors have found that a particularly narrow velocity distribution of the particles occurs when its height h or minimum extent does not exceed 200 times, preferably 50 times, the particle diameter.
  • the method as well as for the device if the height h of the measuring channel at least in the region of the measuring section, but preferably over the entire length of the measuring channel, 200 times, more preferably 50 times, the maximum particle diameter a p does not exceed.
  • the velocity distribution of the particles can be adjusted if according to another aspect of the invention for the particle Reynolds number
  • R P R K - 2.5- 10 " assumes 6 and 0.1, where a p again indicate the maximum particle diameter and h the height of the measuring channel at least in the region of the measuring section, but preferably over its entire length.
  • This requirement includes the insight that not only a given range of the channel Reynolds number and a specific ratio of the particle diameter to the height of the measuring channel lead to a significant particle flow but also there is a non-linear relationship between the parameters.
  • the method provides that the fluid contains at least two populations of particles with at least one different hydrodynamic property and that the particle velocity is used to differentiate the at least two particle populations.
  • the velocity distribution and / or a mean velocity value is obtained from the determined migration speed and used for differentiation, classification or determination of the particles. If, for example, two particle populations are investigated, the particle populations each assuming a different mean equilibrium velocity due to at least one different hydrodynamic particle property, this is shown in the velocity distribution by two maxima, which at least differentiate, classify or in a sufficiently well-determined system (the Dispersion or emulsion consisting of fluid and particles is also referred to as a system) just even a determination of the two particle populations can be based.
  • a distribution according to the experience of the inventors is understood to be sufficiently narrow if the half-width of the velocity distribution of a particle population is less than 4%, preferably less than 2% of the average particle velocity.
  • a preferred form of analysis therefore comprises, in particular, the determination of the average particle velocity and / or the distribution width, particularly preferably the half-width of the determined velocity distribution.
  • mean flow velocity v is changed in a predetermined manner during the flow through, without the channel Reynolds number the value range between 0.1 and 500, preferably between 0.1 and 200 and more preferably between 0.1 and 50 leaves.
  • the inventors have found that not only the absolute or relative particle velocity or the velocity distribution can be used to classify the particles, but also that the change of one of these two parameters allows a statement about the hydrodynamic properties of the particles. By a combination of both analyzes, under certain circumstances a further degree of freedom or a further hydrodynamic particle property can be determined and thus the classification of the particles can be carried out more accurately or even a determination of the particles becomes possible.
  • determining the migration rate preferably involves measuring or recording the time that the particles take to pass the measurement path.
  • the device comprises a time measuring device with a start sensor at the beginning and a stop sensor at the end of the measuring path, which are each set up to detect the passage of a particle.
  • the device is designed such that the measuring device comprises a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone in the measurement channel, a detector aligned with the measurement path, which is set up by the particles as a result of the electromagnetic radiation emission and / or by the particles To detect outgoing scattered light, arranged in the region of the measuring section between the measuring channel and the detector mask for the spatial modulation of the emission and / or the scattered light and an evaluation device for determining the migration speed from the modulated signal.
  • the measuring device comprises a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone in the measurement channel, a detector aligned with the measurement path, which is set up by the particles as a result of the electromagnetic radiation emission and / or by the particles
  • To detect outgoing scattered light arranged in the region of the measuring section between the measuring channel and the detector mask for the spatial modulation of the emission and / or the scattered light and an evaluation device for determining the migration speed from the modulated signal.
  • the evaluation device preferably comprises means for correlation analysis.
  • the detector is set up to quantitatively detect the intensity of the emission emanating from the particles and / or the scattered light emanating from the particles.
  • the analysis device is set up to output the intensity for differentiation, for classification or for the determination of the particles.
  • the method provides that the flow velocity v of the fluid is chosen such that the particles assume a speed distribution whose half-width is less than 4%, preferably less than 2% and particularly preferably less than 1% of the mean velocity of the particles
  • Figure 1 is a schematic representation of the particle concentration in a cylindrical channel after Segre and Silberberg;
  • Figure 2 shows four distributions of the particles in the cylindrical channel in the radial direction at different axial positions
  • FIG. 3 shows velocity distributions of the same particles in one
  • Figure 4 shows two velocity distributions of different particles in the same fluid at constant flow rate
  • Figure 5 is a schematic representation of the grouping different
  • FIG. 6 a schematic representation of a measuring channel with a simple time measuring device
  • FIG. 7 shows a schematic measuring signal of the time measuring device according to FIG. 6; 8 shows a schematic representation of a measuring channel with a time measuring device for a modulated fluorescence or scattered light signal;
  • FIG. 9 shows the measuring channel according to FIG. 8 in plan view
  • FIG. 10 shows a schematic measurement signal of a single particle taken with that of a measuring device according to FIG. 8;
  • FIG. 11 shows the signal of a particle after correlation analysis has been carried out
  • FIG. 12 Derivation of the correlation peak from FIG. 11;
  • FIG. 13 shows a typical signal of several particles taken with a measuring device according to Figure 8;
  • FIG. 14 shows the measurement signal according to FIG. 13 after passing through the correlation analysis and derivation;
  • Figure 15 is a graph of three velocity distributions of different particles measured at a first flow rate
  • Figure 16 is a graph of three velocity distributions of the same three particles measured at a second flow rate
  • FIG. 17 shows a two-dimensional intensity-velocity
  • Figure 18 is a projection of the diagram of Figure 17 on the
  • Figure 19 is a diagram of two velocity distributions of a spherical and a non-spherical particle.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through such a cylindrical tube 10 with the central axis 12 and the radius r, in which the fluid with the particles, ie the dispersion, flows in the direction of arrow 14. It is assumed that the particles in the dispersion at the beginning of the tube 10 at position a) are still homogeneous Distributed with the fluid distributed over the entire cross-sectional area.
  • the constant distribution at the position a) is shown schematically in the corresponding diagram a) in FIG. 2, the distribution from the center or symmetry axis 12 to the radius r being plotted there.
  • the behavior can also be read in FIG. 1 on the basis of the contour lines 16 and 18. These show that the constriction of the spatial particle distribution with the distance covered in the channel is continuous and parabolic.
  • the particle velocity is normalized to the mean flow velocity of the fluid so that the change in flow rate does not result in a shift in the (absolute) particle velocity and the results are easier to compare.
  • FIG. 4 shows in a two-dimensional diagram a velocity distribution in which a particle counting rate in the vertical direction against the particle velocity in the horizontal direction is plotted.
  • Two distinct maxima are formed at an average particle velocity of about 432 or 446 mm / sec, the first maximum having a half-width of about 5.1 mm / sec and the second maximum having a half-width of about 1.9 mm / sec ,
  • the two maxima are clearly separated and can each be clearly assigned to one of the two particle populations. This makes it obvious that different particles due to different hydrodynamic particle properties not only in their spatial but also in your velocity distribution in a flowing medium significantly different order and therefore differentiable, classifiable and can also be determined by appropriate behavior with a suitable calibration.
  • FIG. Shown is a cross section through a flat rectangular channel 30 which is formed symmetrically about the center line 32 and the height h, wherein the height h denotes the smallest extent of the rectangular channel.
  • the channel 30 is traversed by a fluid having two different particle populations in the direction of the arrow 34.
  • a parabolic-shaped flow profile 36 of the fluid is formed, which has a maximum velocity v max in the middle of the channel and decreases symmetrically towards the two edges of the channel 30.
  • two particle populations are present, of which the particles of a first population are schematized as small circles 37 and those of a second population as large triangles 38. It is assumed that the particles 37 of the first population have a smaller mean particle diameter than the particles 38 of the second population.
  • the inventors have also found that in addition to the size of the particles and their elasticity, shape and density as hydrodynamic properties have an influence on the arrangement in the velocity profile. These properties can cancel each other out so that particles with different hydrodynamic properties still quantitatively result in very similar or even average velocities and similar or equal velocity distribution profiles. Under these circumstances, no definite determination but only a classification of the particles is possible. For example, the hydrodynamic focusing of bacteria with a certain diameter and an elastic deformability takes place even at a lower flow velocity than the rigid spherical particles of the same size. In other words, a bacterium can assume the same average velocity as a much larger but rigid sphere.
  • FIG. 6 shows a schematically greatly simplified device for differentiating, classifying or determining undissolved particles in a flowing fluid.
  • a measuring channel 40 is shown cut therein in the region of a measuring section 42, in which particles of two populations are transported in the direction 44 of the fluid flow.
  • the particle populations are illustrated by small circular symbols 46 and large triangular symbols 48 and move after focusing at different distances to the central axis 50 of the channel 44 and at different speeds v l and v 2 .
  • the measuring channel 44 has at least in the region of the measuring section 42 has a substantially constant cross section with a width w, not shown, and a height h, resulting in a
  • Aspect ratio e ⁇ , which is preferably less than or equal to 0.1.
  • the measuring section 42 comprises a time measuring device, which has a start sensor 52 at the beginning and a stop sensor 54 at the end of the measuring section in the flow direction 44.
  • the sensors 52 and 54 are each arranged to detect the passage of a particle.
  • the start and stop sensors can be formed by light barriers.
  • the velocity measurement of particle streams by means of such sensors is referred to in the literature as "particle imaging velocimetry" and is known per se.
  • a raw signal could be detected, which has the simplified course shown in Figure 7.
  • two signals 56 and 58 are shown with different signal strength, each representing the start and stop signals and can be assigned due to their different signal level either the start sensor 52 or the stop sensor 54.
  • the signals are recorded (sampled) in the chronological order of their occurrence, and a residence time of individual particles 46, 48 within the measurement path 42 in the measurement channel 40 is derived from the signal-time profile. Difficulties in the evaluation can manifestly occur when individual signals coincide in time and when an assignment of a start signal to a stop signal due to multiple simultaneous measuring section of the flowing through particles of different populations is not clearly possible.
  • This measurement method therefore sets assume that the length of the measurement path 46 is not too large relative to the density of the particles 50, 52 in the fluid.
  • FIGS. 8 and 9 show a second embodiment of the device according to the invention, in which the measuring channel 60 with a flat rectangular profile is incorporated into the substrate of a microfluidic chip 62.
  • the microfluidic chip is shown in Figure 8 in the side view in section and in Figure 9 in plan view.
  • the side view shows the measuring channel 60 in the height direction, in which an extent or height h has. In the width direction, it has an extension or width w.
  • e - ⁇ 0.1.
  • the measuring channel has a feed 64 and an outlet 66 for the fluid to be examined.
  • the feed 64 and / or the discharge 66 can be connected to a pumping device, not shown, for conveying the fluid with the particles (this time from right to left) through the measuring channel 60, with which a pressure difference can be generated, which is assigned by means of a pumping device Control means can be adjusted so that the fluid flows through the measuring channel with a flow velocity v at which the channel Reynolds number
  • the measuring channel 60 is further provided with two further connections 68, 70, through which a sheath liquid viewed in the width direction can be supplied from both sides.
  • the one by the feeder 64 introduced into the measuring channel 60 flow of the fluid with the particles is hydrodynamically focussed in the flow direction v behind an intersection 71 with the connections 68, 70 for the sheath liquid so that it flows through the measuring channel 60 in the width direction w substantially in the center, while only the Having been provided by the openings 68, 70 sheath liquid contact with the channel wall in the width direction w.
  • the flow of the fluid with the particles is adjusted to a desired width so that all particles pass through the excitation zone described below.
  • this ensures that a substantially constant flow profile is formed in the width direction of the measuring channel and the flow profile varies substantially only in its vertical direction according to the parabolic shape shown in FIG.
  • the microfluidic chip 62 has an entrance window 72 for a laser beam 74, which is arranged to the direction of the laser beam such that it completely or predominantly into the substrate medium of the microfluidic chip 62, which is preferably made of plastic and particularly preferably PMMA. broken in and passed under total internal reflection between the two interfaces of the microfluidic chip 62 to its environment.
  • the laser beam passes through the measuring channel 60 and excites the particles in the fluid or irradiates them. Accordingly, section 76 within the meaning of the claims forms an excitation zone in the measurement channel, to which the radiation source (not shown) for electromagnetic radiation 74 is aligned in the sense of this invention.
  • the particles flowing in the fluid have an opportunity to locate within the airfoil as shown in Figure 5 and to assume a corresponding migration rate.
  • the measuring section 80 which is characterized in that a detector 82 is aligned thereon.
  • a mask 84 is also located between the measuring channel 60 and the detector 82. This so-called shadow mask has spatially consecutive transparent and non-transparent sections in the flow direction v.
  • These sections block emission from the particles as a result of the excitation and / or scattered light emanating from the particles on the way to the detector 82 or allow it to pass through. This is exemplified at wavy lines 86 and 88, respectively, for two of the sections.
  • this measuring arrangement When passing an emitting or scattering particle, this measuring arrangement generates the time-modulated detector signal shown in FIG.
  • the duty cycle of the signal represents the sequence of the transparent and non-transparent portions of the shadow mask 84.
  • the signal is recorded in a manner known per se with a sufficient sampling rate.
  • the modulated signal of a particle has a time length (residence time) which results from its velocity and the length of the measuring channel. Time duration and speed are equivalent. From the residence time and the sampling rate, ie the number of measurement points per time unit, the total number of measurement points that make up the signal results. Also, this total number of measurement points occupied by the modulated signal thus depends on the velocity of the particle.
  • the scanning sequence or the successive sections can in the simplest case be in the form of a periodic sequence of transparent and non-transparent sections. However, they are preferably arranged as so-called “pseudo random binary sequence", that is to say in an order with irregular distances and lengths, in particular during measurement several particles that overlap the measuring path 80 overlap, to allow a clear identification.
  • This evaluation is done using a correlation analysis.
  • the pattern of the shadow mask is known.
  • the evaluation device computationally forms a reference sequence. It is scaled in absolute length and compared to the sampled detector signal, shifting it over the entire sampling. The process is iteratively repeated at other scales until a match is found.
  • This process can also be referred to as a query of velocity channels or filtering and takes place at discrete values, whereby here too attention must be paid to a sufficient resolution.
  • FIG. 11 The correlation signal always grows approximately linearly from the two sides towards the middle, only exactly in the middle does a significant correlation peak form, which signals the agreement.
  • the correlation diagram according to FIG. 11 can be derived mathematically, from which the diagram according to FIG. 12 results. Therein, the zero crossing between the maximum and the minimum of the derivative signal marks the exact value of the correlation signal.
  • the actual length of the measuring section is known. Therefore, by means of a calibration measurement with a known position of the correlation peak, i. the velocity of the particle is determined absolutely at the determined length of the reference sequence. Otherwise, the result is used for a relative comparison with the speed of other particles.
  • the correlation analysis yields different scaling values for the reference sequence. This is preceded by a high computational effort, since the entire sampling must be correlated with a large number of scaled reference sequences, depending on the required resolution and width of the velocity interval to be scanned. To reduce this effort, the device according to the invention and the method according to the invention make it possible to select the velocity distribution so narrow that the scaling interval can be considerably reduced without loss of measurement data.
  • both velocity distributions of identical particles and velocities or their equivalents of particles of different populations can be determined. Both together is done by way of example in the diagram of FIG.
  • the diagram shows the velocity distributions of three particle populations which were simultaneously conveyed through a measurement channel under the experimental conditions according to the invention at a channel Reynolds number R K of 14.
  • the velocity of these particles is distributed from about 340 mm / sec to about 620 mm / sec over a large interval and has approximately the curve shape of the second distribution curve 21 in the three-dimensional diagram according to FIG.
  • the curve is normalized to the maximum value of the right edge peak.
  • particles having an average particle diameter a p of 2.1 ⁇ are contained in the fluid. At the same channel Reynolds number, these have a very sharp distribution in the range of about 410-415 mm / sec, as can be seen from the dashed curve. Finally, even larger particles with a mean particle diameter a p of 6.42 ⁇ are contained in the fluid whose dotted-line distribution is narrower again and comprises a range of about 425 to about 428 mm / sec. The two latter curves are also normalized to the maximum value of the respective peaks. These both have the shape of the distribution according to curve 25 in the diagram in FIG.
  • FIG. 15 shows yet another effect that has not been described in detail above.
  • FIG. 17 shows a two-dimensional diagram in which the signal intensity in the vertical direction is plotted against the velocity distribution in the horizontal direction. Again, this measurement contains two particle populations that are clearly separated from one another in both projection on the velocity axis and projection onto the intensity axis. If the measurement is carried out in such a way that, in addition to the velocity distribution, the intensity of the emitted or scattered radiation is registered as a further property of the particles and measured coincidentally, then a measurement determines a further particle property and therefore the particles are classified or determined more precisely.
  • the projection on the velocity axis is shown in FIG. 4 described above.
  • the projection onto the intensity axis is shown in FIG.
  • FIG. 19 shows a velocity distribution diagram of two populations under the same flow conditions.
  • the populations contain on the one hand spherical particles with a diameter of 6.42 ⁇ and on the other hand in pairs contiguous spheres of this type, with indicated in the diagram form. If one imagines the latter particles as ellipsoid, they have a length of 12.84 ⁇ m in the orientation of their main axis and therefore behave similarly to larger particles, but not equal. In particular, they arrange closer to the center of the channel than the simple, smaller spheres and are therefore faster than these. This specific behavior shows that besides the size, the shape of the particles also represents a hydrodynamic property and contributes to differentiation, classification or identification.
  • v flow velocity or direction v mean flow velocity of the fluid v max maximum flow velocity of the fluid v l Particle velocity of the first particle population v 2 Particle velocity of the second particle population

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Abstract

The invention relates to a method and device for differentiating, classifying or for determining undissolved particles located in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity µ, in which the fluid comprising the particles is conveyed through a measurement channel (30, 40, 60), wherein the fluid comprising the particles flows through a measurement section (42, 80). The fluid is conveyed through the entire measurement channel (30, 40, 60) at an average flow speed (I), at which the Reynolds number RK (II) of the channel assumes values between 0.1 and 500, wherein dhyd designates the hydraulic diameter of the measurement channel (30, 40, 60). The migration speed of the particles is determined along the measurement section (42, 80), and the flow behaviour of the particles is analysed with the aid of the determined migration speed and is used for differentiating, classifying or determining the particles.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von ungelösten Teilchen in einem Fluid  Method and device for determining undissolved particles in a fluid
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen, welches Fluid die Dichte p und die Viskosität μ aufweist. Das Verfahren sieht vor, dass das Fluid mit den Teilchen durch einen Messkanal gefördert wird, wobei das Fluid mit den Teilchen eine Messstrecke durchströmt. Dementsprechend weist die Vorrichtung einen Messkanal auf, durch den das Fluid mit den Teilchen förderbar ist und der eine Messstrecke umfasst, und eine Pumpeinrichtung zum Fördern des Fluids mit den Teilchen durch den Messkanal. The invention relates to a method and a device for differentiation, for the classification or for the determination of undissolved particles present in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity μ. The method provides that the fluid is conveyed with the particles through a measuring channel, wherein the fluid flows through a measuring path with the particles. Accordingly, the device has a measuring channel, through which the fluid can be conveyed with the particles and which comprises a measuring section, and a pumping device for conveying the fluid with the particles through the measuring channel.
Die Erfindung hat ihren Ursprung im Bereich der Durchflusszytometrie. Hierbei handelt es sich vereinfacht gesagt um ein Verfahren, bei dem das Fluid mit den Teilchen, hier biologische Zellen, durch eine Durchflusszelle gepumpt wird, in der diese mittels eingestrahlten Lichts zur fluoreszierenden Emission angeregt werden. Die Zellen werden deshalb zuvor meist mit fluoreszierenden Substanzen markiert. Das emittierte Licht wird von einem Detektor aufgenommen, während das Teilchen die Durchflusszelle passiert. Zwischen dem Messkanal der Durchflusszelle und dem Detektor befindet sich eine Maske, auch Schattenmaske, mit der das emittierte Licht aufgrund der Relativbewegung der Teilchen zu der Maske zeitlich moduliert wird. Ein solches Signal wird mit einer bestimmten Abtastrate aufgezeichnet. Das Ergebnis wird als Sampling bezeichnet. The invention has its origin in the field of flow cytometry. In simple terms, this is a process in which the fluid with the particles, in this case biological cells, is pumped through a flow cell in which they are excited to emit fluorescence by means of incident light. The cells are therefore usually previously labeled with fluorescent substances. The emitted light is picked up by a detector as the particle passes through the flow cell. Between the measuring channel of the flow cell and the detector is a mask, also shadow mask, with which the emitted light is modulated in time due to the relative movement of the particles to the mask. Such a signal is recorded at a certain sampling rate. The result is called sampling.
Das entsprechend zeitlich modulierte Detektionssignal wird anschließend einer Korrelationsanalyse unterzogen, bei der aus dem bekannten Muster der Maske rechnerisch eine Referenzsequenz gebildet, diese in ihrer absoluten Länge festgelegt (skaliert) und mit dem Sampling verglichen bzw. gefaltet wird. Das Vergleichen erfolgt, indem die skalierte Referenzsequenz über das Signal hinweg verschoben wird. Anschließend wird der Vorgang iterativ bei anderen Skalierungen so lange wiederholt, bis eine Übereinstimmung gefunden ist. Die Übereinstimmung zeigt sich für jedes die Detektionszelle passierende Teilchen in Form eines Korrelationspeaks, anhand dessen die Teilchen beispielsweise gezählt werden können. The correspondingly temporally modulated detection signal is then subjected to a correlation analysis in which a reference sequence is mathematically formed from the known pattern of the mask, this in its absolute length set (scaled) and compared or folded with the sampling. The comparison is done by shifting the scaled reference sequence across the signal. The process is iteratively repeated at other scales until a match is found. The correspondence is shown for each particle passing through the detection cell in the form of a correlation peak, by means of which the particles can be counted, for example.
Darüber hinaus ist es bekannt diese Anordnung dazu zu nutzen, die Intensität des emittierten Lichtes und/oder zusätzlich ein Streusignal, das von dem Teilchen ausgeht zu messen, woraus weitere Informationen über das Teilchen gewonnen werden können. Beispielsweise kann so eine Aussage über dessen Größe getroffen werden. Beispielhaft wird auf die Schriften US 2010/0016335 A1 , US 8,373,860 B2, US 2008/0181827 A1 , US 2008/0183418 A1 und US 7,763,856 B2 verwiesen, die sich mit jener Technologie befassen. Moreover, it is known to use this arrangement to measure the intensity of the emitted light and / or additionally a scattering signal emanating from the particle, from which further information about the particle can be obtained. For example, such a statement about its size can be made. Reference is made by way of example to the documents US 2010/0016335 A1, US Pat. No. 8,373,860 B2, US 2008/0181827 A1, US 2008/0183418 A1 and US Pat. No. 7,763,856 B2, which deal with this technology.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein alternatives oder zusätzliches Verfahren vor, mit dem Teilcheneigenschaften in einem strömenden Fluid ermittelt werden können, um beispielsweise unterschiedliche Teilchen differenzieren, eine Klassifizierung der Teilchen oder gar eine Bestimmung der Teilchen in dem Fluid vornehmen zu können. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen der eingangs beschriebenen Art sieht vor, dass das Fluid durch den gesamten Messkanal mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v gefördert wird, bei der die Kanal-Reynoldszahl _ p ' v dhyd The present invention proposes an alternative or additional method with which particle properties in a flowing fluid can be determined in order, for example, to differentiate different particles, to be able to classify the particles or even to determine the particles in the fluid. The inventive method for differentiation, for classification or for determining in a flowing fluid undissolved particles of the type described above provides that the fluid is conveyed through the entire measuring channel with a mean flow velocity v, in which the channel Reynolds number _ p 'v d hyd
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals bezeichnet. Dabei wird die Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen oder deren Äquivalent über die Messstrecke ermittelt und das Strömungsverhalten der Teilchen anhand der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit oder deren Äquivalent analysiert und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen. Takes values between 0.1 and 500, where dhyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel. The migration speed of the particles or their equivalent is determined over the measuring section and the flow behavior of the particles is analyzed on the basis of the determined migration rate or its equivalent and used for differentiation, classification or determination of the particles.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Vorrichtung der eingangs genannten Art eine der Pumpeinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist eine Strömungsgeschwindigkeit v für das Fluid durch den gesamten Messkanal einzustellen, bei der die Kanal-Reynoldszahl The invention further provides that the device of the type mentioned has a control device associated with the pump device, which is set to set a flow velocity v for the fluid through the entire measuring channel, wherein the channel Reynolds number
_ p - v dhyd _ p - v d hyd
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals bezeichnet. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine entlang der Messstrecke angeordnete Messeinrichtung, die eingerichtet ist, die Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen oder deren Äquivalent über die Messstrecke zu ermitteln, und eine Analyseeinrichtung auf, die eingerichtet ist, das Strömungsverhalten der Teilchen anhand der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit oder deren Äquivalent zu analysieren und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen auszugeben. Takes values between 0.1 and 500, where dhyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel. Furthermore, the device according to the invention has a measuring device arranged along the measuring section, which is set up to ascertain the migration speed of the particles or their equivalent over the measuring section, and an analysis device which is set up, to determine the flow behavior of the particles on the basis of the determined migration speed or its equivalent analyze and output for differentiation, classification or determination of the particles.
Die der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis ist, dass gleiche Teilchen nur unter den vorgenannten Bedingungen ein signifikantes Strömungsverhalten in dem Fluid aufweisen, wie nachfolgend anhand der Figuren noch näher erläutert werden wird. Durch Einhaltung vorstehender experimenteller Bedingungen ordnen sich die Teilchen nämlich in dem strömenden Fluid aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Fluid auf bestimmten Strömungsbahnen in dem Messkanal an, wodurch sie beispielsweise mit einer signifikant schmaleren Ge- schwindigkeitsverteilung in dem Fluid mitgeführt werden als dies außerhalb der genannten Bedingungen der Fall ist. Dies wird auf die hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen zurückgeführt, wobei als„hydrodynamische Teilcheneigenschaft" im Sinne dieser Schrift insbesondere die Teilchengröße, die Elastizität, die Form und die Dichte der Teilchen verstanden werden. The finding underlying the invention is that identical particles have a significant flow behavior in the fluid only under the aforementioned conditions, as explained in more detail below with reference to FIGS will be. Namely, by observing the above experimental conditions, the particles arrange in the flowing fluid due to an interaction with the fluid on certain flow paths in the measurement channel, for example, entraining them with a significantly narrower velocity distribution in the fluid than outside said conditions Case is. This is attributed to the hydrodynamic properties of the particles, the term "hydrodynamic particle property" in the sense of this document being understood in particular to mean the particle size, the elasticity, the shape and the density of the particles.
Der Effekt tritt in Abhängigkeit von den hydrodynamischen Eigenschaften bei eben jener Kanal-Reynoldszahl zwischen 0,1 und 500, bevorzugt zwischen 0,5 und 200 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,0 und 50 auf, die bei gegebenem Fluid und hydraulischem Durchmesser durch die Strömungsgeschwindigkeit v eingestellt wird. Unterhalb von RK = 0,1 ist die das Strömungsprofil des Fluids zu flach, so dass die in der Fluidstromung auf die Teilchen wirkenden Kräfte nicht ausreichen, diese in einer akzeptablen Zeitspanne anzuordnen. In Fällen einiger Teilchen mit besonderen hydrodynamischen Eigenschaften kann eine Untergrenze von RK = 0,5 oder gar von RK = 1,0 bevorzugt sein. Oberhalb der Grenze von RK = 500 werden andererseits Turbulenzen am Partikel erwartet, so dass mit einem unkontrollierbaren Verhalten der Teilchen zu rechnen ist. In Abhängigkeit von der Form des Messkanals, genauer von dessen Querschnittsdimension, Querschnittsform, und Länge, kann bereits eine Kanal- Reynoldszahl von mehr als 200 oder auch schon von mehr als 50 zu einem sehr hohen Druck in dem Messkanal bzw. dem gesamten Leitungssystem der Vorrichtung führen, dem nicht jedes grundsätzlich geeignete Material (z.B. Kunststoff, Glas oder Stahl) standhält. Außerdem steigt, ebenfalls in Abhängigkeit von der Kanalform, die Strömungsgeschwindigkeit in dem Messkanal über Werte an, die einen erheblichen höheren technischen Aufwand für den Nachweis der Teilchen oder gar eine Messung deren Geschwindigkeit in dem Messkanal erforderlich machen. Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft in einigen Fällen die Kanal-Reynoldszahl bei 200 oder auch bei 50 zu beschränken. The effect occurs depending on the hydrodynamic properties at just that channel Reynolds number between 0.1 and 500, preferably between 0.5 and 200 and more preferably between 1, 0 and 50, which at given fluid and hydraulic diameter by the flow rate v is set. Below R K = 0.1, the flow profile of the fluid is too shallow, so that the forces acting on the particles in the fluid flow are insufficient to arrange them within an acceptable period of time. In cases of some particles with particular hydrodynamic properties, a lower limit of R K = 0.5 or even R K = 1.0 may be preferred. On the other hand, above the limit of R K = 500, turbulence is expected on the particle, so that an uncontrollable behavior of the particles is to be expected. Depending on the shape of the measuring channel, more precisely on its cross-sectional dimension, cross-sectional shape, and length, already a channel Reynolds number of more than 200 or even more than 50 to a very high pressure in the measuring channel or the entire line system of the device not every basically suitable material (eg plastic, glass or steel) can withstand. In addition, also depending on the channel shape, the flow velocity in the measuring channel increases above values, which involve a considerable higher technical outlay for the detection of the particles or even a measurement of their velocity in the measuring channel make necessary. For these reasons, it is advantageous in some cases to limit the channel Reynolds number to 200 or even 50.
Das„Strömungsverhalten" kann als Oberbegriff wenigstens eines der Parameter The "flow behavior" can as a generic term of at least one of the parameters
- mittlere Migrationsgeschwindigkeit einer Teilchenpopulation - mean migration speed of a particle population
- Geschwindigkeitsverteilung einer Teilchenpopulation  - Velocity distribution of a particle population
- Veränderung der Migrationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einer Veränderung der Strömungsbedingungen, d.h. insbesondere der Strömungs- geschwindigkeit und damit der Kanal-Reynoldszahl  Change in migration rate depending on a change in flow conditions, i. in particular the flow velocity and thus the channel Reynolds number
- Veränderung der Verteilung der Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen in Abhängigkeit von der Veränderung der Strömungsbedingungen verstanden werden, von denen sich nicht nur die insoweit genutzte Geschwindig- keitsverteilung, sondern typischerweise jeder Parameter in Abhängigkeit von den hydrodynamischen Teilcheneigenschaften bei Einhaltung der Strömungsbedingungen in signifikanter Weise verhält. Aufgrund der Signifikanz des Strömungsverhaltens ist es möglich Einzelteilchen zu differenzieren, zu klassifizieren oder zu bestimmen.  Change in the distribution of the migration speed of the particles is understood as a function of the change in the flow conditions, of which not only the velocity distribution used so far, but typically each parameter behaves in a significant manner as a function of the hydrodynamic particle properties while maintaining the flow conditions. Due to the significance of the flow behavior, it is possible to differentiate, classify or determine individual particles.
Es kann passieren, dass verschiedene hydrodynamische Teilcheneigenschaften quantitativ zu demselben Effekt, also zu demselben signifikanten Strömungsverhalten führen und deshalb eine eindeutige Bestimmung der Teilchen nicht möglich ist. In diesem Fall kann nur eine Klassifizierung vorgenommen werden. It may happen that different hydrodynamic particle properties lead quantitatively to the same effect, ie to the same significant flow behavior and therefore an unambiguous determination of the particles is not possible. In this case, only one classification can be made.
Der Begriff„Teilchen" schließt im Sinne dieser Schrift ausgedehnte Festkörper wie auch Tröpfchen einer Flüssigkeit ein. Es kann sich demnach bei dem Fluid mit Teilchen um eine Suspension oder auch um eine Emulsion handeln. Darüber hinaus soll der Begriff„Fluid" im weitesten Sinne als fließfähiges Medium verstan- den werden und insbesondere Gase und Flüssigkeiten umschreiben. Mit„Ermitteln" der Migrationsgeschwindigkeit im Sinne der Erfindung ist weder gemeint, dass die Migrationsgeschwindigkeit direkt gemessen, noch dass sie überhaupt als absolute Größe bestimmt werden muss. Das Ermitteln der Migrati- onsgeschwindigkeit der Teilchen über die Messstrecke kann beispielsweise auch durch Messung der Verweildauer der Teilchen in dem Messkanal über die Distanz der Messstrecke als deren Äquivalent erfolgen, wobei die Verweildauer als solche, d.h. ohne Umrechnung in eine Geschwindigkeit, der weiteren Auswertung zugeführt werden kann. Bei digitalen Messungen ist zudem bekannt, dass eine„Mes- sung" wie Eingangs beschrieben durch Sampling erfolgt. Die interessierende physikalische Größe wird, in an sich bekannter Weise, meist am Ende der digitalen Auswertung aus den Sampling-Daten durch Kalibrieren ermittelt, wobei die Geschwindigkeit an keiner Stelle als absoluter (Zwischen-) Wert bestimmt worden sein muss. For the purposes of this document, the term "particles" includes extended solids as well as droplets of a liquid, meaning that the fluid with particles may be a suspension or also an emulsion flowable medium are understood and in particular rewrite gases and liquids. By "determining" the migration speed in the sense of the invention, it is meant neither that the migration rate is measured directly nor that it must be determined as an absolute value at all Particles in the measuring channel are made over the distance of the measuring section as their equivalent, whereby the dwell time as such, ie without conversion into a speed, can be fed to further evaluation described by sampling. The physical quantity of interest is determined in a manner known per se, usually at the end of the digital evaluation from the sampling data by calibration, wherein the speed need not have been determined at any point as an absolute (intermediate) value.
In vielen Fällen genügt es die Migrationsgeschwindigkeit eines Teilchens oder einer Teilchenpopulation nicht absolut sondern relativ zu der eines anderen Teilchens oder einer anderen Teilchenpopulation zu ermitteln, insbesondere dann, wenn es nicht das Ziel ist, die Teilchen zu bestimmen, sondern nur sie zu differen- zieren. In many cases, it is not sufficient to determine the migration speed of one particle or one particle population absolutely, but relative to that of another particle or another particle population, especially if the goal is not to determine the particles, but only to differentiate them ,
Den oder die zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen relevanten Parameter aus den Daten der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit zu extrahieren ist Teil des„Analysierens" im Sinne der Erfindung und wird durch die Analyseeinrichtung ausgeführt. Hierzu zählt beispielsweise das zuvor angesprochene Kalibrieren aufgenommener Sampling-Daten. Das Analysieren kann eine Auswertung einzelner oder einer Vielzahl von Ereignissen bzw. Einzelmessungen umfassen, um beispielsweise eine Verteilung oder einen Mittelwert zu bestimmen. Am Ende der Analyse gibt die Analyseeinrichtung das Ergeb- nis der Analyse, also den oder die das Strömungsverhalten charakterisierende Parameter je nach Nutzerwunsch zur Bilddarstellung, zum Ausdruck, in tabellarischer Form, als Grafik oder als elektronischer Datensatz aus. Extracting the parameter (s) relevant for the differentiation, classification or determination of the particles from the data of the determined migration speed is part of the "analysis" in the sense of the invention and is carried out by the analysis device. The analysis may include an evaluation of individual or a plurality of events or individual measurements, for example to determine a distribution or a mean value .At the end of the analysis, the analysis device outputs the result of the analysis, that is, the flow behavior characterizing one or more Parameter according to user request for image display, print out, in tabular form, as graphic or as electronic data record.
Das„Heranziehen" des Parameters zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen kann in verschiedener Weise geschehen. Der Parameter kann, wenn das Verfahren bzw. die Vorrichtung kalibriert sind, unmittelbar zur Klassifizierung oder zur Bestimmung des Teilchens führen. Er kann auch zunächst ausgegeben und aufgrund von Erfahrungswerten, anhand eines tabellarischen Vergleiches oder nach weiterer Datenverarbeitung zur Klassifizierung oder Bestimmung des Teilchens führen. The parameter may be used to differentiate, classify or determine the particles in a variety of ways, and if the method or apparatus is calibrated, the parameter may lead directly to the classification or determination of the particle and result in classification or determination of the particle based on experience, a tabular comparison, or further data processing.
„Klassifizierung" meint, wenn beispielsweise nur einzelne oder mehrere der hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen nicht aber das Teilchen selbst eindeutig bestimmt werden können, das Einordnen des Teilchens in eine Teilchenklasse mit eben jenen hydrodynamischen Eigenschaften. "Classification" means, for example, if only one or more of the hydrodynamic properties of the particles but not the particle itself can be clearly determined, the classification of the particle into a particle class with just those hydrodynamic properties.
Insbesondere findet die vorliegende Erfindung Anwendung in der so genannten Mikrofluidik, in der kleinste Volumina einer Flüssigkeit im Bereich von μΙ gehandhabt und analysiert werden. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Miniaturisierung auf einem so genannten Mikrofluidik-Chip oder Lab-on-a-chip- System geeignet, mit dem beispielsweise Blutproben oder anderes organisches Zellmaterial analysiert werden kann. In particular, the present invention finds application in so-called microfluidics in which minute volumes of liquid in the range of μΙ are handled and analyzed. In particular, the device according to the invention for miniaturization is suitable for a so-called microfluidic chip or lab-on-a-chip system with which, for example, blood samples or other organic cell material can be analyzed.
Der Begriff „Messstrecke" im Sinne der Patentansprüche ist der Abschnitt des Messkanals, in dem die Ermittlung der Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen erfolgt. Darüber hinaus kann der Messkanal in besonderen Ausführungsformen, die nachfolgend noch näher erläutert werden, auch eine „Anregungszone" und/oder eine „Anlaufstrecke" umfassen. Alle drei Begriffe Messstrecke, Anregungszone und Anlaufstrecke beschreiben funktionale Abschnitte des Messka- nals. Während die Anlaufstrecke und die Messstrecke in dieser Reihenfolge in Strömungsrichtung räumlich hintereinander angeordnet sind, können die Anregungszone und die Messstrecke bzw. auch die Anregungszone und die Anlaufstrecke aber räumlich zusammenfallen oder sich überschneiden. Es ist zu beachten, dass die Einstellung des signifikanten Strömungsverhaltens aufgrund der hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen nicht zwingend einen konstanten Kanalquerschnitt erfordert. Zwingend erforderlich ist lediglich, dass in allen Teilstücken, also der Anlaufstrecke und der Messstrecke des Messkanals die Reynoldszahl RK in dem beanspruchten Bereich liegt. Gleichwohl ist ein durchge- hend konstanter Kanalquerschnitt - und damit ist sowohl die Querschnittsgeometrie als auch die Querschnittsfläche angesprochen - aus Gründen der Einfachheit und der Prozesssicherheit zu bevorzugen, weil sich dann aufgrund gleichbleibender Strömungsverhältnisse über einen längeren Kanalabschnitt ein Strömungsgleichgewicht innerhalb des strömenden Fluids ausbilden kann, welches die Messpräzision erhöht. The term "measuring path" in the sense of the patent claims is the section of the measuring channel in which the migration speed of the particles is determined In addition, the measuring channel can in special embodiments, which are explained in more detail below, also an "excitation zone" and / or All three terms measuring path, excitation zone and start-up path describe functional sections of the measuring channel, while the start-up section and the measuring section are arranged in this order in Flow direction are arranged spatially one behind the other, but the excitation zone and the measuring section or even the excitation zone and the start-up path but spatially coincide or overlap. It should be noted that the adjustment of the significant flow behavior due to the hydrodynamic properties of the particles does not necessarily require a constant channel cross-section. All that is required is that the Reynolds number R K lies in the claimed range in all sections, that is to say the start-up section and the measuring section of the measuring channel. Nevertheless, a consistently constant channel cross-section - and thus both the cross-sectional geometry and the cross-sectional area is preferred - for reasons of simplicity and process reliability, because then due to constant flow conditions over a longer channel section, a flow equilibrium can form within the flowing fluid, which increases the measurement precision.
Bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass die Teilchen einen maximalen Partikeldurchmesser ap aufweisen und dass das Fluid mit den Teilchen im Messkanal in Strömungsrichtung vor der Messstrecke eine Anlaufstrecke mit einer Länge L von wenigstens Preferably, the method provides that the particles have a maximum particle diameter a p and that the fluid with the particles in the measuring channel in the flow direction in front of the measuring section a start-up path with a length L of at least
1 h4 1 h 4
L = 3π— g L = 3π- g
°K,a ap durchströmt, wobei RK a die Kanal-Reynoldszahl in der Anlaufstrecke bezeichnet und wobei der Messkanal wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke, bevorzugt aber im gesamten Messkanal, eine Höhe h aufweist. ° K, a a p flows through, wherein R K a denotes the channel Reynolds number in the start-up section and wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the start-up section, but preferably in the entire measuring channel.
In entsprechender Weise sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise vor, dass der Messkanal in Strömungsrichtung vor der Messstrecke eine Anlauf- strecke mit dieser Länge L aufweist, wobei der Messkanal wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke, bevorzugt aber im gesamten Messkanal, eine Höhe h aufweist. Als Partikeldurchmesser ap wird bei nicht sphärischen Teilchen deren größte Ausdehnung angenommen, bei einem Rotationsellipsoid also beispielsweise die Hauptachse. In a corresponding manner, the device according to the invention preferably provides that the measuring channel in the flow direction upstream of the measuring section is provided with a start-up has this length L, wherein the measuring channel has a height h at least in the region of the run-up distance, but preferably in the entire measuring channel. The particle diameter a p is assumed to be the largest extent in the case of non-spherical particles, that is to say the main axis in the case of a rotational ellipsoid.
Als„Höhe h" wird bei einem Messkanal mit ungleicher Ausdehnung des Quer- Schnittes in zwei Raumrichtungen das Maß der geringeren Ausdehnung verstanden. Dies ist beispielsweise bei einem Kanal mit Rechteckquerschnitt die Länge der kurzen Seite des Querschnittes. Bei einem Quadrat ist die Höhe h gleich der Breite w. Bei einem Kreis entspricht die Höhe h wie auch die Breite w jeweils dem Durchmesser des Querschnittes. Etwaige Änderungen des Quer- Schnittes sollten generell und im Besonderen in Richtung der Höhe h nicht abrupt sondern nur stetig erfolgen, so dass die Strömung innerhalb des Kanals stets laminar bleibt. Im Allgemeinen aber sind die Höhe h und die Breite w im gesamten Messkanal konstant, um beschleunigende Kräfte zu vermeiden, die die Anordnung der Teilchen auf bestimmten Strömungsbahnen in dem Messka- nal stören und somit deren Geschwindigkeitsverteilung verbreitern können. For a measuring channel with unequal extent of the cross section in two spatial directions, the term "height h" is understood to mean the dimension of the lesser extent, for example, for a channel with a rectangular cross section, the length of the short side of the cross section In the case of a circle, the height h as well as the width w correspond in each case to the diameter of the cross section.Any changes in the transverse section should generally and in particular in the direction of the height h not abruptly but only steadily, so that the flow within In general, however, the height h and the width w are constant throughout the measuring channel in order to avoid accelerating forces which can disturb the arrangement of the particles on certain flow paths in the measuring channel and thus widen their velocity distribution.
Die Einhaltung vorstehender Bedingung sorgt dafür, dass sich am Ende der Anlaufstrecke L und damit zu Beginn der Messstrecke eine Gleichgewichtsströmung ausgebildet hat, bei der die Teilchen oder einzelne Teilchenpopulationen mit einheitlichen hydrodynamischen Eigenschaften in dem strömenden Fluid in ihrer Gleichgewichtskonfiguration angeordnet sind und deshalb die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen die angesprochene Signifikanz aufweist. Compliance with the above condition ensures that an equilibrium flow has formed at the end of the starting section L and thus at the beginning of the measuring section, in which the particles or individual particle populations with uniform hydrodynamic properties in the flowing fluid are arranged in their equilibrium configuration and therefore the velocity distribution of the Particle has the mentioned significance.
Das Verfahren und die Vorrichtung sehen vorzugsweise weiterhin vor, dass der Messkanal wenigstens im Bereich der Messstrecke, vorzugsweise aber über die gesamte Länge des Messkanals, einen Querschnitt mit einer Breite w und einer Höhe h aufweist, wobei der Messkanal immer die Grenze für dasThe method and the device preferably further provide that the measuring channel at least in the region of the measuring section, but preferably via the Whole length of the measuring channel, a cross section with a width w and a height h, wherein the measuring channel always the limit for the
Aspektverhältnis e = ^ < 0,1 einhält. Aspect ratio e = ^ <0.1.
Um eine hinreichend hohe Fluidmenge durchsetzen zu können, damit für besondere Fälle in einem vertretbarem Zeitrahmen eine ausreichende statistische Signifikanz erzielt werden kann, muss der Querschnitt des Messkanals in der zweiten Raumrichtung, die Breite w, eine wesentlich größere Ausdehnung als die Höhe h und eben bevorzugt mindestens die zehnfache Ausdehnung aufweisen. In order to be able to enforce a sufficiently high amount of fluid, so that sufficient statistical significance can be achieved for particular cases in a reasonable time frame, the cross section of the measuring channel in the second spatial direction, the width w, a much greater extension than the height h and just preferred at least ten times the extent.
Die Erfinder haben gefunden, dass eine besonders enge Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen sich dann einstellt, wenn seine Höhe h oder geringste Ausdehnung das 200-fache, bevorzugt das 50-fache, des Partikeldurchmessers nicht überschreitet. The inventors have found that a particularly narrow velocity distribution of the particles occurs when its height h or minimum extent does not exceed 200 times, preferably 50 times, the particle diameter.
Dementsprechend wird für das Verfahren wie auch für die Vorrichtung bevorzugt, wenn die Höhe h des Messkanals wenigstens im Bereich der Messstrecke, bevorzugt aber über die gesamte Länge des Messkanals, das 200-fache, besonders bevorzugt das 50-fache, des maximalen Partikeldurchmessers ap nicht überschreitet. Accordingly, it is preferred for the method as well as for the device if the height h of the measuring channel at least in the region of the measuring section, but preferably over the entire length of the measuring channel, 200 times, more preferably 50 times, the maximum particle diameter a p does not exceed.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn wenigstens im Bereich der Messstrecke, bevorzugt aber über die gesamte Länge des Messkanals das Verhältnis y = < 0,75, besonders bevorzugt γ = < 0,5 beträgt. It is furthermore advantageous if, at least in the region of the measuring path, but preferably over the entire length of the measuring channel, the ratio y = <0.75, particularly preferably γ = <0.5.
Diese Forderung reflektiert den Umstand, dass Teilchen, die größer als der halbe minimale Kanalquerschnitt sind, nicht mehr ausreichend Spielraum haben, um sich in Richtung der Höhe h anzuordnen, was schließlich zu Zweideutigkei- - I l This requirement reflects the fact that particles larger than half the minimum channel cross-section no longer have sufficient room to dispose in the direction of the height h, which ultimately leads to ambiguity. - I l
ten in der Geschwindigkeitsverteilung führen kann. Während das Verfahren bei verfornnbaren Teilchen noch bis zu einem γ von 0,75 eindeutige Messwerte liefert, ist dies für starre Teilchen nicht sichergestellt. Deshalb ist die Einhaltung eines γ von höchsten 0,5 zu bevorzugen. in the speed distribution. Whilst the method yields definite measured values for deformable particles up to a γ of 0.75, this is not ensured for rigid particles. Therefore, the compliance with a γ of the highest 0.5 is to be preferred.
Auch lässt sich die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen einstellen, wenn gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung für die Partikel-Reynoldszahl
Figure imgf000013_0001
Also, the velocity distribution of the particles can be adjusted if according to another aspect of the invention for the particle Reynolds number
Figure imgf000013_0001
RP = RK - 2,5- 10"6 und 0,1 annimmt, wobei ap wiederum den maximalen Partikeldurchmesser und h die Höhe des Messkanals wenigs- tens im Bereich der Messstrecke, bevorzugt aber über seine gesamte Länge, angeben. R P = R K - 2.5- 10 " assumes 6 and 0.1, where a p again indicate the maximum particle diameter and h the height of the measuring channel at least in the region of the measuring section, but preferably over its entire length.
In diese Forderung fließt die Erkenntnis ein, dass nicht nur ein vorgegebener Bereich der Kanal-Reynoldszahl und ein bestimmtes Verhältnis aus dem Partikeldurchmesser zur Höhe des Messkanals zu einer signifikanten Teilchenströmung führen sondern überdies noch ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen den Parametern besteht. This requirement includes the insight that not only a given range of the channel Reynolds number and a specific ratio of the particle diameter to the height of the measuring channel lead to a significant particle flow but also there is a non-linear relationship between the parameters.
In einer einfachen Ausgestaltung sieht das Verfahren vor, dass das Fluid we- nigstens zwei Populationen von Teilchen mit wenigstens einer unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaft enthält und dass die Teilchengeschwindigkeit zur Differenzierung der wenigstens zwei Teilchenpopulationen herangezogen wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Geschwindigkeitsverteilung und/oder ein Geschwindigkeitsmittelwert aus der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit gewonnen und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen. Werden beispielsweise zwei Teilchenpopulationen untersucht, wobei die Teilchenpopulationen aufgrund wenigstens einer unterschiedlichen hydrodynamischen Teilcheneigenschaft jeweils eine andere mittlere Gleichgewichtsgeschwindigkeit einnehmen, so zeigt sich dies in der Geschwindigkeitsverteilung beispielsweise durch zwei Maxima, welche zumindest eine Differenzierung, einer Klassifizierung oder bei einem sodann hinreichend bestimmten System (die Dispersion oder Emulsion bestehend aus Fluid und Teilchen wird auch als System bezeichnet) eben sogar auch einer Bestimmung der beiden Teilchenpopulationen zugrunde gelegt werden können. Dies setzt voraus, dass die Ge- schwindigkeitsverteilungen der Teilchen jeweils ausreichend eng und weit genug voneinander beabstandet sind, so dass die Maxima eindeutig identifizierbar sind, was insbesondere durch Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingungen sichergestellt wird. Als ausreichend eng wird eine Verteilung nach der Erfahrung der Erfinder dann verstanden, wenn die Halbwertsbreite der Geschwindigkeits- Verteilung einer Teilchenpopulation weniger als 4%, bevorzugt weniger als 2% der mittleren Teilchengeschwindigkeit beträgt. Eine bevorzugte Form der Analyse umfasst deshalb insbesondere die Bestimmung der mittleren Teilchengeschwindigkeit und/oder der Verteilungsbreite, besonders bevorzugt der Halbwertsbreite der ermittelten Geschwindigkeitsverteilung. In a simple embodiment, the method provides that the fluid contains at least two populations of particles with at least one different hydrodynamic property and that the particle velocity is used to differentiate the at least two particle populations. According to an advantageous development of the method, the velocity distribution and / or a mean velocity value is obtained from the determined migration speed and used for differentiation, classification or determination of the particles. If, for example, two particle populations are investigated, the particle populations each assuming a different mean equilibrium velocity due to at least one different hydrodynamic particle property, this is shown in the velocity distribution by two maxima, which at least differentiate, classify or in a sufficiently well-determined system (the Dispersion or emulsion consisting of fluid and particles is also referred to as a system) just even a determination of the two particle populations can be based. This presupposes that the velocity distributions of the particles are respectively sufficiently narrow and far enough apart from each other so that the maxima can be clearly identified, which is ensured in particular by compliance with the conditions according to the invention. A distribution according to the experience of the inventors is understood to be sufficiently narrow if the half-width of the velocity distribution of a particle population is less than 4%, preferably less than 2% of the average particle velocity. A preferred form of analysis therefore comprises, in particular, the determination of the average particle velocity and / or the distribution width, particularly preferably the half-width of the determined velocity distribution.
Eine Alternative oder zusätzliche Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v während des Durchströmens in vorbestimmter Weise verändert wird, ohne dass die Kanal-Reynoldszahl den Wertebereich zwischen 0,1 und 500, bevorzugt zwischen 0,1 und 200 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 50 verlässt. An alternative or additional development of the method provides that the mean flow velocity v is changed in a predetermined manner during the flow through, without the channel Reynolds number the value range between 0.1 and 500, preferably between 0.1 and 200 and more preferably between 0.1 and 50 leaves.
Dies ist in Verbindung mit einer Weiterbildung des Verfahrens nützlich, bei der eine Veränderung der gemessenen Migrationsgeschwindigkeit und/oder eine Veränderung der Verteilung der Migrationsgeschwindigkeit infolge der Verände- rung der Strömungsgeschwindigkeit v analysiert und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen wird. This is useful in connection with a further development of the method in which a change in the measured migration speed and / or a change in the distribution of the migration speed as a result of the changes tion of the flow velocity v is analyzed and used for differentiation, for classification or for the determination of the particles.
Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass nicht nur die absolute oder relative Teilchengeschwindigkeit oder die Geschwindigkeitsverteilung zur Klassifizierung der Teilchen herangezogen werden kann, sondern dass auch die Veränderung eines dieser beiden Parameter eine Aussage über die hydrodynamischen Eigenschaften der Teilchen erlaubt. Durch eine Kombination beider Analysen kann unter Umständen ein weiterer Freiheitsgrad bzw. eine weitere hydrodyna- mische Teilcheneigenschaft bestimmt werden und damit die Klassifizierung der Teilchen genauer erfolgen oder gar eine Bestimmung der Teilchen möglich werden. The inventors have found that not only the absolute or relative particle velocity or the velocity distribution can be used to classify the particles, but also that the change of one of these two parameters allows a statement about the hydrodynamic properties of the particles. By a combination of both analyzes, under certain circumstances a further degree of freedom or a further hydrodynamic particle property can be determined and thus the classification of the particles can be carried out more accurately or even a determination of the particles becomes possible.
Wie schon diskutiert umfasst das Ermitteln der Migrationsgeschwindigkeit vor- zugsweise das Messen oder Aufzeichnen der Zeit, die die Teilchen zum Passieren der Messstrecke benötigen. As already discussed, determining the migration rate preferably involves measuring or recording the time that the particles take to pass the measurement path.
Dementsprechend sieht die Vorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung vor, dass die Messeinrichtung eine Zeitmesseinrichtung mit einem Start- sensor am Anfang und einem Stoppsensor am Ende der Messstrecke umfasst, die jeweils eingerichtet sind, das Passieren eines Teilchens zu erfassen. Accordingly, the device according to an advantageous embodiment provides that the measuring device comprises a time measuring device with a start sensor at the beginning and a stop sensor at the end of the measuring path, which are each set up to detect the passage of a particle.
Alternativ ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass die Messeinrichtung eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, die auf eine Anregungszone im Messkanal ausgerichtet ist, einen auf die Messstrecke ausgerichteten Detektor, der eingerichtet ist von den Teilchen infolge der elektromagnetischen Einstrahlung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht zu detektieren, eine im Bereich der Messstrecke zwischen dem Messkanal und dem Detektor angeordnete Maske zur räumlichen Modulation der Emission und/oder des Streulichtes und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Migrationsgeschwindigkeit aus dem modulierten Signal aufweist. Alternatively, the device is designed such that the measuring device comprises a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone in the measurement channel, a detector aligned with the measurement path, which is set up by the particles as a result of the electromagnetic radiation emission and / or by the particles To detect outgoing scattered light, arranged in the region of the measuring section between the measuring channel and the detector mask for the spatial modulation of the emission and / or the scattered light and an evaluation device for determining the migration speed from the modulated signal.
Die Auswerteeinrichtung umfasst zu diesem Zweck vorzugsweise Mittel zur Korrelationsanalyse. For this purpose, the evaluation device preferably comprises means for correlation analysis.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist der Detektor eingerichtet, die Intensität der von den Teilchen ausgehende Emission und/oder des von den Teilchen ausgehendes Streulicht quantitativ zu detektieren. Entspre- chend ist die Analyseeinrichtung eingerichtet, die Intensität zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen auszugeben. According to an advantageous development of the device, the detector is set up to quantitatively detect the intensity of the emission emanating from the particles and / or the scattered light emanating from the particles. Correspondingly, the analysis device is set up to output the intensity for differentiation, for classification or for the determination of the particles.
Das Verfahren sieht insbesondere vor, dass die Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids insbesondere so gewählt wird, dass die Teilchen eine Geschwindig- keitsverteilung annehmen, deren Halbwertsbreite weniger als 4%, vorzugsweise weniger als 2% und besonders bevorzut weniger als 1 % des Geschwindigkeitsmittelwertes der Teilchen beträgt In particular, the method provides that the flow velocity v of the fluid is chosen such that the particles assume a speed distribution whose half-width is less than 4%, preferably less than 2% and particularly preferably less than 1% of the mean velocity of the particles
Weitere Grundlagen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Figuren zeigen: Further principles, features and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to drawings and exemplary embodiments. In the figures show:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Teilchenkonzentration in einem zylindrischen Kanal nach Segre und Silberberg; Figure 1 is a schematic representation of the particle concentration in a cylindrical channel after Segre and Silberberg;
Figur 2 vier Verteilungen der Teilchen in dem zylindrischen Kanal in radialer Richtung an unterschiedlichen axialen Positionen; Figure 2 shows four distributions of the particles in the cylindrical channel in the radial direction at different axial positions;
Figur 3 Geschwindigkeitsverteilungen gleicher Teilchen in einem FIG. 3 shows velocity distributions of the same particles in one
Fluid bei unterschiedlichen Flussraten; Figur 4 zwei Geschwindigkeitsverteilungen unterschiedlicher Teilchen in demselben Fluid bei konstanter Flussrate; Figur 5 schematische Darstellung der Gruppierung unterschiedlicher Fluid at different flow rates; Figure 4 shows two velocity distributions of different particles in the same fluid at constant flow rate; Figure 5 is a schematic representation of the grouping different
Teilchen entlang des Geschwindigkeitsprofils eines Fluids in einem Kanal;  Particles along the velocity profile of a fluid in a channel;
Figur 6 schematische Darstellung eines Messkanals mit einer einfa- chen Zeitmesseinrichtung; FIG. 6 a schematic representation of a measuring channel with a simple time measuring device;
Figur 7 ein schematisiertes Messsignal der Zeitmesseinrichtung nach Figur 6; Figur 8 schematische Darstellung eines Messkanals mit einer Zeitmesseinrichtung für ein moduliertes Fluoreszenz- oder Streulichtsignal; FIG. 7 shows a schematic measuring signal of the time measuring device according to FIG. 6; 8 shows a schematic representation of a measuring channel with a time measuring device for a modulated fluorescence or scattered light signal;
Figur 9 der Messkanal gemäß Figur 8 in der Draufsicht; FIG. 9 shows the measuring channel according to FIG. 8 in plan view;
Figur 10 ein schematisiertes Messsignal eines einzelnen Teilchens aufgenommen mit der einer Messeinrichtung nach Figur 8; FIG. 10 shows a schematic measurement signal of a single particle taken with that of a measuring device according to FIG. 8;
Figur 1 1 das Signal eines Teilchens nach erfolgter Korrelationsanaly- se; FIG. 11 shows the signal of a particle after correlation analysis has been carried out;
Figur 12 Ableitung des Korrelationspeaks aus Figur 1 1 ; FIG. 12 Derivation of the correlation peak from FIG. 11;
Figur 13 ein typisches Signal mehrerer Teilchen aufgenommen mit einer Messeinrichtung nach Figur 8; Figur 14 das Messsignal gemäß Figur 13 nach Durchlaufen der Korrelationsanalyse und Ableitung; Figure 13 shows a typical signal of several particles taken with a measuring device according to Figure 8; FIG. 14 shows the measurement signal according to FIG. 13 after passing through the correlation analysis and derivation;
Figur 15 ein Diagramm dreier Geschwindigkeitsverteilungen unterschiedlicher Teilchen, gemessen bei einer ersten Flussrate; Figure 15 is a graph of three velocity distributions of different particles measured at a first flow rate;
Figur 16 ein Diagramm dreier Geschwindigkeitsverteilungen derselben drei Teilchen, gemessen bei einer zweiten Flussrate; Figure 16 is a graph of three velocity distributions of the same three particles measured at a second flow rate;
Figur 17 ein zweidimensionales Intensitäts-Geschwindigkeits-FIG. 17 shows a two-dimensional intensity-velocity
Diagramm zweier Teilchenpopulationen; Diagram of two particle populations;
Figur 18 eine Projektion des Diagramms gemäß Figur 17 auf die Figure 18 is a projection of the diagram of Figure 17 on the
Intensitätsachse; und  Intensity axis; and
Figur 19 ein Diagramm zweier Geschwindigkeitsverteilungen eines sphärischen und eines nicht sphärischen Teilchens. Figure 19 is a diagram of two velocity distributions of a spherical and a non-spherical particle.
In einer grundlegenden wissenschaftlichen Arbeit von 1961 haben Segre und Silberberg gezeigt, dass Festkörperteilchen in einer eine zylindrische Röhre durchströmenden Dispersion nach einer gewissen Strecke eine inhomogene Verteilung annehmen, siehe G. Segre und A. Silberberg, „Radial particle displacement in poiseuille flow of suspensions", Nature, Vol. 189, 21 . Januar 1961 . Dieses Verhalten ist in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt. In a fundamental scientific paper from 1961, Segre and Silberberg have shown that solid particles in a dispersion flowing through a cylindrical tube assume an inhomogeneous distribution after a certain distance, see G. Segre and A. Silberberg, "Radial particle displacement in poiseuille flow of suspensions" , Nature, Vol. 189, 21 January 1961. This behavior is shown schematically in FIGS.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine solchen zylindrischen Röhre 10 mit der Mittelachse 12 und dem Radius r , in der das Fluid mit den Teilchen, also der Dispersion, in Pfeilrichtung 14 strömt. Es wird angenommen, dass die Teilchen in der Dispersion eingangs der Röhre 10 an der Position a) noch homogen über die gesamte Querschnittfläche verteilt mit dem Fluid strömen. Die konstante Verteilung an der Position a) ist in dem entsprechenden Diagramm a) in Figur 2 schematisch gezeigt und zwar ist dort die Verteilung von der Mittel- oder Symmetrieachse 12 bis zum Radius r aufgetragen. 1 shows a longitudinal section through such a cylindrical tube 10 with the central axis 12 and the radius r, in which the fluid with the particles, ie the dispersion, flows in the direction of arrow 14. It is assumed that the particles in the dispersion at the beginning of the tube 10 at position a) are still homogeneous Distributed with the fluid distributed over the entire cross-sectional area. The constant distribution at the position a) is shown schematically in the corresponding diagram a) in FIG. 2, the distribution from the center or symmetry axis 12 to the radius r being plotted there.
Mit zunehmender Verweildauer oder auch mit zurückgelegter Strecke in dem Kanal treten Wechselwirkungen zwischen den Kanalwandungen, dem Fluid und den Teilchen auf, die eine Änderung der räumlichen Verteilung in dem Fluid bewirken. Die Verteilung wird demnach stromabwärts radial eingeschnürt, so dass die Partikelkonzentration nahe des Umfangswände rasch auf Null abnimmt. Zugleich treten aber auch Kräfte auf, die die Teilchen aus der Mitte des Kanals zum Rand hin verdrängen. Dieser Effekt ist nur etwas schwächer, so dass die Verteilung von der Mittel- oder Symmetrieachse „0" ausgehend zunächst geringfügig abnimmt. In Folge beider Prozesse bildet sich tendenziell näher zum Kanalrand hin orientiert ein Verteilungsmaximum aus. Diese Entwicklung nimmt mit fortschreitender Zeit bzw. Strecke in Strömungsrichtung zu, bis sich die Verteilung der Teilchen auf einen schmalen ringförmigen Abschnitt in dem Kanal beschränkt. Diese Entwicklung wird für drei weitere Positionen b), c) und d) durch die zugeordneten Diagramme in Figur 2 aufgezeigt. As the dwell time, or distance, in the channel increases, interactions between the channel walls, the fluid, and the particles cause a change in the spatial distribution in the fluid. Accordingly, the distribution is radially constricted downstream so that the particle concentration near the peripheral walls rapidly decreases to zero. At the same time, however, forces also occur which displace the particles from the middle of the channel towards the edge. This effect is only slightly weaker, so that the distribution first decreases slightly from the center or symmetry axis "0." As a result of both processes, a distribution maximum tends to form closer to the channel edge, a trend that increases with time or distance in the flow direction until the distribution of the particles is limited to a narrow annular section in the channel This development is shown for three further positions b), c) and d) by the associated diagrams in FIG.
Das Verhalten kann auch in Figur 1 anhand der Höhenlinien 16 und 18 abgelesen werden. Diese zeigen, dass die Einschnürung der räumlichen Partikelverteilung mit der zurückgelegten Strecke in dem Kanal stetig und para- belförmig von statten geht. The behavior can also be read in FIG. 1 on the basis of the contour lines 16 and 18. These show that the constriction of the spatial particle distribution with the distance covered in the channel is continuous and parabolic.
In einer jüngeren Arbeit haben Wissenschaftler festgestellt, dass der mittlere Radius der maximalen Teilchenkonzentration in einer eine Röhre durchströmenden Dispersion unter anderem von dem Durchmesser der Teilchen abhängt, vergl. Bhagat, Kuntaegowdanahalli, Papautsky,„Inertial microfluidics for contin- uous particle filtration and extraction", Microfluid Nanofluid, Vol. 7, 217 - 226, 2009. Sie führen zur Parametrisierung dieses Verhaltens die oben schon erwähnte Partikel-Reynoldszahl
Figure imgf000020_0001
ein, der bei einem rechteckigen Kanal h den kleinsten Kanaldurchmesser angibt. Die Wissenschaftler schlagen in Ihrer Arbeit vor, sich diesen Effekt zur Teilchenextraktion und -filtration zu Nutze zu machen. Diese Erkenntnisse haben die Erfinder veranlasst, die Geschwindigkeit zu untersuchen, mit der sich die Teilchen in einem fließenden Medium in einem Kanal fortbewegen. Ein erster Teil ihrer Erkenntnisse ist in Figur 3 illustriert. Diese zeigt ein dreidimensionales Diagramm, in dem die bei sechs verschiedenen Flussraten in demselben Kanal gemessene Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen aufgetragen ist. Genauer ist darin die Teilchengeschwindigkeit in Richtung der x-Achse, die Flussrate in Richtung der y-Achse und die Partikelanzahl in Richtung der z-Achse aufgetragen. Die Teilchengeschwindigkeit ist auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids normiert, damit die Veränderung der Flussrate keine Verschiebung der (absoluten) Teilchengeschwindigkeit zur Folge hat und die Ergebnisse einfacher vergleichbar sind.
In a more recent work, scientists have found that the average radius of maximum particle concentration in a dispersion flowing through a tube depends inter alia on the diameter of the particles, see Bhagat, Kuntaegowdanahalli, Papautsky, "Inertial Microfluidics for Continuous Particle Filtration and Extraction". , Microfluid Nanofluid, Vol. 7, 217-226, 2009. They lead to the parametrization of this behavior the already mentioned particle Reynolds number
Figure imgf000020_0001
a, which indicates the smallest channel diameter in a rectangular channel h. The scientists suggest in their work to take advantage of this effect for particle extraction and filtration. These findings have led the inventors to study the rate at which the particles travel in a fluid in a channel. A first part of their findings is illustrated in FIG. This shows a three-dimensional diagram in which the velocity distribution of the particles measured at six different flow rates in the same channel is plotted. Specifically, the particle velocity in the x-axis direction, the flow rate in the y-axis direction, and the particle number in the z-axis direction are plotted therein. The particle velocity is normalized to the mean flow velocity of the fluid so that the change in flow rate does not result in a shift in the (absolute) particle velocity and the results are easier to compare.
Es konnte so festgestellt werden, dass sich bei einer Flussrate von 10 //min eine Geschwindigkeitsverteilung mit einem Maximum einstellt, die nahe der maximalen Strömungsgeschwindigkeit des Fluids vmax eine steile Flanke und auf der anderen Seite einen kleinen Ausläufer zu einer geringeren Teilchengeschwindigkeit hin aufweist, vergl. Kurve 20. Mit zunehmender Flussrate und damit Strömungsgeschwindigkeit des Fluids nimmt dieses Maximum ab und verschiebt sich geringfügig hin zu einer geringeren Teilchengeschwindigkeit. Gleichzeitig nimmt der zunächst kleine Ausläufer langsamerer Teilchen zu, bis dieser bei einer Flussrate zwischen 40 und 50 //min die Höhe der schnelleren Partikel übersteigt, vergl. Kurven 21 und 22. Bei weiter ansteigender Flussrate verschiebt sich die Verteilung immer weiter hin zu langsameren Partikeln, wobei sich ein sehr schmales und hohes Verteilungsmaximum auszubilden beginnt, das sich gleichzeitig mit zunehmender Flussrate immer weiter zu langsameren relativen Geschwindigkeitswerten verschiebt, vergl. Kurven 23 und 24, bis schließlich bei einer Flussrate von 200 ////min , wie in Kurve 25 zu sehen ist, alle Partikel sehr stark innerhalb eines sehr schmalen, dominanten Geschwin- digkeitsverteilungspeaks fokussiert sind, der bei einer relativen Geschwindigkeit knapp oberhalb der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids liegt. Es ist bemerkenswert, dass die Verteilungsbreite aufgrund dieser Fokussierung signifikant gegenüber der anfänglichen Verteilungsbreite bei eine Flussrate von 10 / //min abnimmt. Die Erfinder machten ferner eine weitere Beobachtung, welche in Figur 4 illustriert ist. Während das Diagramm in Figur 3 das Verhalten einer einzelnen Teilchenpopulation in einem Fluid zeigt, haben die Erfinder in einem weiteren Experiment, dessen Ergebnis Figur 4 wiedergibt, das Verhalten zweier unterschiedlicher Teilchenpopulationen in einem Fluid bei gleichen experimentellen Bedin- gungen (konstanter Kanalquerschnitt und Flussrate/Strömungsgeschwindigkeit) untersucht. It could be established so that // set at a flow rate of 10 min, a velocity distribution having a maximum which has close to the maximum flow rate of the fluid v max a steep edge and on the other hand a small spur to a smaller particle out See graph 20. With increasing flow rate and thus flow velocity of the fluid, this maximum decreases and shifts slightly towards a lower particle velocity. At the same time, the initially small spur of slower particles increases until see above curves 21 and 22. As the flow rate continues to increase, the distribution shifts further and further towards slower particles, with a very narrow and high distribution maximum beginning to form as shown in curves 23 and 24 until, finally, at a flow rate of 200 //// min, as can be seen in curve 25, all particles are very much within a very high narrow, dominant velocity distribution peaks are focused, which is at a relative speed just above the average flow velocity v of the fluid. It is noteworthy that, due to this focussing, the distribution width decreases significantly over the initial distribution width at a flow rate of 10 / min. The inventors further made another observation, which is illustrated in FIG. While the diagram in FIG. 3 shows the behavior of a single particle population in a fluid, in a further experiment, whose result is shown in FIG. 4, the inventors have described the behavior of two different particle populations in a fluid under the same experimental conditions (constant channel cross-section and flow rate / Flow velocity).
Figur 4 zeigt in einem zweidimensionalen Diagramm eine Geschwindigkeitsverteilungen, in der eine Teilchenzählrate in vertikaler Richtung gegen die Teil- chengeschwindigkeit in horizontaler Richtung aufgetragen ist. Es bilden sich zwei deutlichen Maxima bei einer mittleren Teilchengeschwindigkeit von etwa 432 bzw. 446 mm/sec aus, wobei das erste Maximum eine Halbwertbreite von etwa 5,1 mm/sec und das zweite Maximum eine Halbwertbreite von etwa 1 ,9 mm/sec aufweisen. Somit sind die beiden Maxima deutlich separiert und können jeweils eindeutig einer der beiden Teilchenpopulationen zugeordnet werden. Damit wird offenkundig, dass sich unterschiedliche Teilchen aufgrund unterschiedlicher hydrodynamischer Teilcheneigenschaften nicht nur in ihrer räumlichen sondern auch in Ihrer Geschwindigkeitsverteilung in einem strömenden Medium signifikant unterschiedlich anordnen und deshalb differenzierbar, klassi- fizierbar und bei geeigneter Kalibrierung anhand dieses Verhaltens auch bestimmbar sind. FIG. 4 shows in a two-dimensional diagram a velocity distribution in which a particle counting rate in the vertical direction against the particle velocity in the horizontal direction is plotted. Two distinct maxima are formed at an average particle velocity of about 432 or 446 mm / sec, the first maximum having a half-width of about 5.1 mm / sec and the second maximum having a half-width of about 1.9 mm / sec , Thus, the two maxima are clearly separated and can each be clearly assigned to one of the two particle populations. This makes it obvious that different particles due to different hydrodynamic particle properties not only in their spatial but also in your velocity distribution in a flowing medium significantly different order and therefore differentiable, classifiable and can also be determined by appropriate behavior with a suitable calibration.
Ein Erklärungsversuch für das unterschiedliche dynamische Verhalten der Teilchen wird anhand von Figur 5 unternommen. Dargestellt ist ein Querschnitt durch einen flachen Rechteckkanal 30, der um die Mittellinie 32 symmetrisch ausgebildet ist und die Höhe h aufweist, wobei die Höhe h die geringste Ausdehnung des Rechteckkanals bezeichnet. Der Kanal 30 wird von einem Fluid mit zwei unterschiedlichen Teilchenpopulationen in Richtung des Pfeils 34 durchströmt. Dabei bildet sich ein parabelförmiges Strömungsprofil 36 des Fluids aus, das in der Kanalmitte ein Geschwindigkeitsmaximum vmax aufweist und zu den beiden Rändern des Kanals 30 hin symmetrisch abfällt. An explanation of the different dynamic behavior of the particles is made with reference to FIG. Shown is a cross section through a flat rectangular channel 30 which is formed symmetrically about the center line 32 and the height h, wherein the height h denotes the smallest extent of the rectangular channel. The channel 30 is traversed by a fluid having two different particle populations in the direction of the arrow 34. In this case, a parabolic-shaped flow profile 36 of the fluid is formed, which has a maximum velocity v max in the middle of the channel and decreases symmetrically towards the two edges of the channel 30.
Weiterhin sind zwei Teilchenpopulationen vorhanden, von denen die Teilchen einer ersten Population als kleine Kreise 37 und die einer zweiten Population als große Dreiecke 38 schematisiert sind. Es wird angenommen, dass die Teilchen 37 der ersten Population einen kleineren mittleren Partikeldurchmesser aufweisen als die Teilchen 38 der zweiten Population. Furthermore, two particle populations are present, of which the particles of a first population are schematized as small circles 37 and those of a second population as large triangles 38. It is assumed that the particles 37 of the first population have a smaller mean particle diameter than the particles 38 of the second population.
Die anhand der Figuren 1 und 2 erläuterte räumliche Fokussierung der Teilchen bewirkt, dass diese sich auf unterschiedlichen Gleichgewichtsbahnen in dem Kanal anordnen, wobei die größeren Partikel 38 etwas näher zur der Mitte 32 des Kanals 30 hin orientiert sind als die kleineren Partikel 37. Daraus resultiert, dass die größeren Partikel 42 eine dem Strömungsprofil 36 entsprechende höhere Gleichgewichtsgeschwindigkeit v2 einnehmen als die kleineren Partikel 40, deren Gleichgewichtsgeschwindigkeit bei vl liegt. Somit ist erklärlich, dass Teilchen unterschiedlicher Größe auch anhand ihrer mittleren Geschwindigkeit differenzierbar sind, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids so hoch ist, dass die Geschwindigkeitsverteilung aller Teilchenpopulationen ausreichend fokussiert sind, vgl. Figur 3, und die Unterschiede der hydrodynamischen Ei- genschaften signifikant genug sind, damit die Geschwindigkeitsverteilungen Maxima aufweisen, die weit genug voneinander entfernt sind, vgl. Figur 4. The spatial focussing of the particles explained with reference to FIGS. 1 and 2 causes them to be arranged on different equilibrium paths in the channel, the larger particles 38 being oriented slightly closer to the middle 32 of the channel 30 than the smaller particles 37 in that the larger particles 42 occupy a higher equilibrium velocity v 2 corresponding to the flow profile 36 than the smaller particles 40 whose equilibrium velocity lies at v 1 . Thus, it is understandable that Particles of different sizes are differentiable based on their average speed, if the flow velocity of the fluid is so high that the velocity distribution of all particle populations are sufficiently focused, see. 3, and the differences in the hydrodynamic properties are significant enough for the velocity distributions to have maxima which are far enough apart from each other, cf. FIG. 4.
Die Erfinder haben darüber hinaus festgestellt, dass neben der Größe der Teilchen auch deren Elastizität, Form und Dichte als hydrodynamische Eigenschaf- ten einen Einfluss auf die Anordnung in dem Geschwindigkeitsprofil haben. Diese Eigenschaften können sich gegenseitig aufheben, so dass Teilchen mit unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaften quantitativ dennoch zu sehr ähnlichen oder gleichen mittleren Geschwindigkeiten und ähnlichen oder gleichen Geschwindigkeitsverteilungsprofilen führen. Unter diesen Umständen ist keine eindeutige Bestimmung sondern nur eine Klassifizierung der Teilchen möglich. Beispielsweise findet die hydrodynamische Fokussierung von Bakterien mit einem bestimmten Durchmesser und einer elastischen Verformbarkeit schon bei einer kleineren Strömungsgeschwindigkeit statt als die starrer sphärischer Partikel gleicher Größe. Mit anderen Worten kann ein Bakterium die glei- che mittlere Geschwindigkeit annehmen wie eine wesentlich größere, aber starre Sphäre. The inventors have also found that in addition to the size of the particles and their elasticity, shape and density as hydrodynamic properties have an influence on the arrangement in the velocity profile. These properties can cancel each other out so that particles with different hydrodynamic properties still quantitatively result in very similar or even average velocities and similar or equal velocity distribution profiles. Under these circumstances, no definite determination but only a classification of the particles is possible. For example, the hydrodynamic focusing of bacteria with a certain diameter and an elastic deformability takes place even at a lower flow velocity than the rigid spherical particles of the same size. In other words, a bacterium can assume the same average velocity as a much larger but rigid sphere.
Wie die Erfindung die aufgefundenen Effekte ausnutzt, wird nachfolgend erläutert. How the invention utilizes the found effects will be explained below.
In Figur 6 ist eine schematisch stark vereinfachte Vorrichtung zur Differenzierung, Klassifizierung oder Bestimmung von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen dargestellt. Im Einzelnen ist darin ein Messkanal 40 im Bereich einer Messstrecke 42 geschnitten dargestellt, in dem Teilchen zweier Populationen in Richtung 44 der Fluidströmung transportiert werden. Wieder sind die Teilchenpopulationen durch kleine kreisförmige Symbole 46 und große Dreiecksymbole 48 illustriert und bewegen sich nach erfolgter Fokussierung in unterschiedlichen Abständen zur Mittelachse 50 des Kanals 44 und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vl bzw. v2 . Der Messkanal 44 hat zumindest im Bereich der Messstrecke 42 einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt mit einer nicht dargestellten Breite w und einer Höhe h , woraus sich einFIG. 6 shows a schematically greatly simplified device for differentiating, classifying or determining undissolved particles in a flowing fluid. Specifically, a measuring channel 40 is shown cut therein in the region of a measuring section 42, in which particles of two populations are transported in the direction 44 of the fluid flow. Again The particle populations are illustrated by small circular symbols 46 and large triangular symbols 48 and move after focusing at different distances to the central axis 50 of the channel 44 and at different speeds v l and v 2 . The measuring channel 44 has at least in the region of the measuring section 42 has a substantially constant cross section with a width w, not shown, and a height h, resulting in a
Aspektverhältnis e = ^ ergibt, das vorzugsweise kleiner oder gleich 0,1 ist. Aspect ratio e = ^, which is preferably less than or equal to 0.1.
Die Messstrecke 42 umfasst eine Zeitmesseinrichtung, die einen Startsensor 52 am Anfang und einen Stoppsensor 54 am Ende der Messstrecke in Strömungsrichtung 44 betrachtet aufweist. Die Sensoren 52 und 54 sind jeweils eingerichtet, das Passieren eines Teilchens zu erfassen. Beispielsweise können die Start- und Stoppsensoren durch Lichtschranken gebildet werden. Die Geschwindigkeitsmessung von Teilchenströmen mittels solcher Sensoren wird in der Literatur als„particle imaging velocimetry" bezeichnet und ist an sich bekannt. The measuring section 42 comprises a time measuring device, which has a start sensor 52 at the beginning and a stop sensor 54 at the end of the measuring section in the flow direction 44. The sensors 52 and 54 are each arranged to detect the passage of a particle. For example, the start and stop sensors can be formed by light barriers. The velocity measurement of particle streams by means of such sensors is referred to in the literature as "particle imaging velocimetry" and is known per se.
Mit der in Figur 6 dargestellten Messeinrichtung könnte ein Rohsignal erfasst werden, das den in Figur 7 vereinfacht dargestellten Verlauf aufweist. Hierin sind zwei Signale 56 und 58 mit unterschiedlicher Signalstärke dargestellt, die jeweils die Start- und Stoppsignale repräsentieren und aufgrund ihrer unterschiedlichen Signalhöhe entweder dem Startsensor 52 oder dem Stoppsensor 54 zugeordnet werden können. Die Signale werden in der zeitlichen Reihenfolge ihres Auftretens aufgezeichnet (gesampelt) und aus dem Signal-Zeit-Verlauf wird eine Verweildauer einzelner Teilchen 46, 48 innerhalb der Messstrecke 42 in dem Messkanal 40 abgeleitet. Schwierigkeiten der Auswertung können hierbei offenkundig auftreten, wenn einzelne Signale zeitlich zusammenfallen und wenn eine Zuordnung eines Startsignals zu einem Stoppsignal aufgrund mehrerer gleichzeitiger die Messstrecke durchströmender Partikel unterschiedlicher Populationen nicht eindeutig möglich ist. Diese Messmethode setzt deshalb voraus, dass die Länge der Messstrecke 46 im Verhältnis zu der Dichte der Partikel 50, 52 in dem Fluid nicht zu groß ist. With the measuring device shown in Figure 6, a raw signal could be detected, which has the simplified course shown in Figure 7. Here, two signals 56 and 58 are shown with different signal strength, each representing the start and stop signals and can be assigned due to their different signal level either the start sensor 52 or the stop sensor 54. The signals are recorded (sampled) in the chronological order of their occurrence, and a residence time of individual particles 46, 48 within the measurement path 42 in the measurement channel 40 is derived from the signal-time profile. Difficulties in the evaluation can manifestly occur when individual signals coincide in time and when an assignment of a start signal to a stop signal due to multiple simultaneous measuring section of the flowing through particles of different populations is not clearly possible. This measurement method therefore sets assume that the length of the measurement path 46 is not too large relative to the density of the particles 50, 52 in the fluid.
In den Figuren 8 und 9 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der der Messkanal 60 mit einem flachen Rechteckprofil in das Substrat eines Mikrofluidik-Chips 62 eingearbeitet ist. Der Mikrofluidik- Chip ist in Figur 8 in der Seitenansicht im Schnitt und in Figur 9 in der Draufsicht dargestellt. Die Seitenansicht zeigt den Messkanal 60 in der Höhenrichtung, in der eine Ausdehnung oder Höhe h aufweist. In der Breitenrichtung weist er eine Ausdehnung oder Breite w auf. Für das Aspektverhältnis gilt bevorzugt abermals e = - < 0,1. FIGS. 8 and 9 show a second embodiment of the device according to the invention, in which the measuring channel 60 with a flat rectangular profile is incorporated into the substrate of a microfluidic chip 62. The microfluidic chip is shown in Figure 8 in the side view in section and in Figure 9 in plan view. The side view shows the measuring channel 60 in the height direction, in which an extent or height h has. In the width direction, it has an extension or width w. For the aspect ratio, preferably e = - <0.1.
w  w
Eingangs weist der Messkanal eine Zuführung 64 und ausgangs eine Abführung 66 für das zu untersuchende Fluid auf. Die Zuführung 64 und/oder die Abfüh- rung 66 sind mit einer nicht dargestellten Pumpeinrichtung zum Fördern des Fluids mit den Teilchen (diesmal von rechts nach links) durch den Messkanal 60 verbindbar, mit der eine Druckdifferenz erzeugbar ist, die mittels einer der Pumpeinrichtung zugeordneten Steuereinrichtung so eingestellt werden kann, dass das Fluid durch den Messkanal mit einer Strömungsgeschwindigkeit v fließt, bei der die Kanal-Reynoldszahl At the beginning, the measuring channel has a feed 64 and an outlet 66 for the fluid to be examined. The feed 64 and / or the discharge 66 can be connected to a pumping device, not shown, for conveying the fluid with the particles (this time from right to left) through the measuring channel 60, with which a pressure difference can be generated, which is assigned by means of a pumping device Control means can be adjusted so that the fluid flows through the measuring channel with a flow velocity v at which the channel Reynolds number
_ _ P v dhyd _ _ P v d h yd
Werte zwischen 0,1 und 500, vorzugsweise zwischen 0,1 und 200 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 50 annimmt. Values between 0.1 and 500, preferably between 0.1 and 200 and particularly preferably between 0.1 and 50.
In Figur 9 ist zu sehen, dass der Messkanal 60 ferner mit zwei weiteren Anschlüssen 68, 70 versehen ist, durch die eine Hüllflüssigkeit in Breitenrichtung betrachtet von beiden Seiten zugeführt werden kann. Der durch die Zuführung 64 in den Messkanal 60 eingebrachte Strom des Fluids mit den Teilchen wird in Strömungsrichtung v hinter einer Kreuzung 71 mit den Anschlüssen 68, 70 für die Hüllflüssigkeit hydrodynamisch fokussiert, so dass er den Messkanal 60 in Breitenrichtung w im Wesentlichen im Zentrum durchströmt, während nur die durch die Öffnungen 68, 70 zugegebene Hüllflüssigkeit Kontakt mit der Kanalwandung in Breitenrichtung w aufweist. Hierdurch wird einerseits bewirkt, dass der Strom des Fluids mit den Teilchen auf eine gewünschte Breite so einstellbar ist, dass alle Teilchen den im Folgenden beschriebene Anregungszone durchlaufen. Andererseits stellt dies sicher, dass sich ein im Wesentlichen konstantes Strömungsprofil in Breitenrichtung des Messkanals ausbildet und das Strömungsprofil im Wesentlichen nur in seiner Höhenrichtung gemäß der in Figur 5 gezeigten Parabelform signifikant variiert. In FIG. 9, it can be seen that the measuring channel 60 is further provided with two further connections 68, 70, through which a sheath liquid viewed in the width direction can be supplied from both sides. The one by the feeder 64 introduced into the measuring channel 60 flow of the fluid with the particles is hydrodynamically focussed in the flow direction v behind an intersection 71 with the connections 68, 70 for the sheath liquid so that it flows through the measuring channel 60 in the width direction w substantially in the center, while only the Having been provided by the openings 68, 70 sheath liquid contact with the channel wall in the width direction w. In this way, on the one hand, the flow of the fluid with the particles is adjusted to a desired width so that all particles pass through the excitation zone described below. On the other hand, this ensures that a substantially constant flow profile is formed in the width direction of the measuring channel and the flow profile varies substantially only in its vertical direction according to the parabolic shape shown in FIG.
Des Weiteren weist der Mikrofluidikchip 62 ein Eintrittsfenster 72 für einen La- serstrahl 74 auf, welches so zu der Richtung des Laserstrahls angeordnet ist, dass dieser vollständig oder überwiegend in das Substratmedium des Mikrofluidikchips 62, der vorzugsweise aus Kunststoff und besonders bevorzugt aus PMMA besteht, hineingebrochen und darin unter Totalreflexion zwischen den beiden Grenzflächen des Mikrofluidikchips 62 zu dessen Umgebung geleitet wird. Dabei passiert der Laserstrahl den Messkanal 60 und regt die Teilchen in dem Fluid an oder bestrahlt diese. Dementsprechend bildet der Abschnitt 76 im Sinne der Patentansprüche eine Anregungszone im Messkanal, auf die die nicht gezeigte Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung 74 im Sinne dieser Erfindung ausgerichtet ist. Furthermore, the microfluidic chip 62 has an entrance window 72 for a laser beam 74, which is arranged to the direction of the laser beam such that it completely or predominantly into the substrate medium of the microfluidic chip 62, which is preferably made of plastic and particularly preferably PMMA. broken in and passed under total internal reflection between the two interfaces of the microfluidic chip 62 to its environment. The laser beam passes through the measuring channel 60 and excites the particles in the fluid or irradiates them. Accordingly, section 76 within the meaning of the claims forms an excitation zone in the measurement channel, to which the radiation source (not shown) for electromagnetic radiation 74 is aligned in the sense of this invention.
In Strömungsrichtung v hinter der Kanalkreuzung 71 beginnt eine Anlaufstrecke 78 der Länge L . In diesem Abschnitt haben die in dem Fluid mitströmenden Teilchen Gelegenheit, sich innerhalb des Strömungsprofils gemäß der Illustration in Figur 5 anzuordnen und eine dementsprechende Migrationsgeschwindig- keit anzunehmen. In Strömungsrichtung v hinter der Anlaufstrecke 78 befindet sich die Messstrecke 80, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass hierauf ein Detektor 82 ausgerichtet ist. Im Bereich der Messstrecke 80 befindet sich zwischen dem Messkanal 60 und dem Detektor 82 ferner eine Maske 84. Diese sogenannte Schattenmaske weist in Strömungsrichtung v räumlich aufeinander- folgende transparente und intransparente Abschnitte auf. Diese Abschnitte blockieren von den Teilchen in Folge der Anregung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht auf dem Weg zu dem Detektor 82 bzw. lassen dieses passieren. Dies ist beispielhaft an den Wellenlinien 86 bzw. 88 für zwei der Abschnitte illustriert. In the flow direction v behind the channel intersection 71 starts a run-up path 78 of length L. In this section, the particles flowing in the fluid have an opportunity to locate within the airfoil as shown in Figure 5 and to assume a corresponding migration rate. In the flow direction v behind the run-up path 78 is located the measuring section 80, which is characterized in that a detector 82 is aligned thereon. In the region of the measuring section 80, a mask 84 is also located between the measuring channel 60 and the detector 82. This so-called shadow mask has spatially consecutive transparent and non-transparent sections in the flow direction v. These sections block emission from the particles as a result of the excitation and / or scattered light emanating from the particles on the way to the detector 82 or allow it to pass through. This is exemplified at wavy lines 86 and 88, respectively, for two of the sections.
Diese Messanordnung erzeugt beim Passieren eines emittierenden oder streuenden Teilchens das in Figur 10 gezeigte zeitmodulierte Detektorsignal. Hierzu ist zu sagen, dass das Diagramm aus Figur 10 eine schematisch idealisierte Darstellung und keine reale Messung wiedergibt. Das Tastverhältnis des Signals gibt die Folge der transparenten und intransparenten Abschnitte der Schattenmaske 84 wieder. Das Signal wird in an sich bekannter Weise mit einer ausreichenden Abtastrate aufgezeichnet. Das modulierte Signal eines Teilchens hat eine zeitliche Länge (Verweilzeit) die sich aus dessen Geschwindigkeit und der Länge des Messkanals ergibt. Zeitdauer und Geschwindigkeit sind äquivalent. Aus der Verweilzeit und der Abtastrate, also der Anzahl der Messpunkte pro Zeiteinheit, ergibt sich Gesamtzahl der Messpunkte aus denen das Signal besteht. Auch diese Gesamtzahl der Messpunkte die das modulierte Signal einnimmt, hängt folglich von der Geschwindigkeit des Teilchens ab. Die Tastfolge bzw. die aufeinanderfolgenden Abschnitte können im einfachsten Fall in Form einer periodischen Sequenz von transparenten und nicht transparenten Abschnitten bestehen. Bevorzugt sind sie allerdings als sogenannte „pseudo random binary sequence" angeordnet, das heißt in einer Reihenfolge mit unregelmäßigen Abständen und Längen, um insbesondere beim Messen mehrerer Partikel, die zeitlich überlappend die Messstrecke 80 passieren, eine eindeutige Identifikation zu ermöglichen. When passing an emitting or scattering particle, this measuring arrangement generates the time-modulated detector signal shown in FIG. It should be noted that the diagram of Figure 10 shows a schematically idealized representation and no real measurement. The duty cycle of the signal represents the sequence of the transparent and non-transparent portions of the shadow mask 84. The signal is recorded in a manner known per se with a sufficient sampling rate. The modulated signal of a particle has a time length (residence time) which results from its velocity and the length of the measuring channel. Time duration and speed are equivalent. From the residence time and the sampling rate, ie the number of measurement points per time unit, the total number of measurement points that make up the signal results. Also, this total number of measurement points occupied by the modulated signal thus depends on the velocity of the particle. The scanning sequence or the successive sections can in the simplest case be in the form of a periodic sequence of transparent and non-transparent sections. However, they are preferably arranged as so-called "pseudo random binary sequence", that is to say in an order with irregular distances and lengths, in particular during measurement several particles that overlap the measuring path 80 overlap, to allow a clear identification.
Diese Auswertung erfolgt mithilfe einer Korrelationsanalyse. Das Muster der Schattenmaske ist bekannt. Hieraus wird von der Auswerteeinrichtung rechnerisch eine Referenzsequenz gebildet. Diese wird in ihrer absoluten Länge skaliert und mit dem gesampelten Detektorsignal verglichen, wobei sie über das gesamte Sampling hinweg verschoben wird. Anschließend wird der Vorgang bei anderen Skalierungen iterativ wiederholt, bis eine Übereinstimmung gefunden ist. Dieser Prozess kann auch als Abfrage von Geschwindigkeitskanälen oder Filterung bezeichnet werden und erfolgt bei diskreten Werten, wobei auch hier auf eine ausreichende Auflösung zu achten ist. This evaluation is done using a correlation analysis. The pattern of the shadow mask is known. From this, the evaluation device computationally forms a reference sequence. It is scaled in absolute length and compared to the sampled detector signal, shifting it over the entire sampling. The process is iteratively repeated at other scales until a match is found. This process can also be referred to as a query of velocity channels or filtering and takes place at discrete values, whereby here too attention must be paid to a sufficient resolution.
Das Ergebnis hiervon ist in Figur 1 1 gezeigt. Das Korrelationssignal wächst stets von beiden Seiten zur Mitte hin näherungsweise linear an, nur exakt in der Mitte bildet sich ein signifikanter Korrelationspeak aus, der die Übereinstimmung signalisiert. Zur exakten Bestimmung der Lage des Korrelationspeaks kann das Korrelationsdiagramm gemäß Figur 1 1 mathematisch abgeleitet werden, woraus das Diagramm gemäß Figur 12 resultiert. Darin markiert der Nulldurchgang zwischen dem Maximum und dem Minimum des Ableitungssignals den exakten Wert des Korrelationssignals. The result of this is shown in FIG. 11. The correlation signal always grows approximately linearly from the two sides towards the middle, only exactly in the middle does a significant correlation peak form, which signals the agreement. For the exact determination of the position of the correlation peak, the correlation diagram according to FIG. 11 can be derived mathematically, from which the diagram according to FIG. 12 results. Therein, the zero crossing between the maximum and the minimum of the derivative signal marks the exact value of the correlation signal.
Die tatsächliche Länge der Messstrecke ist bekannt. Deshalb kann anhand einer Kalibrationsmessung bei bekannter Lage des Korrelationspeaks, d.h. bei der ermittelten Länge der Referenzsequenz die Geschwindigkeit des Partikels absolut bestimmt werden. Ansonsten wird das Ergebnis zu einem relativen Vergleich mit der Geschwindigkeit anderer Partikel herangezogen. The actual length of the measuring section is known. Therefore, by means of a calibration measurement with a known position of the correlation peak, i. the velocity of the particle is determined absolutely at the determined length of the reference sequence. Otherwise, the result is used for a relative comparison with the speed of other particles.
In der Realität werden mehrere Teilchen die Messstrecke 80 gleichzeitig oder zumindest nacheinander und teilweise in einem überlappenden Zeitintervall passieren, weshalb das zeitlich modulierte Messsignal auf den ersten Blick keine eindeutige Aussage über die Anzahl der Partikel und deren Verweilzeit innerhalb der Messstrecke 80 erlaubt. Eine solche Messung von acht teilweise zeitlich überlappend passierenden Partikeln ist in dem Sample der Figur 13 dargestellt. Gleichzeitig ist darin zu Illustrationszwecken für jedes identifizierte Teilchen die Schattenmaske 84 dargestellt, anhand der zu sehen ist, dass die Ereignisse passierender Teilchen sich in der rechten Hälfte des Diagramms teilweise überlappen. Dennoch können die Teilchen in der zuvor beschriebenen Weise exakt bestimmt werden, wie in der Figur 14 anhand der Ableitungen der Korrelationspeaks ersichtlich wird, weil die Verwendung einer unperiodischen Schattenmaske trotz teilweiser Überlappung der Verweildauern der Teilchen im Bereich der Messstrecke signifikante diskrete Korrelationsergebnisse sicherstellt. Weisen die Teilchen keine identische Migrationsgeschwindigkeit auf, was in der Realität grundsätzlich der Fall ist, so liefert die Korrelationsanalyse unterschiedliche Skalierungswerte für die Referenzsequenz. Dem geht ein hoher Rechenaufwand voraus, da das gesamte Sampling mit einer Vielzahl von skalierten Referenzsequenzen korreliert werden muss, je nach der geforderten Auflösung und Breite des abzutastenden Geschwindigkeitsintervalls. Diesen Aufwand zu verringern ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, indem die Geschwindigkeitsverteilung so schmal gewählt wird, dass das Skalierungsintervall erheblich eingeschränkt werden kann, ohne dass Messdaten dadurch verloren gehen. In reality, multiple particles become the measurement path 80 simultaneously or at least sequentially and partially in an overlapping time interval happen, which is why the time-modulated measurement signal at first glance does not allow a clear statement about the number of particles and their residence time within the measuring section 80. Such a measurement of eight partially time overlapping particles is shown in the sample of FIG. At the same time, for illustrative purposes, for each identified particle, the shadow mask 84 is shown, from which it can be seen that the events of passing particles partially overlap in the right half of the diagram. Nevertheless, the particles can be determined exactly in the manner described above, as can be seen from the derivations of the correlation peaks in FIG. 14, because the use of an unperiodic shadow mask ensures significant discrete correlation results despite partial overlapping of the residence times of the particles in the region of the measurement path. If the particles do not have an identical migration speed, which is basically the case in reality, the correlation analysis yields different scaling values for the reference sequence. This is preceded by a high computational effort, since the entire sampling must be correlated with a large number of scaled reference sequences, depending on the required resolution and width of the velocity interval to be scanned. To reduce this effort, the device according to the invention and the method according to the invention make it possible to select the velocity distribution so narrow that the scaling interval can be considerably reduced without loss of measurement data.
Dementsprechend können sowohl Geschwindigkeitsverteilungen identischer Teilchen als auch Geschwindigkeiten oder deren Äquivalente von Teilchen unterschiedlicher Populationen ermittelt werden. Beides zusammen ist in dem Diagramm gemäß Figur 15 beispielhaft geschehen. Das Diagramm zeigt die Geschwindigkeitsverteilungen dreier Teilchenpopulationen, die gleichzeitig durch einen Messkanal unter den erfindungsgemäßen experimentellen Bedingungen bei einer Kanal-Reynoldszahl RK von 14 gefördert wurden. Die durchgezogene Linie zeigt die Geschwindigkeitsverteilung der kleinsten Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser α = 0,84μ/« . Die Geschwindigkeit dieser Teilchen ist von etwa 340 mm/sec bis etwa 620 mm/sec über ein großes Intervall verteilt und weist in etwa die Kurvenform der zweiten Verteilungskurve 21 in dem dreidimensionalen Diagramm gemäß Figur 3 auf. Die Kurve ist auf den Maximalwert des am rechten Rand gelegenen Peaks normiert. Accordingly, both velocity distributions of identical particles and velocities or their equivalents of particles of different populations can be determined. Both together is done by way of example in the diagram of FIG. The diagram shows the velocity distributions of three particle populations which were simultaneously conveyed through a measurement channel under the experimental conditions according to the invention at a channel Reynolds number R K of 14. The solid line shows the velocity distribution of the smallest particles with an average particle diameter α = 0.84μ / «. The velocity of these particles is distributed from about 340 mm / sec to about 620 mm / sec over a large interval and has approximately the curve shape of the second distribution curve 21 in the three-dimensional diagram according to FIG. The curve is normalized to the maximum value of the right edge peak.
Weiterhin sind Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser ap von 2,1 μ ι in dem Fluid enthalten. Diese weisen bei der gleichen Kanal-Reynoldszahl eine sehr scharfe Verteilung im Bereich von etwa 410 - 415 mm/sec auf, wie anhand der gestrichelten Kurve zu erkennen ist. Schließlich sind noch größere Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser ap von 6,42 μ ι in dem Fluid enthalten, deren punktiert eingezeichnete Verteilung nochmals enger ist und einen Bereich von etwa 425 bis etwa 428 mm/sec umfasst. Auch die beiden zuletzt genannten Kurven sind auf den Maximalwert der jeweiligen Peaks normiert. Diese weisen beide die Gestalt der Verteilung gemäß Kurve 25 in dem Diagramm in der Figur 3 auf. Das Diagramm bestätigt die vorstehend diskutierten Effekte, dass nämlich Teilchen unterschiedlicher Größe sich in dem Fluid bei unterschiedlichen Gleichgewichtsgeschwindigkeiten konzentrieren, wobei sie bei einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit eine sehr enge Geschwindig- keitsverteilung aufweisen und somit einfach differenzierbar oder auch identifizierbar sind. Figur 15 zeigt jedoch noch einen weiteren Effekt, der vorstehend noch nicht näher beleuchtet wurde. Die Tatsache, dass die kleinsten Teilchen offenbar ihre Gleichgewichtslage noch nicht eingenommen haben und deshalb eine breite Verteilung zeigen, in der sich an linken Rand erst langsam ein Maxi- malwert auszubilden beginnt, zeigt, dass die Strömungsgeschwindigkeit und damit das parabelförmige Verteilungsprofil der Fluidgeschwindigkeit, vergl. Figur 5, noch nicht steil genug ist, dass die auf die kleinen Partikel wirkenden Kräfte ausreichen, diese vollständig in eine Gleichgewichtsposition zu bewegen. Dies zeigt, dass die Angabe einer Obergrenze für die Kanal-Reynoldszahl keine Allgemeingültigkeit für das Erreichen einer schmalen, signifikanten Geschwindigkeitsverteilung hat. Deshalb sieht die Erfindung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vor, dass bei einem System mit Teilchen mit einem maximalen Partikeldurchmesser ap und einem Messkanal, der wenigstens im Bereich derFurthermore, particles having an average particle diameter a p of 2.1 μιι are contained in the fluid. At the same channel Reynolds number, these have a very sharp distribution in the range of about 410-415 mm / sec, as can be seen from the dashed curve. Finally, even larger particles with a mean particle diameter a p of 6.42 μιι are contained in the fluid whose dotted-line distribution is narrower again and comprises a range of about 425 to about 428 mm / sec. The two latter curves are also normalized to the maximum value of the respective peaks. These both have the shape of the distribution according to curve 25 in the diagram in FIG. The diagram confirms the effects discussed above, namely that particles of different size concentrate in the fluid at different equilibrium velocities, having a very narrow velocity distribution at a sufficient flow velocity and thus being easily differentiable or identifiable. However, FIG. 15 shows yet another effect that has not been described in detail above. The fact that the smallest particles apparently have not yet reached their equilibrium position and therefore show a broad distribution in which a maximum value only slowly begins to form at the left edge, shows that the flow velocity and 5, the parabolic distribution profile of the fluid velocity is not yet steep enough that the forces acting on the small particles are sufficient to move them completely into an equilibrium position. This shows that specifying an upper limit for the channel Reynolds number has no generality for achieving a narrow, significant velocity distribution. Therefore, the invention according to an advantageous embodiment, that in a system with particles having a maximum particle diameter a p and a measuring channel, at least in the region of
Messstrecke, vorzugsweise aber über seine gesamte Länge, eine im Wesentli- chen konstante Höhe h aufweist, die Strömungsgeschwindigkeit so einzustellen ist, dass die Partikel-Reynoldszahl RP = RK größer ist als 2,5- 10"6.Measuring section, but preferably over its entire length, a substantially constant height h, the flow rate is adjusted so that the particle Reynolds number R P = R K ■ is greater than 2.5-10 "6th
Figure imgf000031_0001
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Die Richtigkeit dieser Annahme bestätigt das Diagramm in Figur 16, welches die Geschwindigkeitsverteilungen derselben drei Partikel in demselben Fluid und in der selben Vorrichtung jedoch bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v des Fluids zeigt, die einer Kanal-Reynoldszahl von 0,66 entspricht. Unter diesen Bedingungen ordnen sich weder Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser α = 0,84μ/« noch solche mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,1 μιτι und nicht einmal die größten Teilchen mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 6,42 μιτι in dem Fluid an. The correctness of this assumption is confirmed by the diagram in FIG. 16, which shows the velocity distributions of the same three particles in the same fluid and in the same device but at a mean flow velocity v of the fluid corresponding to a channel Reynolds number of 0.66. Under these conditions, neither particles with a mean particle diameter α = 0.84μ / "nor those with a mean particle diameter of 2.1 μιτι and not even the largest particles with a mean particle diameter of 6.42 μιτι arrange in the fluid.
In Figur 17 ist ein zweidimensionales Diagramm gezeigt, in dem die Signalintensität in vertikaler Richtung gegen die Geschwindigkeitsverteilung in horizontaler Richtung aufgetragen ist. Wiederum sind in dieser Messung zwei Teilchenpopu- lationen enthalten, die sowohl in Projektion auf die Geschwindigkeitsachse als auch Projektion auf die Intensitätsachse deutlich voneinander separiert sind. Wird die Messung also dergestalt ausgeführt, dass neben der Geschwindigkeitsverteilung als weitere Eigenschaft der Partikel die Intensität der emittierten oder gestreuten Strahlung registriert und koinzident gemessen wird, so kann in einer Messung eine weitere Teilcheneigenschaft ermittelt und die Teilchen deshalb genauer klassifiziert oder bestimmt werden. Die Projektion auf die Geschwindigkeitsachse ist in der zuvor beschriebenen Figur 4 gezeigt. Die Projektion auf die Intensitätsachse ist in der Figur 18 dargestellt. FIG. 17 shows a two-dimensional diagram in which the signal intensity in the vertical direction is plotted against the velocity distribution in the horizontal direction. Again, this measurement contains two particle populations that are clearly separated from one another in both projection on the velocity axis and projection onto the intensity axis. If the measurement is carried out in such a way that, in addition to the velocity distribution, the intensity of the emitted or scattered radiation is registered as a further property of the particles and measured coincidentally, then a measurement determines a further particle property and therefore the particles are classified or determined more precisely. The projection on the velocity axis is shown in FIG. 4 described above. The projection onto the intensity axis is shown in FIG.
In Figur 19 ist ein Geschwindigkeitsverteilungsdiagramm zweier Populationen bei gleichen Strömungsbedingungen gezeigt. Die Populationen enthalten zum einen sphärische Teilchen mit einem Durchmesser von 6,42 μιτι und zum anderen paarweise zusammenhängende Sphären dieses Typs, mit in dem Diagramm angedeuteter Form. Stellt man sich letztere Teilchen als Ellipsoid vor, so haben Sie in der Orientierung ihrer Hauptachse eine Länge von 12,84 μιτι und verhalten sich deshalb ähnlich zu größeren Teilchen, jedoch nicht gleich. Sie ordnen sich insbesondere näher zur Kanalmitte hin an als die einfachen, kleineren Sphären und sind deshalb schneller als diese. Dieses spezifische Verhalten zeigt, dass neben der Größe auch die Form der Teilchen eine hydrodynamische Eigenschaft darstellt und zur Differenzierung, Klassifizierung oder Identifizierung beiträgt. FIG. 19 shows a velocity distribution diagram of two populations under the same flow conditions. The populations contain on the one hand spherical particles with a diameter of 6.42 μιτι and on the other hand in pairs contiguous spheres of this type, with indicated in the diagram form. If one imagines the latter particles as ellipsoid, they have a length of 12.84 μm in the orientation of their main axis and therefore behave similarly to larger particles, but not equal. In particular, they arrange closer to the center of the channel than the simple, smaller spheres and are therefore faster than these. This specific behavior shows that besides the size, the shape of the particles also represents a hydrodynamic property and contributes to differentiation, classification or identification.
Bezugszeichenliste zylindrischer Kanal List of reference cylindrical channel
Mittellinie center line
Strömungsrichtung flow direction
Höhenlinie contour
Höhenlinie Geschwindigkeitsverteilungskurve Height line velocity distribution curve
Geschwindigkeitsverteilungskurve Speed distribution curve
Geschwindigkeitsverteilungskurve Speed distribution curve
Geschwindigkeitsverteilungskurve Speed distribution curve
Geschwindigkeitsverteilungskurve Speed distribution curve
Geschwindigkeitsverteilungskurve Messkanal Velocity distribution curve measuring channel
Mittellinie center line
Strömungsrichtung flow direction
Strömungsprofil des Fluids Flow profile of the fluid
erste Partikelpopulation first particle population
zweite Partikelpopulation Messkanal second particle population measuring channel
Messstrecke measuring distance
Strömungsrichtung flow direction
erste Teilchenpopulation first particle population
zweite Teilchenpopulation Mittellinie second particle population centerline
Startsensor 4 Stoppsensorstart sensor 4 stop sensor
6 Startsignal 6 start signal
8 Stoppsignal 0 Messkanal 8 Stop signal 0 Measuring channel
2 Mikrofluidik-Chip 2 microfluidic chip
4 Zugang, Einlass 4 access, inlet
6 Ausgang, Auslass 6 outlet, outlet
8 Anschluss 0 Anschluss 8 connection 0 connection
1 Kanalkreuzung 1 channel crossing
2 Eintrittsfenster 2 entrance windows
4 Laserstrahl 4 laser beam
6 Anregungszone 6 excitation zone
8 Anlaufstrecke 0 Messstrecke 8 start-up distance 0 measuring distance
2 Detektor 2 detector
4 Maske 4 mask
6 Lichtemission bzw. -Streuung 6 light emission or scattering
8 Lichtemission bzw. -Streuung b Breite des Messkanals  8 Light emission or scattering b Width of the measuring channel
h Höhe des Messkanals h Height of the measuring channel
L Länge der Anlaufstrecke  L Length of the start-up route
r Radius bzw. halbe Höhe des Kanals r radius or half height of the channel
v Strömungsgeschwindigkeit bzw. -richtung v mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Fluids vmax maximale Strömungsgeschwindigkeit des Fluids vl Partikelgeschwindigkeit der ersten Teilchenpopulation v2 Partikelgeschwindigkeit der zweiten Teilchenpopulation v flow velocity or direction v mean flow velocity of the fluid v max maximum flow velocity of the fluid v l Particle velocity of the first particle population v 2 Particle velocity of the second particle population

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Verfahren zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen, welches Fluid die Dichte p und die Viskosität μ aufweist, bei dem das Fluid mit den Teilchen durch einen Messkanal (30, 40, 60) gefördert wird, wobei das Fluid mit den Teilchen eine Messstrecke (42, 80) durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch den gesamten Messkanal (30, 40, 60) mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit v gefördert wird, bei der die Kanal-Reynoldszahl 1 . Method for differentiating, classifying or determining undissolved particles located in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity μ, in which the fluid with the particles is conveyed through a measuring channel (30, 40, 60), wherein the fluid with the particles flows through a measuring section (42, 80), characterized in that the fluid is conveyed through the entire measuring channel (30, 40, 60) at an average flow velocity v at which the channel Reynolds number
_ p - v dhyd _ p - v d hyd
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals (30, 40, 60) bezeichnet, dass die Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen über die Messstrecke (42, 80) ermittelt wird und dass das Strömungsverhalten der Teilchen anhand der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit analysiert und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen wird. values between 0.1 and 500, where d hyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel (30, 40, 60), that the migration speed of the particles over the measuring section (42, 80) is determined and that the flow behavior of the particles is determined based on the determined Migration speed is analyzed and used to differentiate, classify or determine the particles.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , 2. Method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen einen maximalen Partikeldurchmesser ap aufweisen und dass das Fluid mit den Teilchen im Messkanal (30, 40, 60) in Strömungsrichtung vor der Messstrecke (42, 80) eine Anlaufstrecke (78) mit einer Länge L von wenigstens 1 h4 characterized in that the particles have a maximum particle diameter a p and that the fluid with the particles in the measuring channel (30, 40, 60) in the direction of flow in front of the measuring section (42, 80) has a run-up section (78) with a length L of at least 1 hour 4
L = 37Γ— g L = 37Γ—g
°K,a ap durchströmt, wobei RK a die Kanal-Reynoldszahl in der Anlaufstrecke (78) bezeichnet und wobei der Messkanal (30, 40, 60) wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke (78) eine Höhe h aufweist. °K,a a p flows through, where R K a denotes the channel Reynolds number in the approach section (78) and the measuring channel (30, 40, 60) has a height h at least in the area of the approach section (78).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. Method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (30, 40, 60) wenigstens im Bereich der Messstrecke einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt mit einer Breite w und einer Höhe h aufweist und dass der Messkanal (30, 40, 60) ein Aspektverhältnis e = ^ < 0,1 aufweist. characterized in that the measuring channel (30, 40, 60) has a substantially constant cross section with a width w and a height h at least in the area of the measuring section and that the measuring channel (30, 40, 60) has an aspect ratio e = ^ < 0 .1 has.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 4. Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen einen maximalen Partikeldurchmesser ap aufweisen und dass der Messkanal (30, 40, 60) wenigstens im Bereich der Messstrecke (42, 80) eine im Wesentlichen konstante Höhe h aufweist, wobei das Verhältnis γ =— < 0,75 ist. characterized in that the particles have a maximum particle diameter a p and that the measuring channel (30, 40, 60) has a substantially constant height h at least in the area of the measuring section (42, 80), the ratio γ = - < 0, 75 is.
1 h 1 hour
5. Verfahren nach Anspruch 4, 5. Method according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Messkanals (30, 40, 60) wenigstens im Bereich der Messstrecke (42, 80) das 200-fache, bevorzugt 50-fache, des maximalen Partikeldurchmesser ap nicht überschreitet. characterized in that the height h of the measuring channel (30, 40, 60), at least in the area of the measuring section (42, 80), does not exceed 200 times, preferably 50 times, the maximum particle diameter a p .
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, 6. Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsverteilung und/oder ein Geschwindigkeitsmittelwert aus der ermittelten Migrationsgeschwin- digkeit gewonnen und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen wird. characterized in that the speed distribution and/or a speed average from the determined migration speed speed is obtained and used for differentiation, classification or determination of the particles.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Strömungsgeschwindigkeit v während des Durchströmens in vorbestimmter Weise verändert wird, ohne dass die Kanal-Reynoldszahl den Wertebereich zwischen 0,1 und 500 verlässt. characterized in that the average flow velocity v is changed in a predetermined manner during the flow without the channel Reynolds number leaving the value range between 0.1 and 500.
Verfahren nach Anspruch 7, Method according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der gemessenen Migrationsgeschwindigkeit und/oder eine Veränderung der Verteilung der Migrationsgeschwindigkeit in Folge der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit v analysiert und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen herangezogen wird. characterized in that a change in the measured migration speed and/or a change in the distribution of the migration speed as a result of the change in the flow speed v is analyzed and used to differentiate, classify or determine the particles.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Migrationsgeschwindigkeit das Messen der Zeit umfasst, die die Teilchen zum Passieren der Messstrecke (42, 80) benötigen. characterized in that determining the migration speed includes measuring the time that the particles need to pass the measuring section (42, 80).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, Method according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid wenigstens zwei Populationen von Teilchen (46, 48) mit wenigstens einer unterschiedlichen hydrodynamischen Eigenschaft enthält und dass die Teilchengeschwindigkeit zur Differenzierung der wenigstens zwei Teilchenpopulationen (46, 48) herangezogen wird. characterized in that the fluid contains at least two populations of particles (46, 48) with at least one different hydrodynamic property and that the particle velocity is used to differentiate the at least two particle populations (46, 48).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit v so gewählt wird, dass die Teilchen eine Geschwindigkeitsverteilung annehmen, deren Halbwertsbreite weniger als 4% des Geschwindigkeitsmittelwertes der Teilchen beträgt Method according to one of the preceding claims, characterized in that the flow velocity v is chosen so that the particles assume a velocity distribution whose half-width is less than 4% of the average velocity of the particles
12. Vorrichtung zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung von in einem strömenden Fluid befindlichen ungelösten Teilchen, welches Fluid die Dichte p und die Viskosität μ aufweist, mit einem Messkanal (30, 40, 60), durch den das Fluid mit den Teilchen förderbar ist und der eine Messstrecke (42, 80) umfasst, und mit einer Pumpeinrichtung zum Fördern des Fluids mit den Teilchen, gekennzeichnet durch eine der Pumpeinrichtung zugeordnete Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, eine Strömungsgeschwindigkeit v für das Fluid durch den gesamten Messkanal (30, 40, 60) einzustellen, bei der die Kanal-Reynoldszahl 12. Device for differentiating, classifying or determining undissolved particles located in a flowing fluid, which fluid has the density p and the viscosity μ, with a measuring channel (30, 40, 60) through which the fluid with the particles can be conveyed is and which comprises a measuring section (42, 80), and with a pump device for conveying the fluid with the particles, characterized by a control device assigned to the pump device, which is set up to provide a flow velocity v for the fluid through the entire measuring channel (30, 40 , 60) at which the channel Reynolds number
_ p - v dhyd _ p - v d hyd
Werte zwischen 0,1 und 500 annimmt, wobei dhyd den hydraulischen Durchmesser des Messkanals (30, 40, 60) bezeichnet, eine entlang der Messstrecke (42, 80) angeordnete Messeinrichtung, die eingerichtet ist, die Migrationsgeschwindigkeit der Teilchen über die Messstrecke (42, 80) zu ermitteln, und eine Analyseeinrichtung, die eingerichtet ist, das Strömungsverhalten der Teilchen anhand der ermittelten Migrationsgeschwindigkeit zu analysieren und zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestinnnnung der Teilchen auszugeben. Assumes values between 0.1 and 500, where d hyd denotes the hydraulic diameter of the measuring channel (30, 40, 60), a measuring device arranged along the measuring section (42, 80), which is set up to measure the migration speed of the particles over the measuring section ( 42, 80), and an analysis device that is set up to analyze the flow behavior of the particles based on the determined migration speed and to differentiate, classify or identify the particles.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13. Device according to claim 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (30, 40, 60) in Strö- mungsrichtung vor der Messstrecke (42, 80) eine Anlaufstrecke (78) mit einer Länge L von wenigstens characterized in that the measuring channel (30, 40, 60) has a start-up section (78) with a length L of at least
1 h4 1 hour 4
L = 3π— g L = 3π— g
°K,a ap aufweist, wobei RK a die Kanal-Reynoldszahl in der Anlaufstrecke (78) bezeichnet und wobei der Messkanal (30, 40, 60) wenigstens im Bereich der Anlaufstrecke (78) eine im Wesentlichen konstante Höhe h aufweist. °K,a a p, where R K a denotes the channel Reynolds number in the approach section (78) and wherein the measuring channel (30, 40, 60) has a substantially constant height h at least in the area of the approach section (78).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, 14. Device according to claim 12 or 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal (30, 40, 60) wenigstens im Bereich der Messstrecke (42, 80) einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt mit einer Breite w und einer Höhe h aufweist und dass der characterized in that the measuring channel (30, 40, 60) has a substantially constant cross section with a width w and a height h at least in the area of the measuring section (42, 80) and that
Messkanal (30, 40, 60) ein Aspektverhältnis e = ^ < 0,1 aufweist. Measuring channel (30, 40, 60) has an aspect ratio e = ^ <0.1.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, 15. Device according to one of claims 12 to 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Zeitmesseinrichtung mit einem Startsensor am Anfang und einem Stoppsensor am Ende der Messstrecke (42, 80) umfasst, die jeweils eingerichtet sind, das Passieren eines Teilchens zu erfassen. characterized in that the measuring device comprises a time measuring device with a start sensor at the beginning and a stop sensor at the end of the measuring section (42, 80), each of which is set up to detect the passage of a particle.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, die auf eine Anregungszone (76) im Messkanal (30, 40, 60) ausgerichtet ist, einen auf die Messstrecke (42, 80) ausgerichteten Detektor (82), der eingerichtet ist, von den Teilchen in Folge der elektromagnetischen Einstrahlung ausgehende Emission und/oder von den Teilchen ausgehendes Streulicht zu detektieren, eine im Bereich der Messstrecke (42, 80) zwischen dem Messkanal (30, 40, 60) und dem Detektor (82) angeordnete Maske (84) zur räumlichen Modulation der Emission und/oder des Streulichtes und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Migrationsgeschwindigkeit aus dem modulierten Signal aufweist. 16. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the measuring device has a radiation source for electromagnetic radiation, which is aligned with an excitation zone (76) in the measuring channel (30, 40, 60), a detector (82) aligned with the measuring section (42, 80), which is set up, to detect emission emanating from the particles as a result of the electromagnetic radiation and/or scattered light emanating from the particles, a mask ( 84) for spatial modulation of the emission and/or scattered light and an evaluation device for determining the migration speed from the modulated signal.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, 17. Device according to claim 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung Mittel zur Korrelationsanalyse aufweist. characterized in that the evaluation device has means for correlation analysis.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, 18. Device according to claim 16 or 17,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor eingerichtet die Intensität der von den Teilchen ausgehende Emission und/oder des von den Teilchen ausgehendes Streulicht quantitativ zu detektieren und dass die Analyseeinrichtung eingerichtet ist, die Intensität zur Differenzierung, zur Klassifizierung oder zur Bestimmung der Teilchen auszugeben. characterized in that the detector is set up to quantitatively detect the intensity of the emission emanating from the particles and/or the scattered light emanating from the particles and that the analysis device is set up to output the intensity for differentiation, classification or determination of the particles.
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