WO2017050649A1 - Isolation und anreicherung magnetisch markierter zellen im durchfluss - Google Patents

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WO2017050649A1
WO2017050649A1 PCT/EP2016/071945 EP2016071945W WO2017050649A1 WO 2017050649 A1 WO2017050649 A1 WO 2017050649A1 EP 2016071945 W EP2016071945 W EP 2016071945W WO 2017050649 A1 WO2017050649 A1 WO 2017050649A1
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Michael Bassler
Markus Wink
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for continuously transferring selected, magnetically marked particles from a first media stream into a second media stream, in which
  • the magnetically marked particles are introduced together with the first medium flow through a first supply line in a flow channel
  • the second medium stream is introduced through a second supply line into the flow channel
  • the magnetically marked particles are deflected by means of a magnetic field gradient within the flow channel in a first direction transversely to the flow direction to a channel bottom.
  • the invention also relates to the use of the method and to an apparatus for carrying out the method with a substrate in which a flow direction defining flow channel is formed with a channel bottom and at least a first and a second opening into the flow channel feed line, and with a magnetizing means, which is adapted to generate a magnetic field gradient in the flow channel, which is directed transversely to the flow direction to the channel bottom.
  • the substrate of the device is provided by a microfluidic chip in which channel-shaped structures (microfluidic structures) are formed and dimensioned such that they serve to handle quantities of liquid in the range of a few ml down to the micromolar range.
  • the channels in such structures have lateral dimensions in the range of a few mm and below.
  • Liquids are handled in flow in such a microfluidic structure, i. for example, by generating a pressure difference (positive and / or negative pressure) conveyed through the fluid lines.
  • a pressure difference positive and / or negative pressure
  • the cells For separation with the help of external fields, the cells must first be marked, which takes place in a known manner by means of so-called magnetic beads. External magnetic fields can then be used to mark the cells so marked by means of magnetic tical power to be extracted. Representing this genus, reference is made to the articles by N. Chronis, W. Lam, and L. Lee, "A Microfabricated Bio-Magnetic Separator Based on Continuous Hydrodynamic Parallel Flow,” in Micro Total Analysis Systems, 2007, 2001, pp. 43-44. 497-498 and by N. Pamme and C. Wilhelm, "Continuous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow," Lab on a Chip, no. 6, p. 974-980, 2006, and to the patent US 7,138,269 B2.
  • a disadvantage of the methods described there is that magnetically marked cells / particles of decreasing size can certainly not be reliably deflected by moderate magnetic fields alone across an interface of two media streams and therefore a reliable separation is not possible in all cases.
  • the particles must be deflected over a long distance transversely to the flow direction in order to safely pass from one to the other media stream and to be reliably separated.
  • the separation time and thus also the length of the flow channel must therefore be sufficiently long and a correspondingly large volume of the carrier media is required.
  • only two states can be set by the deflection by means of a magnet, namely the completely deflected and the undeflected particles. It would be desirable for a whole range of applications in that more flexibility.
  • the method described herein also encompasses the transport of the Cells across the laminar flow interface and therefore, like the process of the present invention, are particularly useful for separating selected particles or cells from a heterogeneous suspension
  • the method described is based on the principle of repulsive forces in the fluid near the channel wall first published in 1961 in the scientific work of G. Segre and A. Silberberg, “Radial particle displacement in poiseuille flow of suspension”, Nature, Vol. 189, 21. January 1961, see also DE 10 2013 210 953 A1. They were able to show that solid particles in a dispersion flowing through a cylindrical tube assume an inhomogeneous distribution after a certain distance.
  • the object of the invention is to provide a reliable method and the corresponding device for continuously transferring selected, magnetically marked particles from a first media stream into a second media stream, which offers a wider range of applications with simple means than the previously known methods.
  • the magnetically marked particles deflected in the first direction move further in the flow direction in the direction of a channel bottom of the flow channel and become transverse to the flow direction by means of at least one first barrier arranged on the channel bottom in a second direction deflected so far across the interface that they pass from the first media stream in the second media stream.
  • the device of the type mentioned at the outset is further developed by virtue of the fact that at least one of them is arranged on the channel bottom of the channel Flow channel arranged, extending transversely to the flow direction and transverse to the magnetic field gradient extending first barrier is formed.
  • carrier is understood to mean an obstacle that is suitable for deflecting the flow, which is preferably a mechanical barrier, also known as a “threshold”.
  • the substrate of the device is, as mentioned above, for example, a part of a microfluidic chip. It preferably consists of cyclo-olefin (co) polymer (COC, COP), polycarbonate (PC), polymethylmethacrylate (PMMA), polypropylene (PP) or polyetheretherketone (PEEK).
  • a "flow-through channel” is understood to be a channel-like structure in the substrate which opens into one or more outlets for the media streams
  • the flow channel generally has an elongated shape, the longitudinal direction defining the flow direction "within the meaning of the invention defines that channel wall on which the barrier is arranged or along which the barrier extends. As a rule, this is the bottom of the channel formed in the chip.
  • a microfluidic chip equipped according to the invention can also be operated upside down, so that the channel bottom is oriented upwards. This can be advantageous if one wants to extract target cells or particles from a suspension of particles whose density is higher than that of the surrounding medium. As a result, the non-magnetically marked particles (“non-target cells”) begin to sediment, so that their trajectories run along the barriers arranged at the top of the channel bottom.
  • One or more permanent magnets and / or electromagnets may be considered as "magnetizing means.”
  • the magnet or magnets are typically arranged outside the substrate and, for example, part of an operator device, into which the substrate or the microfluidic chip is inserted can be.
  • the magnetization means are preferably arranged directly below the channel bottom of the flow channel and / or below the flat substrate and generate a magnetic field gradient, which particularly preferably runs approximately parallel to the boundary surface.
  • the first barrier begins in the area of the flow channel through which the first media stream flows and extends into the region of the flow channel through which the second medium stream flows, ie beyond the boundary surface between the two regions or media streams.
  • the barrier extends at a width B of the flow channel by a dimension b perpendicular to the flow direction into the second medium flow, which amounts to at least 5% of the width B of the flow channel. How the areas traversed by the first and second media streams are proportioned relative to one another depends on the ratio of the flow rates of the two media streams and the channel geometry.
  • the magnetic field gradient extends in the flow direction over an area which begins before the barrier and preferably ends with the latter at the earliest.
  • the difference is that the deflection of the magnetically marked particles across an interface of two media streams does not take place in the effective direction of the magnetic field, but perpendicularly thereto by means of deflection through one or more barriers.
  • An advantage of the embodiment according to the invention is that the magnetically marked cells or particles are reliably transported across the interface regardless of their size. Furthermore, by a suitable arrangement of several barriers, without having to intervene the magnetic field and thus without having to intervene in control technology, a stepwise Process are designed in which the selected cells or particles in a small space gradually before and / or moved back and thereby exposed to different media.
  • the required process reliability for example in the separation, requires a certain minimum distance by which the particles must be deflected transversely to the flow direction and across the interface. This direction usually coincides with the width of the flow channel.
  • this deflection is magnetic and it takes a longer duration and thus a longer distance in the flow direction until all marked particles have overcome this minimum distance.
  • the distance over which the particles are deflected in the first direction to the channel bottom can be chosen comparatively short, without affecting the process accuracy.
  • the flow channel has a first and a second channel wall adjacent to the channel bottom.
  • the first supply line opens on the side of the first channel wall in the flow channel and the second supply line on the side of the second channel wall in the flow channel.
  • the mouth points of both supply lines usually define the beginning of the flow channel, where the first and the second media flow meet for the first time.
  • the flow rate of the first media stream Q1 and the second media stream Q2 forms the interface between the two media streams at different locations in the flow channel, with the cross-sectional areas occupied by the first and second media streams in the flow channel being approximately the same ratio as the ratio flow rates. Since parabolic flow profiles are present, liquid portions move close to the wall at a different speed than off-wall portions. The relative proportion in each media stream which moves close to the wall depends on the ratio of the volume flows and thus ensures a slight deviation from said proportionality. In the structurally simplest case, the channel walls are perpendicular to the channel bottom and also the interface forms perpendicular to the channel bottom.
  • the first barrier extends from the first channel wall of the flow channel, starting in the direction of the channel center.
  • it particularly preferably includes, with the flow direction, an angle of attack ⁇ which is between 15 ° and 80 °, more preferably between 30 ° and 60 °, the barrier extending from the first channel wall in the direction of flow.
  • connection of the first barrier to the first channel wall ensures that none of the selected particles can flow around the first barrier on the wrong side, ie in the direction of the first channel wall.
  • the orientation of the first barrier in the direction of flow below the indicated angles of attack ensures that the selected particles are discharged in the shortest possible way and at the same time reliably due to the propulsion in the flow direction along the oblique barrier.
  • An obtuse angle greater than 80 ° increases the risk that the magnetically marked particles accumulate in front of the barrier or overflow it.
  • a sharper angle than 15 ° requires a longer flow channel for the same path of deflection in the second direction.
  • the non-magnetic particles experience a larger deflection at a more acute angle. kung in the x-direction before they run over the obstacle, which can affect the separation accuracy.
  • the barrier is otherwise configured such that, on the one hand, only the deflected, magnetically marked particles in the vicinity of the channel bottom are deflected, while the remaining first medium flow and in particular any unmagnetized particles in the suspension of the first medium flow can overflow the barrier almost unhindered.
  • it is preferably designed so that the media streams can pass through the entire flow channel while maintaining the laminar flow.
  • the barrier starting from the channel bottom, has a height which is between 5% and 33%, preferably between 12% and 16% of the channel height between the channel bottom and an opposite channel ceiling.
  • An advantageous development of the method provides that the first medium flow through a first discharge line and the second medium flow together with the magnetically marked particles are led out of the flow channel through a second discharge line.
  • the device according to the invention is further developed in that in the substrate, a first and a second discharge are formed, in which the flow channel opens. It is further preferred that the first derivative on the side of the first channel wall and the second derivative on the side of the second channel wall is connected to the flow channel.
  • the method described above and the associated device described above are referred to hereinafter as the first aspect of the invention.
  • the method and the device can be used in the scope of this first aspect for the separation or isolation of the magnetically marked cells / particles from a suspension (first medium flow) and for the isolated provision thereof in the second medium flow for subsequent process steps in the flow process.
  • the second media stream is used as a pure, non-reactive carrier medium.
  • the method and apparatus are suitable for providing the magnetically labeled cells / particles for subsequent process steps after separation from the first media stream in the form of a reactive synthesis with the second media stream, which may contain, for example, a detection or synthesis reagent.
  • a detection or synthesis reagent may contain, for example, one or the other or both uses.
  • a further development of the method according to the invention in accordance with a second aspect of the invention provides that the magnetically marked particles deflected in the second direction are deflected by means of at least one second barrier disposed downstream of the first barrier opposite the second direction, to the extent that they emerge from the second medium flow go back to the first media stream.
  • the device according to the invention is developed to the effect that in the substrate a arranged on the channel bottom of the flow channel downstream of the first barrier, transverse to the flow direction extending second barrier is formed.
  • the second barrier thus begins in the area of the flow channel through which the second medium flow flows and extends into the region of the flow channel through which the first medium flow flows and thus also over the interface between the two regions or media streams, so that the magnetically marked particles are separated from the second Barrier in the opposite direction as previously deflected from the first barrier across the interface so far that they pass from the second media stream in the first media stream.
  • the flow channel has a second, adjacent to the channel bottom channel wall, wherein the second feed line opens on the side of the second channel wall in the flow channel.
  • the second barrier preferably extends from the second channel wall of the flow channel starting in the direction of the channel center.
  • the barrier extending from the second wall in the flow direction.
  • the second barrier starting from the channel bottom, preferably has a height which is between 5% and 33%, preferably between 12% and 16% of the channel height between the channel bottom and an opposite channel ceiling. The reasons for this geometric arrangement are the same as in the case of the first barrier.
  • the second barrier extends only in the opposite direction, starting from the second channel wall, so that the particles are deflected back from the second into the first media flow just in the opposite direction and thus beyond the boundary surface.
  • a connection of the second barrier to the second channel wall is not absolutely necessary. It may suffice if it starts beyond the path of the marked particles deflected from the first barrier with respect to the second deflection direction.
  • the first media stream, together with the magnetically marked particles be led out of the flow channel through a first outlet and the second medium stream through a second outlet.
  • This is again implemented by the fact that in the substrate, a first and a second derivative are formed, in which the flow channel opens, wherein the first derivative on the side of the first channel wall and the second derivative on the side of the second channel wall connected to the flow channel is.
  • a development of the method provides that a third medium flow is introduced into the inflow channel through a third supply line in such a way that the second and third medium flows laminarly through the flow channel, forming a second boundary surface extending in the longitudinal direction of the flow channel flow, and that the magnetically marked particles deflected in the second direction are further deflected in the second direction by means of at least one second barrier arranged on the channel bottom downstream of the first barrier, so that they pass from the second medium flow into the third medium flow.
  • the device according to the invention has a third supply line which opens into the flow channel, through which said third medium flow is introduced into the flow channel adjacent to the second medium flow.
  • the third supply line preferably opens on the side of the second channel wall in the flow channel, while the second supply line preferably in the middle of the beginning of the flow channel and the first supply line as previously open on the side of the first channel wall in the flow channel.
  • the method and apparatus according to the second and third aspects of the invention have in common a dual transport of the magnetically-marked particles across an interface of two laminar, side-by-side flows, the same interface twice according to the second aspect and two different interfaces according to the third aspect to be passed.
  • Both aspects can preferably be used for the temporary synthesis of the magnetically marked particles and the second media stream, the synthesis ending in each case after the transfer of the magnetically marked particles into the first or third media stream.
  • the first, second and / or third media stream may be reactive or neutral, ie, containing a reagent or functioning as a pure transport.
  • the heterogeneous suspension mentioned at the outset may be supplied as the first media stream, from which the selected particles are transferred in an isolated manner into the second media stream and already there exposed to a reactive substance, for example a detection or synthesis reagent. Thereafter, the particles are transferred to the third, for example, neutral media stream and fed together with this a subsequent module on the microfluidic chip.
  • a reactive substance for example a detection or synthesis reagent.
  • the duration of the synthesis with the second medium flow (retardation time) is set at a given distance in the flow direction between the first and the second barrier by the flow rates of all two or three media streams and thus by the flow rate of the total flow. Control of retardation times is required to ensure consistent examination conditions.
  • the cells / particles after their isolation in further steps can very selectively and flexibly interact with different media get abandoned.
  • the device can be extended as required in an analogous manner so that a third and optionally further barriers divert the selected particles from one to another media flow within the flow channel a further number of times.
  • fourth and optionally further media streams can be introduced into the flow channel.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a device according to the first
  • Figure 2 is a side sectional view of the device of Figure 1;
  • Figure 3 is a schematic plan view of a device according to the
  • Figure 4 is a side sectional view of the device of Figure 3;
  • Figure 5 is a schematic plan view of a device according to the third
  • FIG. 6 shows a diagram for illustrating the flow behavior of magnetically marked particles at a barrier in comparison to nonmagnetic particles
  • FIG. 7 a detail of the flow channel in plan view with a first one
  • FIG 9 shows a section of the flow channel in plan view with a first and a second barrier according to a third design.
  • FIG. 1 shows a plan view of the substrate 10, in which a flow channel 12 having a width B and a channel bottom 14 is formed.
  • the substrate 10 may be a plastic board into which the flow channel 12 is formed (eroded, milled or injection-molded). This flow channel 12 is closed on its side opposite the substrate 10, as known in microfluidic chips, by means of a cover 16.
  • the substrate further comprises a first supply line 18 and a second supply line 20, both of which open into the flow channel.
  • the transport or flow direction of the fed through the supply lines 18 and 20 media takes place within the flow channel in the positive y-direction, also called the longitudinal direction.
  • the flow rates of the media are chosen so that the two fluids have a laminar character.
  • the first medium flow introduced through the first supply line 18 and the second medium flow introduced through the second supply line 20 form a boundary surface 22 extending in the longitudinal direction of the flow channel in the flow channel 12 under laminar conditions.
  • the flow channel also has a first, adjacent to the channel bottom 14 channel wall 24, wherein the first supply line 18 opens on the side of the first channel wall 24 in the flow channel 12.
  • the flow channel 12 has a second channel wall 26 adjoining the channel bottom 14, the second inlet 20 being arranged on the side of the second channel wall 26 in FIG the flow channel 12 opens.
  • the supply lines 18 and 20 form the beginning of the flow channel.
  • the interface 22 forms under the conditions of equal flow rates of the media streams 18 and 20 and a symmetrical cross-section of the flow channel 12 in the middle of the channel, as shown in FIG. Of course, this is only a special case.
  • the flow rates of the media streams are regularly different.
  • the height of the channel may vary in the cross-sectional direction. Then, the interface 22 may shift to one side or the other.
  • the channel walls 24, 26 are, depending on the production technology, usually perpendicular, especially in milled or eroded structures, or almost perpendicular, especially in (spritz) cast structures due to Entformungsschrägen, on the channel bottom 14. The latter is flat and in the simplest case
  • the interface 22 is usually perpendicular to the channel bottom.
  • a first barrier 32 is formed, which extends transversely to the flow direction. In fact, at least in the region of the first barrier 32, the interface 22 will experience a slight bulge, which is not shown here, but will be explained in more detail in connection with FIG. In this respect, the continuous parallel orientation of the interface 22 to the channel walls 24 and 26 in the illustration of Figure 1 is to be regarded as idealized.
  • the latter opens into a first discharge line 28 formed in the substrate 10 and into a second discharge line 30 formed in the substrate 10.
  • the device below the flow channel 12, the device has a magnetization means 34 which is adapted to generate a magnetic field gradient in the flow channel 12, which is directed transversely to the flow direction y on the channel bottom 14 and transverse to the extension direction of the first barrier 32.
  • the magic grid gradient does not have to be perpendicular to the channel floor. It is sufficient in principle, if this has only one component in this direction.
  • FIG. 4 illustrates a preferred variant in which the magnetizing means 34 'is arranged below the substrate and thus outside the microfluidic chip as an external element. This variant reduces the production costs and increases the flexibility of the arrangement.
  • Magnetically marked particles 36 are introduced into the flow passage 12 together with the medium flow introduced into the flow channel 12 through the first supply line. These are shown as open circles.
  • the first media stream is a suspension with further non-magnetic particles 38, which are shown as filled circles.
  • the magnetized particles 36 are deflected within the flow channel 12 due to the magnetic field gradient generated by the magnetizing means 34 in a first direction transverse to the flow direction, namely in the negative z direction, see Figure 2.
  • the unmagnetized particles 38 are distributed over the vertical cross section of Flow channel 12 in the usual way. This means, in particular, that near the channel bottom 14 there is a depletion zone due to repulsive forces near the wall.
  • the enrichment of the magnetized particles 36 along the channel bottom 14 and the depletion zone of the non-magnetic particles 38 along the channel bottom 14 ensures that when transporting the particles together with the first media flow in the flow direction y only the magnetically marked particles 36 substantially Flow lines are transported parallel to the first barrier 32 and deflected in the direction of the channel center, see Figure 1.
  • the unmagnetized particles 38 overflow the barrier 32.
  • the barrier preferably has a height h in the z-direction which is between 5% and 33% and more preferably between 12% and 16% of the height H of the entire flow channel 12 between the channel bottom 14 and the opposite ceiling provided by the cover 16 is. The inventors have found that it is precisely in this area on the one hand that a particularly reliable deflection of the magnetically marked particles in the second direction occurs, while the non-magnetic particles 38 reliably overflow the barrier.
  • the first barrier 32 extends on the one hand transversely to the flow direction y and on the other hand also in the flow direction y, by being oriented at an angle ⁇ of 45 ° from the first channel wall in the flow direction and plotted against the flow direction.
  • the barrier 32 By selectively deflecting the magnetically marked particles 36 through the barrier 32, they pass from the first media stream through the interface 22 into the second media stream.
  • the barrier projects through a dimension b perpendicular to the flow direction y into the second medium flow, which amounts to at least 5% of the width B of the flow channel 12. In this way, particles 36 are already provided in the flow channel, namely in the flow direction y behind the first barrier 32, isolated for further examination or use.
  • the second medium stream contains, for example, a reactive substance, or only after the particles 36 together with the second medium flow through the second discharge line 30 out of the flow channel 12 and, for example, to a subsequent reaction or analysis chamber.
  • the first media stream is led out of the flow channel 12 through the first discharge line 28 together with the remaining particles 38 and can then be disposed of as waste, for example. If one wishes to ensure that none of the first medium flow together with the selected extracted particles 36 exits the flow passage 12 through the second drain 30, in practice the cross section of the first drain 28 will be greater than that of the second drain 30.
  • the media boundary 22 will not hit the center of the channel end exactly, but will run within the first derivative 28.
  • the dimension b, by which the first barrier 32 projects perpendicular to the flow direction into the second medium flow should be selected correspondingly greater than 5% of the width B of the flow channel 12.
  • FIG. 3 An embodiment of the device according to the second aspect of the invention is illustrated in the plan view and the side view of Figures 3 and 4. Same features as in the embodiment according to Figures 1 and 2 are given the same reference numerals herein. Reference is made in this regard to the above description.
  • This embodiment differs from that described above in that a second barrier 40, which also extends transversely to the flow direction y, is formed on the channel bottom 14 of the flow channel 12 downstream of the first barrier 32. More specifically, the second barrier 40 extends from the second channel wall 26 of the flow channel 12 in the direction of the channel center.
  • the second barrier 40 in particular their height, as those of the first barrier 32 are selected.
  • FIGS. 3 and 4 Another structural difference of the device according to FIGS. 3 and 4 is that the magnetization means 34 'is located below the substrate 10 in the case shown here and thus outside the microfluidic chip. The advantages of this embodiment have already been explained.
  • the magnetically marked particles 36 after having been transferred from the first media stream into the second media stream by means of the first barrier 32 as described above, are returned in the opposite direction from the second media stream into the first media stream by means of the downstream second barrier 40 returned. After that, they are led out of the flow channel 12 together with the first medium flow through the first discharge line 28, while the second medium flow is led out through the second discharge line 30.
  • the medium flow introduced by the first supply line 18 into the flow passage 12 is shown with the magnetic particles 36 as suspension containing no other particles. This could be, for example, that second medium flow which leaves the flow channel 12 according to FIG. 1 through the second outlet 30.
  • the first media stream could also be a more complex suspension with further non-magnetic particles in the example of FIG.
  • a typical application for this second aspect of the invention is a method in which a temporary synthesis of the magnetically-labeled particles 36 and the second media stream is to be made to expose the particles, for example, to a short-term interaction with a reagent.
  • Zen. The second medium could thus contain, for example, a synthesis reagent with which the selected particles are to be manipulated.
  • the duration of such a temporary synthesis also referred to as retardation time, is set by the choice of the flow rate within the flow channel 12, ie the flow rates of the first and second media streams, and the distance between the first and second barriers 32, 40 in the flow direction.
  • FIG. 5 differs from the embodiment described with reference to Figures 3 and 4 by a second barrier 40 ', which extends in the same direction as the first barrier 32, ie transversely to the flow direction y and at the same time in the flow direction at an angle of 45 °. Furthermore, in contrast to the second barrier 40 in FIG. 4, this second barrier 40 'has no connection to the second channel wall 26. Since it also has no connection to the first channel wall 24, it can be flowed around near the bottom on both sides. Incidentally, the dimensions of the second barrier 40 ', in particular their height, are again selected as those of the first barrier 32.
  • the second supply line 20 ' opens centrally into the flow channel 12 and a third supply line 42 is provided, which opens on the side of the second channel wall 26 in the flow channel 12, so that a total of three leads 18, 20', 42 open into the flow channel 12.
  • the second drain 30 ' is centrally located and a third drain 46 on the side of the second duct wall 26 arranged so that the flow channel 12 in a total of three discharges 28, 30 ', 46 opens.
  • a third media stream is introduced into the flow channel 12 through the third conduit 42 such that the second and third media streams are laminar into the flow channel to form a second interface 44 extending longitudinally of the flow channel 12 12 flow, so that a total of two interfaces 22 and 44 are formed in the flow channel 12.
  • the interfaces 22 and 44 are approximately parallel to each other and parallel to the two channel walls 24 and 26. In reality, at least due to the barriers 32 and 40 ', the streams will also not have an ideal parallel orientation in the entire flow channel ,
  • the magnetically marked particles 36 are first deflected by the first barrier 32 in the second direction and thereby transferred via the first boundary surface 22 into the second medium flow. There they linger for a predetermined duration, which again depends on the flow rate in the flow chamber 12 on the one hand and the distance of the first barrier 32 and the second barrier 40 ', before moving from the second barrier 40' in the same direction transverse to the flow direction through the second interface 44 are transferred to the third media stream. Together with the third medium flow, the particles 36 flow out of the flow channel 12 through the third outlet 46.
  • the first media stream which is again shown as a suspension with at least one further, non-magnetic particles 36, flows over the first barrier 32 and essentially flows around the second barrier 40 'and finally flows off through the first discharge line 28.
  • the second media stream flows out of the flow passage after passing the first and second barriers 32 and 40 'through the second drain 30'.
  • Figure 1 if you want to ensure that nothing of the second media stream together with the selected extracted particles 36 through the third discharge line 46 from the flow channel 12 should emerge.
  • the magnetically-labeled particles 36 are isolated from the suspension of the first media stream and thereby exposed in the second media stream for a predetermined retardation time of a reactive substance, after which they are separated from the second media stream to stop the reaction. Finally, the particles, further isolated from the suspension of the first media stream, are transported away together with the third, for example non-reactive, media stream and fed to the module following the discharge line 46.
  • FIG. 6 illustrates the flow behavior of individual magnetic particles on the one hand and non-magnetic particles on the other hand when passing through a barrier 32 'in the xy plane parallel to the channel bottom 14 on the basis of a simulation calculation.
  • the trace or trajectory of magnetically-labeled particles in the fluid or media stream are shown as a solid line and those of the non-magnetic particles as a dashed line. Both the magnetic and non-magnetic particles move toward the barrier 32 'on the same initial trajectory in the positive y-direction.
  • the magnetic particles are deflected in the negative direction as they approach the barrier 32 'and completely bypass the barrier in the negative x-direction because they move along the channel bottom due to the magnetic force and can not overflow the barrier there.
  • the non-magnetic particles at the barrier 32 are first deflected a bit in the negative x-direction. This has to do with the fact that the media flow is deflected altogether at the barrier in the negative x-direction and at the same time in the positive z-direction, ie away from the channel bottom.
  • the trajectory shown here represents the maximum deflection of unmagnetized particles which only pass through particles which initially move in the closest possible distance to the channel bottom. But then the non-mag- netic particles overflow the barrier because they are not held on the ground, but follow the flow in the channel.
  • this flow deflection at the barrier is also the reason for the above-mentioned slight bulging of the interface 22 in the region of the first barrier 32 '.
  • the nonmagnetic particles undergo once again a deflection in the negative x direction toward the center of the flow channel 12. The reason for this is still largely due to the channel taper caused by the barrier and the concomitant change in direction of the flow. Thereafter, the non-magnetic particles 38 still flow significantly in the upper half of the flow channel 12 and parallel to the channel walls on.
  • the magnetic particles 36 after flowing around the barrier 32 ', initially do not continue to flow on a straight-line trajectory parallel to the channel walls, but initially by a small amount ⁇ in the positive x-direction.
  • FIG. 7 shows a section of a flow channel 50 in a top view with a barrier 52 arranged at the channel bottom, which extends from the first channel wall 54 in the flow direction and at an angle ⁇ of 45 ° to the flow direction selected magnetized particles are deflected in the manner described above.
  • the barrier extends on its rear side, with respect to the flow direction y, to the end of the flow channel 50 marked by the two outlets 58 and 59 in the form of a plateau, ie at a consistently elevated level.
  • the channel bottom is therefore no longer flat with the beginning of the barrier 52 and has a cross-section with a step up to the end of the channel 50.
  • the boundary surface between the two media streams shifts in the direction of the second channel wall 55 in this entire area. This shift must be taken into account when dimensioning the width of the barrier 52 transversely to the direction of flow.
  • the nonmagetic particles are prevented from deflecting in the direction of the "wrong" output, as indicated in Figure 6.
  • the magnetic particles are prevented from deflecting towards their "false output”.
  • the magnetically marked particles run in a groove parallel to the elongated barrier.
  • the formation of secondary currents behind the object is minimized, so that the interface of the two media streams is less disturbed. Manufacturing technology has the advantage that less material must be removed during milling, which increases the stability of the structure itself and minimizes the production time.
  • a modification of the barrier shown in Figure 7 provides that on the lateral, in the longitudinal direction y of the flow channel extending edge of the barrier, an excessive edge is arranged, which prevents the non-magnetic particles that are not deflected by the barrier but pass over them , Downstream downstream of the barrier in the recessed gutter "slide down” and can get into the unwanted for these particles derivative.
  • barrier 62 is shown in the detail of FIG.
  • This barrier 62 differs substantially from that according to FIG. 7 in that its downstream flank 67 runs perpendicular to the channel walls 64, 65.
  • the barrier 62 also forms an extended plateau in the direction of flow y in comparison with the variants of FIGS. 1, 3 and 5, but no longer up to the end of the flow channel 60. From a production engineering point of view, this structure offers in comparison to the following in connection with Fig. 9 discussed variant advantages. For example, the wider structure in the direction of flow ensures greater mechanical stability, which helps to reduce reject rates in the milling and deburring production steps.
  • the embodiment of the flow channel 70 shown in FIG. 9 differs from that of FIG.
  • first barrier 72 and a second barrier 73 are shown, again in the form of the barriers.
  • Both barriers 72, 73 come closest to the variants from FIGS. 1, 3 and 5 and, in principle, represent their practically possible implementation.
  • the barriers 72, 73 each have, in the flow direction, front and rear flanks 76 and 77 which are in the flow direction Essentially parallel to each other. Only in the vicinity of the respective channel wall 74 or 75 do the barriers 72, 73 each have a root that is more extensive in the direction of flow. This is due to production reasons.
  • the advantage of the otherwise very narrow barriers in the flow direction is that the smaller total volume of the barriers compared to Fig. 8, the interaction with the fluid is minimized, so that the interface of the media streams is less disturbed.
  • the advantage of this embodiment can be found by injection molding during production because less starting material has to be used.
  • the arrangement of barriers is not limited to the shapes shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überführen magnetisch markierter Partikel (36) von einem ersten in einen zweiten Medienstrom, bei dem die magnetisch markierten Partikel (36) zusammen mit dem ersten Medienstrom und der zweite Medienstrom in einen Durchflusskanal (12) eingeleitet werdenund unter Ausbildung einer Grenzfläche (22) laminar durch den Durchflusskanal (12) strömen,wobei die magnetisch markierten Partikel (36) mittels eines Magnetfeldgradienten in einer ersten Richtung (z) zu einem Kanalboden (14) des Durchflusskanals (12) hin abgelenkt werden. Die in der ersten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel (36) bewegen sich in Annäherung an den Kanalboden (14) in Strömungsrichtung weiter und werden mittels wenigstens einer an dem Kanalboden (14) angeordneten Barriere (32) in einer zweiten Richtung (x) quer zur Strömungsrichtung und quer zur Grenzfläche (22) so weit abgelenkt, dass sie aus dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergehen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.

Description

Isolation und Anreicherung magnetisch markierter Zellen im Durchfluss
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Überführen ausgewählter, magnetisch markierter Partikel von einem ersten Medienstrom in einen zweiten Medienstrom, bei dem
- die magnetisch markierten Partikel zusammen mit dem ersten Medienstrom durch eine erste Zuleitung in einen Durchflusskanal eingeleitet werden,
- der zweite Medienstrom durch eine zweite Zuleitung in den Durchflusskanal eingeleitet wird,
- so dass der erste und der zweite Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals erstreckenden Grenzfläche laminar durch den Durchflusskanal strömen,
- wobei die magnetisch markierten Partikel mittels eines Magnetfeldgradienten innerhalb des Durchflusskanals in einer ersten Richtung quer zur Strömungsrichtung zu einem Kanalboden hin abgelenkt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens mit einem Substrat, in dem ein eine Strömungsrichtung definierender, Durchflusskanal mit einem Kanalboden und wenigstens eine erste und eine zweite in den Durchflusskanal mündende Zuleitung ausgebildet sind, und mit einem Magnetisierungsmittel, das eingerichtet ist, einen Magnetfeldgradienten in dem Durchflusskanal zu erzeugen, der quer zur Strömungsrichtung auf den Kanalboden hin gerichtet ist.
Technische Anwendungsgebiete des Verfahrens und der Vorrichtung sind bei- spielsweise die Isolation, Selektion und/oder Anreicherung ausgewählter Zellen, die unter den Oberbegriff „Partikel" subsummiert sein sollen, aus komplexen, heterogenen Suspensionen, beispielsweise im Bereich der medizinischen Verfahrenstechnik, der Biochemie oder biotechnologischen Prozesstechnik. Insbesondere zur Detektion und Untersuchung von seltenen Zellen, wie beispielsweise zirku- lierenden Tumorzellen (CTCs), hamatopoetischen Stammzellen (HSCs) oder zirkulierenden fetalen Zellen (FCs), ist eine Anreicherung der Zielzellen mit hoher Reinheit aus Suspensionen unerlässlich.
Untersucht werden oft Suspensionen, die nur in sehr kleinen Mengen zur Verfü- gung stehen. In solchen Fällen kommen Vorrichtungen mit entsprechend miniaturisierten Strukturen zum Einsatz. Das Substrat der Vorrichtung wird dabei von einem Mikrofluidikchip bereitgestellt, in dem kanalförmige Strukturen (Mikroflu- idikstrukturen) ausgebildet und so dimensioniert sind, dass sie der Handhabung von Flüssigkeitsmengen im Bereich weniger ml bis in den μΙ-Bereich dienen. Die Kanäle in solchen Strukturen weisen laterale Abmessungen im Bereich weniger mm und darunter auf. Flüssigkeiten werden in einer solchen Mikrofluidikstruktur im Durchfluss gehandhabt, d.h. beispielsweise durch Erzeugen einer Druckdifferenz (Über- und/oder Unterdruck) durch die Fluidleitungen gefördert. Hierfür kommen neben dem mikrofluidischen Chip technisch anspruchsvolle Steuer- oder Betreibergeräte zum Einsatz, die an den Mikrofluidikchip angeschlossen werden bzw. in die der Mikrofluidikchip eingelegt wird.
Zur Separation von Zellen aus Suspensionen im Durchfluss sind bisher im Wesentlichen zwei Verfahrensprinzipien bekannt, nämlich die Separation mit Hilfe äußerer Felder und die Separation ohne äußere Felder. Die Erfindung gehört, wie eingangs geschildert, zu der Gattung der erstgenannten Verfahren.
Zur Separation mit Hilfe von äußeren Feldern müssen die Zellen zuerst markiert werden, was in bekannter Weise mithilfe sogenannter magnetischer Beads erfolgt. Durch äußere Magnetfelder können die so markierten Zellen dann mittels magne- tischer Kraft extrahiert werden. Stellvertretend für diese Gattung wird auf die Artikel von N. Chronis, W. Lam und L. Lee, "A Microfabricated Bio-Magnetic Separator Based on Continuous Hydrodynamic Parallel Flow," in Micro Total Analysis Systems 2007, 2001 , pp. 497-498 und von N. Pamme und C. Wilhelm, "Continu- ous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow," Lab on a Chip, no. 6, p. 974- 980, 2006, sowie auf das Patent US 7,138,269 B2 verwiesen.
Nachteilig bei den dort geschilderten Verfahren ist, dass magnetisch markierte Zellen/Partikel mit abnehmender Größe jedenfalls nicht allein durch moderate Magnetfelder zuverlässig über eine Grenzfläche zweier Medienströme hinweg abgelenkt werden können und deshalb eine zuverlässige Separation nicht in allen Fällen möglich ist. Außerdem müssen die Partikel über eine weite Strecke quer zur Strömungsrichtung abgelenkt werden, um sicher von einem in den anderen Medienstrom zu gelangen und zuverlässig separiert zu werden. Die Separations- zeit und damit auch die Länge des Durchflusskanals müssen daher ausreichend lang sein und es wird ein entsprechend großes Volumen der Trägermedien benötigt. Auch insoweit besteht ein Verbesserungsbedarf. Schließlich lassen sich durch die Ablenkung mittels Magnet, abgesehen von jener zuvor angesprochenen Größenselektivität, nur zwei Zustände einstellen, nämlich der vollständig abge- lenkter und der nicht abgelenkter Partikel. Es wäre für eine ganze Reihe von Anwendungen insofern mehr Flexibilität wünschenswert.
Eine Kombination von mechanischen Führungsstrukturen und äußeren magnetischen Feldern zwecks Anreicherung markierter Zellen an einem Kammerboden ist in der Schrift WO 2013/014146 A1 vorgestellt. Hierbei dient das äußere Magnetfeld genauer gesagt zur Fixierung markierter Zellen in Bodennähe und die mechanischen Führungsstrukturen lenken die Zellen quer zur Strömungsrichtung so ab, dass diese in der Mitte der Kammer zu einem engen Bündel fokussiert und zu einer Zellmesseinrichtung gelenkt werden. Obgleich nicht gattungsbildend sei der Vollständigkeit halber auch auf Verfahren zur Separation der Zellen ohne äußere Felder (passive Verfahren) hingewiesen. Diese Verfahren bedienen sich beispielsweise physikalischer Wechselwirkung zwischen dem Fluid mit den Partikeln und der Kanalwand. Beschrieben ist ein solches Verfahren beispielsweise in dem wissenschaftlichen Aufsatz von D. R. Gossett, H. T. K. Tse, J. S. Dudani, K. Goda, 1 . A. Woods, S. W. Graves und D. D. Carlo, .Inertial Manipulation and Transfer of Microparticles Across Laminar Fluid Streams," Small, Bd. 8, Nr. 17, p. 2757-2764, 2012. Das hierin beschriebene Verfahren umfasst auch den Transport der Zellen über die Grenzfläche laminarer Strömungen und eignet sich deshalb, wie das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere zur Abtrennung ausgewählter Partikel oder Zellen aus einer heterogenen Suspension. Die beschriebene Methode beruht auf dem Prinzip repulsiver Kräfte in dem Fluid in der Nähe der Kanalwand. Der physikalische Effekt wurde erstmals 1961 in der wissenschaftlichen Arbeit von G. Segre und A. Silberberg, „Radial particle displacement in poiseuille flow of suspensions", Nature, Vol. 189, 21 . Januar 1961 , beschrieben, siehe hierzu auch DE 10 2013 210 953 A1 . Sie konnten zeigen, dass Festkörperteilchen in einer eine zylindrische Röhre durchströmenden Dispersion nach einer gewissen Strecke eine inhomogene Verteilung annehmen.
Ein anderes passives Verfahren zur Separation der Zellen ohne äußere Felder macht von bestimmten Mikrostrukturen in den Mikrokanälen Gebrauch. Es wird auf die Schriften von L. R. Huang, E. C. Cox, R. H. Austin und J. C. Stu, "Continu- ous Particle Separation Through Deterministic Lateral Displacement, " Science, Nr. 304, pp. 987-990, 2004, von T. A. J. Duke und R. H. Austin, "Microfabricated Sieve for the Continuous Sorting of Macromolecules," Phys. Rev. Let , Nr. 80, p. 1552-1555, 1998 und von K. J. Morton, K. Loutherback, D. W. Inglis, o. K. Tsui, J. C. Sturm, S. Y Chou und R. H. Austin, "Crossing microfluidic streamlines to lyse, label and wash cells." Lab on a Chip, Nr. 8, p. 1448-1453, 2008 verwiesen. Jedoch ist man bei allen passiven Verfahren, deren Wirkprinzipien nicht auf äußeren Feldern beruhen, bei gegebener Größe der zu separierenden Zellen oder Partikel bezüglich der Kanalausdehnungen festgelegt, weil die zugrunde liegenden Kräfte nur sehr kurzreichweitig sind. Die Kanalausdehnung liegt meist in der Grö- ßenordnung der zu separierenden Zellen. Ferner sind diese Verfahren deshalb immer auch größenselektiv. Mit den Zielzellen aus einer Zellsuspension werden immer auch alle weiteren Zellen vergleichbarer Größe extrahiert. Dies ermöglicht eine Extraktion ausgewählter Zellen oder Partikel nur unter günstigen Umständen. Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges Verfahren und die korrespondierende Vorrichtung zum kontinuierlichen Überführen ausgewählter, magnetisch markierter Partikel von einem ersten Medienstrom in einen zweiten Medienstrom bereitzustellen, das mit einfachen Mitteln ein größeres Anwendungsspektrum bietet als die bisher bekannten Verfahren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , die Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 7 oder 9 und eine Vorrichtung nach Anspruch 1 1 . Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art bewegen sich erfindungsgemäß die in der ersten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel in Annäherung an einen Kanalboden des Durchflusskanals in Strömungsrichtung weiter und werden mittels wenigstens einer an dem Kanalboden angeordneten ersten Barrie- re in einer zweiten Richtung quer zur Strömungsrichtung und quer zur Grenzfläche so weit abgelenkt, dass sie aus dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergehen.
Dementsprechend ist die Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsge- mäß dadurch weitergebildet, dass wenigstens eine an dem Kanalboden des Durchflusskanals angeordnete, sich quer zur Strömungsrichtung und quer zum Magnetfeldgradienten erstreckende erste Barriere ausgebildet ist.
Unter„Barriere" wird im eigentlichen Wortsinn ein Hindernis verstanden, das ge- eignet ist die Strömung abzulenken. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine mechanische Barriere, auch als„Schwelle" bezeichnet.
Das Substrat der Vorrichtung ist, wie eingangs erwähnt, beispielsweise ein Teil eines Mikrofluidikchips. Es besteht bevorzugt aus Cyclo-Olefin-(Co)Polymer (COC, COP), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polypropylen (PP) oder Polyetheretherketon (PEEK). Als„Durchflusskanal" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine kanalartige Struktur in dem Substrat verstanden, welche in eine oder mehrere Ableitungen für die Medienströme mündet. Der Durchflusskanal weist in der Regel eine lang gestreckte Form auf, wobei die Längsrichtung die Strömungsrichtung definiert.„Kanalboden" im Sinne der Erfindung definiert diejenige Kanalwand, an der die Barriere angeordneten ist bzw. entlang der sich die Barriere erstreckt. Dies ist in aller Regel herstellungsbedingt der Boden des in dem Chip ausgebildeten Kanals. Auf die räumliche Orientierung kommt es dabei nicht an. Insbesondere kann ein erfindungsgemäß ausgestatteter Mikrofluidikchip auch kopfüber betrieben werden, so dass der Kanalboden nach oben orientiert ist. Das kann von Vorteil sein, wenn man Zielzellen oder Partikel aus einer Suspension von Partikeln extrahieren möchte, deren Dichte höher ist als die des umgebenden Mediums. Dadurch beginnen die nicht magnetisch markierten Partikel („Nicht-Zielzellen") zu sedimentieren, so dass deren Trajektorien unter den oben am Kanalboden angeordneten Barrieren entlang verlaufen.
Als„Magnetisierungsmittel" kommen beispielsweise einer oder mehrere Permanentmagnete und/oder Elektromagnete in Betracht. Der oder die Magnete sind typischerweise außerhalb des Substrats angeordnet und beispielsweise Teil eines Betreibergerätes, in das das Substrat bzw. der mikrofluidische Chip eingelegt werden kann. Bevorzugt sind die Magnetisierungsmittel unmittelbar unterhalb des Kanalbodens des Durchflusskanals und/oder unterhalb des flachen Substrats angeordnet und erzeugen einen Magnetfeldgradienten, der besonders bevorzugt näherungsweise parallel zu der Grenzfläche verläuft.
Damit die magnetisch markierten Partikel von der ersten Barriere in der zweiten Richtung quer zur Strömungsrichtung und quer zur Grenzfläche so weit abgelenkt werden, dass sie aus dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergehen, beginnt die erste Barriere im von dem ersten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals und erstreckt sich bis in den von dem zweiten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals hinein, also über die Grenzfläche zwischen beiden Bereichen oder Medienströmen hinweg. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Barriere bei einer Breite B des Durchflusskanals um ein Maß b senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hinein, das wenigstens 5% der Breite B des Durchflusskanals beträgt. Wie die von dem ersten und dem zweiten Medienstrom durchflossenen Bereiche im Verhältnis zueinander bemessen sind, hängt vom Verhältnis der Flussraten der beiden Medienströme und der Kanalgeometrie ab. Der Magnetfeldgradient erstreckt sich in Strömungsrichtung über einen Bereich, der vor der Barriere beginnt und vorzugs- weise frühestens mit dieser endet.
Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen und Verfahren besteht der Unterschied darin, dass die Ablenkung der magnetisch markierten Partikel über eine Grenzfläche zweier Medienströme hinweg nicht in der Wirkrichtung des Magnet- feldes, sondern senkrecht dazu mittels Ablenkung durch eine Barriere oder mehrere Barrieren erfolgt. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist, dass die magnetisch markierte Zellen oder Partikel unabhängig von ihrer Größe zuverlässig über die Grenzfläche hinweg transportiert werden. Ferner kann durch eine geeignete Anordnung von mehreren Barrieren, ohne Umschaltung des Magnetfeldes und damit ohne steuerungstechnisch eingreifen zu müssen, ein stufenweiser Prozess gestaltet werden, bei dem die ausgewählten Zellen oder Partikel auf kleinem Raum schrittweise vor und/oder zurück bewegt und dabei unterschiedlichen Medien ausgesetzt werden. So lassen sich sehr effektiv ein oder mehrere Extraktions- und Syntheseschritte im Durchfluss und damit auch komplexe Verfah- rensabläufe ohne großen apparativen Aufwand und ohne komplizierte Steuerungstechnik realisieren. Zudem verkürzt sich die Strecke, über die die markierten Partikel oder Zellen magnetisch abgelenkt werden. Wie zuvor schon angesprochen, erfordert die geforderten Prozesssicherheit, beispielweise bei der Separation, eine gewisse Mindestdistanz, um die die Partikel quer zur Strömungsrichtung und über die Grenzfläche hinweg abgelenkt werden müssen. Diese Richtung fällt in der Regel mit der Breite des Durchflusskanals zusammen. Bei den bekannten Verfahren erfolgt diese Ablenkung magnetisch und es bedarf einer längeren Dauer und somit auch einer längeren Strecke in Strömungsrichtung, bis alle markierten Partikel diese Mindestdistanz bewältigt haben. Demgegenüber kann die Distanz, über die die Partikel in der ersten Richtung zum Kanalboden hin abgelenkt werden, vergleichsweise kurz gewählt werden, ohne die Prozessgenauigkeit zu beeinträchtigen. Diese Richtung fällt in der Regel mit der Tiefe des Durchflusskanals zusammen, die ebenfalls regelmäßig geringer ist als dessen Breite. Die Ablenkung in der zweiten Richtung ist allein durch geometrische Faktoren (den Anstellwinkel der Barriere) bestimmt und kann trotz eines weiteren Weges quer zur Strömungsrichtung und über die Grenzfläche hinweg auf viel kürzerer Länge des Durchflusskanals erfolgen. Als Konsequenz benötigt man kürzere Kanäle, wodurch sich Trägermedium und Material einsparen lässt. Vorzugsweise weist der Durchflusskanal eine erste und eine zweite an den Kanalboden angrenzende Kanalwand auf. Besonders bevorzugt mündet die erste Zuleitung auf der Seite der ersten Kanalwand in den Durchflusskanal und die zweite Zuleitung auf der Seite der zweiten Kanalwand in den Durchflusskanal. Die Mündungsstellen beider Zuleitungen definieren zumeist den Anfang des Durchflusska- nals, wo der erste und der zweite Medienstrom erstmals aufeinander treffen. Je nach Flussrate des ersten Medienstroms Q1 und des zweiten Medienstroms Q2 bildet sich die Grenzfläche zwischen den beiden Medienströmen an unterschiedlicher Stelle in dem Durchflusskanal aus, wobei die von dem ersten und dem zweiten Medienstrom eingenommenen Querschnittsflächen in dem Durchflusskanal etwa das gleiche Verhältnis aufweisen wie das Verhältnis der Flussraten. Da parabolische Flussprofile vorliegen, bewegen sich Flüssigkeitsanteile wandnah mit anderer Geschwindigkeit als wandferne Anteile. Der relative Anteil in jedem Medienstrom der sich wandnah bewegt hängt vom Verhältnis der Volumenflüsse ab und sorgt somit für eine geringfügige Abweichung von besagter Proportionalität. Im konstruktiv einfachsten Fall stehen die Kanalwände senkrecht auf dem Kanalboden und auch die Grenzfläche bildet sich senkrecht zu dem Kanalboden aus.
Bevorzugt erstreckt sich die erste Barriere von der ersten Kanalwand des Durchflusskanals ausgehend in Richtung der Kanalmitte. Dabei schließt sie besonders bevorzugt mit der Strömungsrichtung einen Anstellwinkel α ein, der zwischen 15° und 80°, weiterhin bevorzugt zwischen 30° und 60° liegt, wobei sich die Barriere von der ersten Kanalwand ausgehend in Strömungsrichtung erstreckt.
Der Anschluss der ersten Barriere an die erste Kanalwand stellt sicher, dass kei- nes der ausgewählten Partikel die erste Barriere auf der falschen Seite, also in Richtung der ersten Kanalwand, umströmen kann. Dabei sorgt die Ausrichtung der ersten Barriere in Strömungsrichtung unter den angegebenen Anstellwinkeln dafür, dass die ausgewählten Partikel aufgrund des Vortriebs in Strömungsrichtung entlang der schrägen Barriere auf kürzest möglichem Wege und zugleich prozesssicher abgeleitet werden. Ein stumpferer Winkel als 80° erhöht die Gefahr, dass sich die magnetisch markierten Partikel vor der Barriere anhäufen oder diese überlaufen. Ein spitzerer Winkel als 15° erfordert bei gleichem Weg der Ablenkung in der zweiten Richtung einen längeren Durchflusskanal. Des Weiteren erfahren die nichtmagnetischen Partikel bei einem spitzeren Winkel eine größere Ablen- kung in x-Richtung, bevor sie über das Hindernis laufen, was die Trennungsgenauigkeit beinträchtigen kann.
Die Barriere ist ansonsten so ausgebildet, dass zum einen nur die abgelenkten, magnetisch markierten Partikel in der Nähe des Kanalbodens abgelenkt werden, während der übrige erste Medienstrom und insbesondere etwaige unmagnetisierte Partikel in der Suspension des ersten Medienstroms die Barriere nahezu ungehindert überströmen können. Zum anderen ist sie vorzugsweise so ausgebildet, dass die Medienströme den gesamten Durchflusskanal unter Aufrechterhaltung der laminaren Strömung passieren können.
Dies wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Barriere ausgehend vom Kanalboden eine Höhe aufweist, die zwischen 5% und 33%, bevorzugt zwischen 12% und 16% der Kanalhöhe zwischen dem Kanalboden und einer gegenüber- liegenden Kanaldecke beträgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der erste Medienstrom durch eine erste Ableitung und der zweite Medienstrom zusammen mit den magnetisch markierten Partikeln durch eine zweite Ableitung aus dem Durchfluss- kanal herausgeleitet werden.
In entsprechender Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch weitergebildet, dass in dem Substrat eine erste und eine zweite Ableitung ausgebildet sind, in die der Durchflusskanal mündet. Dabei ist weiterhin bevorzugt, dass die erste Ableitung auf der Seite der ersten Kanalwand und die zweite Ableitung auf der Seite der zweiten Kanalwand an den Durchflusskanal angebunden ist.
Das vorstehend beschriebene Verfahren und die dazugehörige vorstehend beschriebene Vorrichtung werden hierin nachfolgend als erster Aspekt der Erfindung bezeichnet. Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich im Umfang dieses ersten Aspektes zur Separation oder Isolation der magnetisch markierten Zellen/Partikel aus einer Suspension (erster Medienstrom) und zum isolierten Bereitstellen derselben in dem zweiten Medienstrom für anschließende Prozessschritte im Durchflussverfahren verwenden. Der zweite Medienstrom wird dabei als reines, nicht reaktives Trägermedium eingesetzt.
Alternativ eignen sich das Verfahren und die Vorrichtung dazu, die magnetisch markierten Zellen/Partikel nach Separation von dem ersten Medienstrom in Form einer reaktiven Synthese mit dem zweiten Medienstrom, der zum Beispiel ein Nachweis oder Synthesereagenz enthalten kann, für anschließende Prozessschritte bereitzustellen. Je nach Anforderung können die eine oder die andere oder beide Verwendungen kombiniert in Betracht kommen.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die in der zweiten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel mittels wenigstens einer dem Kanalboden stromabwärts der ersten Barriere angeordneten zweiten Barriere entgegengesetzt zur zweiten Richtung soweit abgelenkt werden, dass sie aus dem zweiten Medienstrom zurück in den ersten Medienstrom übergehen. In entsprechender Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend weitergebildet, dass in dem Substrat eine an dem Kanalboden des Durchflusskanals stromabwärts der ersten Barriere angeordnete, sich quer zur Strömungsrichtung erstreckende zweite Barriere ausgebildet ist. Die zweite Barriere beginnt also im von dem zweiten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals und erstreckt sich bis in den von dem ersten Medienstrom durchflossenen Bereich des Durchflusskanals hinein und damit ebenfalls über die Grenzfläche zwischen beiden Bereichen oder Medienströmen hinweg, damit die magnetisch markierten Partikel von der zweiten Barriere in der entgegengesetzten Richtung wie zuvor von der ersten Barriere quer zur Grenzfläche so weit abgelenkt werden, dass sie aus dem zweiten Medienstrom in den ersten Medienstrom übergehen. Bevorzugt weist der Durchflusskanal eine zweite, an den Kanalboden angrenzende Kanalwand auf, wobei die zweite Zuleitung auf der Seite der zweiten Kanalwand in den Durchflusskanal mündet. Die zweite Barriere erstreckt sich dabei vorzugsweise von der zweiten Kanalwand des Durchflusskanals ausgehend und in Richtung der Kanalmitte. Besonders bevorzugt tut sie dies unter einem Anstellwin- kel α zwischen -15° und -80° zur Strömungsrichtung, weiterhin bevorzugt zwischen -30° und -60°, wobei sich die Barriere von der zweiten Wand ausgehend in Strömungsrichtung erstreckt. Auch weist die zweite Barriere ausgehend vom Kanalboden vorzugsweise eine Höhe auf, die zwischen 5% und 33%, bevorzugt zwischen 12% und 16% der Kanalhöhe zwischen dem Kanalboden und einer gegenüberliegenden Kanaldecke beträgt. Die Gründe für diese geometrische Anordnung sind die gleichen wie im Fall der ersten Barriere. Die zweite Barriere erstreckt sich im Unterschied zur ersten lediglich von der zweiten Kanalwand ausgehend in entgegengesetzter Richtung, so dass die Partikel eben in umgekehrter Richtung und damit über die Grenzfläche hinaus aus dem zweiten in den ersten Medienstrom zurückgelenkt werden. Ein Anschluss der zweiten Barriere an der zweiten Kanalwand ist nicht unbedingt erforderlich. Es kann genügen, wenn sie in Bezug auf die zweite Ablenkungsrichtung über den Pfad der von der ersten Barriere abgelenkten markierten Partikel hinaus beginnt. Auch hierbei kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der erste Medien- strom zusammen mit den magnetisch markierten Partikeln durch eine erste Ableitung und der zweite Medienstrom durch eine zweite Ableitung aus dem Durchflusskanal herausgeleitet werden. Dies wird apparativ wieder dadurch umgesetzt, dass in dem Substrat eine erste und eine zweite Ableitung ausgebildet sind, in die der Durchflusskanal mündet, wobei die erste Ableitung auf der Seite der ersten Kanalwand und die zweite Ableitung auf der Seite der zweiten Kanalwand an den Durchflusskanal angebunden ist. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung sieht eine Weiterbildung des Verfahrens vor, dass ein dritter Medienstrom durch eine dritte Zuleitung in den Zuflusskanal dergestalt eingeleitet wird, dass der zweite und der dritte Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals erstreckenden zweiten Grenzfläche laminar durch den Durchflusskanal strömen, und dass die in der zweiten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel mittels wenigstens einer an dem Kanalboden stromabwärts der ersten Barriere angeordneten zweiten Barriere weiter in der zweiten Richtung abgelenkt werden, so dass sie aus dem zweiten Medienstrom in den dritten Medienstrom übergehen. Apparativ wird diese Verfahrensvariante dadurch ermöglicht, dass sich die zweite Barriere vorteilhafterweise in gleicher Richtung wie die erste Barriere erstreckt, also so angeordnet ist, dass die ausgewählten Partikel eine Ablenkung in die gleiche Richtung erfahren wie an der ersten Barriere. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung unter diesem Aspekt eine dritte in den Durchflusskanal mün- dende Zuleitung auf, durch die besagter dritter Medienstrom angrenzend an den zweiten Medienstrom in den Durchflusskanal eingeleitet wird. In diesem Fall mündet die dritte Zuleitung vorzugsweise auf der Seite der zweiten Kanalwand in den Durchflusskanal, während die zweite Zuleitung vorzugsweise mittig in den Anfang des Durchflusskanals und die erste Zuleitung wie zuvor auch auf der Seite der ersten Kanalwand in den Durchflusskanal münden. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dem zweiten und dem dritten Aspekt der Erfindung, haben einen zweifachen Transport der magnetisch markierten Partikel über eine Grenzfläche zweier laminarer, nebeneinander verlaufender Strömungen gemeinsam, wobei gemäß dem zweiten Aspekt zweimal dieselbe Grenzfläche und gemäß dem dritten Aspekt zwei verschiedene Grenzflächen passiert werden. Beide Aspekte lassen sich bevorzugt zur temporären Synthese aus den magnetisch markierten Partikeln und dem zweiten Medienstrom verwenden, wobei die Synthese jeweils nach der Überleitung der magnetisch mar- kierten Partikeln in den ersten oder dritten Medienstrom endet. Bei dieser Verwendung können der erste, zweite und/oder der dritte Medienstrom reaktiv oder neutral sein, d.h. ein Reagenz beinhalten oder als reines Transportmittel fungieren. Beispielhaft kann als erster Medienstrom die eingangs genannte heterogenen Suspension zugeführt werden, aus der die ausgewählten Partikel isoliert in den zweiten Medienstrom überführt werden und bereits dort einer reaktiven Substanz, zum Beispiel ein Nachweis oder Synthesereagenz, ausgesetzt sind. Danach werden die Partikel in den dritten, beispielsweise neutralen Medienstrom übergeleitet und zusammen mit diesem einem anschließenden Modul auf dem Mikrofluidikchip zugeführt.
Die Dauer der Synthese mit dem zweiten Medienstrom (Retardationszeit) wird bei gegebenem Abstand in Strömungsrichtung zwischen der ersten und der zweiten Barriere durch die Flussraten aller zwei bzw. drei Medienströme und damit durch die Strömungsgeschwindigkeit des Gesamtstroms eingestellt. Eine Kontrolle der Retardationszeiten ist erforderlich, um gleichbleibende Untersuchungsbedingungen zu gewährleisten.
Auf besonders platzsparende Weise und, da im Durchflussverfahren, zugleich auf zeitsparende Weise können die Zellen/Partikel nach ihrer Isolation in weiteren Schritten sehr gezielt und flexibel unterschiedlichen Medien zur Wechselwirkung ausgesetzt werden. Insbesondere kann die Vorrichtung nach Bedarf in analoger Weise so erweitert werden, dass eine dritte und gegebenenfalls weitere Barrieren die ausgewählten Partikel weitere Male innerhalb des Durchflusskanals von einem in einen anderen Medienstrom ablenken. Auch können vierte und gegebenenfalls weitere Medienströme in den Durchflusskanal eingeleitet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der Verwendung des Verfahrens werden nachfolgend anhand von Figurenzeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung;
Figur 2 eine seitliche Schnittdarstellung der Vorrichtung nach Figur 1 ;
Figur 3 eine schematisierte Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß dem
ten Aspekt der Erfindung;
Figur 4 eine seitliche Schnittdarstellung der Vorrichtung aus Figur 3;
Figur 5 eine schematisierte Aufsicht auf eine Vorrichtung gemäß dem dritten
Aspekt der Erfindung;
Figur 6 ein Diagramm zur Illustration des Strömungsverhaltens magnetisch markierter Partikel an einer Barriere im Vergleich zu unmagnetischen Partikeln;
Figur 7 ein Ausschnitt des Durchflusskanals in Draufsicht mit einer ersten
Barriere gemäß einem ersten Design; Figur 8 ein Ausschnitt des Durchflusskanals in Draufsicht mit einer ersten Barriere gemäß einem zweiten Design und
Figur 9 ein Ausschnitt des Durchflusskanals in Draufsicht mit einer ersten und einer zweiten Barriere gemäß einem dritten Design.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist in den Figuren 1 und 2 in zwei Ansichten illustriert. Die Ansicht gemäß Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat 10, in dem ein Durchflusskanal 12 mit einer Breite B und einem Kanalboden 14 ausgebildet ist. Beispielsweise kann das Substrat 10 eine Kunststoffplatine sein, in die der Durchflusskanal 12 eingeformt ist (erodiert, gefräst oder im Spritzgussverfahren). Dieser Durchflusskanal 12 ist auf seiner dem Substrat 10 gegenüberliegenden Seite, wie bei Mikrofluidikchips bekannt, mittels einer Abdeckfolie 16 verschlossen.
Das Substrat weist ferner eine erste Zuleitung 18 und eine zweite Zuleitung 20 auf, die beide in den Durchflusskanal münden. Die Transport- oder Strömungsrichtung der durch die Zuleitungen 18 und 20 zugeführten Medien erfolgt innerhalb des Durchflusskanals in positiver y-Richtung, auch Längsrichtung genannt. Die Flussraten der Medien sind so gewählt, dass die beiden Fluide einen laminaren Charakter aufweisen. Dadurch bilden der erste, durch die erste Zuleitung 18 eingeleitete Medienstrom und der zweite, durch die zweite Zuleitung 20 eingeleitete Medienstrom in dem Durchflusskanal 12 unter laminaren Bedingungen eine sich in Längsrichtung des Durchflusskanals erstreckende Grenzfläche 22 aus.
Der Durchflusskanal weist ferner eine erste, an den Kanalboden 14 angrenzende Kanalwand 24 auf, wobei die erste Zuleitung 18 auf der Seite der ersten Kanalwand 24 in den Durchflusskanal 12 mündet. Spiegelsymmetrisch hierzu weist der Durchflusskanal 12 eine zweite an den Kanalboden 14 angrenzende Kanalwand 26 auf, wobei die zweite Zuleitung 20 auf der Seite der zweiten Kanalwand 26 in den Durchflusskanal 12 mündet. Gleichzeitig bilden die Zuleitungen 18 und 20 den Anfang des Durchflusskanals. Die Grenzfläche 22 bildet sich unter den Bedingungen gleicher Flussraten der Medienströme 18 und 20 und eines symmetrischen Querschnittes des Durchflusskanals 12 in der Kanalmitte aus, wie in Figur 1 dar- gestellt. Dies stellt freilich nur einen Spezialfall dar. Regelmäßig sind die Flussraten der Medienströme unterschiedlich. Auch kann, wie in einem später gezeigten Design, die Höhe des Kanals in Querschnittsrichtung variieren. Dann kann sich die Grenzfläche 22 zu der ein oder anderen Seite verschieben. Die Kanalwände 24, 26 stehen, je nach Fertigungstechnik, meist senkrecht, vor allem bei gefrästen oder erodierten Strukturen, oder nahezu senkrecht, vor allem bei (spritz)gegossenen Strukturen aufgrund von Entformungsschrägen, auf dem Kanalboden 14. Letzterer ist im einfachsten Fall eben und auch die Grenzfläche 22 steht in der Regel senkrecht auf den Kanalboden. An dem Kanalboden 14 ist eine erste Barriere 32 ausgebildet, die sich quer zur Strömungsrichtung erstreckt. Tatsächlich wird die Grenzfläche 22 wenigstens im Bereich der ersten Barriere 32 eine leichte Ausbuchtung erfahren, welche hier nicht dargestellt ist, aber im Zusammenhang mit Figur 6 noch näher erläutert werden wird. Insofern ist die durchgehend parallele Ausrichtung der Grenzfläche 22 zu den Kanalwänden 24 und 26 in der Darstellung der Figur 1 als idealisiert zu betrachten.
An dem der Zuleitungen 18 und 20 entgegengesetzten Ende des Durchflusskanals 12 mündet dieser in eine erste, in dem Substrat 10 ausgebildete Ableitung 28 sowie in eine zweite, in dem Substrat 10 ausgebildete Ableitung 30.
Unterhalb des Durchflusskanals 12 weist die Vorrichtung ein Magnetisierungsmittel 34 auf, das eingerichtet ist, einen Magnetfeldgradienten in dem Durchflusskanal 12 zu erzeugen, der quer zur Strömungsrichtung y auf den Kanalboden 14 hin und quer zur Erstreckungsrichtung der ersten Barriere 32 gerichtet ist. Der Mag- netfeldgradient muss nicht senkrecht auf dem Kanalboden stehen. Es genügt im Prinzip, wenn dieser nur eine Komponente in dieser Richtung aufweist.
Das Magnetisierungsmittel 34 ist gemäß Figur 2 in das Substrat 10 integriert dar- gestellt. Dies ist nur eine mehrerer möglicher Varianten. In Figur 4 ist eine insoweit bevorzugte Variante dargestellt, bei der das Magnetisierungsmittel 34' unterhalb des Substrates und damit außerhalb des Mikrofluidikchips als externes Element angeordnet ist. Diese Variante reduziert die Produktionskosten und erhöht die Flexibilität der Anordnung.
Zusammen mit dem durch die erste Zuleitung in den Durchflusskanal 12 eingeleiteten Medienstrom werden auch magnetisch markierte Partikel 36 in den Durchflusskanal 12 eingeleitet. Diese sind als offene Kreise dargestellt. In dem in Figur 1 gezeigten Fall handelt es sich bei dem ersten Medienstrom um eine Suspension mit weiteren unmagnetischen Partikeln 38, die als gefüllte Kreise dargestellt sind. Die magnetisierten Partikel 36 werden innerhalb des Durchflusskanals 12 aufgrund des von dem Magnetisierungsmittel 34 erzeugten Magnetfeldgradienten in einer ersten Richtung quer zur Strömungsrichtung abgelenkt, nämlich in negativer z-Richtung, vergl. Figur 2. Die unmagnetisierten Partikel 38 hingegen verteilen sich über den vertikalen Querschnitt des Durchflusskanals 12 in üblicher Weise. Dies heißt insbesondere, dass es nahe des Kanalbodens 14 eine Verarmungszone aufgrund repulsiver Kräfte in Wandnähe gibt. Beides zusammen, die Anreicherung der magnetisierten Partikel 36 entlang des Kanalbodens 14 und der Verarmungszone der unmagnetischen Partikel 38 entlang des Kanalbodens 14 sorgt dafür, dass bei einem Transport der Partikel zusammen mit dem ersten Medienstrom in Strömungsrichtung y nur die magnetisch markierten Partikel 36 im Wesentlichen auf Flusslinien parallel zur ersten Barriere 32 transportiert werden und in Richtung der Kanalmitte abgelenkt werden, vergl. Figur 1 . Die unmagnetisierten Partikel 38 hingegen überströmen die Barriere 32. Zu diesem Zweck weist die Barriere vorzugsweise eine Höhe h in z-Richtung auf, die zwischen 5% und 33 % und besonders bevorzugt zwischen 12% und 16 % der Höhe H des gesamten Durchflusskanals 12 zwischen dem Kanalboden 14 und der gegenüberliegenden Decke, die durch die Abdeckung 16 bereitgestellt wird, beträgt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich genau in diesem Bereich einerseits eine besonders zuverlässige Umlenkung der magnetisch markierten Partikel in der zweiten Richtung einstellt, während ebenso zuverlässig die unmagnetischen Partikel 38 die Barriere überströmen.
Die erste Barriere 32 erstreckt sich einerseits quer zur Strömungsrichtung y und andererseits ebenso in Strömungsrichtung y, indem sie unter einem Anstellwinkel α von 45° von der ersten Kanalwand ausgehend in Strömungsrichtung und aufgetragen gegen die Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Durch das selektive Ablenken der magnetisch markierten Partikel 36 durch die Barriere 32 gehen diese aus dem ersten Medienstrom durch die Grenzfläche 22 hindurch in den zweiten Medienstrom über. Damit dies sichergestellt ist, ragt die Barriere um ein Maß b senkrecht zur Strömungsrichtung y in den zweiten Medi- enstrom hinein, das wenigstens 5% der Breite B des Durchflusskanals 12 beträgt. Auf diese Weise werden Partikel 36 bereits in dem Durchflusskanal, nämlich in Strömungsrichtung y hinter der ersten Barriere 32, isoliert zur weiteren Untersuchung oder Verwendung bereitgestellt. Je nach Anwendungsfall kann eine solche Untersuchung also schon unmittelbar nach dem Isolieren in dem Durchflusskanal 12 stattfinden, wenn der zweite Medienstrom beispielsweise eine reaktive Substanz enthält, oder erst nachdem die Partikel 36 zusammen mit dem zweiten Medienstrom durch die zweite Ableitung 30 aus dem Durchflusskanal 12 herausgeleitet und beispielsweise einer nachfolgenden Reaktions- oder Analysekammer zugeführt werden. Der erste Medienstrom wird nach der Extraktion der ausgewählten Partikel 36 zusammen mit den verbleibenden Partikeln 38 durch die erste Ableitung 28 aus dem Durchflusskanal 12 herausgeleitet und kann anschließend beispielsweise als Abfall entsorgt werden. Will man sicherstellen, dass nichts von dem ersten Medi- enstrom zusammen mit den ausgewählten extrahierten Partikeln 36 durch die zweite Ableitung 30 aus dem Durchflusskanal 12 austritt, wird man in der Praxis den Querschnitt der ersten Ableitung 28 größer wählen als den der zweiten Ableitung 30. Dadurch wird die Mediengrenze 22 nicht exakt auf die Mitte des Kanalendes treffen sondern innerhalb der ersten Ableitung 28 verlaufen. In diesem Fall ist aber zu beachten, dass sich das Maß b, um das die erste Barriere 32 senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hineinragt, entsprechend größer als 5% der Breite B des Durchflusskanals 12 gewählt werden sollte. Denn entscheidend ist dann nicht nur, dass die Partikel die Mediengrenze überwinden, sondern dass ihr Pfad stromabwärts der Barriere auch sicher in die zweite Ablei- tung 30 führt.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist in der Draufsicht und der Seitenansicht der Figuren 3 und 4 illustriert. Gleiche Merkmale wie in der Ausführungsform gemäß den Figuren 1 und 2 werden hierin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es wird insoweit auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen dadurch, dass an dem Kanalboden 14 des Durchflusskanals 12 stromabwärts der ersten Barriere 32 eine zweite Barriere 40 ausgebildet ist, die sich ebenfalls quer zur Strömungsrichtung y erstreckt. Genauer gesagt erstreckt sich die zweite Barriere 40 von der zweiten Kanalwand 26 des Durchflusskanals 12 ausgehend in Richtung der Kanalmitte. Dabei erstreckt sie sich zugleich in Strömungsrichtung und schließt mit dieser einen Anstellwinkel von -45° ein, so dass sie sich ebenso wie die erste Barriere 32 zwar in Strömungsrichtung, aber quer zur Strömungsrichtung in der entgegengesetzten Richtung erstreckt. Im Übrigen sind die Dimensionen der zweiten Barriere 40, insbesondere deren Höhe, wie die der ersten Barriere 32 gewählt.
Ein weiterer struktureller Unterschied der Vorrichtung gemäß den Figuren 3 und 4 ist, dass sich die Magnetisierungsmittel 34' in dem hier gezeigten Fall unterhalb des Substrats 10 befindet und damit außerhalb des mikrofluidischen Chips. Die Vorzüge dieser Ausgestaltung wurden bereits dargelegt.
Die magnetisch markierten Partikel 36 werden, nachdem sie wie zuvor beschrie- ben, mittels der ersten Barriere 32 von dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergeleitet wurden, mittels der stromabwärts gelegenen zweiten Barriere 40 in entgegengesetzter Richtung wieder aus dem zweiten Medienstrom in den ersten Medienstrom zurückgeleitet. Hiernach werden sie zusammen mit dem ersten Medienstrom durch die erste Ableitung 28 aus dem Durchflusskanal 12 herausgeleitet, während der zweite Medienstrom durch die zweite Ableitung 30 herausgeleitet wird.
In dem hier dargestellten Beispielfall ist der durch die erste Zuleitung 18 in den Durchflusskanal 12 eingeleitete Medienstrom mit den magnetischen Partikeln 36 als keine anderen Partikel enthaltende Suspension dargestellt. Es könnte sich hierbei beispielsweise um jenen zweiten Medienstrom handeln, welcher den Durchflusskanal 12 gemäß Figur 1 durch die zweite Ableitung 30 verlässt.
Ebenso könnte aber der erste Medienstrom auch in dem Beispiel der Figur 3 eine komplexere Suspension mit weiteren unmagnetischen Partikeln sein.
Ein typischer Anwendungsfall für diesen zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem eine temporäre Synthese aus den magnetisch markierten Partikeln 36 und dem zweiten Medienstrom hergestellt werden soll, um die Partikel beispielsweise einer kurzzeitigen Wechselwirkung mit einem Reagenz auszuset- zen. Das zweite Medium könnte also beispielsweise ein Synthesereagenz enthalten, mit welchem die ausgewählten Partikel manipuliert werden sollen. Die Dauer einer solchen temporären Synthese, auch als Retardationszeit bezeichnet, wird durch die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Durchflusskanals 12, also die Flussraten der ersten und zweiten Medienströme, und den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Barriere 32, 40 in Strömungsrichtung eingestellt.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist in der Aufsicht der Figur 5 illustriert. Wiederum werden gleiche Merkmale wie in den beiden vorausgegangenen Ausführungsformen hierin mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auch insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
Die Ausführungsform der Figur 5 unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschriebene Ausführungsform durch eine zweite Barriere 40', die sich in gleicher Richtung wie die erste Barriere 32 erstreckt, also quer zur Strömungsrichtung y und zugleich in Strömungsrichtung unter einem Anstellwinkel von 45°. Ferner weist diese zweite Barriere 40' im Unterschied zu der zweiten Barriere 40 in Figur 4 keinen Anschluss an die zweite Kanalwand 26 auf. Da sie zudem auch keinen Anschluss an die ersten Kanalwand 24 aufweist, kann sie in Bodennähe auf beiden Seiten umströmt werden. Im Übrigen sind die Dimensionen der zweiten Barriere 40', insbesondere deren Höhe, wiederum so wie die der ersten Barriere 32 gewählt.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die zweite Zuleitung 20' mittig in den Durchflusskanal 12 mündet und eine dritte Zuleitung 42 vorgesehen ist, welche auf der Seite der zweiten Kanalwand 26 in den Durchflusskanal 12 mündet, so dass insgesamt drei Zuleitungen 18, 20', 42 in den Durchflusskanal 12 münden. In gleicher Weise ist am Ende des Durchflusskanals 12 die zweite Ableitung 30' zentral angeordnet und eine dritte Ableitung 46 auf der Seite der zweiten Kanal- wand 26 angeordnet, so dass der Durchflusskanal 12 in insgesamt drei Ableitungen 28, 30', 46 mündet.
Bei dieser Anordnung wird neben dem ersten und dem zweiten Medienstrom ein dritter Medienstrom durch die dritte Zuleitung 42 in den Durchflusskanal 12 dergestalt eingeleitet, dass der zweite und der dritte Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals 12 erstreckenden zweiten Grenzfläche 44 laminar in den Durchflusskanal 12 strömen, so dass insgesamt zwei Grenzflächen 22 und 44 in dem Durchflusskanal 12 ausgebildet sind. In dem gezeigten schematischen Beispiel verlaufen die Grenzflächen 22 und 44 näherungsweise parallel zueinander und parallel zu den beiden Kanalwänden 24 und 26. In der Realität werden die Ströme auch hier wenigstens bedingt durch die Barrieren 32 und 40' keine ideale parallele Ausrichtung in dem gesamten Durchflusskanal aufweisen.
Die magnetisch markierten Partikel 36 werden, wie zuvor beschrieben, zunächst von der ersten Barriere 32 in der zweiten Richtung abgelenkt und dabei durch die erste Grenzfläche 22 in den zweiten Medienstrom übergeleitet. Dort verweilen sie für eine vorbestimmte Dauer, welche wieder von der Strömungsgeschwindigkeit in der Durchflusskammer 12 einerseits und dem Abstand der ersten Barriere 32 und der zweiten Barriere 40' abhängt, bevor sie von der zweiten Barriere 40' in der gleichen Richtung quer zur Strömungsrichtung durch die zweite Grenzfläche 44 in den dritten Medienstrom übergeleitet werden. Zusammen mit dem dritten Medienstrom strömen die Partikel 36 durch die dritte Ableitung 46 aus dem Durchflusska- nal 12 heraus. Der erste Medienstrom, welcher wieder als Suspension mit wenigstens einem weiteren, unmagnetischen Partikeln 36 dargestellt ist, überströmt die erste Barriere 32 und umströmt die zweite Barriere 40' im Wesentlichen und fließt schließlich durch die erste Ableitung 28 ab. Der zweite Medienstrom fließt nach dem Passieren der ersten und zweiten Barrieren 32 und 40' durch die zweite Ableitung 30' aus dem Durchflusskanal heraus. In der Praxis gelten auch hier analog die Überlegungen zu Figur 1 , wenn man sicherstellen will, dass nichts von dem zweiten Medienstrom zusammen mit den ausgewählten extrahierten Partikeln 36 durch die dritte Ableitung 46 aus dem Durchflusskanal 12 austreten soll. Mit der Vorrichtung gemäß Figur 5 lassen sich beispielsweise die beiden Verfahren, welche im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 beschrieben wurden, kombinieren. Zunächst werden die magnetisch markierten Partikel 36 aus der Suspension des ersten Medienstroms isoliert und dabei in dem zweiten Medienstrom für eine vorgegebene Retardationszeit einer reaktiven Substanz ausgesetzt, nach deren Ablauf sie von dem zweiten Medienstrom getrennt werden, um die Reaktion zu stoppen. Schließlich werden die Partikel, weiterhin von der Suspension des ersten Medienstroms isoliert, zusammen mit dem dritten, beispielweise nicht reaktiven Medienstrom, abtransportiert und dem sich an die Ableitung 46 anschließenden Modul zugeführt.
Die Ausgestaltung und die Anwendungsvielfalt der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens erschöpfen sich ganz offenkundig nicht in den drei gezeigten Beispielen. Es können mehrere der gezeigten Vorrichtungen kaskadenartig hintereinandergeschaltet oder auch innerhalb eines Durch- flusskanals 12 weitere laminare Ströme und/oder Barrieren hinzugefügt werden, so dass eine beliebige Kaskade von Reaktionsvorgängen und Medienwechseln im Durchflussverfahren vorstellbar ist.
Figur 6 illustriert das Strömungsverhalten einzelner magnetischer Partikel einer- seits und nicht magnetische Partikel andererseits beim Passieren einer Barriere 32' in der x-y-Ebene parallel zum Kanalboden 14 anhand einer Simulationsrechnung. Die Spur oder Trajektorie magnetisch markierter Partikel in dem Fluid oder Medienstrom sind als durchgezogene Linie und die der nicht magnetischen Partikel als gestrichelte Linie dargestellt. Sowohl die magnetischen als auch die unmagnetischen Partikel bewegen sich auf der gleichen Anfangsbahn in positiver y-Richtung auf die Barriere 32' zu. Die magnetischen Partikel werden in Annäherung an die Barriere 32' in negativer Richtung abgelenkt und umströmen die Barriere in negativer x-Richtung vollstän- dig, weil sie sich aufgrund der Magnetkraft entlang des Kanalbodens bewegen und dort die Barriere nicht überspülen können.
Man erkennt deutlich, dass auch die nicht magnetischen Partikel an der Barriere 32' zunächst ein Stück in negativer x-Richtung abgelenkt werden. Dies hat damit zu tun, dass der Medienstrom insgesamt an der Barriere in negativer x-Richtung und zugleich in positiver z-Richtung, also vom Kanalboden weg, abgelenkt wird. Die hier gezeigte Trajektorie stellt die maximale Ablenkung unmagnetisierter Teilchen dar, die nur solche Teilchen durchlaufen die sich eingangs in nächstmöglicher Distanz zu dem Kanalboden bewegen. Dann aber überströmen die unmagne- tischen Partikel die Barriere, weil sie nicht am Boden gehalten werden, sondern der Strömung in dem Kanal folgen.
Diese Strömungsumlenkung an der Barriere ist, nebenbei bemerkt, auch der Grund für die weiter oben angesprochene leichte Ausbuchtung der Grenzfläche 22 im Bereich der ersten Barriere 32'.
Nach dem Passieren der Barriere erfahren die unmagnetischen Partikel noch einmal eine Ablenkung in negativer x-Richtung auf die Mitte des Durchflusskanals 12 zu. Die Ursache hierfür ist überwiegend immer noch der von der Barriere her- vorgerufenen Kanalverjüngung und der damit einhergehenden Richtungsänderung der Strömung geschuldet. Danach strömen die unmagnetischen Partikel 38 noch deutlich in der oberen Hälfte des Durchflusskanals 12 und parallel zu dessen Kanalwänden weiter. Die magnetischen Partikel 36 strömen nach Umströmen der Barriere 32' zunächst nicht auf einer geradlinigen Trajektorie parallel zu den Kanalwänden weiter, sondern zunächst um ein geringes Maß Δχ in positiver x-Richtung zurück. Aus dieser Erkenntnis ergibt sich die Notwendigkeit, die Barriere 32' so lang auszuführen, dass sie mindestens um das Maß Δχ über die hier nicht eingezeichnete Grenzfläche der beiden parallelen Medienströme in den zweiten Medienstrom hineinragt. Dann ist sichergestellt, dass die magnetischen Partikel 36 in dem zweiten Medienstrom verbleiben, in den sie übergeleitet werden sollen. Dieses Maß hängt mit der Breite des Durchflusskanals 12 zusammen. Um einen zuverlässigen Übergang in das angrenzende Medium sicher zu stellen, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Barriere um das Maß oder den Überstand b senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hineinragt, das wenigstens 5% der Breite B des Durchflusskanals 12 beträgt, vgl. Figur 1 . In Figur 7 ist ein Ausschnitt eines Durchflusskanals 50 in Draufsicht mit einer an dem Kanalboden angeordneten Barriere 52 gezeigt, welche sich von der ersten Kanalwand 54 ausgehend in Strömungsrichtung und unter einem Anstellwinkel α von 45° zur Strömungsrichtung erstreckende vordere Flanke 56 aufweist, an der die ausgewählten magnetisierten Partikel in der zuvor beschriebenen Weise abgelenkt werden. Insoweit besteht Gemeinsamkeit mit den bisher besprochenen, eher schematischen Darstellungen der Barriere. Im Unterschied dazu erstreckt sich die Barriere auf ihrer Rückseite, bezogen auf die Strömungsrichtung y, bis an das durch die beiden Abflüsse 58 und 59 markierte Ende des Durchflusskanals 50 in Form eines Plateaus, d.h. auf gleichbleibend erhabenem Niveau. Der Kanalboden ist mit dem Beginn der Barriere 52 deshalb nicht mehr flach und weist bis an das Ende des Kanals 50 einen Querschnitt mit einer Stufe auf. Hierdurch verschiebt sich in diesem gesamten Bereich die Grenzfläche zwischen den beiden Medienströmen in Richtung der zweiten Kanalwand 55. Diese Verschiebung muss bei der Bemessung der Breite der Barriere 52 quer zur Strö- mungsrichtung berücksichtigt werden. Durch die Weiterführung der Barriere 52 bis zum Kanalausgang 58 verhindert man, dass die nichtmagetischen Partikel, wie in Fig. 6 angedeutet, eine Ablenkung in Richtung des„falschen" Ausgangs erfahren. Gleichzeitig verhindert man, dass die magnetischen Partikel eine Ablenkung hin zu ihrem „falschen Ausgang" erfahren. Die magnetisch markierten Partikel laufen gewissermaßen in einer Rinne parallel zu der langgestreckten Barriere. Des Weiteren wird die Bildung von Sekundärströmen hinter dem Objekt minimiert, so dass die Grenzfläche der beiden Medienströme weniger gestört wird. Fertigungstechnisch ist der Vorteil, dass beim Fräßen weniger Material weggenommen werden muss, was die Stabilität der Struktur selber erhöht und die Fertigungszeit minimiert.
Eine Abwandlung der in Figur 7 gezeigten Barriere sieht vor, dass an der seitlichen, in Längsrichtung y des Durchflusskanals verlaufenden Kante der Barriere ein überhöhter Rand angeordnet ist, der verhindert, dass die nichtmagnetischen Partikel, die nicht von der Barriere abgelenkt werden sondern über sie hinweglaufen, stromabwärts seitlich von der Barriere in die vertiefte Rinne „herunterrutschen" und in die für diese Partikel unerwünschten Ableitung gelangen können.
Eine andere Form der Barriere 62 ist in dem Ausschnitt gemäß Figur 8 gezeigt. Diese Barriere 62 unterscheidet sich im Wesentlichen von der gemäß Figur 7 dadurch, dass ihre stromabwärts gelegene Flanke 67 senkrecht zu den Kanalwänden 64, 65 verläuft. Auch die Barriere 62 bildet in Strömungsrichtung y im Vergleich zu den Varianten der Figuren 1 , 3 und 5 noch ein ausgedehntes Plateau, jedoch nun nicht mehr bis zum Ende des Durchflusskanals 60. Aus ferti- gungstechnischer Sicht bietet diese Struktur im Vergleich zu der im Folgenden in Zusammenhang mit Fig. 9 diskutierten Variante Vorteile. Beispielsweise ist durch die in Strömungsrichtung breitere Struktur eine höhere mechanische Stabilität gewährleistet, was die Ausschussraten bei den Fertigungsschritten Fräsen und Entgraten zu verringern hilft. Die in Figur 9 gezeigte Ausgestaltung des Durchflusskanals 70 unterscheidet sich von der der Figur 8, abgesehen davon, dass hier eine erste Barriere 72 und eine zweiten Barriere 73 dargestellt sind, abermals in der Form der Barrieren. Beide Barriere 72, 73 kommen den Varianten aus den Figuren 1 , 3 und 5 am nächsten und stellen im Prinzip deren praktisch mögliche Umsetzung dar. Die Barrieren 72, 73 weisen in Strömungsrichtung jeweils eine vordere und eine hintere Flanke 76 und 77 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Lediglich in der Nähe der jeweiligen Kanalwand 74 bzw. 75 haben die Barrieren 72, 73 jeweils eine in Strömungsrichtung ausgedehntere Wurzel. Dies ist fertigungstechnischen Gründen geschuldet. Der Vorteil der ansonsten in Strömungsrichtung sehr schmalen Barrieren ist, dass durch das geringere Gesamtvolumen der Barrieren im Vergleich zu Fig. 8 die Wechselwirkung mit dem Fluid minimiert wird, so dass die Grenzfläche der Medienströme weniger gestört wird. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist im Übrigen bei der Fertigung im Spritzguss zu finden, weil weniger Aus- gangsmaterial verwendet werden muss.
Grundsätzlich ist die Anordnung von Barrieren nicht auf die gezeigten Formen beschränkt. Beispielsweise kann es in Abhängigkeit von den Fluiden/Medien und der dem Grad der Magnetisierbarkeit der Partikel auch sinnvoll sein, zur Verbes- serung der Trennleistung mehrere Führungsstrukturen gleicher Art hintereinander in dem Durchflusskanal anzuordnen.
Bezugszeichenliste
10 Substrat
12 Durchflusskanal
14 Kanalboden
16 Abdeckfolie
18 erste Zuleitung
20, 20' zweite Zuleitung
22 erste Grenzfläche
24 erste Kanalwand
26 zweite Kanalwand
28 erste Ableitung
30, 30' zweite Ableitung
32, 32' erste Barriere
34, 34' Magnetisierungsmittel
36 magnetisch markierte Partikel 38 unmagnetische Partikel
40, 40' zweite Barriere
42 dritte Zuleitung
44 zweite Grenzfläche
46 dritte Ableitung
48 Durchflusskanal
50 Durchflusskanal
52 Barriere
54 erste Kanalwand
55 zweite Kanalwand 56 vordere Flanke
58 erster Abfluss
59 zweiter Abfluss 60 Durchflusskanal
62 Barriere
64 Kanalwand
65 Kanalwand
67 hintere Flanke
70 Durchflusskanal
72 erste Barriere
73 zweite Barriere
74 Kanalwand
75 Kanalwand
76 vordere Flanke
77 hintere Flanke b Maß, Überstand der Barriere
B Breite des Durchflusskanals
h Höhe der Barriere
H Höhe des Durchflusskanals
x zweite Richtung quer zur Strömungsrichtung
y Strömungsrichtung, Längsrichtung des Durchflusskanals z erste Richtung quer zur Strömungsrichtung
Δχ Maß der Rückströmung in x-Richtung
α, a' Anstellwinkel zwischen Barriere und Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum kontinuierlichen Überführen ausgewählter, magnetisch markierter Partikel (36) von einem ersten Medienstrom in einen zweiten Medienstrom, bei dem
- die magnetisch markierten Partikel (36) zusammen mit dem ersten Medienstrom durch eine erste Zuleitung (18) in einen Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) eingeleitet werden,
- der zweite Medienstrom durch eine zweite Zuleitung (20, 20') in den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) eingeleitet wird,
- so dass der erste und der zweite Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) erstreckenden Grenzfläche (22) laminar durch den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) strömen,
- wobei die magnetisch markierten Partikel (36) mittels eines Magnetfeldgradienten innerhalb des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) in einer ersten Richtung (z) quer zur Strömungsrichtung (y) zu einem Kanalboden (14) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) hin abgelenkt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die in der ersten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel (36) in Annäherung an den Kanalboden (14) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) in Strömungsrichtung weiter bewegen und mittels wenigstens einer an dem Kanalboden (14) angeordneten ersten Barriere (32, 72) in einer zweiten Richtung (x) quer zur Strömungsrichtung und quer zur Grenzfläche (22) so weit abgelenkt werden, dass sie aus dem ersten Medienstrom in den zweiten Medienstrom übergehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Medienstrom durch eine erste Ableitung (28) und der zweite Medienstrom zusammen mit den magnetisch markierten Partikeln (36) durch eine zweite Ableitung (30) aus dem Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) herausgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die in der zweiten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel (36) mittels wenigstens einer an dem Kanalboden (14) stromabwärts der ersten Barriere (32, 72) angeordneten zweiten Barriere (40, 40', 73) entgegengesetzt zur zweiten Richtung so weit abgelenkt werden, dass sie aus dem zweiten Medienstrom zurück in den ersten Medienstrom übergehen.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Medienstrom zusammen mit den magnetisch markierten Partikeln (36) durch eine erste Ableitung (28) und der zweite Medienstrom durch eine zweite Ableitung (30) aus dem Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) herausgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Medienstrom durch eine dritte Zuleitung (42) in den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) der Gestalt eingeleitet wird, dass der zweite und der dritte Medienstrom unter Ausbildung einer sich in Längsrichtung des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) erstreckenden zweiten Grenzfläche (44) laminar durch den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) strömen, und
dass die in der zweiten Richtung abgelenkten magnetisch markierten Partikel (36) mittels wenigstens einer an dem Kanalboden (14) stromabwärts der ersten Barriere (32, 72) angeordneten zweiten Barriere (40, 40', 73) weiter in der zweiten Richtung abgelenkt werden, so dass sie aus dem zweiten Medienstrom in den dritten Medienstrom übergehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) eine Breite (B) aufweist und die Barriere um ein Maß (b) senkrecht zur Strömungsrichtung in den zweiten Medienstrom hineinragt, das wenigstens 5% der Breite (B) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) beträgt.
7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Bereitstellen von aus dem ersten Medienstrom separierten, magnetisch markierten Partikeln (36) im Durchfluss.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zum Bereitstellen einer Synthese aus den magnetisch markierten Partikeln (36) und dem zweiten Medienstrom im Durchfluss.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 5 zur temporären Synthese aus den magnetisch markierten Partikeln (36) und dem zweiten Medienstrom im Durchfluss.
10. Verwendung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Synthese durch die Wahl der Strömungsgeschwindigkeit der ersten und zweiten Medienströme bei gegebenem Abstand zwischen der ersten und der zweiten Barriere (40, 40', 73) in Strömungsrichtung eingestellt wird.
1 1 . Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Substrat (10), in dem ein eine Strömungsrichtung definierender, Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) mit einem Kanalboden (14) und
wenigstens eine erste und eine zweite in den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) mündende Zuleitung (18, 20, 42) ausgebildet sind,
und mit einem Magnetisierungsmittel (34, 34'), das eingerichtet ist, einen
Magnetfeldgradienten in dem Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) zu erzeugen, der quer zur Strömungsrichtung auf den Kanalboden (14) hin gerichtet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine an dem Kanalboden (14) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) angeordnete, sich quer zur
Strömungsrichtung und quer zum Magnetfeldgradienten erstreckende erste Barriere (32, 72) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (10) eine erste und eine zweite Ableitung (28, 30) ausgebildet sind, in die der Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) eine erste an den Kanalboden (14) angrenzende Kanalwand (24) aufweist, wobei die erste Zuleitung (18) auf der Seite der ersten Kanalwand (24) in den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Barriere (32, 72) von de ersten Kanalwand (24) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) ausge hend und in Richtung der Kanalmitte erstreckt. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Barriere (32, 72) von der ersten Kanalwand (24) ausgehend in Strömungsrichtung unter einem Anstellwinkel (a) zwischen 15° und 80°, bevorzugt zwischen 30° und 60°, zur Strömungsrichtung erstreckt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Substrat (10) eine an dem Kanalboden (14) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) stromabwärts der ersten Barriere (32, 72) angeordnete, sich quer zur Strömungsrichtung erstreckenden zweite Barriere (40, 40', 73) ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) eine zweite an den Kanalboden (14) angrenzende Kanalwand (26) aufweist, wobei die zweite Zuleitung auf der Seite der zweiten Kanalwand (26) in den Durchflusskanal (12, 48, 50, 60, 70) mündet.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 in Verbindung mit Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Barriere (40, 40', 73) von der zweiten Kanalwand (26) des Durchflusskanals (12, 48, 50, 60, 70) ausgehend und in Richtung der Kanalmitte erstreckt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Barriere (40, 40', 73) von der zweiten Kanalwand (26) in Strömungsrichtung unter einem Anstellwinkel (α') zwischen -15° und -80°, bevorzugt zwischen -30° und -60°, zur Strömungsrichtung erstreckt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Barriere (40, 40', 73) in gleicher Richtung wie die erste Barriere (32, 72) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und/oder zweite Barriere (32, 40, 40', 72, 73) über die Kanalmitte hinaus erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Barriere (32, 40, 40', 72, 73) ausgehend vom Kanalboden (14) eine Höhe aufweist, die zwischen 5% und 33%, bevorzugt zwischen 12% und 16% der Kanalhöhe zwischen dem Kanalboden (14) und einer gegenüberliegenden Kanaldecke beträgt.
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