WO2007071374A1 - Vorrichtung und verfahren zum transport und zur bildung von kompartimenten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum transport und zur bildung von kompartimenten Download PDF

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Thomas Nacke
Gunter Gastrock
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Definitions

  • the invention relates to a device for transporting compartments according to the preamble of claim 1 and a method for forming and transporting compartments according to the preamble of claim 26.
  • Reactor, cultivation and sorting systems for isolated microorganisms, cells, DNA and RNA are known.
  • those systems have also been described in which the separated organic material is mixed with a liquid, e.g. is surrounded by nutrient solution in the form of a microsphere.
  • the compartment consisting of organic material and surrounding nutrient solution is moved by means of a transport fluid through a channel system. Since the nutrient solution is immiscible with the transport liquid used in these transport systems, a kind of microcapsule or compartment for the enclosed organic material is produced due to the surface tension. In this way, a 3-phase system of organic material, nutrient solution and transport liquid is formed.
  • the microsphere can also be gaseous.
  • the compartments are transported by externally connected pumps for the transport fluid or the nutrient fluids and other additives.
  • These pumps are, for example, designed as syringe pumps, in which pistons are driven by a spindle. Essentially, a force or pressure is applied. Elasticities in the hose connections require a jerky, difficult to control flow.
  • the compartmentalization is also dependent on the dynamic back pressure of the fluidic system.
  • controllable pumps to the extent that they can be integrated directly into the channel structure. They are designed, for example, as diaphragm pumps and can be controlled by the pressure drop via a measuring channel.
  • Such a system is described in US 6,458,325 for a device for the automatic and continuous analysis of liquid samples. The pumps are controlled by measuring the pressure drop.
  • the micropumps of the type described would destroy the compartments.
  • dielectrophoretic drives are used in which the interaction of the cells with an electric field, which acts for example via a comb structure is exploited.
  • EP 0871 888 for example, an automated molecular biology diagnostic system with electrophoretic transport system is shown. Specifically for the transport of compartments, according to the defined 3-phase system, methods were developed according to the principle of electrowetting (US 2004/0058450), in which the droplets (compartments) are transported. Using electrophoretic drives or the principle of electrowetting, it is also possible to set up surface-trained drives with properties of sorting and singling (US 2003/0173223).
  • the compartments attach themselves to the electrodes with displacement of the transport liquid, whereby the protective shell, formed from the surface tension between transport and nutrient fluid is destroyed. There is thus the danger of infections in the form of a mutual influence on the contents of the individual compartments.
  • Another disadvantage is the risk of sedimentation of substances in large-volume chambers.
  • the known transport systems therefore have a number of disadvantages for the directional transport of compartments.
  • the sensitivity or controllability of the pumps is not given and the vibration drives of the pumps can thus lead to the destruction of the compartment.
  • the operation is not reproducible.
  • the drive attacks the organic material in the compartment against the resistance of the carrier liquid. Applied electric fields cause the formation of dipoles.
  • Another problem in particular electrical transport methods is the direct contact of the electrode surfaces.
  • the invention is therefore based on the problem to provide a device and a method for the formation and transport of compartments, in which the compartments are gently and precisely moved by the flow of the transport liquid and still takes place a feedback on the position of the compartment. Also, contact with the channel wall as well as strong electrical fields acting on the compartments should be largely avoided.
  • the device according to the invention enables control of the compartment formation and the compartment transport.
  • the control is carried out by a continuous measurement of the pressure at the respective pressure measuring devices, which control the pumps and thus regulate the pump powers in response to the change in pressure conditions in the channels.
  • Such a control allows a gentle transport of the compartments formed in the transport liquid and allows parallel tracking of the position of the compartment in the channels.
  • a first pump is associated with the transport channel and is located in the flow direction of the transport liquid in front of the mouth of the inlet channel in the transport channel, wherein the mouth of the inlet channel is formed as a nozzle.
  • At least one mechanical filter for smoothing the pulse-like pressure surges is assigned to the transport channel in the flow direction of the transport liquid between the pump and the mouth.
  • the smoothing of the pressure surges avoids negative effects on the compartments.
  • the mechanical filter is designed in the form of a chamber which is closed by an elastic membrane.
  • the natural frequency of the diaphragm is matched to the frequency of the pump.
  • the filters preferably have a cutoff frequency smaller than the pump frequency.
  • the filter characteristic can be further improved.
  • the potential effect of an unfiltered pumping frequency on the compartments can also be deliberately used, for example, to deliberately stimulate certain vital functions.
  • micro diaphragm pump As pumps bi-directional micro diaphragm pump are preferably used, which act in one direction or the other depending on the control.
  • the micromembrane pumps can be used, which act in one direction or the other depending on the control.
  • Micro channels with the diameter of about 100 microns are sufficient. This results, for example, in the diameter of compartments between 10 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • a piezoresistive resistor array is preferably used as a pressure measuring device.
  • the resulting measurement errors are less than 100 Pa, a value that is completely sufficient for determining passages of compartments due to possible bottlenecks.
  • An important aspect for the functioning is the time constants of the individual functional elements.
  • the transport liquid has a higher specific gravity than the liquid in the inlet channel.
  • the transport liquid is a non-polar, water-immiscible liquid, in particular C 8 to C 2 o - kettige hydrocarbons and / or or fluorinated hydrocarbons.
  • the liquid present in the feed channel is preferably an aqueous solution, in particular a buffer solution and / or a nutrient solution, and contains organic material, in particular whole cells, DNA, RNA, peptides and / or further additives such as optical active substances for the optical detection of states of the Nutrient medium (eg pH, p ⁇ 2 ) or states of the organic material (eg fluorescent substances).
  • aqueous solution in particular a buffer solution and / or a nutrient solution
  • organic material in particular whole cells, DNA, RNA, peptides and / or further additives
  • optical active substances for the optical detection of states of the Nutrient medium (eg pH, p ⁇ 2 ) or states of the organic material (eg fluorescent substances).
  • the compartments have at least one organic material encapsulated in the liquid, the diameter of the compartments formed preferably being 50 to 1000 ⁇ m, in particular 100 to 500 ⁇ m.
  • the device is further characterized in that the inlet channel opens at an angle of 10 to 170 °, in particular 70 to 120 °, in particular 90 ° in the transport channel.
  • the diameter of transport channel and inlet channel is 50 to 1000 .mu.m, in particular 100 to 700 microns; preferably 500 microns.
  • the transport channel in the flow direction of the transport liquid behind the mouth of inlet channel has a channel constriction in the transport channel downstream and / or before the channel constriction at least one pressure measuring device for controlling the first and / or another pump is arranged.
  • the channel constriction allows the determination of the distance of the compartments in the transport channel.
  • the constriction causes, when passing the compartment at a first pressure measuring device, which is arranged in the flow direction of the transport liquid before the channel constriction, a pressure increase is measured, while arranged at the flow direction of the transport liquid behind the channel constriction pressure measuring device, a reduction of the channel pressure compared to the before Passage of the channel narrowing measured pressure is determined.
  • the difference between the two pressures is also a measure of the flow rate of the transport liquid with the compartments to be transported.
  • Transport and inlet channels are part of a branched channel system.
  • the channel system is characterized in that, in the direction of flow of the transport liquid, the transport channel has a branching into at least one first outlet channel and at least one second outlet channel.
  • the branch is arranged in the flow direction of the transport liquid behind the channel constriction.
  • the branch has the function of a switch.
  • the switch function is made possible in that advantageously at least one pump for steering the compartments is assigned to at least one further channel which opens into the transport channel at the branch.
  • the channel system has at least one outflow channel, which opens in the flow direction of the transport liquid behind the branch into at least one intake channel to form a transition.
  • at least one suction pump and at least one suction chamber are associated with a pressure measuring device the intake passage.
  • the intake duct has a smaller diameter than the outflow duct at the transition.
  • the compartment Due to the narrowing of the channel thus formed, the compartment is retained at the transition due to the suction pressure, whereby measurements of various parameters such as impedance or volume can be performed.
  • at least two electrodes connected to a generator are advantageously arranged at the transition.
  • At least one titration pump is associated with at least one channel which opens into the discharge channel at the transition.
  • the entire channel system is conveniently housed in a sandwich-like arrangement.
  • the object of the invention is also achieved by a method having the features of claim 26.
  • the method for forming and transporting the compartments using the device according to the invention is characterized in that the transport liquid is transported in the transport channel by the pump in the direction of the mouth of the inlet channel, wherein by the promotion of the transport liquid, a negative pressure in the inlet channel is generated. Characterized the liquid is entrained with the organic material from the inlet channel through the mouth of the transport liquid in the transport channel to form a compartment. In this way, a three-phase system of organic
  • the method is advantageously carried out in such a way that the pressure measuring device assigned to the inlet channel measures the pressure in the inlet channel dependent on the flow rate of the transport liquid and controls the pump assigned to the transport channel in front of the mouth of the inlet channel in the transport channel for regulating the flow rate of the transport liquid in the transport channel.
  • the pumping activity is regulated by a control loop consisting of a pressure measuring device, a regulator with known transmission characteristics and a pump. It is therefore possible by the pumping regulation to control the volume of the compartments formed by the performance of the pump so that with a certain probability, depending on the intended application, exactly one part of an organic material, e.g. a single cell of a microorganism. Also, by regulating the flow rate of the transport liquid, the volume of the compartments can be adjusted as needed.
  • a pressure measuring device arranged in the flow direction of the transport liquid upstream of the channel constriction corresponds to the volume of the compartments measures dependent pressure in the transport channel and controls at least one of the steering pumps, which causes a steering of the compartments in dependence on its volume in at least one discharge channel by delivering pressure pulses.
  • a pressure measuring device arranged in the flow direction of the transport liquid upstream of the channel constriction measures the pressure in the transport channel dependent on the volume of the compartments and controls an intake pump assigned to the intake channel.
  • the suction of the suction pump causes the transport of a compartment with a specific volume in at least one of the drainage channels to the narrowing transition of the drainage channel in the intake passage.
  • the compartment is deposited and caused by the deposition of a pressure increase in the intake passage and in the suction chamber.
  • the increase in pressure in the suction chamber associated with the intake passage is measured by a pressure measuring device also associated with the intake manifold, which in turn regulates the suction of the suction pump.
  • a defined amount of an additive is transported through the boundary layer of the deposited compartment by means of a titration pump, which is assigned to another channel opening into the discharge channel at the transition.
  • Preferred additives are optical active substances for the optical detection of conditions of the nutrient medium (eg pH, pO 2 ) or states of the organic material (eg fluorescent substances).
  • the modified compartment is transported by the suction pump counter to the flow direction of the transport liquid out of the discharge channel into at least one further discharge channel.
  • the measurement of the electrical resistance or the impedance of the compartment deposited at the junction is advantageously measured at different frequencies by application of an alternating voltage generated by a generator at different frequencies over at least two electrodes in the context of electroimpedance spectroscopy.
  • Figure 1 a schematic representation of a compartment
  • Figure 2 is a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 3a a schematic representation of a first variant of a second
  • FIG. 3b shows a schematic representation of a second variant of a second embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a third embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic representation of a fourth embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 6 is a schematic representation of a fifth embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 7 is a schematic representation of a sixth embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 8 a side view of the sixth embodiment.
  • Figure 1 illustrates schematically the structure of the compartments 5 of organic material 1, a surrounding liquid 2 e.g. Nutrient liquid, and an emerging boundary layer 7 to the non-polar transport liquid 3.
  • the compartment 5 is defined here by the boundary layer 7 between the liquid 2 in the compartment 5 and the surrounding transport liquid.
  • an additive 6 e.g. contains an agent which changes the development conditions of the organic material 1.
  • a polar liquid 2 is used in the compartment 5, it is also possible in principle, a compartment 5 with a nonpolar To move liquid (eg with an organic phase) in a polar transport liquid 3. In principle, it is also possible to use a gas as the fluid.
  • FIG. 1 A first embodiment with a generation of a compartment 5 is shown in FIG.
  • the transport liquid 3 is conveyed by a pump 20, e.g. is designed as a micromembrane pump, promoted.
  • the liquid 2 is e.g. in the form of a nutrient solution with the organic material 1; e.g. Cells of microorganisms.
  • the organic material 1 e.g. Cells of microorganisms.
  • the nutrient solution 2 in relation to the number of cells, the distance between the cells in the liquid 2 is relatively high.
  • the nutrient solution 2 is aqueous and insoluble in the transport liquid 3; it forms a boundary layer 7.
  • Compartments 5 are formed, the volume of which depends on the geometry of the nozzle 13, on the physical properties of the liquids 2 and 3, but also on the resulting negative pressure in the inlet channel 11 or on the power of the pump 20. It is now possible to control the volume of the compartment 5 by the power of the pump 20 so that with a certain probability, depending on the intended application, there is exactly one cell or one microorganism in each compartment 5.
  • the first pump 20 is here associated with the transport channel 12 for transporting the transport liquid 3.
  • the inlet channel 11 is associated with a pressure measuring device 30 for controlling the pump 20.
  • the mechanical filter 29 can be designed, for example, as a chamber which is closed by an elastic membrane and whose natural frequency is matched to the frequency of the pump 20.
  • the prevailing in the inlet channel 11 negative pressure during operation of the pump 20 builds up to a maximum, resulting in the tearing of the compartment 5 in the short term, an overpressure.
  • the pressure peak is easily measurable and can be used well as an indicator for the generation of a compartment 5.
  • the spacing of the compartment formation can be influenced with this arrangement by the fact that the pump 20 delivers, the required limit pressure in the inlet channel 1 1 for the nutrient solution 2 is not reached.
  • Figure 3a relates to a second embodiment of the device according to the invention, as with the help of a pressure measurement in the channel system and the distance between compartments 5 and the passage of compartments 5 can be measured at certain positions in the branched channel system.
  • a constriction 18 is provided in the transport channel 12, which causes a pressure increase when passing through the compartment 5 at the pressure measuring device 32, a reduction of the channel pressure compared with the pressures measured before the passage of the compartment 5 is detected at the pressure measuring device 33.
  • the difference between the two pressures is also a measure of the flow rate of the transport liquid 3 with the embedded compartments 5.
  • the pressure difference is the input signal for the setpoint / actual value comparison of the controller, which then the output signal for controlling the pump to regulate the Flow rate of the transport liquid and the distance of the compartments generated.
  • the constriction 18 preferably allows the passage of individual compartments, thus also a metrological detection of optical and / or electrical properties of the individual compartments, in particular of cells, after the passage of the channel constriction is possible.
  • the deformation of the compartment 5 and / or of the organic material 1 contained therein (cell deformation) favors the characterization due to morphological changes in particular of the cells on the one hand and the possibility of passage and thus the characterization of individual cells on the other hand. Passage of individual cells additionally allows a tomographic characterization.
  • only a single compartment 5 passes through the restriction 18, which can then be characterized by a suitable arrangement of electrodes in the area of the constriction or by optical methods.
  • the Narrowing 18 leads to a reduction in the measurement volume and thus to an increase in the spatial resolution of the characterization method.
  • the pressure increase that occurs through the constriction 18 during the passage of the compartment 5 and the organic material 1 enclosed therein may cause the compartment 5 and / or the enclosed organic material 1 to implode and be destroyed after the passage.
  • a pressure control is necessary, which acts on the pump 20 so that the conveying speed is reduced by the pump 20 to a necessary level.
  • the constriction 18 is dimensioned or designed so that only after the reduction of the conveying speed to a harmless value, the following compartment 5 reaches the constriction 18 and passes through or that the constriction is geometrically designed so that an implosion and destruction of the compartment 5 and of the organic material 1 is prevented (see specific outlet zone of the channel constriction in Figure 3b).
  • a device (third embodiment) for steering the compartments or a switch in the form of the branch 17 can also be controlled.
  • the steering pump 21 or the steering pump 22 After passage of the compartment 5 at the channel constriction 18 either the steering pump 21 or the steering pump 22 is active and gives the compartment 5 a shock that directs the compartment 5 either in the first flow channel 14 or the second flow channel 15.
  • a pulse is sufficient in this case, if at the branching point a stationary flow profile of the transport liquid 3 prevails.
  • the distance between the individual compartments 5 can also be controlled, in which, after passage of the channel constriction 18 through the second outlet channel 15, transport liquid 3 is briefly removed or metered in.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of a device for
  • the suction pump 23 becomes active after passage of the compartment 5 at the constriction 18 and pulls the compartment 5 in the transition 25, which is also referred to as Titrationssitz.
  • the intake passage 19 has a substantially smaller diameter than a compartment 5, so that when touching the Transition or Titriersitzes 25 due to the surface tension of the boundary layer 7, a pressure increase is measured by the pressure measuring device 38 in the suction chamber 24, which leads to switching off the suction pump 23.
  • the compartment 5 Due to the flow in the transport channel 12 and in the discharge channel 15, the compartment 5 is held in the transition or titration seat 25. Suction pump 23 and pressure measuring device 38 can be connected to a control loop, so that the compartment 5 is pressed into the titration seat 25 with a defined force. Subsequently, the titration pump 26 is active and promotes a desired amount of additive in the compartment 5, wherein the boundary layer 7 is penetrated. After completion of the titration process, the pump 23 is active in the reverse direction, promotes transport liquid 3 through the intake ports 19 and moves the compartment 5 b to the branch point in the channel. The compartment 5 then leaves the drainage channel 14.
  • an impedance measurement of the compartment 5 are made
  • the impedance provides important information about the life functions of the organic material 1, in particular of cells.
  • the transition or titration seat 25 is equipped with at least two electrodes 40. After the compartment 5 to be measured has been drawn into the titration seat 25 by the suction pump 23, an alternating voltage of different frequency is fed to the generator 43 via the electrodes 40 and the impedance is measured at different frequencies. The measurement result is evaluated via an electronic matching amplifier stage 41 and in the evaluation system 42.
  • the device according to the invention may be sandwiched according to a sixth embodiment shown in FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 shows a plan view of an arrangement of a pumping chamber 82 for the pump 20, a damping chamber 84 for the mechanical filter 29, a pressure measuring chamber 64 with pressure sensor 65 of the pressure measuring device 30, transport channel 12, inlet channel 11 and mouth 13.
  • the sandwiched arrangement is seen from the side.
  • the entire assembly is conveniently housed in a sandwich 90, in which two channel bodies 87 and 89, for example, made of silicon with semicircular channels fit each other accurately so that the circular channels are 11 and 12, for example.
  • the channel bodies 89 simultaneously contain the membranes 91, 92 and 93 for the micropumps, filters and pressure sensors by inserting the corresponding chambers 82, 84 and 64 into the channel body 89 so deeply that only a thin membrane remains.
  • Externally mounted on the channel body 89 are the actual pump drive 66 of the pump 20 in the form of a piezo disc, which forms a bimorph together with the membrane 91.
  • the transport channel 12 represents a dynamic flow resistance, which causes a directed flow depending on the shape of the drive signal.
  • the subsequent damping chamber 84 is elastically closed by the membrane 92 and filters out pressure peaks in the manner of a low-pass filter.
  • the pressure measuring device 30 is similar to the micropump 20 from a chamber which is closed with a membrane 64 and a piezoelectric layer 65 applied thereto.
  • a pressure measurement functional elements can be combined into an overall system, for example, a device for Kompartimenter Wegung with an impedimetric measuring station, a titration station, a tube memory for securing development conditions with a selection station, consisting of a further measuring station and a Soft combined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Transport von mindestens einem Kompartiment (5) in einer Transportflüssigkeit (3) in mindestens einem Transportkanal (12), wobei in den Transportkanal (12) mindestens ein Zulaufkanal (11) mit einer von der Transportflüssigkeit verschiedenen Flüssigkeit (2) mündet, die durch mindestens eine dem Transportkanal (12) zugeordnete erste Pumpe (20) zum Transport der Transportflüssigkeit (3), und durch mindestens eine dem Transportkanal (12) und/oder Zulaufkanal (11) zugeordnete Druckmesseinrichtung (30, 32, 33) zur Steuerung der Pumpe (20) gekennzeichnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bildung und zum Transport von mindestens einem Kompartiment (5).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Transport und zur Bildung von Kompartimenten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Kompartimenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Verfahren zur Bildung und Transport von Kompartimenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 26.
Reaktor-, Kultivierungs- und Sortiersysteme für vereinzelte Mikroorganismen, Zellen, DNA und RNA sind bekannt. Speziell sind auch solche Systeme beschrieben worden, bei denen das vereinzelte organische Material mit einer Flüssigkeit z.B. aus Nährlösung in Form einer Mikrosphäre umgeben wird. Das aus organischem Material und umgebender Nährlösung bestehende Kompartiment wird mit Hilfe eines Transportfluides durch ein Kanalsystem bewegt. Da die Nährlösung mit der in diesen Transportsystemen verwendeten Transportflüssigkeit nicht mischbar ist, entsteht bedingt durch die Oberflächenspannung eine Art Mikrokapsel oder Kompartiment für das eingeschlossene organische Material. Auf diese Weise wird ein 3-Phasen-System aus organischem Material, Nährlösung und Transportflüssigkeit gebildet. Durch Titration mit Additiven lassen sich unterschiedliche Entwicklungs- und Reaktionsbedingungen in der Mikrokapsel zum Zweck der Analyse oder der Kultivierung erzeugen. Die Mikrosphäre kann auch gasförmig sein.
Ein solches System eines Tröpfchenreaktors wird in der GB 2 097 692 A beschrieben. Kompartimente verschiedener Reagenzien werden in einen nicht mischbaren Trägerstrom dosiert. Diese Kompartimente können vereinigt, separiert und zu einer Auswertestation transportiert werden.
Die US 4,253,846 beschreibt ein kontinuierliches Flusssystem für separierte Proben, die mit zudosierten Reagenzien behandelt werden. In den Proceedings of SPIE 2002 VoI 4937 S. 174-181 wurde eine Anordnung veröffentlicht, bei der Kompartimente durch eine sequentielle Generierung zum Zweck der parallelen Zellkultivierung erzeugt werden.
In den genannten Schriften erfolgt der Transport der Kompartimente durch extern angeschlossene Pumpen für das Transportfluid bzw. die Nährflüssigkeiten und sonstige Additive. Diese Pumpen sind z.B. als Spritzenpumpen ausgeführt, bei denen Kolben durch eine Spindel vorangetrieben werden. Im Wesentlichen wird dabei eine Kraft bzw. Druck aufgeprägt. Elastizitäten in den Schlauchverbindungen bedingen eine ruckweise, schwer kontrollierbare Strömung. Die Kompartimentbildung ist zudem abhängig von dem dynamischen Gegendruck des Fluidiksystems. Es ist auch bekannt, steuerbare Pumpen soweit zu miniaturisieren, dass sie unmittelbar in die Kanalstruktur integriert werden können. Sie sind z.B. als Membranpumpen ausgeführt und lassen sich durch den Druckabfall über einen Messkanal steuern. Ein derartiges System ist in der US 6,458,325 für eine Vorrichtung zur automatischen und kontinuierlichen Analyse von Flüssigkeitsproben beschrieben. Die Steuerung der Pumpen erfolgt über die Messung des Druckabfalls. Allerdings würden die in den Kanal eingebauten Mikropumpen der beschriebenen Bauart die Kompartimente zerstören.
Speziell für den Transport von Zellen in Trägerfluiden werden dielektrophoretische Antriebe verwendet, bei denen die Wechselwirkung der Zellen mit einem elektrischen Feld, das beispielsweise über eine Kammstruktur einwirkt, ausgenutzt wird.
In der EP 0871 888 wird zum Beispiel ein automatisiertes molekularbiologisches Diagnosesystem mit elektrophoretischem Transportsystem dargestellt. Speziell für den Transport von Kompartimenten, entsprechend dem definierten 3-Phasensystem, wurden Verfahren nach dem Prinzip des Electrowetting entwickelt (US 2004/0058450), bei dem die Tröpfchen (Kompartimente) transportiert werden. Unter Nutzung elektrophoretischer Antriebe oder des Prinzips des Electrowettings lassen sich auch flächenmäßig ausgebildete Antriebe mit Eigenschaften des Sortierens und Vereinzeln aufbauen (US 2003/0173223).
Allerdings besitzen auch diese Antriebssysteme für organisches Material Nachteile beim Transport von organischem Material wie zum Beispiel Zellen und Mikroorganismen. Es besteht dabei die Gefahr, dass die Lebensfunktionen durch die relativ starken elektrischen Felder und die dadurch bedingte elektrische Dipolbildung beeinflusst werden. Diese elektrischen Felder müssen auch deshalb eine bestimmte Größe besitzen, weil die Transportkräfte auch an dem organischen Material angreifen und die Kompartimente gegen den Widerstand des Transportfluids bewegt werden müssen. Die Widerstandskräfte sind in den Mikrokanälen relativ hoch. Das Transportfluid wirkt eigentlich als Bremse.
Zudem lagern sich die Kompartimente unter Verdrängung der Transportflüssigkeit an den Elektroden an, wodurch die schützende Hülle, gebildet aus der Oberflächenspannung zwischen Transport- und Nährflüssigkeit zerstört wird. Damit besteht die Gefahr von Infektionen in Form einer gegenseitigen Beeinflussung des Inhaltes der einzelnen Kompartimente. Ein weiterer Nachteil besteht in der Gefahr der Sedimentierung von Stoffen bei großvolumigen Kammern. Die bekannten Transportsysteme weisen daher für den gerichteten Transport von Kompartimenten eine Reihe von Nachteilen auf. Die Feinfühligkeit bzw. Regelbarkeit der Pumpen ist nicht gegeben und die Vibrationsantriebe der Pumpen können somit zur Zerstörung des Kompartimentes führen. Es erfolgt keine Rückmeldung über die Position des Kompartimentes im Kanalsystem. Bei Gegendruck aus dem Kanalsystem ist die Funktionsweise nicht reproduzierbar. In der Regel greift der Antrieb am organischen Material im Kompartiment an gegen den Widerstand der Trägerflüssigkeit. Bei angelegten elektrischen Feldern kommt es zur Ausbildung von Dipolen. Ein weiteres Problem insbesondere elektrischen Transportmethoden stellt die direkte Berührung der Elektrodenoberflächen dar.
Der Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bildung und dem Transport von Kompartimenten bereitzustellen, bei dem die Kompartimente schonend und präzise durch den Fluss der Transportflüssigkeit bewegt werden und trotzdem eine Rückmeldung über die Position des Kompartimentes erfolgt. Auch soll ein Kontakt mit der Kanalwandung sowie starke elektrische, auf die Kompartimente einwirkende Felder weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist die Vorrichtung für den Transport von mindestens einem Kompartiment in einer Transportflüssigkeit in mindestens einem Transportkanal, in den ein Zulaufkanal mit einer von der Transportflüssigkeit verschiedenen Flüssigkeit mündet, wobei das Kompartiment eine mit der Transportflüssigkeit gebildete Grenzschicht aufweist, durch mindestens eine dem Transportkanal zugeordnete erste Pumpe zum Transport der Transportflüssigkeit und durch mindestens eine dem Transportkanal und / oder Zulaufkanal zugeordnete Druckmesseinrichtung zur Steuerung der Pumpe gekennzeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Steuerung der Kompartimentbildung und des Kompartimenttransportes. Die Steuerung erfolgt durch eine kontinuierliche Messung des Druckes an den jeweiligen Druckmesseinrichtungen, die die Pumpen ansteuern und somit die Pumpleistungen in Abhängigkeit von der Veränderung der Druckverhältnisse in den Kanälen regulieren. Eine derartige Steuerung ermöglicht einen schonenden Transport der gebildeten Kompartimente in der Transportflüssigkeit und ermöglicht parallel die Verfolgung der Position des Kompartiments in den Kanälen. Mit Vorteil ist eine erste Pumpe dem Transportkanal zugeordnet und befindet sich in Flussrichtung der Transportflüssigkeit vor der Mündung des Zulaufkanals in den Transportkanal, wobei die Mündung des Zulaufkanals als Düse ausgebildet ist.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn in Flussrichtung der Transportflüssigkeit zwischen der Pumpe und der Mündung mindestens ein mechanischer Filter zur Glättung der impulsartigen Druckstöße dem Transportkanal zugeordnet ist. Durch die Glättung der Druckstöße werden negative Auswirkungen auf die Kompartimente vermieden.
Bevorzugt ist der mechanische Filter in Form einer Kammer ausgebildet, die mit einer elastischen Membran verschlossen ist. Die Eigenfrequenz der Membran ist auf die Frequenz der Pumpe abgestimmt. Die Filter weisen jedoch bevorzugt eine Grenzfrequenz kleiner als die Pumpfrequenz auf. Durch Reihenschaltung mehrerer Filter kann die Filtercharakteristik weiter verbessert werden. Die mögliche Wirkung einer ungefilterten Pumpfrequenz auf die Kompartimente kann aber auch bewusst genutzt werden, um zum Beispiel bestimmte Lebensfunktionen bewusst zu stimulieren.
Als Pumpen werden bevorzugt bidirektionale Mikromembranpumpe verwendet, die je nach Ansteuerung in die eine oder andere Richtung wirken. Die Mikromembranpumpen können
Pumpleistungen von 1OkPa und Förderleistungen bis zu 100 μl/min erzielen, die für
Mikrokanäle mit dem Durchmesser von ca. 100 μm ausreichend sind. Daraus ergeben sich beispielsweise Durchmesser von Kompartimenten zwischen 10 μm bis 50 μm.
Pumpfrequenzen größer 1 kHz sind sinnvoll, weil so einerseits eine schnelle Reaktion auf Ergebnisse der Druckmessung ermöglicht wird, zum anderen sich solche Frequenzen durch mechanische Filter gut ausfiltern lassen.
Als Druckmesseinrichtung wird bevorzugt ein piezoresistiver Widerstandsarray verwendet. Die dabei entstehenden Messfehler sind kleiner als 100 Pa, ein für die Ermittlung von Passagen von Kompartimenten durch eventuelle Engstellen völlig ausreichender Wert. Ein wichtiger Aspekt für die Funktionsweise sind die Zeitkonstanten der einzelnen Funktionselemente.
Vorteilhafterweise weist die Transportflüssigkeit eine höhere spezifische Dichte als die Flüssigkeit im Zulaufkanal auf. Insbesondere ist die Transportflüssigkeit eine unpolare, nicht mit Wasser mischbare Flüssigkeit, insbesondere C8 bis C2o - kettige Kohlenwasserstoffe und / oder fluorisierte Kohlenwasserstoffe.
Die sich im Zulaufkanal befindende Flüssigkeit ist bevorzugt eine wässrige Lösung, insbesondere eine Pufferlösung und/oder eine Nährlösung, und enthält organisches Material, insbesondere ganze Zellen, DNA, RNA, Peptide und / oder weitere Additive wie optische aktive Substanzen zur optischen Detektion von Zuständen des Nährmediums (z.B. pH, pθ2) oder Zuständen des organischen Materials (z.B. fluoreszierende Substanzen).
Die auftretende Oberflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten ermöglicht somit die Ausbildung der Kompartimente. Mit Vorteil weisen die Kompartimente mindestens ein in der Flüssigkeit eingekapseltes organisches Material, wobei der Durchmesser der gebildeten Kompartimente bevorzugt 50 bis 1000 μm, insbesondere 100 bis 500 μm beträgt.
Die Vorrichtung ist des Weiteren dadurch charakterisiert, dass der Zulaufkanal mit einem Winkel von 10 bis 170°, insbesondere 70 bis 120°, insbesondere 90° in den Transportkanal mündet. Der Durchmesser von Transportkanal und Zulaufkanal beträgt 50 bis 1000 μm, insbesondere 100 bis 700 μm; bevorzugt 500 μm.
Auch ist es von Vorteil, wenn der Transportkanal in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Mündung von Zulaufkanal in den Transportkanal eine Kanalverengung aufweist, wobei in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter und/oder vor der Kanalverengung mindestens eine Druckmesseinrichtung zur Steuerung der ersten und / oder einer weiteren Pumpe angeordnet ist.
Die Kanalverengung ermöglicht die Bestimmung des Abstandes der Kompartimente im Transportkanal. Die Verengung bewirkt, das beim Passieren des Kompartiments an einer ersten Druckmesseinrichtung, die in Flussrichtung der Transportflüssigkeit vor der Kanalverengung angeordnet ist, eine Druckerhöhung gemessen wird, während an der in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Kanalverengung angeordneten Druckmesseinrichtung eine Reduzierung des Kanaldruckes gegenüber dem vor der Passage der Kanalverengung gemessenen Druckes ermittelt wird. Die Differenz zwischen beiden Drücken ist ausserdem ein Maß für die Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit mit den zu transportierenden Kompartimenten.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn an der Kanalverengung neben der Ermittlung der Fliessgeschwindigkeit auch weitere elektrische und/oder optische Eigenschaften der Kompartimente, insbesondere von Zellen, ermittelt werden. Die während der Passage der Kanalverengung auftretende Deformation der Kompartimente begünstigt z.B. die morphologische Charakterisierung von in den Kompartimenten enthaltenden Zellen. Auch ist eine tomographische Charakterisierung an der Kanalverengung durchführbar.
Transport- und Zulaufkanal sind Teil eines verzweigten Kanalsystems. Mit Vorteil ist das Kanalsystem dadurch charakterisiert, dass in Flussrichtung der Transportflüssigkeit der Transportkanal eine Verzweigung in mindestens einen ersten Ablaufkanal und mindestens einen zweiten Ablaufkanal aufweist. Die Verzweigung ist dabei in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Kanalverengung angeordnet ist.
Die Verzweigung weist dabei die Funktion einer Weiche auf. Die Weichenfunktion wird dadurch ermöglicht, dass vorteilhafterweise mindestens eine Pumpe zur Lenkung der Kompartimente mindestens einem weiteren Kanal zugeordnet ist, der an der Verzweigung in den Transportkanal mündet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kanalsystem mindestens einen Abflaufkanal auf, der in Flussrichtung der Transportflüssigkeit hinter der Verzweigung in mindestens einen Ansaugkanal unter Ausbildung eines Überganges mündet. Dabei sind dem Ansaugkanal mindestens eine Saugpumpe und mindestens eine Ansaugkammer mit einer Druckmesseinrichtung zugeordnet. Mit Vorteil weist der Ansaugkanal einen geringeren Durchmesser als der Abflusskanal am Übergang auf.
Durch die derart gebildete Verengung des Kanals wird das Kompartiment am Übergang bedingt durch den Ansaugdruck festgehalten, wodurch Messungen verschiedener Parameter wie Impedanz oder Volumen durchgeführt werden können. Zur Durchführung von Impedanzmessungen sind vorteilhafterweise mindestens zwei mit einem Generator verbundene Elektroden am Übergang angeordnet.
Modifizierungen des Kompartiments mittels Titrationspumpen sind hier ebenfalls möglich. Mit Vorteil ist daher mindestens eine Tritrationspumpe mindestens einem Kanal zugeordnet, der in den Abflusskanal am Übergang mündet.
Das gesamte Kanalsystem ist zweckmäßig in einer sandwichartigen Anordnung untergebracht. Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 26 gelöst.
Danach ist das Verfahren zur Bildung und Transport der Kompartimente unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Transportflüssigkeit im Transportkanal durch die Pumpe in Richtung Mündung des Zulaufkanals befördert wird, wobei durch die Förderung der Transportflüssigkeit ein Unterdruck im Zulaufkanal erzeugt wird. Dadurch wird die Flüssigkeit mit dem organischen Material aus dem Zulaufkanal durch die Mündung von der Transportflüssigkeit in den Transportkanal unter Ausbildung eines Kompartiments mitgerissen. Auf diese Weise wird ein dreiphasiges System aus organischem
Material, wässriger Lösung und Transportflüssigkeit gebildet.
Das Verfahren wird vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass die dem Zulaufkanal zugeordnete Druckmesseinrichtung den von der Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit abhängigen Druck im Zulaufkanal misst und die dem Transportkanal vor der Mündung des Zulaufkanals in den Transportkanal zugeordnete Pumpe zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit im Transportkanal ansteuert. Somit wird die Pumpaktivität durch einen Regelkreis bestehend aus einer Druckmesseinrichtung, einem Regler mit bekannten Übertragungsverhalten und einer Pumpe reguliert. Durch die Pumpregulierung ist es daher möglich, das Volumen der gebildeten Kompartimente durch die Leistung der Pumpe so zu steuern, dass sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit je nach vorgesehener Anwendung sich in je einem Kompartiment genau ein Teil eines organischen Materials, z.B. eine einzelne Zelle eines Mikroorganismus, befindet. Auch lässt sich durch die Regulierung der Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit das Volumen der Kompartimente je nach Bedarf einstellen.
Vorteilhafterweise misst mindestens eine vor und/oder nach der Kanalverengung in Flussrichtung der Transportflüssigkeit angeordnete Druckmesseinrichtung den von der Fließgeschwindigkeit und dem Abstand der Kompartimente abhängigen Druck im Transportkanal und bildet das Eingangssignal für den Soll-/Istwertvergleich des Reglers, welcher dann das Ausgangssignal zur Ansteuerung der Pumpe zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit und des Abstandes der Kompartimente generiert.
Auch ist es von Vorteil, wenn eine in Flussrichtung der Transportflüssigkeit vor der Kanalverengung angeordnete Druckmesseinrichtung den vom Volumen der Kompartimente abhängigen Druck im Transportkanal misst und mindestens eine der Lenkpumpen ansteuert, die eine Lenkung der Kompartimente in Abhängigkeit von dessen Volumen in mindestens einen Ablaufkanal durch Abgabe von Druckimpulsen bewirkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens misst eine in Flussrichtung der Transportflüssigkeit vor der Kanalverengung angeordnete Druckmesseinrichtung den vom Volumen der Kompartimente abhängigen Druck im Transportkanal und steuert eine dem Ansaugkanal zugeordnete Ansaugpumpe an. Die Saugwirkung der Ansaugpumpe bewirkt den Transport eines Kompartiments mit einem spezifischen Volumen in mindestens einen der Abflusskanäle bis zum sich verengenden Übergang des Abflusskanals in den Ansaugkanal. An diesem Übergang lagert sich das Kompartiment ab und bewirkt durch die Ablagerung einen Druckanstieg im Ansaugkanal und in der Ansaugkammer. Der Druckanstieg in der dem Ansaugkanal zugeordneten Ansaugkammer wird durch eine dem Ansaugkanal ebenfalls zugeordnete Druckmesseinrichtung gemessen, durch die wiederum die Ansaugleistung der Ansaugpumpe reguliert wird.
Zur Modifizierung des am Übergang abgelagerten Kompartiments wird mittels einer Titrationspumpe, die einem weiteren in den Abflusskanal am Übergang mündenden Kanal zugeordnet ist, eine definierte Menge eines Additivs durch die Grenzschicht des abgelagerten Kompartiments transportiert. Bevorzugte Additive sind optische aktive Substanzen zur optischen Detektion von Zuständen des Nährmediums (z.B. pH, pθ2) oder Zuständen des organischen Materials (z.B. fluoreszierende Substanzen). Das modifizierte Kompartiment wird nach Abschluss des Tritrationsvorganges durch die Ansaugpumpe entgegen der Flussrichtung der Transportflüssigkeit aus dem Abflusskanal in mindestens einen weiteren Abflusskanal befördert.
Die Messung des elektrischen Widerstandes bzw. der Impedanz des am Übergang abgelagerten Kompartiments wird mit Vorteil bei unterschiedlichen Frequenzen durch Anlegen einer durch einen Generator erzeugten Wechselspannung mit unterschiedlichen Frequenzen über mindestens zwei Elektroden im Rahmen der Elektroimpedanzspektroskopie gemessen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Kompartimentes;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 3a: eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer zweiten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 3b: eine schematische Darstellung einer zweiten Variante einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 4: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 5: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 6: eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 7: eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 8: eine Seitenansicht der sechsten Ausführungsform.
Figur 1 verdeutlicht schematisch den Aufbau der Kompartimente 5 aus organischem Material 1 , einer umgebenden Flüssigkeit 2 z.B. Nährflüssigkeit, und einer sich herausbildenden Grenzschicht 7 zur unpolaren Transportflüssigkeit 3. Das Kompartiment 5 definiert sich hier durch die Grenzschicht 7 zwischen der Flüssigkeit 2 im Kompartiment 5 und der umgebenden Transportflüssigkeit.
In das Kompartiment 5 wird ein Additiv 6 gegeben, das z.B. einen Wirkstoff enthält, der die Entwicklungsbedingungen des organischen Materials 1 verändert.
Auch wenn in allen Ausführungsbeispielen, ein polare Flüssigkeit 2 im Kompartiment 5 verwendet wird, ist es grundsätzlich auch möglich, ein Kompartiment 5 mit einer unpolaren Flüssigkeit (z.B. mit einer organischen Phase) in einer polaren Transportflüssigkeit 3 zu bewegen. Grundsätzlich ist es auch möglich, als Fluid ein Gas zu verwenden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Erzeugung eines Kompartimentes 5 wird in Figur 2 dargestellt. Im Transportkanal 12 wird die Transportflüssigkeit 3 durch eine Pumpe 20, die z.B. als eine Mikromembranpumpe ausgeführt ist, gefördert. Im Zulaufkanal 11 befindet sich die Flüssigkeit 2 z.B. in Form einer Nährlösung mit dem organischen Material 1 ; z.B. Zellen von Mikroorganismen. Durch eine hohe Verdünnung, d.h. eine große Menge der Nährlösung
2 im Verhältnis zu der Anzahl der Zellen ist der Abstand zwischen den Zellen in der Flüssigkeit 2 relativ hoch. Die Nährlösung 2 ist wässrig und in der Transportflüssigkeit 3 nicht lösbar; es bildet sich eine Grenzschicht 7 aus.
Ohne Wirkung der Pumpe 20 im Transportkanal 12 entsteht an der Mündung in Form einer Düse 13 ein stabiler Meniskus, der durch die Oberflächenspannung zwischen der Nährlösung 2 gegenüber der Transportflüssigkeit 3 bedingt ist. Durch die Förderung der Transportflüssigkeit 3 im Transportkanal 12 entsteht ein Unterdruck im Zulaufkanal 11 und die Nährlösung 2 wird aus dem Zulaufkanal 11 durch die Düse 13 herausgezogen bzw. mitgerissen. Die Funktion ist ähnlich einer Wasserstrahlpumpe.
Es bilden sich Kompartimente 5, deren Volumen von der Geometrie der Düse 13, von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten 2 und 3 aber auch vom entstehenden Unterdruck im Zulaufkanal 11 bzw. von der Leistung der Pumpe 20 abhängig ist. Es ist nun möglich, das Volumen des Kompartiments 5 durch die Leistung der Pumpe 20 so zu steuern, dass sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit je nach vorgesehener Anwendung sich in jedem Kompartiment 5 genau eine Zelle oder ein Mikroorganismus befindet.
Die erste Pumpe 20 ist hier dem Transportkanal 12 für einen Transport der Transportflüssigkeit 3 zugeordnet. Dem Zulaufkanal 11 ist eine Druckmesseinrichtung 30 zur Steuerung der Pumpe 20 zugeordnet.
Es ist zweckmäßig, hinter der Pumpe 20 einen mechanischen Filter 29 anzuordnen, um impulsartige Druckstöße im Transportkanal 12 zu glätten und eine negative Auswirkung auf das organische Material 1 zu vermeiden. Der mechanische Filter 29 kann z.B. als Kammer ausgeführt werden, die mit einer elastischen Membran verschlossen ist und deren Eigenfrequenz auf die Frequenz der Pumpe 20 abgestimmt ist. Der im Zulaufkanal 11 vorherrschende Unterdruck beim Betrieb der Pumpe 20 baut sich bis zu einem Maximum auf, wobei sich beim Abreißen des Kompartimentes 5 kurzfristig ein Überdruck ergibt. Die Druckspitze ist gut messbar und kann gut als Indikator für die Erzeugung eines Kompartimentes 5 benutzt werden. Gleichzeitig kann mit dieser Anordnung der Abstand der Kompartimentbildung beeinflusst werden, indem die Pumpe 20 zwar fördert, der erforderliche Grenzdruck im Zulaufkanal 1 1 für die Nährlösung 2 nicht erreicht wird.
Figur 3a betrifft eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie mit Hilfe einer Druckmessung im Kanalsystem auch der Abstand zwischen Kompartimenten 5 bzw. die Passage von Kompartimenten 5 an bestimmten Positionen im verzweigten Kanalsystem gemessen werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Verengung 18 im Transportkanal 12 vorgesehen, die bewirkt, dass beim Passieren des Kompartimentes 5 an der Druckmesseinrichtung 32 eine Druckerhöhung, an der Druckmesseinrichtung 33 eine Reduzierung des Kanaldruckes gegenüber dem vor der Passage des Kompartimentes 5 gemessenen Drücken festgestellt wird. Die Differenz zwischen beiden Drücken ist ebenfalls ein Maß für die Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit 3 mit den eingebetteten Kompartimenten 5. Die Druckdifferenz bildet dabei das Eingangssignal für den Soll / Ist-Wert- Vergleich des Reglers, welcher dann das Ausgangssignal zur Ansteuerung der Pumpe zur Regulierung der Fliessgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit und des Abstandes der Kompartimente generiert.
Um jedoch neben einer Aussage über die Fliessgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit und damit der Kompartimente auch eine Aussage über das druckabhängige Verhalten der Kompartimente 5 und deren Inhaltsstoffe wie organisches Material 1 : Zellen, Mikroorganismen, chemische Substanzen zu erhalten
Da die Verengung 18 bevorzugt die Passage einzelner Kompartimente ermöglicht, ist somit auch eine messtechnische Erfassung von optischen und/oder elektrischen Eigenschaften der einzelnen Kompartimente, insbesondere von Zellen, nach der Passage der Kanalverengung möglich. Die Deformation des Kompartiments 5 und/oder des darin enthaltenen organischen Materials 1 (Zelldeformation) begünstigt die Charakterisierung aufgrund morphologischer Änderungen insbesondere der Zellen einerseits und der Möglichkeit der Passage und damit der Charakterisierung einzelner Zellen andererseits. Eine Passage einzelner Zellen erlaubt zusätzlich eine tomographische Charakterisierung. Im Idealfall passiert nur ein einzelnes Kompartiment 5 die Verengung 18, die dann durch eine geeignete Anordnung von Elektroden im Bereich der Verengung oder durch optische Methoden charakterisiert werden können. Die Verengung 18 führt zur Verkleinerung des Messvolumens und damit zur Erhöhung der räumlichen Auflösung der Charakterisierungsmethode.
Die während der Passage des Kompartiments 5 und des darin eingeschlossenen organischen Materials 1 durch die Verengung 18 eintretende Druckerhöhung kann jedoch dazu führen, dass nach der Passage das Kompartiment 5 und/oder das eingeschlossene organische Material 1 implodiert und zerstört wird. Um diese Druckstöße auf ein unschädliches Maß zu reduzieren, ist eine Druckregelung notwendig, die derart auf die Pumpe 20 einwirkt, dass die Fördergeschwindigkeit durch die Pumpe 20 auf ein notwendiges Maß reduziert wird. Die Verengung 18 ist dabei so dimensioniert bzw. ausgebildet, dass erst nach der Reduzierung der Fördergeschwindigkeit auf einen unschädlichen Wert das folgende Kompartiment 5 die Verengung 18 erreicht und durchläuft oder dass die Verengung geometrisch so gestaltet wird, dass eine Implosion und Zerstörung des Kompartiments 5 und des organischen Materials 1 verhindert wird (siehe spezifische Auslaufzone der Kanalverengung in Figur 3b).
Mit Hilfe von im Kanalsystem integrierten Druckmesseinrichtungen 32 kann, wie in Figur 4 dargestellt, auch eine Vorrichtung (dritte Ausführungsform) zur Lenkung der Kompartimente bzw. eine Weiche in Form der Verzweigung 17 gesteuert werden. Nach Passage des Kompartimentes 5 an der Kanalverengung 18 wird entweder die Lenkpumpe 21 oder die Lenkpumpe 22 aktiv und erteilt dem Kompartiment 5 einen Stoß, der das Kompartiment 5 entweder in den ersten Ablaufkanal 14 oder den zweiten Ablaufkanal 15 lenkt. Ein Impuls reicht in diesem Fall aus, wenn an der Verzweigungsstelle ein stationäres Strömungsprofil der Transportflüssigkeit 3 vorherrscht. Mit der gleichen Anordnung lässt sich auch der Abstand zwischen den einzelnen Kompartimenten 5 steuern, in dem nach Passage der Kanalverengung 18 durch den zweiten Ablaufkanal 15 kurzzeitig Transportflüssigkeit 3 entzogen bzw. zudosiert wird.
Für Analyseaufgaben ist es wichtig, die Zusammensetzung der Flüssigkeit 2 im Kompartiment 5 zu verändern und die Reaktion auf das organische Material festzustellen. Zu diesem Zweck wird die Bewegung des Kompartimentes 5 kurzzeitig unterbrochen und ein
Additiv 6 eingebracht. Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Modifizierung eines Kompartiments 5. Zum Zweck der Modifizierung wird die Saugpumpe 23 nach Passage des Kompartimentes 5 an der Engstelle 18 aktiv und zieht das Kompartiment 5 in den Übergang 25, der auch als Titrationssitz bezeichnet wird. Der Ansaugkanal 19 hat einen wesentlich kleineren Durchmesser als ein Kompartiment 5, so dass beim Berühren des Überganges bzw. Titriersitzes 25 bedingt durch die Oberflächenspannung der Grenzschicht 7 ein Druckanstieg durch die Druckmesseinrichtung 38 in der Ansaugkammer 24 gemessen wird, was zum Abschalten der Ansaugpumpe 23 führt.
Bedingt durch die Strömung im Transportkanal 12 und im Ablaufkanal 15 wird das Kompartiment 5 im Übergang bzw. Titriersitz 25 gehalten. Ansaugpumpe 23 und Druckmesseinrichtung 38 können zu einem Regelkreis verschaltet werden, so dass das Kompartiment 5 in den Titrationssitz 25 mit einer definierten Kraft hereingepresst wird. Anschließend wird die Titrationspumpe 26 aktiv und fördert eine gewünschte Menge Additiv in das Kompartiment 5, wobei die Grenzschicht 7 durchschlagen wird. Nach Abschluss des Titrationsvorganges wird die Pumpe 23 in umgekehrte Richtung aktiv, fördert Transportflüssigkeit 3 durch die Ansaugkanäle 19 und bewegt das Kompartiment 5 b zu der Verzweigungsstelle im Kanal. Das Kompartiment 5 verlässt anschließend den Ablaufkanal 14.
Ähnlich kann, wie in Figur 6 für eine fünfte Ausführungsform dargestellt, eine Impedanzmessung des Kompartimentes 5 vorgenommen werden Die Impedanz gibt wichtigen Aufschluss über die Lebensfunktionen des organischen Materials 1 , insbesondere auch von Zellen. Zu diesem Zweck wird der Übergang bzw. Titrationssitz 25 mit mindestens zwei Elektroden 40 ausgestattet. Nachdem das zu messende Kompartiment 5 durch die Saugpumpe 23 in den Titrationssitz 25 gezogen wurde, wird eine Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz mit dem Generator 43 über die Elektroden 40 eingespeist und die Impedanz bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen. Das Messergebnis wird über eine elektronische Anpass-Verstärkerstufe 41 und im Auswertesystem 42 ausgewertet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gemäß einer in den Figuren 7 und 8 gezeigten sechsten Ausführungsform sandwichartig angeordnet sein.
Figur 7 zeigt eine Aufsicht auf eine Anordnung einer Pumpkammer 82 für die Pumpe 20, einer Dämpfungskammer 84 für den mechanischen Filter 29, Druckmesskammer 64 mit Drucksensor 65 der Druckmesseinrichtung 30, Transportkanal 12, Zulaufkanal 11 sowie Mündung 13.
In Figur 8 ist die sandwichartige Anordnung von der Seite zu sehen. Die gesamte Anordnung wird zweckmäßig in einem Sandwich 90 untergebracht, bei dem zwei Kanalkörper 87 und 89 zum Beispiel aus Silizium mit halbkreisförmigen Kanälen passgenau aufeinander gesetzt werden, sodass sich die kreisförmigen Kanäle beispielsweise 11 und 12 ergeben. Die Kanalkörper 89 enthalten gleichzeitig die Membranen 91 , 92 und 93 für die Mikropumpen, Filter und Drucksensoren, indem die entsprechenden Kammern 82, 84 und 64 so tief in den Kanalkörper 89 eingebracht werden, dass nur eine dünne Membran übrig bleibt. Außen auf dem Kanalkörper 89 angebracht befinden sich die eigentlichen Pumpantrieb 66 der Pumpe 20 in Form einer Piezoscheibe, die zusammen mit der Membran 91 ein Bimorph bildet. Durch elektrische Ansteuerung der Piezoscheibe verformt sich der Bimorph und erzeugt eine oszillierende Pumpbewegung auf die Kammer. Der Transportkanal 12 stellt einen dynamischen Strömungswiderstand dar, der je nach Form des Ansteuersignals eine gerichtete Strömung bewirkt. Die nachfolgende Dämpfungskammer 84 wird durch die Membran 92 elastisch abgeschlossen und filtert Druckspitzen in der Art eines Tiefpasses aus. Die Druckmesseinrichtung 30 besteht ähnlich der Mikropumpe 20 aus einer Kammer, die mit einer Membran 64 und einer darauf aufgebrachten Piezoschicht 65 abgeschlossen wird.
Die beschriebenen, im Wesentlichen durch eine Druckmessung gesteuerten Funktionselemente können zu einem Gesamtsystem kombiniert werden, das zum Beispiel eine Vorrichtung zur die Kompartimenterzeugung mit einer impedimetrischen Messstation, einer Titrationsstation, einem Röhrenspeicher zur Sicherung von Entwicklungsbedingungen mit einer Selektionsstation, bestehend aus einer weiteren Messstation und einer Weiche kombiniert.
Bezugszeichenliste
1 Organisches Material
2 Flüssigkeit im Zulaufkanal 3 Transportflüssigkeit
5 Kompartiment
6 Additiv
7 Grenzschicht
11 Zulaufkanal
12 Transportkanal
13 Mündung
14 ein erster Ablaufkanal 15 ein zweiter Ablaufkanal
16 a, b, c Kanal
17 Verzweigung
18 Kanalverengung
19 Ansaugkanal
20 erste Pumpe, dem Transportkanal zugeordnet
21 eine erste Lenkpumpe
22 eine zweite Lenkpumpe
23 Ansaugpumpe 24 Ansaugkammer
25 Übergang von Ablaufkanal in Ansaugkanal
26 Titrationspumpe
29 Mechanische Filter
30 Druckmesseinrichtung, dem Zulaufkanal zugeordnet
32 Druckmesseinrichtung vor der Verengung 18
33 Druckmesseinrichtung hinter der Verengung 18
38 Druckmesseinrichtung, der Ansaugkammer 24 zugeordnet 40 Elektroden
41 elektronische Anpass-Verstärkerstufe
42 Auswertesystem
43 Generator
64 Druckmesskammer
65 Drucksensor
66 Pumpantrieb
81 Einlassdüse
82 Pumpkammer
83 Auslassdüse
84 Dämpfungskammer
85 Oberer Halbkanal 86 Unterer Halbkanal
87 ein erster Kanalkörper
88 Dämpfungskanal
89 ein zweiter Kanalkörper
90 Sandwich 91 Pumpmembran
92 Filtermembran
93 Druckmessmembran

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung für den Transport von mindestens einem Kompartiment (5) in einer Transportflüssigkeit (3) in mindestens einem Transportkanal (12), wobei in den Transportkanal (12) mindestens ein Zulaufkanal (1 1 ) mit einer von der Transportflüssigkeit (3) verschiedenen Flüssigkeit (2) mündet, wobei das Kompartiment (5) eine mit der Transportflüssigkeit (3) gebildete Grenzschicht (7) aufweist,
gekennzeichnet durch
mindestens eine dem Transportkanal (12) zugeordnete erste Pumpe (20) zum Transport der Transportflüssigkeit (3), und durch mindestens eine dem Transportkanal (12) und/oder Zulaufkanal (11 ) zugeordnete Druckmesseinrichtung (30, 32, 33) zur Steuerung der Pumpe (20).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (20) in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) dem Transportkanal (12) vor der Mündung (13) des Zulaufkanals (11) in den Transportkanal (12) zugeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) zwischen der Pumpe (20) und der Mündung (13) mindestens ein mechanischer Filter (29) zur Glättung der impulsartigen Drückstöße dem Transportkanal (12) zugeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Filter (29) in Form einer mit einer elastischen Membran verschlossenen Kammer ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Pumpe, insbesondere die erste Pumpe (20), eine bidirektionale Mikromembranpumpe ist.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (30, 32, 33) einen piezoresistives Widerstandsarray aufweist.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportflüssigkeit (3) eine höhere spezifische Dichte als die Flüssigkeit (2) aufweist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportflüssigkeit (3) eine unpolare, nicht mit Wasser mischbare
Flüssigkeit ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (2) eine wässrige Lösung ist und organisches Material (1 ) enthält.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompartiment (5) mindestens eine Spezies in der Flüssigkeit (2) eingekapselte organisches Material (1 ) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material (1 ) aus ganzen Zellen von Mikroorganismen, DNA, RNA, Peptide und / oder weitere Additive (6) besteht.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompartiment (5) einen Durchmesser von 10 bis 50 μm aufweist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (2) eine Pufferlösung und / oder Nährlösung ist.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (11) mit einem Winkel von 10 bis 170°, insbesondere 70 bis 120°, insbesondere 90° in den Transportkanal (12) mündet.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanaldurchmesser von Transportkanal (12) und Zulaufkanal 50 bis 1000 μm, insbesondere 100 bis 700 μm; bevorzugt 500 μm, beträgt.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden . Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) der Transportkanal (12) hinter der Mündung (13) eine Kanalverengung (18) aufweist.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) hinter und/oder vor der Kanalverengung (18) mindestens eine Druckmesseinrichtung (32, 33) zur Steuerung der Pumpe (20) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) der Transportkanal (12) eine Verzweigung (17) in mindestens einen ersten Ablaufkanal (14) und mindestens einen zweiten Ablaufkanal (15) aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzweigung (17) in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) hinter der Kanalverengung (18) angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Pumpe (21 , 22) zur Lenkung der Kompartimente (5) mindestens einem Kanal (16a, 16b) zugeordnet ist, der an der Verzweigung (17) in den Transportkanal (12) mündet.
21. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abflaufkanal (14, 15) in Flussrichtung der
Transportflüssigkeit (3) hinter der Verzweigung (17) in mindestens einen Ansaugkanal (19) unter Ausbildung eines Überganges (25) mündet, wobei dem Ansaugkanal (19) mindestens eine Saugpumpe (23) und mindestens eine Ansaugkammer (24) mit einer Druckmesseinrichtung (38) zugeordnet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (19) einen geringeren Durchmesser als der Abflusskanal (14, 15) am Übergang (25) aufweist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Titrationspumpe (26) mindestens einem weiteren Kanal (16c) zugeordnet ist, der in den
Abflusskanal (14) am Übergang (25) mündet.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass am Übergang (25) mindestens zwei mit einem Generator (43) verbundene Elektroden (40) zur Messung der Impedanz angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine sandwichartige Anordnung.
26. Verfahren zur Bildung und Transport eines Kompartiments (5) unter Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Transportflüssigkeit (3) im Transportkanal (12) durch die Pumpe (20) in Richtung Mündung (13) des Zulaufkanals (11 ) befördert wird, wobei
b) durch die Förderung der Transportflüssigkeit (3) ein Unterdruck im Zulaufkanal (11 ) erzeugt wird,
c) wodurch die Flüssigkeit (2) mit dem organischen Material (1 ) aus dem Zulaufkanal (11 ) durch die Mündung (13) von der Transportflüssigkeit (3) in den Transportkanal (12) unter Ausbildung eines Kompartiments (5) mitgerissen wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass die dem Zulaufkanal (1 1 ) zugeordnete Druckmesseinrichtung (30) den von der Fließgeschwindigkeit der
Transportflüssigkeit (3) abhängigen Druck im Zulaufkanal (11) misst und die Pumpe (20) zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit (3) im Transportkanal (2) ansteuert.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27 dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kompartimente (5) durch die Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit (3) bestimmt wird.
29. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 28 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine vor und/oder nach der Kanalverengung (18) in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) angeordnete Druckmesseinrichtung (32, 33) den von der Fließgeschwindigkeit und dem Abstand der Kompartimente (5) abhängigen Druck im Transportkanal (12) misst und die Pumpe (20) zur Regulierung der Fließgeschwindigkeit der Transportflüssigkeit (3) und des Abstandes zwischen den Kompartimenten (5) ansteuert.
30. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 29 dadurch gekennzeichnet, dass eine in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) vor der Kanalverengung (18) angeordnete Druckmesseinrichtung (32) den vom Volumen der Kompartimente (5) abhängigen Druck im Transportkanal (12) misst und mindestens eine der Lenkpumpen (21 , 22) ansteuert, die eine Lenkung der Kompartimente (5) in Abhängigkeit von deren optischen Eigenschaften, Dichte, Viskosität, Impedanz in mindestens einen der Ablaufkanäle (14, 15) durch Abgabe von Druckimpulsen bewirkt.
31. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 30 dadurch gekennzeichnet, dass eine in Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) vor der Kanalverengung (18) angeordnete Druckmesseinrichtung (32) den vom Volumen der Kompartimente (5) abhängigen Druck im Transportkanal (12) misst und die Ansaugpumpe (23) ansteuert, durch deren Saugwirkung ein Kompartiment (5) mit einem spezifischen Volumen in mindestens einen Abflusskanal (15) bis zum Übergang (25) transportiert wird, das Kompartiment (5) sich am Übergang (25) ablagert und durch die Ablagerung einen Druckanstieg im Ansaugkanal (19) und in der Ansaugkammer (24) bewirkt, wobei die Druckmesseinrichtung (38) den Druckanstieg in der Ansaugkammer (24) misst und die Ansaugpumpe (23) zur Regulierung der Ansaugleistung ansteuert.
32. Verfahren nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, dass die Titrationspumpe (26) eine definierte Menge eines Additivs (6) durch die Grenzschicht (7) des am Übergang (25) abgelagerten Kompartiments (5) transportiert.
33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32 dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugpumpe (23) nach Abschluss des Tritrationsvorganges das mit dem Additiv versehene Kompartiment (5) entgegen der Flussrichtung der Transportflüssigkeit (3) aus dem Abflusskanal (15) in mindestens einen weiteren Abflusskanal (14) transportiert.
34. Verfahren nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz eines Kompartiments (5) am Übergang (25) bei unterschiedlichen Frequenzen durch Anlegen einer durch den Generator (43) erzeugten Wechselspannung mit unterschiedlichen Frequenzen über die Elektroden (40) gemessen wird.
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