Durchflusskammer mit GMR-Sensor und Zellleiteinrichtung Die Erfindung betrifft eine Durchflusskammer mit einer Zellleiteinrichtung und einem GMR-Sensor zur Detektion magnetisch markierter Zellen.

In einem magnetischen Durchflusszytometer können markierte Zellen mit Hilfe von speziellen Sensoren detektiert werden. Hierzu wird ein Medium, das sowohl unmarkierte als auch mar ^¬ kierte Zellen aufweist, durch einen Mikrofluidkanal einer Durchflusskammer geleitet, an dessen innerer Oberfläche der Sensor positioniert ist. Insbesondere die markierten Zellen passieren den Sensor idealerweise oberflächennah und werden durch diesen detektiert.

Zu diesem Zweck kommen bspw. GMR-Sensoren (Giant Magneto Resistance bzw. Riesenmagnetowiderstand) zum Einsatz. Die Funk- tionsweise eines GMR-Sensors beruht bekanntermaßen auf dem GMR-Effekt, bei dem Variationen eines äußeren Magnetfeldes vergleichsweise große Änderungen des elektrischen Widerstandes des Sensors bzw. der darin enthaltenen GMR-Struktur bewirken. Mit anderen Worten können über eine Messung des elektrischen Widerstandes des GMR-Sensors Rückschlüsse auf das magnetische Feld geschlossen werden, in dessen Einfluss ^¬ bereich sich der GMR-Sensor befindet.

In typischen Anwendungen von GMR-Sensoren wird zunächst ge- zielt ein äußeres Betriebsmagnetfeld B _G MR erzeugt. Sobald ein magnetischer Körper in Reichweite des GMR-Sensors in dieses Betriebsmagnetfeld B _G MR eintritt oder sich durch das Feld be ^¬ wegt, ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors mit der Folge, dass sich auch der elektrische Widerstand des Sensors messbar ändert. D.h. mit Hilfe des GMR-Sensors kann die Anwe ^¬ senheit des magnetischen Körpers detektiert bzw. registriert werden . Im Falle der Anwendung eines solchen GMR-Sensors in einer Durchflusskammer eines Durchflusszytometers können mit dem Sensor magnetisch markierte Zellen detektiert werden, wobei das Messprinzip auf dem oben beschriebenen Effekt basiert: Eine den GMR-Sensor passierende magnetisch markierte Zelle beeinflusst das Betriebsmagnetfeld B _G MR am Ort des Sensors, so dass die Anwesenheit der Zelle über die Messung des elektri ^¬ schen Widerstandes des Sensors nachgewiesen werden kann. Eine notwendige Grundvoraussetzung für die Funktion des GMR- Sensors ist jedoch die Anwesenheit des äußeren Betriebsmag ^¬ netfeldes B _G MR- Damit einhergehend ist es notwendig, einen entsprechenden Magneten, bspw. einen Permanentmagnet oder eine stromdurchflossene Spule, vorzusehen. Dies ist jedoch bspw. aufgrund der begrenzten Platzverhältnisse und, im Falle der stromdurchflossenen Spule, aufgrund der benötigten Be- schaltung und Versorgung der Spule nachteilig.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wenig aufwändige Zelldetektion mit einem GMR-Sensor zu ermög- liehen.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Durchflusskammer, welche von einem magnetisch markierte Zellen aufweisenden Medium druchströmbar ist, weist zumindest einen, an einer inneren Oberfläche der Durchflusskammer positionierten GMR-Sensor zur Zelldetektion auf sowie eine Zellleiteinrichtung mit zumindest einem ersten und einem zweiten magnetischen oder magnetisierbaren Flussstreifen. Die Flussstreifen sind derart voneinander beabstandet angeordnet, dass sich zwischen ihnen ein Magnetfeld B _F ausbildet. Der GMR-Sensor ist derart im Bereich des

Magnetfeldes B _F zwischen den Flussstreifen angeordnet ist, dass das Magnetfeld B _F der Flussstreifen als Betriebs ^¬ magnetfeld B _G MR des GMR-Sensors nutzbar ist. Es kann demnach vorteilhafterweise auf einen zusätzlichen Magneten zum Betreiben des GMR-Sensors verzichtet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Durchflusskammer ist der erste Flussstreifen in Strömungsrichtung gesehen vor dem Sensor positioniert und derart angeordnet und ausgebildet, dass er die in Strömungsrichtung strömenden, magnetisch markierten Zellen über den GMR-Sensor leitet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Durchflusskammer ist in Strömungsrichtung gesehen der zweite

Flussstreifen hinter dem GMR-Sensor positioniert und derart angeordnet und ausgebildet, dass er in Rückströmungsrichtung strömende, magnetisch markierte Zellen über den GMR-Sensor leitet.

Durch die Ausgestaltungen ist sichergestellt, dass der

Großteil der magnetisch markierten Zellen tatsächlich durch den GMR-Sensor detektiert werden kann.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines GMR- Sensors zur Zelldetektion einer Durchflusskammer eines

Durchflusszytometers, die von einem Medium mit magnetisch markierten Zellen durchströmt wird und die eine Zell- leiteinrichtung mit zumindest einem ersten und einem zweiten magnetischen oder magnetisierbaren Flussstreifen aufweist, sind die Flussstreifen derart voneinander beabstandet

angeordnet, dass sich zwischen ihnen ein Magnetfeld B _F ausbildet. Der GMR-Sensor ist im Bereich des Magnetfeldes B _F zwischen den Flussstreifen angeordnet. Das Magnetfeld B _F zwischen den Flussstreifen kann somit erfindungsgemäß als Be ^¬ triebsmagnetfeld B _G MR des GMR-Sensors verwendet werden.

In einer Weiterbildung des Verfahrens leitet der erste

Flussstreifen in Strömungsrichtung strömende, magnetisch markierte Zellen über den GMR-Sensor. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens leitet der zweite Flussstreifen in Rückströmungsrichtung strömende, magnetisch markierte Zellen über den GMR-Sensor.

Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.

Dabei zeigt:

Figur 1 eine Durchflusskammer im Querschnitt,

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Mikrofluidkanal der

Durchflusskämmer,

Figur 3 eine Seitenansicht einer Zellleiteinrichtung und eines GMR-Sensors,

Figur 4 eine Draufsicht auf einen Mikrofluidkanal einer

weiteren Ausgestaltung der Durchflusskammer.

In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.

Die Figur 1 zeigt eine Durchflusskammer 10 eines Durchfluss- zytometers im Querschnitt. Ein Medium 70, das die zu detek- tierenden, magnetisch markierten Zellen 20 sowie unmarkierte Zellen 30 enthält, gelangt in Strömungsrichtung 130 durch eine Öffnung 40 in die Durchflusskammer 10. Das Medium 70 durchströmt einen Mikrofluidkanal 11 der Kammer 10 und ver- lässt diesen nach der Detektion wieder durch eine weitere Öffnung 50. Die magnetisch markierten Zellen 20 werden mit Hilfe eines GMR-Sensors 60 detektiert. Wenn die magnetischen Zellen 20 den GMR-Sensor 60 passieren, beeinflussen sie das am Ort des Sensors herrschende Betriebsmagnetfeld B GMR · Dies wird vom GMR-Sensor 60 registriert und zur Detektion genutzt.

Die Durchflusskammer 10 weist eine Zellleiteinrichtung 120 auf. Diese Einrichtung 120 soll bewirken, dass die am Eingang 40 der Durchflusskammer 10 im Medium 70 noch stochastisch verteilten, magnetisch markierten Zellen 20 gezielt über den Sensor 60 geleitet werden können, d.h. zumindest innerhalb von dessen Reichweite, idealerweise mittig und unmittelbar über der Oberfläche des Sensors 60. Dies hat zur Folge, dass eine wesentlich größere Anzahl von Zellen 20 detektiert werden kann, da deutlich weniger Zellen bspw. seitlich am Sensor 60 vorbei strömen. Es ist demnach nicht mehr dem Zufall überlassen, ob eine markierte Zelle 20 in Reichweite des Sensors 60 gelangt und detektiert werden kann. Verschiedene Ausfüh- rungsformen einer solchen Zellleiteinrichtung werden in der parallelen deutschen Patentanmeldung "Durchflusskammer mit Zellleiteinrichtung" ausführlich beschrieben.

Die Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Innere einer Durch- flusskammer 10, wobei der Übersichtlichkeit wegen die unmar ^¬ kierten Zellen 30 nicht dargestellt sind. Aus dem gleichen Grund sind nur einige wenige der Zellen 20 exemplarisch mit Bezugszeichen versehen. Die Zellleiteinrichtung 120 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Flussstreifen 121, 122 auf, wobei der erste Flussstreifen 121 in Strömungsrichtung 130 gesehen vor dem GMR-Sensor 60 und der zweite Flussstreifen 122 hinter dem Sensor 60 angeordnet sind, so dass der erste Flussstreifen 121, der GMR-Sensor 60 und der zweite Flussstreifen 122 auf einer Linie liegen. Die den Sensor 60 pas- sierenden Zellen 20 werden also auch nach der Detektion auf vorgesehenen Bahnen geleitet. Die Flussstreifen 121, 122 sind in Strömungsrichtung 130 des Mediums ausgerichtet.

Durch die Wechselwirkung zwischen den magnetischen Zellen 20 und dem magnetischen Flussstreifen 121 wird bewirkt, dass die Zellen 20, während sie mit dem Medium 70 am Streifen 121 vorbeiströmen, die stochastische Verteilung verlassen und sich mit der Zeit am Streifen 121 anordnen. Der erste Flussstreifen 121 weist eingangsseitig einen breiteren Bereich 121/1 auf, mit dessen Hilfe die markierten Zellen 121 in Richtung des schmaleren Bereiches 121/2 geführt werden (der Begriff "Breite" bezieht sich hierbei auf die Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung 130, d.h. auf die y-Richtung) . Die Breite des Streifens 121 im Bereich 121/1 kann im Extremfall der Breite des Mikrofluidkanals 11 entsprechen. Die Breite des Flussstreifens 121 im in Strömungsrichtung 130 gesehen hinteren, schmaleren Bereich 121/2 kann im Wesentlichen am Durch- messer der Zellen 20 orientiert sein, ist jedoch in der Regel kleiner als die Breite des Sensors 60. Die hier dargestellte Form der Flussstreifen ist exemplarisch zu verstehen. Andere Formen sind natürlich je nach gewünschtem Effekt denkbar. Die markierten und auf dem ersten Flussstreifen 121 geordneten Zellen 20 werden mit Hilfe der Zellleiteinrichtung 120 gezielt über den GMR-Sensor 60 geleitet. Abgesehen von wenigen Ausnahmen, die nicht von den magnetischen Flussstreifen 121 erfasst wurden und daher nicht zu den Sensoren 60 gelei- tet werden, kann davon ausgegangen werden, dass ein Großteil der markierten Zellen 20 des Mediums 70 in Reichweite der GMR-Sensoren 60 gelangen, so dass mit der dargestellten Anordnung eine hohe Ausbeute erzielt werden kann, was sich bspw. bei gleichbleibender Statistik in einer kürzeren Mess- zeit oder bei gleichbleibender Messzeit in einer verbesserten Statistik äußert.

Die Flussstreifen 121, 122 bestehen aus einem magnetischen oder einem magnetisierbaren Material, bspw. aus Nickel. Wie schon für den ersten Flussstreifen 121 angemerkt kann auch die Breite des zweiten Flussstreifens 122 im Wesentlichen am Durchmesser der Zellen 20 orientiert sein, ist jedoch in der Regel kleiner als die Breite des Sensors 60. Typischerweise sind die Streifen 121, 122 bis zu ΙΟμη breit sowie 100-500nm hoch (z-Richtung) . Höhen in einer Größenordnung von lum sind ebenfalls denkbar. Der Mikrofluidkanal 11 ist typischerweise 100-400μη breit, ΙΟΟμη hoch und etwa 1mm lang (x-Richtung) . Die GMR-Sensoren 60 sind etwa 25-30μη breit. Erfindungsgemäß kann auf einen zusätzlichen Magneten zur Erzeugung des zum Betrieb der GMR-Sensoren 60 benötigten Betriebsmagnetfeldes B _G MR verzichtet werden, da aufgrund der An ^¬ ordnung der Flussstreifen relativ zum GMR-Sensor 60 durch die magnetischen Flussstreifen 121, 122 ein Magnetfeld B _F generiert wird, welches als Betriebsmagnetfeld B _G MR genutzt werden kann. Dies ist in der Figur 3 dargestellt. Die Figur 3 zeigt eine Seitenansicht bzw. einen Querschnitt durch den ersten Flussstreifen 121, den GMR-Sensor 60 und den zweiten Flussstreifen 122.

In der Figur 3A ist die Situation zu einem ersten Zeitpunkt tl dargestellt, zu dem die magnetisch markierte Zelle 20 noch so weit vom GMR-Sensor 60 entfernt ist, dass das von den bei ^¬ den, den Sensor 60 umgebenden Flussstreifen 121, 122 erzeugte Magnetfeld B _F , dessen Feldlinien exemplarisch vom ersten 121 zum zweiten Flussstreifen 122 weisen, von der Zelle 20 nicht beeinflusst wird.

Zu einem Zeitpunkt t2, der in der Figur 3B dargestellt ist, hat die magnetisch markierte Zelle 20 den GMR-Sensor 60 erreicht. Das von den Flussstreifen 121, 122 im Bereich des Sensors 60 erzeugte Magnetfeld B _F wird von der Zelle 20 ver ^¬ ändert, so dass der GMR-Sensor 60 aufgrund des eingangs be ^¬ schriebenen GMR-Effektes die Zelle 20 detektieren kann. Am Ort des GMR-Sensors 60 wird ein hoher Feldunterschied bewirkt zwischen den Enden der Flussstreifen 121, 122 und durch die durch die magnetisch markierten Zellen 20 quasi kurzgeschlossenen Flussstreifen 121, 122. Die Folge ist ein hoher Nutzsignalhub, obwohl kein zusätzlicher Magnet zur Erzeugung des externen Magnetfeldes B verwendet wird. In der Figur 3C ist schließlich ein dritter Zeitpunkt t3 dargestellt, zu dem die Zellen 20 den GMR-Sensor 60 bereits wie ^¬ der verlassen haben. Das Magnetfeld B _F zwischen den Flussstreifen 121, 122 hat sich wieder so eingestellt, wie in der Figur 3A demonstriert.

Erfindungsgemäß wird demnach das ohnehin an der Unterbre ^¬ chungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Flussstreifen 121, 122 der Zellleiteinrichtung 120 vorhandene Magnet- feld B _F genutzt, um das für den Betrieb des GMR-Sensors 60 benötigte Betriebsmagnetfeld B _G MR zur Verfügung zu stellen, d.h. B _G MR = B _F . Dieses Magnetfeld wird bei Anwesenheit einer magnetisch markierten Zelle 20 verzerrt, was bewirkt, dass sich der elektrische Widerstand des GMR-Sensors 60 messbar ändert .

Grundsätzlich ist es natürlich denkbar, nicht nur wie in der Figur 2 dargestellt eine einzelne Bahn bestehend aus dem ers- ten und zweiten Flussstreifen 121, 122 und dem Sensor 60 vorzusehen, sondern eine Vielzahl solcher Bahnen nebst einer entsprechenden Anzahl von Sensoren, die dann idealerweise parallel zueinander angeordnet sind. Für jede Bahn bildet sich zwischen den jeweiligen ersten und zweiten Flussstreifen, die vor bzw. hinter dem jeweiligen GMR-Sensor angeordnet sind, ein Magnetfeld B _F aus, das wie oben beschrieben als Betriebs ^¬ magnetfeld B _G MR des zugeordneten GMR-Sensors nutzbar ist. Eine entsprechende Durchflusskammer ist in der Figur 4 dargestellt .

Beim Betriebsverfahren der Durchflusskammer werden wie oben bereits angedeutet zur Detektion der magnetisch markierten Zellen 20 des die Durchflusskammer 10 des Durchfluss- zytometers durchströmenden Mediums 70 mit dem GMR-Sensor 60 die strömenden, markierten Zellen 20 mit dem ersten magnetischen oder magnetisierbaren Flussstreifen 121 der Zellleiteinrichtung 120 über den GMR-Sensor 60 geleitet. Der zweite Flussstreifen 122 wird bspw. vorteilhaft genutzt, wenn das Medium 70 und mit ihm die magnetisch markierten Zellen 20 nicht nur in der Strömungsrichtung 130 (positive x-Richtung) über den Sensor 60 geleitet wird, sondern abwechselnd in Strömungsrichtung 130 und in Rückströmungsrichtung 130' (negative x-Richtung, vgl. Figur 2) . Die Zellen 20 streichen demnach mehrfach über die Sensoren 60. Dies kann bspw. zur Verbesserung der Statistik dienen.

Die den Sensor 60 passierenden Zellen 20 sind in der Regel bereits geordnet, d.h. nicht mehr stochastisch verteilt. Der zweite Flussstreifen 122 dient also im Wesentlichen dazu, die Zellen 20 über den Sensor 60 zu leiten, während der erste Flussstreifen 121, insbesondere dessen breiterer Bereich 121/1 zusätzlich die Funktion hat, die anfangs stochastisch verteilten Zellen 20 zu sammeln und auf den schmaleren Bereiches 121/2 zu führen.