Verfahren und Vorrichtung zum Sortieren von Mikropartikeln in einem

Fluidstrom

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sortieren von

Mikropartikeln in einem Fluidstrom, wobei die Vorrichtung mindestens eine

Detektionseinheit zum Detektieren von einen Detektionsbereich passierenden

Mikropartikeln in dem Fluidstrom und zum Erzeugen eines Identifikationssignals, eine Verzweigung mit mindestens einem Eingang und mindestens zwei Ausgängen, wobei mindestens ein Ausgang eine Schaltstelle aufweist, und eine Schalteinheit zum Schalten der Verzweigung in Abhängigkeit von dem Identifikationssignal durch eine

vorübergehende lokale Einbringung von Wärme an mindestens einer Schaltstelle der Verzweigung zur kurzzeitigen Reduzierung der Viskosität des Fluides an der Schaltstelle umfasst, so dass ein mittels der mindestens einen Detektionseinheit detektiertes

Mikropartikel den vom Identifikationssignal vorgegebenen Ausgang passiert.

Eine Identifizierung von Mikropartikeln in einem Fluid ist unter anderem in der medizinischen Diagnostik erforderlich. Beispielsweise in der konventionellen

Sepsisdiagnostik wird bei einem Anfangsverdacht dem Patienten Blut entnommen. Da keine Kenntnis des Erregertypus vorliegt, kann der Patient in dieser Phase nur mit einem Breitband-Antibiotikum behandelt werden, dessen Wirksamkeit beschränkt ist oder das im ungünstigsten Fall gar keine Wirkung ausübt.

Blutkulturen werden angelegt und in einer Zeitspanne von 24 Stunden findet eine Erregerselektion und -Vermehrung statt. Mit visueller Mikroskopie der vermehrten Erreger wird ein Befund erstellt. In einem anschließenden Diffusionstest wird das antibiotische Wirkprofil ermittelt, das nach ca. 48 Stunden vorliegt. Erst nachdem die Erreger und ihre Sensitivität gegen verschiedene Antibiotika ermittelt sind, kann eine spezifische Antibiotikatherapie eingeleitet werden. Häufig erfolgt der wirksame Einsatz dieser Therapeutika zu spät, so dass eine hohe Mortalität die Folge ist.

Gesucht sind daher ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es erlauben, den Erregertyp wesentlich schneller zu ermitteln und diesen im H inblick auf die Wirksamkeit eines pharmakologischen Präparats zu charakterisieren oder anderweitige Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Ein eingangs genanntes Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung sind aus der DE 198 47 952 C2 bekannt. Dort wird ein elektrokalorischer Fluidschalter beschrieben, bei dem elektrische Widerstandsheizer die Flüssigkeit in vordefinierten Leitungsabschnitten erwärmen. Dazu ist ein enger thermischer Kontakt der Widerstandsheizer zum Fluidkanal erforderlich, so dass die Wärme über eine Wandung des Fluidkanals zur Flüssigkeit gelangt. Folglich wird die Wandung stets erwärmt, so dass eine intrinsische

Wärmekapazität aufgeladen wird und nur mittelbar ein Flüssigkeitselement. Um die Arbeitsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist daher die Wandung aus einem Material mit hoher Temperaturleitfähigkeit hergestellt und es sind thermische Isolationszonen in Form von Ausnehmungen im Bereich der Widerstandsheizer ausgebildet. Als erreichbare

Schaltfrequenz sind 5 Hz genannt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sortieren von Mikropartikeln in einem Fluidstrom bereitzustellen, bei denen der Einfluss von Störwärmekapazitäten minimiert ist und die dadurch erheblich höhere

Schaltfrequenzen erlauben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine berührungslose direkte Einkopplung der Wärmeenergie ins Fluid, indem sie elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Laserstrahlung, verwendet. Dadurch kann die Trägheit des Schaltvorgangs signifikant verringert werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung ist es erstmals möglich, monolithische mikrofluidische Strukturen für die Identifikation, Sortierung und

C harakterisierung von Mikropartikeln einzusetzen. Eine solche Mikrofluidik besteht aus einem einzigen Material, das für elektromagnetische Strahlung transparent ist, wie beispielsweise Quarzglas. Es besteht keine Einschränkung bei der Auswahl des Materials dahingehend, dass auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit geachtet werden muss. Ebenso kann auf thermische Isolationszonen und die zu deren Herstellung erforderlichen Arbeitsschritte verzichtet werden.

Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung für die beschleunigte

Identifikation, Sortierung und C harakterisierung von Mikropartikeln in einem Fluid, wie z. B. biologischen Zellen oder Krankheitserregern, zur Verfügung, so dass eine spezifische Verabreichung eines pharmakologischen Wirkstoffs oder die Einleitung anderer

Gegenmaßnahmen in deutlich kürzerer Zeit erfolgen kann und dadurch der

Therapieerfolg signifikant erhöht werden kann. Im Falle von Schadstoffen oder Erregern in Gewässern oder Trinkwasser können mit den Informationen aus der beschleunigten Diagnostik schnell Maßnahmen eingeleitet werden, um eine gesundheitsgefährdende Aufnahme und weitere Ausbreitung der Schadstoffe und Erreger zu vermeiden. Die Mikropartikel können dabei stets in einer physiologischen oder wässrigen Lösung geführt werden, die so gewählt ist, dass die Vitalität organischer Mikropartikel, wie Zellen oder Erreger, bei den Identifikations-, Sortier- und Charakterisierungsvorgängen stets erhalten bleibt.

Unter dem Begriff Fluid soll allgemein eine fließfähige Flüssigkeit verstanden werden, wie z. B. Blut, Blutserum, Blutextrakte, wässrige Lösungen, organische Lösungen, Öl,

Emulsionen von mindestens zwei sich nicht mischenden Phasen, wie z. B. Öl und Wasser sowie Wasser. Unter dem Begriff Mikropartikel sollen anorganische oder organische Objekte verstanden werden, deren typische Abmessungen - wie z. B. der Durchmesser oder die Länge - im Bereich von 0, 1 μηη bis 500 μηη liegen. Solche Partikel sind beispielsweise Mikrobeads, Öltröpfchen mit darin aufgenommenen Substanzen,

Emulsionen zweier sich nicht mischender Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser-in-ÖI- Emulsionen oder ÖI-in-Wasser-Emulsionen, Gelkügelchen, mikroskopische

Kunststoffpartikel, Krankheitserreger, wie beispielsweise Pilze oder Bakterien, biologische Zellen. Insbesondere die Krankheitserreger und biologischen Zellen, z. B. Krebszellen, sind für die beschleunigte Diagnostik von besonderem Interesse, da sie eine pathogene Wirkung auslösen können. Diese Partikel befinden sich u.a. im Blut und können in dieser Umgebung im Organismus Krankheiten auslösen.

Der Lösungsansatz besteht darin, einzelne durch ein Fluid getragene Mikropartikel im einfachsten Fall einer fluidischen Verzweigung zuzuführen, die einen Eingangskanal und zwei Ausgangskanäle aufweist sowie Wandungen, die zumindest abschnittsweise für elektromagnetische Strahlung - insbesondere optische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 1 00 nm bis 1 0 μηη - transparent sind. Über den Eingangskanal strömt das die Mikropartikel tragende Fluid in die Verzweigungsstelle hinein, über die Ausgangskanäle verlässt das Fluid die Verzweigungsstelle. Der Verzweigung kommt die Aufgabe zu, ein detektiertes Mikropartikel in Abhängigkeit von seinem bestimmten Typus in einen von mindestens zwei Ausgangskanälen auszuschleusen.

In Erweiterung dieses Falles beschreibt die Lösung eine (n, m)-Verzweigung mit n Eingangskanälen und m Ausgangskanälen. Mindestens einer der n Eingangskanäle führt das Fluid mit den zu sortierenden Mikropartikeln, auch als Analytiösung bezeichnet, die anderen Eingangskanäle, die keine Analytiösung enthalten, führen H ilfsströme mit einem Fluid ohne nachzuweisende Mikropartikel. Dieses Fluid wird auch als Pufferlösung bezeichnet. Die Zahl der Ausgangskanäle beträgt mindestens zwei, in die das

Mikropartikel ausgeschleust werden kann.

Auf der Eingangsseite der fluidischen Verzweigung befindet sich mindestens eine Detektionseinheit, die vorzugsweise mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Wellenlänge sowohl das Vorbeikommen eines Mikropartikels zeitaufgelöst detektiert als auch über die Eigenschaften der am Partikel gestreuten

elektromagnetischen Strahlung oder der am Partikel durch elektromagnetische Strahlung angeregten Fluoreszenzstrahlung - wie beispielsweise das Spektrum, das Zeitverhalten, die Polarisation, die Emissionsrichtung, die Phasenbeziehung zu einem Referenzstrahl - den Typ des Mikropartikels bestimmt. Diese Strahlung wird im folgenden Anregungs- Strahlung genannt. Der Einstrahlungsbereich der Anregungsstrahlung wird

Detektionsbereich genannt. Handelt es sich bei der Anregungsstrahlung um einen kollimierten Strahl so wird dieser nachfolgend als Anregungsstrahl bezeichnet. Die elektromagnetische Anregungsstrahlung ist insbesondere optische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 300 nm und 700 nm, wie sie z. B. zur Anregung der Fluoreszenz von Farbstoffen eingesetzt wird.

Die Mikropartikel sind z.B. spezifisch mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert oder weisen aufgrund ihrer chemischen, biologischen, physikalischen Zusammensetzung und

Konformation eine vergleichbare spezifische Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung auf, die ihre Zuordnung zu einem bestimmten Typus des Mikropartikels erlaubt.

Passieren diese markierten oder intrinsisch spezifisch wechselwirkenden Mikropartikel den Detektionsbereich, so treffen sie auf die Anregungsstrahlung und lösen ein Signal aus, das für die Steuerung der fluidischen Verzweigung mit Hilfe einer weiteren elektromagnetischen Strahlung, im Folgenden Schaltstrahlung genannt, verwendet wird. Zur Steuerung wird das Fluid an der fluidischen Verzweigung ausgangsseitig mit der Schaltstrahlung, die vorzugsweise ebenfalls eine optische Strahlung im Bereich von 1 00 nm bis 10 μηη ist, beaufschlagt, so dass das Verhältnis der Ausgangsströme in den beiden Ausgangskanälen so geändert wird, dass die Flusslinien des Fluids das detektierte und identifizierte Mikropartikel in den gewünschten Ausgangskanal führen. Die Stellen der Verzweigung, die dafür vorgesehen sind, die Schaltstrahlung zu empfangen, werden im Folgenden Schaltstellen genannt.

Zeitlich erfolgt die Einwirkung der Schaltstrahlung auf das Verhältnis der

Ausgangsströme der fluidischen Verzweigung nach der Detektion des Mikropartikels in einer Zeitspanne, die sich an der Transitzeit des Mikropartikels zwischen dem

Detektionsort und dem Ort der veränderten Flusslinien orientiert, so dass das

Mikropartikel sicher in einen zuvor bestimmten Ausgangskanal gelangt.

Die elektromagnetische Schaltstrahlung ist in ihrer Wellenlänge und in ihrer örtlichen Strahlführung so gewählt, dass sie möglichst effizient vom Fluid absorbiert wird.

Beispielsweise ist die Wandung der Schaltstelle eines Ausgangskanals der fluidischen Verzweigung für diese Strahlung transparent, während ihre Absorptionslänge im Fluid in der Größenordnung der Durchstrahlungslänge im Fluid an der Schaltstelle gewählt ist. Mit Durchstrahlungslänge im Fluid ist die Länge des Weges gemeint, den die

elektromagnetische Strahlung im Fluid nimmt. Auf diese Weise wird mit der

Schaltstrahlung lokal eine geringe Wärmemenge in das Fluid eingebracht, so dass dieses in transienter Weise seine Strömungseigenschaften ändert. Insbesondere führt die Einbringung der Wärmemenge zu einer lokalen transienten Verminderung der Viskosität des Fluids. Die verringerte Viskosität hat einen lokal verringerten Strömungswiderstand des Ausgangskanals zur Folge. Auf diese Weise ändert sich das Verhältnis der Ströme in den beiden Ausgangskanälen und mithin der Verlauf der Flusslinien in der fluidischen Verzweigung. Auf diese Weise wird das mitgeführte Mikropartikel in den gewünschten Ausgangskanal geschleust.

Dieser Vorgang kann auch als getriggerter Schaltprozess beschrieben werden, wobei die eingangsseitige Detektion des Mikropartikels zeitverzögert den Schaltvorgang triggert im Sinne der Ausschleusung des Partikels in den gewünschten Ausgangskanal.

Die Einschaltdauer der Schaltstrahlung liegt im Intervall von 10 s bis 1 s und

insbesondere im Bereich zwischen 1 00 s und 200 ms.

Als elektromagnetische Schaltstrahlung kommt insbesondere optische Strahlung in Frage mit Wellenlängen zwischen 70 nm und 30 μηη. Ist das Fluid eine wässrige Lösung, so sind insbesondere Wellenlängen zwischen 1 00 nm und 200 nm - UV-Spektralbereich - sowie zwischen 900 nm und 3 μηη im Infraroten zu wählen. Dabei werden

Absorptionskoeffizienten im Wasser zwischen 1 0 rrr ¹ bis 10 ⁵ rrr ¹ erreicht. Durch Wahl der Wellenlänge der Schaltstrahlung im Infrarotbereich sind insbesondere Absorptionslängen von 1 μηη bis 1000 μηη erreichbar; diese liegen somit in der Größenordnung der

Querabmessungen von Fluidkanälen in der Durchstrahlungsrichtung.

Um die Schaltfunktion der fluidischen Verzweigung zu unterstützen, weist mindestens ein Ausgangskanal vorzugsweise eine Engstelle an seiner Schaltstelle auf, welche einen erhöhten hydrodynamischen Widerstand hervorruft. Im Falle von zwei Ausgangskanälen entspricht das Verhältnis der Flüsse in den beiden Ausgangskanälen dem Verhältnis der reziproken Widerstände der beiden Ausgangskanäle. Wird die Engstelle im Ausgangskanal mit einer Schaltstrahlung beaufschlagt, deren Wellenlänge so gewählt ist, dass ein Teil der Strahlung im Fluid absorbiert wird, so entsteht eine lokale transiente Erwärmung des Fluids in der Engstelle. Durch die Erwärmung reduziert sich die Viskosität des Fluids in der Engstelle, so dass der hydrodynamische Widerstand in der Engstelle abnimmt. Dadurch nimmt der Volumenstrom durch den Ausgangskanal mit der erwärmten Engstelle zu und der Volumenstrom durch den nicht erwärmten

Ausgangskanal nimmt ab.

Liegt in beiden Ausgangskanälen der gleiche hydrodynamische Widerstand vor und ist die Verzweigung so ausgelegt, dass der Fluss symmetrisch aufgeteilt wird, so sind die Ströme des Fluids in beiden Ausgangskanälen gleich, wenn keine Schaltstrahlung beaufschlagt wird. Durch die Schaltstrahlung, die auf einen der beiden Ausgangskanäle einwirkt, ändern sich die Flussverhältnisse und damit der Verlauf der Flusslinien, die das zu sortierende Mikropartikel in den gewünschten Ausgangskanal - derjenige dessen hydrodynamischer Widerstand transient herabgesetzt wird - führen. Ein aus dem

Eingangskanal austretendes Mikropartikel kann somit durch Steuern der Volumenströme in den Ausgangskanälen mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung in den bestrahlten Ausgangskanal geführt werden.

Um die Schaltwirkung zu verstärken, kann in einem besonderen Ausführungsbeispiel der fluidischen Verzweigung der Eingangskanal aus drei nebeneinander laufenden Kanälen bestehen. Der innere Kanal führt das die Mikropartikel enthaltende Fluid, im Folgenden Analytlösung, genannt, die beiden äußeren Kanäle führen ein Fluid, das keine

Mikropartikel enthält, im Folgenden Pufferlösung genannt. Die Pufferlösung hat die Aufgabe die Schaltwirkung zu verstärken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Volumenströme der Pufferlösung stärker sind als der Volumenstrom der Analytlösung. Ein Umleiten eines der Pufferströme führt dann dazu, dass der Analytstrom mitgeführt und vollständig in einen der beiden Ausgangskanäle gesteuert wird. Die Schaltwirkung kann dabei wie in dem vorangegangenen einfachen Ausführungsbeispiel eines einzelnen Eingangskanals durch Bestrahlen des Fluids mit der Schaltstrahlung an der Schaltstelle eines der beiden Ausgangskanäle erfolgen. Die Schaltwirkung kann auch dadurch verstärkt werden, dass Schaltstellen an den beiden Eingangskanälen mit den

Pufferströmen eingebracht werden. Das Beaufschlagen der Schaltstrahlung an der Schaltstelle des Eingangskanals, der dem gewünschten Ausgangskanal diametral gegenüberliegt, führt zum Umlenken des Analytstroms in den gewünschten

Ausgangskanal. Zusätzlich kann die Schaltstrahlung an der Schaltstelle des gewünschten Ausgangskanals beaufschlagt werden. Wird die Schaltstrahlung gleichzeitig sowohl an der Schaltstelle des Eingangskanals der Pufferlösung als auch an der gegenüberliegenden Schaltstelle des Ausgangskanals beaufschlagt, so verstärkt sich die Schaltwirkung.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Verzweigung so gestaltet sein, dass sie eine beliebige Anzahl von n Eingangskanälen und m Ausgangskanälen enthält. Dabei fließt in einem bestimmten Ausführungsbeispiel in der Mitte ein Analytkanal, darauf folgen auf jeder Seite des mittleren Kanals eine Serie von gleich vielen Kanälen, wobei diese eine beliebige Abfolge von Kanälen mit Analytlösung und Pufferlösung aufweisen können mit der Einschränkung, dass die beiden äußersten Kanäle eine Pufferlösung tragen. Diejenigen Eingangskanäle, welche eine Schaltwirkung hervorrufen sollen, weisen mindestens eine Schaltstelle auf, die für die Schaltstrahlung zugänglich ist.

Diejenigen Kanäle, die eine Analytlösung mit Mikropartikeln führen, weisen mindestens einen Detektionsbereich für die Anregungsstrahlung auf. Jeder Detektionsbereich wird mit Anregungsstrahlung mindestens einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, um das Mikropartikel zu detektieren und zu identifizieren. Jeder Detektionsbereich ist mit mindestens einer Detektionseinheit versehen, welche die an dem Partikel rückgestreute Strahlung aufnimmt und auswertet.

In den m Auslasskanälen befindet sich jeweils mindestens eine Schaltstelle, die für die elektromagnetische Schaltstrahlung zugänglich ist. Für eine Schaltstelle wird

elektromagnetische Strahlung mindestens einer bestimmten Wellenlänge eingesetzt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die fluidische Verzweigung so ausgeführt, dass der dreiteilige Einlasskanal ersetzt wird durch einen zweiteiligen Kanalaufbau, bei dem der innere Kanal von dem äußeren vollständig umschlossen wird. Im einfachsten Falle wird eine solche Anordnung durch zwei konzentrische rotationssymmetrische Kanäle erzeugt. Dabei führt der äußere die Pufferlösung und der innere die Analytlösung. Bei Eintritt in die Verzweigungsstelle wird dann der innere Strom der Analytlösung in den äußeren Strom der Pufferlösung injiziert. Das Fluid wird am Ende der Verzweigungsstelle in zwei Ausgangskanäle aufgetrennt, wobei wieder jeder Ausgangskanal mindestens eine Schaltstelle aufweist, die für die Schaltstrahlung zugänglich ist. In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels kann der äußere Pufferstrom auch in zwei Segmente unterteilt werden. Dabei sind die beiden Segmente so gewählt, dass sie zusammen den Analytstrom umschließen. Jedes Segment besitzt einen separaten Zulaufkanal mit jeweils mindestens einer für die elektromagnetische Schaltstrahlung zugänglichen Schaltstelle.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Pufferstrom im Eingangskanal in n Segmente mit n Zulaufkanälen aufgeteilt sein, die den Analytkanal umschließen. Jeder dieser Zuläufe weist wieder mindestens eine Schaltstelle zur Beaufschlagung mit Schaltstrahlung auf. An der Verzweigungsstelle können sich die n Eingangskanäle auf m Ausgangskanäle aufteilen, wobei jeder Ausgangskanal mindestens eine Schaltstelle aufweist. Dabei sind in einem Ausführungsbeispiel die Ausgangskanäle so angeordnet, dass ihre Anordnung derjenigen der Segmente des Eingangskanals entspricht und die Schaltstellen im Eingangs- und Ausgangskanal so gewählt werden, dass ein zu sortierendes Mikropartikel im Analytkanal in jeden Ausgangskanal gesteuert werden kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Schaltstellen und die Kanalabschnitte in der Nähe der Schaltstellen von Kanälen umgeben sein, die ein Fluid transportieren, das die Schaltstellen und deren Umgebung schnell abkühlt. Dadurch wird die Schaltzeit beim Schalten des Flüssigkeitsstroms an der fluidischen Verzweigung verkürzt. Das kühlende Fluid kann auch dazu verwendet werden, die Viskosität vor dem Schaltvorgang durch Abkühlen des Fluids möglichst stark zu erhöhen und dadurch mit der Schaltstrahlung eine stärkere Schaltwirkung hervorzurufen.

Zur Erhöhung des Schalthubs - hier verstanden als der Grad der Änderung der Flusslinien oder der Grad der Änderung des Verhältnisses der Ausgangsströme - kann der

Querschnitt des ausgangsseitigen Kanals im Bereich der Wechselwirkungszone der elektromagnetischen Schaltstrahlung verringert werden oder die Viskosität kann durch Kühlen des Fluids an dieser Stelle erhöht werden. Durch beide Maßnahmen wird an der Schaltstelle ein hoher hydrodynamischer Widerstand erzeugt. Die Änderung des hydrodynamischen Widerstandes und damit der Schalthub ist umso größer, je größer die Temperaturerhöhung und damit die Viskositätserniedrigung ist.

Um den Schalthub zu erhöhen, wird die Geometrie einer durch Verringerung des Querschnitts erzeugten Engstelle vorzugsweise so ausgelegt, dass sie an die Verteilung der Schaltstrahlung senkrecht zu deren Propagationsrichtung und an die

Absorptionslänge der Schaltstrahlung angepasst ist, wobei als Absorptionslänge die Strecke verstanden werden soll, nach der die einfallende Strahlung bis auf einen Rest von 1/e absorbiert worden ist. In einem Ausführungsbeispiel wird die Engstelle so

ausgestaltet, dass durch die verringerte Querschnittsfläche des Kanals ein ausreichender hydrodynamischer Widerstand für ein günstiges Schaltverhalten gewährleistet ist und andererseits die Kanaltiefe, entlang derer sich die Schaltstrahlung ausbreitet, an die Absorptionslänge der Schaltstrahlung angepasst ist. Damit die Engstelle an die Verteilung der Schaltstrahlung in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der

Schaltstrahlung angepasst ist, kann der Verlauf des Kanals an der Engstelle so gefaltet werden, dass der Überlapp der Strahlungsverteilung und der Querschnittsflächen des Fluidkanals im Bereich der Engstelle möglichst groß ist. Dies kann z.B. durch eine mäanderförmige Faltung des Kanalverlaufs an der Engstelle verwirklicht werden. Dabei erfolgt die mäanderförmige Faltung so, dass die mäandrierenden Kanäle in Bezug auf die Propagationsrichtung der Schaltstrahlung nebeneinander oder hintereinander liegen. Wird die Ausdehnung des Engstellenbereichs so gewählt, dass ein möglichst großer Überlapp mit der Strahlungsverteilung vorliegt und ein großer hydrodynamischer Widerstand durch die geringe Höhe des Kanals in diesem Bereich entsteht, so kann die Schaltwirkung weiter verstärkt werden, indem mehrere Ebenen des fluidischen Kanals mit jeweils mäandrierendem Kanalverlauf in Propagationsrichtung der Schaltstrahlung hintereinanderliegen und so von dieser gleichzeitig bestrahlt werden. Idealerweise werden mehrere Ebenen mäandrierender Kanalverläufe hintereinandergelegt, so dass die Energie der Schaltstrahlung gänzlich im Fluid absorbiert wird.

Nach Abschalten der elektromagnetischen Schaltstrahlung nimmt das Fluid im Bereich einer Engstelle der Verzweigung wieder die Temperatur der umgebenden Wandungen und der nachströmenden Flüssigkeit an, so dass die Verzweigung wieder zum initialen Verhältnis der Ströme der betrachteten Ausgangskanäle zurückkehrt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer fluidischen Verzweigung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer Verknüpfung mehrerer fluidischer

Verzweigungen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer fluidischen Verzweigung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;

Figur 4 eine Detailansicht einer besonders ausgestalteten Engstelle in einem Fluidkanal; und

Figur 5 eine Detailansicht einer alternativ ausgestalteten Engstelle in einem Fluidkanal.

Figur 1 zeigt den einfachsten Fall einer fluidischen Verzweigung mit einem Eingangskanal 2 und zwei Ausgangskanälen 3, 4. Die fluidische Verzweigung wird von einem Fluid 5 durchströmt. Über den Eingangskanal 2 gelangt das Fluid mit den zu detektierenden und zu sortierenden Mikropartikeln 6 in das Schaltelement 1 . Im Falle einer symmetrischen Anordnung der Ausgangskanäle 3, 4 mit gleichem Strömungsquerschnitt und

gleichartiger Gestaltung, teilt sich der Eingangsfluss im Mittel in zwei gleich große Ausgangsströme auf.

Im Bereich 7 wird eine elektromagnetische Anregungsstrahlung auf den Eingangskanal 2 eingestrahlt, um ein vorbeikommendes Mikropartikel 6 zu detektieren. Diese Detektion erfolgt mit an sich bekannten Methoden, wie z. B. der Anregung einer Fluoreszenz oder der Erzeugung eines spezifischen Streulichtsignals. An den Orten 8 oder 9 im Bereich der Austrittskanäle kann eine elektromagnetische Schaltstrahlung beaufschlagt werden. Wird ein Mikropartikel 6 am Ort 7 detektiert und identifiziert, das z. B. in den Kanal 4 ausgeschleust werden soll, so wird die elektromagnetische Schaltstrahlung am Ort 8 aktiviert, um dort lokal den Strömungswiderstand des Fluids durch eine vorübergehende Absenkung der Viskosität des Fluids zu verringern. Auf diese Weise ändert sich in kurzer Zeit das Verhältnis der Ausgangsströme in den Kanälen 3 und 4 derart, dass der

Stromanteil des Kanals 4 vergrößert wird. Damit einhergehend ändert sich der Verlauf der Flusslinien des Fluids in der gezeigten Verzweigung und das Mikropartikel 6 folgt der Trajektorie 1 0 und gelangt in den Ausgangskanal 4. In entsprechender Weise ist eine Ausschleusung in den Kanal 3 möglich, wenn die elektromagnetische Schaltstrahlung im Bereich 9 beaufschlagt wird. Das Mikropartikel 6 folgt dann der Trajektorie 10 ^' .

Insgesamt erlaubt das gezeigte fluidische Schaltelement eine Detektion, Identifikation und Sortierung von Mikropartikeln, die vom Fluid getragen werden. Durch eine

H intereinanderschaltung mehrerer schaltbarer fluidischer Verzweigungen kann eine Detektions-, Identifikations- und Sortierstruktur aufgebaut werden, die es erlaubt, ein Gemisch von Mikropartikeln - z. B. eine Gruppe verschiedener Erreger - in einzelne Sortierfraktionen auszuschleusen und diese dort weiter zu charakterisieren oder zu behandeln.

Figur 2 zeigt beispielhaft eine solche Verkettung schaltbarer fluidischer Verzweigungen B und C, die als Mikrofluidik ausgeführt sind und in einer Prozesskette bestehend aus den Abschnitten A, B, C und D integriert sind. Über den Eingangsstrom 1 1 gelangt ein Fluid mit einem Gemisch von Mikropartikeln, z. B. spezifisch markierten Erregern, in den Abschnitt A. Das in einem Kompartiment 12 vorliegende Gemisch wird als

mikrofluidischer Strom mit vereinzelten Mikropartikeln der nächsten Stufe B zugeführt. Dort wird das Fluid mit den markierten Partikeln auf ein erstes Schaltelement 1 3 geführt, in dem über die Anregungsstrahlung im Bereich 14 die Mikropartikel detektiert und identifiziert werden. Ausgehend von dieser Information wird in der beschriebenen Weise ein Schaltvorgang ausgelöst, der das Partikel in einen der beiden Ausgangskanäle 1 5 oder 1 6 führt. In Figur 2 sind zur Vereinfachung die Einwirkbereiche der

elektromagnetischen Schaltstrahlung zur Auslösung des Schaltvorgangs nicht dargestellt. Über die Ausgangskanäle 1 5 und 1 6 gelangt das Fluid in den nächsten Abschnitt C, in dem sich weitere schaltbare fluidische Verzweigungen 1 7 und 18 befinden. In analoger Weise wie für den Abschnitt B beschrieben, können in diesem Abschnitt die

Mikropartikel weiter sortiert werden. Dazu sind entsprechende Einwirkbereiche der Anregungsstrahlung 19 und 20 für jede schaltbare Verzweigung 1 7 und 18 vorhanden. Den im gezeigten Beispiel insgesamt vier Ausgangskanälen 21 , 22, 23 und 24 des Abschnitts C sind nun jeweils spezifische Mikropartikel zugeordnet, wie dies schematisch in Figur 2 durch die Symbole Quadrat, Parallelogramm, Kreis und Rechteck

veranschaulicht ist.

In einer Erweiterung des Beispiels von Figur 2 können weitere fluidische Verzweigungen für die Detektion, Identifikation- und Sortierung von Mikropartikeln angeordnet werden bis eine gewünschte Anzahl von Sortierfraktionen erzielt wird.

In Figur 2 gelangen schließlich vier Sortierfraktionen 21 , 22, 23, 24 zum Abschnitt D wo diese jeweils in Kompartimenten 25, 26, 27 und 28 gesammelt werden und weiteren Untersuchungen zugänglich gemacht werden. Insbesondere im Falle von lebenden Organismen, wie Zellen und Erregern, sind weiterführende Untersuchungen unter Vitalbedingungen möglich. Dazu gehören z. B. Kultivierungsschritte, mikroskopische

Untersuchungen, Untersuchungen von Wechselwirkungen mit Medikamenten, wie z. B. antibiotischen Resistenzprofilen.

Figur 3 zeigt eine Variante der schaltbaren fluidischen Verzweigung 29 mit drei

Eingangskanälen und 2 Ausgangskanälen. Über den Eingangskanal 30 gelangt das Mikropartikel 6 in die Verzweigung 29. Die Eingangskanäle 31 und 32 führen eine

Pufferlösung, die die Analytlösung, das ist der Flüssigkeitsstrom im Kanal 30, flankiert. Die beiden Ausgangskanäle 33, 34 sind unsymmetrisch angeordnet, so dass im nicht- aktivierten Zustand der Verzweigung der Ausgangsstrom im Kanal 33 größer ist als derjenige im Kanal 34. Das Mikropartikel 6 folgt in diesem Fall der Trajektorie 35 und gelangt in den Ausgangskanal 33.

Soll das Partikel in den Kanal 34 ausgeschleust werden, so wird die elektromagnetische Schaltstrahlung im Bereich 36 in der beschriebenen Weise beaufschlagt, so dass das Mikropartikel 6 entlang der Trajektorie 37 in den Ausgangskanal 34 geführt wird. Zur Verstärkung des Schalthubs wird die Schaltstrahlung zusätzlich im Bereich 38 des Eingangskanals 31 eingestrahlt, so dass in der Wirkung der Strömungswiderstand sowohl im Kanal 31 als auch im Kanal 34 vorübergehend herabgesetzt wird und dadurch eine größere Verschiebung der Flusslinien erzeugt wird, um das Mikropartikel sicher entlang der Trajektorie 37 in den Ausgangskanal 34 zu führen.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Details eines Ausgangskanals mit einer Engstelle mit mäandrierendem Verlauf 40 des Fluidkanals. Der Einwirkbereich der

Schaltstrahlung 41 umschließt diese Engstelle mit den Fluidmäandern und daher kann die Energie der Schaltstrahlung effizient in die strömende Flüssigkeit eingekoppelt werden, um den Strömungswiderstand abzusenken. Das Koordinatensystem 42 zeigt die z- Richtung in der die Propagation der Schaltstrahlung 41 erfolgt. Das Fluid strömt im Ausgangskanal 39 in die Mäanderstruktur 40 und wechselwirkt dort mit der

Schaltstrahlung 41 . Wie bereits oben beschrieben, sind solche Strukturen gleichermaßen auch in den nicht die Analytlösung führenden Eingangskanälen oder den anderen Ausgangskanälen vorhanden.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Engstelle im Einwirkbereich der

Schaltstrahlung 41 . Der Fluidstrom 39 führt zu einer ersten Ebene mäandrierender

Kanäle 43, die z. B. so ausgeführt ist, wie in Bild 4 gezeigt. Von dort wird der Mikrokanal weitergeführt zu einer zweiten und dritten Ebene mit jeweils mäandrierenden Kanälen 44, 45. In der bereits beschriebenen Weise wird so das Wechselwirkungsvolumen des Fluidstroms mit der Schaltstrahlung maximiert, um einen großen Schalthub zu erzeugen. Die typischen Querabmessungen eines mikrofluidischen Transportkanals betragen zwischen 50 μηη und 1 mm, z.B. wird ein Durchmesser von 400 μηη eingesetzt. Typische Querabmessungen des Fluidkanals im Detektionsbereich 7 (Figuren 1 und 3) betragen zwischen 10 μηη und 800 μητι, insbesondere liegen diese zwischen 20 μηη und 400 μηη. Typische Querabmessungen im Bereich der Gabelung der Trajektorien - vgl. Figur 3, Trajektorien 35, 37 - liegen zwischen 50 μηη und 1 mm, insbesondere zwischen 200 μηη und 800 μηη. Im Bereich der Einwirkzone der Schaltstrahlung, z. B. im Falle der

Orientierung der mäanderartig geführten Kanäle in Ebenen parallel zur

Propagationsrichtung der Schaltstrahlung, also senkrecht zu der in Figur 5 gezeigten Ausrichtung, beträgt die Kanalbreite (in diesem Fall in Propagationsrichtung der

Schaltstrahlung) zwischen 10 μηη und 400 μητι, insbesondere liegt diese zwischen 10 μηη und 50 μηη. Die Kanaltiefe (im betrachteten Fall orientiert senkrecht zur Propagationsrichtung) liegt zwischen 50 μηη und 500 μηη, insbesondere zwischen 100 μηη und 200 μηη.

Durch das beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden folgende Verbesserungen und Vorteile erreicht: berührungslose Erkennung und Sortierung von Erregern in einem Fluid zur Erzeugung einzelner Sortierfraktionen, so dass die Erreger stets unter Vitalbedingungen verbleiben und daher auch nach dem Sortiervorgang lebensfähig sind, um sie in diesem Zustand zu charakterisieren. Auf diese Weise können schnell Informationen zur Durchführung einer Therapie oder anderer Gegenmaßnahmen gewonnen werden. die fluidische Struktur enthält keine bewegten mechanischen Komponenten, keine elektrischen Komponenten, keine pneumatischen oder piezoelektrischen Elemente; sie kann daher z. B. monolithisch aufgebaut werden, das heißt sie besteht aus einem einzigen Werkstoff. alle Erkennungs- und Schaltvorgänge werden ausschließlich durch

elektromagnetische Strahlung - insbesondere optische Strahlung - bewirkt; die

Wechselwirkung erfolgt berührungsfrei, ist verschleißfrei und keimfrei.

Störwärmekapazitäten durch indirekte Heizung des Fluids durch eine Wandung entfallen, so dass wesentlich höhere Schaltfrequenzen erreichbar sind.

Durch die direkte optische Einkopplung der Wärmeenergie zur Auslösung eines Schaltvorgangs, kann die Dauer der Einwirkung der Schaltstrahlung und die erforderliche Energiemenge gegenüber dem Stand der Technik stark herabgesetzt werden.

Insbesondere kann damit der zeitliche Ablauf zwischen dem Detektionszeitpunkt und dem Beginn sowie der Dauer der Schaltstrahlung so gewählt werden, dass das

Mikropartikel keine oder nur eine vernachlässigbar veränderte Fluidtemperatur erfährt, wenn es den Einwirkbereich der Schaltstrahlung passiert.

Die Anwendungsmöglichkeiten des beschriebenen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind vielfältig. Eine davon ist das Sortieren artifizieller Partikel, wie Nano- oder Mikropartikel. Dabei ermöglichen sie die C lusterung der Partikel nach Größe und anderen Parametern, wie Fluoreszenz und bestimmten Eigenschaften. So wird die Herstellung von reinen Fraktionen dieser Partikel möglich.

Zu den Anwendungen aus dem medizinischen Bereich gehört die Identifikation und Separation von Bakterien, Pilzsporen und Hefezellen, wo eine schnelle Sepsisdetektion und ein schnelles Screening für therapeutische oder pharmazeutische Zwecke erreicht werden.

Ferner ermöglicht ein Einsatz des beschriebenen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung zur Detektion und gegebenenfalls Identifikation und Separation von zirkulierenden Tumorzellen und anderen sogenannten rare cells die frühzeitige

Identifikation von bestimmten lebensbedrohenden Erkrankungen, wie Krebs, und die C harakterisierung von bestimmten Zuständen dieser Krankheiten, z.B. der Grad der Proliferation.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellen die Detektion und Separation von Stammzellen und differenzierten Stammzellen dar, wo das Screening von Stammzellen und differenzierten Stammzellen und so die Optimierung von Differenzierungsstrategien für Stammzellen für medizinische und pharmazeutische Zwecke ermöglicht werden.