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 C ₈ bis C ₂ o - 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, pθ ₂ ) 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, pθ ₂ ) 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