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Liquid Handling

Dynamische und präzise Bewegung von Piko-, Nano- und Mikrolitern in Mikrokanälchen

| Autor / Redakteur: Claus Fütterer* / Marc Platthaus

Abb.1: Die hydrodynamische Restriktion führt zu einer starken Amplifikation der Strömungsgeschwindigkeit, im dargestellten Fall 100 000-fach. Somit führt die lineare Kolbenbewegung der Spritze zu einer Volumenänderung von 100 µl/mm, im Mikrokanal 1nl/mm.
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Abb.1: Die hydrodynamische Restriktion führt zu einer starken Amplifikation der Strömungsgeschwindigkeit, im dargestellten Fall 100 000-fach. Somit führt die lineare Kolbenbewegung der Spritze zu einer Volumenänderung von 100 µl/mm, im Mikrokanal 1nl/mm. (Bild: Biophysical Tools)

Reproduzierbare Bewegung von Mikro-, Nano- und Picoliter sowie von kleinsten Objekten in Kapillaren oder Mikrofluidikkanälen werden durch den Übergang von liquid-volumen- zu pneumatisch-druckgesteuerten Verfahren ermöglicht. Eine neue Technologie schöpft die Möglichkeiten aus.

Anwendungen der Mikrofluidik nehmen rapide zu, da man langsam lernt, deren nicht geringe Schwierigkeiten zu beherrschen. Eines dieser Probleme ist die Strömungskontrolle. Zu den traditionellen Instrumenten in Biologie, Medizin und sonstigen Bereichen gehören Spritzen- und Peristaltikpumpen. Beide Pumpen nutzen Volumenverdrängung, um Fluide wie Flüssigkeiten oder Gase zu bewegen.

Probleme bei Spritzen- und Peristaltikpumpen

Bei der Spritzenpumpe führt eine präzise motorgetriebene Kolbenbewegung in einem Zylinder zu einer Strömung des verdrängten Fluidvolumens. Dieses Instrument kommt in mehreren Punkten der Laborarbeit entgegen: Oft liegen die Fluide schon in einer Spritze vor. Bei der Arbeit kann man die Kolbenbewegung unmittelbar beobachten und das transportierte Volumen durch Messung der Drehung des Antriebsmotors sehr genau bestimmen. Eine Miniaturisierung hingegen ist wegen der auf kleinen Skalen dominierenden Adhäsionskräfte schwerlich möglich und auch kaum von Interesse wegen der Begrenzung auf das dann sehr kleine Zylindervolumen und die ständig wiederkehrende Erfordernis einer Wiederbefüllung. Dennoch beobachtet man in Laboren noch häufig den Einsatz von oft bereits vorhandenen Spritzenpumpen für die Strömungskontrolle in Mikrokanälen. Meist ist diesen Versuchen jedoch kein Erfolg beschert.

Warum ist das so? Hydrodynamisch betrachtet liegt eine dramatische Restriktion der Flüssigkeitssäule vor. Wenn z.B. eine Spritze mit einer Querschnittsfläche von A = 1 cm2 an einen typischen Mikrokanal von 10 x 100 µm = 0,00001 x A Querschnitt angeschlossen wird, resultiert daraus eine 100 000-fache Amplifikation der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal. So bewirkt eine Bewegung des Kolbens um 1 µm/min eine Bewegung der Flüssigkeitssäule im Mikrokanal um 0,1 m/min. Eine derart kleine Geschwindigkeit ist bereits eine beachtliche Herausforderung für die Antriebstechnik. Benötigt man eine solch pulsationsarme Strömung, sind sehr teure Präzisionsspindeln und Motoren erforderlich. Jedoch erschweren nun die Elastizität der Spritze und der Schläuche, die Kompressibilität der Flüssigkeit und der darin enthaltenen Gaseinschlüsse die Arbeit, da diese zu einer starken Reaktionsverzögerung führen können. Zur Abschätzung der Verzögerung hat Biophysical Tools einen Web-Rechner bereitgestellt, welches deutlich macht, dass sich dieser Ansatz für Mikrosysteme nicht eignet (s. LP-Plus).

Beim Peristaltikverfahren wird hingegen die Volumenverdrängung durch periodische Schlauchquetschung erzielt. Beispielsweise kann hierfür ein Schlauch linear oder – eher typisch – rotativ gequetscht werden, wodurch eine Fluidbewegung in Rotationsrichtung erzielt wird. Eine genaue Bestimmung des Perfusionsvolumens ist jedoch nicht möglich, da es von den Eigenschaften des Schlauches (die z.B. von der Temperatur abhängen), des Drucks des Fluids und des Andrucks der Quetschrollen abhängt. Dieses Verfahren erlaubt dennoch die einfache Realisierung zirkulärer Strömungen. Dabei ist die Strömung stark pulsbehaftet, hervorgerufen durch die ungleichmäßige Volumenverdrängung während des Quetschungsprozesses. Auch hier übersteigen die Verdrängungsvolumina leider das zu kontrollierende Volumen im Mikrokanal um mehrere Größenordnungen. Dieser Ansatz lässt sich zwar miniaturisieren, jedoch widerspricht der Aufwand der Maxime des möglichst kostengünstigen, wegwerfbaren Mikrofluidik-Chips.

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