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Liquid Handling

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

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Elektroosmose als alternative Methode

Es gibt inzwischen neue Ansätze, mit denen man auch auf der Mikroskala kontrolliert Strömungen erzeugen kann. Ein sehr elegantes Verfahren ist die Elektroosmose. Ladungen an den Kanaloberflächen werden von Gegenladungen im Fluid kompensiert. Legt man einen elektrischen Gradienten in Kanalrichtung an, verschieben sich die beweglichen Gegenladungen relativ zur Wand und ziehen die gesamte Flüssigkeit mit. Der Vorteil dieses Ansatzes ist die sehr geringe Strömungsdispersion und extrem preiswerte Umsetzung. Jedoch ist eine sehr sorgfältige Präparation der Kanalwände erforderlich, und es verbietet sich natürlich das Arbeiten mit geladenen Objekten, wie z.B. Zellen, DNA oder den meisten Proteinen.

Weitere Verfahren beruhen auf akustischen Wellen (SAW, Piezo), magnetischen Mikropartikeln oder quellenden Polymeren. Hierbei können jedoch nur kleine Druckgradienten erzielt werden, oft muss man eine Erwärmung der Fluide in Kauf nehmen und die Präparation des Mikrofluidik-Chips ist meist aufwändig. Man riskiert außerdem die unspezifische Wechselwirkung mit den zu untersuchenden Zellen oder Molekülen.

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Druckbasierte Verfahren lösen die Probleme

Gesucht wird jedoch ein universelles und robustes System. Die Lösung des Problems wird durch die Thermodynamik nahe gelegt: Die extensive Zustandsgröße Volumen skaliert mit der 3. Potenz der Systemgröße, die konjugierte intensive Kraft Druck jedoch bleibt konstant. Also kontrolliert man besser den Druck anstelle des Volumens, um eine Skalenunabhängigkeit zu erreichen. Somit können bequem makroskopische Drucksensoren und Ventile für beliebig kleine oder große Strömungsraten eingesetzt werden.

Mehr noch: Durch die rasche Zunahme des hydrodynamischen Widerstandes bei Herabskalierung eines Kanals (~1/Systemgröße) wird dieser Ansatz sogar noch vorteilhafter, da die erforderliche Präzision der Druckregulierung für extrem feine Strömungen abnimmt. Ein oft unterschätzter weiterer Vorteil ist, dass die Gefahr der Zerstörung eines sehr engen oder verstopften Mikrokanals durch die unkontrollierte Druckerhöhung durch die beschriebenen konventionellen Pumpensysteme hier gebannt ist.

Dies ausnutzend konnte man in älteren Aufbauten häufig hydrostatische Druckquellen finden: Ein erhöht aufgehängtes Reservoir, von welchem ein Schlauch zum Mikrofluidik-Chip herabgeführt wurde, kann durch eine motorisierte Schraube präzise auf und ab bewegt werden. Dieser Aufbau zeigt zwar eine ausgezeichnete Präzision und Stabilität, ist jedoch langsam und benötigt wie Spritzenpumpen einen teuren mechanischen Antrieb. Daneben ist er sehr anfällig für Erschütterungen und Umgebungsdruckschwankungen.

Pneumatische Steuerung des Drucks

Wie kann man nun die Nachteile der vorgestellten Ansätze vermeiden? Wäre eine pneumatische Druckgenerierung vorteilhaft? Eine solche Frage kann man mit Ja beantworten, denn Umgebungsdruckschwankungen werden so automatisch kompensiert, und eine strikte Trennung von Probe und Strömungskontrolle schließt Verunreinigungen völlig aus: Alle Flüssigkeiten können entweder in einem externen Behälter oder sogar auf den wegwerfbaren Mikrofluidikchip selbst verlegt werden.

Die einfachste Realisierung besteht aus einer Luftdruckquelle „von der Stange“ (Pumpe, Druckflasche, Druckleitung im Labor), einem Reservoir mit präzisem Drucksensor und zwei Digitalventilen. Der Druckbehälter wird über das erste Ventil solange befüllt, bis der Solldruck erreicht wird. Dieser Druck wird dann durch das zweite Digitalventil auf das Reservoir und den Mikrofluidikkanal angewendet. Dieser Ansatz ist sinnvoll, wenn man die Strömungsgeschwindigkeit nicht variieren möchte. Werden jedoch dynamischere Strömungen benötigt, oder soll die Strömung zuverlässig gestoppt werden, ist ein anderer Ansatz erforderlich. Hierzu wird der Druckbehälter über ein graduell geöffnetes Ventil gespeist. Schnelle oder langsame Druckerhöhungen sind nun möglich, eine Drucksenkung jedoch noch nicht. Hierfür wurde Anfang der 2000er-Jahre ein feststehendes Leckventil eingeführt (Fütterer et al. Lab-on-a-Chip 2004). Nun wird der Druckanstieg durch das regelbare Analogventil und der Druckabfall durch das feststehende Leckventil vorgegeben. Dieses System erlaubte es damals zum ersten Mal, mikrofluidische Strömungen robust und in wenigen Sekunden zuverlässig einzustellen, insbesondere zu stoppen, beispielsweise um Zellen oder Einzelmoleküle zwecks Beobachtung festzuhalten („fluidische Falle“). Dieser Ansatz hat jedoch zahlreiche Kinderkrankheiten: Es muss ein ständiger Gasverlust durch das Leckventil kompensiert werden. Daher sind relativ große Druckquellen, z.B. in Form von voluminösen Labor-Gasflaschen notwendig. Neben der mangelnden Regulierungsmöglichkeit des Druckabfalles kommen noch andere Probleme hinzu, wie etwa eine sub-optimale Regelung. Sind sowohl Druck als auch Vakuum zu regeln, ist die Umsetzung mit diesem Ansatz äußerst schwierig.

Neuer Ansatz ermöglicht extreme Strömungsdynamik

Diese Probleme konnten 2012 durch einen neuen Ansatz (Patent eingereicht) gelöst und in Form der P2CS-Serie (Precision Pressure Control System) von Biophysical Tools realisiert werden. Nun werden mehrere nichtlinear gekoppelte Ventile synchron betätigt. Das Leckventil entfällt, wodurch nun auch wertvolle Gase oder Gase mit Gefahrenpotenzial genutzt und sehr kompakte OEM/portable Versionen mit sehr kompakten Druckquellen realisiert werden können. Die Symmetrie des Aufbaus ergibt die Gleichheit von Anstiegszeit und Abfallszeit (bis zu 20 mbar/ms). Das neue Verfahren ermöglicht es, die Dynamik der Strömung bis zu den durch physikalische Gesetze vorgegebenen Grenzen auszureizen. Als „Nebenprodukt“ kann der gewünschte Regel-Druckbereich leicht durch Anschluss einer Vakuumquelle auf negative Werte ausgedehnt werden. Der Wertebereich der Strömungsrate kann optional auf sechs Größenordnungen (z.B. ±1 nl/s – ±1 ml/s) erweitert werden. n

* Dr. C. Fütterer: Biophysical Tools GmbH, 04317 Leipzig

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