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Mit mikrofluidischen Pumpen kleinste Flüssigkeitsmengen dosieren

Mikrofluidische Pumpen
Kleinste Flüssigkeitsmengen mit Mikrofluidik hochgenau dosieren

Dank Mikrofluidik können komplexe Labor-, Organ- und Zellfunktionen mit erstaunlicher Genauigkeit reproduziert, automatisiert und miniaturisiert werden. Ein druckbasierter Durchflussregler fördert die Flüssigkeitsströme, die Steuerung von Luftstrom und Druck übernimmt ein Ventilblock von Emerson.

Alain Crampon
Emerson, Bonneville, Frankreich

Mikrofluidik ist die Wissenschaft von der Handhabung und Kontrolle von Flüssigkeiten im Mikroliter- (10-6) bis Pikoliter-Bereich (10-12). Diese Technologie ist sehr attraktiv im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Methoden. Denn sie ermöglicht das gesamte Spektrum von Experimenten im kleinen Maßstab bis hin zur Produktion im industriellen Maßstab. Auch mit außergewöhnlich kleinen Proben- oder Reaktionsvolumina. Daraus ergibt sich:

  • der Verbrauch und die Kosten von Proben und Reagenzien wird drastisch gesenkt
  • die Experimentierzeiten verkürzt und
  • die Gesamtkosten für Experimente und Anwendungen reduziert.

Zudem verbessert der Einsatz der Mikrofluidik-Technologie in der Regel die experimentelle Genauigkeit, senkt die Nachweisgrenzen und ermöglicht die gleichzeitige Durchführung mehrerer Analysen und Experimente.

Eine häufige Anwendung der Mikrofluidik besteht darin, intrazelluläre Prozesse in miniaturisierten Flüssigkeitskanälen auf speziell entwickelten Chips nachzubilden. Der Erfolg einer solchen „Lab-on-a-chip“- oder „Organ-on-a-chip“-Technologie hängt nicht nur von der Nachbildung der Richtung und des Verlaufs der Flüssigkeitsströme in den Mikrokanälen auf einem Chip ab. Auch die Fähigkeit, extrem kleine Flüssigkeitsmengen – beispielsweise Tröpfchen im Bereich unter 1 mm – mit sehr präzisen Durchflussraten durch diese Kanäle zu leiten, spielen eine Rolle.

Mikrofluidik: eine Möglichkeit der Flüssigkeitsdosierung

Bislang gab es hierbei mehrere Möglichkeiten, diese mikroskopisch kleinen Flüssigkeitsströme zu fördern. Dazu gehören zum Beispiel mechanisch angetriebene Schlauch- und Spritzenpumpen. Schlauchpumpen bewegen Flüssigkeiten mit Hilfe eines Rotors, der einen Schlauch mit der Flüssigkeit sanft zusammendrückt. Dieser Druck erzeugt einen regelmäßigen „Impuls“ des Flüssigkeitsstroms, der je nach Innenvolumen des Schlauchs, der Anzahl der Rollen auf dem Rotor und der Drehgeschwindigkeit des Rotors variiert. Spritzenpumpen dagegen verwenden einen motorisierten Schraubenmechanismus, um einen Spritzenkolben zu bewegen. Mit ihm können – ähnlich wie bei einer Spritze für die Injektion von Medikamenten – präzise Flüssigkeitsströme erzeugt werden.

Eine neuere, dritte Pumpentechnologie in der Mikrofluidik ist der druckbasierte Durchflussregler: Anstatt die Flüssigkeit mechanisch mit einem Rotor oder Kolben anzutreiben, regulieren druckbasierte Durchflussregler den Flüssigkeitsstrom durch Veränderung des pneumatischen Drucks. Dieser Druck wird innerhalb eines Behälters mit einer Flüssigkeit ausgeübt. Extrem geringe Veränderungen des Luftdrucks im Behälter fördern beispielsweise präzise Flüssigkeitsmengen innerhalb des mikrofluidischen Systems.

Fluigent aus Le Kremlin-Bicêtre, Frankreich, entwickelt druckbasierte Mikrofluidik und bietet diese Technologie in der patentierten modularen Druck- und Durchflusssteuerungsplattform F-OEM an. Diese Plattform ist in der Lage, Mikroflüssigkeitsmengen oder kontinuierliche Mikrodurchflussraten mit außergewöhnlicher Genauigkeit zu dosieren. Das Herzstück der Plattform ist ein firmeneigener Algorithmus: Er berechnet, wie winzige Anpassungen des pneumatischen Luftdrucks oder des Vakuums in einem Flüssigkeitsbehälter in präzise Mikroströme einer Flüssigkeit in oder aus einem System umgesetzt werden.

Pneumatischer Ventilblock steuert Luftstrom und Druck

Die F-OEM-Plattform von Fluigent kann ohne Anpassungen in Geräte für die Flüssigkeitschromatographie, die digitale Polymerase-Kettenreaktion (dPCR), die Einzelzellanalyse und viele andere Anwendungen übernommen werden. Diese Druck- und Durchflussregelungsplattform basiert zum Teil auf einem pneumatischen Ventilblock, der von Emerson in kürzester Zeit entwickelt wurde. Dieser Ventilblock enthält ein Proportionalventil vom Typ Asco 202 Preciflow mit einer Nennweite von nur 200 µm (0,2 mm) zur Steuerung von Luftstrom und Druck im Flüssigkeitsbehälter.

Das Ventil ist für hohe Zuverlässigkeit bei geringer Hysterese ausgelegt und bietet eine extrem fein regelbare Ansteuerung. Angetrieben durch den proprietären Steuerungsalgorithmus der F-OEM-Plattform kann das Ventil den Luftdruck innerhalb eines Flüssigkeitsbehälters mit außergewöhnlicher Präzision regulieren – und das ohne die Gefahr einer Verunreinigung. Das liegt daran, dass die Flüssigkeit selbst nie mit dem Inneren des Ventils oder der Steuerung in Berührung kommt. Stattdessen steuern Asco-Ventilblock und -Ventil einen vom Fluigent-Algorithmus regulierten Luftstrom. Dieser übt eine pneumatische Kraft auf die Flüssigkeit im Behälter aus. Bereits kleinste Änderungen des Drucks oder Unterdrucks des Luftstroms führen zu kleinsten Änderungen des Flüssigkeitsstroms in den oder aus dem Behälter. Die tatsächlichen Durchflussraten schwanken je nach den Eigenschaften des Flusspfads und der verwendeten Flüssigkeit.

Eine eigene Pumpe für jede Mikroflüssigkeit

Für jede in einem mikrofluidischen System verwendete Flüssigkeit oder jedes Reagenz ist eine eigene Pumpe erforderlich. Im Betrieb wird dem Einlass des F-OEM-Druck-/Durchflussreglers Niederdruckluft zugeführt. Im Inneren des Reglers strömt dann die Luft durch einen von Asco entwickelten Ventilblock, in dem auch das Proportionalventil vom Typ Asco 202 Preciflow enthalten ist. Das Ventil wird mit Signalen im Bereich von 0 bis 24 V über einen geschlossenen Regelkreis betätigt. Um die Präzision des Fluigent-Regelalgorithmus zu unterstützen, basiert die für die Ventilbetätigung verwendete Spannungsauflösung auf einer sehr fein abgestuften Ventilbetätigungssteuerung (entspricht 0,00037 V pro Schritt).

Mikroflusspumpen wie F-OEM können je nach Anwendungsanforderungen mit einem Eingangsluftdruck von -0,8 bar bis 7 bar betrieben werden. Veränderungen im Eingangsluftdruck wirken sich also auf die Durchflussrate durch das Preciflow-Ventil aus. Das beeinflusst letztlich auch die Durchflussrate der Flüssigkeit im Mikrofluidiksystem. Wenn beispielsweise Luft mit einem Druck von 1 bar zugeführt wird, beträgt die Durchflussrate des Ventils 0,8 l/m. Die  Genauigkeit liegt bei 12 µl/m. Eine gut abgestimmte, druckbasierte Fluigent-Mikroflusspumpe, in der der F-OEM-Druck- und Durchflussregler mit dem Asco-Ventil 202 eingesetzt wird, kann also Flüssigkeitsdurchflussraten von nur etwa 1 Nanoliter (ein Milliardstel Liter) pro Minute liefern.

Mikrofluidik mit druckbasierten Flusssteuerungsgeräten

Im Vergleich zu Schlauchpumpen können druckbasierte Flusssteuerungsgeräte wie die F-OEM-Plattform präzisere, kontinuierlichere und stabilere Mikroströme bieten. Sie vermeiden Impulsen oder Schwankungen in der Durchflussrate, die empfindliche Zellen beschädigen oder stören könnten. Wie Spritzenpumpen können auch druckbasierte mikrofluidische Pumpen präzise Flüssigkeitsmengen mit außergewöhnlicher Genauigkeit abgeben. Im Gegensatz zu Spritzenpumpen können sie aber auch kontinuierlich arbeiten. Sie bewältigen damit auch Flüssigkeitsmengen, die für größere Experimente oder Produktionsvorgänge typisch sind.

Für Forschungs- und Industrieanwendungen, die mikrofluidische Ströme mit hohen Ansprüchen an Stabilität, Ansprechzeit und Druckkontrolle erfordern, stellen druckbasierte mikrofluidische Pumpen also einen neuen Schritt nach vorn dar. Ihre Präzision und Konsistenz ebnen bereits den Weg für neue Entdeckungen und therapeutische Fortschritte in der Medizin, Biochemie und pharmazeutischen Entwicklung.

www.emerson.de;
Auf der Messe Compamed: Halle 8b, Stand G31


Kontakt zum Hersteller:

Emerson – Asco Numatics GmbH
Otto-Hahn-Str. 7
75248 Ölbronn-Dürrn
www.emerson.com



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