DE102018116918A1 - Fluidic detection system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Fluidik-Detektionssystem zur magnetisch-elektrischen Messung einer fluiden Probe, wobei das System jeweils mindestens ein Probenmodul, einen Magnetfeldsensor und einen Magneten umfasst, welche voneinander beabstandet angeordnet sind. Dabei weist das Probenmodul mindestens einen Kanal auf, der zum Befördern einer fluiden Probe entlang einer Fließrichtung ausgebildet ist. Der Magnet erzeugt ein Magnetfeld in einem Mess- und Anregungsbereich des Kanals. Dabei entspricht der Detektionsbereich des Magnetfeldsensors dem Mess- und Anregungsbereich des Kanals. Beim Befördern der fluiden Probe im Mess- und Anregungsbereich des Kanals wird das Magnetfeld von der zu untersuchenden fluiden Probe modifiziert, wobei der Magnetfeldsensor das modifizierte Magnetfeld erfasst.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems zur magnetisch-elektrischen Messung einer fluiden Probe.The invention relates to a fluidic detection system for the magnetic-electrical measurement of a fluid sample, the system each comprising at least one sample module, a magnetic field sensor and a magnet, which are arranged at a distance from one another. Here, the sample module has at least one channel, which is designed to convey a fluid sample along a flow direction. The magnet generates a magnetic field in a measurement and excitation area of the channel. The detection range of the magnetic field sensor corresponds to the measurement and excitation range of the channel. When the fluid sample is conveyed in the measuring and excitation area of the channel, the magnetic field is modified by the fluid sample to be examined, the magnetic field sensor detecting the modified magnetic field fluid sample.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fluidik-Detektionssystem zur magnetisch-elektrischen Messung einer fluiden Probe.The invention relates to a fluidic detection system for the magnetic-electrical measurement of a fluid sample.
Durch den globalen demographischen Wandel stehen der nächsten Generation von Biosensoren große Herausforderungen bevor. Dies betrifft insbesondere die Überwachung der Umwelt, der Qualität von Lebensmitteln sowie der medizinischen Diagnose und pharmazeutischen Industrie. Die digitale Mikrofluidik (auch tropfenbasierte Mikrofluidik genannt), wie sie beispielsweise in [1,8] beschrieben ist, kann für all diese Aufgaben einen sehr großen Beitrag liefern, indem sie Flüssigkeiten im kleinen Maßstab auf der Milli-, Mikro- und Nanoskala kontrolliert. Dabei werden zwei nicht mischbare Fluide gezielt durch jeweils einen kleinen Kanal geschickt, wodurch sich an einer Verbindungsstelle (beispielsweise einer T-Verbindung) eine Emulsion bildet. In der Emulsion bildet eine Flüssigkeit eine erste, kontinuierliche Phase, in welcher sich wiederum eine zweite, dispergiert ausgebildete Phase in Form von Tropfen oder Blasen befindet (s. z.B. [8]).The next generation of biosensors are facing major challenges due to global demographic change. This concerns in particular the monitoring of the environment, the quality of food as well as the medical diagnosis and pharmaceutical industry. Digital microfluidics (also called drop-based microfluidics), as described, for example, in [1,8], can make a very big contribution to all of these tasks by controlling liquids on a small scale on the milli, micro and nanoscale. Here, two immiscible fluids are specifically sent through a small channel, whereby an emulsion forms at a connection point (for example a T-connection). In the emulsion, a liquid forms a first, continuous phase, which in turn contains a second, dispersed phase in the form of drops or bubbles (see e.g. [8]).
Bei den zu untersuchenden Substanzen handelt es sich um fluidische, meist biochemische und flüssige Proben, welche durch die Kanäle geleitet werden. Die Kanäle für die Fluide sind dabei meist als Fluidik-Chip, als Kapillare, als Röhrchen oder als Schlauch ausgebildet. Die zu untersuchenden fluidischen Proben, welche in Tropfenform vorliegen, können mit einer hohen Durchflussrate in diesen Kanälen überwacht werden und ein Volumen von 1 µl bis 1 nl haben. Dabei erfolgt die Überwachung häufig durch optische Messmethoden, z.B. mittels UV-Spektrometer oder Photometer [2,3,6].The substances to be examined are fluid, mostly biochemical and liquid samples, which are passed through the channels. The channels for the fluids are usually designed as a fluidic chip, as a capillary, as a tube or as a tube. The fluidic samples to be examined, which are in drop form, can be monitored with a high flow rate in these channels and have a volume of 1 μl to 1 nl. Monitoring is often carried out using optical measurement methods, e.g. using a UV spectrometer or photometer [2,3,6].
Basierend auf den derzeitigen Bauformen der Detektoren, bei welchen beispielsweise die Probenbehälter durch die Spulen verlaufen, liegt die Durchflussrate der Tropfen durch die Schläuche derzeit bei ca. 100 bis 200 Tropfen pro Sekunde bzw. 200 µl/min [6,7], wobei davon ca. 30-40 Tropfen pro Sekunde gemessen werden können [7].Based on the current designs of the detectors, in which, for example, the sample containers run through the coils, the flow rate of the drops through the tubes is currently around 100 to 200 drops per second or 200 µl / min [6,7], of which 30-40 drops per second can be measured [7].
Auf dem Gebiet der fluidisch ausgebildeten Detektoren forschen und entwickeln in Europa (z.B. Fluigent, ELVESYS, MilliDrop) und auch weltweit (z.B. Biorad, RanDance Technologies) einige Firmen. Die meisten Firmen entwickeln jedoch digitale fluidische Systeme mit optischen Detektoren, beispielsweise zur Überwachung von Bakterien (MilliDrop) oder für Echtzeit Polymerase-Kettenreaktion (Biorad, RanDance Technologies). Es gibt auch einige kommerzielle Aktivitäten auf dem Gebiet der Sensoren für die Fluidik. So nutzt die Firma MagArray Inc. einen magnetischen Detektor für die molekulare Diagnose, allerdings nurfür statische Messungen und nicht im Fluss. Weitere On-Chip-Strategien gehen in Richtung Messung der elektrischen Reaktion wie z.B. dem elektrischen Widerstand oder der Impedanz. Durch die Integration der Sensorelemente in die fluidischen Netzwerke ist die resistive und kapazitive Detektion in der Milli- , Mikro- und Nanofluidik schon weit vorangeschritten. Dennoch besteht, insbesondere bei Widerstandsmessungen, durch den Kontakt der Elektroden mit der Probe die Gefahr der Kontaminierung und das Problem der Wiederverwendung. Bei Detektionen mithilfe der Impedanz von ionischen Proben können Probleme durch Aufladungen entstehen. Dies sind erhebliche Einschränkungen, welche die Anwendungsmöglichkeiten aller konventionellen elektronischen Methoden für biologische Proben eingrenzen. Dies betrifft die Überwachung der Reaktionskinetik von lebenden Mikroorganismen oder den Einfluss ihrer Mikroumgebung, welche grundsätzlich Kulturmedien mit isotonischen Puffern benötigt Zusätzlich benötigen kapazitive Detektoren große teure Impedanz-Analysatoren, was der gewünschten Flexibilität und kompakten Bauform entgegenwirkt.Some companies research and develop in the field of fluidically trained detectors in Europe (e.g. Fluigent, ELVESYS, MilliDrop) and also worldwide (e.g. Biorad, RanDance Technologies). However, most companies develop digital fluidic systems with optical detectors, for example for monitoring bacteria (MilliDrop) or for real-time polymerase chain reaction (Biorad, RanDance Technologies). There are also some commercial activities in the field of sensors for fluidics. For example, MagArray Inc. uses a magnetic detector for molecular diagnosis, but only for static measurements and not in the flow. Other on-chip strategies are aimed at measuring the electrical response, e.g. electrical resistance or impedance. By integrating the sensor elements into the fluidic networks, resistive and capacitive detection in milli, micro and nanofluidics is already well advanced. Nevertheless, especially with resistance measurements, there is a risk of contamination and the problem of reuse due to the contact of the electrodes with the sample. Problems caused by charging can arise when using the impedance of ionic samples. These are significant restrictions that limit the application possibilities of all conventional electronic methods for biological samples. This concerns the monitoring of the reaction kinetics of living microorganisms or the influence of their microenvironment, which fundamentally requires culture media with isotonic buffers. In addition, capacitive detectors require large, expensive impedance analyzers, which counteracts the desired flexibility and compact design.
Nachteilig müssen die Materialien der Kanäle durch die optische Überwachung transparent ausgebildet sein (z.B. transparente Schläuche) und die Proben müssen in einem Verfahrensschritt mit Farbstoffen versehen werden, um von den optischen Detektoren erfasst zu werden. Zudem sind die Photodetektoren sehr kostenintensiv, was die Wirtschaftlichkeit der Messungen deutlich herabsetzt.Disadvantageously, the materials of the channels have to be made transparent by the optical monitoring (e.g. transparent tubes) and the samples have to be provided with dyes in one process step in order to be detected by the optical detectors. In addition, the photodetectors are very expensive, which significantly reduces the cost-effectiveness of the measurements.
Daher werden häufig komplett elektronisch betriebene Detektoren verwendet, welche die Eigenschaften der durch die Kanäle geleiteten Materialien wie beispielsweise den elektrischen Widerstand oder die Impedanz elektrisch messen [
Aufgabe ist es daher, ein System bereitzustellen, welches durch eine nicht-optische Messmethode die Nachteile des Standes der Technik bei der Messung hoher Durchflussraten und Geschwindigkeiten fluidisch ausgebildeter Proben überwindet.It is therefore an object to provide a system which overcomes the disadvantages of the prior art when measuring high flow rates and velocities of fluidically formed samples by means of a non-optical measurement method.
Insbesondere soll eine zuverlässige, kostengünstige und zeitsparende und somit wirtschaftliche Messung auch geringerer Probenvolumina sowie kleiner dimensionierter fluider Proben erfolgen. In particular, a reliable, inexpensive and time-saving and thus economical measurement should also be carried out for smaller sample volumes and small-sized fluid samples.
Dies soll einhergehen mit einer kompakteren Bauweise des Systems, sodass es auch tragbar ausgebildet ist. This should go hand in hand with a more compact design of the system, so that it is also designed to be portable.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Fluidik-Detektionssystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention, the object is achieved by a fluidic detection system according to the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Fluidik-Detektionssystem zur magnetisch-elektrischen Messung einer fluiden Probe in der Mikro-, Milli- und Nanofluidik, wobei das Fluidik-Detektionssystem verschiedene Komponenten umfasst. Erfindungsgemäß umfasst das Fluidik-Detektionssystem mindestens ein Probenmodul, welches mindestens einen Kanal aufweist, der zum Befördern einer fluiden Probe entlang einer Fließrichtung ausgebildet ist wobei die Längsachse des Kanals der Fließrichtung entspricht. Im Sinne der Erfindung umfasst das Fluidik-Detektionssystem weiterhin mindestens einen Magneten mit einer magnetischen Achse, wobei der Magnet zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Mess- und Anregungsbereich des Kanals ausgebildet ist, wobei die Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse in mindestens einer Dimension kleiner als die Außendimensionierung des Kanals senkrecht zu seiner Längsachse ist. Erfindungsgemäß umfasst das Fluidik-Detektionssystem weiterhin mindestens einen Magnetfeldsensor, welcher zum Detektieren eines Magnetfeldes ausgebildet ist und dessen Detektionsbereich den Mess- und Anregungsbereich des Kanals des Probenmoduls einschließt Erfindungsgemäß sind das Probenmodul, der Magnetfeldsensor und die Spule voneinander beabstandet angeordnet Im Sinne der Erfindung entspricht der Detektionsbereich des Magnetfeldsensors der Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse in mindestens einer Dimension.A first aspect of the invention relates to a fluidic detection system for the magnetic-electrical measurement of a fluid sample in micro, milli and nanofluidics, the fluidic detection system comprising different components. According to the invention, the fluidic detection system comprises at least one sample module which has at least one channel which is designed to convey a fluid sample along a flow direction, the longitudinal axis of the channel corresponding to the flow direction. According to the invention, the fluidic detection system further comprises at least one magnet with a magnetic axis, the magnet being designed to generate a magnetic field in a measurement and excitation area of the channel, the dimensions of the magnet being perpendicular to its magnetic axis in at least one dimension is smaller than the outer dimension of the channel perpendicular to its longitudinal axis. According to the invention, the fluidic detection system further comprises at least one magnetic field sensor which is designed to detect a magnetic field and whose detection area includes the measurement and excitation area of the channel of the sample module Detection range of the magnetic field sensor of the dimensioning of the magnet perpendicular to its magnetic axis in at least one dimension.
Erfindungsgemäß umfasst das Fluidik-Detektionssystem mehrere Komponenten. Dabei umfassen die Komponenten des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems mindestens einen Magneten, mindestens ein Probenmodul und mindestens einen Magnetfeldsensor.According to the invention, the fluidic detection system comprises several components. The components of the fluidic detection system according to the invention include at least one magnet, at least one sample module and at least one magnetic field sensor.
In einer Ausführungsform weisen die Komponenten des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems variable Dimensionierungen und Ausgestaltungen auf, wobei die Komponenten untereinander unterschiedliche Dimensionierungen und Ausgestaltungen aufweisen können. Vorteilhaft sind dabei je nach Einsatzzweck beliebige Kombinationen möglich. Unter der Dimensionierung einer Komponente wird im Folgenden auch die Ausdehnung oder Querschnittsabmessung der jeweiligen Komponente verstanden.In one embodiment, the components of the fluidic detection system according to the invention have variable dimensions and configurations, wherein the components can have different dimensions and configurations from one another. Depending on the intended use, any combinations are advantageously possible. In the following, the dimensioning of a component is also understood to mean the extension or cross-sectional dimension of the respective component.
In Ausführungsformen ist das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem tragbar ausgebildet.In embodiments, the fluidics detection system according to the invention is designed to be portable.
Erfindungsgemäß sind das Probenmodul, der Magnetfeldsensor und der Magnet voneinander beabstandet angeordnet. Bevorzugt ist der Kanal, der Magnetfeldsensor und der Magnet voneinander beabstandet angeordnet. Weiterhin bevorzugt sind alle Abstände der Komponenten zueinander minimal ausgebildet. Insbesondere durch die Trennung von Magnet und Probenmodul kann damit, im Vergleich zum Stand der Technik [7], das Probenmodul in seiner Ausgestaltung und Dimensionierung vorteilhaft unabhängig von der Ausgestaltung und Dimensionierung des Magneten ausgewählt werden (und umgekehrt).According to the invention, the sample module, the magnetic field sensor and the magnet are arranged at a distance from one another. The channel, the magnetic field sensor and the magnet are preferably arranged at a distance from one another. Furthermore, all distances between the components are preferably minimal. In particular, by separating the magnet and the sample module, the configuration and dimensioning of the sample module can advantageously be selected independently of the configuration and dimensioning of the magnet (and vice versa) compared to the prior art [7].
Im Sinne der Erfindung wird unter der magnetischen Achse des Magneten jene Achse, welche Nordpol und Südpol des Magneten miteinander verbindet, verstanden. Dabei wiederum entsprechen Nordpol und Südpol den Stirnseiten bzw. Enden des Magneten, welche jeweils die höchste Feldliniendichte und somit die höchste Feldstärke aufweisen. In einer Ausführungsform entspricht die magnetische Achse der Längsachse des Magneten und somit der Richtung der größten Ausdehnung des Magneten. In einer weiteren Ausführungsform entspricht die magnetische Achse der Zentralachse des Magneten. In einer bevorzugten Ausführungsform schneidet die magnetische Achse des mindestens einen Magneten den mindestens einen Magnetfeldsensor.In the sense of the invention, the magnetic axis of the magnet is understood to mean that axis which connects the north pole and south pole of the magnet to one another. The north pole and south pole in turn correspond to the end faces or ends of the magnet, which each have the highest field line density and thus the highest field strength. In one embodiment, the magnetic axis corresponds to the longitudinal axis of the magnet and thus the direction of the greatest extent of the magnet. In a further embodiment, the magnetic axis corresponds to the central axis of the magnet. In a preferred embodiment, the magnetic axis of the at least one magnet intersects the at least one magnetic field sensor.
Bevorzugt sind der Magnet und der Magnetfeldsensor genau gegenüber liegend und somit entlang der magnetischen Achse des Magneten positioniert. In einer alternativen Ausführungsform ist der mindestens eine Magnetfeldsensor nicht entlang der magnetischen Achse des mindestens einen Magneten angeordnet, sondern in einer anderen Raumrichtung und Drehwinkel und somit von dem Magneten verschoben und nicht gegenüber liegend positioniert.The magnet and the magnetic field sensor are preferably located exactly opposite one another and thus positioned along the magnetic axis of the magnet. In an alternative embodiment, the at least one magnetic field sensor is not arranged along the magnetic axis of the at least one magnet, but in a different spatial direction and angle of rotation and thus displaced by the magnet and not positioned opposite one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens Magnet und/oder der mindestens eine Magnetfeldsensor verstell- und verschiebbar ausgebildet. Vorteilhaft kann das Fluidik-Detektionssystem damit an die jeweiligen geometrischen Beschaffenheiten des Probenmoduls angepasst werden und eine Veränderung der Komponenten auch in-situ erfolgen. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Magnet entlang seiner magnetischen Achse verstell- und verschiebbar.In a preferred embodiment, the at least magnet and / or the at least one magnetic field sensor is designed to be adjustable and displaceable. The fluidic detection system can thus advantageously be adapted to the respective geometrical properties of the sample module and the components can also be changed in situ. The at least one magnet is particularly preferably adjustable and displaceable along its magnetic axis.
In Ausführungsformen umfassen die Verstell- und Verschiebemöglichkeiten des Magnetfeldsensors alle möglichen Raumrichtungen und Drehwinkel, insbesondere Abstandsveränderungen, Verschiebungen gegenüber dem Probenmodul oder azimutale Ausrichtungen und Veränderungen der jeweiligen Winkel. Alternativ ist auch der Magnet in allen möglichen Raumrichtungen und Drehwinkeln verstell- und verschiebbar ausgebildet.In embodiments, the adjustment and displacement options of the magnetic field sensor include all possible spatial directions and angles of rotation, in particular changes in distance, displacements with respect to the sample module or azimuthal orientations and changes in the respective angles. Alternatively, the magnet is in all possible spatial directions and angles of rotation designed to be adjustable and displaceable.
Erfindungsgemäß umfasst das Fluidik-Detektionssystem mindestens einen Magneten.According to the invention, the fluidic detection system comprises at least one magnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Magnet mit seiner magnetischen Achse senkrecht zur Längsachse des Kanals des Probenmoduls und somit senkrecht zur Fließrichtung der durch den Kanal fließenden fluiden Probe angeordnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schneidet die magnetische Achse des Magneten die Längsachse des Kanals. Somit ist der mindestens eine Magnet bezüglich des Kanals zentriert angeordnet, wodurch vorteilhaft die Effektivität der Messung gesteigert wird.In a preferred embodiment, the at least one magnet is arranged with its magnetic axis perpendicular to the longitudinal axis of the channel of the sample module and thus perpendicular to the direction of flow of the fluid sample flowing through the channel. In a further preferred embodiment, the magnetic axis of the magnet intersects the longitudinal axis of the channel. The at least one magnet is thus centered with respect to the channel, which advantageously increases the effectiveness of the measurement.
In einer alternativen Ausführungsform ist der mindestens eine Magnet entlang seiner magnetischen Achse nicht senkrecht zur Längsachse des Kanals des Probenmoduls angeordnet. Allerdings kann in dieser alternativen Anordnung das Messignal nicht vollständig ausgenutzt werden. Im Sinne der Erfindung ist der mindestens eine Magnet zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Mess- und Anregungsbereich des Kanals ausgebildet. Das von dem mindestens einen Magneten erzeugte Magnetfeld wird auch als erstes Magnetfeld bezeichnet. Dadurch wird bei Vorhandensein oder beim Durchfließen der zu untersuchenden fluiden Probe in dem Mess- und Anregungsbereich das Magnetfeld von der fluiden Probe modifiziert.In an alternative embodiment, the at least one magnet is not arranged perpendicular to the longitudinal axis of the channel of the sample module along its magnetic axis. However, the measurement signal cannot be fully used in this alternative arrangement. In the sense of the invention, the at least one magnet is designed to generate a magnetic field in a measurement and excitation area of the channel. The magnetic field generated by the at least one magnet is also referred to as the first magnetic field. As a result, if the fluid sample to be examined is present or flows through in the measurement and excitation area, the magnetic field is modified by the fluid sample.
Erfindungsgemäß ist die Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse in mindestens einer Dimension kleiner als die Außendimensionierung des Kanals senkrecht zu seiner Längsachse. Dabei bezieht sich „in mindestens einer Dimension“ auf eine vorgegebene Raumrichtung. Bevorzugt ist die Außendimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse in mindestens einer Dimension kleiner als die Außendimensionierung des Kanals senkrecht zu seiner Längsachse. Vorteilhaft kann durch diese Ausbildung der Dimensionierung die Anzahldichte der Objekte, wie beispielsweise die Anzahldichte der Tropfen, im Vergleich zum Stand der Technik (s. z.B. [
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule oder als Permanentmagnet ausgebildet. Durch den Einsatz eines Elektromagneten mit mindestens einer Spule werden vorteilhaft die effizientesten Messergebnisse erreicht. In Ausführungsformen, wenn der Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule ausgebildet ist, ist die mindestens eine Spule hohlzylinderförmig ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, im Falle eines Elektromagneten, ist die mindestens eine Spule als Zylinderspule ausgebildet. Vorteilhaft stellen diese Ausführungsformen die effizientesten Bauarten dar. In alternativen Ausführungsformen sind auch andere Bauformen der mindestens einen Spule des Elektromagneten möglich, beispielsweise kann die mindestens eine Spule als Flachspule ausgebildet sein.In a particularly preferred embodiment, the at least one magnet is designed as an electromagnet with at least one coil or as a permanent magnet. By using an electromagnet with at least one coil, the most efficient measurement results are advantageously achieved. In embodiments, if the magnet is designed as an electromagnet with at least one coil, the at least one coil is designed as a hollow cylinder. In a further preferred embodiment, in the case of an electromagnet, the at least one coil is designed as a cylindrical coil. These embodiments advantageously represent the most efficient designs. In alternative embodiments, other designs of the at least one coil of the electromagnet are also possible, for example the at least one coil can be designed as a flat coil.
In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Spule des Elektromagneten als Luftspule ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen weist die mindestens eine Spule des Elektromagneten einen Glaskern auf. In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist die mindestens eine Spule des Elektromagneten einen Eisenkern auf.In one embodiment, the at least one coil of the electromagnet is designed as an air coil. In alternative embodiments, the at least one coil of the electromagnet has a glass core. In a further alternative embodiment, the at least one coil of the electromagnet has an iron core.
Im Sinne der Erfindung, wenn der Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule ausgebildet ist, wird unter der Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse der Spulenquerschnitt verstanden. In Ausführungsformen, wenn der Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule wie beispielsweise einerZylinderspule ausgebildet ist, entspricht die Dimensionierung des Magneten dem Durchmesser der Spule. In einer weiteren Ausführungsform, wenn der Kanal als Schlauch, Kapillare oder Röhrchen ausgebildet ist, weist die Spule einen kleineren Spulenquerschnitt als der Außendurchmesser des Schlauchs, der Kapillare oder des Röhrchens auf. Dabei beträgt der Außendurchmesser des Schlauchs 1,6 mm bzw. 1/16" oder 0,8 mm bzw. 1/32".In the sense of the invention, if the magnet is designed as an electromagnet with at least one coil, the dimensioning of the magnet perpendicular to its magnetic axis means the coil cross section. In embodiments, when the magnet is designed as an electromagnet with at least one coil, such as, for example, a solenoid, the dimensioning of the magnet corresponds to the diameter of the coil. In a further embodiment, if the channel is designed as a tube, capillary or tube, the coil has a smaller coil cross-section than the outside diameter of the tube, the capillary or the tube. The outer diameter of the hose is 1.6 mm or 1/16 "or 0.8 mm or 1/32".
In Ausführungsformen ist der mindestens eine Magnet derart ausgebildet, ein erstes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses erste Magnetfeld dient der Anregung der durch den Kanal geleiteten fluiden Probe, sobald die beförderte fluide Probe in den Bereich der höchsten Feldstärke des ersten Magnetfeldes kommt. Vorzugsweise kommt die zu untersuchende fluide Probe im Mess- und Anregungsbereich des Kanals des Probenmoduls bzw. beim Durchlaufen desselben mit dem Bereich der höchsten Feldstärke des ersten Magnetfeldes in Kontakt. Dabei deckt bevorzugt der Bereich der höchsten Feldstärke des ersten Magnetfeldes des Magneten den Mess- und Anregungsbereich des Kanals des Probenmoduls ab.In embodiments, the at least one magnet is designed to generate a first magnetic field. This first magnetic field is used to excite the fluid sample passed through the channel as soon as the fluid sample being transported comes into the range of the highest field strength of the first magnetic field. The fluid sample to be examined preferably comes into contact with the area of the highest field strength of the first magnetic field in the measurement and excitation area of the channel of the sample module or when passing through it. The range of the highest field strength of the first magnetic field of the magnet preferably covers the measurement and excitation range of the channel of the sample module.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wenn der Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule ausgebildet ist, ist die mindestens eine Spule induktiv und das erste Magnetfeld der Spule als Wechselfeld ausgebildet. Dabei wird die Spule je nach Anwendung mit hochfrequentem oder niederfrequentem Wechselstrom betrieben. In einer alternativen Ausführungsform ist das erste Magnetfeld der Spule als Gleichfeld ausgebildet. Dabei wird die Spule je nach Anwendung mit Gleichstrom betrieben. In weiteren Ausführungsformen wird die Spule mit einer Frequenz im MHz-Bereich bei geringen Spannungen betrieben. Dabei richtet sich die erforderliche Stromstärke nach der Dimensionierung der Spule und der Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors.In a preferred embodiment, if the magnet is designed as an electromagnet with at least one coil, the at least one coil is inductive and the first magnetic field of the coil is designed as an alternating field. Depending on the application, the coil is used with high-frequency or low frequency AC operated. In an alternative embodiment, the first magnetic field of the coil is designed as a constant field. Depending on the application, the coil is operated with direct current. In further embodiments, the coil is operated at a frequency in the MHz range at low voltages. The required current depends on the dimensions of the coil and the sensitivity of the magnetic field sensor.
In einer Ausführungsform dient das erste Magnetfeld als Referenz für den Magnetfeldsensor. Dies ist der Fall, wenn die in der fluiden Probe enthaltenen Objekte das erste Magnetfeld nicht modifizieren.In one embodiment, the first magnetic field serves as a reference for the magnetic field sensor. This is the case if the objects contained in the fluid sample do not modify the first magnetic field.
Erfindungsgemäß umfasst das Fluidik-Detektionssystem als Komponente mindestens einen Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor wird auch als Magnetfelddetektor, magnetischer Sensor, Magnetometer, magnetisch-elektrischer Detektor oder nicht-optischer Detektor bezeichnet.According to the invention, the fluidic detection system comprises at least one magnetic field sensor as a component. The magnetic field sensor is also referred to as a magnetic field detector, magnetic sensor, magnetometer, magnetic-electrical detector or non-optical detector.
Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Magnetfeldsensor zum Detektieren eines Magnetfeldes ausgebildet. Dabei ist der Magnetfeldsensor sensitiv gegenüber Magnetfeldern in seinem Detektionsbereich sowie im Mess- und Anregungsbereich des Kanals des Fluidmoduls. Bevorzugt ist der mindestens eine Magnetfeldsensor zum Detektieren des von der zu untersuchenden fluiden Probe im Mess- und Anregungsbereich erzeugten modifizierten Magnetfeldes ausgebildet. Wird von der zu untersuchenden fluiden Probe im Mess- und Anregungsbereich kein Magnetfeld modifiziert, so ist der mindestens eine Magnetfeldsensor zum Detektieren des von dem mindestens einen Magneten erzeugten Magnetfeldes ausgebildet.According to the invention, the at least one magnetic field sensor is designed to detect a magnetic field. The magnetic field sensor is sensitive to magnetic fields in its detection area and in the measurement and excitation area of the channel of the fluid module. The at least one magnetic field sensor is preferably designed to detect the modified magnetic field generated by the fluid sample to be examined in the measurement and excitation area. If no magnetic field is modified by the fluid sample to be examined in the measuring and excitation area, the at least one magnetic field sensor is designed to detect the magnetic field generated by the at least one magnet.
In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor als SQUID, Hall-Sensor, Feldplatte oder GMR-Sensor ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist der Magnetfeldsensor als Gradiometer ausgebildet.In one embodiment, the magnetic field sensor is designed as a SQUID, Hall sensor, field plate or GMR sensor. In further embodiments, the magnetic field sensor is designed as a gradiometer.
Der Magnetfeldsensor kann in jedem beliebigen Winkel und Abstand um das Probenmodul und somit den Kanal und/oder die magnetische Achse des Magneten angeordnet sein. Dabei muss jedoch der Detektionsbereich des Magnetfeldsensors noch ausreichenden Abstand zu dem aufgrund der fluiden Probe ausbildenden modifizierten Magnetfeld haben, um eine brauchbare Signalstärke zu detektieren.The magnetic field sensor can be arranged at any angle and distance around the sample module and thus the channel and / or the magnetic axis of the magnet. However, the detection area of the magnetic field sensor must still be at a sufficient distance from the modified magnetic field forming on the basis of the fluid sample in order to detect a usable signal strength.
Bei dem Magnetfeldsensor kann es sich auch um einen kommerziell erhältlichen Magnetfeldsensor handeln. Vorteilhaft ist dadurch keine aufwendige elektronische Schaltung nötig.The magnetic field sensor can also be a commercially available magnetic field sensor. As a result, no complex electronic circuit is advantageously necessary.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Magnetfeldsensor zur Detektion der Stärke oder des Gradienten des Magnetfeldes ausgebildet. Insbesondere ist der mindestens eine Magnetfeldsensor zur Detektion der Stärke oder des Gradienten des ersten Magnetfeldes oder des modifizierten Magnetfeldes ausgebildet.In a preferred embodiment, the at least one magnetic field sensor is designed to detect the strength or the gradient of the magnetic field. In particular, the at least one magnetic field sensor is designed to detect the strength or the gradient of the first magnetic field or the modified magnetic field.
In einer Ausführungsform, wenn der Magnetfeldsensor als SQUID, Hall-Sensor, Feldplatte oder GMR-Sensor ausgebildet ist, wird die Stärke des ersten oder des modifizierten Magnetfeldes und somit absolute Änderung des ersten oder des modifizierten Magnetfeldes detektiert. In weiteren Ausführungsformen, wenn der Magnetfeldsensor als Gradiometer ausgebildet ist, wird die Änderung des Gradienten des ersten oder des modifizierten Magnetfeldes gemessen. Dabei handelt es sich bei den Änderungen des ersten oder des modifizierten Magnetfeldes bevorzugt um zeitliche Änderungen.In one embodiment, if the magnetic field sensor is designed as a SQUID, Hall sensor, field plate or GMR sensor, the strength of the first or the modified magnetic field and thus absolute change in the first or the modified magnetic field is detected. In further embodiments, if the magnetic field sensor is designed as a gradiometer, the change in the gradient of the first or of the modified magnetic field is measured. The changes in the first or the modified magnetic field are preferably changes over time.
In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor derart ausgebildet, um das erste Magnetfeld oder das modifizierte Magnetfeld zu erfassen. Bevorzugt ist der Magnetfeldsensor entlang der magnetischen Achse des Magneten angeordnet. Er kann jedoch auch in allen möglichen Raumrichtungen und Drehwinkeln angeordnet oder verschoben sein, solange er in der Lage ist, das erste Magnetfeld oder das modifizierte Magnetfeld zu detektieren.In one embodiment, the magnetic field sensor is designed to detect the first magnetic field or the modified magnetic field. The magnetic field sensor is preferably arranged along the magnetic axis of the magnet. However, it can also be arranged or shifted in all possible spatial directions and angles of rotation, as long as it is able to detect the first magnetic field or the modified magnetic field.
Aus dem vom Magnetfeldsensor erfassten modifizierten Magnetfeld, insbesondere der zeitlichen Änderung des Signals, können die Anzahl, Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit der in der fluiden Probe enthaltenen Objekte ermittelt werden. Auch die Anzahldichte der in der fluiden Probe enthaltenen Objekte kann aus dem modifizierten Magnetfeld bestimmt werden. Weiterhin können aus der relativen Änderung der Feldstärke und der Form des modifizierten Magnetfeldes die magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften der durch den Kanal beförderten, in der fluiden Probe enthaltenen Objekte ermittelt werden.The number, flow rate and / or speed of the objects contained in the fluid sample can be determined from the modified magnetic field detected by the magnetic field sensor, in particular the temporal change in the signal. The number density of the objects contained in the fluid sample can also be determined from the modified magnetic field. Furthermore, from the relative change in the field strength and the shape of the modified magnetic field, the magnetic, metallic and / or ionic properties of the objects contained in the fluid sample and conveyed through the channel can be determined.
Erfindungsgemäß entspricht der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors der Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse in mindestens einer Dimension. Bevorzugt entspricht der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors maximal der Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse. Im Falle eines Elektromagneten mit mindestens einer Spule entspricht der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors maximal dem Spulenquerschnitt. Somit wird der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors optimal vom ersten Magnetfeld oder dem modifizierten Magnetfeld abgedeckt, wodurch vorteilhaft die Messempfindlichkeit erhöht wird.According to the invention, the detection range of the at least one magnetic field sensor corresponds to the dimensioning of the magnet perpendicular to its magnetic axis in at least one dimension. The detection range of the at least one magnetic field sensor preferably corresponds at most to the dimensioning of the magnet perpendicular to its magnetic axis. In the case of an electromagnet with at least one coil, the detection range of the at least one magnetic field sensor corresponds at most to the coil cross section. The detection range of the at least one magnetic field sensor is thus optimally covered by the first magnetic field or the modified magnetic field, which advantageously increases the measurement sensitivity.
Objekte der zu untersuchenden fluiden Probe, die im Detektionsbereich des Magnetfeldsensors sind und durch diesen befördert werden bzw. fließen, befinden sich somit im Mess- und Anregungsbereich des Kanals des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems. Objects of the fluid sample to be examined, which are in the detection area of the magnetic field sensor and are conveyed or flow through it, are therefore located in the measurement and excitation area of the channel of the fluidic detection system according to the invention.
In einer Ausführungsform entspricht der Mess- und Anregungsbereich jenem Bereich des Kanals des Probenmoduls, welcher im Bereich der höchsten Feldstärke des ersten Magnetfeldes des Magneten und dem Detektionsbereich des Magnetfeldsensors liegt bzw. durch diesen abgedeckt wird. Der Mess- und Anregungsbereich ist dabei stets lokal ausgebildet und wird auch als Messstrecke bezeichnet.In one embodiment, the measurement and excitation area corresponds to that area of the channel of the sample module which is in the area of the highest field strength of the first magnetic field of the magnet and the detection area of the magnetic field sensor or is covered by this. The measuring and excitation area is always local and is also referred to as the measuring section.
Bevorzugt entspricht der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors jenem Bereich des Probenmoduls bzw. des Kanals, welcher zwischen dem Magneten und dem Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei in dieser bevorzugten Ausführungsform Magnet und Magnetfeldsensor genau gegenüber liegend positioniert sind.The detection area of the at least one magnetic field sensor preferably corresponds to that area of the sample module or of the channel which is arranged between the magnet and the magnetic field sensor, wherein in this preferred embodiment the magnet and magnetic field sensor are positioned exactly opposite one another.
In einer alternativen Ausführungsform befindet sich der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors im Mess- und Anregungsbereich des Kanals des Probenmoduls, der durch den Bereich der höchsten Feldstärke des ersten Magnetfeldes oder das modifizierte Magnetfeld abgedeckt wird, um ein messbares Signal zu erzeugen.In an alternative embodiment, the detection area of the at least one magnetic field sensor is in the measurement and excitation area of the channel of the sample module, which is covered by the area of the highest field strength of the first magnetic field or the modified magnetic field in order to generate a measurable signal.
In Ausführungsformen ist der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors kleiner ausgebildet als die Dimensionierung der Objekte (beispielsweise die Länge der Tropfen) entlang der Längsachse des Kanals. Dadurch kann der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Objekten in der fluiden Probe verringert werden, was bezüglich der in der fluiden Probe enthaltenen Objekte vorteilhaft zu einer um ein Vielfaches erhöhten Anzahldichte der Objekte (beispielsweise einer erhöhten Anzahldichte der Tropfen) und somit zu einer höheren Durchflussrate der Objekte in der fluiden Probe führt. Dadurch wiederum wird vorteilhaft die benötigte Zeit zum Messen der fluiden Probe reduziert.In embodiments, the detection area of the at least one magnetic field sensor is made smaller than the dimensioning of the objects (for example the length of the drops) along the longitudinal axis of the channel. As a result, the distance between two successive objects in the fluid sample can be reduced, which, with respect to the objects contained in the fluid sample, advantageously leads to a multiple increase in the number density of the objects (for example an increased number density of the drops) and thus to a higher flow rate of the objects leads in the fluid sample. This in turn advantageously reduces the time required to measure the fluid sample.
Im Sinne der Erfindung schließt der Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors den Mess- und Anregungsbereich des Kanals des Probenmoduls ein. Somit ist der gesamte Magnetfeldsensor unmittelbar in der Nähe des Probenmoduls angeordnet. Dabei muss der Magnetfeldsensor und insbesondere dessen Detektionsbereich, so angeordnet bzw. ausgebildet sein, dass der Magnetfeldsensor noch in der Lage ist, das erste Magnetfeld oder das modifizierte Magnetfeld zu detektieren.In the sense of the invention, the detection range of the at least one magnetic field sensor includes the measurement and excitation range of the channel of the sample module. The entire magnetic field sensor is thus arranged in the immediate vicinity of the sample module. The magnetic field sensor and in particular its detection area must be arranged or designed such that the magnetic field sensor is still able to detect the first magnetic field or the modified magnetic field.
Erfindungsgemäß umfasst das Fluidik-Detektionssystem als Komponente mindestens ein Probenmodul. Dabei entspricht das Probenmodul einem Probenbehälter. In einer Ausführungsform ist das Probenmodul als Fluidmodul ausgebildet.According to the invention, the fluidic detection system comprises at least one sample module as a component. The sample module corresponds to a sample container. In one embodiment, the sample module is designed as a fluid module.
In weiteren Ausführungsformen ist das Probenmodul als Fluidik-Chip ausgebildet. Dabei umfasst der Fluidik-Chip mikro-, milli- und nanofluidisch ausgebildete Strukturen oder Kanäle und kann somit in der Mikro-, Milli- und Nanofluidik verwendet werden. In einer Ausführungsform ist das Probenmodul mit dem mindestens einen Kanal als Fluidik-Chip gedruckt, 3D gedruckt, lithographisch hergestellt oder gefräst.In further embodiments, the sample module is designed as a fluidic chip. The fluidic chip comprises micro, milli and nanofluidic structures or channels and can therefore be used in micro, milli and nanofluidics. In one embodiment, the sample module with the at least one channel is printed as a fluidic chip, 3D printed, lithographically produced or milled.
Im Sinne der Erfindung weist das Probenmodul mindestens einen Kanal auf. Der Kanal entspricht einer kanalartig ausgebildeten Fördereinrichtung.In the sense of the invention, the sample module has at least one channel. The channel corresponds to a channel-like conveyor.
Erfindungsgemäß ist der Kanal zum Befördern einer fluiden Probe entlang einer Fließrichtung ausgebildet. Da es sich um eine fluide Probe handelt, wird im Folgenden auch der Begriff einer durch den Kanal geleiteten fluiden Probe verwendet. Dabei fließt die fluide Probe durch den mindestens einen Kanal des Probenmoduls. In Ausführungsformen ist an den mindestens einen Kanal mindestens eine Spritze angeschlossen, die wiederum mit mindestens einer Pumpe verbunden ist, wobei die Pumpe die Durchflussrate der fluiden Probe einstellt bzw. dosiert indem sie einen internen Druck aufbaut.According to the invention, the channel is designed to convey a fluid sample along a flow direction. Since it is a fluid sample, the term “fluid sample passed through the channel” is also used below. The fluid sample flows through the at least one channel of the sample module. In embodiments, at least one syringe is connected to the at least one channel, which in turn is connected to at least one pump, the pump adjusting or metering the flow rate of the fluid sample by building up an internal pressure.
Erfindungsgemäß entspricht die Längsachse des Kanals der Fließrichtung der fluiden Probe. Die Fließrichtung der fluiden Probe wird auch als Beförderungsrichtung bezeichnet.According to the invention, the longitudinal axis of the channel corresponds to the direction of flow of the fluid sample. The direction of flow of the fluid sample is also referred to as the direction of conveyance.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Kanal des mindestens einen Probenmoduls als Schlauch, Kapillare, Röhrchen oder als mindestens eine Struktur auf einem Fluidik-Chip ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist der Kanal als Mikrokanal, d.h. mit einer Innendimensionierung von deutlich weniger als 1 mm, ausgebildet.In a preferred embodiment, the at least one channel of the at least one sample module is designed as a tube, capillary, tube or as at least one structure on a fluidic chip. In further embodiments, the channel is a microchannel, i.e. with an internal dimensioning of significantly less than 1 mm.
In einer Ausführungsform weist der Kanal eine Innendimensionierung und eine Außendimensionierung auf.In one embodiment, the channel has an internal dimensioning and an external dimensioning.
In Ausführungsformen weist der Querschnitt der Innendimensionierung des Kanals und/oder der Querschnitt der Außendimensionierung des Kanals verschiedene geometrische Formen und Abmessungen auf und kann beispielsweise rechteckig oder kreisförmig ausgebildet sein. Weiterhin kann die Innendimensionierung und die Außendimensionierung innerhalb des Verlaufs des Kanals in Fließrichtung veränderbare Abmessungen aufweisen. Bevorzugt ist dann die Dimensionierung des Magneten senkrecht zu seiner magnetischen Achse in mindestens einer Dimension kleiner als die Außendimensionierung des Kanals in mindestens einer Dimension senkrecht zu seiner Längsachse.In embodiments, the cross section of the internal dimensioning of the channel and / or the cross section of the external dimensioning of the channel has different geometric shapes and dimensions and can be, for example, rectangular or circular. Furthermore, the internal dimensioning and the external dimensioning can have dimensions that can be changed in the flow direction within the course of the channel. The dimensioning of the magnet is then preferred perpendicular to its magnetic axis in at least one dimension smaller than the external dimensioning of the channel in at least one dimension perpendicular to its longitudinal axis.
Im Falle eines kreisförmigen Querschnitts entspricht die Innendimensionierung des Kanals einem Innendurchmesser und die Außendimensionierung des Kanals einem Außendurchmesser.In the case of a circular cross section, the inside dimension of the channel corresponds to an inside diameter and the outside dimension of the channel corresponds to an outside diameter.
Dabei entspricht die Innendimensionierung des Kanals einem Hohlraum. In einer Ausführungsform, wenn der Kanal als Schlauch, Kapillare oder Röhrchen ausgebildet ist, entspricht die Innendimensionierung dem Innendurchmesser des Schlauchs, der Kapillare oder des Röhrchens. In alternativen Ausführungsformen entspricht der Innendurchmesser der Dimensionierung des Kanals.The internal dimensioning of the channel corresponds to a cavity. In one embodiment, if the channel is designed as a tube, capillary or tube, the inside dimension corresponds to the inside diameter of the tube, the capillary or the tube. In alternative embodiments, the inside diameter corresponds to the dimensioning of the channel.
Die Außendimensionierung des Kanals entspricht den erforderlichen und benötigten Abmessungen des Probenmoduls. In einer Ausführungsform, wenn der Kanal als Schlauch, Kapillare oder Röhrchen ausgebildet ist, entspricht die Außendimensionierung dem Außendurchmesser des Schlauchs, der Kapillare oder des Röhrchens. In einer weiteren Ausführungsform, wenn der Kanal als Struktur auf einem Fluidik-Chip ausgebildet ist, entspricht die Außendimensionierung des Kanals der Stützstruktur des Fluidik-Chips.The external dimensioning of the channel corresponds to the required and required dimensions of the sample module. In one embodiment, if the channel is designed as a tube, capillary or tube, the outer dimension corresponds to the outer diameter of the tube, the capillary or the tube. In a further embodiment, if the channel is designed as a structure on a fluidic chip, the external dimensioning of the channel corresponds to the support structure of the fluidic chip.
In Ausführungsformen ist die Innendimensionierung und/oder die Außendimensionierung des Kanals durch den Anwender flexibel festlegbar, wobei je nach gewählter Dimensionierung die Magnetfeldstärke des Magneten und die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors angepasst werden müssen.In embodiments, the inner dimensioning and / or the outer dimensioning of the channel can be flexibly determined by the user, the magnetic field strength of the magnet and the sensitivity of the magnetic field sensor having to be adapted depending on the dimensioning selected.
Indem pro Probenmodul mindestens ein Kanal zur Verfügung steht, dessen Innen- und/oder Außendimensionierung variabel ausgestaltet ist, kann vorteilhaft je nach Anwendungszweck aus der jeweils benötigten Außen- und/oder Innendimensionierung des Kanals gewählt werden und diese im erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystem eingesetzt und variiert werden.Since at least one channel is available per sample module, the inside and / or outside dimensioning of which is variable, depending on the application, it is advantageously possible to choose from the required outside and / or inside dimensioning of the channel and to use and vary this in the fluidic detection system according to the invention become.
So kann beispielsweise im Falle eines als Schlauch, Kapillare oder Röhrchen ausgebildeten Kanals der Außendurchmesser von 1/32" oder 1/16"und der Innendurchmesser von 25 µm bis 500 µm reichen. Im Falle eines als mindestens eine Struktur auf einem Fluidik-Chip ausgebildeten Kanals sind die Innendimensionierungen, welche als Auskerbungen der Strukturen ausgebildet sind, und die Außendimensionierungen variabel gestaltbar. Vorteilhaft wird damit die Flexibilität des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems durch den Durchfluss unterschiedlich dimensionierter Objekte, beispielsweise Tropfen mit variablen Größen, in der fluiden Probe erhöht, indem mehr Einsatzmöglichkeiten gegeben sind und beispielsweise verschiedene Industrie- oder Laborstandards realisiert werden können. Weiterhin vorteilhaft kann damit das Probenvolumen um eintausendstel des ursprünglichen Probenvolumens reduziert werden.For example, in the case of a channel designed as a tube, capillary or tube, the outside diameter can range from 1/32 "or 1/16" and the inside diameter from 25 µm to 500 µm. In the case of a channel designed as at least one structure on a fluidic chip, the internal dimensions, which are designed as notches of the structures, and the external dimensions can be designed variably. The flexibility of the fluidic detection system according to the invention is thus advantageously increased by the flow of objects of different dimensions, for example droplets with variable sizes, in the fluid sample, since there are more possible uses and, for example, different industrial or laboratory standards can be implemented. The sample volume can also advantageously be reduced by one thousandth of the original sample volume.
In einer Ausführungsform weist das Probenmodul einen Probeneingang auf, durch welchen die fluide Probe in das Probenmodul eingeführt wird. In weiteren Ausführungsformen liegen bereits Objekte wie beispielsweise Tropfen in dem Transportmedium der fluiden Probe vor. Vom Probeneingang aus wird die zu untersuchende fluide Probe durch den mindestens einen Kanal des Probenmoduls in Fließrichtung zum und durch den Mess- und Anregungsbereich geleitet. Nachdem die zu untersuchende fluide Probe den Mess- und Anregungsbereich des Kanals passiert hat, verlässt sie das Probenmodul durch einen Probenausgang.In one embodiment, the sample module has a sample inlet through which the fluid sample is introduced into the sample module. In further embodiments, objects such as drops are already present in the transport medium of the fluid sample. From the sample inlet, the fluid sample to be examined is passed through the at least one channel of the sample module in the flow direction to and through the measurement and excitation area. After the fluid sample to be examined has passed the measurement and excitation area of the channel, it leaves the sample module through a sample exit.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Probenmodul zwei Probeneingänge auf, durch welche jeweils die fluide Probe mit dem Transportmedium in das Probenmodul eingeführt wird. An die beiden Probeneingänge schließt sich eine als T-Verbindung oder Kreuzungspunkt ausgebildete Verbindungsstelle des Probenmoduls an, durch welchen die Bildung der Objekte erfolgt. Wenn beispielsweise das Objektmedium der fluiden Probe als Flüssigkeit wie Wasser und das Transportmedium der fluiden Probe als Öl vorliegt, wird die Flüssigkeit im Öl durch viskose Scherkräfte mitgezogen, wodurch sich die Kontaktfläche vergrößert und es aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, welche nicht beliebig ausdehnbar ist, zur Bildung von Objekten, vorliegend Tropfen, kommt. Von der T-Verbindung oder des Kreuzungspunktes aus werden die als Tropfen ausgebildeten Objekte in Fließrichtung der fluiden Probe durch den Kanal des Probenmoduls zum und durch den Mess- und Anregungsbereich geleitet. Nachdem die zu untersuchende fluide Probe den Mess- und Anregungsbereich des Kanals passiert hat, verlässt sie das Probenmodul durch einen Probenausgang.In a further embodiment, the sample module has two sample inlets, through which the fluid sample with the transport medium is introduced into the sample module. A connection point of the sample module, which is designed as a T-connection or crossing point, connects the two sample inlets, through which the objects are formed. If, for example, the object medium of the fluid sample is in the form of a liquid such as water and the transport medium of the fluid sample is in the form of oil, the liquid in the oil is drawn in by viscous shear forces, which increases the contact area and, due to the surface tension of the liquid, which cannot be expanded at will, objects, in the present case drops, are formed. From the T-connection or the crossing point, the objects designed as drops are directed in the flow direction of the fluid sample through the channel of the sample module to and through the measurement and excitation area. After the fluid sample to be examined has passed the measurement and excitation area of the channel, it leaves the sample module through a sample exit.
In Ausführungsformen weist der Kanal des Probenmoduls eine Stützstruktur oder Fixierung auf, in welchem er stabil gelagert und eingebettet ist. Ist der Kanal beispielsweise als Schlauch, Kapillare oder Röhrchen ausgebildet, entspricht die Stützstruktur einer Halterung. Ist der Kanal beispielweise als Struktur auf einem Fluidik-Chip ausgebildet ist, entspricht der Fluidik-Chip selbst der Stützstruktur.In embodiments, the channel of the sample module has a support structure or fixation in which it is stably supported and embedded. If the channel is designed, for example, as a tube, capillary or tube, the support structure corresponds to a holder. If the channel is formed, for example, as a structure on a fluidic chip, the fluidic chip itself corresponds to the support structure.
In einer bevorzugten Ausführungsform trennt das mindestens eine Probenmodul den mindestens einen Magneten und den mindestens einen Magnetfeldsensor voneinander. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform trennt der mindestens eine Kanal den mindestens einen Magneten und den mindestens einen Magnetfeldsensor voneinander. In einer alternativen Ausführungsform sind der mindestens eine Magnet und der mindestens eine Magnetfeldsensor auf der gleichen Seite relativ zum Probenmodul angeordnet, sodass das Probenmodul die beiden Komponenten nicht voneinander trennt. Allerdings sind auch hier im Sinne der Erfindung alle Komponenten voneinander beabstandet angeordnet.In a preferred embodiment, the at least one sample module separates the at least one magnet and the at least one magnetic field sensor from each other. In a further preferred embodiment, the at least one channel separates the at least one magnet and the at least one magnetic field sensor from one another. In an alternative embodiment, the at least one magnet and the at least one magnetic field sensor are arranged on the same side relative to the sample module, so that the sample module does not separate the two components. However, all components are arranged at a distance from one another in the sense of the invention.
Bevorzugt befindet sich das Probenmodul mit dem mindestens einen Kanal außerhalb des Magneten, ganz bevorzugt an einer Stirnseite des Magneten. So ist beispielsweise keine Spule um das Probenmodul oder den Kanal des Probenmoduls gewickelt. Vorteilhaft kann damit die Größe des Magneten verkleinert werden, wodurch weniger Platz benötigt wird. Weiterhin vorteilhaft liegt das Probenmodul somit im Bereich des hohen Feldgradienten und damit einhergehend einer hohen magnetischen Feldstärkeänderung, wodurch eine maximale Anregung der zu untersuchenden fluiden Probe im Mess- und Anregungsbereich des Kanals möglich ist.The sample module with the at least one channel is preferably located outside the magnet, very preferably on an end face of the magnet. For example, no coil is wound around the sample module or the channel of the sample module. The size of the magnet can thus advantageously be reduced, as a result of which less space is required. The sample module is therefore also advantageously in the region of the high field gradient and, consequently, a high magnetic field strength change, as a result of which a maximum excitation of the fluid sample to be examined is possible in the measurement and excitation region of the channel.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine Kanal des Probenmoduls aus elektrisch isolierenden Materialien gefertigt. Indem der Kanal nicht elektrisch leitfähig ist, kommt es vorteilhaft zu keinen Wechselwirkungen mit dem ersten Magnetfeld oder dem modifizierten Magnetfeld. Dadurch werden keine zusätzlichen Störsignale erzeugt.In a preferred embodiment, the at least one channel of the sample module is made of electrically insulating materials. Because the channel is not electrically conductive, there are advantageously no interactions with the first magnetic field or the modified magnetic field. This means that no additional interference signals are generated.
In einer Ausführungsform ist das elektrisch isolierende Material des Kanals ausgewählt aus Teflon, Polymer, Glas oder Keramik. Bevorzugt ist der Kanal als Polymerschlauch, Polymerchip, Polymerröhrchen oder Keramikkapillare ausgebildet.In one embodiment, the electrically insulating material of the channel is selected from Teflon, polymer, glass or ceramic. The channel is preferably designed as a polymer tube, polymer chip, polymer tube or ceramic capillary.
In einer Ausführungsform besteht der Kanal zumindest teilweise aus einem flexiblen Material. In weiteren Ausführungsformen ist der Kanal biegbar ausgestaltet, wodurch dieser vorteilhaft an den jeweiligen Aufbau angepasst werden kann. Weiterhin vorteilhaft ist damit eine platzsparende Anordnung des Kanals im Probenmodul möglich.In one embodiment, the channel consists at least partially of a flexible material. In further embodiments, the channel is designed to be bendable, as a result of which it can advantageously be adapted to the particular structure. A space-saving arrangement of the channel in the sample module is also advantageously possible.
In Ausführungsformen ist der Kanal steril ausgebildet und beispielsweise als Einwegmodul verwendbar. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystems so für die Untersuchung von Mikroorganismen verwendet werden und ist somit insbesondere auf dem Gebiet der Mikrobiologie und Medizin von großer Bedeutung.
In einer Ausführungsform wird durch den mindestens einen Kanal des Probenmoduls eine fluide Probe befördert. Dabei umfasst die fluide Probe größtenteils fluide Medien, aber auch Feststoffe. In Ausführungsformen enthält die fluide Probe mindestens ein Transportmedium und eine Vielzahl von Objekten. Dies bezieht sich insbesondere auf den Fall, wenn die fluide Probe in den Detektionsbereich des mindestens einen Magnetfeldsensors geleitet wird. Die Objekte in der fluiden Probe wiederum werden durch das Transportmedium und das Objektmedium durch ein Zusammenspiel physikalischer Parameter gebildet.In embodiments, the channel is sterile and can be used, for example, as a disposable module. The fluidic detection system according to the invention can thus advantageously be used for the examination of microorganisms and is therefore of great importance in particular in the field of microbiology and medicine.
In one embodiment, a fluid sample is conveyed through the at least one channel of the sample module. The fluid sample largely comprises fluid media, but also solids. In embodiments, the fluid sample contains at least one transport medium and a large number of objects. This relates in particular to the case when the fluid sample is directed into the detection area of the at least one magnetic field sensor. The objects in the fluid sample are in turn formed by the transport medium and the object medium by an interaction of physical parameters.
Dabei ist das Transportmedium als Trägerfluid ausgebildet und stellt eine erste, kontinuierliche Phase mit gleichmäßigen Konzentration dar. Im Transportmedium ist das Objektmedium enthalten, welches die zu untersuchenden oder die zu zählenden Objekte bildet, die im Transportmedium nach der Bildung befördert werden. Somit dient das Transportmedium dem Transport und dem Durchfluss der durch den Kanal geleiteten Objekte der fluiden Probe. Dabei weist das Transportmedium in dem mindestens einen Kanal des Probenmoduls eine Fließ- oder Bewegungsrichtung auf.The transport medium is designed as a carrier fluid and represents a first, continuous phase with a uniform concentration. The transport medium contains the object medium which forms the objects to be examined or the objects to be counted, which are transported in the transport medium after formation. The transport medium thus serves to transport and flow through the objects of the fluid sample which are guided through the channel. The transport medium has a flow or movement direction in the at least one channel of the sample module.
Bevorzugt ist das Transportmedium als Flüssigkeit oder Gas ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Transportmedium als organische Flüssigkeit wie ein inertes Öl oder eine wässrige Lösung oder ein Elektrolyt ausgebildet. In Ausführungsformen weist das Transportmedium zumindest teilweise magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildete Eigenschaften auf. Weiterhin kann das Transportmedium elektrisch leitfähig ausgebildet sein.The transport medium is preferably designed as a liquid or gas. In a further preferred embodiment, the transport medium is designed as an organic liquid, such as an inert oil or an aqueous solution or an electrolyte. In embodiments, the transport medium has at least partially magnetic, metallic and / or ionic properties. Furthermore, the transport medium can be made electrically conductive.
Das fluide Medium enthält neben dem Transportmedium ein Objektmedium, welches ebenso wie das Transportmedium durch den mindestens einen Kanal des Probenmoduls geleitet wird Dabei sind das Transportmedium und das Objektmedium nicht miteinander mischbar.In addition to the transport medium, the fluid medium contains an object medium which, like the transport medium, is passed through the at least one channel of the sample module. The transport medium and the object medium are not miscible with one another.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Objektmedium als Flüssigkeit ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist das Objektmedium als Gel, Gas, Dampf, Feststoffe oder Kombinationen dieser Aggregatszustände ausgebildet.In a preferred embodiment, the object medium is designed as a liquid. In a further embodiment, the object medium is designed as a gel, gas, steam, solids or combinations of these aggregate states.
In Ausführungsformen sind die Feststoffe des Objektmediums Partikel mit zumindest teilweise metallisch, magnetisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften. In weiteren Ausführungsformen sind die Feststoffe des Objektmediums lebende Organismen wie Bakterien oder aktive biochemische Spezies. Dabei können die Partikel in einer Flüssigkeit wie Wasser oder in einem Gas gelöst sein.In embodiments, the solids of the object medium are particles with at least partially metallic, magnetic and / or ionic properties. In further embodiments, the solids of the object medium are living organisms such as bacteria or active biochemical species. The particles can be dissolved in a liquid such as water or in a gas.
In einer Ausführungsform werden die Objekte, die im fluiden Medium enthalten sind, an einer Verbindungsstelle des Probenmoduls von Transportmedium und Objektmedium geformt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Objekte außerhalb des Probenmoduls geformt. Bevorzugt weist das fluide Medium eine Vielzahl von Objekten auf. Diese Objekte sind verantwortlich für die Modifizierung des von dem mindestens einen Magneten erzeugten Magnetfeldes.In one embodiment, the objects contained in the fluid medium are formed at a junction of the sample module of the transport medium and the object medium. In a preferred embodiment, the objects are shaped outside the sample module. The fluid medium preferably has a large number of objects. These objects are responsible for modifying the from the at least one magnet generated magnetic field.
Die Objekte stellen dabei eine zweite, dispergierte Phase dar. In einer Ausführungsform weisen die in der fluiden Probe enthaltenen Objekte zumindest teilweise magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildete Eigenschaften auf.The objects represent a second, dispersed phase. In one embodiment, the objects contained in the fluid sample have at least partially magnetic, metallic and / or ionic properties.
Dabei müssen diese Eigenschaften der Objekte in der fluiden Probe derart ausgebildet sein, um eine messbare Änderung des modifizierten Magnetfeldes gegenüber einem modifizierten Magnetfeld des Transportmediums zu erzeugen.These properties of the objects in the fluid sample must be designed in such a way as to produce a measurable change in the modified magnetic field compared to a modified magnetic field of the transport medium.
Das Transportmedium separiert die Objekte voneinander, sodass die Objekte voneinander beabstandet durch den Kanal des Probenmoduls geleitet werden. Dabei haben die Objekte keinen Kontakt zu der Wand des Kanals.The transport medium separates the objects from one another, so that the objects are guided through the channel of the sample module at a distance from one another. The objects have no contact with the wall of the channel.
In einer Ausführungsform werden die Objekte im Transportmedium durch den mindestens einen Kanal des Probenmoduls geführt und weisen dabei eine Fließ- oder Bewegungsrichtung auf. In weiteren Ausführungsformen stimmt die Fließ- oder Bewegungsrichtung des Transportmediums und der Objekte der fluiden Probe überein.In one embodiment, the objects in the transport medium are guided through the at least one channel of the sample module and have a flow or movement direction. In further embodiments, the direction of flow or movement of the transport medium and the objects of the fluid sample match.
Welche Art von Objekten sich ausbildet, hängt von den Aggregatszuständen bzw. der Beschaffenheit von Transportmedium und Objektmedium ab.Which type of objects is formed depends on the aggregate states or the nature of the transport medium and object medium.
In einer Ausführungsform sind die Objekte als dreidimensionale Körper wie Tropfen, Blasen, Partikel oder einer Kombination dieser dreidimensionalen Körper ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Objekte als Tropfen ausgebildet oder sie weisen eine Tropfenform auf. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn als Transportmedium ein Öl und als Objektmedium eine Flüssigkeit verwendet wird. Bevorzugt sind dann die Objekte als Wasser-inÖl-Zusammensetzung wie Tropfen ausgebildet, beispielsweise als biochemische Flüssigkeit in einem inerten Öl. In einer Ausführungsform weisen die Objekte eine Anzahldichte auf.In one embodiment, the objects are designed as three-dimensional bodies such as drops, bubbles, particles or a combination of these three-dimensional bodies. In a preferred embodiment, the objects are designed as drops or they have a drop shape. This is the case, for example, if an oil is used as the transport medium and a liquid is used as the object medium. The objects are then preferably designed as water-in-oil compositions such as drops, for example as a biochemical liquid in an inert oil. In one embodiment, the objects have a number density.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Objekte als Blasen wie Gasblasen ausgebildet. Dies ist der Fall, wenn als Transportmedium eine Flüssigkeit wie Wasser und als Objektmedium ein Gas verwendet wird.In a further embodiment, the objects are designed as bubbles, such as gas bubbles. This is the case if a liquid such as water is used as the transport medium and a gas is used as the object medium.
In weiteren Ausführungsformen sind die Objekte als Partikel wie Metallpartikel ausgebildet. Dies ist der Fall, wenn als Transportmedium eine Flüssigkeit wie Wasser und als Objektmedium ein Feststoff verwendet wird.In further embodiments, the objects are designed as particles such as metal particles. This is the case if a liquid such as water is used as the transport medium and a solid is used as the object medium.
Zu beachten ist, dass sich die Objekte (und folglich auch das Objektmedium) in ihren magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften sowie in ihrer elektrischen Leitfähigkeit von den Eigenschaften des Transportmediums unterscheiden müssen.It should be noted that the objects (and consequently also the object medium) must differ in their magnetic, metallic and / or ionic properties and in their electrical conductivity from the properties of the transport medium.
In einer Ausführungsform sind die Komponenten des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems jeweils modular aufgebaut. Vorteilhaft können dadurch, beispielsweise je nach individueller Anwendung oder bei Defekten oder im Falle von Reparaturen, einzelne Komponenten einfach und schnell ausgetauscht werden, ohne Wechselwirkung mit der übrigen Messanordnung oder anderer Komponenten des Fluidik-Detektionssystems. Vorteilhaft muss eine laufende Messung durch den modularen Aufbau auch nicht unterbrochen werden. Weiterhin vorteilhaft entfällt so eine aufwendige Neujustierung des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems. Beispielsweise kann, wenn das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem mindestens zwei Probenmodule aufweist, zumindest ein Probenmodul auch während der Messung in-situ ausgetauscht werden.In one embodiment, the components of the fluidic detection system according to the invention are each modular. As a result, individual components can be exchanged simply and quickly, for example depending on the individual application or in the case of defects or in the case of repairs, without interacting with the rest of the measuring arrangement or other components of the fluidic detection system. Advantageously, a running measurement does not have to be interrupted by the modular structure. Furthermore, there is advantageously no need for complex readjustment of the fluid detection system according to the invention. For example, if the fluidic detection system according to the invention has at least two sample modules, at least one sample module can also be exchanged in situ during the measurement.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Komponenten des Fluidik-Detektionssystems voneinander lösbar und austauschbar ausgebildet.In a preferred embodiment, the components of the fluidic detection system are designed to be detachable and interchangeable.
Je nach Form des Magnetfeldes kann das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem auch mehrere Probenmodule und/oder mehrere Magnetfeldsensoren aufweisen. Dabei bedeutet „mehrere“ mehr als ein Probenmodul und/oder mehr als einen Magnetfeldsensor, bevorzugt mindestens zwei Probenmodule und/oder mindestens zwei Magnetfeldsensoren. In Ausführungsformen sind die Probenmodule und/oder die Magnetfeldsensoren bevorzugt zur Stirnseite des Magneten orientiert angeordnet bzw. dorthin orientiert, auf welcher eine hohe Feldliniendichte und damit einhergehend eine höhere Änderung der magnetischen Feldstärke vorliegt. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die Probenmodule und/oder die Magnetfeldsensoren jeweils nicht auf der gleichen Seite bzw. Stirnseite des Magneten angeordnet sein sollten, sondern an jeweils unterschiedlichen Positionen, bevorzugt orientiert zur ersten und zweiten Stirnseite des Magneten. In Ausführungsformen können die Probenmodule und/oder die Magnetfeldsensoren um die magnetische Achse des Magneten verdreht werden.Depending on the shape of the magnetic field, the fluidic detection system according to the invention can also have several sample modules and / or several magnetic field sensors. “Several” means more than one sample module and / or more than one magnetic field sensor, preferably at least two sample modules and / or at least two magnetic field sensors. In embodiments, the sample modules and / or the magnetic field sensors are preferably arranged or oriented toward the end face of the magnet, on which there is a high field line density and, consequently, a higher change in the magnetic field strength. It should be noted, however, that the sample modules and / or the magnetic field sensors should not be arranged on the same side or end face of the magnet, but rather at different positions, preferably oriented to the first and second end faces of the magnet. In embodiments, the sample modules and / or the magnetic field sensors can be rotated about the magnetic axis of the magnet.
In einer Ausführungsform, im Falle mehrerer Probenmodule, sind die Fließrichtungen der fluiden Proben gleich und/oder gegenläufig ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform, im Falle mehrerer Probenmodule, sind die Probenmodule jeweils parallel und/oder nicht parallel zueinander angeordnet.In one embodiment, in the case of several sample modules, the flow directions of the fluid samples are of the same and / or opposite design. In a further embodiment, in the case of a plurality of sample modules, the sample modules are each arranged in parallel and / or not parallel to one another.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems zur magnetisch-elektrischen Messung einer fluiden Probe. Durch die Messung wird die fluide Probe charakterisiert. Another aspect of the invention relates to a method for operating the fluidic detection system according to the invention for the magnetic-electrical measurement of a fluid sample. The fluid sample is characterized by the measurement.
Im Sinne der Erfindung wird die fluide Probe durch den Kanal des Probenmoduls in Fließrichtung befördert.In the sense of the invention, the fluid sample is conveyed through the channel of the sample module in the flow direction.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erfindungsgemäß durch den mindestens einen Magneten ein erstes Magnetfeld erzeugt. In einer Ausführungsform, wenn der Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule ausgebildet ist, wird das erste Magnetfeld bei Bestromung der Spule mit Gleichstrom oder Wechselstrom induziert.In the method according to the invention, a first magnetic field is generated by the at least one magnet. In one embodiment, if the magnet is designed as an electromagnet with at least one coil, the first magnetic field is induced when the coil is energized with direct current or alternating current.
Beim Durchfließen der zu untersuchenden fluiden Probe mit den darin enthaltenen Objekten durch den Detektionsbereich des Magnetfeldsensors, welcher den Mess- und Anregungsbereich des mindestens einen Kanals des Probenmoduls, der vom ersten Magnetfeld abgedeckt wird, einschließt, werden die Objekte der fluiden Probe in dem Kanal des Probenmoduls von diesem ersten Magnetfeld durchdrungen.When the fluid sample to be examined with the objects contained therein flows through the detection area of the magnetic field sensor, which includes the measurement and excitation area of the at least one channel of the sample module, which is covered by the first magnetic field, the objects of the fluid sample are in the channel of the Sample module penetrated by this first magnetic field.
Erfindungsgemäß wird beim Befördern der fluiden Probe durch den Mess- und Anregungsbereich des mindestens einen Kanals das erste Magnetfeld durch die fluide Probe modifiziert.According to the invention, when the fluid sample is conveyed through the measuring and excitation area of the at least one channel, the first magnetic field is modified by the fluid sample.
Das modifizierte Magnetfeld entsteht, wenn die Objekte der zu untersuchenden fluiden Probe durch das erste Magnetfeld im Mess- und Anregungsbereich des Kanals angeregt werden und ein zweites Magnetfeld induzieren. Dabei wird das erste Magnetfeld gestört, indem sich erstes und zweites Magnetfeld überlagern und ein modifiziertes Magnetfeld erzeugen. Das modifizierte Magnetfeld entspricht einem Gesamtmagnetfeld.
Erfindungsgemäß wird das modifizierte Magnetfeld von dem mindestens einen Magnetfeldsensor detektiert. Dabei entspricht das modifizierte Magnetfeld einer Änderung des ersten Magnetfeldes, insbesondere in Stärke und Form.
Aus der Änderung des modifizierten Magnetfeldes durch die fluide Probe werden erfindungsgemäß die Anzahl, Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit von in der fluiden Probe enthaltenen Objekte ermittelt. Somit können beispielsweise auch Rückschlüsse auf die Anzahldichte der in der fluiden Probe enthaltenen Objekte gezogen werden.The modified magnetic field arises when the objects of the fluid sample to be examined are excited by the first magnetic field in the measurement and excitation area of the channel and induce a second magnetic field. The first magnetic field is disturbed in that the first and second magnetic fields overlap and generate a modified magnetic field. The modified magnetic field corresponds to an overall magnetic field.
According to the invention, the modified magnetic field is detected by the at least one magnetic field sensor. The modified magnetic field corresponds to a change in the first magnetic field, in particular in terms of strength and shape.
According to the invention, the number, flow rate and / or speed of objects contained in the fluid sample are determined from the change in the modified magnetic field by the fluid sample. In this way, conclusions can be drawn, for example, about the number density of the objects contained in the fluid sample.
Aus dem modifizierten Magnetfeld werden erfindungsgemäß die magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften der durch den Kanal beförderten, in der fluiden Probe enthaltenen Objekte ermittelt.According to the invention, the modified magnetic field is used to determine the magnetic, metallic and / or ionic properties of the objects conveyed through the channel and contained in the fluid sample.
Aufgrund der Detektion des Magnetfeldsensors wird ermittelt, ob sich Objekte im Detektionsbereich des Magnetfeldsensors befinden, durch ihn befördert werden oder durch diesen fließen und somit im Mess- und Anregungsbereich des Kanals des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems sind. Ist dies der Fall, wird aus der zeitlichen Änderung des Signals ermittelt, in welcher Anzahl, Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit die Objekte der fluiden Probe durch den Kanal des Probenmoduls befördert werden. Auch die Anzahldichte der Objekte wie beispielsweise die Anzahldichte der Tropfen ist so bestimmbar. Weiterhin ist es möglich, die magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften der Objekte der fluiden Probe zu bestimmen.On the basis of the detection of the magnetic field sensor, it is determined whether objects are located in the detection area of the magnetic field sensor, are conveyed through it or flow through it, and are therefore in the measurement and excitation area of the channel of the fluidic detection system according to the invention. If this is the case, the change in the signal over time determines the number, flow rate and / or speed at which the objects of the fluid sample are conveyed through the channel of the sample module. The number density of objects, such as the number density of drops, can also be determined in this way. Furthermore, it is possible to determine the magnetic, metallic and / or ionic properties of the objects of the fluid sample.
Dabei hängt die Stärke des modifizierten Magnetfeldes direkt mit den magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften der Objekte in der fluiden Probe zusammen und somit auch von deren Zusammensetzung. So haben beispielsweise Parameter wie der pH-Wert oder die Salzkonzentration der gebildeten Objekte einen Einfluss auf diese Eigenschaften.The strength of the modified magnetic field is directly related to the magnetic, metallic and / or ionic properties of the objects in the fluid sample and thus also to their composition. For example, parameters such as the pH value or the salt concentration of the objects formed have an influence on these properties.
In einer weiteren Ausführungsform, sofern sich keine Objekte der fluiden Probe mit zumindest teilweise magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften im Detektionsbereich des Magnetfeldsensors befinden oder durch diesen befördert werden oder durch diesen fließen, welche das modifizierte Magnetfeld erzeugen könnten, erfolgt keine Änderung und somit Modifizierung des ersten Magnetfeldes, da sich die magnetisch, metallisch und/oder ionischen Eigenschaften und Bedingungen im Detektionsbereich des Magnetfeldsensors nicht ändern. Daher wird das gemessene Signal des Magnetfeldsensors nicht verändert und der Magnetfeldsensor erfasst lediglich das erste Magnetfeld.In a further embodiment, as long as no objects of the fluid sample with at least partially magnetic, metallic and / or ionic properties are located in the detection area of the magnetic field sensor or are transported through it or flow through it, which could generate the modified magnetic field, there is no change and thus modification of the first magnetic field, since the magnetic, metallic and / or ionic properties and conditions do not change in the detection range of the magnetic field sensor. Therefore, the measured signal of the magnetic field sensor is not changed and the magnetic field sensor only detects the first magnetic field.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet als Elektromagnet mit mindestens einer Spule ausgebildet, wobei der mindestens eine als Elektromagnet mit mindestens einer Spule ausgebildete Magnet und/oder der mindestens eine Magnetfeldsensor mit Wechselstrom betrieben wird. In einer weiteren Ausführungsform wird die mindestens eine Spule und/oder der mindestens eine Magnetfeldsensor mit Gleichstrom betrieben. Dabei ist der Betrieb des Magnetfeldsensors mit Wechselstrom unabhängig von der Ausbildung des Magneten.In a preferred embodiment, the magnet is designed as an electromagnet with at least one coil, the at least one magnet designed as an electromagnet with at least one coil and / or the at least one magnetic field sensor being operated with alternating current. In a further embodiment, the at least one coil and / or the at least one magnetic field sensor is operated with direct current. The operation of the magnetic field sensor with alternating current is independent of the design of the magnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem zur Messung und Charakterisierung einer fluiden Probe verwendet, wobei die fluide Probe mindestens ein Transportmedium und eine Vielzahl von Objekten enthält, wobei die Objekte zumindest teilweise magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildete Eigenschaften aufweisen.In a preferred embodiment, the fluidic detection system according to the invention is used to measure and characterize a fluid sample, the fluid sample containing at least one transport medium and a large number of objects, the objects at least partially have magnetic, metallic and / or ionic properties.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung und Charakterisierung einer fluiden Probe verwendet, wobei die fluide Probe mindestens ein Transportmedium und eine Vielzahl von Objekten enthält, wobei die Objekte zumindest teilweise magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildete Eigenschaften aufweisen.In a further preferred embodiment, the method according to the invention is used to measure and characterize a fluid sample, the fluid sample containing at least one transport medium and a large number of objects, the objects at least partially having magnetic, metallic and / or ionic properties.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem zur Ermittlung der Anzahl, Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit der durch den mindestens einen Kanal beförderten fluiden Probe und der darin enthaltenen Objekte sowie zur Bestimmung der magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften der Objekte der durch den mindestens einen Kanal beförderten fluiden Probe verwendet.In a preferred embodiment, the fluidic detection system according to the invention is used to determine the number, flow rate and / or speed of the fluid sample conveyed through the at least one channel and the objects contained therein, and to determine the magnetic, metallic and / or ionic properties of the objects fluid sample transported through the at least one channel.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Anzahl, Durchflussrate und/oder Geschwindigkeit der durch den mindestens einen Kanal beförderten fluiden Probe und der darin enthaltenen Objekte sowie zur Bestimmung der magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften der Objekte der durch den mindestens einen Kanal beförderten fluiden Probe verwendet.In a further preferred embodiment, the method according to the invention for determining the number, flow rate and / or speed of the fluid sample conveyed through the at least one channel and the objects contained therein and for determining the magnetic, metallic and / or ionic properties of the objects of the uses the fluid sample conveyed at least one channel.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren in der digitalen Mikrofluidik verwendet.In a preferred embodiment, the method according to the invention is used in digital microfluidics.
In Ausführungsformen werden durch das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem nicht gewünschte technische Verunreinigungen wie beispielsweise Metall oder Plastik detektiert. So kann beispielsweise Gas als Transportmedium durch den Kanal geleitet werden und evtl. vorhandene technischen Verunreinigungen, welche Objekten mit magnetisch, metallisch und/oder ionisch ausgebildeten Eigenschaften wie beispielsweise Metallspänen oder Öltropfen entsprechen, können so nachgewiesen werden.In embodiments, technical impurities such as metal or plastic that are not desired are detected by the fluidic detection system according to the invention. For example, gas can be routed through the channel as a transport medium and any existing technical impurities, which correspond to objects with magnetic, metallic and / or ionic properties such as metal chips or oil drops, can be detected in this way.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem für Lab-ob-a-Chip-Anwendungen in der Mikro-, Milli- und Nanofluidik und/oder der digitalen Mikrofluidik verwendet. So kann beispielsweise die Kinetik chemischer Reaktionen und Stoffwechselaktivitäten lebender, in den Objekten enthaltener Organismen überwacht werden. Vorteilhaft können somit Resistenzen gegenüber Antibiotika bezüglich der Möglichkeiten zur Bekämpfung von Krankenhauskeimen oder Keimen im Haushalt analysiert werden oder auch neue Medikamente getestet werden.In a preferred embodiment, the fluidics detection system according to the invention is used for lab-ob-a-chip applications in micro, milli and nanofluidics and / or digital microfluidics. For example, the kinetics of chemical reactions and metabolic activities of living organisms contained in the objects can be monitored. Resistance to antibiotics with regard to the possibilities for combating hospital germs or germs in the household can thus advantageously be analyzed or new medications can also be tested.
In weiteren Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem auf dem Gebiet der Biowissenschaften, insbesondere in der Bioanalytik und Zellkultivierung verwendet.In further embodiments, the fluidic detection system according to the invention is used in the field of biosciences, in particular in bioanalytics and cell cultivation.
Durch das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem ist weiterhin die Analyse von biologischen, chemischen oder medizinischen fluiden Proben möglich. Im Falle einer medizinischen Analyse muss durch den modularen Aufbau vorteilhaft nur das Probenmodul und nicht alle Komponenten des Systems ausgetauscht werden.The fluidic detection system according to the invention also makes it possible to analyze biological, chemical or medical fluid samples. In the case of a medical analysis, the modular structure advantageously means that only the sample module and not all components of the system need to be replaced.
Vorteilhaft ist durch das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem eine berührungslose Messung der fluiden Probe möglich. Durch den modularen Aufbau sind keine aufwendigen und zeitintensiven Neujustierungen des Fluidik-Detektionssystems nötig und auch laufenden Messungen müssen nicht unterbrochen werden.A contactless measurement of the fluid sample is advantageously possible through the fluidic detection system according to the invention. Due to the modular structure, no complex and time-consuming readjustments of the fluidic detection system are necessary and ongoing measurements do not have to be interrupted.
Durch die neue Anordnung und Dimensionierung der Komponenten des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems wird weiterhin wirtschaftlich und kosteneffizient die Zeit der Probenmessung reduziert. Indem der Detektionsbereich des Magnetfeldsensors verkleinert wurde, kann vorteilhaft ein höherer Probendurchlauf bzw. eine höhere Durchflussrate durch Erhöhung der Anzahldichte der Objekte in der fluiden Probe realisiert werden. Zugleich ist auch eine kompaktere Bauweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems möglich, wodurch sich auch die Möglichkeit eines tragbaren Designs ergibt.The new arrangement and dimensioning of the components of the fluidic detection system according to the invention furthermore economically and cost-effectively reduce the time of the sample measurement. By reducing the detection range of the magnetic field sensor, a higher sample throughput or a higher flow rate can advantageously be realized by increasing the number density of the objects in the fluid sample. At the same time, a more compact design of the fluidic detection system according to the invention is also possible, which also results in the possibility of a portable design.
Durch die neue Anordnung und Dimensionierung der Komponenten des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems können weiterhin wesentlich kleinere Probenmengen bzw. geringere Detektions- bzw. Probenvolumina, gemessen werden. So reicht bereits ein Volumen der fluiden Probe von wenigen Nanolitern für eine Messung aus - im Vergleich zu einem Volumen von wenigen hundert Nanolitern wie bisher im Stand der Technik.As a result of the new arrangement and dimensioning of the components of the fluidic detection system according to the invention, significantly smaller sample quantities or smaller detection or sample volumes can also be measured. For example, a volume of the fluid sample of just a few nanoliters is sufficient for one measurement - compared to a volume of a few hundred nanoliters as was previously the case in the prior art.
Vorteilhaft erfolgt durch das Fluidik-Detektionssystem ferner eine Steigerung der Durchflussrate, indem anstatt der aus dem Stand der Technik bekannten 30-40 Tropfen/sek [
Durch das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem wird eine sichere und zuverlässige Zählung und Überwachung der Objekte in fluiden Proben gewährleistet, wobei das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem gleichzeitig den hohen Anforderungen der Industrie genügt.The fluidic detection system according to the invention ensures reliable and reliable counting and monitoring of the objects in fluid samples, the fluidic detection system according to the invention simultaneously meeting the high requirements of the industry.
Durch die nicht-optische Detektion können während der Messung neue, ergänzende Informationen bei den stattfindenden Reaktionen geliefert werden, ohne Tracer oder Farbstoffe beeinflusst zu werden. Vorteilhaft müssen die fluiden Proben also nicht markiert oder zusätzlich behandelt werden. Due to the non-optical detection, new, additional information can be provided during the reactions during the measurement, without being affected by tracers or dyes. The fluid samples therefore advantageously do not have to be marked or additionally treated.
Ferner werden durch nicht-optische Detektion vorteilhaft keine transparenten Schläuche oder Farbstoffe oder optische Detektoren benötigt. Dennoch ist es möglich, auch weiterhin zumindest teilweise transparent ausgebildete Materialien zu verwenden, wodurch der Benutzer des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems flexibel bleibt.Furthermore, no transparent tubes or dyes or optical detectors are advantageously required by non-optical detection. Nevertheless, it is possible to continue to use at least partially transparent materials, as a result of which the user of the fluidic detection system according to the invention remains flexible.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in zweckmäßiger Anordnung miteinander zu kombinieren.For the implementation of the invention, it is also expedient to combine the above-described configurations, embodiments and features of the claims with one another in a suitable arrangement.
Ausführungsbeispieleembodiments
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Fluidik-Detektionssystem für den Einsatz in der Mikrofluidik und soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The exemplary embodiment relates to a fluidic detection system for use in microfluidics and is intended to describe the invention without restricting it.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen
-
1 einen schematischen Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems in einer Draufsicht, -
2 den schematischen Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems aus 1 mit einer T-Verbindung zur Tropfenerzeugung auf einem Fluidik-Chip, -
3 einen schematischen Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems mit einer alternativen Position des Magnetfeldsensors in einer Draufsicht, -
4 einen schematischen Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems mit einer anderen alternativen Position des Magnetfeldsensors in einer Vorderansicht, -
5 einen schematischen Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems mit zwei Probenmodulen und zwei Magnetfeldsensoren in verschiedenen Positionen in einer Draufsicht, -
6 einen schematischen Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Fluidik-Detektionssystems, in welchem Magnetfeldsensor und Spule in alternativen Positionen angeordnet sind, in einer Draufsicht.
-
1 2 shows a schematic structure and mode of operation of the fluidic detection system according to the invention in a top view, -
2 the schematic structure and operation of the fluidic detection system according to theinvention 1 with a T-connection for droplet generation on a fluidic chip, -
3 1 shows a schematic structure and mode of operation of the fluidic detection system according to the invention with an alternative position of the magnetic field sensor in a plan view, -
4 1 shows a schematic structure and mode of operation of the fluidic detection system according to the invention with another alternative position of the magnetic field sensor in a front view, -
5 1 shows a schematic structure and mode of operation of the fluidic detection system according to the invention with two sample modules and two magnetic field sensors in different positions in a plan view, -
6 a schematic structure and operation of the fluidic detection system according to the invention, in which the magnetic field sensor and coil are arranged in alternative positions, in a plan view.
Durch eine Spritze (in der Figur nicht gezeigt) wird eine fluide Probe über einen Probeneingang (in der Figur nicht gezeigt) in den Kanal
Das erfindungsgemäße Fluidik-Detektionssystem
Die Dimensionierung der Spule senkrecht zu ihrermagnetischen Achse
Die zu untersuchende fluide Probe wird durch den Kanal
Die Spule
Nachdem die fluide Probe den Mess- und Anregungsbereich des Kanals
Das Probenmodul
Dabei liegt der Magnetfeldsensor
Auch hier liegt der Magnetfeldsensor
Dabei befindet sich jeweils ein Probenmodul
Vorteilhaft wird in dieser Ausführung das von der Spule
In diesem Aufbau ist die Spule
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[8th]Santos, R. M., & Kawaji, M. (2010). Numerical modeling and experimental investigation of gasliquid slug formation in a microchannel T-junction. International Journal of Multiphase Flow, 36(4), 314-323 Santos, RM, & Kawaji, M. (2010). Numerical modeling and experimental investigation of gasliquid slug formation in a microchannel T-junction. International Journal of Multiphase Flow, 36 (4), 314-323
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fluidik-DetektionssystemFluidic detection system
- 22
- Transportmediumtransport medium
- 33
- Objektobject
- 44
- Probenmodulsample module
- 55
- Kanalchannel
- 66
- Innendimensionierung des KanalsInternal dimensioning of the channel
- 77
- Außendimensionierung des KanalsExternal dimensioning of the channel
- 88th
- Längsachse des KanalsLongitudinal axis of the channel
- 99
- Fließrichtung der fluiden ProbeFlow direction of the fluid sample
- 1010
- SpuleKitchen sink
- 1111
- Magnetische Achse der SpuleMagnetic axis of the coil
- 1212
- Erstes MagnetfeldFirst magnetic field
- 1313
- Magnetfeldsensormagnetic field sensor
- 1414
- Zweites MagnetfeldSecond magnetic field
- 1515
- Dimensionierung der Spule senkrecht zu ihrer magnetischen AchseDimensioning of the coil perpendicular to its magnetic axis
- 1616
- Erste Stirnseite der SpuleFirst face of the coil
- 1717
- Zweite Stirnseite der SpuleSecond face of the coil
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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