Chemie • Genetik • Komplexe Systeme

Forschungsbericht (importiert) 2005 - Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Der Spumoprozessor: ein neues Konzept in der Mikrofluidik

The Spumo-Processor: a New Concept in Micro-Fluidics

Autoren

Seemann, Ralf; Herminghaus, Stephan

Abteilungen

Dynamik komplexer Fluide (Prof. Dr. Stephan Herminghaus)
MPI für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen

Es wird ein neuartiges Konzept für fluide Mikroprozessoren vorgestellt, das es erlaubt, große Mengen (bio-) chemischer Reaktionen quasi parallel und in komplexer Folge auf einem Mikrochip ablaufen zu lassen. Es beruht auf der gezielten Nutzung der Wechselwirkung der Geometrie geätzter Mikrokanalstrukturen mit der schaumartigen inneren Topologie trockener Emulsionen.
A novel concept is presented for fluidic microprocessors, which allows to run a huge number of (bio-) chemical reactions in complex sequence on a microchip. It is based upon the interaction of the channel geometry with the foam-like inner topology of dry emulsions

In der Biotechnologie ist es oftmals notwendig, eine sehr große Zahl von Reaktionen mit extrem geringen Materialmengen durchzuführen - man denke nur an das ‚Human Genome Project’, zu dessen Durchführung hunderte von Pipettier-Robotern jahrelang durcharbeiten mussten, um die erforderliche enorme Zahl der Analyseschritte durchzuführen. Hinzu kommt die begrenzte Verfügbarkeit der Materialien: biochemische Ausgangsstoffe müssen oft mittels Chromatographieverfahren gewonnen werden: Das für die Analyse oder Weiterverarbeitung zur Verfügung stehende Material besteht dann also nur aus einem ‚Farbstrich’ in einem Chromatogramm!

Um diesen Anforderungen zu begegnen, hat man sich auf die Lithographieverfahren besonnen, die für die Mikroelektronik entwickelt worden sind, um nun auch chemische Labors auf kleinstem Raum unterzubringen: Das Schlagwort lautet ‚Lab-on-a-chip’ – es gibt mittlerweile auch eine eigene Zeitschrift dieses Namens. In diesen sog. mikrofluidischen Chips sind komplexe Systeme aus feinen Kanälen untergebracht, durch die die Substanzen gepumpt werden. Will man nun beispielsweise zwei Stoffe zur Reaktion bringen, so kann man die Reaktanden an Kreuzungspunkten mehrerer Kanäle zusammenbringen.

In Abbildung 1 ist als Beispiel gezeigt, wie eine saure Lösung von Collagen (aus dem z.B. Leder hauptsächlich besteht) an einer Kreuzung mit einer alkalischen Lösung zusammengebracht wird, die im Bild aus den Kanälen oben und unten einströmt [1]. Die Kanalbreite beträgt 100 Mikrometer. Alle drei Flüssigkeiten strömen nach rechts aus. Als Konsequenz wird der einströmende Strahl, der das Collagen führt, in der Mitte zusammengedrückt. Man sieht nun im Bild, wie an den Rändern dieses mittleren Strahles, dort nämlich, wo der pH-Wert der Lösung zuerst ansteigt, das Collagen in eine Faserstruktur kondensiert. Dies wird als helle Färbung sichtbar (optische Mikroskopie unter gekreuzten Polarisatoren). Man kann also genau verfolgen, wie geringste Stoffmengen sich (hier durch Diffusion) mischen und miteinander reagieren.

An einem Kreuzungspunkt (Breite der Kanäle: 100 Mikrometer) strömt eine saure Collagenlösung (von links) mit alkalischer Lösung (von oben und unten) z Bild vergrößern
An einem Kreuzungspunkt (Breite der Kanäle: 100 Mikrometer) strömt eine saure Collagenlösung (von links) mit alkalischer Lösung (von oben und unten) zusammen. Der Ausflusskanal ist rechts. Die Kollagenlösung wird ‚zusammengedrückt’ zu einer Spitze. An der Grenze zwischen der alkalischen Lösung und der Collagenlösung erhöht sich deren pH-Wert, wodurch das Collagen in eine Faserstruktur kondensiert. Dies ist (zwischen gekreuzten Polarisatoren) als helle Färbung zu erkennen. [weniger]

Wenn man wieder an konventionelle Chemielabors denkt, repräsentieren die Kanäle die Glasrohre und Gummischläuche. Wie aber soll man Gefäße wie Reagenzgläser, Erlenmeyerkolben und Pipetten mikrofluidisch umsetzen? In der Tat hat sich die Mikrofluidik in den letzten Jahren intensiv in Richtung Kompartimentierung entwickelt. Man schließt das Reagens in einzelne Tröpfchen (in der Biochemie meist Wasser) ein, die man in einer ölartigen (also mit Wasser nicht mischbaren) Flüssigkeit durch den Mikrochip pumpt. Da das Material nun in einzelnen Portionen kommt, ähnlich wie die Informations-Bits im Computer, spricht man hierbei bereits von ‚digitaler Mikrofluidik’, obwohl die Analogie hier noch etwas gewagt erscheint.

In der Abteilung ‚Dynamik komplexer Fluide’ (S. Herminghaus) werden u.a. neuartige Konzepte erarbeitet, um in dieser Richtung weiter voranzukommen - und etwas zu schaffen, das den Titel ‚digital’ zurecht trägt. Man stelle sich z.B. vor, das Öl, das die wässrigen ‚Kompartimente’ (Wassertropfen) trennt, ist nur in relativ geringer Menge vorhanden. Dann liegen die Tropfen dicht an dicht und sind nur von dünnen Lamellen getrennt, ähnlich wie die Luftblasen in einem Schaum. Wenn die Tröpfchen außerdem alle dieselbe Größe haben, wird sich eine solche Emulsion in einem Kanal, der nur wenige Tropfendurchmesser breit ist, perfekt ordnen. Dies ist in Abbildung 2 beispielhaft gezeigt. Hier liegen zwei Doppelreihen in einem 200 Mikrometer breiten Kanal übereinander. Für Schäume wurde bereits früher beobachtet, dass die Anordnung der Zellen sich in wohl definierter Weise gezielt verändern lässt, wenn man den Schaum durch bestimmte Kanalgeometrien hindurchpumpt [2,3]. Es war vermutet worden, dass dies in ähnlicher Weise auch mit Emulsionen möglich ist, da diese ja dieselbe Struktur besitzen.

Eine Emulsion aus lauter gleich großen Wassertröpfchen in sehr wenig Öl, eingebracht in einen mikrofluidischen Kanal (Breite 200 Mikrometer). Das Öl b Bild vergrößern
Eine Emulsion aus lauter gleich großen Wassertröpfchen in sehr wenig Öl, eingebracht in einen mikrofluidischen Kanal (Breite 200 Mikrometer). Das Öl bildet eine Anordnung von Lamellen, wie man sie von Schäumen her kennt. Die perfekte Ordnung rührt daher, dass die Tropfen alle gleich groß sind. [weniger]

In der Tat konnte dies kürzlich für eine ganze Reihe von Kanalgeometrien gezeigt werden [4]. Auch mikroskopisch kleine Wassertropfen, die etwa in der in Abbildung gezeigten Weise angeordnet sind, lassen sich gezielt gegeneinander verschieben, in Nachbarschaft bringen, vertauschen etc.. Hiermit eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die Mikrofluidik: Könnte man die enorme Zahl der Substanzen, wie sie etwa in Genomprojekten oder im ‚Drug Screening’ benötigt werden, auf tausende von Tropfen verteilen und diese dann nach und nach zueinander in Nachbarschaft bringen und (etwa durch ‚Durchbrennen’ der sie trennenden Lamelle) zur Reaktion bringen? Auch dies konnte kürzlich, zumindest in Bezug auf die einzelnen hierzu erforderlichen Schritte, am Institut für Dynamik und Selbstorganisation demonstriert werden. Damit stehen die wesentlichen Elemente zur Realisierung eines neuartigen ‚Lab-on-a-chip’-Konzepts zur Verfügung. Dieses Chipkonzept hat den Namen ‚Spumoprozessor’ (von lat. spuma = Schaum) bekommen, weil es wesentlich auf der Ausnutzung der schaumartigen Topologie der perfekt geordneten Tropfenstrukturen beruht.

Emulsion außerhalb des Kanals. Der mitlere Tropfendurchmesser beträgt 67 Mikrometer, die Varianz ist kleiner als 1 Mikrometer.  Bild vergrößern
Emulsion außerhalb des Kanals. Der mitlere Tropfendurchmesser beträgt 67 Mikrometer, die Varianz ist kleiner als 1 Mikrometer. [weniger]

Ein ganz wesentlicher Schritt ist also auch die Herstellung derart ‚monodisperser’ (d.h. alle Tröpfchen sind gleich groß) Emulsionen. Hier gelang ein Durchbruch dahingehend, dass die Emulsionen nun gleich im Kanal hergestellt werden können. Dabei ist das Verhältnis der Volumina der wässrigen und der öligen Phase in weiten Bereichen variierbar, bei praktisch perfekter Volumenkonstanz der Tropfen. Eine größere Zahl solcher Tropfen ist in Abbildung 3 zu sehen

Diese Ergebnisse sind sehr viel versprechend v.a. mit Blick auf mögliche Anwendungen in der kombinatorischen Chemie und Biochemie, Materialforschung, Proteomik, Bioinformatik und anderen modernen Technologiezweigen. Die verschiedenen Verfahren zur Realisierung der hier beschriebenen Einzelschritte befinden sich auf dem Wege der Patentierung. Hier wird ein weiteres Mal demonstriert, dass die Verwertung von Forschungsergebnissen in der Max-Planck-Gesellschaft, speziell auch hier am Institut für Dynamik und Selbstorganisation, im Blick gehalten und als wesentliches Ziel unserer Forschung angesehen wird.

Originalveröffentlichungen

1.
Priest, C., St. Herminghaus und R. Seemann
A novel path to monodisperse emulsions in microchannels
2.
Hutzler, St. und D. Weaire
Juggling with bubbles in cylindrical ferrofluid foams
3.
Köster, Sarah, Jennie B. Leach, Th. Pfohl and J.V. Wong,
Microaligned Collagen Matrices by Hydrodynamic Focusing: Controlling the Alignment and pH-Induced Self-Assembly of Collagen
4.
Weaire, D. et al.
The fluid dynamics of foams
 
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