DE102004023466A1

DE102004023466A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Sammlung von suspendierten Partikeln

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Publication number: DE102004023466A1
Application number: DE102004023466A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Schnelle; Torsten Dr. Müller; Jörg KENTSCH; Frank Grom; Martin Dr. Stelzle
Original assignee: Evotec Technologies GmbH
Current assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-13
Also published as: ATE488301T1; US20070221501A1; DE102004023466B4; EP1744831B8; DE502005010554D1; WO2005110605A1; EP1744831B1; EP1744831A1; US7879214B2

Abstract

Es werden Verfahren zur Sammlung von Partikeln (1, 2), die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, mit den Schritten Bereitstellung der Flüssigkeit mit den suspendierten Partikeln (1, 2) in einem Kompartiment (10) mit Seitenflächen (11), wobei auf mindestens einer der Seitenflächen (11) mindestens eine Elektrode (21) angeordnet ist, und Erzeugung von hochfrequenten elektrischen Feldern mit der mindestens einen Elektrode (21) zur Bildung mindestens einer zirkulierenden Strömung (30) beschrieben, mit der die Partikel (1, 2) zu mindestens einem vorbestimmten Sammlungsbereich (40) im Kompartiment (10) geführt werden, wobei die Strömung (30) so gebildet wird, dass wenigstens ein Zweig der Strömung entlang einer Längsausdehnung der mindestens einen Elektrode (21) verläuft und die Strömung (30) um eine Achse (31) umläuft, die senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche (11) mit der Elektrode (21) ausgerichtet ist. Es werden auch entsprechend arbeitende Vorrichtungen zur Sammlung von Partikeln beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sammlung von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln, insbesondere zur Sammlung von suspendierten/biologischen Objekten, wie zum Beispiel biologischen Zellen, in einem fluidischen Mikrosystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Umsetzung eines derartigen Verfahrens und deren Anwendungen.

Es ist bekannt, in einer Flüssigkeit suspendierte Partikel in fluidischen Mikrosystemen in einem dielektrophoretischen Feldkäfig zu fangen oder zu sammeln (siehe zum Beispiel Publikation "Trapping in AC octopole field cages" von T. Schnelle et al. in "Journal of Electrostatics", Bd. 50, 2000, S. 17 bis 29). Diese Technik besitzt den Nachteil, dass nur relativ große Partikel mit typischen Dimensionen > 500 nm sicher gefangen werden können. Bei kleineren Partikeln, wie zum Beispiel Viren, können die dielektrophoretischen Fangkräfte zu gering sein oder durch thermische Störungen überlagert werden.

Mit planaren Elektroden, die mit hochfrequenten Wechselspannungen beaufschlagt werden, können in einem flüssigkeitsgefüllten Kompartiment durch Elektroosmose elektrohydrodynamische Strömungen erzeugt werden. K. F. Hoettges et. al. beschreiben in der Publikation "Optimizing Particle Collection for enhanced surface-based biosensors" (siehe "IEEE ENGINEE-RING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE", November/Dezember 2003, S. 68) die Verwendung zirkulierender elektrohydrodynamischer Strömungen zur Sammlung von in der Flüssigkeit suspendierten Partikeln. Bei diesem Verfahren werden gemäß 7 suspendierte Partikel 1', 2' in einem Kompartiment 10' mit einer Seitenfläche 11' gesammelt. An den Kanten von Elektroden 21' (teilweise dargestellt), die auf der Seitenfläche 11' angeordnet sind, entsteht eine Wirbelströmung 30', die um eine Achse 31' parallel zur Ausrichtung der Seitenfläche 11' umläuft. In der Mitte der Elektroden 21' wird ein strömungsberuhigter Bereich gebildet, der für die zwischen den Elektroden 21' durch die Wirbelströmung 30' herangeführten Partikel einen Sammlungsbereich 40' repräsentiert.

Die von K. F. Hoettges et. al. beschriebene Technik besitzt insbesondere für die Anwendung in der Biologie, Biochemie und Medizin mehrere Nachteile. Die zirkulierende Wirbelströmung besitzt einen relativ geringen Einzugsbereich für die zu sammelnden Partikel. Des Weiteren können die Partikel ausschließlich unmittelbar an die Elektroden angrenzend gesammelt werden. Der Kontakt mit den Elektroden kann für die Partikel jedoch schädlich sein, insbesondere wenn die Partikel biologische Materialien umfassen. Außerdem sind relativ großflächige Elektroden erforderlich, um entsprechend große Sammlungsbereiche zu bilden. An großflächigen Elektroden tritt jedoch eine unerwünschte Erwärmung auf. Schließlich besteht ein wesentlicher Nachteil der von Hoettges et al. beschriebenen Technik darin, dass diese auf Elektroosmose und positiver Elektrophorese beruht und somit auf niedrige Frequenzen und niedrige Leitfähigkeiten der verwendeten Lösungen beschränkt ist. Daher ist es nicht möglich mit diesem Verfahren Zellen in physiologischen Lösungen zu untersuchen.

Es ist des Weiteren bekannt, Viren 1' unter Verwendung von elektrohydrodynamischen Strömungen 30' in den Fangbereich eines trichterförmigen, dielektrischen Feldkäfigs 50' zu führen, wie es in 8 gezeigt ist (siehe Publikation "Trapping of Viruses in High Frequency Electric Field Cages" von T. Schnelle et al. in "Naturwissenschaften" Bd. 83, 1996, S. 172 bis 176; Publikation "High Frequency Electric Fields for Trapping of Viruses" von T. Müller et al. in "Biotechnology Techniques" Bd. 10, 1996, S. 221 bis 226; und Publikation "Trapping of micrometre and sub-micrometre particles by high frequency electric fields and hydrodynamic forces" von T. Müller et al. in "J. Phys. D: Appl. Phys." Bd. 29, 1996, S. 340 bis 349). Auch bei dieser Technik besteht der Nachteil, dass die sammelnde Strömung nur Viren in unmittelbarer Umgebung der zur Bildung des Feldkäfigs 50' verwendeten Elektroden 21' erfasst und daher einen relativ geringen Einzugsbereiches besitzt. Des Weiteren ist das genannte Verfahren auf niedrige Leitfähigkeiten oder salzarme Lösungen beschränkt und daher für die Untersuchung von Zellen in physiologischen Lösungen auch nicht geeignet.

Strömungen in fluidischen Mikrosystemen können auch durch hohe elektrische Feldstärken induziert werden (elektrisches Heizen). Dieses Prinzip, das z. B. bei Wanderwellenpumpen in Mikrochips genutzt wird (siehe Publikation "A travelling-wave micropump for aqueous solutions: Comparison of 1 g and μg results" von T. Müller et al. in "Electrophoresis", Bd. 14, 1993, S. 764 bis 772), kann jedoch wegen der Wärmeumwandlung insbesondere für biologische Partikel nachteilig sein.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Sammlung von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln, insbesondere zur Sammlung von suspendierten biologischen Objekten, bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Verfahren überwunden werden und die insbesondere eine Sammlung aus einem vergrößerten Einzugsbereich und ohne Schäden für die gesammelten Partikel ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Vorrichtungen zur Sammlung von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln, insbesondere zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 24 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Verfahrensbezogen beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, suspendierte Partikel in mindestens einem Sammlungsbereich in einem Kompartiment mit einer zirkulierenden Strömung zu sammeln, die wenigstens teilweise entlang einer Längsausdehnung mindestens einer Elektrode auf einer Seitenfläche des Kompartiments verläuft. Vorteilhafterweise verläuft die erfindungsgemäß durch eine Wechselwirkung der Flüssigkeit mit hochfrequenten elektrischen Feldern an der Elektrode erzeugte, zirkulierende Strömung in einer Ebene parallel zur jeweiligen Seitenfläche. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Beschränkung der Sammlungseffektivität der herkömmlichen Techniken überwunden und der Einzugsbereich der an der Elektrode zirkulierenden Strömung vergrößert werden können, wenn die Strömung nicht wie bisher um eine Achse parallel zur Ausrichtung der Seitenfläche umläuft, sondern eine lokale Drehachse senkrecht zu dieser Seitenfläche aufweist. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der mindestens einen Strömung auch kleinste Partikel, wie zum Beispiel Viren effektiv gesammelt werden können.

Der Netto-Flüssigkeitsstrom in den zirkulierenden Strömungen ist null, da im Sammlungsbereich keine Quelle oder Senke existiert und die Flüssigkeit inkompressibel ist. Dennoch wird ein Netto-Teilchenstrom von außen nach innen beobachtet.

Dies kann damit erklärt werden, dass durch negative Dielektrophorese die Teilchenkonzentration zwischen den Elektroden (Flüssigkeitsstrom nach außen gerichtet) kleiner ist, als in der Umgebung der Elektroden (Flüssigkeitsstrom nach innen gerichtet).

Wenn die Partikel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Sammlungsbereich ohne eine mechanische Berührung einer Wand oder eines anderen Teils des Kompartiments gesammelt werden, können sich Vorteile für die Manipulation biologischer Partikel, wie zum Beispiel biologischer Zellen ergeben, die auf mechanische Berührungen mit unerwünschten Zustandsänderungen reagieren würden. Falls ein mechanischer Kontakt jedoch gerade gewünscht ist, können die Partikel gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung im Sammlungsbereich mit einer Berührung einer Seitenfläche des Kompartiments angeordnet werden. Damit kann vorteilhafterweise eine Messung durch eine Kompartimentwand vereinfacht werden. Auch wenn die Sammlung mit einer Berührung der Seitenfläche erfolgt, kann im Unterschied zu den herkömmlichen elektroosmotischen Techniken eine Elektrodenberührung und damit eine unerwünschte Elektrodenreaktion vermieden werden. In diesem Fall kann der Sammlungsbereich durch einen Teil der Seitenfläche gebildet werden, in dem das Wandmaterial des Kompartiments freiliegt und keine Elektroden vorhanden sind.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden an mindestens einer Elektrode mehrere lokal zirkulierende Strömungen erzeugt, von denen jeweils mindestens ein Zweig der lokalen Zirkulation auf den mindestens einen Sammlungsbereich gerichtet ist. Entlang der Elektrode verlaufen zum Beispiel zwei Strömungen. Vorteilhafterweise wird dadurch die Effektivität der Sammlung erhöht.

Eine weitere Vergrößerung des Einzugsbereiches der Sammlung kann vorteilhafterweise erzielt werden, wenn gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens an mehreren Elektroden eine Vielzahl von lokal zirkulierenden Strömungen erzeugt werden. Dies ermöglicht insbesondere, dass die Partikel von mehreren Richtungen zu dem mindestens einen Sammlungsbereich geführt werden. Wenn die Strömungen relativ zueinander derart symmetrisch, insbesondere punktsymmetrisch zum Sammlungsbereich ausgebildet werden, dass dieser strömungsberuhigt oder im Wesentlichen strömungsfrei ist, kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die von einer Seite zum Sammlungsbereich geförderten Partikel den Sammlungsbereich in einer anderen Richtung, z. B. auf der gegenüberliegenden Seite nicht wieder verlassen.

Da gemäß der Erfindung die Strömung entlang der Längsausdehnung der jeweiligen Elektrode erzeugt wird, kann der Einzugsbereich vorteilhafterweise mit langgestreckten, band- oder streifenförmigen Elektroden erweitert werden, die sich vorzugsweise vom Sammlungsbereich radial in verschiedene Richtungen erstrecken.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel aus einem Einzugsbereich des Kompartiment gesammelt, dessen Volumen 10³ – 10⁹-fach größer als das Volumen des Sammlungsbereiches ist. Dieses Verhältnis zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Partikel nicht nur gesammelt, sondern mit einem hohen Faktor konzentriert oder angereichert werden können. Beispielsweise können der Einzugsbereich eines einzelnen Wirbels ein Volumen von bis zu 10 μl und der Sammlungsbereich ein Volumen von 1 Femtoliter bis zu 50 Picoliter besitzen, so dass die Erfindung vorteilhafterweise mit fluidischen Mikrosystemen implementierbar ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden hochfrequente elektrischen Felder auch zur direkten Ausübung einer vorbestimmten dielektrophoretischen Vortriebskraft auf die Partikel ausgenutzt. Unter der Wirkung der hochfrequenten elektrischen Felder werden die Partikel durch negative Dielektrophorese zum Sammlungsbereich bewegt. Vorteilhafterweise wird dadurch die indirekte hydrodynamische Kraftwirkung noch verstärkt. Besonders bevorzugt ist, wenn erfindungsgemäß hochfrequente elektrische Felder erzeugt werden, die zur elektrodynamischen Strömungserzeugung und simultan zur dielektrophoretischen Manipulation der Partikel verwendet werden.

Die Sammlungseffektivität kann weiter gesteigert werden, wenn mit den hochfrequenten elektrischen Feldern ein dielektrophoretischer Feldkäfig mit einem Potentialminimum erzeugt wird, das sich im Sammlungsbereich befindet. Die dielektrophoretischen Fangkräfte im Feldkäfig sind abhängig von der Partikelgröße. Vorteilhafterweise können Partikel, die so klein sind, dass die Fangkräfte des Feldkäfigs für ein effektives Sammeln zu schwach wären, mit den elektrohydrodynamischen Strömungen so zu größeren Aggregaten verbunden werden, dass Feldkräfte erreicht werden, die für ein sicheres Fangen im Feldkäfig ausreichend sind. Erfindungsgemäß ist der Feldkäfig in zwei (trichterförmiger Feldkäfig) oder drei (allseitiger Feldkäfig) Raumrichtungen geschlossen.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass im Sammlungsbereich mindestens eine weitere Kraft auf die Partikel wirkt. Damit kann vorteilhafterweise eine zusätzliche Halterung und/oder Manipulation der Partikel im Sammlungsbereich erzielt werden. Die Erzeugung einer optisch wirksamen Kraft kann Vorteile bei der Kombination der erfindungsgemäßen Technik mit einer optischen Messung im Sammlungsbereich und für eine selektive Partikelmanipulation besitzen. Die Erzeugung einer dielektrophoretischen Kraft kann Vorteile für ein effektives Zusammenwirken mit einer dielektrophoretischen Barriere des Feldkäfigs besitzen. Schließlich bietet eine zusätzliche magnetische Kraft Vorteile bei der Manipulation magnetischer Partikel.

Zur Ausübung einer weiteren Kraft besteht ferner die Möglichkeit, dass sich im Sammlungsbereich ein Startobjekt befindet, z.B. ein Bead, welches auch funktionalisiert werden kann.

Durch dieses Startobjekt werden die Partikel nicht nur durch dielektrische Wechselwirkungen beeinflusst, sondern auch ggf. durch eine spezifische Bindung an das Bead oder eine durch das Startobjekt hervorgerufene hydrodynamische Abschottung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt im Sammlungsbereich mindestens eine Messung an den gesammelten Partikeln. Damit können sich insbesondere Vorteile bei der Manipulation oder Evaluierung gesammelter biologischer Partikel ergeben. Die Messung umfasst vorzugsweise eine zum Beispiel aus der Technik fluidischer Mikrosysteme an sich bekannte elektrische, elektrochemische und/oder optische Messung.

Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist die Messung auf die Detektion eines Rezeptor-Ligand-Bindungs-Ereignisses gerichtet. Für diese Messung kann erfindungsgemäß die Seitenfläche des Kompartiments im Bereich des mindestens einen Sammlungsbereiches mit Detektionsspots in Form von Rezeptormolekülen (z.B. Proteinen, Antikörpern, DNA, Viren (für Transfektionsexperimente), usw.) funktionalisiert sein, wie es an sich von konventionellen Mikroarrays oder Biochips bekannt ist, so dass eine spezifische Rezeptor-Ligand- Interaktion mit im Sammlungsbereich akkumulierten Partikeln oder Molekülen stattfindet. Die Interaktion kann dann in bekannter Weise z.B. über elektrische, elektrochemische oder optische Ausleseverfahren nachgewiesen werden kann.

Vorteilhafterweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Konzentration von Analytpartikeln oder -molekülen in der Nähe der Detektionsspots erhöht (Sensitivitätssteigerung) und der Detektionsprozeß im Vergleich zu rein diffusivem Antransport von Analytpartikeln oder -molekülen an die Detektionsspots beschleunigen werden.

Das funktionalisierte Rezeptorarray kann z. B. auf einer flächigen Elektrode aufgebracht sein und zusammen mit einem die Sammelelektroden enthaltenden zweiten Substrat eine Mikrokammer bilden. Nach Anreicherung der Analytpartikel oder -moleküle durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Bindung derselben an die immobilisierten Rezeptoren auf dem Array kann die Sammelstruktur dann wieder entfernt werden. Sie kann entsprechend auch mehrfach verwendet werden.

Wenn gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung die Partikel in mehreren Sammlungsbereichen im Kompartiment gesammelt werden, können sich Vorteile für eine parallele Anreicherung der Partikel aus mehreren Einzugsgebieten im Kompartiment und eine parallele Manipulation oder Evaluierung der gesammelten Partikel ergeben.

Für die Anwendung in fluidischen Mikrosystemen ist es von besonderem Vorteil der Erfindung, dass die Sammlung nicht nur aus einem Einzugsbereich mit einer ruhenden Suspensionsflüssigkeit, sondern sogar dynamisch aus einer bewegten Suspensionsflüssigkeit heraus erfolgen kann. Das Kompartiment kann zum Beispiel von einer laminaren Strömung durchsetzt werden, die an den Elektroden erfindungsgemäß mit der lokal zirkulierenden Strömung überlagert wird.

Des Weiteren kann im Kompartiment eine gegenseitige Überlagerung von mehreren lokal zirkulierenden Strömungen vorgesehen sein. Eine erste zirkulierende Strömung kann die Partikel gerade in einen Sammlungsbereich führen, der Teil einer weiteren, nachgeordneten zirkulierenden Strömung ist. Dies ermöglicht eine Anordnung einer Vielzahl von Zirkulationen nach Art einer Kaskade, bei der aus einem ausgedehnten Einzugsbereich Partikel in einen einzigen Sammlungsbereich geführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Sammlung von Partikeln mit einem Durchmesser unterhalb von 1 μm. Für biologische Anwendungen können somit vorteilhafterweise insbesondere Zellen, Viren, Bakterien, Proteine, Zellbestandteile und/oder biologische Makromoleküle, z. B. DNS gesammelt werden.

Gemäß weiteren Varianten der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die an den Elektroden lokal zirkulierenden Strömungen durch einen lokalen Temperaturgradienten in der Flüssigkeit verstärkt werden. Der Temperaturgradient kann durch eine lokale Aufheizung der Flüssigkeit gebildet werden, die vorzugsweise durch eine Bestrahlung der Flüssigkeit und/oder von Seitenflächen des Kompartiments mit Licht und dessen entsprechende Absorption und/oder durch in die Wände eingebettete ("vergrabene") Thermoelemente erfolgt. Der Temperaturgradient kann alternativ oder zusätzlich durch eine lokale, gezielte Abkühlung der Flüssigkeit gebildet werden.

Die lokale Aufheizung der Flüssigkeit kann vorteilhafterweise zusätzlich zu Anregung von chemischen Reaktionen verwendet werden. Durch die lokal hohen Temperaturen im Sammlungsbereich können hier gezielt z. B. thermisch aktivierte Reaktionen ablaufen, z.B. ein Aggregation oder eine Fällung.

Vorrichtungsbezogen wird die oben genannte Aufgabe der Erfindung durch eine Sammlungsvorrichtung zur Sammlung von suspendierten Partikeln gelöst, die in einem Kompartiment zur Aufnahme einer Flüssigkeit an einer Seitenfläche mindestens eine Elektrode zur Erzeugung von einer oder mehreren lokal zirkulierenden Strömungen in der Flüssigkeit aufweist, mit der suspendierte Partikel zu mindestens einem vorbestimmten Sammlungsbereich im Kompartiment geführt werden können, wobei die Sammlungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Strömung so zu erzeugen, dass sich ein Teil der Strömung entlang der Längsausdehnung der Elektrode erstreckt und die Strömung um eine Achse umläuft, die senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche mit der Elektrode ausgerichtet ist.

Gemäß vorteilhaften Varianten der Erfindung kann der Sammlungsbereich mit einem Abstand von den Seitenflächen des Kompartiments oder so angeordnet sein, dass der Sammlungsbereich in Kontakt mit einer der Seitenflächen steht.

Vorzugsweise ist die Elektrode, an der die mindestens eine zirkulierende Strömung erzeugt werden kann, mit einer Spannungsquelle zur Bereitstellung von vorbestimmten hochfrequenten elektrischen Spannungen verbunden. Die mindestens eine Elektrode, die zur Erzeugung der zirkulierenden Strömung verwendet wird, wird auch als Sammelelektrode bezeichnet. Die Sammlungsvorrichtung umfasst bei der Erzeugung einer Vielzahl zirkulierender Strömungen, die auf einen oder mehrere Sammlungsbereiche gerichtet sind, entsprechend eine Vielzahl von Sammelelektroden, die ein Sammelelektroden-Array bilden.

Wenn die Sammlungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dazu eingerichtet ist, auf die zu sammelnden Partikel nicht nur elektrohydrodynamische, sondern auch dielektrophoretische Kräfte auszuüben, kann durch die zusätzliche Kraftwirkung die Sammlungseffektivität verbessert werden. Die dielektrophoretische Kraftwirkung wird durch die Wechselwirkung der Partikel mit hochfrequenten elektrischen Feldern ausgeübt, die im Kompartiment mit mindestens einer Elektrode erzeugt werden, die im Folgenden als Käfigelektrode bezeichnet wird. Wenn die oben genannten ein- oder allseitig geschlossenen Feldkäfige erzeugt werden sollen, ist das Kompartiment mit einem Käfigelektroden-Array ausgestattet.

Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung sind die Sammel- und Käfigelektroden identisch. Die Sammelelektroden- und Käfigelektroden-Arrays werden durch eine gemeinsame Elektrodenanordnung gebildet. In diesem Fall wird der Aufbau der Sammlungsvorrichtung und die Ansteuerung der Elektroden vereinfacht.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung besteht in deren Miniaturisierbarkeit. Das Kompartiment der Sammlungsvorrichtung ist vorzugsweise Teil eines fluidischen Mikrosystems. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Sammlungsfunktion mit Sammlungs-, Sortier-, Evaluierungs- oder Messfunktionen des Mikrosystems kombiniert werden. Die Sammlungsvorrichtung ist bspw. im Kanal eines fluidischen Mikrosystems angeordnet, der das genannte Kompartiment mit dem Strömungsgenerator bildet. Überraschenderweise kann mit der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung auch im durchströmten Kanal eine Sammlung von Partikeln erfolgen.

Zur Erhöhung der Sammlungsaktivität kann gemäß einer Abwandlung der Erfindung vorgesehen sein, dass mehrere Sammlungsbereiche entlang einer Längsrichtung des Kanals reihenförmig angeordnet sind.

Besondere Vorteile für einen erweiterten Anwendungsbereich der Sammlungsvorrichtung ergeben sich, wenn diese mit einer Magnetfeldeinrichtung zur Ausübung einer magnetischen Haltekraft im genannten Sammlungsbereich und/oder einer Messeinrichtung zur Erfassung von elektrischen, elektrochemischen oder optischen Eigenschaften von Partikeln im Sammlungsbereich ausgestattet ist.

Gemäß weiteren Varianten der Erfindung kann der Strömungsgenerator zusätzlich eine Heizeinrichtung und/oder eine Lichtquelle umfassen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
1: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung,
2, 3: verschiedene Phasen der Sammlung von Partikeln mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
4: Illustrationen der Feld- und Temperaturbedingungen in einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung,
5: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung mit einer Reihe von Sammlungsbereichen,
6: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung mit einer Kaskade von Sammlungsbereichen, und
7, 8: Illustrationen herkömmlicher Sammlungstechniken (Stand der Technik).
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Anwendung der Erfindung in fluidischen Mikrosystemen zur dielektrophoretischen Partikelmanipulation beschrieben. Derartige fluidische Mikrosysteme, ihre Komponenten und ihre Betriebsverfahren sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht beschrieben. Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf eine Gestaltung erörtert, bei der Elektroden sowohl zum Sammeln als auch zur Ausübung einer dielektrophoretischen Vortriebskraft verwendet werden, bei der also die Sammel- und Käfigelektroden identisch sind. Es wird betont, dass die Umsetzung der Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist. Vielmehr können erfindungsgemäß Sammelelektroden ausschließlich zur Erzeugung einer elektrohydrodynamischen Strömung vorgesehen sein und nicht Teil eines dielektrischen Feldkäfigs bilden, wie dies bspw. in 6 illustriert ist (siehe unten). Des Weiteren wird betont, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die fluidischen Mikrosysteme zur dielektrophoretischen Partikelmanipulation beschränkt ist, sondern auch in anderen Fällen, bei denen insbesondere für biochemische Aufgaben suspendierte Partikel in flüssigkeitsgefüllten Kompartimenten, z. B. Laborgefäßen, gesammelt werden sollen, angewendet werden.
1 illustriert in vergrößerter schematischer Schnittansicht einen Teil eines Kanals oder eines anderen Abschnitts eines fluidischen Mikrosystems, durch den das Kompartiment 10 der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung gebildet wird. An den Kanalwänden, die Seitenflächen 11 des Kompartiments 10 darstellen, befindet sich eine Elektrodenanordnung 20 mit acht Elektroden 21 angeordnet. Es sind auf der unteren Seitenfläche (Bodenfläche) und auf der oberen Seitenfläche (Deckfläche) jeweils vier Elektroden 21 angeordnet (siehe auch 2, 3). Die Elektrodenanordnung 20 ist so gebildet, wie es an sich von Elektrodenanordnungen zur Erzeugung dielektrophoretischer Feldkäfige bekannt ist.
Jede Elektrode zur elektrohydrodynamischen Strömungserzeugung besitzt die Form eines Streifens oder Bandes mit einer Länge (siehe auch 2, 3), die wesentlich größer als die Elektrodenbreite ist. Das Aspektverhältnis Elektrodenbreite : Elektrodenlänge ist vorzugsweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 100 gewählt. Die Maße der Elektrode 21 betragen bspw. 10 μm 500 μm. Durch die langgestreckte Elektrodenform wird eine Längsausrichtung der Elektrode 21 definiert. Jede Elektrode 21 ist so angeordnet, dass die Längsausrichtung zu einem Sammlungsbereich 40 in der Mitte zwischen den Seitenflächen 11 oder die senkrechte Projektion vom Sammlungsbereich auf die jeweilige Seitenfläche 11 weist. Die Elektroden 21 sind in an sich bekannter Weise elektrisch mit einer Spannungsquelle zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Spannungen, vorzugsweise mit vorgebbaren Amplituden, Frequenzen und Phasenverhältnissen verbunden. Bei Beaufschlagung der Elektroden 21 mit den hochfrequenten elektrischen Spannungen bilden sich parallel zu den Seitenflächen 11 Strömungen 30, mit denen Partikel 1 zum Sammlungsbereich 40 bewegt werden.
Das Bezugszeichen 50 bezieht sich auf eine Messeinrichtung, zum Beispiel ein Mikroskop mit einer CCD-Kamera, mit der zum Beispiel fluoreszenzmarkierte Partikel im Sammlungsbereich optisch gemessen und ausgewertet werden können. Hierzu ist in der Seitenfläche 21 des Kanals wenigstens ein optisch transparentes Fenster vorgesehen (siehe 5). Als Messeinrichtung kann alternativ oder zusätzlich eine weitere Elektrode für Impedanzmessungen im Sammlungsbereich 40 vorgesehen sein.
In 2 ist der Zustand der Sammlungsvorrichtung unmittelbar vor Beginn einer elektrohydrodynamischen Sammlung illustriert. Im Kompartiment 10 sind Partikel 1 zufällig verteilt, solange die Elektroden 21 spannungsfrei sind oder mit einer relativ geringen Spannung (< 1 V) beaufschlagt werden. Wenn die Elektroden mit hochfrequenten Spannungen ausreichend hoher Amplitude beaufschlagt werden, bilden sich die Strömungen 30 (zu Illustrationszwecken auch in 2 gezeigt). An jeder Elektrode werden eine oder zwei lokal zirkulierende Strömungen 32, 33 erzeugt. Ein erster Strömungszweig jeder Strömung verläuft entlang der Längsausrichtung der Elektrode 21 und parallel zur Seitenfläche 11 durch das Kompartiment 10 im Wesentlichen in Richtung des Sammlungsbereichs 40, wie dies in den 2 und 3 illustriert ist. Ein weiterer Zweig der zirkulierenden Strömung 30 führt über der Elektrode 21 zurück in entgegengesetzter Richtung. Der Umlauf erfolgt um eine Achse 31, die senkrecht auf der Ebene steht, in der die Elektroden angeordnet sind. Mit den Strömungen 30 werden die Partikel 1 aus dem Außenraum außerhalb der Elektrodenanordnung 20 in den inneren Sammlungsbereich 40 geführt, wo sie ein Aggregat bilden (3).
Die Ursache der elektrohydrodynamischen Strömung 30 ist in 4 illustriert. Im linken Teil von 4 sind die Temperaturen in der x-z-Ebene (gemäß 1) und in der x-y-Ebene (gemäß 2) gezeigt. Ohne eine externe Strömung ergibt sich ein Temperaturprofil derart, dass der Sammlungsbereich 40 zwischen den Elektroden 21 wärmer als die Umgebungslösung ist. Da die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante temperaturabhängig sind, wird das Medium im Sammlungsbereich dielektrisch inhomogen. Dadurch übt das elektrische Feld auf die Flüssigkeit Polarisierungskräfte aus, die zu der Ausbildung der gewünschten Strömungswirbel führen. Da die Strömungswirbel an allen Elektroden gebildet werden, erfolgt ein symmetrischer Zustrom hin zur Käfigmitte in den Sammlungsbereich 40.
In 4 (linker Teil) sind die Temperaturverhältnisse bei einer zunächst im Kompartiment ruhenden Flüssigkeit gezeigt. Überraschenderweise erfolgt die Bildung der zum Sammlungsbereich hinweisenden zirkulierenden Strömungen auch, falls die Flüssigkeit im Kompartiment strömt. Die Flüssigkeit bildet einen Trägerstrom mit einer Geschwindigkeit, die geringer als die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in den zirkulierenden Strömungen ist.
Unter der Wirkung der hochfrequenten Felder im Kompartiment 10 werden auf die Partikel auch dielektrophoretischen Kräfte ausgeübt. Im rechten Teil von 4 sind entsprechend die elektrischen Feldbedingungen illustriert. Es ist das Quadrat der elektrischen Feldstärke (E²) jeweils in der x-z-Ebene (gemäß 1) und in der x-y-Ebene (gemäß 2) gezeigt. Partikel, die in das Innere des Feldkäfigs transportiert werden sollen, müssen in x- oder y-Richtung eine relativ hohe dielektrische Barriere überwinden. Nach Durchlaufen der Barriere unter der Wirkung von Strömungskräften erfahren die Partikel eine in die Mitte des Feldkäfigs wirkende dielektrophoretische Kraft, so dass in der Käfigmitte die Sammlung zu Aggregaten verstärkt wird, die einer dimensionsabhängig größeren Volumenkraft unterliegen.
Die Auswahl der zur Erzeugung der elektrohydrodynamischen Strömung erforderlichen Spannungsamplitude erfolgt in Abhän gigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der Suspensionsflüssigkeit und den geometrischen Eigenschaften der Elektrodenanordnung. Es kann auch eine empirische Auswahl durch Experimente vorgesehen sein. Vorzugsweise werden die hochfrequenten elektrischen Felder so gewählt, dass auf die Partikel ausschließlich negative Dielektrophorese wirkt. Die in den 2 und 3 gezeigte Sammlung kann zur Sammlung von 1 μm-Partikeln bspw. mit den folgenden Betriebsparametern realisiert werden. Die Partikel sind in KCl (Konzentration: 12.5 mM) suspendiert. Die Elektroden 21 werden mit einer hochfrequenten elektrischen Spannung (Frequenz: 8 MHz, Amplitude: 3.5 V) beaufschlagt. Der Abstand der in einer Ebene einander gegenüberliegenden Elektroden (Spitze-Spitze) beträgt 40 μm. Unter den folgenden Betriebsbedingungen konnte eine Anreicherung von Hepatitis-A-Viren (Durchmesser rd. 30 nm) innerhalb von 10 Minuten erreicht werden. Hochfrequente Wechselspannungen mit Frequenz: 7.4 MHz, Amplitude: 4 V_rms), Elektrodenabstand: 5 μm. Die Startkonzentration der Viren im Kompartiment betrug rd. 10⁹ bis 10¹⁰/ml.
5 illustriert schematisch die Bildung einer Reihe von Sammlungsbereichen 41, 42, 43,... im Kanal eines fluidischen Mikrosystems, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich die Elektroden 21 der Elektrodenanordnungen auf einer der Seitenflächen des Kanals und die zugehörigen Verbindungsleitungen gezeigt sind, über die die Elektroden 21 mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Im linken Teil ist die gegenphasige Ansteuerung jeweils benachbarter Elektroden in einem einzelnen Feldkäfig 20 symbolisch illustriert, mit der die gewünschten Strömungswirbel an jedem Sammlungsbereich 41, 42, 43,... erzeugt werden können.
Außerhalb des fluidischen Mikrosystems befindet sich eine Messeinrichtung (nicht dargestellt), mit der die Partikel in den Sammlungsbereichen 41, 42, 43,... durch ein Fenster 51 entlang einer Abtastzeile 52 gemessen werden. Zur Detektion von Rezeptor-Ligand-Bindungsereignissen in den gesammelten Partikeln erfolgt beispielsweise eine Fluoreszenz-Korrelations-Messung (FCS).
Eine kaskadenförmige Kombination einer Vielzahl von zirkulierenden Strömungen ist schematisch in 6 illustriert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird mit der Elektrodenanordnung 20 über eine relativ große Fläche ein zu dem Sammlungsbereich 40 gerichteter Fluss erzeugt. Es sind bspw. mehrere radial zu dem Sammlungsbereich 40 weisende Sammelelektroden 21, 22 vorgesehen. Die innersten Elektroden 23 bilden gleichzeitig Sammel- und Käfigelektroden, die entsprechend 2 einen Feldkäfig bilden. Im Außenbereich befindliche Partikel werden bspw. mit dem Wirbel 34 an der ersten Sammelelektrode 21 in den Wirbel 35 der zweiten Sammelelektrode 22 befördert, von dem der weitere Transport zum Wirbel 36 der Sammel- und Käfigelektrode 23 erfolgt. Mit diesem werden die Partikel in den zentralen Sammlungsbereich 40 befördert.
6 illustriert, dass jeweils an einer streifenförmigen Elektrode zwei Wirbel gebildet werden, wobei die Achse 31 (versetzt eingezeichnet) des Strömungsumlaufes senkrecht zur angrenzenden Seitenfläche mit den Elektroden ausgerichtet ist. Abweichend von der illustrierten geraden Streifenform können die Elektroden bei der in 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung oder auch bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eine konische Form besitzen, bei der sich die Breite des Elektrodenstreifens mit zunehmendem radialen Abstand vom Sammlungsbereich nach außen verbreitert. Durch diese Gestaltung kann der Einzugsbereich der sammelnden Strömungen noch erweitert werden. Es ist alternativ möglich, dass die Elektroden eine gerade Streifenform aufweisen und die Elektroden mit radialem Abstand vom Sammlungsbereich nach außen größer werden. Beispielsweise sind innen schmale, kleine Elektroden und außen breite, große Elektroden vorgesehen, wobei nach außen z. B. das Aspektverhältnis der Elektroden zunimmt.
Bei den in den 5 und 6 gezeigten Elektrodenanordnungen sind die einzelnen Elektroden und ihre Verbindungsleitungen zu den Spannungsquellen elektrisch voneinander isoliert. Die Isolation erfolgt durch einen Mehrebenenaufbau aus Elektroden- und Isolationsschichten.
Gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung kann die Sammlungsvorrichtung mit einer Kühleinrichtung, z. B. einem Peltier-Element ausgestattet sein, um eine unerwünschte Gesamterwärmung der Sammlungsvorrichtung zu vermeiden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zur Sammlung von Partikeln (1, 2), die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, mit den Schritten: – Bereitstellung der Flüssigkeit mit den suspendierten Partikeln (1, 2) in einem Kompartiment (10) mit Seitenflächen (11), wobei auf mindestens einer der Seitenflächen (11) mindestens eine Elektrode (21) angeordnet ist, und – Erzeugung von hochfrequenten elektrischen Feldern mit der mindestens einen Elektrode (21) zur Bildung mindestens einer zirkulierenden Strömung (30), mit der die Partikel (1, 2) zu mindestens einem vorbestimmten Sammlungsbereich (40) im Kompartiment (10) geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Strömung (30) so gebildet wird, dass wenigstens ein Zweig der Strömung entlang einer Längsausdehnung der mindestens einen Elektrode (21) verläuft und die Strömung (30) um eine Achse (31) umläuft, die senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche (11) mit der Elektrode (21) ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Partikel im Sammlungsbereich (40) ohne eine Berührung der Seitenfläche (11) des Kompartiments (10) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Partikel im Sammlungsbereich (40) so angeordnet werden, dass sie eine der Seitenflächen (11) des Kompartiments (10) berühren.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils an einer Elektrode (21) mehrere zirkulierende Strömungen (32, 33) erzeugt werden, mit denen die Partikel zu dem mindestens einen Sammlungsbereich (40) geführt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an mehreren Elektroden (21, 22, 23) jeweils mindestens eine zirkulierende Strömung (30) erzeugt wird, so dass die Partikel zu dem mindestens einen Sammlungsbereich (40) geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Elektroden auf verschiedenen Seiten des Sammlungsbereiches (40) angeordnet sind, von denen die Partikel entsprechend mit mehreren Strömungen zum Sammlungsbereich (40) geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Strömungen im Wesentlichen symmetrisch relativ zum Sammlungsbereich (40) erzeugt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch die hochfrequenten elektrischen Felder mittels negativer Dielektrophorese auf die Partikel Kräfte ausgeübt werden, die zum Sammlungsbereich (40) gerichtet sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die hochfrequenten elektrischen Felder mit bandförmigen Elektroden einer Elektrodenanordnung (20) zur Erzeugung eines dielektrophoretischen Feldkäfigs erzeugt werden, die an den Seitenflächen (11) des Kompartiments angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der dielektrophoretische Feldkäfig mit einem Potentialminimum erzeugt wird, das sich im Sammlungsbereich (40) befindet.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein in zumindest zwei Raumrichtungen geschlossener dielektrophoretischer Feldkäfig erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Partikel in den Sammlungsbereich (40) aus einem Einzugsbereich des Kompartiments (10) geführt werden, dessen Volumen 10³-10⁹-fach größer als das Volumen des Sammlungsbereiches (40) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Einzugsbereich ein Volumen von bis zu 50 μl und der Sammlungsbereich (40) ein Volumen von 40 μl bis zu 1 fl besitzen.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Sammlungsbereich (40) mindestens eine weitere Kraft auf die Partikel wirkt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Kraft eine optisch wirksame, eine dielektrophoretische oder eine magnetische Kraft ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Sammlungsbereich (40) eine Messung an den gesammelten Partikeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Messung eine elektrische, elektrochemische oder optische Messung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Messung eine Detektion eines Rezeptor-Ligand-Bindungs-Ereignisses umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Kompartiment mehrere Sammlungsbereiche (41, 42, 43,...) angeordnet sind, in denen Partikel gesammelt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Kompartiment eine laminare Strömung oder ein Ultraschallfeld erzeugt wird, die sich mit der zirkulierenden Strömung (30) überlagern.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Kompartiment (10) mehrere zirkulierende Strömungen (34, 35, 36) erzeugt werden, die sich gegenseitig überlagern.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel mit einem Durchmesser gesammelt werden, der geringer als 1 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem Partikel gesammelt werden, die Zellen, Viren, Bakterien, Proteine, Zellbestandteile oder biologische Makromoleküle umfassen.
Sammlungsvorrichtung zur Sammlung von Partikeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, umfassend: – ein von Seitenflächen (11) begrenztes Kompartiment (10) zur Aufnahme der Flüssigkeit mit den suspendierten Partikeln, und – mindestens eine Elektrode (21), die auf mindestens einer der Seitenflächen (11) angeordnet ist und mit der im Kompartiment (10) hochfrequente elektrische Felder zur Bildung mindestens einer zirkulierenden Strömung (30) erzeugt werden können, mit der die Partikel zu mindestens einem vorbestimm ten Sammlungsbereich (40) im Kompartiment (10) geführt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Elektrode eine langgestreckte Form aufweist und dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Strömung (30) so zu bilden, dass ein Zweig der Strömung (30) entlang der langgestreckten Form verläuft, und – mindestens eine Achse (31), um die die Strömung (30) umläuft, senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche (11) mit der Elektrode ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der der Sammlungsbereich (40) mit einem Abstand von den Seitenflächen (11) des Kompartiments (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der der Sammlungsbereich (40) eine der Seitenflächen (11) des Kompartiments (10) berührt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 26, bei der eine Elektrodenanordnung (20) mit einer Vielzahl von Elektroden (21, 22, 23) zur Erzeugung von mehreren zirkulierenden Strömungen (32, 33) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 27, bei der an den Seitenflächen (11) des Kompartiments Käfigelektroden zur Erzeugung eines dielektrophoretischen Feldkäfigs angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Käfigelektroden Teil der Elektrodenanordnung (20) sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 29, bei der eine Heizeinrichtung, Kühleinrichtung und/oder eine Lichtquelle vorgesehen sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 30, bei der der Sammlungsbereich (40) mit einer Magnetfeldeinrichtung ausgestattet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 31, die mit einer Messeinrichtung (50) zur Erfassung von elektrischen oder optischen Eigenschaften von Partikeln im Sammlungsbereich (40) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 32, bei der mindestens eine der Seitenflächen des Kompartiments im Bereich des mindestens einen Sammlungsbereiches mit Detektionsspots in Form von Rezeptormolekülen funktionalisiert ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 33, bei der mehrere Sammlungsbereiche (41, 42, 43) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 24 bis 34, bei der das Kompartiment Teil eines Kanals eines fluidischen Mikrosystems ist.
Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Sammlungsbereiche (41, 42, 43) entlang einer Längsrichtung des Kanals reihenförmig angeordnet sind.