DE10322893A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zudosieren von Reaktionsflüssigkeiten zu in Separationsmedium eingebetteten Flüssigkeitskompartimenten - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Zudosieren von Reaktionsflüssigkeiten zu in Separationsmedium eingebetteten Flüssigkeitskompartimenten Download PDF

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Karin Dipl.-Biol. Martin
Josef Dipl.-Ing. Dr. Metze
Martin Dr.rer.nat. Roth
Thore Dipl.-Chem. Schön
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zudosieren von Flüssigkeiten zu einem oder einer Mehrzahl von in ein Separationsmedium eingebetteten Flüssigkeitskompartimenten mit dem Ziel der Analyse von Inhaltskomponenten in den eingebetteten Testflüssigkeitskompartimenten bzw. deren zeitlicher Änderung in Folge des Zudosierens der Prozessflüssigkeiten.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zudosieren von Flüssigkeiten zu einem oder einer Mehrzahl von in ein Separationsmedium eingebetteten Flüssigkeitskompartimenten mit dem Ziel der Analyse von Inhaltskomponenten in den eingebetteten Testflüssigkeitskompartimenten bzw. deren zeitlicher Änderung in Folge des Zudosierens der Prozessflüssigkeiten.
  • Im Rahmen von Hochdurchsatzverfahren ist es erforderlich, eine Vielzahl von Proben unter vergleichbaren und reproduzierbaren Bedingungnen mit A) einer Vielzahl von Testsubstanzen und B) einer relativ begrenzten Anzahl unterschiedlicher Prozessflüssigkeiten nach einem definierten Zeitprotokoll zu versetzen und der analytischen Bewertung zuzuführen.
  • Klassischer Ansatz zur Bewältigung dieser Vielfalt ist die Anordnung der Proben in Arrayform und die Nutzung automatisierter Verfahren zum parallelen Prozessieren der Proben, wie z. B. paralleler Flüssigkeitsübertrag unter Verwendung von hochparallelen Pipettierköpfen, Nadel- oder Spritzenarrays, zeitsynchrones Auslesen aller Proben mit Hilfe von Kamera-basierten Detektoranordnungen und parallele programmierte Inkubation unter Verwendung von Stacker-Systemen.
  • Als alternativer Ansatz rückt in zunehmenden Maße die Nutzung serieller Probenströme in fluidischen Leitbahnen in den Blickpunkt des Interesses.
  • Die zugrundeliegende Strategie, welche seit den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts mit der Einführung des Fließbandes in Fertigungsprozesse ihre Leistungsfähigkeit in produktiven Umgebungen demonstriert, ermöglicht das kontinuierliche Prozessieren einer als Probenstrom organisierten Vielzahl von Proben in seriellen Verfahren. Neben dem Managment von Flüssigkeitstropfen auf Oberflächen oder zwischen Glasplatten unter Verwendung von Gasen oder nicht mit Probenflüssigkeit mischbaren Separationsmedien werden Ansätze zu Führung derartiger Probenströme in Mikrokapillaren unter Trennung der Probenkompartimente durch ein mit der Probenflüssigkeit nicht mischbares Separationsmedium diskutiert, welche gleichzeitig die Förderung des Probenstromes durch das Kanalsystem mit Hilfe von Pumpen ermöglicht.
  • Erste Ansätze und systematische Untersuchungen zur Erzeugung und Einbettung derartiger Probenströme in Kapillarsysteme unter kontrollierten Bedingungen sind publiziert – jedoch ist das Problem des Zudosierens von Reagenzien zu den die Probenflüssigkeit enthaltenden, in Kapillaren geführten Kompartimenten (16, 17) bislang ungelöst.
    •
  • Der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren kommt die Aufgabe zu, das kontrollierte Zudosieren von Inhaltsstoffe enthaltenden Flüssigkeiten zu individuellen Kompartimenten oder Kompartimentfolgen zu ermöglichen und damit für die oben beschriebenen seriellen Verfahren für Hochdurchsatzverfahren zu erschließen.
  • Die Lösung dieser Aufgabenstellung eröffnet einerseits den Zugang zur Erzeugung von Probenströmen mit einer Vielzahl von in unterschiedlichen Kompartimenten (16, 17) lokalisierten verschiedenartigen Inhalten unter Nutzung von Prinzipien der kombinatorischen Chemie oder zur Erzeugung von Klonen von Pro- oder Eukaryonten-Zellen durch Kultivierung der mit jeweils einer Einzelzelle beimpften Flüssigkeitskompartimente, andererseits ermöglicht es durch das serielle Zudosieren von Testreagenzien, die serielle Analyse der Inhaltsstoffe der Kompartimente und deren Veränderung im Ergebnis des Zudosierens einer Komponente sowie die Durchführung zellulärer Assays unter Verwendung von mit einer einheitlichen Zellpopulation beimpften Kompartimenten in Verbindung mit dem Zudosieren von Effektoren. Durch Zudosieren unterschiedlicher Volumina können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Dosis-Wirkungs-Abhängigkeiten untersucht werden.
  • Neben zellulären Objekten ist auch die Einbettung von Festkörperpartikeln mit speziellen Funktionseigenschaften als Inhaltsstoffe in die Kompartimente möglich.
  • Auf der anderen Seite ermöglicht die Einbettung von Inhaltsstoffen, bestehend aus oberflächenfunktionalisierten Funktionspartikeln auf der Basis organischer Polymere, Komposite oder anorganischer Feststoffe bzw. funktionalisierter Hydrogel-Partikel die Übertragung der auf diesen Partikeln lokalisierten chemischen, biochemischen oder biologischen Vielfalt auf die Flüssigkeitskompartimente.
  • Durch Einbettung magnetischer Mikropartikel in die Kompartimente werden eine magnetkraft-basierte Förderung der Kompartimente im Kanal sowie magnetkraft-vermittelte Sortierverfahren ermöglicht. Durch magnet-basierte Positionierung von Kompartimenten im Bereich der Einmündung von Kanälen in den Hauptkanal können solche temporär verschlossen werden.
  • Erfindungsgemäß wird dies entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Das zentrale Element der Vorrichtung ist eine Anordnung, welche vorzugsweise als Mikrochip realisiert ist.
  • Zentrales funktionelles Element ist ein Mikrokanal (1), welcher dem Transport der in Separationsmedium eingebetteten Sequenzen von Flüssigkeitskompartimenten (15) dient und in welche eine Ein- oder Mehrzahl von zweiten Mikrokanälen (4) einmündet, welchen die Aufgabe des Zudosierens der in ihnen geführten Prozessflüssigkeit zu den im Mikrokanal (1) geführten Flüssigkeitskompartimenten zukommt.
  • Der Ablauf des Zudosierens ist in 1 bis 4 dargestellt. In dem Mikrokanal (1) werden Sequenzen von Kompartimenten an der Einmündung des Mikrokanals (4) vorbeigeführt (1). Dieses Zudosieren wird durch temporäres Fusionieren eines Flüssigkompartimentes aus dem Mikrokanal (1) mit einer Prozessflüssigkeit (5) im Bereich der Einmündung des Mikrokanals (4), dargestellt in 2, in Verbindung mit der Förderung der Prozessflüssigkeit 5 mit Hilfe einer geeigneten Fördervorrichtung (9 in 5) erzielt; wie in 3 dargestellt. Nach Beendigung des Zudosierens erfolgt der Abriss des Kompartimentes (17 in 4), vermittelt durch die Förderung des Separationsmediums im Mikrokanal (1). Dieser Prozess kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen.
  • Bei kontinuierlicher Förderung einer Sequenz (15) der Kompartimente und der Prozessflüssigkeit ergibt sich das einem einzelnen Kompartiment zudosierte Volumen als Produkt aus Kompartimentabstand, Wanderungsgeschwindigkeit und Förderrate der Prozessflüssigkeit (5). Bei individuell gesteuerter Dosierung muß zur Ermittlung des zudosierten Volumens das durch die Fördereinrichtung geförderte Volumen sowie die Auslenkung der Phasengrenze an der Einmündung des Kanals vor Fusionierung des Kompartimentes mit der Flüssigkeit und nach dem Abriss des Kompartimentes berücksichtigt werden. Dies kann durch in den Kanal integrierte Sensoren sowie durch Beobachtung mit Hilfe eines integrierten oder peripheren Systems, welches Bilddatenerfassung, Erfassung von Sensorsignalen, Verarbeitung und Auswertung in Verbindung mit einer Gerätesteuerung zum voll- oder teilautomatischen Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung beinhaltet, realisiert werden.
  • Der definiert erfolgende Tropfenabriss bildet die Voraussetzung für eine hohe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des zudosierten Volumens und bestimmt somit die Prozessicherheit des Dosierverfahrens.
  • Der für den kontrollierten Abriss des Fluidkompartimentes zu leistende Energieeintrag entspricht der Summe der für die Erzeugung der neuen Grenzflächen zu erbringenden Grenzflächenenergie im Bereich der Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) und der am Kompartiment neu zu erzeugenden Oberfläche und läßt sich in erster Näherung beschreiben durch den Zusammenhang E = (SigmaTF.SF + SigmaPF.SF)·Awobei SigmaTF.SF als die Grenzflächenspannung der Grenzfläche zwischen Testflüssigkeit (3) und Separationsmedium (2), SigmaPF.SF als die Grenzflächenspannung der Grenzfläche zwischen Prozessflüssigkeit (3) und Separationsmedium (2) und A als der Querschnitt der Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) definiert ist.
  • Demgemäß erfolgt der Abriss dann definiert und mit minimalen Energieaufwand, wenn die sich ausbildende Phasengrenze beim Abriss genau an der Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) ausbildet und der Querschnitt der Einmündung möglichst klein ist.
  • Der störungsfreie Ablauf dieses Prozesses wird durch die erfindungsgemäße Anordnung und die erfindungsgemäße Abstimmung der Dimensionen der Mikrokanäle, Öffnungsweiten der Einmündung, Benetzungseigenschaften der Oberflächen für die bezeichneten Flüssigkeiten sowie die vorzugsweise Ausformung der Einmündung als scharfkantig begrenzte Verengung des Mikrokanals (4) erreicht.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik bei der Erzeugung und Einbettung von Fluidkompartimenten in ein Separationsmedium, bei welchen die Phasengrenze aufgrund mangelhafter Abstimmung von Benetzungseigenschaften und Geometrie der Einmündung beim Abriss in den Mikrokanal (4) einwandert, wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung insbesondere durch die scharfkantige Ausführung der Eintrittsöffnung beidseitig in Richtung des Mikrokanals (1) das Einwandern der Phasengrenze in diesen Kanal wirksam unterbunden.
  • Für eine sichere Prozessführung ist die Einhaltung folgender Kriterien, die das Benetzungsverhalten der inneren Oberflächen im Bereich der Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) definieren, erforderlich. Diese Bedingungen müssen gegebenenfalls durch geeignete chemische Oberflächenfunktionalisierung und die Abstimmung der Auswahl der verwendeten Komponenten aufeinander umgesetzt werden. Die Festlegung erfolgt auf Grundlage des Kontaktwinkels der ternären Systeme, für dessen Bestimmung Messgeräte am Markt angeboten werden.
  • Erfindungsgemäß muß der Kontaktwinkel (14), bestimmt entsprechend 6, für ein ternäres System aus Füssigkeit A (11), Flüssigkeit B (12) und Oberfläche (10)
    für das System Testflüssigkeit (3), Separationsmedium (2) und Innenfläche des Mikro kanals (1) 90° übersteigen,
    für das System Prozessflüssigkeit (5), Separationsmedium (2) und Innenfläche des Mikrokanals (1) 60° übersteigen,
    und für das System Separationsmedium (2), Mischung (7) und Innenfläche des Mikrokanals (1) 90° übersteigen,
    für das System Separationsmedium (2), Prozessflüssigkeit (5) und Innenfläche des Mikrokanals (4) 60° übersteigen.
  • Die individuelle Dosierung von Substanzen zu individuellen und definierten Kompartimenten, einer Serie von Kompartimenten in Verbindung mit der Verwendung einer Ein- oder Mehrzahl von Mikrokanälen (4) ist für einen universellen Einsatz des Verfahrens und der Anordnung erforderlich.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß durch Umkehr der Förderrichtung der betreffenden Prozessflüssigkeit in den zugehörigen Mikrokanal (4) in der Weise, daß sich die Phasengrenze zwischen Separationsmedium und Prozessflüssigkeit in den Mikrokanal (4) verschiebt und dadurch die Möglichkeit eines fluidischen Kontaktes zwischen im Mikrokanal (1) befindlichen Kompartimenten und der im Mikrokanal (4) befindlichen Prozessflüssigkeit (5) unterbunden wird.
    •
  • Verfahren zur Bestimmung des Säuregehaltes in Flüssigkeitskompartimenten mittels Titrationsanalyse
  • Versuchsaufbau und Beschreibung der Komponenten
  • Für den Versuch wird eine Anordnung gemäß 8 eingesetzt, bei welcher ein Mikrokanal (1) durch zwei Mikrokanalchips geführt und einseitig mit einer Spritzenpumpe zur Förderung des Separationsmediums Tetradekan, vorgelegt in einer 5-ml-Glasspritze, fluidisch verbunden ist.
  • Eine zweite Spritze, welche die Testflüssigkeit (3) enthält, ist in der zweiten Aufnahme der Spritzenpumpe fixiert und fluidisch mit einem in den Mikrokanal (1) einmündenden Mikrokanal verbunden. Dieses System dient der gekoppelten Förderung von Separationsmedium und Testflüssigkeit mit einem Förderverhältnis von Tetradekan zu Testflüssigkeit von 5:1.
  • Eine 1-ml-Spritze, befüllt mit Prozessflüssigkeit (5), ist mit dem Mikrokanal (1) über einen Mikrokanal (4) fluidisch verbunden, wobei die Förderung der Prozessflüssigkeit unabhängig von der Förderung der ersten Spritzenpumpe erfolgt. Die als Mikrochip realisierte erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch folgende Parameter aus:
    Breite des Mikrokanals (1): 740 μm, Höhe des Mikrokanals (1): 280 μm, Breite des Mikrokanals (4): 320 μm, Höhe des Mikrokanals (4): 280 μm, alle Kanalquerschnitte haben die Form eines Rechteckes, dessen Ecken mit einem Radius von 140 μm verbundet sind. Die Öffnung der Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) beträgt 70 μm × 300 μm (Höhe × Breite).
  • Zur Verbindung der Chips wurden Kapillaren aus PTFE verwendet. Die Oberflächen der Chipmodule, hergestellt aus Glas, wurden mit einem Gemisch aus 25 Vol% Wasserstoffperoxid und 75 Vol% Schwefelsäure aktiviert, mit Wasser gewaschen, im Trockenschrank bei 120 °C getrocknet und in einer Lösung von 2 mM Oktadecyltrichlorsilan in wasserfreiem Toluol 3 h bei Raumtemperatur umgesetzt und mit Toluol und nachfolgend Äthanol gespült. Der an einer identisch gespülten Glasoberfläche bestimmte Kontaktwinkel für das System Wasser/Tetradekan/Oberfläche gemäß 6 beträgt 150° und entspricht den Kriterien für die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Versuchsdurchführung
  • In einem Mikrokanal (1) werden durch kontinuierliches Applizieren des Separationsmediums (2) Tetradekan und kontinuierliches Zudosieren von Salzsäure (0,01 mol/l) mit einem Förderverhältnis 5 zu 1 und einer Förderrate von 0,5 ml/h bezogen auf Salzsäure kontinuierlich Kompartimente von Salzsäure mit einem Volumen von 130 nl und einer Rate von 1,07 Hz erzeugt.
  • Die Kalibrierung des Kompartimentvolumens erfolgt auf Grundlage der im Vorfeld ermittelten Abhängigkeit des Kompartimentvolumens von der Flussrate für den im Experiment eingesetzten Chip. Diese ist als Box&Whisker-Plot in 9 dargestellt.
  • Der Mikrokanal (1) wird über eine HPLC-Kapillare mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm in einen Injektionschip geführt, durch dessen Mikrokanal (4) kontinuierlich Natriumhydroxidlösung mit einer Konzentration von 0,05 mol/l zudosiert wird.
  • Beginnend mit einer Förderrate von 0,05 ml/h erfolgt die schrittweise Erhöhung der Förderrate in Schritten von je 0,1ml. Der Äquivalenzpunkt ist erkennbar an einem Farbumschlag des der Salzsäure beigefügten Indikators Bromophenolblau nach blau und wird mit einer CCD- Kamera und vorgeschaltetem Interferenzfilter im Wellenlängenbereich 575 bis 625 nm detektiert. Bei einer Förderrate von 0,1 ml/h wird der Farbumschlag bei 32 von 50 Kompartimenten (64 %) beobachtet, bei einer Förderrate von 0,11 ml/h erfolgt der Farbumschlag bei 50 der 50 beobachteten Kompartimente (100%).
  • Ergbnis und Diskussion
  • Die Versuchsanordnung und das Verfahren ermöglichen die Ermittlung der Säurekonzentration in Mikrokompartimenten durch Titrationsanalyse unter Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens und stellen somit eine Möglichkeit zur Nutzung des Verfahrens zur Bestimmung von Inhaltsstoffen von in Separationsmedium eingebetteten Kompartimenten dar. Aufgrund von statistischen Schwankungen des Volumens der erzeugten Kompartimente wird am Equivalenzpunkt nicht bei allen Flüssigkeitskompartimenten der Farbumschlag beobachtet. Nach Übertitrieren über den Equivalenzpunkt hinaus wird der Farbumschlag bei allen Kompartimenten beobachtet.
  • Das Verfahren wurde analog zur Bestimmung der Zitronensäurekonzentration durch Titration gegen Natronlauge eingesetzt.
  • Zuordnungstabelle für Abbildungen
    Figure 00080001

Claims (42)

  1. Vorrichtung, bestehend aus einem Mikrokanal (1) mit vorzugsweise rundem Querschnitt und einer Ein- oder Mehrzahl von Mikrokanälen (4), welche in den Mikrokanal (1) einmünden, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokanal (1) einen Querschnitt zwischen 3 mm2 und 0,3 × 10–3 (0,3 mal zehn hoch minus drei) mm2 aufweist, welcher von einem Separationsmedium (2) durchströmt wird, und in das Separationsmedium (2) Kompartimente eines oder mehrerer Testflüssigkeiten (3) und eines Gemisches (7) aus einer Testflüssigkeit (3) und einer Prozessflüssigkeit (5), welche Sequenzen (15) von Kompartimenten bilden, eingebettet sind, wobei innerhalb dieser Sequenzen das Verhältnis aus Separationsmedium und der Summe der in den Sequenzen enthaltenen Test- und Prozessflüssigkeiten den Wert 1,0 übersteigt und in den Mikrokanal (1) die bezeichnete Ein- oder Mehrzahl weiterer Mikrokanäle (4) mit vorzugsweise rundem Querschnitt einmündet, in welchen sich eine Ein- oder Vielzahl von Prozessflüssigkeiten (5) befindet, der Mikrokanal (1) mindestens einseitig mit einer Vorrichtung (8) zur Förderung des Separationsmediums (2) und der darin eingebetteten Kompartimente fluidisch verbunden ist oder diese integriert und die Förderung der Kompartimente mit einer maximalen Geschwindigkeit zwischen 1 und 500 mm/s ermöglicht, jeder der Mikrokanäle (4) einseitig mit einer Vorrichtung (9) zur Förderung der Prozessflüssigkeit (5) fluidisch verbunden ist oder diese integriert, die innere Oberfläche des Mikrokanals (1) für das Separationsmedium (2) benetzende und für die Testflüssigkeit (3) sowie deren Mischungen (7) nicht benetzende Eigenschaften aufweist, wobei der Kontaktwinkel (14), bestimmt entsprechend 6, für ein ternäres System aus Flüssigkeit A (11), Flüssigkeit B (12) und Oberfläche (10) für das System Testflüssigkeit (3), Separationsmedium (2) und Innenfläche des Mikrokanals (1) 90° übersteigt, für das System Prozessflüssigkeit (5), Separationsmedium (2) und Innenfläche des Mikrokanals (1) 60° übersteigt und für das System Separationsmedium (2), Mischung (7) und Innenfläche des Mikrokanals (1) 90° übersteigt, die innere Oberfläche des Mikrokanals (4) für das Separationsmedium (2) benetzende und für die Testflüssigkeit (3) sowie Mischungen aus Testflüssigkeit (3) und Prozessflüssigkeit (5) nicht benetzende Eigenschaften aufweist, die Benetzungseigenschaften für die Innenwand des Mikrokanals (4) für die Prozessflüssigkeit (5) so gestaltet sind, dass der Kontaktwinkel (14), bestimmt entsprechend 6 für ein ternäres System aus Flüssigkeit A (11), Flüssigkeit B (12) und Oberfläche (10) für das System Separationsmedium (2), Prozessflüssigkeit (5) und Innenfläche des Mikrokanals (4) 60° übersteigt, die Sequenzen (15) sich vorzugsweise über einen Bereich beiderseits der Einmündung des Mikrokanals (4) erstrecken und durch Förderung des Separationsmediums (2) mittels der Fördereinrichtung (8) relativ zu dieser bewegt werden, die Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) beidseitig in Richtung der Hauptachse des Mikrokanals (1) scharfkantig begrenzt wird, der Mikrokanal (4) im Bereich der Einmündung vorzugsweise eine zum Mikrokanal (1) scharfkantig mit einem Krümmungsradius kleiner als 50 μm begrenzte Düse formt und vorzugsweise zentrisch in den Mikrokanal (1) mündet, der Querschnitt der Einmündung des Mikrokanals (4) in den Mikrokanal (1) kleiner ist als der Querschnitt des Mikrokanals (1), die Löslichkeit der Testflüssigkeit (3) im Separationsmedium (2) kleiner als 20 g/l ist, die Löslichkeit der Prozessflüssigkeit (5) im Separationsmedium (2) kleiner als 20 g/l ist, die Prozessflüssigkeit mit der Testflüssigkeit mischbar ist, die Kompartimente der Testflüssigkeit (3) und der Mischung (7) den Mikrokanal (1) zu mindestens 60 % des Querschnittes des Mikrokanals (1) ausfüllen, sowie Verfahren zum Zudosieren von Prozessflüssigkeit zu Flüssigkeitskompartimenten, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeitskompartimente (16) einer Testflüssigkeit (3), eingebettet in ein Separationsmedium (2) mittels einer Fördervorrichtung für das Separationsmedium in einem Mikrokanal (1) relativ zu einer Einmündung bewegt und an dieser vorbeigeführt oder vor dieser positioniert werden und dabei für einen begrenzten Zeitraum mit der aus dem Mikrokanal (4) austretenden Prozessflüssigkeit (5) fusionieren und während dieser Zeit ein durch einen funktionalen Zusammenhang zwischen Fusionszeit, Flussrate und Auslenkung der Phasengrenze (6) zum Fusionszeitpunkt und Abrisszeitpunkt berechenbares Volumen der Prozessflüssigkeit (5) aufnehmen, wobei die Förderung der Prozessflüssigkeit wahlweise kontinuierlich, periodisch oder synchronisiert mit der Platzierung der Kompartimente relativ zur Einmündung des Mikrokanals durch eine Fördereinrichtung (9) moduliert erfolgt, der Abriss des Kompartimentes durch den Transport des Separationsmediums (2) im Mikrokanal (1) bewirkt wird, der Abriss des Kompartimentes wahlweise durch gepulste Förderung der Prozessflüssigkeit (5) unterstützt wird und das Zudosieren zu vorbeiströmenden oder im Bereich der Einmündung befindlichen Kompartimenten dadurch unterbunden wird, dass die Phasengrenze (6) zwischen Prozessflüssigkeit (5) und Separationsmedium (2) durch Flussrichtungsumkehr der Prozessflüssigkeit (5) mittels der Fördereinrichtung (9) in den Mikrokanal (4) hinein verschoben wird.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Mikrokanälen (4) für das Zudosieren unterschiedlicher Prozessflüssigkeiten (5) integriert sind.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündungen der Mikrokanäle (4) in den Mikrokanal (1) in einem Bauelement integriert sind.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung einer Mehrzahl M1 von Mikrokanälen (4) in den Mikrokanal (1) in einer Mehrzahl M2 von Modulen realisiert ist, wobei M2 kleiner oder gleich M1, und die fluidische Verbindung des Mikrokanals (1) zwischen den Modulen durch Kapillaren erfolgt, deren Querschnitt derart an das Volumen der zu prozessierenden Kompartimente angepasst ist, dass der Querschnitt der im Separationsmedium (2) eingebetteten Kompartimente mindestens 60 % des Mikrokanalquerschnittes der verwendeten Kapillaren beträgt.
  5. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Mikrokanals (1) ellipsenförmig ist und das Verhältnis von großer Halbachse zu kleiner Halbachse den Wert 20 nicht übersteigt.
  6. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt von Bereichen des Mikrokanals (1) trapezförmig ist und das Verhältnis von Basisbreite zu Höhe den Wert 20 nicht übersteigt.
  7. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt von Bereichen des Mikrokanals trapezförmig ist und eine Ein- oder Mehrzahl der inneren Ecken des Trapezes verrundet ist.
  8. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Kanäle mit Hilfe von Ätzverfahren unter Verwendung von Maskierungsschichten in ein Substrat erzeugt und durch Verbinden mit einem zweiten formschlüssigen Substrat geschlossen werden.
  9. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 7, bei welcher Bereiche der Kanäle mit Hilfe von Laser-Ablation auf der Oberfläche eines Substrates erzeugt werden und durch Verbinden mit einem zweiten formschlüssigen Substrat geschlossen werden.
  10. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Kanäle mit Hilfe von Abformtechniken unter Verwendung eines Prägewerkzeuges und eines plastischen Werkstoffes mit einem TG < 450 °C auf der Oberfläche eines Substrates erzeugt werden und durch Verbinden mit einem zweiten formschlüssigen Substrat geschlossen werden.
  11. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Kanäle mit Hilfe von Abformtechniken unter Verwendung eines Masters und einer thermisch, photochemisch oder selbsthärtenden Mischung aus Prepolymeren, welche optional weitere Monomere und Füllstoffe enthalten, hergestellt und durch Verbinden mit einem zweiten formschlüssigen Substrat geschlossen werden.
  12. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt einzelner Abschnitte des Mikrokanals dem in diesen Abschnitten anzutreffenden Kompartimentvolumen angepasst ist.
  13. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche des Mikrokanals (1) einseitig, mehrseitig oder allseitig durch optisch transparente Materialien begrenzt sind.
  14. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche des Mikrokanals (1) mit elektrischen Leitbahnen leitend kontaktiert sind.
  15. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Strukturen in unmittelbarer Nähe des Mikrokanals (1) so angeordnet oder in diesen integriert sind, dass die durch diese leitenden Strukturen erzeugten elektromagnetischen Wechselfelder oder statischen elektrischen Felder mit Probenbestandteilen der im Mikrokanal (1) geführten Kompartimente wechselwirken.
  16. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische Aktoren im Wirkbereich des magnetischen Feldes dieser Aktoren in Bezug auf in den Kompartimenten eingebettete magnetische Bestandteile des Mikrokanals (1) permanent oder temporär plaziert werden können.
  17. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in den Mikrokanal (1) oder die Mikrokanäle (4) elektrisch, pneumatisch, thermisch, hydraulisch schaltbare schaltbare Ventile oder Drosseln integriert sind, wobei diese automatisch oder manuell schaltbar sind.
  18. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fördereinrichtungen (8, 9) eine nach dem Kolbenhub-Prinzip arbeitende Pumpe ist.
  19. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fördereinrichtungen (8, 9) eine Membranpumpe ist.
  20. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fördereinrichtungen (8, 9) eine Zahnradpumpe ist.
  21. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fördereinrichtungen (8, 9) eine pneumatisches nach dem Prinzip der Druckübertragung auf die Flüssigkeit arbeitendes System ist.
  22. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fördereinrichtungen (8, 9) ein pneumatisches nach dem Prinzip der Druckübertragung auf die Flüssigkeit arbeitendes System ist, wobei der Druck durch die Erwärmung/Abkühlung eines Gasreservoirs erzeugt wird.
  23. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Fördereinrichtungen (8, 9) eine pneumatisches nach dem Prinzip der Druckübertragung auf die Flüssigkeit arbeitendes System ist, wobei der Druck durch die Verdampfung einer Flüssigkeit oder Kondensation eines Dampfes erzeugt wird.
  24. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung durch elektrostatische Wechselwirkung zwischen den eingebetteten Kompartimenten und Elektroden, welche in einer Ein- oder Mehrzahl über den durch die Sequenzen (15) genutzten Teilbereich des Mikrokanals (1) integriert sind, bewirkt wird.
  25. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung durch magnetische Wechselwirkung zwischen Bestandteilen der einge betteten Kompartimente und magnetischen Aktoren, welche in einer Ein- oder Mehrzahl über den durch die Sequenzen (15) genutzten Teilbereich des Mikrokanals (1) integriert sind, bewirkt wird.
  26. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung der Flüssigkeiten unter Verwendung von Fördereinrichtungen gemäß Ansprüchen 17 bis 25 erfolgt.
  27. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion von Inhaltsstoffen und deren Veränderung unter Nutzung von technischen Einrichtungen gemäß Ansprüchen 13 bis 16 erfolgt.
  28. Verfahren gemäß Ansprüchen 1, 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisation und Steuerung der Verfahrensabläufe computergesteuert ist.
  29. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sequenzen (15) durch Zudosieren von Testflüssigkeit zu einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Strom von Separationsmedium im Mikrokanal (1) erzeugt und dem Zudosieren von einer Ein- oder Mehrzahl von Prozessflüssigkeiten aus einer Ein- oder Mehrzahl von Mikrokanälen (4) zugeführt werden.
  30. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung, das Zudosieren und die Detektion von Inhaltsstoffen in einem Bauelement erfolgt.
  31. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung, das Zudosieren und die Detektion von Inhaltsstoffen in mehreren fluidisch miteinander verbundenen Bauelementen erfolgt.
  32. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung, das Zudosieren und die Detektion von Inhaltsstoffen in mehreren Bauelementen erfolgt und Sequenzen (15) von Kompartimenten in Mikrokapillaren eingefüllt werden, zum Transport oder zur Inkubation vom System fluidisch getrennt gelagert oder transportiert und nachfolgend für weitere Dosieroperationen oder die Detektion von Inhaltsstoffen erneut fluidisch in einen Mikrokanal (1) integriert werden.
  33. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bezeichneten Kompartimente (16, 17) eine Lösung von Substanzen, eine Emulsion oder eine Suspension von anorganischen und organischen Bestandteilen enthalten.
  34. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (16, 17) oberflächenfunktionalisierte Partikel auf der Basis organischer Polymere, Komposite oder anorganischer Feststoffe bzw. funktionalisierter Hydrogel-Partikel enthalten.
  35. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (16, 17) einzelne, einen Verband oder mehrere einzelne oder mehrere Verbände von Pro- und/oder Eukaryonten enthalten.
  36. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (16, 17) einzelne, einen Verband oder vorzugsweise mehrere einzelne oder mehrere Verbände von Pro- und/oder Eukaryonten enthalten, die an Mikrocarrier gekoppelt sind.
  37. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeiten (5) eine Lösung von Substanzen, eine Emulsion oder eine Suspension von anorganischen und organischen Bestandteilen enthalten.
  38. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeiten (5) oberflächenfunktionalisierte Partikel auf der Basis organischer Polymere, Komposite oder anorganischer Feststoffe bzw. funktionalisierter Hydrogel-Partikel enthalten.
  39. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeiten (5) in Suspension einzelne, einen Verband oder vorzugsweise mehrere einzelne oder mehrere Verbände von Pro- und/oder Eukaryonten enthalten.
  40. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeiten (5) einzelne, einen Verband oder vorzugsweise mehrere einzelne oder mehrere Verbände von Pro- und/oder Eukaryonten enthalten, die an Mikrocarrier gekoppelt sind.
  41. Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Separationsmedium eine Flüssigkeit verwendet wird.
  42. Vorrichtung und Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Separationsmedium ein Gas verwendet wird.
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