Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Extraktionssysteme und -verfahren zur Abtrennung von Analyten aus Strömen, die andere Bestandteile enthalten, durch differenzielle Transportprinzipien, z. B. Diffusion, und auf Anwendungsgebiete, wobei sie ein verbessertes Verfahren bereitstellt, das die Verwendung von Absorbenzien oder Adsorbenzien in einem Extraktionsstrom involviert. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können für diagnostische Zwecke eingesetzt werden.

Feld-Fluss-Fraktionierungsvorrichtungen involvieren eine Teilchengrößentrennung unter Verwendung eines einzelnen Einlassstroms. Siehe z. B. Giddings, J. C., US-Patent 3,449,938, 17. Juni 1969, "Method for Separating and Detecting Fluid Materials"; Giddings, J. C., US-Patent 4,147,621, 3. April 1979, "Method and Apparatus for Field-Flow Fractionation"; Giddings, J. C., US-Patent 4,214,981, 29. Juli 1980, "Steric Field-Flow Fractionating"; Giddings, J. C. et al., US-Patent 4,250,026, 10. Februar 1981, "Continuous Steric FFF Device For the Size Separation of Particles"; Giddings, J. C. et al. (1983), "Outlet Stream Splitting for Sample Concentration in Field-Flow Fractionation", Separation Science and Technology 18: 293–306; Giddings, J. C. (1985), "Optimized Field-Flow Fractionation System Based on Dual Stream Splitters", Anal. Chem. 57: 945–947; Giddings, J. C., US-Patent 4,830,756, 16. Mai 1989, "High Speed Separation of Ultra-High Molecular Weight Polymers by Hyperlayer Field-Flow Fractionation"; Giddings, J. C., US-Patent 4,141,651, 25. August 1992, "Pinched Channel Inlet System for Reduced Relaxation Effects and Stopless Flow Injection in Field-Flow Fractionation"; Giddings, J. C., US-Patent 5,156,039, 20. Oktober 1992, "Procedure for Determining the Size and Size Distribution of Particles Using Sedimentation Field-Flow Fractionation"; Giddings, J. C., US-Patent 5,193,688, 16. März 1993, "Method and Apparatus for Hydrodynamic Relaxation and Sample Concentration in Field-Flow Fraction Using Permeable Wall Elements"; Caldwell, K. D. et al., US-Patent 5,240,618, 31. August 1993, "Electrical Field-Flow Fractionation Using Redox Couple Added to Carrier Fluid"; Giddings, J. C. (1993), "Field-Flow Fractionation: Analysis of Macromolecular, Colloidal and Particulate Materials", Science 260: 1456–1465; Wada, Y. et al., US-Patent 5,465,849, 14. November 1995, "Column and Method for Separating Particles in Accordance with Their Magnetic Susceptibility"; Yve, V. et al. (1994), "Miniature Field-Flow Fractionation Systems for Analysis of Blood Cells", Clin. Chem. 40: 1810–1814; Afromowitz, M. A. und Samaras, J. E. (1989), "Pinch Field Flow Fractionation Using Flow Injection Techniques", Separation Science and Technology 24(5 and 6): 325–339.

Die Technologie der Dünnkanal-Fraktionierung mit geteiltem Strom (SPLITT) liefert auch eine Teilchentrennung in einer Trennzelle, die einen dünnen Kanal hat. In Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung wird eine Feldkraft ausgeübt. Teilchen wandern von einem Teilchen-enthaltenden Strom quer zum Transportstrom zu einem teilchenfreien Strom. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird im allgemeinen aus Glasplatten mit Teflonscheiben, die als Abstandhalter zur Bildung der Kanäle verwendet werden, hergestellt. Die Kanaltiefe kann daher nicht kleiner als die Abstandhalter sein, die im allgemeinen etwa 100 bis 120 &mgr;m dick sind. Siehe z. B. Giddings, J. C., US-Patent 4,737,268, 12. April 1988, "Thin Channel Split Flow Continuous Equilibrium Process and Apparatus for Particle Fractionation"; Giddings, J. C., US-Patent 4,894,146, 16. Januar 1990, "Thin Channel Split Flow Process and Apparatus for Particle Fractionation"; Giddings, J. C., US-Patent 5,093,426, 13. August 1991, "Process for Continuous Particle and Polymer Separation in Split-Flow Thin Cells Using Flow-Dependent Lift Forces"; Williams, P. S. et al. (1992), "Continuous SPLITT Fractionation Based on a Diffusion Mechanism", Ind. Eng. Chem. Res. 31: 2172–2181; und Levin, S. und Tawil, G. (1993), "Analytical SPLITT Fractionation in the Diffusion Mode Operating as a Dialysis-like System Devoid of Membrane. Application to Drug-Carrying Liposomes", Anal. Chem. 65: 2254–2261.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Extraktionssystems, das differenzielle Transportprinzipien ausnützt, wobei der Analyt extrahiert, detektiert und quantitativ bestimmt werden kann. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Extraktionssystems zur Reinigung und Behandlung von Flüssigkeiten, einschließlich Körperflüssigkeiten wie Blut.

Differenzielle Extraktionsvorrichtungen, wie sie oben beschrieben wurden, ermöglichen, dass gewünschte Teilchen sich aus einem Probenstrom in einen Extraktionsstrom bewegen, der in paralleler laminarer Strömung mit dem Probenstrom läuft. Eine einfache Ausführungsform solcher Systeme verwendet einen Konzentrationsgradienten quer durch die Ströme, so dass die gewünschten Teilchen aus dem Probenstrom in den Extraktionsstrom diffundieren. Andere Gradienten und Kräfte können ebenfalls eingesetzt werden, z. B. Magnetkraft, elektrische Kraft, Gravitationskraft, dielektrische Kraft, Sedimentationskraft, Scherkraft, Zentrifugalkraft, Temperatur, Druck und Querstromgradienten.

Eine Verbesserung bei den obigen Verfahren, die hierin bereitgestellt wird, ist der Zusatz eines Sequestriermaterials zu einem Extraktionsstrom.

Die Erfindung stellt bereit:

Ein Verfahren zur Extraktion von wenigstens einem Teil von gewünschten Teilchen aus einem Probenstrom, der die gewünschten Teilchen umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

• a. Einführen des Probenstroms in den Probenstromeinlass einer Extraktionsvorrichtung, wobei die Vorrichtung überdies umfasst:
• (i) einen Extraktionsstromeinlass;
• (ii) einen Extraktionskanal in Fluidverbindung mit dem Probenstromeinlass und dem Extraktionsstromeinlass zum Aufnehmen eines Extraktionsstroms in angrenzender laminarer Strömung mit dem Probenstrom;
• (iii) einen Nebenproduktstromauslass in Fluidverbindung mit dem Extraktionskanal zum Aufnehmen eines Nebenproduktstroms, der wenigstens einen Teil des Probenstroms umfasst, aus dem gewünschte Teilchen extrahiert worden sind; und
• (iv) einen Produktauslass in Fluidverbindung mit dem Extraktionskanal zum Aufnehmen eines Produktstroms, der wenigstens einen Teil der gewünschten Teilchen umfasst; und
• b. Einführen eines Extraktionsstroms in den Extraktionskanal, wobei der Extraktionsstrom, der wenigstens einen Teil der gewünschten Teilchen umfasst, die Vorrichtung als Produktstrom durch den Produktauslass verlässt und der Probenstrom, aus dem gewünschte Teilchen extrahiert worden sind, die Vorrichtung als Nebenproduktstrom durch den Nebenproduktstromauslass verlässt;
  
  dadurch gekennzeichnet, dass
• a. der Probenstrom mit dem Extraktionsstrom mischbar ist; und
• b. der Extraktionsstrom ein Sequestriermaterial enthält, welches ein Ligand für die gewünschten Teilchen ist, der auf einem Substrat immobilisiert ist, so dass das Sequestriermaterial im wesentlichen nicht in den Probenstrom diffundierend ist, wobei die gewünschten Teilchen durch das Sequestriermaterial eingefangen werden.

Ein Sequestriermaterial ist ein Material, welches die gewünschten Teilchen durch Adsorbieren, Binden oder Kleben oder durch Absorbieren einfängt. Enzyme, Antikörper, Antigene oder andere Liganden für gewünschte Teilchen sind auf dem Fachgebiet bekannt und sind nützliche Sequestriermaterialien für die vorliegende Erfindung. Ein beliebiger Ligand, der auf dem Fachgebiet für ein gewünschtes Teilchen bekannt ist, kann als Sequestriermaterial verwendet werden. Solche Liganden sind an Substraten wie Polymerperlen, Polymere mit hohem Molekulargewicht oder anderen Materialien, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, immobilisiert. "Polymere mit hohem Molekulargewicht" bezieht sich auf solche Polymere mit ausreichendem Molekulargewicht, so dass sie im wesentlichen während ihres Durchgangs durch die Vorrichtung nicht in den Probenstrom diffundieren. Beispiele für Polymere mit hohem Molekulargewicht umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Dextrane mit hohem Molekulargewicht, Polypeptide mit hohem Molekulargewicht und Nucleinsäuren mit hohem Molekulargewicht. Das Sequestriermaterial kann auch ein Absorbensmaterial bzw. absorbierendes Material wie z. B. Aktivkohle oder poröse Polymere sein. Absorptionsmittel bzw. Absorbenzien oder Adsorptionsmittel bzw. Adsorbenzien können entweder spezifisch für einen besonderen Teilchentyp, z. B. ein Antikörper, oder nicht-spezifisch, z. B. Aktivkohle, sein.

Das Sequestriermaterial ist im wesentlichen nicht-diffundierend, d. h. sollte ausreichend langsam diffundieren, so dass es aus dem Extraktionsstrom nicht in signifikantem Ausmaß in den Probenstrom übergeht, so dass es im Nebenproduktstrom nicht detektierbar wird oder nicht mit der Analytenanalyse im Nebenproduktstrom in Wechselwirkung tritt.

Das Sequestriermaterial fängt die gewünschten Teilchen ein, indem es verhindert, dass sie mit dem austretenden Nebenproduktstrom aus der Vorrichtung austreten. Die gewünschten Teilchen können lose an das Sequestriermaterial gebunden werden, so lange das Sequestriermaterial die Teilchen lange genug zurück hält, um sie daran zu hindern, mit dem Nebenproduktstrom auszutreten. Die gewünschten Teilchen können reversibel durch das Sequestriermaterial gebunden oder eingefangen werden, so dass sie für eine weitere Analyse entfernt werden können oder eine Wiederverwendung des Sequestriermittels möglich wird.

Differenzielle Extraktionsvorrichtungen, die im Mikromaßstab hergestellt werden, liefern gegenüber den größeren Vorrichtungen, die oben diskutiert wurden, zahlreiche Vorteile. Solche mikroproduzierten Vorrichtungen sind in der Anmeldung Serial Nr. 08/663,916, eingereicht am 14. Juni 1996, beschrieben. Definitionen von Ausdrücken, die in jener Anmeldung verwendet werden, wie sie auf die darin offenbarten Strukturen im Mikromaßstab angewendet werden, sind hierin auf Strukturen im Makromaßstab wie auch auf Strukturen im Mikromaßstab anwendbar. "Strukturen im Makromaßstab" sind hierin als Strukturen definiert, die größer sind als Mikromaßstab-Strukturen, aber noch klein genug sind, um eine laminare Strömung zu erlauben.

Die gewünschten Teilchen können in der vorliegenden Erfindung Analyten sein oder sie können Substanzen sein, die mit Analyten wechselwirken. Sie können auch Teilchen sein, von denen gewünscht wird, dass sie isoliert und für einen anderen Zweck verwendet werden, oder sie können Toxine sein, z. B. Gifte oder Metaboliten in einem Patientenblut. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung zur Entgiftung von Blut verwendet werden, z. B. um toxische Metalle aus Blut zu entfernen oder andere Körperfluide zu entgiften, z. B. eine Hämodialyse durchzuführen. Die vorliegende Erfindung kann in der Abwasserbehandlung eingesetzt werden, z. B. um Verunreinigungen aus Wasser zu entfernen. Alternativ kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um ein Arzneimittel oder ein anderes Produkt, das durch Mikroorganismen wie Bakterienzellen in eine m Fermentationsreaktor produziert wird, zu entfernen, ohne die Mikroorganismen zu schädigen. Solche Behandlungen können in kontinuierlicher Weise durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert ein Mittel zur Durchführung einer Affinitätschromatographie. Nach dem Verständnis des Standes der Technik bezieht sich Affinitätschromatographie auf ein Verfahren zur Reinigung oder Isolierung gewünschter Substanzen und involviert im allgemeinen ein kovalentes Anbinden eines spezifischen Liganden an einen unlöslichen inerten Träger. Bei der Affinitätschromatographie muss der Ligand eine hohe Affinität für die gewünschte Substanz haben, so dass die gewünschte Substanz beim Durchgang in Lösung durch eine Säule in Richtung nach unten von dem Liganden zurückgehalten wird.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Durchführung einer Affinitätschromatographie bereit, allerdings mit mindestens einem besonderen Vorteil. Die Extraktion einer gewünschten Substanz (von Teilchen) kann in kontinuierlicher Art durchgeführt werden. Ebenfalls beschrieben wird eine Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren. Die Probenströme und die Extraktionsströme der vorliegenden Erfindung können kontinuierlich durch die Vorrichtung laufen. Die Affinitätschromatographie des Standes der Technik involviert mehrere Schritte, z. B. Aufladen des Liganden auf das inerte Material, Spülen der Säule, Aufbringen der Probe, Spülen, dann erneut Spülen, um die gewünschte Substanz freizusetzen, wobei üblicherweise bei jedem Schritt ein Produktverlust auftritt. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann z. B. ein Virus aus Vollblut extrahiert werden, indem 1) ein Extraktionsstrom, der einen Antikörper für das Virus, das an Perlen immobilisiert ist, umfasst, und ein Probenstrom des Vollbluts in die Vorrichtung eingeleitet werden und 2) und nach Übertragung der Virusteilchen in den Extraktionsstrom, diese durch Änderung des pHs der Lösung freigesetzt werden. Die Perlen können z. B. so gewählt werden, dass sie zum Boden des Kanals fallen oder sie können magnetisch sein und daher mit einem Magneten auf eine Seite des Kanals gezogen werden.

Das Sequestriermaterial kann im Extraktionsstrom vorliegen, bevor der Extraktionsstrom in den Extraktionskanal eingeführt wird. Alternativ kann das Sequestriermaterial dem Extraktionsstrom zugesetzt werden, indem das Sequestriermaterial in einer Flüssigkeit suspendiert oder gelöst wird, die in dem Extraktionsstrom, der bereits im Extraktionskanal ist, über den Extraktionsstromeinlass eingeleitet wird.

Das Extraktionssystem der vorliegenden Erfindung wird im einfachsten Konzept durch eine Diffusionsextraktionsvorrichtung dargestellt, die Mikrokanäle in Form eines "H" umfasst. Ein Gemisch aus Teilchen, die im Probenstrom suspendiert sind, tritt in den Extraktionskanal (der Querbalken des "H") aus einem der Arme, z. B. dem oberen linken, ein und ein Extraktionsstrom (ein Verdünnungsstrom) tritt am Boden links ein. Die zwei Ströme fließen im Extraktionskanal zusammen; aufgrund der kleinen Größe der Kanäle ist die Strömung laminar, und die Ströme vermischen sich nicht. Der Probenstrom tritt als Nebenproduktstrom am oberen rechten Ende aus und der Extraktionsstrom tritt als Produktstrom aus dem unteren rechten Ende aus. Während die Ströme sich in angrenzender laminarer Strömung im Extraktionskanal befinden, haben Teilchen mit einem größeren Diffusionskoeffizienten (kleinere Teilchen, z. B. Albumin, Zucker und kleine Ionen) Zeit, in den Extraktionsstrom zu diffundieren, während die größeren Teilchen (z. B. Blutzellen) im Probenstrom zurückbleiben. Teilchen im austretenden Extraktionsstrom (jetzt als Produktstrom bezeichnet) können ohne Störung durch größere Teilchen analysiert werden.

In der vorliegenden Patentanmeldung wird die Strömungsrichtung eines Kanals seine Länge (L) genannt. Die Kanalabmessung in Richtung des Teilchentransportes im rechten Winkel zu der Länge (L) wird als seine Tiefe (d) bezeichnet. Die dritte Kanalabmessung im rechten Winkel sowohl zu der Länge als auch zu der Tiefe wird als seine Breite (w) bezeichnet. Die Tiefe (d) ist daher senkrecht zu der Ebene der Grenzfläche der Proben- und Extraktionsströme. Tabelle 1 listet andere Abkürzungen, die her verwendet werden, auf. Tabelle 1 V Volumen V_SS Probenstrom-Fließgeschwindigkeit (m³/s) V_es Extraktionsstrom-Fließgeschwindigkeit (m³/s) V_ps Produktstrom-Fließgeschwindigkeit (m³/s) V_bps Nebenproduktstrom-Fließgeschwindigkeit (m³/s) V_ind Indikatorfarbstoffstrom-Fließgeschwindigkeit (m³/s) V_ds Detektionsstrom-Fließgeschwindigkeit (m³/s) C_i,ss Konzentration des Probenstrombestandteils i (kg/kg) C_i,es Konzentration des Extraktionsstrombestandteils i (kg/kg) C_i,bps Konzentration des Nebenproduktstrombestandteils i (kg/kg) C_i,ps Konzentration des Produktstrombestandteils i (kg/kg) C_dye,ind Indikatorstromfarbstoffkonzentration (kg/kg) C_i,ds Konzentration des Detektorstrombestandteils i (kg/kg) d Extraktionskanaltiefe in Diffusionsrichtung (m) w Extraktionskanalbreite (m) L Extraktionskanallänge (m) a_% prozentuale Abweichung von der Gleichgewichtskonzentration L_a% Vorrichtungslänge, die zur Erreichung an a_% erforderlich ist (m) Z_s Grenzflächenstromlinienlage zwischen Proben- und Extraktionsströmen am Extraktionskanaleingang (m) Z_p Grenzflächenstromlinienlage zwischen den Nebenprodukt- und Produktströmen (m) P absoluter Druck im Fluidstrom (Pa) &Dgr;p Differenzialdruck zwischen dem Eingang und Ausgang des Extraktionskanals (Pa) D_i binärer Diffusionskoeffizient des Bestandteils i (m²/s) &mgr; Fluidviskosität (Pa·s) &rgr; Fluiddichte (kg/m²) &xgr; Gleichgewichts-normalisierte Bestandteilskonzentration für einen Extraktionskanal unbestimmter Länge (dimensionslos) &tgr; normalisierte Bestandteilskonzentration (dimensionslos) &khgr; Kanallängenkoordinatenrichtung (Strömungsrichtung) y Kanalbreitenkoordinatenrichtung Z Diffusionsrichtungskoordinate x, z nicht-dimensionale normalisierte Variable (dimensionslos) w/d Dimensionsverhältnis Re Reynolds-Zahl T Temperatur u_ Axialgeschwindigkeit V Durchschnittsgeschwindigkeit

Die Länge des Extraktionskanals und die Extraktionskanalfließgeschwindigkeit sind Schlüsselparameter, die die Zeitmenge bestimmen, die die Teilchen haben, um in den Extraktionsstrom zu diffundieren. Das Sequestriermaterial sorgt für eine verstärkte Diffusion der gewünschten Teilchen, indem die effektive Konzentration der gewünschten Teilchen im Extraktionsstrom verringert wird. Das heißt, das Sequestriermaterial bewirkt eine Verschiebung im Gleichgewicht (in positiver Richtung) der Diffusion der gewünschten Teilchen in den Extraktionsstrom.

Im oben beschriebenen Fall werden die Teilchen unterschiedlich vom Probenstrom zum Extraktionsstrom transportiert, wobei eine Diffusion als Transportmechanismus verwendet wird. Andere Mittel zur Durchführung eines differenziellen Transports der gewünschten Teilchen können ebenso eingesetzt werden. Der Ausdruck "differenzieller Transport" bedeutet, dass ein Teil der gewünschten Teilchen aus dem Probenstrom in den Extraktionsstrom unter substanziellem Ausschluss der unerwünschten Teilchen transportiert werden. Beispielsweise können magnetische, elektrische oder andere Kräfte quer zum Extraktionsstrom, Temperaturgradienten angewendet werden oder es können absorbierende oder desorbierende Materialien, z. B. Antikörper, zu dem Extraktionsstrom gegeben werden, um die gewünschten Teilchen einzufangen.

Der Probenstromeinlass und der Extraktionsstromeinlass und der Nebenproduktstromauslass und der Produktstromauslass können Kanäle, Speicherbehälter, Öffnungen oder andere Behälter umfassen. Der Probenstromeinlass ist so konzipiert, dass er einen Probenstrom aufnimmt, der "gewünschte Teilchen" enthält, z. B. Teilchen, die extrahiert werden sollen, dass ihr Vorliegen detektiert werden kann. Der Probenstrom umfasst auch andere Teilchen, die nicht extrahiert werden, die hierin als "unerwünschte Teilchen" bezeichnet werden. Diese unerwünschten Teilchen umfassen Teilchen, die die Detektion der gewünschten Teilchen stören könnten. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Probenstrom Vollblut. Die gewünschten Teilchen können Albumin oder andere Blutplasmakomponenten sein und die unerwünschten Teilchen können Blutzellen sein. Die Vorrichtung ist speziell zum Erhalt zellfreier Plasmakomponenten aus Vollblut einsetzbar. Andere Fluide, für die die vorliegende Erfindung einsetzbar ist, umfassen Lösungen oder Suspensionen von DNA-Fragmenten unterschiedlicher Längen, Proteine variierender Größen oder heterogene chemische Reaktionsgemische. Probenströme, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, umfassen Fermentationsbrühen, Rohabwasser, verflüssigte Lebensmittelsproben, Schmutzproben und biologische Fluide, z. B. Sputum, Urin und Rückenmarksflüssigkeit.

Der Ausdruck "Teilchen" bezieht sich auf Moleküle; Zellen; Makromoleküle, z. B. Proteine, Nucleinsäure und komplexe Kohlenhydrate; kleine Moleküle, die aus einem bis mehreren Atomen bestehen; und Ionen. Die Teilchen können im Strom suspendiert oder gelöst sein. Der Ausdruck "Strom" bezieht sich auf ein Trägerfluid wie z. B. Wasser oder andere Flüssigkeit, Luft oder anderes Gas, das gewünschte und/oder unerwünschte Teilchen enthält. Der Ausdruck "Teilchen", wie er hier verwendet wird, umfasst keine Moleküle des Trägerstroms.

Der Ausdruck "Extraktion" bezieht sich auf den Transfer mindestens eines Teils, d. h. eines detektierbaren Teils, gewünschter Teilchen aus dem Probenstrom in den Extraktionsstrom, zum substanziellen Ausschluss unerwünschter Teilchen. Es wird erkannt, dass unerwünschte Teilchen in den Extraktionsstrom transportiert werden können, insbesondere solche, die schneller als die gewünschten Teilchen diffundieren; allerdings wird das Vorliegen solcher unerwünschter Teilchen minimiert werden, so dass die Detektion oder anschließende Verarbeitung der Ströme, die die gewünschten Teilchen enthalten, nicht stören. Die Übertragung unerwünschter Teilchen aus dem Probenstrom in den Extraktionsstrom kann minimiert werden, indem der Extraktionsstrom mit solchen unerwünschten Teilchen vorbeladen wird. Eine Vorbeladung des Extraktionsstrom mit unerwünschten Teilchen kann in Ausführungen vorteilhaft sein, in denen der Nebenproduktstrom von Interesse ist, z. B. zur weiteren Verwendung oder Analyse. Wenn z. B. Blut in den Körper des Patienten zurückgeführt werden soll, enthält der Extraktionsstrom vorzugsweise die geeigneten Konzentrationen an Elektrolyten, was dem Fachmann klar sein wird. Das Sequestriermaterial erhöht die Effizienz der Abtrennung der gewünschten Teilchen aus der Probe, indem die effektive Konzentration der gewünschten Teilchen im Extraktionsstrom verringert wird.

Der Ausdruck "Extraktionseffizienz" bezieht sich auf den Prozentanteil an gewünschten Teilchen in der Probe, die zum Extraktionsstrom extrahiert werden und in den Produktstrom austreten. Die Extraktionseffizienz kann durch Verwendung eines Sequestriermaterials erhöht werden.

Der Ausdruck "laminare Strömung" von zwei Strömen bedeutet einen stabilen, nebeneinander verlaufenden, nicht zirkulierenden Fluss aus zwei Strömen ohne Vermischen. Es gibt keine Rezirkulationszonen und die Turbulenz ist vernachlässigbar. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, ist die Reynolds-Zahl eines Stroms das Verhältnis von Trägheitskräften zu innerer Reibung. Zum Fließen durch eine Leitung wird die Reynolds-Zahl unter Verwendung der Gleichung Re = &rgr;d(V/&mgr;) berechnet, worin Re die Reynold's Zahl ist, &rgr; die Massedichte des Fluids, d eine typische Querschnittsabmessung der Leitung, die von der Gestalt der Leitung abhängt, ist, V die Durchschnittsgeschwindigkeit über den Leitungsquerschnitt ist und &mgr; die Viskosität ist.

Wenn die Reynolds Zahl reduziert ist, hängt das Strömungsmuster stärker von Reibungseffekten und weniger von Trägheitseffekten ab. Unter einer bestimmten Reynolds Zahl (basierend auf der Lumengröße für ein Kanalsystem mit Biegungen und Lumengrößenänderungen) sind die Trägheitseffekte nicht ausreichend, um Phänomene zu verursachen, die für ihr signifikantes Vorliegen indikativ sind, z. B. laminare Rezirkulationszonen und turbulente Strömung. Daher tritt in den hier diskutierten Extraktionsvorrichtungen eine nicht turbulente, laminare, nicht rezirkulierende Strömung auf. In solchen Vorrichtungen erfolgt ein minimales dispergierendes Vermischen als Resultat der Geschwindigkeitsprofile des viskosen Fließens, die innerhalb eines laminiaren viskosen Flusses vorliegen. Dies ermöglicht es, dass zwei laminare, nicht rezirkulierende Fluidströme einen Extraktionskanal nach unten strömen, und zwar mit dem Zweck einer Extraktion gewünschter Teilchen aus einem Strom in den anderen.

Die Ströme können am Ende der Leitung an einer willkürlichen Stelle durch genaue Regulierung der Austrittsströmungsgeschwindigkeit der Auslassöffnungen getrennt werden; dies ist bei höheren Reynolds Zahlen nicht möglich, da die nicht zirkulierenden und nicht turbulenten Kriterien nicht zufriedenstellend sind.

Der Extraktionsstromeinlass ist zum Aufnehmen eines Extraktionsstroms im laminaren Strömungskontakt mit dem Probenstrom konzipiert. Der Extraktionsstrom kann irgendein Fluid sein, das geeignet ist, Teilchen aufzunehmen, die aus dem Probenstrom transportiert werden. Der Extraktionsstrom enthält Sequestriermaterial, das gewünschte Teilchen, die vom Probenstrom zum Extraktionsstrom transportiert wurden, bindet. Bevorzugte Extraktionsströme sind Wasser und isotonische Lösungen, z. B. physiologische Kochsalzlösung. Andere einsetzbare Extraktionsströme umfassen organische Lösungsmittel, z. B. Aceton, Isopropylalkohol, superkritisches Kohlendioxid oder Ethanol. Luft und andere Gase können ebenfalls als Proben- und Extraktionsstromträger verwendet werden.

Der Nebenproduktstrom umfasst mindestens einen Teil des Probenstroms, aus dem gewünschte Teilchen extrahiert wurden, und kann eine Fraktion des Extraktionsstroms, in welchen gewünschte Teilchen aus dem Probenstrom geschickt wurden, umfassen oder nicht. Das Sequestriermaterial bewirkt eine größere Extraktion der gewünschten Teilchen aus der Probe, wodurch ein reinerer Nebenproduktstrom erhalten wird. Wenn ein Überschuss an Sequestriermaterial verwendet wird und dieses eine hohe Bindungskonstante für die gewünschten Teilchen hat, dann können im wesentlichen alle gewünschten Teilchen im Probenstrom bei einmaliger Behandlung der Probe aus dem Probenstrom extrahiert werden, was von der Fließgeschwindigkeit und der Extraktionskanallänge abhängt. Ohne das Sequestriermaterial und unter der Annahme gleicher Fließgeschwindigkeiten für Proben- und Extraktionsfluide ist die Gleichgewichtskonzentration der gewünschten Teilchen im Extraktionsstrom 50%. Das heißt, es diffundieren höchstens nur 50% der gewünschten Teilchen in den Extraktionsstrom. Ohne das Sequestriermaterial muss die Probe daher mindestens fünfmal behandelt werden, um 97% der gewünschten Teilchen aus der Probe zu entfernen.

Der Nebenproduktstromauslass ist so konzipiert, dass er den Nebenproduktstrom (bestehend aus dem Probenstrom und vielleicht einem Teil des Extraktionsstroms), der aus dem Extraktionskanal entfernt wird, zur weiteren Verarbeitung zu einer Entsorgungs-, Recycling- oder anderen Systemkomponente führt.

Der Produktstrom umfasst mindestens einen Teil von gewünschten Teilchen und Sequestriermaterial. Der Produktstromauslass, der, wie oben angegeben, einen Produktstromkanal umfassen kann, ist so konzipiert, dass er den Produktstrom, der eine detektierbare Menge gewünschter Teilchen enthält, zu einem Detektions- oder weiteren Verarbeitungsbereich oder zu einer Systemkomponente führt. Es muss eine ausreichende Menge des Extraktionsstroms im Produktstrom vorliegen, die eine ausreichende Menge erwünschter Teilchen umfasst, so dass Vorliegen der gewünschten Teilchen im Produktstrom durch Mittel, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, detektierbar ist.

Der Produktstrom kann zu einer Reservoirkammer oder einer anderen Vorrichtung geführt werden, wo er weiter behandelt werden kann, z. B. durch Abtrennen des Sequestriermaterials von den gewünschten Teilchen, Mischen, Trennen, Analysieren, Erwärmen oder durch eine andere Verarbeitung, z. B. wie sie bei Wilding P. et al., US-Patent 5,304,487, erteilt am 19. April 1994, offenbart ist. Der Nebenproduktstrom kann auch zu einer Reservoirkammer oder einem anderen Behälter oder eine Apparatur zur weiteren Behandlung geführt werden.

Die Vorrichtungen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung können "als Strukturen im Mikrometerbereich" hergestellt sein; wobei sich dieser Ausdruck auf Vorrichtungen bezieht, die geeignet sind, auf Siliziumwafern hergestellt zu werden, die denen, die auf dem Gebiet der Siliziummikrobearbeitung tätig sind, verfügbar sind und die Zeichengrößen und Zeichengeometrien haben, die durch Verfahren wie LIGA, thermoplastische Mikromusterübertragung, Mikrogießen auf Harzbasis, Mikroformen in Kapillaren (MIMIC), nasses isotropes und anisotropes Ätzen, Laser-unterstütztes chemisches Ätzen (LACE) und reaktives Ionenätzen (RIE) oder andere Techniken, die auf dem Gebiet der Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich bekannt sind, reproduzierbar sind. Im Fall einer Siliziumverarbeitung bei der Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich werden größere Wafer eine Vielzahl der Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Konfigurationen unterbringen. Einige wenige Standardwafergrößen sind 7,5 cm, 10 cm, 15 cm und 20 cm.

In einer bevorzugten Ausführungsform, die hier die "H-Filter-Vorrichtung" genannt wird, sind die Einlass- und Auslasskanäle zwischen dem etwa 2- bis 3-Fachen des Maximums des teilchenförmigen Durchmessers und etwa 100 &mgr;m in der Breite und zwischen etwa dem 2- bis 3-Fachen des Durchmessers der größten Teilchen und kleiner als etwa 100 &mgr;m in der Tiefe; der Extraktionskanal hat eine Breite von etwa zwischen dem 2- bis 3-Fachen des Durchmessers der größten Teilchen und etwa 2/3 der Waferdicke, eine Tiefe von zwischen dem etwa 2- bis 3-fachen des Durchmesser der größten Teilchen und weniger als etwa 100 &mgr;m, und eine Länge zwischen dem etwa 4- bis 10-Fachen des Durchmessers der größten Teilchen und weniger oder gleich 5 mm.

In einer zweiten Ausführungsform, in der die Teilchentransportrichtung um 90° von der des "H-Filter-Vorrichtungs"-Konzepts gedreht ist, die die sogenannte "Flachextraktionsvorrichtung" oder "Flachfiltervorrichtung" genannt wird, haben die Einlasskanäle am Eintritt in den Extraktionskanal eine Breite, die gleich der Extraktionskanalbreite ist und vorzugsweise zwischen 2 und 3 Partikeldurchmesser und etwa 500 &mgr;m beträgt; der Extraktionskanal hat vorzugsweise eine Breite zwischen dem etwa 2- und 3-Fachen des Durchmessers der größten Teilchen und kleiner oder gleich 5 mm; eine Tiefe zwischen dem etwa 2- und 3-Fachen des Durchmessers der größten Teilchen und weniger als 100 &mgr;m und eine Länge des mindestens etwa 4-Fachen des Durchmessers der größten Teilchen.

Der Extraktionskanal nimmt den Einstrom der Proben- und Extraktionsströme aus dem Proben- und Extraktions-Stromeinlass auf und leitet diese Ströme in angrenzende laminare Strömung über eine ausreichende Distanz, um eine Extraktion der gewünschten Teilchen in den Extraktionsstrom zu erlauben. Die Länge des Extraktionskanals kann erhöht werden, indem dieser zu einer gewundenen Geometrie, z. B. zu Serpentinen (Satz aus "Haarnadel"-Windungen) geformt wird oder gespult wird, wie die Strömungskanäle bei Weigl et al., PCT-Anmeldung Nr. PCT/US97/05245, eingereicht am 31. März 1997, offenbart sind.

Die Breite und die Tiefe des Extraktionsstromkanals und der Produktauslasskanäle müssen groß genug sein, um den Durchgang der gewünschten Teilchen, des Sequestriermaterials und eines Komplexes der gewünschten Teilchen mit dem Sequestriermaterial zu erlauben.

Wenn die Breitenabmessung in der Waferdickenrichtung liegt, wie es bei der Ausführungsform der H-Filter-Vorrichtung der Fall ist, dann sind die Breiten der Proben-, Extraktions-, Produkt- und Nebenproduktkanäle, -Einlassöffnungen und -Auslassöffnungen dann für die Ausführungsformen der Siliziumstrukturen im Mikrometerbereich der Extraktionsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung im Mikrobereich geringer als die Siliziumwaferdicke, d. h. etwa 300 &mgr;m. Wenn alternativ die Vorrichtung aus anderen Materialien hergestellt ist, vorzugsweise aus formbaren Materialien wie Kunststoff, oder in der Ausführungsform der "Flachextraktionsvorrichtung", dann gibt es für die Breite keine theoretische Höchstgrenze. Breiten bis zu 0,5 m, 1 m und sogar noch größer werden ins Auge gefasst. Die Breite hat keine theoretische Höchstgrenze, vorausgesetzt, man kann die Abgabe von Fluiden (Probenstrom und Extraktionsstrom) in die Vorrichtung kontrollieren, z. B. kann die Fließgeschwindigkeit jedes Fluids durch die Breite des Kanals kontrolliert werden. Die Abmessungen des Extraktionskanals werden so gewählt, dass eine laminare Strömung und eine einheitliche Fließgeschwindigkeit, z. B. keine Turbulenz oder kein Stau von Teilchen an Kanalwänden, aufrechterhalten werden.

Wenn die Tiefenabmessung in Waferdickenrichtung ist, wie dies in der "Flachfilter"-Ausführungsform der Fall ist, dann ist die Tiefe der Proben-, Extraktions-, Produkt- und Nebenproduktkanäle, -Einlassöffnungen und -Ausgängen für Siliziumstrukturen, die im Mikrometerbereich hergestellt werden, bei den Extraktionsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung im Mikromaßstabbereich kleiner als die Siliziumwaferdicke, d. h. etwa 300 &mgr;m. Für Vorrichtungen, die als Strukturen im Mikrometerbereich hergestellt sind, ist die Tiefe, insbesondere die des Extraktionskanals, weniger als etwa 200 &mgr;m und bevorzugter weniger als etwa 100 &mgr;m.

Einige Gebiete, von denen auf dem Fachgebiet bekannt ist, dass sie für einen differenziellen Transport der Teilchen in den Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind die, die durch Folgendes produziert werden:

• – Sedimentation
• – elektrisches Potential
• – Temperaturgradienten
• – Querströmung
• – dielektrische Gradienten
• – Scherkräfte
• – Magnetkräfte
• – Konzentrationsgradienten.

Mittel zur Erzeugung solcher Felder sind auf dem Fachgebiet bekannt.

Wegen der geringen Größe der Diffusionsrichtung (Tiefe) der hierin beschriebenen Kanäle erfolgt der differenzielle Transport gewünschter Teilchen durch Diffusion oder andere Mittel extrem schnell, z. B. innerhalb weniger als etwa 300 Sekunden, und wenn gewünscht, weniger als etwa 1 Sekunde. Das Vorliegen des Sequestriermaterials im Extraktionsstrom sorgt für einen verstärkten Transport gewünschter Teilchen, indem die effektive Konzentration der gewünschten Teile im Extraktionsstrom verringert wird, die effektive Konzentrationsdifferenz zwischen dem Probenstrom und dem Extraktionsstrom maximiert wird. Dies maximiert den Nettotransfer entlang der Tiefe (Diffusionsdimension) des Extraktionskanals, was eine schnelle Trennung gewünschter Teilchen aus der Probe bereitstellt.

Die Proben- und Extraktionsströme können unterschiedliche Eigenschaften, z. B. Viskositäten, Dichten, Oberflächenenergien, Homogenitäten, chemische Zusammensetzungen und dergleichen, haben, die die differenziellen Transportgeschwindigkeiten beeinträchtigen können. Es kann notwendig sein, Systemparameter einzustellen und zu optimieren, um diesen verschiedenen Eigenschaften Rechnung zu tragen, was dem Fachmann klar sein wird und was ohne übermäßiges Experimentieren vom Fachmann durchgeführt werden kann.

Die Proben- und Extraktionsströme werden im Extraktionskanal für einen Zeitraum in Kontakt gehalten, welcher ausreicht, um mindestens eine analysierbare Menge und vorzugsweise einen Hauptteil erwünschter Teilchen in den Extraktionsstrom zu transportieren. Die Fließgeschwindigkeit des Produktstroms aus der Vorrichtung kann zwischen etwa 0,001 Picoliter/s und etwa 10 ml/s oder mehr in Vorrichtungen mit großen Breiten, z. B. größer als etwa 50 &mgr;m, liegen. Beispielsweise kann eine optimale Fließgeschwindigkeit für den Produktstrom etwa 200 nl/s sein. Wie es auf dem Fachgebiet bekannt ist, können sogar die sehr geringen Mengen an Analyten, die in solchen kleinen Produktströmen vorliegen, durch spektroskopische und andere Mittel detektiert werden.

Die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit, V, ist so gewählt, dass sie der folgenden Beziehung genügt:

Die volumetrische Fließgeschwindigkeit (Q) pro Breiteneinheit (w) ist so limitiert, dass sie kleiner als f(DL)/d: Q = Vwd, Q/w = Vd

Für Berechnungszwecke kann es günstig sein, f = 1 zu wählen und die maximale Fließgeschwindigkeit pro Einheitsbreite, die darauf basiert, zu errechnen. Für Biotin (mit einem Diffusionskoeffizienten, D = 500 &mgr;m²/s in einem Kanal mit einer Länge (L) = 1 cm und einer Tiefe (Tiefendiffusion) (d) = 10 &mgr;m, ist das Maximum der Fließgeschwindigkeit pro Breiteneinheit etwa 500 Picoliter pro Sekunde pro &mgr;m Breite.

Aus dem Obigen kann die folgende Beziehung abgeleitet werden: d²/D = 2t was bedeutet, dass ein Molekül in einer Durchschnittszeit von 2t über die Distanz d (die Tiefe des Kanals) diffundieren wird.

Ein "Hauptteil" der gewünschten Teilchen ist mehr als 50% der Teilchen, die im Probenstrom vorliegen.

Das Sequestriermaterial verstärkt die Effizienz des Extraktionsverfahrens, ermöglicht eine Extraktion von mehr als 50% (die maximale Extraktion, die mit gleichen Volumina des Proben- und Extraktionsstroms, aber ohne Sequestriermaterial oder Differenzialtransportkräfte, z. B. magnetische und elektrische Felder, erreicht wird). Vorzugsweise ermöglicht das Sequestriermaterial eine Extraktion von mehr als etwa 50% bis etwa 80% der gewünschten Teilchen. Bevorzugter erlaubt das Sequestriermaterial eine Extraktion von etwa 75% bis etwa 95% der gewünschten Teilchen. Am vorteilhaftesten erlaubt das Sequestriermaterial eine Extraktion von etwa 85% bis etwa 100% der gewünschten Teilchen.

Eine erfolgreiche Durchführung der hierin beschriebenen Erfindung erfordert eine genaue Kontrolle der Volumenfließgeschwindigkeiten bei drei der vier Kanäle der Vorrichtung (d. h. Proben-, Extraktions-, Produkt- und Nebenproduktströme). Der vierte Kanal muss nicht und sollte nicht reguliert werden, da ein unreguliertes Verlassen dieses Kanals es möglich macht, dass die Vorrichtung auf nicht vorhersagbare Änderungen des Volumens der Probe infolge des &Dgr;V-Wertes des Mischens der Proben- und Extraktionsströme reagieren kann. Mittel zur Erreichung genau regulierter Fließgeschwindigkeiten sind auf dem Fachgebiet bekannt.

Um die Kontrolle der Größe von Teilchen, die in einem Extraktionssystem der vorliegenden Erfindung auf Diffusionsbasis zum Produktstrom transportiert werden, zu unterstützen und das Auftreten größerer Teilchen im Produktstrom zu reduzieren, kann im Extraktionskanal eine Fluidbarriere bzw. -sperre geschaffen sein. Eine derartige Fluidbarriere liegt vor, wenn der Extraktionsstrom in genügendem Volumen vorliegt, um zu bewirken, dass ein Teil des Extraktionsstrom durch den Nebenproduktausgang mit austretendem Nebenproduktstrom fließt, wie es in 3 dargestellt ist. Kleinere Teilchen, die in den Extraktionsstrom diffundieren, müssen die Breite dieser Fluidbarriere durchqueren, bevor sie mit dem Produktstrom austreten können. Solche Fluidbarrieren, die bei einem größeren Maßstab ausgebildet sind, werden bei Williams P. S. et al. (1992) "continuous SPLITT Fractionation Based on a Diffusion Mechanism", Ind. Eng. Chem. Res. 2172–2181, diskutiert.

Durch Kontrolle der Fließgeschwindigkeit des Proben- und Extraktionsstroms kann das Volumenverhältnis von jedem, der in den Extraktionskanal eintritt, kontrolliert werden. Das Volumenverhältnis des Probenstroms und des Extraktionsstroms kann auch durch die Geometrie der Auslass- und Einlass-Kanäle für einen festgesetzten Abgabedruck auf die Proben- und Extraktionsströme eingestellt werden. Die Volumenfließgeschwindigkeit des Produkt- und Nebenproduktstroms kann auch kontrolliert werden, indem die Produkt- und Nebenproduktstromdrücke manipuliert werden oder indem willkürliche Durchlass-(Einlass)-Drücke verwendet werden und der Strömungswiderstand der Einlassöffnungen verändert wird. Wie auch immer der Kontrollmodus ist, die Einlass- und Auslasskanäle müssen den Kriterien für die Mindestkanalabmessungen, die auf der Größe des zu bearbeitenden teilchenförmigen Materials basieren, wie es hierin beschrieben ist, genügen. Wenn das Volumen des Extraktionsstroms, der in den Extraktionskanal eintritt, größer ist als das Volumen des Probestroms und die zwei Ausgangsströme identisch sind, wird eine Fluidbarriere gebildet. Wenn die Volumenfließgeschwindigkeit des Produktstroms zu klein ist, um den gesamten Volumenstrom des Extraktionsstroms unterzubringen, dann wird ebenfalls eine Fluidbarriere ausgebildet.

Extraktionsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung können Mittel zur Kontrolle des Extraktionsstromvolumens im Extraktionskanal bezüglich des Volumens des Probenstroms umfassen, wobei diese Mittel einen Produktstromauslass umfassen, der kleiner ist als er erforderlich ist, um den gesamten Extraktionsstrom austreten zu lassen, wobei es mit einem Nebenproduktstromauslass verbunden ist, der groß genug ist, um den überschüssigen Extraktionsstrom zu behandeln. Extraktionsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung können mehrere Produktstromauslassöffnungen umfassen, so dass Produktströme, die unterschiedliche Typen erwünschter Teilchen umfassen, isoliert werden können.

Die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung können als Probenvorbehandlungssystem für ein analytisches System verwendet werden, welches Sensormittel zur Detektion gewünschter Teilchen im Produktstrom umfasst. Solche Mittel umfassen Mittel zum Mischen des Produktstroms mit einem Indikatorstrom, der mit den gewünschten Teilchen Wechsel wirkt, so dass sie durch Sensormittel, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, detektiert werden können; solche Sensormittel umfassen z. B. optische Mittel, wie beispielsweise ein optisches spektroskopisches Gerät, und andere Mittel, z. B. eine Absorptions-spektroskopische Vorrichtung oder Mittel zum Detektieren von Fluoreszenz, chemische Indikatoren, die die Farbe oder andere Eigenschaften ändern, wenn sie den gewünschten Analytenteilchen ausgesetzt werden, immunologische Mittel, elektrische Mittel, z. B. in die Vorrichtung eingesetzte Elektroden, elektrochemische Mittel oder eine mikroanalytische Technik, die auf dem Fachgebiet bekannt ist, einschließlich eines magnetischen Resonanzgerätes oder anderer Mittel, die auf dem Gebiet bekannt sind, um das Vorliegen von Analytenteilchen, wie Ionen, Molekülen, wie Polymeren, Viren, DNA-Sequenzen, Antigenen, Mikroorganismen oder andere Faktoren, zu detektieren. Vorzugsweise werden optische oder fluoreszierende Mittel verwendet; und es werden Antikörper, DNA-Sequenzen und dergleichen an fluoreszierende Marker gebunden. Indikatoren und im Mikromaßstab hergestellte Mischmittel wie auch Detektions- und Sensormittel sind in der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 08/625,808 beschrieben.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die differenzielle Extraktionsvorrichtung, die oben beschrieben wird, in ein analytisches System integriert, das Mittel zur weiteren Verarbeitung des Produkt- und/oder Nebenproduktstroms umfasst, z. B. Mischvorrichtungen auf Diffusionsbasis, zum Vermischen des Produktstroms mit einer Indikatorsubstanz (z. B. wie in der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 08/625,808 beschrieben) und Detektionskammern, in denen das Vorliegen gewünschter Analytenteilchen detektiert werden kann. Diese zusätzlichen Bearbeitungsmittel werden vorzugsweise mit der Differenzialextraktionsvorrichtung in einen "Lab-on-a-Chip", der auf einem Standard-Siliziumwafer hergestellt wurde, eingearbeitet. Das System kann Quantifizierungsmittel zur Bestimmung der Konzentration der Analytenteilchen (gewünschter oder unerwünschter Teilchen) im Produkt- und/oder Nebenproduktstrom und/oder zur Bestimmung der Konzentration der Analytenteilchen im Probenstrom umfassen. Solche Mittel umfassen eine spektroskopische Ausrüstung, ein potentiometrisches, amperometrisches und dielektrisches Relaxationsgerät. Konzentrationsbestimmungen können durch Berechnung oder Kalibrierung durch Mittel, die auf dem Fachgebiet bekannt sind und hier beschrieben werden, durchgeführt werden.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Reinigung von Fluiden eingesetzt wird, z. B. zur Abwasserbehandlung, Hämodialyse, Blutentgiftung, können große Volumina, z. B. etwa 10 ml/s Probenstrom, behandelt werden. In dieser Ausführungsform ist die Breite des Extraktionskanals vorzugsweise groß, z. B. bis zu 1 m, obgleich es, wie es oben diskutiert wurde, kein festgelegtes theoretisches Maximum für die Kanalbreite gibt. Zur Behandlung großer Fluidvolumina können erfindungsgemäße Vorrichtungen, einschließlich Vorrichtungen, die im Mikromaßstab hergestellt sind, parallel und gegebenenfalls auch in Reihe verbunden werden.

Es kann vorteilhaft sein, die Vorrichtung vorzubehandeln, d. h. die Innenwände der Vorrichtung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit vorzubeschichten, wie es in den folgenden Beispielen erläutert wird. Die Wände können mit dem zu verwendenden Sequestriermaterial beschichtet werden, bevor die Vorrichtung eingesetzt wird, um eine Trennung der gewünschten Teilchen durchzuführen. Ohne eine Bindung an eine besondere Theorie eingehen zu wollen, wird angenommen, dass eine Vorbeschichtung der Wände mit dem Sequestriermaterial ein weiteres Haften von Sequestriermaterial an den Wänden verhindert, wenn die Probe und das Sequestriermaterial später in die Vorrichtung eingeführt werden. Alternativ können die Innenwände der Vorrichtung vorbeschichtet werden, um eine Oberflächenpassivierung mit hydrophilen Beschichtungsmaterialien durchzuführen, welche im Handel verfügbar sind und Albumine (z. B. Rinderserumalbumin, Lactalbumin und humanes Serumalbumin) und fachbekannte Silanisierungsreagenzien, vorzugsweise Polyethylenglykolsilane, sind aber nicht auf diese beschränkt.

Der Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass zahlreiche Substitutionen bezüglich der Komponenten und Schritte, die hierin beschrieben werden, durchgeführt werden können, und die Erfindung nicht auf spezifische Ausführungsformen, die diskutiert werden, beschränkt ist.

1 erläutert eine Mikrokanalkonfiguration, die die laminare Strömung von zwei Eingangsströmen zeigt, welche eine niedrige Reynolds-Zahl haben.

2 veranschaulicht eine Mikrokanalkonfiguration, die die Diffusion kleinerer Teilchen aus einem Probenstrom in einen Extraktionsstrom zeigt.

3 erläutert eine Mikrokanalkonfiguration, die die Bildung einer Fluidbarriere zwischen einem Probenstrom und einem Extraktionsstrom zeigt.

4 ist eine grafische Darstellung der Einlass- und Auslassgrenzflächenstromlinie im Extraktionskanal, die die Fließgeschwindigkeiten der Proben-, Extraktions-, Produkt- und Nebenproduktströme zeigt.

5 veranschaulicht eine Extraktionsvorrichtung ohne Sequestriermaterial.

6 veranschaulicht eine Ausführungsform (die H-Filter-Ausführungsform) der Extraktionsvorrichtung, die Sequestriermaterial enthält.

7, die die 7A–7D umfasst, veranschaulicht eine Diffusion in der Extraktionsvorrichtung der 5 im Verlauf der Zeit.

8, die die 8A–8D umfasst, veranschaulicht die Diffusion in der Extraktionsvorrichtung der 6 im Verlauf der Zeit.

9 zeigt die Fließrichtung bzw. Strömungsrichtung (L) und die Diffusions/Transportrichtung (Tiefe) der Vorrichtung.

10 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine Vielzahl der Extraktionsvorrichtungen parallel geschaltet sind.

11 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine Vielzahl von Extraktionsvorrichtungen in Reihe geschlossen sind.

12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer als Mikrostruktur hergestellten flachen Diffusionsextraktionsvorrichtung, bei der die Diffusionsrichtung bezüglich des "H"-Designs, das in den 1 bis 3, 5 und 6 dargestellt ist, um 90° gedreht ist.

13 zeigt eine Draufsicht des als Mikrostruktur hergestellten flachen Diffusionsextraktionssystems von 12.

14 ist ein Diagramm, das die Harnstofffraktion, die nach Behandlung zurückbleibt, gegen die Zeit als Funktion verschiedener Anzahlen flacher Filter, die parallel miteinander verbunden sind.

15 ist ein Diagramm, das die Harnstofffraktion, die nach Behandlung zurückbleibt, gegen die Zeit als Funktion des Blutvolumens in Liter zeigt.

16 ist ein Diagramm, das die Harnstofffraktion, die nach Behandlung zurückbleibt, gegen die Zeit als Funktion der Extraktionseffizienz zeigt.

Eine Diffusion kleiner Moleküle erfolgt schnell für typische als Mikrostruktur hergestellte Dimensionen. Die Beziehung zwischen der Größe eines Teilchens, r, dem Diffusionskoeffizienten, D, und der Temperatur, T, wurde von Einstein entdeckt, und im einfachsten Fall sphärischer Teilchen kann diese wie folgt geschrieben werden:

Die charakteristische Entfernung l, die ein Teilchen mit einem Diffusionskoeffizienten D in der Zeit t diffundieren wird, ist: l = √Dt.

Tabelle 2 gibt einige typische Diffusionskoeffizienten und charakteristische Zeiten an.

Wie in 1 gezeigt ist, sind in Mikrokanälen ausreichend kleine Abmessungen Trägheitseffekte vernachlässigbar, so dass ein Probenstrom 2, der in den Probenstromeinlass 1 eintritt, aus einem Probenstromkanal 3 in einen Extraktionskanal 7 fließen kann, ohne sich mit einem Extraktionsstrom 4, der an einem Extraktionsstromeinlass 5 eintritt und aus einem Extraktionsstromeinlasskanal 6 in den Extraktionskanal 7 fließt, zu vermischen. Die zwei Ströme im Extraktionskanal 7 bilden einen laminaren Probenstrom 8 und einen laminaren Extraktionsstrom 9.

In 2 zeigen die Pfeile an der oberen linken Seite die Fließrichtung im Probenstromkanal 3 des Probenstroms 2 an, der in den Probenstromeinlass 1 eintritt; und die Pfeile links unten zeigen die Fließrichtung in den Extraktionsstromeinlasskanal 6 des Extraktionsstroms 4 an, der in den Extraktionsstromeinlass 5 eintritt. Probenstrom 2 enthält größere ("unerwünschte") Teilchen 17 und kleinere ("erwünschte") Teilchen 18 (durch Schraffierung gezeigt). Der Probenstrom 2 und der Extraktionsstrom 4 kommen in laminerer Strömung im Extraktionskanal 7 zusammen, um einen laminaren Probenstrom 8 und einen laminaren Extraktionsstrom 9 zu bilden und die kleineren erwünschten Teilchen 18 beginnen aus dem laminaren Probenstrom 8 in den laminaren Extraktionsstrom 9 zu diffundieren, wobei sie den laminaren Produktstrom 16 bilden, der kleinere erwünschte Partikel 18 diffundiert enthält. Der laminare Probenstrom 8 folgt in den Nebenproduktauslasskanal 10 unter Bildung eines Nebenproduktstroms 12 und verlässt den Kanal durch den Nebenproduktauslass 15.

Der laminare Extraktionsstrom 9 nimmt kleinere erwünschte Teilchen 18 auf, die aus dem laminaren Probenstrom 8 diffundiert sind, und wird der laminare Produktstrom 16, der im Produktauslasskanal 11 Produktstrom 13 wird und den Kanal durch den Produktauslass 14 verlässt.

In 3 zeigt die Richtung des Pfeils oben links die Fließrichtung im Probenstromkanal 3 des Probenstroms 2 an, der durch den Probenstromeinlass 1 eintritt. Die Richtung des Pfeils oben links zeigt die Fließrichtung im Extraktionsstromeinlasskanal 6 des Extraktionsstroms 4 an, der durch den Extraktionsstromeinlass 5 eintritt. Der Extraktionsstrom 4 wird durch Kreuzschraffierung gekennzeichnet. Der obere Pfeil im Extraktionskanal 7 zeigt die Fließrichtung des laminaren Probenstroms 8 an und der untere Pfeil im Extraktionskanal 7 zeigt die Fließrichtung des laminaren Extraktionsstroms 9 an. Wenn das Volumen des Extraktionsstroms 4 größer als die Menge ist, die durch den Produktauslasskanal 11 und den Produktauslass 14 austreten kann, tritt ein Teil des laminaren Extraktionsstroms 9 durch den Nebenproduktauslasskanal 10 und den Nebenproduktauslass 15 als überschüssiger Extraktionsstrom 22 aus. Dieser überschüssige Extraktionsstrom 22 befindet sich in laminarer Strömung im Extraktionskanal 7 und bildet eine Fluidbarriere 20. Kleinere gewünschte Teilchen 18 (in 3 nicht gezeigt; siehe 2) im Probenstrom 2 diffundieren aus dem laminaren Probenstrom 8 durch die Fluidbarriere 20 in den laminaren Extraktionsstrom 9, um einen Produktstrom 16 zu bilden (in 3 nicht gezeigt; siehe 2).

Eine einfache Berechnung zeigt, dass wenige Partikel oder Moleküle mit kleineren Diffusionskoeffizienten als D = wfb2V/L im austretenden Produktstrom gefunden werden, worin wfb die Breite der Fluidbarriere ist, V die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit des laminaren Probenstroms ist und L die Länge des Extraktionskanals ist. Teilchen oder Moleküle mit Diffusionskoeffizienten, die größer als D = w2V/L sind, worin w die Breite der Extraktionskanals ist, werden im austretenden Produktstrom in derselben Konzentration wie im Nebenproduktstrom vorliegen.

Mittel zum Injizieren von Beschickungsflüssigkeit in die Vorrichtung werden bereitgestellt, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung als Teil eines analytischen Systems verwendet wird. Solche Mittel umfassen Standardspritzen (fixierte Volumina pro Zeiteinheit) und Schläuche (fixierter Druck). Mittel zur Entfernung von Fluid aus dem Produktausgang können bereitgestellt werden, einschließlich Sammelbehälter für das Fluid, die eine Strömung durch Kapillaranziehung, Druck, Schwerkraft und andere fachbekannte Mittel, wie sie oben beschrieben sind, induzieren. Solche Sammelbehälter können Teil einer analytischen oder anderen Vorrichtung für eine weitere Verarbeitung des Produktstroms sein.

4 zeigt den Extraktionskanal 7 mit laminarem Extraktionsstrom 9, der sich mit einer Geschwindigkeit V_es bewegt, und laminarem Probenstrom 8, der sich mit der Geschwindigkeit V_ss bewegt und der eine Stromhöhe (Diffusionsrichtungskoordinate) Z_s hat, die die Grenzflächenstromlinienlage (gestrichelte Linie) zwischen dem laminaren Probenstrom 8 und dem laminaren Extraktionsstrom 9 in der Nähe des Eingangs des Extraktionskanals 7 definiert. Die kombinierte Höhe beider Ströme und somit die Tiefe des Extraktionskanals 7 ist als d gezeigt. Die gekrümmte Linie zeigt die Form des Geschwindigkeitsprofils an. Wenn sich die Ströme entlang der Länge des Extraktionskanals 7 bewegen, wird der laminare Probenstrom 8 Nebenproduktstrom 12, der sich mit einer Geschwindigkeit V_bps bewegt und eine Stromhöhe (Diffusionsrichtungskoordinate) Z_p hat, die die Grenzflächenstromlinienlage (gepunktete Linie) zwischen dem Nebenproduktstrom 12 und dem Produktstrom 13 definiert. Der laminare Extraktionsstrom 9 wird Produktstrom 13, der sich mit einer Geschwindigkeit V_ps bewegt.

Verschiedene Schritte, die üblicherweise im chemischen Assay eines Fluidgemisches durchgeführt werden, sind: (1) genaue Mischungsverdünnung; (2) Extraktion eines spezifischen Bestandteils; (3) genaues Mischen von Indikatorreagenzien oder Testsonden (z. B. fluoreszierend markierte Polymerperlen); und (4) nicht-invasive Detektion des Indikators oder der Sonde (z. B. Extinktions- oder Fluoreszenz-Spektroskopie).

5 veranschaulicht eine Extraktionsvorrichtung ohne Sequestriermaterial. Ein Probenstrom 5, der kleinere, gewünschte Partikel 18 und größere, unerwünschte Teilchen 17 enthält, wird über den Probenstromeinlass 1 eingeführt injiziert. Ein Extraktionsstrom 4, z. B. eine wässrige gepufferte Lösung, wird über den Extraktionsstromeinlass 5 eingeführt/injiziert. Die zwei Ströme fließen in laminarer Art durch den Extraktionskanal 7, während dieser Zeit diffundieren kleinere Teilchen 18 aus dem Probenstrom durch den Extraktionskanal in den Extraktionsstrom 4, und zwar als Resultat eines Konzentrationsgradienten. Es können auch andere Gradienten verwendet werden, z. B. magnetische, elektrische und Zentrifugalkraft. Der Produktstrom 13, der mindestens einige kleinere Teilchen 18 enthält, tritt aus dem Produktauslass 14 aus. Der Nebenproduktstrom 12, der größere Teilchen 17 und kleinere Teilchen 18, beide aus dem Probenstrom, enthält, tritt durch den Nebenproduktauslass 15 aus. Wenn gleiche Fließgeschwindigkeiten und Volumina des Probenstroms und Extraktionsstroms verwendet werden und wenn der Extraktionskanal lang genug ist, damit ein vollständiges Gleichgewicht auftreten kann, dann werden höchstens 50% der kleinen Teilchen im Probenstrom in den Extraktionsstrom diffundiert sein und den Produktauslass verlassen. Mit Vorrichtungen, die kein Sequestriermaterial enthalten, kann eine Diffusion von kleinen Teilchen in den Extraktionsstrom erhöht werden, indem kleinere Mengen (geringere Fließrate) des Probenstroms als des Extraktionsstrom injiziert werden. Allerdings ist die Zunahme der Diffusion proportional zum Verhältnis des Extraktionsstromvolumens/Fließgeschwindigkeit der Probe. Daher wird der erhöhten Effizienz bei der Diffusion als Resultat der Erhöhung des Verhältnisses des Extraktionsstromvolumens/Fließgeschwindigkeit zu dem der Probe durch die verringerte Probenmenge (oder Fließgeschwindigkeit davon), die jedes Mal injiziert werden kann, entgegengewirkt.

Ein Konzentrationsprofil der kleineren gewünschten Teilchen 18, die in die Vorrichtung von 5 diffundieren, ist in 7 dargestellt, wo der Teilchentransport durch Diffusion erfolgt. Die gekrümmte Linie 23 zeigt die Konzentration gegen die Position diffundierender Teilchen. Die Zeit schreitet von 7A zu 7B zu 7C fort und in der Darstellung 7D ist ein Gleichgewicht eingetreten. In 7D liegt eine gleiche Konzentration an kleinen Teilchen in beiden Strömen (links und rechts) vor. Die Konzentration in jedem Strom (an beiden Seiten, links und rechts) ist 50% der Konzentration im Ausgangsprobenstrom.

Mit einer Vorrichtung, die kein Sequestriermaterial enthält, würde der Produktstrom mehrmals durch eine solche Vorrichtung laufen gelassen, um eine mehr als 50%ige Entfernung von gewünschten Teilchen aus dem Probenstrom zu erreichen. Beispielsweise würde eine Probe fünfmal durch eine solche Vorrichtung laufen gelassen, um etwa 97% der gewünschten kleinen Teilchen zu extrahieren, wobei angenommen wird, dass eine vollständige Equilibrierung bei jedem Lauf erreicht wurde.

Die vorliegende Erfindung stellt eine erhöhte Extraktionseffizienz bereit, indem im Extraktionskanal ein Sequestriermaterial verwendet wird. Das Sequestriermaterial verringert die effektive Konzentration des gewünschten Teilchens im Extraktionsstrom, wodurch eine schnellere und vollständige Diffusion der gewünschten Teilchen in den Extraktionsstrom erlaubt wird.

6 stellt eine Ausführungsform unter Verwendung der vorliegenden Erfindung dar. Ein Probenstrom, der kleinere gewünschte Teilchen 18, die durch dunkle, schraffierte Bereich dargestellt sind, und größere unerwünschte Teilchen 17, die durch weiße Kreise dargestellt sind, enthält, wird über den Probenstromeinlass 1 eingeführt/injiziert. Ein Extraktionsstrom 4, der Sequestriermaterial 19 enthält, wird über den Extraktionsstromeinlass 5 eingeführt/injiziert. Die zwei Ströme fließen in laminarer Art durch den Extraktionskanal 7, wobei während dieser Zeit kleinere erwünschte Teilchen 18 (dargestellt durch schraffierte Bereiche) aus dem Probenstrom quer durch den Extraktionskanal in den Extraktionsstrom 4 diffundieren, und zwar als Resultat eines Konzentrationsgradienten, und an das Sequestriermaterial binden, einen Komplex 21 aus Sequestriermaterial, das an gewünschte Teilchen gebunden ist, bilden. Zusätzlich können andere Gradienten verwendet werden, z. B. magnetische, elektrische und Zentrifugalkraft. Produktstrom 13, der mindestens einige kleinere gewünschte Teilchen 18 enthält, von denen einige an das Sequestriermaterial gebunden sind, wodurch Komplexe 21 gebildet werden, treten aus dem Produktauslass 14 aus. Nebenproduktstrom 12, der größere Teilchen 17 und möglicherweise einige kleinere Teilchen 18, beide aus dem Probenstrom, enthält, tritt durch den Nebenproduktauslass 15 aus.

Die Bindungskonstante und die Menge des Sequestriermaterials im Extraktionsstrom bestimmen die Konzentration an freien gewünschten Teilchen im Extraktionsstrom. Eine Diffusion von gewünschten Teilchen aus dem Probenstrom ist proportional zum Konzentrationsgradienten. Ein Sequestriermaterial mit einer hohen Bindungskonstante für das gewünschte Teilchen liefert eine effektive Konzentration (oder Aktivität), die im wesentlichen gleich 0 ist, wenn die Bindungsstellen des Sequestriermaterials im Vergleich zu den gewünschten Teilchen im Überschuss sind. Auf diese Weise diffundieren die gewünschten Teilchen weiter in den Extraktionsstrom, bis das Sequestriermaterial gesättigt ist. Nur nach Sättigung des Sequestriermaterials beginnt die freie Konzentration der gewünschten Teilchen in den zwei Strömen zu equilibrieren. Wenn ein Überschuss an Bindungsstellen des Sequestriermaterials verwendet wird (verglichen mit der Menge an gewünschten Teilchen in der Probe), dann werden im wesentlichen alle gewünschten Teilchen aus der Probe in den Extraktionsstrom extrahiert.

Sowohl die Menge des Sequestriermaterials als auch die Bindungskonstante des Sequestriermaterials für die gewünschten Teilchen beeinflussen die Effizienz der Extraktion. Je höher die Bindungskonstante ist, desto effizient wird die Extraktion sein. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, dass die Bindung reversibel ist, z. B. in Fällen, in denen es nach Extraktion der gewünschten Teilchen wünschenswert ist, diese in Abwesenheit des Sequestriermaterials zu analysieren. Vorzugsweise ist die Bindungskonstante des Sequestriermaterials mindestens 10^–1 M oder 10^–2, welches im Bindungsbereich der Bindungskonstanten für Sequestriermaterial mit nicht-spezifischer Bindung, z. B. Aktivkohle, liegt. Für Sequestriermaterial, das für einen besonderen Teilchentyp spezifisch ist, können Bindungskonstanten von etwa 10^–6 M bis etwa 10^–8 M vorteilhaft sein; viele Antikörper binden Antigene mit Bindungskonstanten in diesem Bereich. Eine im wesentlichen irreversible Bindung tritt bei Bindungskonstanten im Bereich von 10^–14 M bis 10¹⁵ M auf, wobei der letztgenannte Wert die Bindungskonstante von Biotin an Avidin ist. Der Fachmann auf diesem Gebiet erkennt, dass selbst eine "irreversible" Bindung umgekehrt werden kann, indem z. B. die Temperatur, der pH und der Lösungsmitteltyp des Reaktionssystems verändert werden. Eine derartige Bindungsumkehr (Dissoziation) ist nach Extraktion der gewünschten Teilchen in Fällen vorteilhaft, in denen man die gewünschten Teilchen in Abwesenheit des Sequestriermaterials analysieren möchte.

Eine Konzentrationsprofil der kleineren gewünschten Teilchen 18, die in die Vorrichtung der 6 diffundieren, ist in 8 dargestellt. Die gekrümmte Linie 23 zeigt die Konzentration gegen die Position der diffundierenden Teilchen. Die Zeit schreitet von 8A nach 8B, nach 8C, nach 8D fort. In 8A sind die gewünschten Teilchen 18 im Probenstrom an der rechten Seite der Vorrichtung, und das Sequestriermaterial 19 ist im Extraktionsstrom an der linken Seite der Vorrichtung. 8B zeigt, dass einige der gewünschten Teilchen 18 durch den Kanal diffundiert sind und an das Sequestriermaterial 19 gebunden haben, wobei Komplex 21 gebildet wird. 8C zeigt, dass mehrere der gewünschten Teilchen 18 durch den Kanal diffundiert sind und an das Sequestriermaterial 19 gebunden haben, wobei mehrere den Komplex 21 bilden. 8D zeigt, dass mehrere der gewünschten Teilchen 18 durch den Kanal diffundiert sind und an das Sequestriermaterial 19 gebunden haben, wodurch mehrere Komplexe 21 gebildet werden. Die freie Konzentration an gewünschten Teilchen 18 im Extraktionsstrom (linke Seite) wird extrem niedrig gehalten, tatsächlich Null in dem Fall, in dem eine feste Bindung zwischen dem Sequestriermaterial und den gewünschten Teilchen 18 auftritt. Mit einem Überschuss an Sequestriermaterial und einer hohen Bindungskonstante können im wesentlichen alle gewünschten Teilchen 18 aus der Proben in den Extraktionsstrom extrahiert werden.

Die Abmessungen der Vorrichtung sind so gewählt, dass die laminare Strömung im Extraktionskanal aufrechterhalten wird. Wie oben angegeben wurde, wird in 9 die Strömungsrichtung eines Kanals seine Länge (L) genannt. Die Länge kann zwischen etwa 1 Zentimeter (cm) und etwa 5 Zentimetern liegen. Die Kanalabmessung in Richtung des Teilchentransports (Diffusion durch den Extraktionskanal) im rechten Winkel zur Länge (L) wird seine Tiefe (d) genannt. Die Tiefe ist vorzugsweise weniger als etwa 100 &mgr;m und bevorzugter etwa 20 &mgr;m bis etwa 50 &mgr;m. Die dritte Kanalabmessung im rechten Winkel sowohl zur Länge als auch zur Tiefe wird als seine Breite (w) bezeichnet. In 9 ist die Breiteabmessung nicht gezeigt, da sie orthogonal zur Ebene des Papiers ist. Die Breite kann bis zu etwa 1 m oder größer sein, einschließlich Breiten von 500 &mgr;m, 1 mm, 5 cm und 1/2 m. Die Breite ist groß genug, um einen Durchgang von Teilchen in den Strömen, einschließlich des Sequestriermaterials, zu erlauben. Eine große Breite ermöglicht, dass große Volumina in der Vorrichtung verarbeitet werden. Die Breite kann ziemlich groß sein, z. B. 1 m oder größer, so lange die Diffusionsrichtung (Tiefe) klein genug ist, um eine laminare Strömung aufrechtzuerhalten, und die Länge lang genug ist, dass eine effektive Diffusion auftreten kann.

Große Probenvolumina können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine von mindestens zwei Konfigurationen bearbeitet werden. Die erste, die oben genannt wurde, besteht in der Verwendung einer großen Breite in der Vorrichtung, so dass die Vorrichtung ein großes Volumen an Fluid hält. Zweitens, eine Vielzahl von, d. h. 2 oder mehr, Vorrichtungen können parallel miteinander verbunden sein, so dass ein Teil der Probe gleichzeitig in jeder Vorrichtung bearbeitet wird. 10 erläutert eine Konfiguration mit mehreren Extraktionsvorrichtungen, die parallelgeschaltet sind, wobei der Probenstromeinlass 1 jeder Vorrichtung in Fluidverbindung über einen Proben-Konnektor 27 mit einer Probenverteilerleitung 26 steht und der Extraktionsstromeinlass 5 jeder Vorrichtung in Fluidverbindung über einen Extraktionskonnektor 26 mit einer Extraktionsverteilerleitung 25 steht. Ein Nebenproduktstrom 27 tritt über die Nebenproduktauslassleitung 28 aus und der Produktstrom tritt über die Produktauslassleitung 29 aus. Alle Nebenproduktauslassleitungen 28 können verbunden werden und fließen in ein Reservoir. Alle Produktauslassleitungen 29 können verbunden werden und fließen in eines anderes einzelnes Reservoir. In 10 sind die Vorrichtungen mit einer Breite dargestellt, die viel größer ist als die Tiefe und die Länge. Diese relativ große Breite ist optional und kann zusätzlich zu Parallelschaltung verschiedener Vorrichtungen oder anstelle dieser verwendet werden, um das Probenvolumen, das pro Zeiteinheit verarbeitet wird, zu erhöhen.

Eine Vielzahl von Vorrichtungen können in Reihe geschaltet werden, um die Teilchentrennung zu verbessern, d. h. der Produktstrom, der austritt, ist in Fluidverbindung mit dem Probenstromeinlass einer anderen Vorrichtung, wie dies in 11 gezeigt ist. In 11 ist jede Extraktionsvorrichtung mit 100 markiert. Der Nebenproduktstrom 12 tritt aus jeder Vorrichtung aus und der Produktstrom 13 wird für die nächste Vorrichtung in der Reihe der Probenstrom.

12 zeigt eine perspektivische Ansicht und 13 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, einer "flachen Extraktionsvorrichtung", in der die Diffusionsrichtung im Extraktionskanal 7 bezüglich der in den 1 bis 3, 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen um 90° gedreht ist. Diese Ausführungsform liefert den Vorteil, dass das Materialvolumen, das verarbeitet werden kann, nicht länger durch die Breite des Extraktionskanals limitiert wird.

Die flache Extraktionsvorrichtung der 12 und 13 wird durch Ätzen eines Siliziumsubstrats 34 unter Bereitstellung einer Probenstromeinlassrille 35, einer Extraktionsstromeinlassrille 36, einer Produktstromausgangsrille 37 und einer Produktstromausgangsrille 38 wie auch eines Extraktionskanals 7 hergestellt. Eine Glasbedeckung 33 dient dazu, den Extraktionskanal 7 einzuschließen. In 12 zeigen die Pfeile, die nach unten in den Probenstromeinlass 1 gerichtet sind, die Strömung des Probenstroms 1 an. Entsprechend zeigen die Pfeile, die in den Extraktionsstromeinlass 5 nach unten gerichtet sind, den Fluss des Extraktionsstroms 4 an. Die Pfeile aus dem Produktauslass 14 zeigen das Fließen des Produktstroms 16 an und die Pfeile, die aus dem Nebenproduktauslass 15 kommen, zeigen das Fließen des Nebenproduktstroms 12 an. Die Länge des Extraktionskanals 7 ist als L dargestellt, und die Breite der Kanäle wird durch den dunklen Pfeil aus w angegeben. Die Tiefe des Extraktionskanals 7 ist als d angegeben. Ein Kupplungsverteiler 32, der in 13 dargestellt ist, mit Öffnungen, die sich in die Tiefe der Probenstromeinlassrille 35 unter Bildung des Probenstromkanals 3 und des Probenstromeinlasses 1 erstrecken, erstreckt sich in die Tiefe der Extraktionsstromeinlassrille 36 unter Bildung eines Extraktionsstromkanals 6 und eines Extraktionsstromeinlasses 5, erstreckt sich in die Tiefe der Produktstromausgangsrille 37 unter Bildung eines Produktauslasskanals 11 und eines Produktauslasses 14 und erstreckt sich in die Tiefe der Nebenproduktstromausgangsrille 38 unter Bildung eines Nebenproduktauslasskanals 10 und eines Nebenproduktausgangs 15.

In der in 13 gezeigten flachen Extraktionsvorrichtung, die durch Diffusion (Konzentrationsgradient) arbeitet, tritt ein Probenstrom 2, der durch den Pfeil gezeigt ist, oben links in den Probenstromeinlass 1 ein und fließt im Probenstromkanal 3. Ein Extraktionsstrom 4 wird durch einen Pfeil angezeigt, der am Extraktionsstromeinlass 5 eintritt und im Extraktionsstromeinlasskanal 6 fließt. Probenstrom 2 fließt als laminarer Probenstrom 2 im Extraktionskanal 7 unterhalb des laminaren Extraktionsstroms 9. Der laminare Probenstrom 8 steht über eine Länge L in Kontakt mit dem laminaren Extraktionsstrom 9. Kleinere ("erwünschte") Teilchen 18 aus dem laminaren Probenstrom 8, der durch Punkte im laminaren Extraktionsstrom 9 eingegeben ist, fließt als Produktstrom 13 in den Produktauslasskanal 11, welcher am Produktauslass 14 austritt, wie es durch die nach oben gerichteten Pfeile dargestellt ist. Der Nebenproduktstrom 12 ist die Fortsetzung des laminaren Probenstroms 8 nach dem Produktstrom 13. Der Nebenproduktstrom 12 enthält sowohl die größeren ("unerwünschten") Teilchen wie auch einen Teil der kleineren ("erwünschten") Teilchen, die nicht in den Produktstrom 13 diffundiert sind. Der Nebenproduktstrom 12 fließt durch den Nebenproduktauslasskanal 10 über den Produktauslass 15 aus.

Wie oben angegeben wurde, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Hämodialyse eingesetzt werden. Die folgende Diskussion zeigt Betrachtungen, die durchgeführt werden müssen, wenn Vorrichtungen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geplant werden und liefert ein Beispiel zur Entfernung von Harnstoff aus Blut sowie verschiedene Details eines solchen Verfahrens.

Wenn die Extraktionsvorrichtung (entweder H-Filter- oder Flachfilter-Ausführungsform) als Blutdialysator verwendet wird, wird Blut der Vorrichtung über einen Shunt zugeführt. Die Fließgeschwindigkeit innerhalb der Vorrichtung, F_F, wird durch die Diffusionsrate (die durch Verwendung eines Sequestriermaterials verstärkt ist) der gewünschten interessierenden Teilchen wie auch die Geometrie der Vorrichtung selbst bestimmt. Die Extraktionseffizienz der Vorrichtung hängt zum Teil von der Zeit ab, die die Teilchen zum Diffundieren haben, was das Maximum der Gesamtvorrichtungsfließgeschwindigkeit bestimmt.

Der Diffusionskoeffizient von Harnstoff ist 11,8 × 10^–6 cm²/s. Erstens, es wird die Situation betrachtet, in der eine Diffusion nicht Absorptions-verstärkt ist, d. h. es kein Sequestriermaterial verwendet. Die folgenden Variablen, die in diesem Beispiel verwendet werden, zusammen mit den Annahmen sind:

M_u: Gesamtmasse an Harnstoff im Körper. Bildung und Sekretion werden in dieser Anmeldung nicht mathematisch betrachtet, allerdings werden ihre Beeinflussungen diskutiert. Es wird angenommen, dass dieser Wert bekannt ist (er ist bei Dialysepatienten leicht messbar).

V_B: Gesamtblutvolumen (einschließlich des Volumens im Shunt in einem beliebigen Moment). Dieser Wert ist typischerweise 5–6 l für Erwachsene und 2–3 l für Kinder.

E: Extinktionseffizienz der Vorrichtung. Ohne Sequestriermaterial ist dieser 0,5, da die Endauslassströme im Gleichgewicht sind. Die Vorrichtung ist so konzipiert, dass sie eine Equilibrierung erlaubt (d. h. eine ausreichend niedrige Fließgeschwindigkeit, so dass die Kontaktzeit für die gegebene Geometrie ausreichend hoch ist).

Wir sind dann daran interessiert, wie M_u mit der Zeit variiert. Der Wert für M_u ist schwerer zu bestimmen, da, obgleich wir wissen, dass ein Durchgang durch die Vorrichtung die Hälfte des auftretenden Harnstoffs entfernt, die Gesamtmenge im Körper ist konstant abnehmend. Aus dieser Feststellung oder aus der Tatsache, dass wir uns auf das zweite Diffusionsgesetz von Fick stützen, erwarten wir, dass die Lösung ein exponentieller Abfall ist. Eine endgültige, wesentliche Annahme ist die, dass das Blut, das in den Körper zurückkehrt, mit dem Rest des Bluts gut vermischt wird. Aufgrund der kraftvollen Wirkung des Herzens ist dies eine gültige Annahme.

Die allgemeine Gleichung für M_u ist: M_U = M_U(o)e^–kt

Die Ableitung mit der Zeit führt zu:

Bei Betrachtung dieser Ableitung zur Zeit = 0:

Wie es bei diesem Problemtyp typisch ist, ist k das Verhältnis zwischen der Anfangsmasse und der Anfangswirkgeschwindigkeit. Da die Anfangsmasse bekannt ist, kann k durch Finden eines Ausdrucks für die Anfangsrate bzw. Geschwindigkeit bestimmt werden. Die Fließgeschwindigkeit in der Vorrichtung, F_F', stellt die Rate dar, bei der Volumen aus dem Körper in der Vorrichtung behandelt wird. Multiplizieren mit der Anfangsharnstoffkonzentration liefert die anfängliche Behandlungsrate (anfängliche Extraktionsrate von gewünschten Teilchen) in korrekten Einheiten (Masse/Zeit). Unter Berücksichtigung der Extraktionseffizienz und der Tatsache, dass diese Rate ein negatives Vorzeichen haben muss, da sie eine Entfernung darstellt, kann die anfängliche Rate wie folgt geschrieben werden:

Und ein Wiedereinsetzen in die Massengleichung führt zu:

Eine Zunahme im Koeffizienten von t bedeutet eine schnelle Abnahme, was eine schnellere Entfernung aus dem System beinhaltet. Eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit in der Vorrichtung, F_F, beschleunigt die Entfernung von Harnstoff, da das Blut schneller behandelt werden kann. Eine Erhöhung der Extraktionseffizienz beschleunigt ebenfalls die Entfernung von Harnstoff, da dasselbe Volumen, das durch die Vorrichtung geht, gründlicher gereinigt wird, d. h. mehr Harnstoff extrahiert wird. Diese beiden Vorhersagen stehen mit der Gleichung in Übereinstimmung. Eine Zunahme des Gesamtblutvolumens verlangsamt die Entfernung, da der Harnstoff stärker verdünnt würde und mehr Volumen behandelt werden müsste, um dieselbe Entfernung zu erreichen. Diese Voraussage steht ebenfalls mit der Gleichung in Übereinstimmung.

Bei Betrachtung des obigen Beispiels, in dem kein Sequestriermaterial verwendet wird, stellt die Gleichgewichtsbedingung spezifischerweise für Harnstoff einige Begrenzungen bei der Entwicklung auf. Vorzugsweise ist die Diffusionsabmessung der Vorrichtung, d, möglichst klein. Dies dient dazu, die Diffusionszeiten zu reduzieren und die Obergrenze der Fließgeschwindigkeit zu erhöhen. Diese Abmessung kann allerdings durch das mögliche Verstopfen des Kanals durch Erythrozyten (die einen Durchmesser von etwa mögliche Verstopfen des Kanals durch Erythrozyten (die einen Durchmesser von etwa 8 &mgr;m haben) begrenzt werden; sie beträgt im allgemeinen mindestens etwa 100 &mgr;m in Fällen, in denen die Probe Vollblut ist. Die durchschnittliche Distanz, die ein diffundierendes Molekül zum Gleichgewicht wandern muss, ist die Hälfte dieses Wertes oder 50 &mgr;m. Bei Betrachtung der Gleichung für die Brown'sche Bewegung gilt:

Die Fließgeschwindigkeit ist das Produkt der Durchschnittsgeschwindigkeit und der Querschnittsfläche. Da die Zeitmenge, die das Blut benötigt, um mit dem Extraktionsstrom in Kontakt zu treten, zu bestimmen ist, wird nur die Hälfte des Kanals, in den Blut eingeführt wird, betrachtet. Eine fundamentale Differenz zwischen der H-Filter-Ausführungsform und der Flachfilter-Ausführungsform ist die Breiteabmessung w. Im H-Filter ist die Breite vorzugsweise 50 &mgr;m, wenn das Substrat Silizium ist. Im Flachfilter bzw. im flachen Filter, wie er oben diskutiert wurde, ist die Breite theoretisch ohne Grenze und es wird eine Breite von etwa 1 m in Betracht gezogen.

Die Kontaktzeit, die für eine Hämodialyse ohne Sequestriermaterial notwendig ist, wie auch die Anzahl der Vorrichtungen, die in Parallelschaltung benötigt werden, um die notwendige Kontaktzeit zu verringern, werden sowohl in der H-Filter-Ausführungsform als auch in der Flachfilter-Ausführungsform nachfolgend verglichen. Dann werden die Effekte verschiedener Extraktionseffizienzien zum Vergleich bereitgestellt.

In einer H-Filter-Ausführungsform, worin w = 50 &mgr;m ist, ist die Fließgeschwindigkeit:

Eine Umwandlung in Standardeinheiten führt zu einer Fließgeschwindigkeit von 2,358 × 10^–5 ml/s. Dieser Wert kann die obige Massenentfernungsgleichung eingesetzt werden. Eine geringe Umgruppierung der Gleichung ist nützlich:

Die linke Seite stellt nun die zurückbleibende Fraktion dar (FR, Strommasse dividiert durch die anfängliche Masse). Eine Zielfraktion kann ausgewählt werden und die notwendige Kontaktzeit errechnet werden. Im allgemeinen ist das Ziel für einen derartigen exponentiellen Prozess eine 99%ige Vollendung, was 0,01 FR entspricht. Unter Verwendung des obigen Wertes von F_F und E = 0,5 und V_B = 5 L für einen typischen Erwachsenen, beträgt die Zeit 1,953 × 10⁹ Sekunden oder 61,9 Jahre. Alternativ kann eine Zielzeit von 4 Stunden (Schätzung, basierend auf einer typischen Hämodialysesitzungslänge) gewählt werden, und der notwendige F_F kann errechnet werden. Mehrere H-Filter können parallel geschaltet werden. Eine Teilung durch unsere Einzelvorrichtungsfließgeschwindigkeit bestimmt die Anzahl der erforderlichen H-Filter. Eine Kontaktzeit von 4 Stunden erfordert einen F_F-Wert von 3,198 ml/s. Eine Teilung durch unsere Einzelvorrichtungsgeschwindigkeit von 2,358 × 10^–5 ml/s sagt voraus, dass über 130.000 H-Filter parallel benötigt werden. Dies erläutert den Vorteil der Verwendung eines Sequestriermaterials in einer H-Filter-Extraktionsvorrichtung zur Erhöhung der Extraktionseffizienz.

Zum Vergleich betrachten wir eine Flachfilterbreite von 1 m, die wirksam den H-Filter um einen Faktor von 20.000 im Maßstab vergrößert (ohne Verwendung von Sequestriermaterial). Dies erhöht die Einzelvorrichtungsfließgeschwindigkeit, F_F, auf 0,4716 ml/s oder 28,30 ml/min oder 1,7 l/h. Die 5 Liter werden als "Reihen"-Volumen betrachtet, so dass die 1,7 Liter nicht einfach durch 5 dividiert werden können, um die Behandlungszeit zu bestimmen. Wir müssen zu der Massengleichung zurückkehren und die Ziel-FR von 0,01 sehen. Unter Verwendung der Flachfilterfließgeschwindigkeit, E = 0,5, und eines Blutvolumens von 5 Litern ist die notwendige Kontaktzeit (Behandlungszeit) 97.650 Sekunden oder 27,1 Stunden. Die Verwendung von mehreren Flachfiltern in Parallelschaltung kann die notwendige Kontaktzeit senken.

Eine Zielzeit von 4 Stunden führt zu einer notwendigen Fließgeschwindigkeit von 3,198 ml/s (dieselbe wie im Fall des H-Filters). Dies sagt die Notwendigkeit für 7 Flachfilter in Parallelschaltung voraus. Alternativ kann ein einzelner Flachfilter mit einer Breite von 7 m in Betracht gezogen werden. Allerdings scheint dies unter dem Entwicklungsstandpunkt weniger vorteilhaft zu sein. Der Effekt von mehreren Flachfiltern in Parallelschaltung (ohne Sequestriermaterial) ist in 14 dargestellt. Die zurückbleibende Harnstofffraktion verringert sich, wenn die Anzahl der parallel geschalteten Flachfilter erhöht.

Das Gesamtblutvolumen, V_B, ist ein wichtiger Faktor in der Massenentfernungsgleichung. Das Volumen des Patientenbluts kann realistischerweise im Bereich von 1 l bis 6 l liegen, was den Bereich von Kleinkindern zu Kindern zu Erwachsenen angibt. Der Effekt des Gesamtblutvolumens bei Verwendung von 7 Flachfiltern in Parallelschaltung (ohne Sequestriermaterial) ist in 15 dargestellt. Die zurückbleibende Harnstofffraktion verringert sich, wenn das Gesamtblutvolumen abnimmt.

16 erläutert den Effekt einer steigenden Extraktionseffizienz, wenn 7 Flachfilter parallel verwendet werden. Die zurückbleibende Harnstofffraktion verringert sich, wenn die Extraktionseffizienz des Sequestriermaterials zunimmt.

In der Flachfilter-Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, eine Extraktionskanallänge von über 10 mm zu wählen. Eine bevorzugte Ausführungsform ist eine, in der die Länge 50 cm und die Breite 50 cm ist. Dies verleiht dem Filter eine quadratische Form, die in der Größe gängigen Hämodialysemaschinen vergleichbar ist. Darüber hinaus steigt die maximal mögliche Fließgeschwindigkeit um einen Faktor von 25, was die 0,01-Fraktionszeit von 27,1 h auf 1,1 h verringert. Die Möglichkeit der Scherung von Zellen bei hohen Fließgeschwindigkeiten muss berücksichtigt werden.

Wenn Extraktionseffizienzien von kleiner 1,0 berücksichtigt werden, ist eine üblicherweise vorgeschlagene Vorstellung, mehrere Flachfilter in Reihe statt parallel zu schalten. Es wird ein Fall betrachtet, in dem E = 0,5. Zwei Flachfilter in Parallelschaltung erhöhen E auf 0,75, da nur ein Viertel des ursprünglichen Harnstoffs zurückbleiben würde. Bei Berücksichtigung der Verringerung bei der Zeitkonstante ist dies ein Verbesserungsfaktor von 1,5. Wenn allerdings dieselben zwei Vorrichtungen parallelgeschaltet werden (jeweils mit E = 0,5), ist der Verbesserungsfaktor 2,0, da die Fließgeschwindigkeit sich verdoppelt. Somit ist es vorteilhaft, mehrere Vorrichtungen parallel anstatt in Reihe zu schalten, um die Extraktionseffizienz zu verbessern.

Es wurde eine Extraktionsvorrichtung hergestellt, indem ein Siliziumwafer unter Verwendung von fachbekannten Techniken geätzt wurde (Brody und Yager, Solid State Sensor and Actuator Workshop Hilton Head, SC 2. bis 6. Juni 1996). Die Kanallänge war etwa 100 &mgr;m, die Kanaltiefe (Diffusionsabmessung) war etwa 15 &mgr;m und die Kanalbreite war etwa 10 &mgr;m. FITC (Fluorescein-)markiertes Biotin (Sigma Chemical #B8889) (0,5 &mgr;g/ml) in destilliertem Wasser wurde in den Probenstromeinlass geleitet. Rhodamin-markiertes Avidin (Sigma Chemical #A3026) (160 &mgr;g/ml) in destilliertem Wasser wurde in den Extraktionsstromeinlass geleitet. Die Fließgeschwindigkeit durch den Extraktionskanal war etwa 100 Picoliter/Sekunde. Dem Fachmann ist bekannt, dass etwa 1 mg Avidin 10 bis 15 &mgr;g Biotin bindet. Es wurde beobachtet, dass das mit Rhodamin markierte Avidin sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die im wesentlichen kleiner als die Fließgeschwindigkeit ist, und es wurde festgestellt, dass es an den Wänden des Kanals, den Einlass- und Auslassöffnungen haftete.

Um diesem Anheften des Avidins an den Wänden entgegenzuwirken, wurde die Avidinmenge berechnet, die benötigt wird, um die Wände der Vorrichtung gleichmäßig mit Avidinmonolayer zu beschichten. Die Vorrichtung hatte ein Volumen/Oberflächen-Verhältnis von etwa 10 &mgr;m. Eine 1 mg/ml-Lösung von Avidin wurde als die Mindestmenge berechnet, die benötigt wird, um die Wände einer Vorrichtung mit einem Volumen/Oberflächenverhältnis von etwa 10 &mgr;m zu beschichten, und zwar unter der Annahme, dass das gesamte Avidin von den Wänden adsorbiert würde. (Das Innenvolumen der Vorrichtung wurde als 15 Picoliter errechnet, und dies ist das Volumen der Lösung, die benötigt wird, um die Vorrichtung zu füllen und die Wände zu beschichten). Eine Avidinlösung (0,17 mg/ml) (was 1/6 der Konzentration einer 1 mg/ml-Lösung ist) in destilliertem Wasser wurde in 6 Aliquots in die Vorrichtung eingeführt. Die mit Avidin beschichtete Front bewegte sich mit einer Rate von etwa 1/6 der durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit, was angibt, dass Avidin an den Wänden haftete.

Die Vorrichtung, deren Wände im wesentlichen vollständig und gleichmäßig mit Avidin beschichtet waren (hergestellt in Beispiel 1), wurde in Beispiel 2 verwendet. Eine Lösung (10 &mgr;l) von Streptavidin, das an 1 &mgr;m Eisenoxidteilchen (Sigma Chemical #S2415) immobilisiert war, in destilliertem Wasser wurde in den Extraktionsstromeinlass eingeführt. Eine Lösung von Biotin (Sigma Chemical #B8889) (10 ng/ml) in destilliertem Wasser wurde in den Probenstromeinlass geleitet. Mit dem bloßen Auge war deutlich, dass Biotin im Extraktionsstrom konzentriert wurde. Allerdings war die Fluoreszenz niedrig, da die Zahl der Streptavidinmoleküle, die an Eisenoxid immobilisiert waren, gering war, wodurch eine niedrige Biotinkonzentration benötigt wird, um einen stöchiometrischen Straptavidin-Überschuss aufrechtzuerhalten. Außerdem löscht Steptavidin den Fluoreszenzmarker (FITC) partiell, was Fluoreszenzmessungen schwieriger macht.

Um Fluoreszenzmessungen zu verbessern, wird die Vorrichtung mit einem Polyethylenglykolsilan vorbeladen, um eine Oberflächenpassivierung zu erreichen. Ein Streptavidin mit einem längeren Arm vor seiner Bindungsstelle für Biotin hilft ein Auslöschen von Fluorescein zu vermeiden.