Opto-kalorisches Schalten zur Sortierung fluoreszenzmarkierter Partikel in Mikrofluidiken

Mikrofluidiken gelangen vermehrt in die alltäglichen Anwendungen der medizinischen Diagnostik. Die hierzu zählenden mikrofluidischen fluoreszenz-aktivierten Zellsortierer (µFACS, engl. fluorescence activated cell sorter) durchmustern und sortieren Zellen in Suspension auf Einzelzellbasis. Anwendung finden diese z.B. in der klinischen Diagnostik, der Lebensmittelüberwachung und der biotechnologischen Forschung. Für eine breite Anwendung von µFACS fehlen bisher kompakte, robuste und kostengünstige Systeme. Der in dieser Arbeit untersuchte opto-kalorische Schalter kann durch den monolithisch aufgebauten Chip und die optischen Schnittstellen hierzu einen Beitrag leisten. Das Wirkprinzip basiert auf der lokalen optischen Erwärmung des Fluids und der damit verbundenen Expansion und Viskositätsänderung. Durch die Gestaltung des mikrofluidischen Kanalsystems und insbesondere des geheizten Kanalabschnitts bewirken diese Änderungen lokal eine Volumenstromerhöhung, welche flussabwärts an einer Y-Verzweigung den zu schaltenden Analytstrom von einem Ausgang zum anderen verschiebt.
In dieser Arbeit wird das auf diese Weise erzielte Schalten mit den in Wissenschaft und Technik etablierten Verfahren untersucht und verglichen. Eine Systematik wird erarbeitet, um den Schaltvorgang zu beschreiben und Zusammenhänge zwischen Widerstandsänderungen, den das System beschreibenden Teilvolumenströmen und der Schaltamplitude herzustellen. Zwei Wirkmechanismen, die thermische Expansion und die gesteuerte Viskosität, werden analysiert und auf ihre zeitlichen Eigenschaften beim Schaltvorgang hin untersucht.
Für die experimentelle Untersuchung des Schalters werden Methoden entwickelt, welche das Schalten und das Sortieren getrennt charakterisieren. Der Schaltvorgang wird durch die maximale Schaltamplitude und die Schaltzeiten beschrieben und in zwei Arbeitsbereiche, den laminaren und den turbulenten Schaltverlauf, eingeteilt. Der Sortierprozess wird auf Einzelereignisbasis untersucht und mit statistischen Methoden werden die Sortierrichtigkeit und Sortiersicherheit ermittelt. Für das Sortieren von Partikeln werden für Einstrahlzeiten der heizenden Laserstrahlung von 7 - 15 ms Sortiersicherheiten von größer 0,9 erreicht. Es wird abgeleitet, dass für ein optimiertes mikrofluidisches Kanalsystem sich dieser Bereich der Einstrahlzeiten auf 5 - 20 ms vergrößert und Sortierfrequenzen von bis zu 100 Hz möglich sind.