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Die Größenabhängigkeit der Gleichgewichtsgeschwindigkeit von Partikeln beim Transport in Mikrokanälen

Sommer, Christian :
Die Größenabhängigkeit der Gleichgewichtsgeschwindigkeit von Partikeln beim Transport in Mikrokanälen.
TU Darmstadt, tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Die Größenabhängigkeit der Gleichgewichtsgeschwindigkeit von Partikeln beim Transport in Mikrokanälen
Language: German
Abstract:

Durchflusszytometer sind Standardgeräte in der klinischen Diagnostik und Bioanalytik, mit denen die Konzentration von Zellpopulationen in einer Probe gemessen wird. Ihr prinzipieller Aufbau ist seit über vierzig Jahren unverändert: Die verdünnte Probe wird durch einen Laserfokus geführt, wobei sich immer nur eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt im Fokus befindet. Die Zellen, die mit einem für sie spezifischen Fluoreszenzfarbstoff markiert sind, senden dabei einen Fluoreszenzlichtblitz aus, durch den sie detektiert werden. Gleichzeitig wird das an der Zelle gestreute Laserlicht detektiert und damit werden Rückschlüsse auf die Zellgröße und morphologie gewonnen. Das neu entwickelte Konzept der räumlich modulierten Fluoreszenz für die Durchfluss¬zytometrie setzt eine Maske ein, die aus abwechselnd transparenten und opaken Bereichen unterschiedlicher Ausdehnung besteht und in den Strahlengang des Fluoreszenzlichts zwischen Zelle und Detektor platziert wird. Dadurch wird das Signal einer Zelle moduliert (an/aus), welches anschließend im Schritt der Signalauswertung mit Hilfe von Korrelations¬techniken detektiert wird. Gleichzeitig misst dieses Detektionsverfahren präzise die Geschwin¬digkeit der Zellen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde mit Hilfe der Technik der räumlich modulierten Fluoreszenz die Geschwindigkeit von starren, sphärischen Partikeln im parabolischen Strömungsprofil eines mikrofluidischen Rechteckkanals (480∙12 〖μm〗^2 ) gemessen. Die unter solchen fluidischen Bedingungen auftretende Migration der Partikel quer zur Strömungsrichtung in ihre Gleichgewichtslage (Segré-Silberberg Effekt) wurde mit Hilfe der Geschwindigkeitsmessung genauer untersucht, als es bisher möglich war. Der Vergleich mit den theoretischen Beschreibungen des Effekts zeigt, dass die Verläufe der Partikeltrajektorien die gemessenen Geschwindigkeitsverteilungen erklären können, aber die berechneten Laufstrecken zum Erreichen der Gleichgewichtslage zu kurz sind. Des Weiteren wurde die Gleichgewichtsgeschwin¬digkeit in Abhängigkeit von der Reynoldszahl und vom Partikeldurchmesser gemessen. Die Abhängigkeit der Gleichgewichtsgeschwindigkeit vom Partikeldurchmesser kann technisch zur Größenmessung der Partikel genutzt werden. Bei den fluidischen Bedingungen dieser Arbeit konnten Partikel im Größenbereiche 4,24 μm bis 6,42 μm voneinander unterschieden werden. Die Auflösung des Partikeldurchmessers nimmt mit steigender Reynoldszahl bis zu einem Wert von 50 nm zu. Auch die Größe von Zellen kann an Hand der Geschwindig¬keitsmessung bestimmt werden, was demonstriert wird. Zum Schluss der Arbeit wird ein Vergleich zwischen der klassischen Größenmessung mittels Streulicht und der Größenmessung mittels der Gleichgewichtsgeschwindigkeit angestellt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Flow cytometers belong to the standard equipment of clinical diagnostics and bioanalytics by which the concentration of cell populations in a sample is measured. The fundamental structure of cytometers has not been changed for more than forty years. The diluted sample is led through a laser focus in such a way that only one cell at a time is in the focus. The cells, which are specifically marked by a fluorescent colour, reflect a fluorescent flash by which they can be detected. At the same time the laser light scattered by its contact with the cell is measured, too. The scattered laser light permits to draw conclusions con¬cerning the size and the morphology of the cells. The newly developed concept of the spatially modulated fluorescence for the flow cytometry uses a mask of alternating transparent and opaque areas of varying size. This mask is situated in the corridor of the fluorescent light signal between the cell and the detector. Thus the signal of a cell is modulated (on/off) and is later detected by the techniques of correlation. This technique precisely measures the velocity of the cells at the same time. Within the context of this dissertation the velocity of rigid spherical particles in a parabolic fluid pattern of a microfluidic channel (480∙12 〖μm〗^2 ) is measured by the technique of spatially modulated fluorescence. The migration of the particles sideways to the flow direction into their equilibrium position (Segré-Silberberg effect), which result from such fluidic conditions, is measured by the velocity of the particles more than it has been possible before. When comparing the theoretical descriptions of this effect with the experimentally measured results of this dissertation it becomes obvious that the courses of the particle migration can explain the distribution of velocity measured, but it also has to be stated that the courses calculated to reach the equilibrium position are too short. In addition to that the dependence of the equilibrium velocity on the Reynolds number and on the particle diameter is measured in this investigation. The dependence of the equilibrium velocity on the particle diameter can technically be used to measure the size of the particles. Particles of a size from 4.24 μm to 6.42 μm can be distinguished from each other under the fluidic conditions used in this dissertation. The analysis of the particle diameter increases up to 50 nm depending on the increase of the Reynolds number. The size of the cells can also be determined by measuring the equilibrium velocity which is proved in this analysis. A comparison between the classic technique of measuring the size of cells with the help of scatter light and the newly developed technique of measuring the size of cells by equilibrium velocity is made at the end of this thesis. English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt, tuprints
Uncontrolled Keywords: Durchflusszytometrie, Lab on a Chip, Mikrofluidik, Segré-Silberberg Effekt, Inertialmigration, Mikropartikel, Räumlich Modulierte Fluoreszenz, Gleichgewichtsgeschwindigkeit
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
flow cytometry, lab on a chip, microfluidics, Segré-Silberberg effect, inertial migration, tubular pinch effect, micro particle, spatially modulated fluorescence emission, equilibrium velocityEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 24 Nov 2014 12:37
Last Modified: 24 Nov 2014 12:37
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40595
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Baßler, Dr. Michael
Refereed: 20 October 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4059
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