DE102005012128A1

DE102005012128A1 - Mikrofluidisches System und zugehöriges Ansteuerverfahren

Info

Publication number: DE102005012128A1
Application number: DE102005012128A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Müller; Thomas Dr. Schnelle
Original assignee: Evotec Technologies GmbH
Current assignee: Revvity Cellular Technologies GmbH
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-21
Also published as: WO2006097312A1; US20090008254A1; EP1858645A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System mit einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2) sowie mit mindestens einer in dem Trägerstromkanal (1) angeordneten Elektrodenanordnung (3) zur Manipulation der suspendierten Partikel (2), wobei die Elektrodenanordnung (3) zwei Manipulationselektroden (4, 5) aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Elektrodenanordnung (3) zusätzlich zu den beiden Manipulationselektroden (4, 5) zwei Zentrierelektroden (6, 7) zur Partikelzentrierung aufweist, wobei die beiden Zentrierelektroden (6, 7) in dem Trägerstromkanal (1) jeweils stromaufwärts vor einer der beiden Manipulationselektroden (4, 5) angeordnet sind. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Ansteuerverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System und ein zugehöriges Ansteuerverfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche.

Derartige mikrofluidische Systeme sind beispielsweise aus Müller, T. et al.: "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 bekannt und weisen einen Trägerstromkanal zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (z. B. biologischen Zellen) auf, wobei sich in dem Trägerstromkanal eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung befindet, um die suspendierten Partikel zu manipulieren. Beispielsweise können die suspendierten Partikel in dem Trägerstrom durch eine trichterförmige Elektrodenanordnung (engl. "funnel") zentriert oder durch einen sogenannten Haken (engl. hook) fixiert werden.

Nachteilig an bekannten mikrofluidischen Haltesystemen, beispielsweise Haken, ist jedoch die Tatsache, dass die Partikel von den dielektrophoretischen Elektrodenanordnungen in dem Trägerstromkanal in Richtung der Kanalwand gedrückt werden können, was insbesondere bei biologischen Zellen störend ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen bekannten mikrofluidischen Systeme dahingehend zu verbessern, dass die suspendierten Partikel von der Elektrodenanordnung nicht in Richtung Kanalwand gedrückt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches System und ein zugehöriges Ansteuerverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, stromaufwärts vor den Manipulationselektroden (z.B. einem sogenannten "hook") Zentrierelektroden anzuordnen, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel in der Zentralebene des Trägerstromkanals fokussieren und dadurch verhindern, dass die suspendierten Partikel in Richtung Kanalwand gedrückt werden.

Das erfindungsgemäße mikrofluidische System weist deshalb eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Manipulationselektroden und mindestens zwei stromaufwärts vor den Manipulationselektroden angeordneten Zentrierelektroden auf.

Bei den beiden Manipulationselektroden kann es sich beispielsweise um sogenannte Haken (engl. "hook") handeln, die an sich bereits aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al.: "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 bekannt sind, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Gestaltung der Manipulationselektroden in vollem Umfang zuzurechnen ist.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Manipulationselektroden nicht notwendigerweise einstückig bzw. durchgehend sein müssen. Es besteht vielmehr auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Manipulationselektroden aus mehreren Teilelektroden bestehen, wobei die einzelnen Teilelektroden der Manipulationselektroden getrennt ansteuerbar sein können. Beispielswei se können die einzelnen Manipulationselektroden auch durch Passivierungsschichten unterbrochen sein.

Wichtig ist jedoch, dass die Manipulationselektroden entgegen der Strömungsrichtung gekrümmt sind, wie es beispielsweise bei den bekannten sogenannten Haken der Fall ist. Anstelle von hakenförmigen Manipulationselektroden besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden bogenförmig (z.B. halbkreisförmig) oder ringförmig geschlossen sind. Sie können aber auch die Form eines Rechtecks oder eines Teils eines Rechtecks, eines Sechsecks oder allgemein eine Polygons haben. Die Form ist also ebenso wie bei den Zentrierelektroden nahezu beliebig. Beispielsweise können die Manipulationselektroden kreisringförmig sein, was die Anordnung mehrerer Partikel auf geschlossenen Bahnen ermöglicht.

Die Zentrierelektroden sind vorzugsweise dreieckig, rechteckig, hexagonal, rund, kreisförmig oder elliptischen geformt, wobei die Zentrierelektroden vorzugsweise kleiner als die Manipulationselektroden sind.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die beiden Zentrierelektroden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind, damit die Zentrierelektroden elektrisch gegenphasig angesteuert werden können.

Das Gleiche gilt vorzugsweise auch für die beiden Manipulationselektroden, die zur Ermöglichung einer gegenphasigen Ansteuerung vorzugsweise ebenfalls elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind.

Darüber hinaus sind auch die Manipulationselektroden einerseits und die Zentrierelektroden andererseits elektrisch ge trennt ansteuerbar, da die Manipulationselektroden und die diesen jeweils zugeordneten Zentrierelektroden zur Erreichung einer Zentrierwirkung elektrisch gegenphasig angesteuert werden sollten.

Ferner ist zu erwähnen, dass die beiden Manipulationselektroden und/oder die beiden Zentrierelektroden vorzugsweise jeweils im Wesentlichen planar (d.h. eben) sind, wobei die beiden Manipulationselektroden einerseits und die beiden Zentrierelektroden vorzugsweise jeweils paarweise im Wesentlichen koplanar angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die einzelnen Elektroden in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei sich in jeder Ebene jeweils eine Manipulationselektrode und eine zugehörige Zentrierelektrode befindet. Im Vergleich zum Feldkäfig ist die vorgeschlagene Anordnung robuster gegenüber Versatz, was die Herstellung der Systeme vereinfacht.

Die Zentrierelektroden und die Manipulationselektroden sind hierbei in Strömungsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet, der vorzugsweise im Bereich von 1/8 bis zum zweifachen des Abstandes der Elektrodenebenen liegt. Für die Handhabung tierischer Suspensionszellen, beispielsweise Blutzellen liegt dies vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 80 μm, wobei sich ein Abstand von ungefähr 40 μm als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Elektrodenanordnung mehrere Manipulationselektrodenpaare und diesen zugeordnete Zentrierelektrodenpaare auf. Die einzelnen Manipulationselektrodenpaare können hierbei bezüglich der Strömungsrichtung nebeneinander in dem Trägerstromkanal angeordnet sein, was im Vergleich zu herkömmlichen dielektrophoretischen Käfigen eine einfachere und bessere Langzeitkulti vierung von biologischen Zellen in Mikrofluidik-Chips ermöglicht. Beispielsweise können mehrere sogenannte Haken (engl. "hook") in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sein, um suspendierte Partikel zu fixieren.

Die einzelnen Manipulationselektrodenpaare können hierbei elektrisch miteinander verbunden sein, was eine gemeinsame elektrische Ansteuerung ermöglicht, wobei die einzelnen Manipulationselektroden eines Manipulationselektrodenpaares in herkömmlicher Weise gegenphasig angesteuert werden.

Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Manipulationselektrodenpaare voneinander elektrisch getrennt sind und elektrisch getrennt angesteuert werden, was eine selektive Erfassung der suspendierten Partikel ermöglicht.

Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung das Ziel, die thermische Belastung der suspendierten Partikel zu minimieren, was insbesondere bei biologischen Zellen wichtig ist. Die thermische Belastung der suspendierten Partikel hängt jedoch von der Elektrodenbreite und dem Elektrodenabstand ab, wobei diese Parameter auch die Kraft beeinflussen, welche die Elektrodenanordnung auf die suspendierten Partikel ausübt. Vorzugsweise liegt die laterale Elektrodenbreite im Bereich von 10% bis 50% des Elektrodenabstands zwischen den Ebenen, da das Verhältnis von der erwünschten Kraft zu der unerwünschten Erwärmung der suspendierten Partikel in diesem Bereich besonders gut ist.

Ferner ist zu erwähnen, dass der Trägerstromkanal des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems vorzugsweise einen Strömungsquerschnitt aufweist, der im Bereich von 0,006 mm² bis 0,6 mm² liegt, was bei mikrofluidischen Systemen üblich ist. Die Höhe des Trägerstromkanals kann hierbei beispielsweise im Bereich von 1 μm bis 400 μm liegen, während die Breite des Trägerstromkanals beispielsweise im Bereich von 5 μm bis 1,5 mm liegen kann.

Generell kann der Querschnitt des Trägerstromkanals unterschiedlich sein, so kann er beispielsweise rechteckig oder trapezförmig sein.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die beiden koplanar angeordneten Manipulationselektroden der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. In gleicher Weise können auch die beiden Zentrierelektroden der Elektrodenanordnung in Strömungsrichtung zueinander versetzt sein. Der Versatz in Strömungsrichtung kann hierbei im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den Manipulationselektroden und den Zentrierelektroden im Bereich von 5% bis 95%, 10% bis 90%, 20% bis 80% oder 30% bis 70% liegen, wobei sich ein Versatz in Strömungsrichtung von 50% als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Die Möglichkeit des Versatzes der Elektroden hat auch den Vorteil, dass dadurch an den Herstellungsprozess nicht so hohe Anforderungen gestellt werden müssen, wie beispielsweise bei den bereits bekannten Feldkäfigen, bei denen eine genaue Ausrichtung der Elektroden für die Funktionalität grundlegend ist.

Die Erfindung umfasst jedoch nicht nur das erfindungsgemäße mikrofluidische System, sondern auch ein biologisches Gerät (z.B. einen Zellsortierer) mit einem derartigen mikrofluidischen System.

Weiterhin umfasst die Erfindung ein zugehöriges Ansteuerverfahren für ein derartiges mikrofluidisches System. Dabei werden die Manipulationselektroden einerseits und die diesen zu geordneten Zentrierelektroden andererseits vorzugsweise elektrisch gegenphasig angesteuert, um die gewünschte Zentrierwirkung zu erreichen.

Alternativ kann die Anordnung auch nur einphasig betrieben werden. Die Ansteuerung erfolgt wie vorstehend beschrieben wurde, wobei die zweite Phase durch Masse ersetzt wird. Dies stellt eine wesentliche Vereinfachung im Vergleich zum bekannten Feldkäfig (2- bzw. 4-Phasenansteuerung) dar. Dabei vereinfacht sich nicht nur der Chip und die Steuerelektronik, sondern es verringern sich auch die Anforderungen an das Interface (Kapazitäten, Induktivitäten), da Phasenverschiebungen und Laufzeitverzögerungen weniger wichtig werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Zentrierelektroden abgeschaltet werden, wenn ein Partikel von den zugehörigen Manipulationselektroden fixiert worden ist. Die gefangenen Partikel verbleiben trotz der Abschaltung der Zentrierelektroden dann im hydrodynamischen Fluss dennoch in der Zentralebene vor den stromabwärts liegenden Manipulationselektroden. Dadurch wird die thermische sowie elektrische Belastung der gefangenen Partikel herabgesetzt was besonders für biologische Zellen von Bedeutung ist.

Die Abschaltung der Zentrierelektroden kann wahlweise erfolgen, indem die Zentrierelektroden auf Masse oder potentialfrei geschaltet werden, wobei die Zentrierelektroden bei einer potentialfreien Schaltung ein schwimmendes elektrisches Potential aufweisen.

Weiterhin besteht hierbei die Möglichkeit, dass die Zentrierelektroden vor ihrer Abschaltung kurzzeitig mit einer erhöhten elektrischen Spannung angesteuert werden.

Ferner kann die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal kurz vor der Abschaltung der Zentrierelektroden kurzzeitig erhöht werden.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung dienen die Zentrierelektroden nicht nur zur Zentrierung der suspendierten Partikel in dem Trägerstromkanal, sondern auch zur Untersuchung der suspendierten Partikel. Beispielsweise können die Zentrierelektroden zunächst die Zentrierung der suspendierten Partikel bewirken, bis die suspendierten Partikel von den nachgeordneten Manipulationselektroden gefangen werden. Während dieser Zentrierphase werden die Manipulationselektroden und die Zentrierelektroden elektrisch gegenphasig angesteuert, wie vorstehend erläutert wurde. Nach dem Einfangen der suspendierten Partikel durch die Manipulationselektroden können die Zentrierelektroden dann als Messelektroden eingesetzt werden. Hierzu werden die Zentrierelektroden von der elektrischen Ansteuerung getrennt und mit einem entsprechenden Messgerät verbunden. Beispielsweise können die Zentrierelektroden als Impedanzmesselektroden verwendet werden und eine impedanzspektroskopische Untersuchung der gefangenen Partikel durchführen. Vorteilhaft daran ist das gute Signal-Rausch-Verhältnis, da die Zentrier- bzw. Messelektroden eine geringe Größe aufweisen und nahe an den zu untersuchenden Partikeln angeordnet sind.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems,
2A-2D verschiedene Ansichten eines herkömmlichen mikrofluidischen Systems,
3A-3D entsprechende Ansichten zu den 2A-2D bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,
4A, 4B verschiedene Ansichten einer Elektrodenanordnung eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems,
5A, 5B ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung,
6A-6C weitere Varianten von möglichen Elektrodenanordnungen in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,
7A, 7B weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodenanordnungen, die in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System eingesetzt werden können,
8 ein Diagramm, das die durch die Elektrodenanordnung erzeugte Erwärmung und die auf die suspendierten Partikel ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von Elektrodenbreite und Elektrodenabstand zeigt,
9A-9E weitere Varianten von Elektrodenanordnungen in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,
10 verschiedene Ansichten einer Elektrodenanordnung in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,
11 verschiedene Ansichten weiterer Elektrodenanordnungen sowie
12 verschiedene Ansichten weiterer Elektrodenanordnungen, bei denen die Zentrierelektroden einerseits und die Manipulationselektroden an dererseits mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden.
Die perspektivische Ansicht in 1 zeigt einen Trägerstromkanal 1 eines mikrofluidischen Systems, wie es beispielsweise in einem Zellsortierer zur Sortierung biologischer Zellen eingesetzt werden kann. Der Zellsortierer selbst kann hierbei in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, so dass im Folgenden auf eine detaillierte Beschreibung des Zellsortierers verzichtet werden kann.
Der Trägerstromkanal 1 hat hierbei einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 40 μm und einer Breite von 150 μm und führt einen Trägerstrom mit darin suspendierten Partikeln, wobei zur Vereinfachung nur eine biologische Zelle 2 schematisch dargestellt ist.
Der Trägerstrom mit den darin suspendierten biologischen Zellen 2 strömt in dem Trägerstromkanal 1 in x-Richtung, wie durch die Pfeile veranschaulicht wird.
In dem Trägerstromkanal 1 ist eine Elektrodenanordnung 3 angeordnet, die aus zwei hakenförmigen Manipulationselektroden 4, 5 und zwei kreisförmigen Zentrierelektroden 6, 7 besteht.
Die beiden Manipulationselektroden 4, 5 sind in herkömmlicher Weise ausgebildet und werden entsprechend angesteuert, was aus der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al.: "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 bekannt ist, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf diese Veröffentlichung verwiesen wird, deren Inhalt der vorliegenden Beschreibung im vollem Umfang zuzurechnen ist. Es ist an dieser Stelle lediglich kurz zu er wähnen, dass die beiden Manipulationselektroden 4, 5 jeweils planar ausgebildet und koplanar zueinander ausgerichtet sind, wobei die Manipulationselektrode 4 an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist, während die andere Manipulationselektrode 5 an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist.
Die beiden Zentrierelektroden 6, 7 sind ebenfalls planar ausgebildet und koplanar zueinander ausgerichtet, wobei die Zentrierelektrode 6 an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist, während die Zentrierelektrode 7 an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist. Die Zentrierelektrode 6 liegt also mit der Manipulationselektrode 4 in einer Ebene, während die Zentrierelektrode 7 mit der Manipulationselektrode 5 in einer Ebene liegt.
Zwischen der Zentrierelektrode 6 bzw. 7 und der zugehörigen Manipulationselektrode 4 bzw. 5 liegt hierbei in Strömungsrichtung ein Abstand von ungefähr 40-50 μm, was eine gute Zentrierwirkung der Zentrierelektroden 6, 7 ermöglicht.
Im Betrieb werden die Manipulationselektroden 4, 5 elektrisch gegenphasig zueinander angesteuert, wie auch die Zentrierelektroden 6, 7 elektrisch gegenphasig zueinander angesteuert werden. Darüber hinaus wird auch die Zentrierelektrode 6 gegenphasig zu der zugehörigen Manipulationselektrode 4 angesteuert, wie auch die Zentrierelektrode 7 gegenphasig zu der zugehörigen Manipulationselektrode 5 angesteuert wird. Auf diese Weise werden die suspendierten biologischen Zellen 2 in dem Trägerstromkanal 1 in der Zentralebene fokussiert, wodurch ein Berührungskontakt der biologischen Zellen 2 mit den Kanalwänden des Trägerstromkanals 1 verhindert wird.
Die Zentrierelektroden 6, 7 und die Manipulationselektroden 4, 5 müssen jedoch nicht exakt gegenphasig (d.h. mit einer Phasenverschiebung von 180°) angesteuert werden. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung auch andere Phasenverschiebungen möglich. Diese Phasenverschiebung kann zwischen den Elektroden an der oberen Kanalwand und den an der unteren Kanalwand beliebig sein, wobei diese Verschiebung im allgemeinen zwischen 90° und 270° liegt. Für Elektroden in einer Ebene, beispielsweise Manipulations- und Zentrierelektrode an der oberen Kanalwand, liegt die Verschiebung im allgemeinen im Bereich von 135°-225° (180°± 45°).
Darüber hinaus können die Zentrierelektroden 6, 7 und die Manipulationselektroden 4, 5 auch mit unterschiedlichen Frequenzen und Spannungen angesteuert werden, wie später noch detailliert beschrieben wird.
Die 3A-3D zeigen verschiedene Ansichten der Elektrodenanordnung 3 bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System, wobei die 3B-3C die jeweilige elektrische Feldverteilung zeigen. Die 3A und 3B enthalten eine Aufsichtsdarstellung der Elektrodenanordnung 3 in z-Richtung, während die 3C und 3D Schnittbilder in der y-z-Ebene bzw. der x-z-Ebene wiedergeben.
Die 2A-2D zeigen zum Vergleich entsprechende Ansichten bei einer herkömmlichen Elektrodenanordnung ohne die Zentrierelektroden 6, 7. Daraus ist ersichtlich, dass die biologischen Zellen 2 bei der herkömmlichen Elektrodenanordnung in Richtung Kanalwand gedrückt werden, wie insbesondere aus den 2C und 2D ersichtlich ist. Im Gegensatz dazu werden die biologischen Zellen 2 bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 3 mittig fokussiert, wie insbesondere aus den 3C und 3D ersichtlich ist.
Die 4A und 4B zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit halbkreisförmigen Manipulationselektroden 8, wobei die Darstellungen auf der linken Seite eine entsprechende herkömmliche Elektrodenanordnung ohne Zentrierelektroden zeigen, während die Darstellung auf der rechten Seite die Feldverteilung bei einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit einer Zentrierelektrode 9 zeigen. Auch aus diesen Darstellungen ist ersichtlich, dass die Zentrierelektrode 9 eine Zentrierung der biologischen Zellen 2 in der Zentralebene des Trägerstromkanals 1 bewirken.
Die 5A und 5B zeigen schließlich ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, bei dem eine kreisringförmige Manipulationselektrode (mit Berandung 10, 11) und eine ebenfalls konzentrische, mittig angeordnete Zentrierelektrode 12 vorgesehen ist. Die Manipulationselektrode (10, 11) und die Zentrierelektrode 12 sind hierbei in einer gemeinsamen Ebene an der oberen Kanalwand bzw. an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet und somit koplanar ausgerichtet. Die biologischen Zellen 2 können bei diesem Ausführungsbeispiel auf geschlossenen Bahnen angeordnet werden, wie insbesondere aus der Darstellung in 5A ersichtlich ist.
Die 6A-6C zeigen weitere alternative Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen 13, 13' bzw. 13'', die jeweils eine Manipulationselektrode 14, 14', bzw. 14'' und eine Zentrierelektrode 15, 15', 15'' aufweisen. In dem Trägerstromkanal 1 ist jeweils an der oberen Kanalwand und an der unteren Kanalwand eine solche Elektrodenanordnung 13, 13' bzw. 13'' angeordnet.
Die 7A und 7B zeigen weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen 16 bzw. 17, bei denen mehrere hakenförmige Manipulationselektroden 18-21 in dem Trägerstromkanal 1 in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Stromaufwärts vor den einzelnen Manipulationselektroden 18-21 ist hierbei jeweils eine Zentrierelektrode 22-25 angeordnet, um die biologischen Zellen 2 in der Zentralebene des Trägerstromkanals 1 zu zentrieren.
Der Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß den 7A und 7B besteht in der elektrischen Ansteuerung der Manipulationselektroden 18-21 und der Zentrierelektroden 22-25.
So werden die Manipulationselektroden 18-21 der Elektrodenanordnung 16 gemäß 7A elektrisch gemeinsam angesteuert und sind deshalb elektrisch miteinander verbunden. Im Gegensatz dazu werden die Manipulationselektroden 18-21 bei der Elektrodenanordnung 17 gemäß 7B elektrisch getrennt voneinander angesteuert, so dass die Manipulationselektroden 18-21 auch elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
Bei der Elektrodenanordnung 16 gemäß 7A werden dagegen die Zentrierelektroden 22-25 elektrisch gemeinsam angesteuert, was auch bei der Elektrodenanordnung 17 gemäß 7B der Fall ist.
In dem Trägerstromkanal des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems können auch mehrere der in den 7A bzw. 7B dargestellten Elektrodenanordnungen 16 bzw. 17 in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein. Dies bietet die Möglichkeit, Partikel in definierten Arrays zu speichern.
Mehrere Elektrodenanordnungen gemäß 7A/B können in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein um so Partikel in definierten Arrays speichern zu können.
Schließlich zeigt 8 ein Diagramm, das die funktionale Abhängigkeit mehrerer verschiedener Größen von der Elektrodenbreite und dem Elektrodenabstand zeigt.
Eine Kurve 26 gibt hierbei die Abhängigkeit der Erwärmung ΔT der suspendierten biologischen Zellen 2 in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen Elektrodenbreite und Elektrodenabstand zwischen den Ebenen bei konstanter Spannung wieder. Aus dem Verlauf der Kurve 26 ist ersichtlich, dass die Erwärmung ΔT der suspendierten Zellen 2 mit der Elektrodenbreite zunimmt und mit dem Elektrodenabstand abnimmt. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Erwärmung der biologischen Zellen 2 durch die dielektrophoretische Elektrodenanordnung für die biologischen Zellen 2 schädlich sein kann und deshalb unerwünscht ist.
Eine weitere Kurve 27 zeigt dagegen die Abhängigkeit der von der dielektrophoretischen Elektrodenanordnung auf die biologische Zelle 2 ausgeübten Kraft F in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Elektrodenbreite zu dem Elektrodenabstand. Aus dem Verlauf der Kurve 27 ist ersichtlich, dass die ausgeübte Kraft F mit der Elektrodenbreite zunimmt und mit dem Elektrodenabstand abnimmt.
Schließlich zeigt eine weitere Kurve 28 das Verhältnis der erwünschten Kraft F zu der unerwünschten Erwärmung ΔT der suspendierten Zellen als Funktion des Verhältnisses von Elektrodenbreite zu Elektrodenabstand. Aus dem Verlauf der Kurve 28 ist ersichtlich, dass ein bestimmter Betriebsbereich besonders vorteilhaft ist, in dem das Verhältnis von Elektro denbreite zu Elektrodenabstand ungefähr zwischen 0,15 bis 0,5 liegt. In diesem Bereich ist die von der Elektrodenanordnung auf die suspendierten Partikel ausgeübte Kraft im Verhältnis zu der unerwünschten Erwärmung ΔT relativ groß.
Die 9A bis 9E zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodenanordnungen, die in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System eingesetzt werden können.
Die einzelnen Elektrodenanordnungen bestehen jeweils aus einer Zentrierelektrode 29 und einer Manipulationselektrode 30. Die Zentrierelektrode 29 würde somit bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 an die Stelle der Zentrierelektroden 6 bzw. 7 treten, während die Manipulationselektrode 30 die Manipulationselektroden 4 bzw. 5 ersetzt.
Die verschiedenen Elektrodenanordnungen gemäß den 9A bis 9E unterscheiden sich hierbei durch die Form der Zentrierelektrode 29.
So kann die Zentrierelektrode 29 rechteckig, dreieckig, tropfenförmig, winkelförmig oder kastenförmig sein, wie aus den verschiedenen Figuren ersichtlich ist.
Ferner zeigt 10 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die obere Manipulationselektrode 4 gegenüber der unteren Manipulationselektrode 5 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet ist.
In gleicher Weise ist auch die obere Zentrierelektrode 6 gegenüber der unteren Zentrierelektrode 7 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet.
Die Versetzung entspricht hierbei dem halben Abstand zwischen den Manipulationselektroden 4, 5 und den zugehörigen Zentrierelektroden 6, 7.
Die Bilder auf der linken Seite von 10 zeigen hierbei Feldverteilungen, die entstehen, wenn die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit der gleichen elektrischen Spannung angesteuert werden.
Auf der rechten Seite in 10 sind dagegen Feldverteilungen dargestellt, die entstehen, wenn die Zentrierelektroden 6, 7 mit einer dreimal so hohen elektrischen Spannung angesteuert werden, wie die Manipulationselektroden 4, 5.
Ferner zeigt 11 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass zwischen der Manipulationselektrode 4 und der Zentrierelektrode 6 an der oberen Kanalwand einerseits und der Manipulationselektrode 5 und der Zentrierelektrode 7 an der unte ren Kanalwand andererseits eine Phaseverschiebung von 90° besteht.
Darüber hinaus werden auch die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert.
Dies ist in der linken Spalte von 11 dargestellt. Die rechte Spalte zeigt dagegen eine gegenphasige Ansteuerung, aber unter Verwendung einer quadratischen Zentrierelektrode.
Ferner zeigt 12 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden.
Die Bilder in der linken Spalte zeigen hierbei die Feldverteilung für den Fall, dass die Manipulationselektroden 4, 5 und die Zentrierelektroden 6, 7 mit den gleichen Spannungswerten angesteuert werden, wobei die Ansteuerfrequenz F1 bzw. F2 so gewählt ist, dass die Zellen 2 eine gleich starke Polarisation in beiden Feldern erfahren.
Bei den Bildern in der rechten Spalte beträgt die Polarisation des Partikels relativ zum Medium bei der Frequenz F2 dagegen nur 1/4 der Polarisation bei der Frequenz F1.
Auch bei Ansteuerung mit zwei verschiedenen (nicht notwendigerweise konsumerablen) Frequenzen F1, F2 werden die Zellen 2 in Z-Richtung fokussiert. Bei moderaten Spannungen werden sie jedoch in der horizontalen X-Y-Zentralebene nicht zentral gehalten, sondern können entsprechend dem Gleichgewicht mit der hydrodynamischen Kraft in zwei Positionen gehalten werden. Dies ermöglicht zwei weitere neue Betriebsarten:
Zum einen können durch Umschalten auf Ansteuerung mit einer einheitlichen Frequenz oder durch absolute oder relative Schwächung der Manipulationselektroden (niedrigere Spannung, Frequenzänderung, Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit) zwei Zellen 2 bzw. Partikel einander zugeführt bzw. durch den umgekehrten Prozess voneinander getrennt werden, falls die Bindung nicht zu stark ist. Dies kann ausgenutzt werden, um Bindungskonstanten zu bestimmen und/oder Zellen, insbesondere Immunzellen, gezielt zu aktivieren und/oder zu beeinflussen.
Zum anderen kann durch Variation einer der beiden Frequenzen F1, F2 aus der Lageveränderung der Zellen 2 auf deren dielektrische Eigenschaften geschlossen werden (in den Bildern in der rechten Spalte sind die beiden Zellen 2 weiter voneinander entfernt). Damit wird das Dielektrophoresespektrum einfach zugänglich.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

1: Trägerstromkanal
2: Zelle
3: Elektrodenanordnung
4, 5: Manipulationselektroden
6, 7: Zentrierelektroden
8: Manipulationselektroden
9: Zentrierelektrode
10, 11: Manipulationselektroden
12: Zentrierelektrode
13, 13', 13'': Elektrodenanordnung
14, 14', 14'': Manipulationselektrode
15, 15', 15'': Zentrierelektrode
16, 17: Elektrodenanordnungen
18-21: Manipulationselektroden
22-25: Zentrierelektroden
26-28: Kurven
29: Zentrierelektrode
30: Manipulationselektrode

Claims

Mikrofluidisches System mit a) einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2), b) mindestens einer in dem Trägerstromkanal (1) angeordneten Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) zur Manipulation der suspendierten Partikel (2), c) wobei die Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) mindestens zwei Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, d) dass die Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) zusätzlich zu den beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) mindestens zwei Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) zur Partikelzentrierung aufweist, e) dass die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) in dem Trägerstromkanal (1) jeweils stromaufwärts vor einer der beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) angeordnet sind.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) entgegen der Strömungsrichtung gekrümmt sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) bogenförmig, hakenförmig oder ringförmig geschlossen sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (16, 17) mehrere Manipulationselektrodenpaare (18-21) und diesen zugeordnete Zentrierelektrodenpaare (22-25) aufweist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektrodenpaare (22-25) elektrisch miteinander verbunden und elektrisch gemeinsam ansteuerbar sind und/oder dass die Manipulationselektrodenpaare (18-21) elektrisch miteinander verbunden und elektrisch gemeinsam ansteuerbar sind.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (22-25) und/oder die Manipulationselektroden (18-21) in dem Trägerstromkanal (1) bezüglich der Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) in einem bestimmten Elektrodenabstand zueinander angeordnet sind und eine bestimmte laterale Elektrodenbreite aufweisen, wobei die Elektrodenbreite im Bereich von 10% bis 50% des Elektrodenabstands liegt.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) getrennt von den Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) elektrisch ansteuerbar sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) und/oder die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) jeweils im Wesentlichen planar sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) einerseits und die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) andererseits jeweils paarweise koplanar angeordnet sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) und die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) in Strömungsrichtung einen Abstand zueinander aufweisen, der im Bereich von 1/8 bis dem zweifachen der Kanalhöhe, daher insbesondere für einen 40 μm hohen Kanal im Bereich von 5 μm bis 80 μm liegt.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal (1) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der im Bereich von bis 0, 006 mm² bis 0, 6 mm² liegt.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal (1) eine Höhe im Bereich von 1 μm bis 400 μm und/oder eine Breite im Bereich von 5 μm bis 1,5 mm aufweist.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung ist.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) rund, kreisförmig, elliptisch, rechteckig, dreieckig oder tropfenförmig sind.
Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden koplanar angeordneten Manipulationselektroden (4, 5) und/oder die beiden Zentrierelektroden (6, 7) der Elektrodenanordnung (3) zueinander in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.
Zellsortierer mit einem mikrofluidischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Ansteuerverfahren für eine Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) in einem mikrofluidischen System mit zwei Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) und zwei stromaufwärts vor den Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) angeordneten Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25), dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) und die diesen zugeordneten Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) elektrisch gegenphasig oder einphasig angesteuert werden.
Ansteuerverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei parallelen Ebenen jeweils eine Manipulationselektrode und eine dieser zugehörige Zentrierelektrode angeordnet ist, wobei die Manipulationselektroden und die Zentrierelektroden mit einer Phasenverschiebung von 90° zwischen den Ebenen angesteuert werden.
Ansteuerverfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) abgeschaltet werden, wenn ein Partikel (2) von den Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) fixiert worden ist.
Ansteuerverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) zur Abschaltung auf Masse oder potentialfrei geschaltet wird.
Ansteuerverfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) vor ihrer Abschaltung kurzzeitig mit einer erhöhten elektrischen Spannung angesteuert werden.
Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal (1) vor dem Abschalten der Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) kurzzeitig erhöht wird.
Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) als Impedanzmesselektroden verwendet werden.
Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7) einerseits und die Manipulationselektroden (4, 5) andererseits mit unterschiedlichen Spannungen und/oder Frequenzen und/oder mit einer einstellbaren Phasenlage zueinander angesteuert werden.
Verwendung eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 18 in einem Zellsortierer.
Verwendung des mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Bestimmung von dielektrischen Eigenschaften von Partikeln.
Verwendung des mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Zellaktivierung und/oder zur Beeinflussung von Zellen.