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WO2000037920A1 - Method and device for electro-optical spectroscopy of individual particles - Google Patents

Method and device for electro-optical spectroscopy of individual particles Download PDF

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Publication number
WO2000037920A1
WO2000037920A1 PCT/EP1999/010278 EP9910278W WO0037920A1 WO 2000037920 A1 WO2000037920 A1 WO 2000037920A1 EP 9910278 W EP9910278 W EP 9910278W WO 0037920 A1 WO0037920 A1 WO 0037920A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
particle
rotation
optical
spectra
particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1999/010278
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter FUHR
Torsten Müller
Thomas Schnelle
Gabriele Gradl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Evotec Biosystems GmbH
Original Assignee
Evotec Biosystems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evotec Biosystems GmbH filed Critical Evotec Biosystems GmbH
Publication of WO2000037920A1 publication Critical patent/WO2000037920A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/1031Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03CMAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02Separators
    • B03C5/022Non-uniform field separators
    • B03C5/028Non-uniform field separators using travelling electric fields, i.e. travelling wave dielectrophoresis [TWD]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/1023Microstructural devices for non-optical measurement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02Column chromatography

Definitions

  • the invention relates to methods for dielectric single particle spectroscopy in microsystems and devices for their implementation.
  • the particle misaligned or the measuring time is shortened uncontrollably. Both stand in the way of an automatic measurement.
  • Cell movement can also be determined automatically using dynamic light scattering methods [GIMSA, J., PRUGER, B., EPPMANN, P. and DONATH, E., Electrorotation of particles measured by dynamic light scattering - a new dielect ⁇ c spectroscopy technique, m " Colloids and Surfaces A ", Vol. 98, 243-249, 1995].
  • this method cannot be used on individual objects, but provides average values for all particles that are in the laser beam. As a rule, this is a few hundred or more.
  • the exact positioning at one point in the electrical rotation field was achieved by using 3-dimensional electrode arrangements, so-called field cages, and the alternating application of a centering field and a rotation field.
  • optical field traps also called “optical tweezers”, “laser tweezers” or “optical traps”
  • laser tweezers optical traps
  • optical traps which have been used for about two decades in the fields of biotechnology, medicine and molecular biology and in other technical fields for positioning and manipulating micrometer-sized and submicron-sized particles are used [G. Weber et al. in "Int. Rev. Cytol.” Vol. 131, 1992, p. 1; S.M. Block m “Nonmvasive Techniques m Cell Biology", Wiley-Liss., New York 1990, p. 375].
  • the development of the laser tweezers goes back mainly to A. Ashkm [A. Ashkm m "Phys. Rev. Lett.”, Vol.
  • the principle of particle capture by optically induced forces is based on the fact that, in addition to the light pressure, which always pushes a particle away from the light source, gradient forces occur which lead to a particle getting a focus or being held stable with it or with it is moved.
  • the prerequisite is that the absorption and reflection of the particle is low, while the difference in the refractive index from the surrounding solution should be as large as possible.
  • the invention has for its object to provide new methods for dielectric single particle spectroscopy in microsystems and devices for their implementation, with which the above. Problems can be solved and, in particular, the particles in a rotating field, regardless of whether attractive or repulsive dielectrophoretic forces occur, are kept floating in a solution at any point with an accuracy below the particle radius in the rotating field, without reducing the speed of rotation.
  • a suspended particle which can be artificial or also biological in nature, is caught in a strongly focused laser beam, as is known from optical tweezers.
  • the capture point of the laser with the particles in it is now guided between microelectrodes, which are usually planarly applied to a smooth substrate, until the Particles are located in the area of the electric field spreading out in the solution, provided the electrodes are exposed to high-frequency, phase-shifted alternating voltage signals in a suitable manner.
  • the particle is in a free suspension state. It is held by the interaction of electrical and optical forces.
  • the laser focus is expediently positioned on a line which is perpendicular to the point which denotes the field minimum between the electrodes. Even if forces are developed by the rotating electric field that want to pull the particle to the electrodes, they act at this location in all electrode directions pretty evenly, so that, according to the invention, only very small forces are required to keep the particle stable in spite of the field-induced attractive forces Hold laser focus. On the other hand, the intensity of the laser must be chosen so high that the particle is raised. If the particle is repelled by the electrodes via the electrically induced polarization forces, the forces of the optical field can be selected even less, since the particle itself centers on the designated line of symmetry. Here, however, it is raised and pushed out of the electrode area.
  • This force must be compensated for by the choice of the intensity of the laser beam.
  • This particle which is caught very optically by m free solution, experiences a torque through the rotating electrical field and can be shifted depending on the frequency m in the manner known per se m slow rotation.
  • FIG. 1 an overview representation for holding a particle according to the invention in a quadrupole arrangement for dielectric spectroscopy with laser tweezers;
  • Figure 2 is a graph showing the dependence of the torque or the pushing or pulling forces on the frequency f of
  • FIG. 3 an overview representation for the combination according to the invention of a microsystem for dielectric spectroscopy with a microscope arrangement
  • Figure 4 a schematic illustration of a microsystem for Screenmg tasks.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the arrangement. Details of the microsystem that are known per se are not shown.
  • a particle 11, suspended in an ambient solution 12, is located in the radiation field of a strongly focused laser beam 13 and is caught in the focus 14.
  • Four planar electrodes 16a to 16d, which are usually planar on a substrate 15, are phase-shifted signals by 90 degrees (phase angle 0 °, 90 °, 180 °, 270 °) of the same frequency (amplitudes, for example, about 1 to 20 V) controlled so that a rotating field m of the xy plane is created.
  • the captured particle rotates much more slowly than the field rotates compared to the suspension liquid 12.
  • the speed of rotation of the object as a function of frequency is determined by measuring or observing the particle and provides the desired rotation spectra.
  • 3 or more electrodes can also be used in one plane, of greater thickness as well as in a multilevel arrangement.
  • the microsystem shown in FIG. 1 can advantageously be equipped with resonance devices for forming a resonant increase or damping of the field strength of the alternating electrical fields at predetermined frequencies, as described in PCT / EP96 / 05244.
  • the content of patent application PCT / EP96 / 05244 is hereby incorporated in its entirety by express reference to the content of the present description. This applies in particular to all measures for generating resonance Nanzeschemieux m particle suspensions in microelectrode arrangements.
  • FIG. 2 shows a rotation spectrum (curve 21, describing the spectrum of a living cell) and the associated dielectrophoretic force (curve 22). It can be seen that the cell was pulled to the electrodes without the optical capture field in the frequency range ( ⁇ ) between 20 Hz and 1 GHz.
  • the curves shown are a measurement on a 20 ⁇ m cell in an aqueous solution with a conductivity of ImS / m, as is typical for algae. As a result, it has hitherto not been possible to measure in this frequency range or only with reduced accuracy, as was explained above.
  • the force force represented by curve 22 is compensated for with the laser tweezers. Accordingly, the laser tweezers are used with such operating parameters that a sufficiently large trapping force is exerted on the particle.
  • FIG. 3 shows a device that is transparent at least on one side, with further details with which the rotation measurements can be carried out.
  • Planar electrodes 32a to 32d are processed on a substrate 31 (for example glass) using the means of semiconductor technology and AC signals are applied via the feed lines 33a to 33d for generating the rotating field.
  • a channel is formed through the side walls 34a, 34b and the cover plate 35, which is less than 250 ⁇ m thick, through which the particle suspension can be wound (36, arrow direction).
  • the channel ceiling is made of glass, so that a lens 37 with a high numerical aperture, for example also as an olim ersionsobj ektiv (01 38) can generate a highly focused laser focus in the channel interior, with which the particle 39 is captured.
  • FIG. 4 shows a microsystem which is designed for the construction of a test system (assay system) for the high-throughput screenmg.
  • the microsystem 40 has a channel structure 41a, 41b.
  • a suspension with particles that are to be tested flows through the first channel 41a.
  • the particles include, for example, biological cells or modified synthetic particles or combinations of biological cells and synthetic particles.
  • the second channel 41b through which a solution or suspension of a test substance flows, flows into the first channel 41a.
  • the test substance preferably comprises ligands, for example antibodies.
  • a first electrode system 42a is attached to the first channel 41a, which is constructed, for example, like the microelectrode system according to FIG. 1.
  • a second electrode system 42b is arranged downstream of the mouth point.
  • the electrode systems 42a, 42b are designed for rotational measurements on the particles 43 before or after the interaction with the test substance.
  • Each electrode arrangement is equipped with a laser device and a microscope arrangement for generating the optical traps (see FIG. 3).
  • a test procedure could be implemented as follows, for example.
  • the inflowing particles 43 in the first electrode system 42a are subjected to a first rotation measurement (with simultaneous holding with an optical trap). After mixing with the test substance there are interactions (eg particles 43a), the influence of which on the particle properties is detected by the second rotation measurement in the electrode system 42b.
  • the changed properties can be absolutely by characteristic spectra or relatively by comparing the spectra of the first and second rotation measurements can be determined.
  • the particles are released from the second electrode system, possibly subjected to further rotation measurements in further electrode arrangements (not shown) and, depending on the measurement result, subjected to a sorting process.
  • Biomolecules and associated application examples can be: antigen antibodies, in studies for the development of immunoreagents and immunoassays, epitope mapping and screen mg from phage libraries; Ligands and their cell membrane receptors; Cell adhesion molecules and their ligands, for example in studies of the affinity between cadherms and integers and their receptors located in the cell membrane; Membrane molecules, such as lipids or glycoprotems, when studying the interaction of these molecules with other soluble or cell membrane-containing biomolecules; extracellular matrix molecules and their soluble or cell membrane-bound ligands; intracellular messenger substances, in the investigation of signal transmission within the cell through the interaction of molecules in a signal transmission cascade; soluble proteins and peptides, in the monitoring of the production of proteins and peptides in
  • test system according to the invention can also be constructed from a multiplicity of microsystems according to FIG. 4, which interact in series or in parallel.

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Abstract

In order to effect dielectric spectroscopy on at least one suspended particle (11) in a microsystem, the particle (11) is exposed to high frequency electric rotating fields in an electrode array (16) and maintained in the focus (14) of an optical trap.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektro-optischen Emzelparti- kelSpektroskopie Method and device for electro-optical single particle spectroscopy

Die Erfindung betrifft Verfahren zur dielektrischen Emzelparti- kelspektroskopie m Mikrosystemen und Vorrichtungen zu deren Implementierung.The invention relates to methods for dielectric single particle spectroscopy in microsystems and devices for their implementation.

Zur Vermessung der passiven elektrischen Eigenschaften von in Flüssigkeiten suspendierten Teilchen oder Mikroobj ekten (wie Latexpartikeln, lebende Zellen etc.) werden seit langem über elektrische Rotationsfelder induzierte Drehbewegungen genutzt [Übersicht m ZIMMERMANN, U. et al . , Electromampulation of Cells, CRC Press Inc., 1996]. Es kann sich dabei um eine Rotationsbewegung m oder entgegengesetzt zur Felddrehrichtung handeln. Aus der Drehgeschwindigkeit des Objektes als Funktion der Winkelgeschwindigkeit des Feldes (sogenannte Rotationsspektren) kann auf passive elektrische Eigenschaften geschlossen werden. In der Regel liegen die Rotationsgeschwindigkeiten der Objekte im Bereicn von 100 Umdrehungen pro Sekunde bis zu 1 Umdrehung pro Minute, typischerweise langsamer als 1 Umdrehung pro Sekunde.For the measurement of the passive electrical properties of particles or micro-objects suspended in liquids (such as latex particles, living cells etc.), rotary movements induced by electrical fields of rotation have long been used [overview m ZIMMERMANN, U. et al. , Electromampulation of Cells, CRC Press Inc., 1996]. This can be a rotational movement m or opposite to the direction of rotation of the field. Passive electrical properties can be inferred from the speed of rotation of the object as a function of the angular speed of the field (so-called rotation spectra). As a rule, the rotational speeds of the objects range from 100 revolutions per second up to 1 revolutions per minute, typically slower than 1 revolutions per second.

Insbesondere für biologisch-medizinische Fragestellungen hat sich dieses Verfahren als der Impedanzmessung vergleichbar und hoch- auflosend erwiesen. Die Rotation des Objektes verhalt sich dabei proportional zum Imagmarteil des Clausius-Mosotti-Faktors, [vgl. auch JONES, T.B., Electromechanics of Particles, Cambridge Uni- versity Press, Cambridge, 1995] .This method has proven to be comparable and high-resolution to impedance measurement, especially for biological-medical questions. The rotation of the object is proportional to the imaginary part of the Clausius-Mosotti factor, [cf. also JONES, T.B., Electromechanics of Particles, Cambridge University Press, Cambridge, 1995].

Nachteilig ist jedoch, daß zusätzlich zu dem induzierten Drehmoment immer eine zu den Elektroden hin oder von diesen weg gerichtete Kraft, die sogenannte Dielektrophorese, auftritt. Dadurch - WO βσ/37920 PCT/EP99/10278It is disadvantageous, however, that in addition to the induced torque, a force, the so-called dielectrophoresis, always occurs towards or away from the electrodes. Thereby - WO βσ / 37920 PCT / EP99 / 10278

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dejustiert sich das Partikel bzw. verkürzt sich die Meßzeit unkontrolliert. Beides steht einer automatischen Messung entgegen.the particle misaligned or the measuring time is shortened uncontrollably. Both stand in the way of an automatic measurement.

Versuche, die Rotationsmessung automatisch zu erfassen, sind mehrfach beschrieben worden [DE 33 25 843; DD WP 281223 (1986)]. Dabei handelt es sich um die alternierende Applikation zweier Anregungsfelder unterschiedlicher Drehrichtung, bei denen die Anschaltzelten elektronisch verändert werden können. Diese werden so lange variiert, bis der Stillstand des Objektes eintritt. Der Stillstand des Objektes wurde bislang jedoch ebenfalls ausschließlich über visuelle Beobachtung bestimmt.Attempts to automatically record the rotation measurement have been described several times [DE 33 25 843; DD WP 281223 (1986)]. This is the alternating application of two excitation fields with different directions of rotation, in which the connection tents can be changed electronically. These are varied until the object comes to a standstill. The standstill of the object has so far also been determined exclusively by visual observation.

Desweiteren ist bekannt, die Bewegung komplex strukturierter Objekte über Bildverarbeitungssysteme zu erfassen. Dazu wird das mikroskopisch erzeugte Bild zu verschiedenen Zeitpunkten elektronisch aufgenommen und gespeichert und dann versucht, über eine entsprechende Raumtransformation einer Vielzahl von Bildpunkten die erfolgte Bewegung zu rekonstruieren. Diese Verfahren haben den Nachteil einer hohen Informationsverarbeitungsdichte und damit langwieriger und aufwendiger Rechnerverarbeitung. Besonders große Schwierigkeiten treten bei Veränderungen der Objektstruktur wahrend der Messung auf, z.B. bei Verlagerung m der Fokusebene, und bei schwach kontrastierten Objekten.It is also known to detect the movement of complex structured objects using image processing systems. For this purpose, the microscopically generated image is electronically recorded and stored at various points in time and then an attempt is made to reconstruct the movement that has taken place via a corresponding spatial transformation of a large number of image points. These methods have the disadvantage of a high density of information processing and thus lengthy and complex computer processing. Particularly great difficulties arise when the object structure changes during the measurement, e.g. when the focus plane is shifted, and when objects are poorly contrasted.

Automatisch kann die Zellbewegung auch über Verfahren der dynamischen Lichtstreuung ermittelt werden [GIMSA, J., PRUGER, B., EPPMANN, P. and DONATH,E., Electrorotation of particles measured by dynamic light scattenng - a new dielectπc spectroscopy technique, m "Colloids and Surfaces A", Bd. 98, 243-249, 1995] . Dieses Verfahren kann allerdings nicht an einzelnen Objekten eingesetzt werden, sondern liefert Mittelwerte über alle Partikel, die sich im Laserstrahl befinden. In der Regel sind dies einige Hundert oder mehr. Die exakte Positionierung an einem Punkt im elektrischen Ro- tationsfeld wurde durch die Verwendung 3-dιmensιonaler Elektrodenanordnungen, sogenannter Feldkafige, und die alternierende Applikation eines Zentrierfeldes und eines Rotationsfeldes gelost. Es zeigt sich allerdings, daß dadurch die Rotation der Objekte auf 1/10 bis 1/40 verlangsamt wird, was eine Auswertung erschwert und die Meßzeiten verlängert (DE 196 53 659 Cl, sowie Schnelle, Th. ,Glasser,H., Fuhr,G., An opto-electronic technique for auto atic detection of electrorotational spectra of Single cells, m "Cellular Engineering" Bd. 2, 33-41, 1997) .Cell movement can also be determined automatically using dynamic light scattering methods [GIMSA, J., PRUGER, B., EPPMANN, P. and DONATH, E., Electrorotation of particles measured by dynamic light scattering - a new dielectπc spectroscopy technique, m " Colloids and Surfaces A ", Vol. 98, 243-249, 1995]. However, this method cannot be used on individual objects, but provides average values for all particles that are in the laser beam. As a rule, this is a few hundred or more. The exact positioning at one point in the electrical rotation field was achieved by using 3-dimensional electrode arrangements, so-called field cages, and the alternating application of a centering field and a rotation field. It turns out, however, that the rotation of the objects is slowed down to 1/10 to 1/40, which complicates evaluation and extends the measuring times (DE 196 53 659 Cl, as well as Schnelle, Th., Glasser, H., Fuhr, G., An opto-electronic technique for auto atic detection of electrorotational spectra of single cells, m "Cellular Engineering" Vol. 2, 33-41, 1997).

Es sind ferner optische Feldfallen, auch "optical tweezers", "Laser-Pinzetten" oder "optical traps" genannt, bekannt, die seit etwa zwei Jahrzehnten auf den Gebieten der Biotechnologie, Medizin und Molekularbiologie sowie auf anderen technischen Gebieten zur Positionierung und Manipulation mikrometergroßer und sub- mikrometergroßer Partikel eingesetzt [G. Weber et al . in "Int. Rev. Cytol." Bd. 131, 1992, S. 1; S.M. Block m "Nonmvasive Techniques m Cell Biology", Wiley-Liss., New York 1990, S. 375] werden. Die Entwicklung der Laser-Pinzette geht vor allem auf A. Ashkm zur ck [A. Ashkm m "Phys. Rev. Lett.", Bd. 24, 1970, S. 156]. Das Prinzip des Partikeleinfangs durch optisch induzierte Kräfte beruht darauf, daß neben dem Lichtdruck, der stets ein Teilchen von der Lichtquelle wegdruckt, Gradientenkraf- te auftreten, die dazu fuhren, daß ein Teilchen m einen Fokus gelangt bzw. stabil m diesem gehalten oder mit diesem bewegt wird. Voraussetzung ist, daß die Absorption und Reflexion des Teilchens gering ist, wahrend der Unterschied im Brechungsindex zur Umgebungslosung möglichst groß sein sollte.There are also known optical field traps, also called "optical tweezers", "laser tweezers" or "optical traps", which have been used for about two decades in the fields of biotechnology, medicine and molecular biology and in other technical fields for positioning and manipulating micrometer-sized and submicron-sized particles are used [G. Weber et al. in "Int. Rev. Cytol." Vol. 131, 1992, p. 1; S.M. Block m "Nonmvasive Techniques m Cell Biology", Wiley-Liss., New York 1990, p. 375]. The development of the laser tweezers goes back mainly to A. Ashkm [A. Ashkm m "Phys. Rev. Lett.", Vol. 24, 1970, p. 156]. The principle of particle capture by optically induced forces is based on the fact that, in addition to the light pressure, which always pushes a particle away from the light source, gradient forces occur which lead to a particle getting a focus or being held stable with it or with it is moved. The prerequisite is that the absorption and reflection of the particle is low, while the difference in the refractive index from the surrounding solution should be as large as possible.

Laser-Pinzetten haben m den letzten Jahren vor allem deshalb eine größere Verbreitung erlangt, weil bei gleicher, stets starker Fokussierung des Lichtstrahls sowohl Teilchen, die großer als die Wellenlange (sogenannte Mie-Teilchen) , als auch Teilchen, die kleiner als die Wellenlange sind (sogenannte Rayleigh-Teilchen) , gefangen werden können. Das sind vor allem biologische Objekte wie Zellen, Organellen und andere Zellbestandteile und auch große Moleküle (wie DNA) und künstliche M kropartikel [S.M. Block et al. in "Nature", 1990, S. 348; J. M. Colon et al. in "Fertility and Steπlity", Bd. 57, 1992, S. 695 ff.].Laser tweezers have become more widespread in recent years because, with the same, always strong focusing of the light beam, both particles larger than that Wavelength (so-called Mie particles), as well as particles that are smaller than the wavelength (so-called Rayleigh particles) can be caught. These are primarily biological Whether j such as cells, organelles and other cell components and large molecules ects (such as DNA) and artificial kropartikel M [SM Block et al. in "Nature", 1990, p. 348; JM Colon et al. in "Fertility and Steπlity", vol. 57, 1992, pp. 695 ff.].

Von G. Fuhr et al . wird m "Topics m Current Chemistry", Bd. 194, Springer-Verlag Berlin, 1998, S. 83 ff., ein Mikroelek- trodensystem beschrieben, bei dem auf suspendierte Partikel elektrische, optische oder hydrodynamische Kräfte wirken. Es wird die Realisierung von Hybridprozessen beschrieben, bei denen Partikel abwechselnd erst mit elektrischen oder mit optischen Kräften manipuliert werden. Dieser Einsatz elektrischer oder optischer Kr fte ist dabei auf die Erfüllung bestimmter Ziele bei der Partikelhandhabung gerichtet. Mit den elektrischen Kräften erfolgen insbesondere elektrische Messungen an den Partikeln, wie sie oben erwähnt werden. Die optischen Kräfte hingegen dienen der Manipulierung der Partikel vor oder nach der elektrischen Messung. Die optischen Kräfte werden beispielsweise m Abhängigkeit vom Ergebnis der elektrischen Messung ausgeübt (Sortieren) . Die simultane Wirkung elektrischer und optischer Kräfte ist nicht vorgesehen.By G. Fuhr et al. "Topics m Current Chemistry", vol. 194, Springer-Verlag Berlin, 1998, p. 83 ff. describes a microelectrode system in which electrical, optical or hydrodynamic forces act on suspended particles. The implementation of hybrid processes is described in which particles are manipulated alternately with electrical or optical forces. This use of electrical or optical forces is aimed at fulfilling certain goals in particle handling. The electrical forces are used in particular to carry out electrical measurements on the particles, as mentioned above. The optical forces, on the other hand, serve to manipulate the particles before or after the electrical measurement. The optical forces are exerted, for example, as a function of the result of the electrical measurement (sorting). The simultaneous effect of electrical and optical forces is not intended.

Das Zusammenwirken elektrostatischer und optischer Kräfte bei der Erfassung schrittweiser Verstellungen von biologischen Zellen m Mikrosystemen wird von M. Nishioka et al . m "IEEE Transactions on Industry Application", Bd. 33, 1997, S. 127 ff., beschrieben. Unter der Wirkung des Strahlungsdrucks eines Lasers werden die zu untersuchenden Zellen gegen ein Deckglas über einer Elektrodenanordnung gedruckt, mit der umschaltbare elektrostatische Felder erzeugt werden. Die Zellen werden m Bezug auf ihre Orientierung m den elektrischen Feldern untersucht. Die Manipulation der Zellen bleibt bei dieser sogenannten optoelektrostatischen Technik auf geringe Verstellraten beschrankt. Es wurde festgestellt, daß bei Verstellgeschwmdigkeiten mit typischen Zeiten von 0,5 s die Zellbewegung nicht mehr den gewünschten Manipulierungsschritten folgt. Ein weiterer Nachteil der von M. Nishioka et al . beschriebenen Technik besteht m deren Beschrankung auf nicht-sphaπsche Partikel oder Partikel mit einer inhomogenen Struktur. Die obengenannte Messung passiver elektrischer Eigenschaften durch Aufnahme von Rotationsspektren ist mit der optoelektrostatischen Technik nicht möglich.The interaction of electrostatic and optical forces in the detection of gradual adjustments of biological cells in microsystems is described by M. Nishioka et al. m "IEEE Transactions on Industry Application", vol. 33, 1997, p. 127 ff. Under the effect of the radiation pressure of a laser, the cells to be examined are printed against a cover glass over an electrode arrangement, with which switchable electrostatic fields are generated. The cells are examined in relation to their orientation in the electrical fields. The manipulation of the cells remains with this so-called optoelectrostatic technique limited to low adjustment rates. It was found that at adjustment speeds with typical times of 0.5 s the cell movement no longer follows the desired manipulation steps. Another disadvantage of the method described by M. Nishioka et al. The technique described consists of restricting it to non-spherical particles or particles with an inhomogeneous structure. The above-mentioned measurement of passive electrical properties by recording rotation spectra is not possible with optoelectrostatic technology.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Verfahren zur dielektrischen Emzelpartikelspektroskopie m Mikrosystemen und Vorrichtungen zu deren Implementierung anzugeben, mit denen die o. a. Probleme gelost werden können und insbesondere die Teilchen m einem Rotationsfeld unabhängig davon, ob anziehende oder abstoßende dielektrophoretische Kräfte auftreten, freischwebend m einer Losung an einem beliebigen Punkt mit einer Genauigkeit unterhalb des Partikelradiuses im Rotationsfeld zu haltern, ohne daß die Rotationsgeschwindigkeit vermindert wird.The invention has for its object to provide new methods for dielectric single particle spectroscopy in microsystems and devices for their implementation, with which the above. Problems can be solved and, in particular, the particles in a rotating field, regardless of whether attractive or repulsive dielectrophoretic forces occur, are kept floating in a solution at any point with an accuracy below the particle radius in the rotating field, without reducing the speed of rotation.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination eines optischen Fangstrahl („optische Pinzette") und einem oder menreren rotierenden elektrischen Feldern variabler Winkelgeschwindigkeit mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 6 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abh ngigen Ansprüchen.This object is achieved by the combination of an optical catching beam (“optical tweezers”) and one or more rotating electrical fields of variable angular velocity with the features of claims 1 and 6, respectively. Advantageous embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.

Wichtige Gesichtspunkte der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß ein suspendiertes Teilchen (Partikel), das künstlich oder auch biologischer Natur sein kann, m einem stark fokussierten Laserstrahl gefangen wird, wie es von optischen Pinzetten bekannt ist. Der Fangpunkt des Lasers mit dem darin befindlichen Teilchen wird nun zwischen Mikroelektroden, die m der Regel planar auf ein glattes Substrat aufgebracht sind, gefuhrt, bis sich das Teilchen im Bereich des sich m der Losung ausbreitenden elektrischen Feldes befindet, sofern die Elektroden mit hochfrequenten, m geeigneter Weise phasenverschobenen Wechselspannungssignalen beaufschlagt werden. Das Teilchen befindet sich im Zustand freier Suspension. Es wird durch das Zusammenwirken elektrischer und optischer Kräfte gehalten.Important aspects of the invention consist in particular in that a suspended particle (particle), which can be artificial or also biological in nature, is caught in a strongly focused laser beam, as is known from optical tweezers. The capture point of the laser with the particles in it is now guided between microelectrodes, which are usually planarly applied to a smooth substrate, until the Particles are located in the area of the electric field spreading out in the solution, provided the electrodes are exposed to high-frequency, phase-shifted alternating voltage signals in a suitable manner. The particle is in a free suspension state. It is held by the interaction of electrical and optical forces.

Zweckmaßigerweise positioniert man den Laserfokus auf einer Linie die senkrecht auf dem Punkt steht, der das Feldminiumum zwischen den Elektroden bezeichnet. Selbst wenn Kräfte durch das elektrische Rotationsfeld entwickelt werden, die das Teilchen an die Elektroden ziehen wollen, wirken diese an diesem Ort m alle Elektrodenrichtungen ziemlich gleichmäßig, so daß es erfmdungs- gemaß nur sehr geringer Kräfte bedarf, das Teilchen trotz der feldinduzierten Anziehungskräfte stabil im Laserfokus zu halten. Andererseits muß die Intensität des Lasers so hoch gewählt werden, daß das Teilchen angehoben wird. Sollte das Teilchen über die elektrisch induzierten Polarisationskrafte von den Elektroden abgestoßen werden, so sind die Kräfte des optischen Feldes noch geringer wahlbar, da sich das Teilchen selbst auf der bezeichneten Symmetrielinie zentriert. Hier wird es jedoch angehoben und aus dem Elektrodenbereich gedrangt. Diese Kraft muß wiederum über die Wahl der Intensität des Laserstrahl kompensiert werden. Dieses auf optisch induziertem Wege sehr stabil m freier Losung gefangene Teilchen erfahrt durch das elektrische Drehfeld ein Drehmoment und kann frequenzabhangig m der an sich bekannten Art m langsame Drehung versetzt werden.The laser focus is expediently positioned on a line which is perpendicular to the point which denotes the field minimum between the electrodes. Even if forces are developed by the rotating electric field that want to pull the particle to the electrodes, they act at this location in all electrode directions pretty evenly, so that, according to the invention, only very small forces are required to keep the particle stable in spite of the field-induced attractive forces Hold laser focus. On the other hand, the intensity of the laser must be chosen so high that the particle is raised. If the particle is repelled by the electrodes via the electrically induced polarization forces, the forces of the optical field can be selected even less, since the particle itself centers on the designated line of symmetry. Here, however, it is raised and pushed out of the electrode area. This force must be compensated for by the choice of the intensity of the laser beam. This particle, which is caught very optically by m free solution, experiences a torque through the rotating electrical field and can be shifted depending on the frequency m in the manner known per se m slow rotation.

Es handelt sich somit um ein Verfahren und eine elektro-optischen Vorrichtung zur automatischen Rotationsmessung an einzelnen Mi- kropartikeln, insbesondere zur Messung der Rotationsgeschwmdig- keit von lebenden Zellen als Funktion der Rotationsfrequenz eines elektrischen Feldes, wobei die Halterung des Meßobjektes im Rotationsfeld m einem Laserfokus erfolgt. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß beide Kräfte (optisch und elektrische) sich nahezu wechselwirkungsfrei erganzen und wechselweise optimiert verringert werden können. Das optische Fangfeld ist zudem von der Leitfähigkeit der Suspensionslosung unabhängig, so daß m unbegrenzter Weise m leitfahi- gen bis wenig leitfa igen Losungen gearbeitet werden kann, was bisher nicht möglich war. Ein weiterer Vorteil besteht dann, daß erfmdungsgemaß sehr eng stehende Elektroden verwendet und damit anwendungsabhangig mit geringeren Amplituden gemessen werden kann. Ferner lassen sich neue Elektrodenformen zur Erzeugung von Feldgradienten einsetzen, was bisher ausgeschlossen war. Damit wird der Einsatzbereich der dielektrischen Spektroskopie erheblich erweitert.It is therefore a method and an electro-optical device for automatic rotation measurement on individual microparticles, in particular for measuring the speed of rotation of living cells as a function of the rotation frequency of an electrical field, the object being held in the rotation field using a laser focus he follows. A particular advantage of this method is that both forces (optical and electrical) complement each other almost without interaction and can be alternately reduced. The optical capture field is also independent of the conductivity of the suspension solution, so that m conductive to poorly conductive solutions can be used in an unlimited manner, which was previously not possible. A further advantage is then that, according to the invention, electrodes which are very close together can be used and can therefore be measured with lower amplitudes depending on the application. Furthermore, new electrode shapes can be used to generate field gradients, which was previously impossible. This considerably extends the field of application of dielectric spectroscopy.

Durch die überaus präzise (auf einen Mikrometer und weniger) genaue Positionierung der Teilchen lassen sich nunmehr m sehr einfacher Weise automatische Meßverfahren, z.B. der Bilderkennung und der Streulichtmessung etc. zur automatischen Erfassung der Rotationsspektren der Partikeln adaptieren. Dies geschieht m bekannter Weise, z.B. über eine mikroskopische Beobachtung.Due to the extremely precise (to a micrometer and less) precise positioning of the particles, automatic measuring methods can now be m very easily, e.g. Adapt the image recognition and the scattered light measurement etc. for the automatic detection of the rotation spectra of the particles. This is done in a known manner, e.g. through microscopic observation.

Im folgenden sind die wesentlichen Merkmale der Erfindung an m den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispielen erläutert. Es zeigen:In the following, the essential features of the invention are explained in the exemplary embodiments shown in the drawings. Show it:

Figur 1: eine Ubersichtsdarstellung zur erfmdungsgemaßen Halte- rung eines Teilchens in einer Quadrupolanordnung zur dielektrischen Spektroskopie mit einer Laser-Pinzette;FIG. 1: an overview representation for holding a particle according to the invention in a quadrupole arrangement for dielectric spectroscopy with laser tweezers;

Figur 2 : eine Kurvendarstellung der Abhängigkeit des Drehmomentes bzw. der an- oder abstoßenden Kräfte von der Frequenz f desFigure 2 is a graph showing the dependence of the torque or the pushing or pulling forces on the frequency f of

Rotationsfeldes (ω = 2 π f) ; Figur 3: eine Ubersichtsdarstellung zur erfmdungsgemaßen Kombination eines Mikrosystems zur dielektrischen Spektroskopie mit einer Mikroskopanordnung, undField of rotation (ω = 2 π f); FIG. 3: an overview representation for the combination according to the invention of a microsystem for dielectric spectroscopy with a microscope arrangement, and

Figur 4: eine schematische Illustration eines Mikrosystems für Screenmg-Aufgaben .Figure 4: a schematic illustration of a microsystem for Screenmg tasks.

Figur 1 zeigt einen perspektivischen Blick auf die Anordnung. Einzelheiten des Mikrosystems, die an sich bekannt sind, werden nicht dargestellt. Ein Partikel 11, suspendiert m einer Umgebungslosung 12, befindet sich im Strahlungsfeld eines stark fo- kussierten Laserstrahls 13 und wird im Fokus 14 gefangen. Vier planar auf einem Substrat 15 befindliche, m der Regel planare Elektroden 16a bis 16d werden ber 90 Grad phasenverschobene Signale (Phasenlage 0°, 90°, 180°, 270°) gleicher Frequenz (Amplituden z. B. etwa 1 bis 20 V) angesteuert, so daß ein Drehfeld m der x-y-Ebene entsteht. Entsprechend dreht das gefangene Partikel durch die starken Reibungskräfte gegenüber der Suspensions- flussigkeit 12 wesentlich langsamer, als das Feld rotiert. Die Rotationsgeschwindigkeit des Objektes als Funktion der Frequenz wird durch Vermessung oder Beobachtung des Teilchens ermittelt und liefert die gewünschten Rotationsspektren. Alternativ können auch 3 oder mehr Elektroden in einer Ebene, von stärkerer Dicke als auch m einer Mehrebenenanordnung verwendet werden.Figure 1 shows a perspective view of the arrangement. Details of the microsystem that are known per se are not shown. A particle 11, suspended in an ambient solution 12, is located in the radiation field of a strongly focused laser beam 13 and is caught in the focus 14. Four planar electrodes 16a to 16d, which are usually planar on a substrate 15, are phase-shifted signals by 90 degrees (phase angle 0 °, 90 °, 180 °, 270 °) of the same frequency (amplitudes, for example, about 1 to 20 V) controlled so that a rotating field m of the xy plane is created. Correspondingly, due to the strong frictional forces, the captured particle rotates much more slowly than the field rotates compared to the suspension liquid 12. The speed of rotation of the object as a function of frequency is determined by measuring or observing the particle and provides the desired rotation spectra. Alternatively, 3 or more electrodes can also be used in one plane, of greater thickness as well as in a multilevel arrangement.

Das m Fig. 1 gezeigte Mikrosystem kann vorteilhafterweise mit Resonanzeinrichtungen zur Ausbildung einer resonanten Erhöhung oder Dampfung der Feldstarke der elektrischen Wechselfelder bei vorbestimmten Frequenzen ausgestattet sein, wie sie m PCT/EP96/05244 beschrieben sind. Der Inhalt der Patentanmeldung PCT/EP96/05244 wird hiermit vollständig durch ausdrückliche Bezugnahme m den Inhalt der vorliegenden Beschreibung einbezogen. Dies betrifft insbesondere alle Maßnahmen zur Erzeugung von Reso- nanzerschemungen m Partikelsuspensionen in Mikroelektrodenan- ordnungen.The microsystem shown in FIG. 1 can advantageously be equipped with resonance devices for forming a resonant increase or damping of the field strength of the alternating electrical fields at predetermined frequencies, as described in PCT / EP96 / 05244. The content of patent application PCT / EP96 / 05244 is hereby incorporated in its entirety by express reference to the content of the present description. This applies in particular to all measures for generating resonance Nanzeschemungen m particle suspensions in microelectrode arrangements.

Figur 2 zeigt ein Rotationsspektrum (Kurve 21, das Spektrum einer lebenden Zelle beschreibend) und die dazugehörige dielek- trophoretische Kraft (Kurve 22) an. Es zeigt sich, daß die Zelle ohne das optische Fangfeld im Frequenzbereich (ω) zwischen 20 Hz und 1 GHz an die Elektroden gezogen wurde. Bei den dargestellten Kurven handelt es sich um eine Messung an einer 20 μm großen Zelle m einer wassrigen Losung mit einer Leitfähigkeit von ImS/m, wie sie für Algen typisch ist. Dadurch konnte bisher m diesem Frequenzbereich nicht oder nur mit verminderter Genauigkeit gemessen werden, wie dies oben erläutert wurde. Erfmdungsgemaß wird mit der Laser-Pinzette die durch die Kurve 22 repräsentierte Kraftwirkung kompensiert. Entsprechend wird die Laser-Pinzette mit derartigen Betriebsparametern eingesetzt, daß eine genügend große Fangkraft auf das Teilchen ausgeübt wird.FIG. 2 shows a rotation spectrum (curve 21, describing the spectrum of a living cell) and the associated dielectrophoretic force (curve 22). It can be seen that the cell was pulled to the electrodes without the optical capture field in the frequency range (ω) between 20 Hz and 1 GHz. The curves shown are a measurement on a 20 μm cell in an aqueous solution with a conductivity of ImS / m, as is typical for algae. As a result, it has hitherto not been possible to measure in this frequency range or only with reduced accuracy, as was explained above. According to the invention, the force force represented by curve 22 is compensated for with the laser tweezers. Accordingly, the laser tweezers are used with such operating parameters that a sufficiently large trapping force is exerted on the particle.

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung, die mindestens einseitig transparent ist, mit weiteren Einzelheiten, mit der die Rotationsmessungen durchgeführt werden können. Auf einem Substrat 31 (z.B. Glas) werden mit den Mitteln der Halbleitertechnologie planare Elektroden 32a bis 32d prozessiert und über die Zuleitungen 33a bis 33d mit Wechselspannungssignalen zur Rotationsfelderzeugung beaufschlagt. Durch die Seitenwande 34a, 34b und die weniger als 250 μm dicke Deckplatte 35 wird ein Kanal gebildet, m den die Par- tikelsuspension eingespult werden kann (36, Pfeilrichtung) . Die Kanaldecke besteht aus Glas, so daß ein Objektiv 37 hoher numerischer Apertur, z.B. auch als Olim ersionsobj ektiv (01 38) einen stark fokussierten Laserfokus im Kanalinneren erzeugen kann, m dem das Partikel 39 gefangen wird. Sinngemäß können noch weitere Elektroden eingeführt werden und kann der Laserstrahl oder der Kanal relativ zueinander verschoben werden. Das Gesamtsystem ist als Zusatz zu einem Mikroskop ausfuhrbar. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 4 erläutert. Fig. 4 zeigt ein Mikrosystem, das für den Aufbau eines Testsystems (Assaysystem) für das Hochdurchsatz- screenmg ausgebildet ist. Das Mikrosystem 40 weist eine Kanal- Struktur 41a, 41b auf. Der erste Kanal 41a wird von einer Suspension mit Partikeln durchströmt, die getestet werden sollen. Die Partikel umfassen beispielsweise biologische Zellen oder modifizierte synthetische Partikel oder Kombinationen aus biolgischen Zellen und synthetischen Partikeln. Der zweite Kanal 41b, der von einer Losung oder Suspension einer Testsubstanz durchströmt wird, mundet m den ersten Kanal 41a. Die Testsubstanz umfaßt vorzugsweise Liganden, z.B. Antikörper.FIG. 3 shows a device that is transparent at least on one side, with further details with which the rotation measurements can be carried out. Planar electrodes 32a to 32d are processed on a substrate 31 (for example glass) using the means of semiconductor technology and AC signals are applied via the feed lines 33a to 33d for generating the rotating field. A channel is formed through the side walls 34a, 34b and the cover plate 35, which is less than 250 μm thick, through which the particle suspension can be wound (36, arrow direction). The channel ceiling is made of glass, so that a lens 37 with a high numerical aperture, for example also as an olim ersionsobj ektiv (01 38) can generate a highly focused laser focus in the channel interior, with which the particle 39 is captured. Analogously, further electrodes can be inserted and the laser beam or the channel can be shifted relative to one another. The entire system can be implemented as an addition to a microscope. A preferred application of the invention is explained below with reference to FIG. 4. FIG. 4 shows a microsystem which is designed for the construction of a test system (assay system) for the high-throughput screenmg. The microsystem 40 has a channel structure 41a, 41b. A suspension with particles that are to be tested flows through the first channel 41a. The particles include, for example, biological cells or modified synthetic particles or combinations of biological cells and synthetic particles. The second channel 41b, through which a solution or suspension of a test substance flows, flows into the first channel 41a. The test substance preferably comprises ligands, for example antibodies.

Stromaufwärts m Bezug auf die Einmündung des zweiten Kanals 41b ist am ersten Kanal 41a ein erstes Elektrodensystem 42a angebracht, das beispielsweise wie das Mikroelektrodensystem gemäß Fig. 1 aufgebaut ist. Stromabwarts gegenüber dem Mundungspunkt ist ein zweites Elektrodensystem 42b angeordnet. Die Elektrodensysteme 42a, 42b sind für Rotationsmessungen an den Partikeln 43 vor bzw. nach der Wechselwirkung mit der Testsubstanz ausgelegt. Jede Elektrodenanordnung ist mit einer Lasereinrichtung und einer Mikroskopanordnung zur Erzeugung der optischen Fallen ausgestattet (s. Fig. 3). Ein Testablauf konnte beispielsweise wie folgt realisiert werden.Upstream of the junction of the second channel 41b, a first electrode system 42a is attached to the first channel 41a, which is constructed, for example, like the microelectrode system according to FIG. 1. A second electrode system 42b is arranged downstream of the mouth point. The electrode systems 42a, 42b are designed for rotational measurements on the particles 43 before or after the interaction with the test substance. Each electrode arrangement is equipped with a laser device and a microscope arrangement for generating the optical traps (see FIG. 3). A test procedure could be implemented as follows, for example.

Zunächst werden die anströmenden Partikel 43 im ersten Elektrodensystem 42a einer ersten Rotationsmessung (bei simultaner Hal- terung mit einer optischen Falle) unterzogen. Nach Vermengung mit der Testsubstanz ergeben sich Wechselwirkungen (z.B. Partikel 43a) , deren Einfluß auf die Partikeleigenschaften durch die zweite Rotationsmessung im Elektrodensystem 42b erfaßt wird. Die geänderten Eigenschaften können absolut durch charakteristische Spektren oder relativ durch Vergleich der Spektren der ersten und zweiten Rotationsmessungen ermittelt werden. Nach der zweiten Rotationsmessung werden die Partikel aus dem zweiten Elektrodensystem freigegeben, ggf. weitere Rotationsmessungen m weiteren (nicht dargestellten) Elektrodenanordnungen unterzogen und je nach dem Meßergebnis einem Sortiervorgang unterzogen.First, the inflowing particles 43 in the first electrode system 42a are subjected to a first rotation measurement (with simultaneous holding with an optical trap). After mixing with the test substance there are interactions (eg particles 43a), the influence of which on the particle properties is detected by the second rotation measurement in the electrode system 42b. The changed properties can be absolutely by characteristic spectra or relatively by comparing the spectra of the first and second rotation measurements can be determined. After the second rotation measurement, the particles are released from the second electrode system, possibly subjected to further rotation measurements in further electrode arrangements (not shown) and, depending on the measurement result, subjected to a sorting process.

Typische Anwendungen für ein Testsystem gemäß Fig. 4 sind Bindungsstudien und die Ermittlung kinetischer Parameter (Assoziationskonstante, Dissoziationskonstante) im Rahmen der Charakterisierung von Wechselwirkungen zwischen Biomolekulen untereinander oder mit kleinen organischen oder anorganischen Molekülen. Biomolekule und zugehörige Anwendungsbeispiele können dabei sein: Antigene-Antikorper, bei Studien zur Entwicklung von Imunoreagen- zien und Imunoassays, Epitope-Mappmg und Screenmg von Phagen- Bibliotheken; Liganden und ihre zellmembranstandigen Rezeptoren; Zelladhasionsmolekule und ihre Liganden, z.B. bei Untersuchungen der Affinitat zwischen Cadhermen und Integπnen und ihren zellmembranstandigen Rezeptoren; Membranmolekule, wie z.B. Lipide oder Glykoproteme, bei Untersuchungen der Wechselwirkung dieser Moleküle mit anderen löslichen oder zellmembranbestandigen Biomolekulen; extrazellulare Matπxmolekule und ihre loslichen oder zellmembranstandigen Liganden; intrazellulare Botenstoffe, bei Untersuchungen der Signalweiterleitung innerhalb der Zelle durch Wechselwirkung von Molekülen einer Signalweiterleitungskaskade; lösliche Proteine und Peptide, bei der Überwachung der Produktion von Proteinen und Peptiden m einem biotechnologischen Prozeß; Enzyme und ihre Substrate und Cofaktoren, beispielsweise bei Untersuchungen von Blutgerinnungsfaktoren; Proteine oder Peptide und DNA- oder RNA-Molekule, beispielsweise bei der Mutationsanalyse durch unterschiedlich starke Bindung von veränderter DNA an bestimmte Proteine oder Untersuchungen von Transskriptionsfakto- ren; und Oberflachenmolekule von Viren, Bakterien, Pilzen, Pias moiden oder anderen pathogenen Mikroorganismen und der Zellmembran einer Wirtszelle, beispielsweise zur Entwicklung anti- infektiver Strategien.Typical applications for a test system according to FIG. 4 are binding studies and the determination of kinetic parameters (association constant, dissociation constant) in the context of the characterization of interactions between biomolecules with one another or with small organic or inorganic molecules. Biomolecules and associated application examples can be: antigen antibodies, in studies for the development of immunoreagents and immunoassays, epitope mapping and screen mg from phage libraries; Ligands and their cell membrane receptors; Cell adhesion molecules and their ligands, for example in studies of the affinity between cadherms and integers and their receptors located in the cell membrane; Membrane molecules, such as lipids or glycoprotems, when studying the interaction of these molecules with other soluble or cell membrane-containing biomolecules; extracellular matrix molecules and their soluble or cell membrane-bound ligands; intracellular messenger substances, in the investigation of signal transmission within the cell through the interaction of molecules in a signal transmission cascade; soluble proteins and peptides, in the monitoring of the production of proteins and peptides in a biotechnological process; Enzymes and their substrates and cofactors, for example in the study of blood coagulation factors; Proteins or peptides and DNA or RNA molecules, for example in mutation analysis by binding differently strong DNA to certain proteins or studies of transcription factors; and surface molecules of viruses, bacteria, fungi, pias Moiden or other pathogenic microorganisms and the cell membrane of a host cell, for example for the development of anti-infective strategies.

Ein erfindungsgemäßes Testsystem kann auch eine Vielzahl von Mi- krosystemen gemäß Fig. 4, die seriell oder parallel zusammenwirken, aufgebaut sein. A test system according to the invention can also be constructed from a multiplicity of microsystems according to FIG. 4, which interact in series or in parallel.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 1. Verfahren zur dielektrischen Spektroskopie an mindestens einem Teilchen in einem Mikrosystem, bei dem das Teilchen in einer Elektrodenanordnung hochfrequenten elektrischen rotierenden Feldern ausgesetzt und gleichzeitig frei suspendiert im Fokus einer optischen Falle gehalten wird, wobei an dem Teilchen Rotationsspektren durch Messung der Rotationsgeschwindigkeit als Funktion der Frequenz der rotierenden elektrischen Felder ermittelt werden.1. A method for dielectric spectroscopy on at least one particle in a microsystem, in which the particle in an electrode arrangement is exposed to high-frequency electrical rotating fields and at the same time is freely suspended in the focus of an optical trap, with the spectra rotating spectra by measuring the rotational speed as a function of Frequency of the rotating electrical fields can be determined. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die optische Falle mit einer Lasereinrichtung erzeugt wird, die mit einer derartigen Strahlungsintensität betrieben wird, daß die optischen Kräfte in der optischen Falle stärker als feldinduzierte Anziehungsoder Abstoßungskräfte der Elektrodenanordnung sind.2. The method according to claim 1, wherein the optical trap is generated with a laser device which is operated with such a radiation intensity that the optical forces in the optical trap are stronger than field-induced attraction or repulsion forces of the electrode arrangement. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem mehrere optische Fallen verwendet werden, um mehrere Teilchen zu haltern, und simultan oder seriell einer Rotationsspektrenmessung unterzogen zu werden.3. The method of claim 1, wherein a plurality of optical traps are used to hold a plurality of particles and are subjected to a rotation spectra measurement simultaneously or serially. 4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem am Teilchen eine erste und eine zweite Rotationsspektrenmessung durchgeführt werden, wobei zwischen den Rotationsspektrenmessungen das Teilchen mit einer Testsubstanz zur Wechselwirkung gebracht wird und nach der zweiten Rotationsspektrenmessung das Teilchen einem Sortiervorgang in Abhängigkeit von einer Modifizierung der dielektrischen Eigenschaften des Teilchens nach der Wechselwirkung unterzogen wird. 4. The method according to claim 1 or 2, in which a first and a second rotation spectra measurement are carried out on the particle, the particle being brought into interaction with a test substance between the rotation spectra measurements and after the second rotation spectra measurement the particle undergoing a sorting process as a function of a modification of the dielectric properties of the particle is subjected to the interaction. 5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem nach der zweiten Rotationsspektrenmessung mindestens eine weitere Testsubstanz zugeführt wird und mindestens eine weitere Rotationsspektrenmessung erfolgt.5. The method according to claim 4, wherein at least one further test substance is supplied after the second rotation spectrum measurement and at least one further rotation spectrum measurement is carried out. 6. Vorrichtung zur dielektrischen Spektroskopie an mindestens einem suspendierten Teilchen m einem Mikrosystem, das mindestens eine Elektrodenanordnung zur Ausbildung elektrischer Ro- tationsfelder und eine Einrichtung zur Bildung mindestens einer optischen Falle im Wirkungsbereich der Elektrodenanordnung umfaßt .6. Device for dielectric spectroscopy on at least one suspended particle in a microsystem, which comprises at least one electrode arrangement for forming electrical rotation fields and a device for forming at least one optical trap in the effective range of the electrode arrangement. 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die zur Bildung der optischen Falle im Mikrosystem eine Lasereinrichtung und eine Mikroskopanordnung aufweist.7. The device according to claim 6, which has a laser device and a microscope arrangement for forming the optical trap in the microsystem. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der im Mikrosystem ein erster Kanal (41a) mit einer ersten (42a) und mindestens einer zweiten (42b) Elektrodenanordnung jeweils mit einer ersten und einer zweiten Lasereinrichtung zur Bildung optischer Fallen vorgesehen ist, wobei zwischen den Elektrodenanordnungen (42a, 42b) m den ersten Kanal (41a) mindestens ein zweiter Kanal (41b) zur Zufuhrung von Testsubstanzen mundet und stromabwärts nach den Elektrodenanordnungen eine Sortiereinrichtung vorgesehen ist.8. The device according to claim 6 or 7, in which a first channel (41a) with a first (42a) and at least a second (42b) electrode arrangement is provided in the microsystem, each with a first and a second laser device for forming optical traps, wherein between the electrode arrangements (42a, 42b) m the first channel (41a) at least one second channel (41b) for supplying test substances and a sorting device is provided downstream of the electrode arrangements. 9. Verwendung einer optischen Falle (Laser-Pinzette) zur frei suspensierten Halterung von Teilchen m elektrischen Rotationsfeldern. 9. Use of an optical trap (laser tweezers) to hold particles freely suspended in electrical rotating fields.
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