DE102006002462A1

DE102006002462A1 - Elektrischer Feldkäfig und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102006002462A1
Application number: DE102006002462A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schnelle; Torsten Müller
Original assignee: Evotec Technologies GmbH
Current assignee: PerkinElmer Cellular Technologies Germany GmbH
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-19
Also published as: EP1973661A1; US20100155246A1; WO2007082738A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Feldkäfig (6) zur räumlichen Fixierung von Partikeln (2, 3), die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind, insbesondere in einem mikrofluidischen System, mit mehreren elektrisch ansteuerbaren Käfigelektroden (7, 8) zur Erzeugung eines Fangfeldes. Es wird vorgeschlagen, dass mindestens eine der Käfigelektroden (8) ringförmig ist und die andere Käfigelektrode (7) umgibt. Weiterhin umfasst die Erfindung ein zugehöriges Betriebsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Feldkäfig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche.

Aus Müller, T. et al.: "A 3D-Microelectrode for Handling and Caging Single Cells and Particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 sind mikrofluidische Systeme mit dielektrophoretischen Feldkäfigen bekannt, die eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel in der strömenden Trägerflüssigkeit ermöglichen, so dass diese Elektrodenanordnungen entsprechend ihrer Funktion auch als Feldkäfig (engl. "cage") bezeichnet werden. Die bekannten Feldkäfige weisen eine dreidimensionale Elektrodenkonfiguration mit beispielsweise acht kubisch angeordneten Käfigelektroden auf.

Nachteilig an diesen bekannten dreidimensionalen Feldkäfigen ist neben der notwendigen genauen Assemblierung der dreidimensionalen Elektrodenanordnung das unbefriedigende Verhältnis von Fixierungskraft, der erforderlichen elektrischen Spannung zur Ansteuerung der Feldkäfige und der thermischen Erhitzung der fixierten Partikel aufgrund der elektrischen Ansteuerung des Feldkäfigs. So werden die Partikel hierbei zentral zwischen den Elektrodenebenen gefangen, wo zum einen die Fangkräfte am geringsten und zum anderen die Flussgeschwindigkeit im Kanal und damit die auslenkenden Kräfte am größten sind. Zwar führt eine Spannungserhöhung bei der Ansteuerung der herkömmlichen Feldkäfige zu einer erwünschten Erhöhung der Fixierungskraft. Dies ist aber mit einer unerwünschten Zunahme der Erwärmung der fixierten Partikel verbunden, insbesondere in physiologischen oder höher leitfähigen Medien.

Aus FUHR, G. et al.: "Levitation, holding, and rotation of cells within traps made by high-frequency fields", Biochimica et Biophysica Acta, 1108 (1992) 215-223 sind weiterhin planare Feldkäfige bekannt, bei denen die Käfigelektroden in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet sind.

Nachteilig an diesen planaren Elektrodenanordnungen ist die Tatsache, dass die zu fixierenden Partikel bei negativer Dielektrophorese rechtwinklig zur Elektrodenebene abgestoßen werden, so dass diese Elektrodenanordnungen allein nicht zur Fixierung und Halterung von Partikeln geeignet sind. Allerdings können die bekannten planaren Elektrodenanordnungen als Feldkäfige eingesetzt werden, wenn eine zusätzliche Kraft ausgenutzt wird, wie beispielsweise die Gravitationskraft oder die von einem Laser-Tweezer erzeugte Kraft.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen entsprechend verbesserten Feldkäfig zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Feldkäfig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß den Nebenansprüchen gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass mindestens eine der Käfigelektroden die andere Käfigelektrode ringförmig umgibt.

Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer ringförmigen Käfigelektrode ist in geometrischer Hinsicht nicht auf kreisringförmige Käfigelektroden beschränkt, sondern schließt verschiedene Formgebungen ein. Beispielsweise kann die ringförmige Käfigelektroden polygonförmig, rechteckig, elliptisch oder allgemein rund sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die äußere Ringelektrode eine innere Ringelektrode. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgeben diese beiden Ringelektroden eine dritte bspw. kreisförmige Elektrode. Beide Anordnungen eignen sich besonders gut für die Manipulation von Partikeln mittels negativer Dielektrophorese.

Weiterhin umfasst die Erfindung die allgemeine technische Lehre, anstelle der eingangs beschriebenen bekannten dreidimensionalen Feldkäfige eine im Wesentlichen planare Elektrodenstruktur als Feldkäfig zu verwenden.

Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines planaren Feldkäfigs ist vorzugsweise dahingehend zu verstehen, dass die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind, wohingegen die zu fixierenden Partikel bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen dreidimensionalen Feldkäfigen innerhalb des Feldkäfigs fixiert werden, so dass die einzelnen Käfigelektroden den fixierten Partikel auf verschiedenen Seiten umgeben.

Die Käfigelektroden befinden sich also vorzugsweise auf einem Substrat (d.h. einer Oberfläche), wobei es sich beispielsweise um Glas, Kunststoff oder Silizium handeln kann. Das Substrat mit den Käfigelektroden kann beispielsweise an einer oberen Kanalwand des Trägerstromkanals oder an einer unteren Kanalwand des Trägerstromkanals angeordnet sein.

Vorzugsweise weisen die einzelnen Käfigelektroden einen vertikalen Elektrodenabstand auf, der kleiner ist als die late rale Elektrodenabstand, wohingegen der Elektrodenabstand bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen dreidimensionalen Feldkäfigen wesentlich größer ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erfindungsgemäße Feldkäfig genau zwei Käfigelektroden auf, jedoch ist die Erfindung hinsichtlich der Anzahl der Käfigelektroden nicht auf genau zwei Käfigelektroden zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel beschränkt. Vielmehr ist es beispielsweise auch möglich, dass der erfindungsgemäße Feldkäfig drei, vier, sechs oder acht Käfigelektroden aufweist oder eine andere Anzahl von Käfigelektroden.

Weiterhin sind die einzelnen Käfigelektroden des Feldkäfigs vorzugsweise jeweils planar und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.

In einer Variante der Erfindung sind sämtliche Käfigelektroden in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet, so dass die gesamte Elektrodenanordnung exakt planar ist.

In einer anderen Variante der Erfindung sind die Käfigelektroden dagegen in zwei parallelen und zueinander versetzten Ebenen angeordnet. Auch diese Variante kann jedoch im Rahmen der Erfindung als planare Elektrodenanordnung bezeichnet werden, da die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind.

Darüber hinaus ist auch der vertikale Elektrodenabstand hierbei vorzugsweise wesentlich kleiner als die laterale Elektrodenausdehnung. Hierbei kann die innere ringförmige Käfigelektroden wahlweise über oder unter der äußeren ringförmigen Käfigelektrode angeordnet sein.

Die ringförmigen Käfigelektroden können im Rahmen der Erfindung konzentrisch oder exzentrisch zueinander angeordnet sein, jedoch ist eine konzentrische Anordnung der Käfigelektroden bevorzugt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei ringförmigen Käfigelektroden umschließt die innere ringförmige Käfigelektrode eine Öffnung in einer Kanalwand eines Trägerstromkanals, wobei die suspendierten Partikel durch diese Öffnung in der Kanalwand eintreten oder austreten können. Durch die Öffnung in der Kanalwand des Trägerstromkanals können die suspendierten Partikel beispielsweise in fluidische Ruhezonen (z.B. Speicherreservoirs) oder in andere Kanäle überführt werden.

Ferner besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass mindestens eine der ringförmigen Käfigelektroden an einer Seite geöffnet ist und/oder an einer Seite eine Passivierungsschicht aufweist, um die Elektrodenanordnung in einer bestimmten Richtung zu schwächen. Die Verwendung von Passivierungsschichten zur Schwächung des Feldkäfigs hat hierbei den Vorteil, dass die relative Schwächung der von dem Feldkäfig erzeugten Feldbarriere über die Frequenz des Feldes gesteuert werden kann. Dabei können auch zellbiologisch eingesetzte Moleküle, wie z.B. Lamin, als Isolationsschicht dienen. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Einkoppeln des Feldes in die Trägerlösung über der gegebenen Passivierungsschicht frequenz- und mediumabhängig ist. So nimmt die Feldeinkopplung in die Trägerlösung mit der Frequenz zu und fällt mit dem Verhältnis der Leitfähigkeiten von Medium und Passivierungsschicht und der Dicke der Passivierungsschicht.

Durch applizieren einer niedrigeren Frequenz öffnet sich der Feldkäfig in Richtungen der Passivierungsschichten. Alterna tiv kann das Einströmen eines andern Mediums (bspw. mit anderer Leitfähigkeit) als Schalter genutzt werden. Dieses Verfahren kann sowohl das Befüllen der nDEP-Ringarrays (welches über stromaufwärts gelegene Deflektoren bzw. Funneln vereinfacht werden kann) als auch das Entlassen in definierte Richtungen erleichtern. Zusätzlich dazu können dadurch bestimmte Zellwachstumsrichtungen gezielt bevorzugt werden. Dies kann bspw. zum Aufbau eines definierten Neuronennetzwerkes eingesetzt werden. Hierzu wird etwa ein Array aus nDEP-Ringstrukturen auf einem bspw. rechteckigen Gitter zunächst mit einzelnen Neuronen befüllt. Das Wachstum der Axone kann gemäß der vordefinierten Passivierungen erlaubt/geschaltet werden. Bei individuell ansteuerbaren nDEP-Ringstrukturen kann dies auch individuell erfolgen. Alternativ können die Öffnungen auch über einen Laser durch Ablation von Elektrodenmaterial nach dem Anwachsen der Zellen realisiert werden. nDEP-Ring-Arrays können des Weiteren zum Sammeln und ggf. anschließenden Kryokonservieren von insbesondere partikulärem Material aus Suspensionen verwendet werden.

Im Rahmen der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, dass die einzelnen Käfigelektroden wahlweise gleich oder unterschiedlich geformt sind.

Weiterhin weist der erfindungsgemäße Feldkäfig einen bestimmten Fangpunkt (Minimum des elektrischen Feldes bei negativer Dielektrophorese) auf, in dem die Partikel räumlich fixiert werden, wobei der Fangpunkt wahlweise direkt an einer Kanalwand des Trägerstromkanals liegt oder zu den Kanalwänden des Trägerstromkanals beabstandet ist. Die wandnahe Fixierung der suspendierten Partikel bietet den Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeit dort wesentlich niedriger ist als in der Mitte des Trägerstromkanals, so dass zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel kleinere Haltekräfte ausreichen.

Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das Substrat mit einer Passivierungsschicht, einer biochemischen Beschichtung und/oder einer Nanoschicht versehen ist. Die biochemische Beschichtung des Substrats kann beispielsweise die Adhäsionseigenschaften des Substrats für die zu fixierenden Partikel modifizieren und/oder Differenzierungssignale für die zu fixierenden Partikel setzen.

In einer Variante sind hierbei innerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode und außerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode unterschiedliche Beschichtungen auf das Substrat aufgebracht, wobei die Beschichtung innerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode auf die zu fixierenden Partikel adhäsiv (anziehend) wirkt, während die Beschichtung außerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode auf die zu fixierenden Partikel repulsiv (abstoßend) wirkt.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist das Substrat mit den Käfigelektroden des Feldkäfigs nicht an einer Kanalwand des Trägerstromkanals angeordnet, sondern das Substrat durchzieht den Trägerstromkanal in Strömungsrichtung mittig in Form einer Membran, so dass das Substrat den Trägerstromkanal in zwei Teilkanäle aufteilt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich in dem Substrat eine Öffnung befindet, durch die Partikel von dem einen Teilkanal in den anderen Teilkanal des Trägerstromkanals übertreten können.

Bei dem erfindungsgemäßen Feldkäfig handelt es sich vorzugsweise um einen dielektrophoretischen Feldkäfig, wobei wahlweise positive Dielektrophorese oder negative Dielektrophorese eingesetzt werden kann, um die suspendierten Partikel räumlich zu fixieren.

Weiterhin umfasst die Erfindung eine Variante mit einer Vielzahl von Feldkäfigen mit jeweils vorzugsweise zwei oder drei Käfigelektroden, wobei die einzelnen Feldkäfige jeweils eine räumliche Fixierung eines oder mehrerer suspendierter Partikel ermöglichen. Die einzelnen Feldkäfige sind hierbei matrixförmig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet, wobei die elektrische Ansteuerung der Feldkäfige durch mehrere Spalten-Steuerleitungen und mehrere Zeilen-Steuerleitungen erfolgt. Für jede Spalte der Feldkäfige ist hierbei jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung für alle Feldkäfige der jeweiligen Spalte vorgesehen, wobei die Spalten-Steuerleitung bei jeder Elektrodenanordnung der jeweiligen Spalte jeweils mit der ersten Käfigelektrode verbunden ist. In gleicher Weise ist für jede Zeile der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Zeilen-Steuerleitung für alle Feldkäfige der jeweiligen Zeile vorgesehen, wobei die Zeilen-Steuerleitung bei jeder Elektrodenanordnung der jeweiligen Zeile jeweils mit der zweiten Käfigelektrode verbunden ist. Bei der Variante mit drei Käfigelektroden kann die innen liegende Käfigelektroden wahlweise elektrisch separat angesteuert werden oder auf einem elektrisch schwimmenden Potential liegen.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur den vorstehend beschriebenen Feldkäfig umfasst, sondern auch ein mikrofluidisches System mit einem solchen Feldkäfig sowie ein zellbiologisches Gerät mit einem solchen mikrofluidischen System, wie beispielsweise einen Zellsortierer, ein Zell-Screening-Gerät oder Ähnliches.

Ferner umfasst die Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems in einem solchen zellbiologischen Gerät.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch einen Mikromanipulator zur Manipulation suspendierter Partikel, wobei der erfindungsgemäße Mikromanipulator einen erfindungsgemäßen Feldkäfig aufweist, um die suspendierten Partikel zu fixieren. Beispielsweise kann der Mikromanipulator als dielektrophoretische Pinzette ausgebildet sein.

Schließlich betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren für das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße mikrofluidische System.

Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der Feldkäfig zur räumlichen Fixierung der Partikel und zur anschließenden Freigabe der fixierten Partikel mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert wird. So erfolgt die Ansteuerung zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel vorzugsweise mit einer Frequenz, die hinreichend groß ist, um ein Fangfeld auszubilden. Die anschließende elektrische Ansteuerung zur Freigabe der fixierten Partikel erfolgt dagegen mit einer kleineren Frequenz, die hinreichend klein ist, um das Fangfeld zumindest im Bereich der Öffnung oder der Passivierungsschicht zu öffnen.

Die bereits vorstehend beschriebene Öffnung der ringförmigen Käfigelektroden an einer Seite kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Käfigelektroden durch einen Laser bestrahlt werden, so dass von den bestrahlten Käfigelektroden Elektrodenmaterial abgetragen wird, wodurch sich die gewünschte Öffnung bildet.

Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren auch eine vorzugsweise optische Prüfung durchgeführt werden, ob in den einzelnen Feldkäfigen Partikel fixiert sind oder nicht.

Eine solche Belegungsprüfung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das mikrofluidische System zahlreiche Elektrodenanordnung zur Fixierung von Partikeln aufweist. In diesem Fall wird das mikrofluidische System nämlich zunächst mit Partikeln beschickt, bis sämtliche Feldkäfige mit suspendierten Partikeln belegt sind. Anschließend kann dann die Beschickungsphase beendet werden und es können sich weitere Betriebsphasen anschließen. Die Belegungsprüfung ermöglicht also eine zeitliche Minimierung der Beschickungsphase bei gleichzeitiger Vollbelegung sämtlicher Elektrodenkäfige.

Ferner kann bei einer Vielzahl von Feldkäfigen ein chemischer Gradient zwischen den einzelnen Feldkäfigen erzeugt werden, indem die Strömung entsprechend beeinflusst wird. Beispielsweise können hierzu chemische Zusatzstoffe mit dem Trägerstrom in das mikrofluidische System eingespült werden, wobei der Zustrom der Zusatzstoffe zeitlich und/oder räumlich innerhalb des Trägerstroms variiert werden kann.

Weiterhin kann die zur Partikelfixierung dienende Elektrodenanordnung zusätzlich zu einem weiteren Zweck eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung elektrisch angesteuert werden, um an dem darin fixierten Partikel einen Reiz auszulösen und oder eine elektrische Messung (z.B. Impedanz) auszuführen.

Schließlich ist noch zu erwähnen, dass es sich bei den zu suspendierten Partikeln vorzugsweise um biologische Zellen handelt. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der zu fixierenden Partikel nicht auf biologische Zellen beschränkt, sondern ermöglicht beispielsweise auch die Fixierung von Zellaggregaten oder sonstigen Partikeln.

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:
1A ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkäfig mit zwei konzentrischen ringförmigen Käfigelektroden, die an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals angebracht sind und eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel ermöglichen,
1B, 1C die Feldverteilung bei dem Feldkäfig aus 1A,
1D die Feldverteilung bei einem doppelringförmigen Feldkäfig, bei dem die Ringelektroden kreuzförmig geöffnet sind,
2 ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem der Feldkäfig an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals angeordnet ist,
3 ein Substrat, das einen Feldkäfig trägt, wobei das Substrat in dem Trägerstromkanal beispielsweise in der Kanalmitte angeordnet sein kann und einen Durchtritt der suspendierten Partikel ermöglicht,
4 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines derartigen Substrats mit einer anderen Konfiguration des Feldkäfigs,
5 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkäfig, wobei der Feldkäfig aus zwei ringförmigen konzentrischen Käfigelektroden an der unteren Kanalwand besteht, die einseitig Passivierungsschichten aufweisen,
6 ein alternatives Ausführungsbeispiel mit einer matrixförmigen Anordnung einer Vielzahl von Feldkäfigen zur Partikelfixierung,
7 das erfindungsgemäße Betriebsverfahren in Form eines Flussdiagramms,
8 eine erfindungsgemäße dielektrophoretische Pinzette,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen dielektrophoretischen Pinzette,
10A ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkäfig mit drei konzentrischen ringförmigen Käfigelektroden, sowie
10B die Feldverteilung bei dem Feldkäfig gemäß 10A.
1A zeigt in vereinfachter Form ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem Trägerstromkanal 1, durch den in X-Richtung eine Trägerflüssigkeit mit darin suspendierten Partikeln 2, 3 strömt.
Der Trägerstromkanal 1 weist hierbei eine untere Kanalwand 4 und eine obere Kanalwand 5 auf, wobei an der unteren Kanalwand 4 ein Feldkäfig 6 angeordnet ist, der aus zwei kreisförmigen, konzentrischen Ringelektroden 7, 8 besteht, die unabhängig voneinander angesteuert werden können und eine räumliche Fixierung des Partikels 3 in der strömenden Trägerflüssigkeit ermöglichen, indem der Feldkäfig 6 ein elektrisches Fangfeld erzeugt, das in den 1B und 1C perspektivisch dargestellt ist.
Die beiden Ringelektroden 7, 8 sind hierbei koplanar in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet, so dass der Fangpunkt ebenfalls in der gemeinsamen Elektrodenebene unmittelbar an der unteren Kanalwand 4 liegt. Diese wandnahe Fixierung des Partikels 3 ist vorteilhaft, weil die Strömungsgeschwindigkeit dort kleiner ist als in der Mitte des Trägerstromkanals 1, so dass relativ geringe Haltekräfte ausreichen, um den Partikel 3 zu räumlich fixieren. Dies ermöglicht wiederum eine relativ schwache elektrische Ansteuerung des Feldkäfigs 6, so dass der fixierte Partikel 3 durch Feldwirkungen nur wenig beeinträchtigt wird. Zudem kann der Partikel 3 durch zusätzliche Kräfte (bspw. Trägheitskräfte sowie die Gravitationskraft g) unterstützend am Boden fixiert werden Die 1B und 1C zeigen den Feldverlauf bei dem Feldkäfig 6 gemäß 1A in einem zentralen vertikalen Schnitt durch (1B) sowie in einer horizontalen Ebene über der Elektrodenstruktur (1C).
Ferner zeigt 1D den Feldverlauf in einer horizontalen Ebene über der Elektrodenstruktur für einen abgewandelten Feldkäfig, bei dem die ringförmigen Käfigelektroden 7, 8 nicht geschlossen, sondern kreuzförmig geöffnet sind.
Das in 2 dargestellte alternative Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass der Feldkäfig 6 nicht an der unteren Kanalwand 4, sondern an der oberen Kanalwand 5 des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist. Durch Überlagerung mit zusätzlichen Kräften, bspw. Trägheitskräften oder der Gravitationskraft g, kann der Fangpunkt auch von der Kanalwand in die Lösung verschoben werden.
3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines aus Glas, Kunststoff oder Silizium bestehenden Substrats 9 mit dem Feldkäfig 6, wie er bereits vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben wurde. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb hinsichtlich des Feldkäfigs 6 auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen.
In dem Substrat 9 befindet sich hierbei eine zylindrische Öffnung 10, durch welche die Partikel 2, 3 von der einen Seite des Substrats 9 auf die andere Seite des Substrats 9 hindurchtreten können, wie schematisch durch die gestrichelten Pfeillinien verdeutlicht ist. Das Substrat 9 wirkt also als Trennwand und kann beispielsweise bei dem mikrofluidischen System gemäß 1 als Membran in der Mittel des Trägerstromkanals 1 angeordnet sein und sich in Längsrichtung des Trägerstromkanals 1 erstrecken, so dass das Substrat 9 in dem Trägerstromkanal 1 zwei benachbarte Teilkanäle voneinander trennt.
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Substrats 9, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 3 verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Öffnung 10 in dem Substrat 9 nach oben hin konisch zuläuft, wobei die beiden Ringelektroden 7, 8 in verschiedenen Elektrodenebenen angeordnet sind. Die beiden Elektrodenebenen sind hierbei parallel zueinander ausgerichtet und zueinander beabstandet, wodurch der Fangpunkt aus der Elektrodenebene herausgehoben wird. Der Feldkäfig 6 kann hierbei jedoch ebenfalls als planare Elektrodenanordnung bezeichnet werden, da die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind. Bevorzugt kann hier ebenfalls der Abstand der Elektrodenebenen kleiner sein als die laterale Elektrodenausdehnung, d.h. die Elektrodenausdehnung in Y-Richtung.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die beiden Ringelektroden 7, 8 auf der stromabwärts gelegenen Seite jeweils eine Passivierungsschicht 11 bzw. 12 aufweisen. Die Passivierungsschichten 11, 12 schwächen das von dem Feldkäfig 6 erzeugte Fangfeld im Bereich der Passi vierungsschicht 11 bzw. 12, was in 7B für den Fall dargestellt ist, dass vier Schwächungspunkte vorgesehen sind.
Ferner zeigt 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems mit zahlreichen matrixförmig angeordneten Feldkäfigen, die jeweils aus zwei konzentrisch angeordneten Ringelektroden 13, 14 bestehen.
Die einzelnen Feldkäfige sind hierbei in vier Zeilen und vier Spalten matrixförmig angeordnet und werden durch vier Spalten-Steuerleitungen 15 und vier Zeilen-Steuerleitungen 16 elektrisch angesteuert. Die einzelnen Spalten-Steuerleitungen 15 sind hierbei jeweils mit der äußeren Ringelektrode 13 sämtlicher Feldkäfige der jeweiligen Spalte verbunden. In gleicher Weise sind die einzelnen Zeilen-Steuerleitungen 16 jeweils mit der inneren Ringelektrode 14 verbunden. Werden bspw. alle Zeilensteuerleitungen mit Signalen einer Phase und alle Spaltensteuerleitungen gegenphasig dazu angesteuert, können in allen Feldkäfigen Partikel fixiert werden. Ein einzelner Partikel kann dann dadurch entlassen werden, dass die entsprechende Zeilen- sowie Spaltensteuerleitung auf Masse gelegt wird.
Das Flussdiagramm in 7 zeigt das Betriebsverfahren eines mikrofluidischen Systems mit der in 6 dargestellten matrixförmigen Elektrodenanordnung.
Das Betriebsverfahren besteht hierbei im Wesentlichen aus einer Beschickungsphase 17, einer Konsolidierungsphase 18, einer Wachstums-/Differenzierungsphase 19 und einer Untersuchungsphase 20, die nachfolgend detailliert beschrieben werden.
In der Beschickungsphase 17 werden zunächst sämtliche matrixförmig angeordneten Feldkäfige ausgeschaltet und es werden biologische Zellen eingespült. Anschließend werden die Feldkäfige zur Fixierung der eingespülten Zellen angeschaltet und dielektrophoretisch angesteuert, wobei mit den stromabwärts gelegenen Feldkäfigen begonnen wird. Dadurch werden in den einzelnen Feldkäfigen jeweils biologische Zellen räumlich fixiert. Dabei erfolgt eine optische Belegungsprüfung der einzelnen Feldkäfige und die nichtfixierten Zellen werden ausgespült, sobald sämtliche Feldkäfige mit biologischen Zellen belegt sind.
In der anschließenden Konsolidierungsphase 18 heften sich dann die fixierten Zellen an. Dabei kann je nach Anheftungsgrad bzw. Strömungsverhältnissen das elektrische Feld verringert bzw. auch ganz ausgeschaltet werden.
In der anschließenden Wachstums-/Differenzierungsphase 19 werden die zur räumlichen Fixierung der Zellen dienenden Feldkäfige dann in besonderer Weise elektrisch angesteuert, um den sich bildenden Zellverband zu strukturieren.
Darüber hinaus kann während der Wachstums-/Differenzierungsphase 19 ein chemischer Gradient zwischen den einzelnen Feldkäfigen erzeugt werden, indem die Strömungsverhältnisse entsprechend beeinflusst werden.
Schließlich erfolgt dann in der Untersuchungsphase eine Untersuchung der gebildeten Zellverbände. Hierzu werden die Käfigelektroden ausgeschaltet und die gewünschten Messungen werden durchgeführt, wobei beispielsweise optische oder elektronische Messungen möglich sind.
Dieses Betriebsverfahren kann auch zum Aufbau eines definierten Neuronennetzwerkes eingesetzt werden.
8 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer dielektrophoretischen Pinzette 21, die eingesetzt werden kann, um suspendierte Partikel aus einer Trägerflüssigkeit zu entnehmen.
An ihrem distalen Ende weist die Pinzette 21 eine halbkugelförmige Spitze auf, die zwei ringförmige Käfigelektroden 22, 23 trägt, die elektrisch unabhängig voneinander angesteuert werden können und eine Fixierung der suspendierten Partikel ermöglichen, so dass die fixierten Partikel zusammen mit der Pinzette 21 in der Trägerflüssigkeit manipuliert bzw. aus ihr entnommen werden können.
9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pinzette 21, die weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Pinzette 21 an ihrem distalen Ende eine Vertiefung 24 aufweist, in der ein Partikel 25 fixiert werden kann.
Das in 10A dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der Feldkäfig 6 drei Käfigelektroden 7, 8, 26 aufweist, wobei die äußeren Käfigelektroden 7, 8 unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, wie bereits vorstehend beschrieben wurde.
Die innere Käfigelektrode 26 kann dagegen wahlweise auf einem elektrisch schwimmenden Potential liegen oder ebenfalls elektrisch angesteuert werden, wie durch die gestrichelt gezeichnete Steuerleitung angedeutet wird.
Schließlich zeigt 10B die Feldverteilung des Feldkäfigs 6 gemäß 10A in einem zentralen vertikalen Schnitt durch die Elektrodenstruktur, wobei die Elektroden 7 und 8 gegenphasig angesteuert werden und die Elektrode 26 auf Masse liegt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Claims

Elektrischer Feldkäfig (6) zur räumlichen Fixierung von Partikeln (2, 3), die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind, insbesondere in einem mikrofluidischen System, mit mehreren elektrisch ansteuerbaren Käfigelektroden (7, 8) zur Erzeugung eines Fangfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Käfigelektroden (7, 8) ringförmig ist und die andere Käfigelektrode umgibt.
Feldkäfig (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei oder genau drei Käfigelektroden (7, 8) vorgesehen sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Elektrodenausdehnung der Käfigelektroden (7, 8) größer ist als der Elektrodenabstand quer zur Strömungsrichtung.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Käfigelektroden (7, 8) bezüglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (7, 8) jeweils planar sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (7, 8) in einer gemeinsamen Elektrodenebene oder auf einer Fläche angeordnet sind.
Feldkäfig (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (7, 8) in zwei parallelen und zueinander versetzten Ebenen angeordnet sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (7, 8) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Feldkäfig (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (7, 8) exzentrisch zueinander angeordnet sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Käfigelektrode elliptisch, kreisrund, mehreckig oder rechteckig sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ringförmigen Käfigelektroden (7, 8) an einer Seite geöffnet ist und/oder an einer Seite eine Passivierungsschicht (11, 12) aufweist.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (7, 8) unterschiedlich geformt sind.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Käfigelektroden (7, 8) auf einem Substrat (9) angeordnet ist.
Feldkäfig (6) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) Glas, Kunststoff oder Silizium.
Feldkäfig (6) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit einer Passivierungs schicht (11, 12), einer biochemischen Beschichtung und/oder einer Nanoschicht versehen ist.
Feldkäfig (6) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die biochemische Beschichtung die Adhäsionseigenschaften des Substrats (9) für die fixierten Partikel (2, 3) modifiziert und/oder Differenzierungssignale für die fixierten Partikel (2, 3) setzt.
Feldkäfig nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, a) dass innerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode (7) und außerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode (7) unterschiedliche Beschichtungen auf das Substrat (9) aufgebracht sind, b) dass die Beschichtung innerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode (7) auf die zu fixierenden Partikel (2, 3) adhäsiv wirkt, c) dass die Beschichtung außerhalb der inneren ringförmigen Käfigelektrode (7) auf die zu fixierenden Partikel (2, 3) repulsiv wirkt.
Feldkäfig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (6) ein dielektrophoretischer Feldkäfig (6) ist.
Feldkäfig (6) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (6) entweder ein positiv-dielektrophoretischer Feldkäfig (6) oder ein negativ-dielektrophoretischer Feldkäfig (6) ist.
Mikrofluidisches System mit a) einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2, 3) und b) einem elektrisch ansteuerbaren Feldkäfig (6) mit mehreren Käfigelektroden (7, 8) zur räumlichen Fixierung der Partikel (2, 3) in dem Trägerstrom, dadurch gekennzeichnet, dass c) der Feldkäfig (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die innere ringförmige Käfigelektrode (7) eine Öffnung (10) in einer Kanalwand des Trägerstromkanals (1) umschließt, wobei die suspendierten Partikel (2, 3) durch die Öffnung (10) eintreten oder austreten können.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (6) einen bestimmten Fangpunkt aufweist, in dem die Partikel (2, 3) räumlich fixiert werden, wobei der Fangpunkt direkt an einer Kanalwand (4, 5) des Trägerstromkanals (1) liegt.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (6) einen bestimmten Fangpunkt aufweist, in dem die Partikel (2, 3) räumlich fixiert werden, wobei der Fangpunkt von den Kanalwänden (4, 5) des Trägerstromkanals (1) beabstandet ist.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden (7, 8) an einer Kanalwand (4, 5) des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden (7, 8) an der oberen Kanalwand (5) des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden (7, 8) an der unteren Kanalwand (4) des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden (7, 8) an einer seitlichen Kanalwand des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden (7, 8) in dem Trägerstromkanal (1) zu den Kanalwänden (4, 5) des Trägerstromkanal (1) beabstandet angeordnet ist und sich in Längsrichtung des Trägerstromkanals (1) erstreckt.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, a) dass eine Vielzahl von Feldkäfigen mit jeweils zwei Käfigelektroden (13, 14) vorgesehen ist, wobei die einzelnen Feldkäfige jeweils eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel (2, 3) ermöglichen, b) dass die Feldkäfige matrixförmig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet sind, c) dass für jede Spalte der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung (15) für alle Feldkäfige der jeweiligen Spalte vorgesehen ist, wobei die Spalten-Steuerleitung (15) bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Spalte jeweils mit der ersten Käfigelektrode (13) verbunden ist, d) dass für jede Zeile der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Zeilen-Steuerleitung (16) für alle Feldkäfige der jeweiligen Zeile vorgesehen ist, wobei die Zeilen-Steuerleitung (16) bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Zeile jeweils mit der zweiten Käfigelektrode (14) verbunden ist.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, a) dass eine Vielzahl von Feldkäfigen mit jeweils drei Käfigelektroden vorgesehen ist, wobei die einzelnen Feldkäfige jeweils eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel (2, 3) ermöglichen, b) dass die innen liegenden ersten Käfigelektroden gemeinsam auf Masse bzw. auf einem schwimmenden elektrischen Potential gehalten werden, c) dass die Feldkäfige matrixförmig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet sind, d) dass für jede Spalte der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung für alle Feldkäfige der jeweiligen Spalte vorgesehen ist, wobei die Spalten-Steuerleitung bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Spalte jeweils mit der zweiten Käfigelektrode verbunden ist, e) dass für jede Zeile der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Zeilen-Steuerleitung für alle Feldkäfige der jeweiligen Zeile vorgesehen ist, wobei die Zeilen-Steuerleitung bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Zeile jeweils mit der dritten Käfigelektrode verbunden ist.
Mikromanipulator, insbesondere Pinzette (21), zur Manipulation von Partikeln (2, 3), die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind, gekennzeichnet durch einen Feldkäfig (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur räumlichen Fixierung der Partikel (2, 3).
Verwendung eines Feldkäfigs (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 20 bis 30 oder eines Mikromanipulators nach Anspruch 31 in einem zellbiologischen Gerät.
Betriebsverfahren für ein mikrofluidisches System mit einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2, 3) und einem elektrisch ansteuerbaren Feldkäfig (6) zur räumlichen Fixierung der Partikel (2, 3), wobei der Feldkäfig (6) mehrere Käfigelektroden (7, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Käfigelektroden (7, 8) ringförmig ist und die andere Käfigelektrode umgibt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ringförmigen Käfigelektroden (7, 8) an einer Seite eine Öffnung und/oder eine Passivierungsschicht aufweist, wobei der Feldkäfig (6) mit folgenden Schritten angesteuert wird: a) Elektrische Ansteuerung des Feldkäfigs mit einer ersten Frequenz zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel (2, 3), wobei die erste Frequenz hinreichend groß ist, um ein Fangfeld auszubilden, b) anschließend elektrische Ansteuerung des Feldkäfigs mit einer zweiten Frequenz zum Freigeben der gefangenen Partikel (2, 3), wobei die zweite Frequenz kleiner als die erste Frequenz und hinreichend klein ist, um das Fangfeld im Bereich der Öffnung oder der Passivierungsschicht zu öffnen.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 34, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Bestrahlung mindestens einer der Käfigelektroden (7, 8) durch einen Laser, so dass von der bestrahlten Käfigelektrode Elektrodenmaterial abgetragen und dadurch eine Öffnung in der Käfigelektrode erzeugt wird.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, wobei das mikrofluidische System eine Vielzahl von Feldkäfigen aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ausschalten der Feldkäfige (6), b) Einspülen der Trägerflüssigkeit mit den darin suspendierten Partikeln (2, 3) in den Trägerstromkanal (1), c) Elektrische Ansteuerung der Feldkäfige (6), so dass die einzelnen Feldkäfige (6) jeweils suspendierte Partikel (2, 3) räumlich fixieren, d) Ausspülen der nicht in den Feldkäfigen fixierten Partikel (2, 3) aus dem Trägerstromkanal (1), e) Abschalten oder Abschwächen der Strömung in dem Trägerstromkanal (1) zur Konsolidierung der in den Feldkäfigen fixierten Partikel (2, 3), f) Elektrische Ansteuerung der Feldkäfige, so dass die sich aus den fixierten Partikeln (2, 3) bildenden Zellverbände strukturiert werden.
Betriebsverfahren nach Anspruch 36, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Optische Überprüfung, ob in den einzelnen Feldkäfigen (6) Partikel (2, 3) fixiert sind.
Betriebsverfahren nach Anspruch 36 oder 37, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Erzeugung eines chemischen Gradienten zwischen den einzelnen Feldkäfigen (6) durch eine Beeinflussung der Strömung in dem Trägerstromkanal (1).
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 38, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Untersuchung des räumlich fixierten Partikels bei mindestens einer der Feldkäfige (6).
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 39, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Elektrische Ansteuerung mindestens eines der Feldkäfige zur Reizauslösung an dem darin fixierten Partikeln (2, 3).
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 39, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Elektrische Ansteuerung mindestens eines der Feldkäfige zur Messung mindestens einer elektrische Kenngröße an dem darin fixierten Partikel (2, 3) bzw. dessen unmittelbarer Umgebung