EP1858645A1 - Microfluidic system and corresponding control method - Google Patents

Microfluidic system and corresponding control method

Info

Publication number
EP1858645A1
EP1858645A1 EP06723476A EP06723476A EP1858645A1 EP 1858645 A1 EP1858645 A1 EP 1858645A1 EP 06723476 A EP06723476 A EP 06723476A EP 06723476 A EP06723476 A EP 06723476A EP 1858645 A1 EP1858645 A1 EP 1858645A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
manipulation
centering
electrode
microfluidic system
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.)
Withdrawn
Application number
EP06723476A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Torsten Müller
Thomas Schnelle
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.)
PerkinElmer Cellular Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Evotec Technologies 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 Technologies GmbH filed Critical Evotec Technologies GmbH
Publication of EP1858645A1 publication Critical patent/EP1858645A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B03C5/026Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]
    • 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
    • B03C5/005Dielectrophoresis, i.e. dielectric particles migrating towards the region of highest field strength

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic system and an associated driving method according to the preamble of the independent claims.
  • Such microfluidic systems are known, for example, from Müller, T. et al. : "A 3D microelectrode for handling and caing single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 known and have a flat carrier flow channel for receiving a carrier stream with particles suspended therein (eg biological Cells) with a dielectrophoretic electrode assembly in the carrier flow channel to manipulate the suspended particles.
  • a carrier stream with particles suspended therein eg biological Cells
  • the suspended particles in the carrier stream may be centered by a funnel-shaped electrode arrangement ("funnel") or fixed by a so-called "hook”.
  • a disadvantage of the known microfluidic retention systems for example the above-mentioned dielectrophoretic hooks, is the fact that the particles from the dielectrophoretic electrode arrangements in the carrier flow channel can be pushed upwards or downwards in the direction of the channel wall, which is particularly troublesome in biological cells ,
  • biochips are known in which suspended particles are manipulated by electrophoresis.
  • this patent application also discloses planar dielectrophoretic field cages, each positioning a suspended particle in a bore of a plate.
  • this type of fixation leads deliberately to a physical contact between the fixed particles and the channel boundary, which is particularly disturbing in biological cells.
  • the invention is therefore based on the object of improving or simplifying the known microfluidic retaining systems described at the outset, in which case it is to be prevented that the suspended particles are pressed by the electrode arrangement in the direction of the channel wall.
  • the invention includes the general technical teaching of arranging upstream of the manipulation electrodes (e.g., a so-called "hook") centering electrodes which focus the particles suspended in the carrier stream in the central plane of the carrier flow channel and thereby prevent the suspended particles from being forced towards the channel wall.
  • the manipulation electrodes e.g., a so-called "hook” centering electrodes which focus the particles suspended in the carrier stream in the central plane of the carrier flow channel and thereby prevent the suspended particles from being forced towards the channel wall.
  • the term centering or focusing used in the context of the invention preferably means that the suspended particles are centered or focused at right angles to the flow direction.
  • the microfluidic system according to the invention has an electrode arrangement with at least two manipulation electrodes and at least two centering electrodes arranged upstream of the manipulation electrodes.
  • the two manipulation electrodes may, for example, be so-called hooks ("hooks”), which in themselves are already known from the publication by Müller, T. et al. : “A 3D microelectrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 are known, so that the content of this publication of the present description in the design of the manipulation electrodes in full account is.
  • hooks hooks
  • the manipulation electrodes do not necessarily have to be one-piece or continuous. Rather, there is also the possibility that the individual manipulation electrodes consist of a plurality of sub-electrodes, wherein the individual sub-electrodes of the manipulation electrodes can be controlled separately. For example, the individual manipulation electrodes can also be interrupted by passivation layers.
  • the manipulation electrodes are curved against the direction of flow, as is the case for example with the known so-called hooks.
  • hook-shaped manipulation electrodes instead of hook-shaped manipulation electrodes, however, there is also the possibility that the manipulation electrodes are arc-shaped (eg semicircular) or annularly closed. They can also have the shape of a rectangle or part of a rectangle, a hexagon, or generally a polygon. The shape is therefore just as with the centering electrodes almost arbitrary.
  • the manipulation be circular electrodes, which allows the arrangement of multiple particles on closed paths.
  • the invention provides that the centering electrodes are at least partially enclosed by the manipulation electrodes arranged downstream of them.
  • the associated centering electrode is preferably arranged between the two legs of the hook-shaped manipulation electrode.
  • the associated centering electrode can be arranged inside the manipulation electrode.
  • the invention provides that the centering electrodes have a smaller spatial extent transversely to the flow direction than the manipulation electrodes, which is not the case in the case of the above-mentioned field cages with eight cubically arranged cage electrodes.
  • the centering electrodes are preferably triangular, rectangular, hexagonal, circular, circular or elliptical in shape, wherein the centering electrodes are transversely to the flow direction, preferably smaller than the manipulation electrodes.
  • the two centering electrodes can be controlled electrically separately from each other, so that the centering electrodes can be electrically driven in antiphase.
  • manipulation electrodes on the one hand and the centering electrodes on the other hand are electrically separately controlled, since the manipulation electrodes and the respectively associated centering electrodes should be electrically driven in anti-phase to achieve a centering effect.
  • the two manipulation electrodes and / or the two centering electrodes are each preferably substantially planar (i.e., plane), wherein the two manipulation electrodes on the one hand and the two centering electrodes are preferably arranged in pairs substantially coplanar.
  • the individual electrodes are arranged in two mutually parallel planes, wherein in each plane in each case a manipulation electrode and an associated centering electrode is located.
  • the proposed arrangement is more robust to offset, which simplifies the manufacture of the systems.
  • the centering electrodes and the manipulation electrodes are in this case arranged in the flow direction at a distance from each other, which is preferably in the range of 1/8 to twice the distance of the electrode planes.
  • a distance from each other which is preferably in the range of 1/8 to twice the distance of the electrode planes.
  • this is preferably in the range of 5 microns to 80 microns, with a distance of about 40 microns has been found to be particularly advantageous.
  • the electrode arrangement has a plurality of manipulation electrode pairs and these associated Zentrierelektrodencovere on.
  • the individual manipulation electrode pairs may be arranged side by side or one behind the other in the carrier flow channel with respect to the flow direction.
  • This array arrangement allows simpler and better long-term culturing of biological cells in microfluidic chips compared to conventional dielectrophoretic cages. For example, a plurality of so-called hooks can be arranged next to one another in the flow direction in order to fix suspended particles.
  • the individual manipulation electrode pairs can be electrically connected to one another, which enables a common electrical actuation, with the individual manipulation electrodes of a pair of manipulation electrodes being driven in antiphase in a conventional manner.
  • the individual manipulation electrode pairs may be at least partially electrically separated from one another and to be actuated at least partially electrically separately, which enables simple selective detection of the suspended particles.
  • the goal of the invention is to minimize the thermal loading of the suspended particles, which is particularly important in biological cells.
  • the thermal loading of the suspended particles depends on the electrode width and electrode spacing, which parameters also affect the force exerted by the electrode assembly on the suspended particles.
  • the lateral electrode width is in the range of 10% to 50% of the electrode spacing between the planes, since the ratio of the desired force to the unreacted desired heating of the suspended particles in this area is particularly good.
  • the carrier flow channel of the microfluidic system according to the invention preferably has a flow cross-section which is in the range of 0.006 mm 2 to 0.6 mm 2 , which is customary in microfluidic systems.
  • the height of the carrier flow channel may be, for example, in the range of 1 .mu.m to 400 .mu.m, while the width of the carrier flow channel may be, for example, in the range of 5 .mu.m to 1.5 mm.
  • the cross section of the carrier flow channel may be different, it may be rectangular or trapezoidal, for example.
  • Centering electrodes of the electrode assembly to be offset in the flow direction to each other.
  • the offset in the flow direction may be in the range of 5% to 95%, 10% to 90%, 20% to 80% or 30% to 70% in relation to the distance between the manipulation electrodes and the centering electrodes.
  • the possibility of offsetting the electrodes has the advantage that as a result the manufacturing process does not have to be set as high as, for example, in the already known field cages, where precise alignment of the electrodes for the functionality is fundamental.
  • the invention includes not only the microfluidic system according to the invention but also a biological device (eg a cell sorter) with such a microfluidic system.
  • a biological device eg a cell sorter
  • the invention comprises an associated drive method for such a microfluidic system.
  • the manipulation electrodes, on the one hand, and the centering electrodes assigned thereto, on the other hand are preferably driven in an ephemeral manner in order to achieve the desired centering effect.
  • the arrangement can also be operated only single-phase.
  • the activation takes place as described above, wherein the second phase is replaced by ground or free potential. This represents a significant simplification compared to the known field cage (2 or 4).
  • the centering electrodes are switched off when a particle has been fixed by the associated manipulation electrodes.
  • the trapped particles remain in the hydrodynamic flow in the central plane in front of the downstream manipulation electrodes. This reduces the thermal and electrical load on the trapped particles, which is particularly important for biological cells.
  • the deactivation of the centering electrodes can optionally be done by the centering electrodes are switched to ground or floating, the centering electrodes at a ner floating circuit have a floating electrical potential.
  • centering electrodes are briefly actuated with an increased electrical voltage before being switched off.
  • the flow velocity in the carrier flow channel can be increased shortly before the deactivation of the centering electrodes.
  • the centering electrodes serve not only for centering the suspended particles in the carrier flow channel, but also for examining the suspended particles.
  • the centering electrodes may first cause centering of the suspended particles until the suspended particles are trapped by the downstream manipulation electrodes.
  • the manipulation electrodes and the centering electrodes are electrically driven in anti-phase, as explained above.
  • the centering electrodes can then be used as measuring electrodes.
  • the centering electrodes are disconnected from the electrical control and connected to a corresponding measuring device.
  • the centering electrodes can be used as impedance measuring electrodes and perform an impedance spectroscopic examination of the trapped particles.
  • the electrode arrangement has annular manipulation electrodes both on the upper channel wall of the carrier flow channel and on the lower channel wall of the carrier flow channel.
  • the manipulation electrodes are actuated on the upper channel wall on the one hand and on the other hand on the lower channel wall on the other hand in an out-of-phase manner.
  • the manipulation electrodes on the lower channel wall are grounded and only the manipulation electrodes on the upper channel wall are electrically driven.
  • manipulation electrodes on the upper channel wall are grounded and only the manipulation electrodes on the lower channel wall are electrically driven. Furthermore, there is the possibility that the manipulation electrodes on the upper channel wall on the one hand and on the lower channel wall on the other hand are electrically controlled with a phase difference of 90 °, for example, to generate rotational fields.
  • the centering electrodes are preferably located in the center of the annular manipulation electrodes.
  • the centering electrodes can be electrically grounded.
  • the electrical control of the centering electrodes takes place on the upper channel wall on the one hand and on the other hand on the lower channel wall in electrically opposite phase.
  • annular manipulation electrodes are interrupted and in each case consist of several Reren circle segment-shaped electrode segments exist, but which are electrically connected to each other.
  • the interruptions between the individual electrode segments advantageously permit the entry of particles into the electrode arrangement or the emergence of particles from the electrode arrangement.
  • a multiplicity of electrode arrangements arranged in the form of a matrix are provided, each of which has at least one centering electrode and at least one manipulation electrode.
  • the individual electrode arrangements can in this case be constructed in accordance with the variants described above.
  • For each line of the electrode arrangements in this case preferably two line control lines are provided, wherein the a row control line is connected to the centering electrodes of the electrode arrays of the respective row, while the other row control line is connected to the manipulation electrodes of the electrode arrays of the respective row.
  • each column control line is provided for each column, wherein one column control line is connected to the centering electrodes of all the electrode arrangements of the respective column, while the other column control line is connected to the manipulation electrodes of all the electrode arrangements of the respective column ,
  • Each centering and manipulation electrode is thus connected in each case to a row control line and a column control line.
  • FIG. 1 shows a simplified perspective illustration of a microfluidic system according to the invention
  • FIGS. 2A-2D show various views of a conventional microfluidic system
  • FIGS. 3A-3D show views corresponding to FIGS. 2A-2D in the case of the microfluidic system according to the invention
  • 4A, 4B show different views of an electrode arrangement of another exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention
  • FIGS. 5A, 5B show a further exemplary embodiment of an electrode arrangement according to the invention
  • Figures 6A-6C further variants of possible orders in a Elektrodenan- "according to the invention mikroflu- idischen system,
  • FIGS. 7A, 7B show further exemplary embodiments of electrode arrangements which can be used in a microfluidic system according to the invention
  • FIG. 8 is a graph showing the heating produced by the electrode assembly and the force applied to the suspended particles as a function of electrode width and electrode spacing;
  • FIGS. 9A-9E show further variants of electrode arrangements in a microfluidic system according to the invention.
  • FIG. 10 shows different views of an electrode arrangement in a further exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention
  • FIG. 11 shows different views of further electrode arrangements
  • FIG. 12 shows different views of further electrode arrangements, in which the centering electrodes on the one hand and the manipulation electrodes on the other hand are driven with different frequencies
  • FIGS. 13A, 13B show a variant of the embodiment according to FIGS. 5A and 5B
  • 14A, 14B show a further variant of an embodiment according to the invention with circular centering electrodes and annular manipulation electrodes
  • FIGS. 15A, 15B show yet another embodiment of an arrangement according to the invention with circular centering electrodes of annular manipulation electrodes, wherein the control of the centering electrodes takes place in a different manner
  • FIG. 16B shows an alternative embodiment with circular segment-shaped manipulation electrodes and circular centering electrodes
  • 17A, 17B show a further embodiment with annular manipulation electrodes and circular centering electrodes
  • FIGS. 19A-19C show further variants of electrode structures according to the invention.
  • FIG. 20 shows an electrode structure according to the invention with a plurality of electrode arrangements, each of which has centering and manipulation electrodes.
  • FIG. 1 shows a carrier flow channel 1 of a microfluidic system, as can be used, for example, in a cell sorter for sorting biological cells.
  • the cell sorter itself may in this case be designed in a conventional manner, so that a detailed description of the cell sorter can be omitted below.
  • the carrier flow channel 1 in this case has a rectangular cross-section with a height of 40 microns and a width of 150 microns and carries a carrier stream with particles suspended therein, with only a biological cell 2 is shown schematically for simplicity.
  • the carrier stream with the biological cells 2 suspended therein flows in the carrier flow channel 1 in the x-direction, as illustrated by the arrows.
  • an electrode assembly 3 is arranged, which consists of two hook-shaped manipulation electrodes 4, 5 and two circular centering electrodes 6, 7.
  • the two manipulation electrodes 4, 5 are formed in a conventional manner and are driven accordingly, which from the already mentioned above publication by Müller, T. et al. : “A 3D microelectrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 is known so as to avoid
  • the two manipulation electrodes 4, 5 are each formed planar and coplanar with each other, wherein the manipulation electrode 4 is disposed on the upper channel wall of the carrier flow channel 1, while the other manipulation electrode 5 at the lower channel wall of Carrier flow channel 1 is arranged.
  • the two centering electrodes 6, 7 are also planar and aligned coplanar with each other, wherein the centering electrode 6 is disposed on the upper channel wall of the carrier flow channel 1, while the centering electrode 7 at the lower channel wall of the carrier flow channel 1 is arranged.
  • the centering electrode 6 thus lies with the manipulation electrode 4 in a plane, while the centering electrode 7 lies with the manipulation electrode 5 in a plane.
  • the manipulation electrodes 4, 5 are electrically driven in opposite phase to each other, as well as the centering electrodes 6, 7 are electrically driven in opposite phase to each other.
  • the centering electrode 6 is also driven in phase opposition to the associated manipulation electrode 4, just as the centering electrode 7 is also driven in antiphase to the associated manipulation electrode 5.
  • the suspended biological cells 2 are focused in the carrier flow channel 1 in the central plane, whereby a contact contact of the biological cells 2 with the channel walls of the carrier flow channel 1 is prevented.
  • the centering electrodes 6, 7 and the manipulation electrodes 4, 5 do not have to be controlled exactly in antiphase (ie with a phase shift of 180 °). Rather, other phase shifts are possible within the scope of the invention.
  • This phase shift may be arbitrary between the electrodes at the upper channel wall and at the lower channel wall, said shift generally being between 90 ° and 270 °.
  • the displacement is generally in the range of 135 ° -225 ° (180 ° + 45 °).
  • the centering electrodes 6, 7 and the manipulation electrodes 4, 5 can also be driven with different frequencies and voltages, as will be described in detail later.
  • FIGS. 3A-3D show different views of the electrode arrangement 3 in the case of the microfluidic system according to the invention, FIGS. 3B-3C showing the respective electric field distribution.
  • FIGS. 3A and 3B show a plan view of the electrode arrangement 3 in the z-direction, while FIGS. 3C and 3D reproduce sectional images in the y-z plane and the x-z plane, respectively.
  • FIGS. 2A-2D show, for comparison, corresponding views in a conventional electrode arrangement without the centering electrodes 6, 7. It can thus be seen that the biological cells 2 are pressed in the direction of the channel wall in the conventional electrode arrangement, in particular from FIGS. 2C and 2D is apparent. In contrast, the biological cells 2 in the inventive
  • Electrode arrangement 3 centered, as can be seen in particular from Figures 3C and 3D.
  • FIGS. 4A and 4B show an alternative embodiment of an inventive electrode arrangement with semicircular manipulation electrodes 8, wherein the illustrations on the left side show a corresponding conventional electrode arrangement without centering electrodes, while the illustration on the right side shows the field distribution in an electrode arrangement according to the invention with a centering electrode 9 show. It can also be seen from these illustrations that the centering electrode 9 has centering of the biological cells 2 in the central plane of the carrier power cable. nals 1 and additionally causes a fixation against the flow in the x direction.
  • FIGS. 5A and 5B show an alternative exemplary embodiment of an electrode arrangement according to the invention, in which an annular manipulation electrode (with rim 10, 11) and also a concentric, centrally arranged centering electrode 12 are provided.
  • the manipulation electrode (10, 11) and the centering electrode 12 are in this case arranged in a common plane on the upper channel wall or on the lower channel wall of the carrier flow channel 1 and thus aligned coplanar.
  • the biological cells 2 can be arranged in this embodiment on closed tracks, as can be seen in particular from the illustration in Figure 5A.
  • Figures GA-6C show further alternative embodiments of electrode assemblies according to the invention 13, 13 'and 13 ", each having a manipulation electrode 14, 14', or 14" and a centering electrode 15, 15 ', 15 ".
  • such an electrode arrangement 13, 13 'or 13 " is respectively arranged on the upper channel wall and on the lower channel wall.
  • FIGS. 7A and 7B show further exemplary embodiments of electrode arrangements 16 and 17 according to the invention, in which a plurality of hook-shaped manipulation electrodes 18-21 are arranged next to one another in the carrier flow channel 1 in the flow direction. Upstream of the individual manipulation electrodes 18-21, in each case a centering electrode 22-25 is arranged in order to center the biological cells 2 in the central plane of the carrier flow channel 1.
  • the difference between the embodiments according to FIGS. 7A and 7B consists in the electrical supply of the manipulation electrodes 18-21 and the centering electrodes 22-25.
  • the manipulation electrodes 18-21 of the electrode assembly 16 are electrically driven together according to Figure 7A and are therefore electrically connected to each other.
  • the manipulation electrodes 18-21 are electrically separated from one another, so that the manipulation electrodes 18-21 are also not electrically connected to one another.
  • the centering electrodes 22-25 are electrically driven together, which is also the case with the electrode arrangement 17 according to FIG. 7B.
  • FIGS. 7A and 7B In the carrier flow channel of the microfluidic system according to the invention, several of the electrode arrangements 16 and 17 illustrated in FIGS. 7A and 7B can also be arranged one behind the other in the flow direction. This provides the ability to store particles in defined arrays.
  • FIG. 7A / B Several electrode arrangements according to FIG. 7A / B can be found in FIG. 7A / B.
  • Flow direction can be arranged one behind the other so as to be able to store particles in defined arrays.
  • Figure 8 shows a diagram showing the functional dependence of several different sizes on the electrode width and the electrode spacing.
  • a curve 26 indicates the dependence of the heating ⁇ T of the suspended biological cells 2 as a function of the ratio between electrode width and electrode spacing between the planes at constant voltage again. It can be seen from the course of the curve 26 that the heating ⁇ T of the suspended cells 2 increases with the electrode width and decreases with the electrode spacing. It should be noted that the heating of the biological cells 2 by the dielectrophoretic electrode arrangement for the biological cells 2 can be harmful and therefore undesirable.
  • a further curve 27 shows the dependence of the force F exerted on the biological cell 2 by the dielectrophoretic electrode arrangement as a function of the ratio of the electrode width to the electrode spacing. It can be seen from the course of the curve 27 that the exerted force F increases with the electrode width and decreases with the electrode spacing.
  • Another curve 28 shows the ratio of the desired force F to the unwanted heating ⁇ T of the suspended cells as a function of the ratio of electrode width to electrode gap. It can be seen from the course of the curve 28 that a certain operating range is particularly advantageous, in which the ratio of electrode width to electrode gap is approximately between 0.15 to 0.5. In this region, the force exerted by the electrode assembly on the suspended particles is relatively large relative to the undesirable heating ⁇ T.
  • FIGS. 9A to 9E show further exemplary embodiments of electrode arrangements which can be used in a microfluidic system according to the invention.
  • the individual electrode arrangements each consist of a centering electrode 29 and a manipulation electrode 30.
  • the centering electrode 29 would thus take the place of the centering electrodes 6 and 7 in the embodiment according to FIG. 1, while the manipulation electrode 30 replaces the manipulation electrodes 4 and 5.
  • the different electrode arrangements according to FIGS. 9A to 9E differ here by the shape of the centering electrode 29.
  • the centering electrode 29 can be rectangular, triangular, drop-shaped, angular or box-shaped, as can be seen from the various figures.
  • FIG. 10 shows different views of a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a microfluidic system according to the invention. This embodiment is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figures 1 and 3, so reference is made to avoid repetition of the above description.
  • a special feature of this embodiment is that the upper manipulation electrode 4 is arranged offset in the flow direction with respect to the lower manipulation electrode 5.
  • the upper centering electrode 6 is offset relative to the lower centering electrode 7 in the flow direction.
  • the offset here corresponds to half the distance between the manipulation electrodes 4, 5 and the associated centering electrodes 6, 7.
  • the images on the left side of FIG. 10 show field distributions that arise when the manipulation electrodes 4, 5, on the one hand, and the centering electrodes, on the other hand, are driven with the same electrical voltage.
  • FIG. 11 shows different views of a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a microfluidic system according to the invention. This embodiment is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figures 1 and 3, so reference is made to avoid repetition of the above description.
  • a special feature of this embodiment is that on the other hand there is a phase shift of 90 ° between the manipulation electrode 4 and the centering electrode 6 on the upper channel wall on the one hand and the manipulation electrode 5 and the centering electrode 7 on the lower channel wall.
  • manipulation electrodes 4, 5 on the one hand and the centering electrodes 6, 7 on the other hand driven with a phase shift of 90 °. This is shown in the left column of FIG.
  • FIG. 12 shows different views of a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a microfluidic system according to the invention. This embodiment is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figures 1 and 3, so reference is made to avoid repetition of the above description.
  • a special feature of this embodiment is that the manipulation electrodes 4, 5 on the one hand and the centering electrodes 6, 7 on the other hand are driven with different frequencies.
  • the images in the left-hand column show the field distribution for the case in which the manipulation electrodes 4, 5 and the centering electrodes 6, 7 are driven with the same voltage values, the drive frequency Fl or F2 being selected such that the cells 2 are equal experience strong polarization in both fields.
  • the polarization of the particle relative to the medium at the frequency F2 is only 1/4 of the polarization at the frequency Fl.
  • FIGS. 13A and 13B corresponds largely to the exemplary embodiments described above and to FIGS. 5A and 5B, so that reference is made to the above description for avoiding repetitions, the same reference numerals being used for corresponding components.
  • a special feature of this embodiment is the diameter of the manipulation electrode 10, which is lower compared to the embodiment according to Figures 5A, 5B.
  • manipulation electrodes 10, 11 on the one hand and the centering electrode 12 on the other hand be driven in opposite phase in this embodiment, as can be seen from the phase indication in Figure 13B.
  • this embodiment also follows an opposite-phase control of the electrodes on the upper channel wall on the one hand and on the -unteren channel wall on the other.
  • the manipulation electrode 10 on the upper channel wall on the one hand and the manipulation electrode 10 are driven in anti-phase to the lower channel wall.
  • the centering electrodes 12 on the upper channel wall are driven in opposite phase to the centering electrodes 12 on the lower channel wall.
  • the electric fields are formed in this electrode structure in such a way that the cells 2 are caught centrally and not on a ring, as in FIG. 5.
  • FIGS. 14A and 14B corresponds largely to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIGS. 13A and 13B, so that reference is made to the above description for avoiding repetitions, the same reference numerals being used for corresponding components.
  • a special feature of this embodiment is that the centering electrodes 12 are connected to ground. As a result, the trapped cells 2 are brought in the Z direction in the vicinity of the manipulation electrode 10 and thus in flow-stabilized zones. This has the advantage that a stable holding in free solution can be realized with reduced electrical (heating) power.
  • FIGS. 15A and 15B again largely agrees with that described above and in FIG 14A and 14B illustrated embodiment, so reference is made to avoid repetition of the above description, wherein the same reference numerals are used for corresponding components.
  • a special feature of this embodiment is the electrical control of the centering electrodes 12 on the upper side and the underside of the carrier current channel.
  • the control of the centering electrode 12 at the upper channel wall is performed with ground, while the centering electrode 12 is driven at the lower channel wall in opposite phase to the upper manipulation electrode 10 as can be seen from the phase indication in Figure 15B.
  • FIGS. 16A and 16B corresponds largely to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIGS. 13A and 13B, so that reference is made to the above description for avoiding repetitions, the same reference numerals being used for corresponding components.
  • the manipulation electrode 10 consist of four annular segment-shaped electrode segments 3IA, 31B, 31C and 31D.
  • the individual electrode segments 31A-31D are in this case electrically connected to each other and therefore only spatially separated from each other so that the trapped cells 2 can more easily enter and leave the X-direction and Y-direction in the field cage.
  • FIGS. 17A and 17B largely corresponds to the exemplary embodiments described above, so that reference is made to the above description in order to avoid repetition, wherein FIG the same reference numerals are used for corresponding components.
  • a special feature of this embodiment is the electrical control of the manipulation electrode 10 and the centering electrodes 12.
  • the manipulation electrode 10 at the top of the channel wall and the manipulation electrode 10 at the bottom of the channel wall are driven in this embodiment with a phase difference of 90 °.
  • the two centering electrodes 12 are driven in opposite phase at the top or at the bottom of the carrier flow channel. In this way, rotation fields are generated in the field cage.
  • FIG. 18 shows a matrix-like arrangement of a multiplicity of circular or annular electrode arrangements 32, the individual electrode arrangements 32 each having manipulation electrodes and centering electrodes, as described above.
  • the individual electrode arrangements 32 are actuated by line control lines 33 and column control lines 34.
  • the associated row control lines 33 and the associated column control lines 34 are switched to ground or free potential , With this, all the cells remain fixed with the exception of the cell held in the relevant electrode arrangement 32. In the affected electrode assembly 32, however, all electrodes are grounded, so that the particles therein can leave the associated electrode assembly 32 with the carrier flow.
  • FIGS. 19A-19C show different variants of electrode arrangements according to the invention with centering electrodes 35 and manipulation electrodes 36, the manipulation electrodes 36 each consisting of four segments surrounding the centering electrode 35.
  • manipulation electrodes 36 still have funnel-shaped electrode arrangements ("funnel"), as described initially in the description of the state of the art
  • FIG. 20 shows a multiplicity of electrode arrangements which largely correspond to the electrode arrangements according to FIGS. 19A-19C, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference symbols being used for corresponding components. 1
  • a special feature of this embodiment is that downstream of the individual electrode arrangements, in each case particle switches 37 are arranged, which make it possible to selectively convey the exiting particles into the downstream electrode structure or to deflect them laterally.

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Abstract

The invention relates to a microfluidic system comprising a carrier current channel (1) for receiving a carrier current containing particles suspended therein, and at least one electrode arrangement (3) which is arranged in the carrier current channel and used to manipulate the suspended particles (2), said electrode arrangement (3) comprising two manipulation electrodes (4, 5). According to the invention, the electrode arrangement (3) comprises two centering electrodes (6, 7), in addition to the two manipulation electrodes (4, 5), for centering the particles, the two centering electrodes (6, 7) being arranged in the carrier current channel (1) respectively upstream of one of the two manipulation electrodes (4, 5). The invention also relates to a corresponding control method.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Mikrofluidisches System und zugehöriges AnsteuerverfahrenMicrofluidic system and associated driving method
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System und ein zugehöriges Ansteuerverfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche.The invention relates to a microfluidic system and an associated driving method according to the preamble of the independent claims.
Derartige mikrofluidische Systeme sind beispielsweise aus Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and ca- ging single cells and particles", Biosensors and Bioelectro- nics 14, 247-256, 1999 bekannt und weisen einen flachen Trä- gerstromkanal zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (z.B. biologischen Zellen) auf, wobei sich in dem Trägerstromkanal eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung befindet, um die suspendierten Partikel zu manipulieren. Beispielsweise können die suspendierten Partikel in dem Trägerstrom durch eine trichterförmige Elektrodenanordnung (engl, "funnel") zentriert oder durch einen sogenannten Haken (engl, "hook") fixiert werden.Such microfluidic systems are known, for example, from Müller, T. et al. : "A 3D microelectrode for handling and caing single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 known and have a flat carrier flow channel for receiving a carrier stream with particles suspended therein (eg biological Cells) with a dielectrophoretic electrode assembly in the carrier flow channel to manipulate the suspended particles. For example, the suspended particles in the carrier stream may be centered by a funnel-shaped electrode arrangement ("funnel") or fixed by a so-called "hook".
Nachteilig an den bekannten mikrofluidischen Haltesystemen, beispielsweise den vorstehend erwähnten dielektrophoretischen Haken, ist jedoch die Tatsache, dass die Partikel von den dielektrophoretischen Elektrodenanordnungen in dem Trägerstromkanal nach oben oder unten in Richtung der Kanalwand gedrückt werden können, was insbesondere bei biologischen ZeI- len störend ist.However, a disadvantage of the known microfluidic retention systems, for example the above-mentioned dielectrophoretic hooks, is the fact that the particles from the dielectrophoretic electrode arrangements in the carrier flow channel can be pushed upwards or downwards in the direction of the channel wall, which is particularly troublesome in biological cells ,
Aus Schnelle, T. et al . : "Trapping of Viruses in High Fre- quency Electric Field Cages", Naturwissenschaften 83, 172-176 (1996) , Springer-Verlag ist die Verwendung dielektrophoreti- scher Feldkäfige (engl, "cages") bekannt, um suspendierte Partikel in einem Feldminimum innerhalb des Feldkäfigs zu fixieren. Diese Feldkäfige weisen acht kubisch angeordnete Käfigelektroden auf und zentrieren die suspendierten Partikel in allen Raumrichtungen, was hier erforderlich ist, um eine Anhaftung der Partikel an den Kanalwänden zu verhindern. Dafür ist eine individuelle elektrische Versorgung der Käfigelektroden notwendig, was technisch sehr aufwendig ist und beispielsweise die Parallelisierbarkeit erschwert.From Schnelle, T. et al. : "Trapping of Viruses in High Frequency Electric Field Cages", Naturwissenschaften 83, 172-176 (1996), Springer-Verlag is the use of dielectrophoretic cages are known to fix suspended particles in a field minimum within the field cage. These field cages have eight cubically arranged cage electrodes and center the suspended particles in all spatial directions, which is required here to prevent adhesion of the particles to the channel walls. For an individual electrical supply of the cage electrodes is necessary, which is technically very complicated and difficult, for example, the parallelizability.
Weitere Ausführungsbeispiele derartiger Feldkäfige sind aus Fuhr, G. et al.: "Positioning and Manipulation of cells and Microparticles Using Miniaturized Electric Field Traps and Travelling Waves", Sensors and Materials, Vol. 7, No. 2 (1995) 131-146 bekannt.Further embodiments of such field cages are known from Fuhr, G. et al .: "Positioning and Manipulation of Cells and Microparticles Using Miniaturized Electric Field Traps and Traveling Waves", Sensors and Materials, Vol. 2 (1995) 131-146.
Die nachveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2004 017 482 Al offenbart ebenfalls mikrofluidische Systeme mit dielektropho- retischen Elementen, wie beispielsweise den bereits eingangs erwähnten Feldkäfigen (engl, "cages") , Trichtern (engl, "fun- nels") sowie Partikelweichen (engl, "switches"). Die Feldkäfige zentrieren die suspendierten Partikel jedoch ebenfalls in allen Raumrichtungen, was hiererforderlich ist, um eine Anhaftung der suspendierten Partikel an den Kanalwänden de Trägerstromskanals zu verhindern.The subsequently published patent application DE 10 2004 017 482 A1 likewise discloses microfluidic systems with dielectrophoretic elements, such as the field cages (cages) already mentioned in the beginning, funnels (Engles), and particle switches (Engl. switches "). However, the field cages also center the suspended particles in all spatial directions, which is necessary to prevent adhesion of the suspended particles to the channel walls of the carrier flow channel.
Aus ÜS2002/0182627 Al sind sogenannte Biochips bekannt, in denen suspendierte Partikel mittels Elektrophorese manipuliert werden. Darüber hinaus offenbart diese Patentanmeldung auch planare dielektrophoretische Feldkäfige, die jeweils einen suspendierten Partikel in einer Bohrung einer Platte positionieren. Diese Art der Fixierung führt jedoch gezielt zu einem Berührungskontakt zwischen dem fixierten Partikel und der Kanalbegrenzung, was insbesondere bei biologischen Zellen störend ist.From ÜS2002 / 0182627 Al so-called biochips are known in which suspended particles are manipulated by electrophoresis. In addition, this patent application also discloses planar dielectrophoretic field cages, each positioning a suspended particle in a bore of a plate. However, this type of fixation leads deliberately to a physical contact between the fixed particles and the channel boundary, which is particularly disturbing in biological cells.
Weiterhin offenbaren DE 199 52 322 C2, DE 103 11 716 Al und US 5,454,472 Verfahren und Vorrichtungen zur Trennung suspendierter Partikel mittels dielektrophoretischer Elemente. Aus diesen Patentanmeldungen sind jedoch keine Maßnahmen bekannt, um das Anhaften suspendierter Partikel an den Kanalwänden zu verhindern.Furthermore, DE 199 52 322 C2, DE 103 11 716 A1 and US Pat. No. 5,454,472 disclose methods and devices for separating suspended particles by means of dielectrophoretic elements. From these patent applications, however, no measures are known to prevent the adhesion of suspended particles to the channel walls.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen bekannten mikrofluidischen Haltesysteme entsprechend zu verbessern bzw. zu vereinfachen, wobei verhindert werden soll, dass die suspendierten Partikel von der Elektrodenanordnung in Richtung Kanalwand gedrückt werden.The invention is therefore based on the object of improving or simplifying the known microfluidic retaining systems described at the outset, in which case it is to be prevented that the suspended particles are pressed by the electrode arrangement in the direction of the channel wall.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches System und ein zugehöriges Ansteuerverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by an inventive microfluidic system and an associated driving method according to the independent claims.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, stromaufwärts vor den Manipulationselektroden (z.B. einem sogenannten "hook") Zentrierelektroden anzuordnen, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel in der Zentralebene des Trägerstromkanals fokussieren und dadurch verhindern, dass die suspendierten Partikel in Richtung Kanalwand gedrückt werden.The invention includes the general technical teaching of arranging upstream of the manipulation electrodes (e.g., a so-called "hook") centering electrodes which focus the particles suspended in the carrier stream in the central plane of the carrier flow channel and thereby prevent the suspended particles from being forced towards the channel wall.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff der Zentrie- rung bzw. Fokussierung bedeutet vorzugsweise, dass die suspendierten Partikel rechtwinklig zur Strömungsrichtung zentriert bzw. fokussiert werden. Das erfindungsgemäße mikrofluidische System weist eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Manipulationselektroden und mindestens zwei stromaufwärts vor den Manipulationselektroden angeordneten Zentrierelektroden auf.The term centering or focusing used in the context of the invention preferably means that the suspended particles are centered or focused at right angles to the flow direction. The microfluidic system according to the invention has an electrode arrangement with at least two manipulation electrodes and at least two centering electrodes arranged upstream of the manipulation electrodes.
Bei den beiden Manipulationselektroden kann es sich beispielsweise um sogenannte Haken (engl, "hook") handeln, die an sich bereits aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioe- lectronics 14, 247-256, 1999 bekannt sind, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Gestaltung der Manipulationselektroden in vollem Umfang zuzurechnen ist.The two manipulation electrodes may, for example, be so-called hooks ("hooks"), which in themselves are already known from the publication by Müller, T. et al. : "A 3D microelectrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 are known, so that the content of this publication of the present description in the design of the manipulation electrodes in full account is.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Manipulationselektroden nicht notwendigerweise einstückig bzw. durchgehend sein müssen. Es besteht vielmehr auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Manipulationselektroden aus mehreren Teilelektroden bestehen, wobei die einzelnen Teilelektroden der Manipulationselektroden getrennt ansteuerbar sein können. Beispielsweise können die einzelnen Manipulationselektroden auch durch Passivierungsschichten unterbrochen sein.It should also be mentioned that the manipulation electrodes do not necessarily have to be one-piece or continuous. Rather, there is also the possibility that the individual manipulation electrodes consist of a plurality of sub-electrodes, wherein the individual sub-electrodes of the manipulation electrodes can be controlled separately. For example, the individual manipulation electrodes can also be interrupted by passivation layers.
Wichtig ist jedoch, dass die Manipulationselektroden entgegen der Strömungsrichtung gekrümmt sind, wie es beispielsweise bei den bekannten sogenannten Haken der Fall ist. Anstelle von hakenförmigen Manipulationselektroden besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden bogenförmig (z.B. halbkreisförmig) oder ringförmig geschlossen sind. Sie können aber auch die Form eines Rechtecks oder eines Teils eines Rechtecks, eines Sechsecks oder allgemein eine Polygons haben. Die Form ist also ebenso wie bei den Zentrierelektroden nahezu beliebig. Beispielsweise können die Manipulations- elektroden kreisringförmig sein, was die Anordnung mehrerer Partikel auf geschlossenen Bahnen ermöglicht.It is important, however, that the manipulation electrodes are curved against the direction of flow, as is the case for example with the known so-called hooks. Instead of hook-shaped manipulation electrodes, however, there is also the possibility that the manipulation electrodes are arc-shaped (eg semicircular) or annularly closed. They can also have the shape of a rectangle or part of a rectangle, a hexagon, or generally a polygon. The shape is therefore just as with the centering electrodes almost arbitrary. For example, the manipulation be circular electrodes, which allows the arrangement of multiple particles on closed paths.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Zentrierelektro- den mindestens teilweise von den stromabwärts dahinter angeordneten Manipulationselektroden umschlossen sind. Bei einer hakenförmigen Manipulationselektrode lässt sich dies dadurch erreichen, dass die zugehörige Zentrierelektrode vorzugsweise zwischen den beiden Schenkeln der hakenförmigen Manipulati- onselektrode angeordnet ist. Bei einer ringförmigen Manipulationselektrode kann die zugehörige Zentrierelektrode innerhalb der Manipulationselektrode angeordnet sein.Furthermore, the invention provides that the centering electrodes are at least partially enclosed by the manipulation electrodes arranged downstream of them. In the case of a hook-shaped manipulation electrode, this can be achieved in that the associated centering electrode is preferably arranged between the two legs of the hook-shaped manipulation electrode. In the case of an annular manipulation electrode, the associated centering electrode can be arranged inside the manipulation electrode.
Darüber hinaus sieht die Erfindung vor, dass die Zentrier- elektroden quer zur Strömungsrichtung eine geringere räumliche Ausdehnung aufweisen als die Manipulationselektroden, was bei den eingangs erwähnten Feldkäfigen mit acht kubisch angeordneten Käfigelektroden nicht der Fall ist.In addition, the invention provides that the centering electrodes have a smaller spatial extent transversely to the flow direction than the manipulation electrodes, which is not the case in the case of the above-mentioned field cages with eight cubically arranged cage electrodes.
Die Zentrierelektroden sind vorzugsweise dreieckig, rechteckig, hexagonal, rund, kreisförmig oder elliptischen geformt, wobei die Zentrierelektroden quer zur Strömungsrichtung vorzugsweise kleiner als die Manipulationselektroden sind.The centering electrodes are preferably triangular, rectangular, hexagonal, circular, circular or elliptical in shape, wherein the centering electrodes are transversely to the flow direction, preferably smaller than the manipulation electrodes.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die beiden Zentrierelektroden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind, damit die Zentrierelektroden elektrisch gegenphasig angesteuert werden kön- nen.It should also be mentioned that, in a preferred embodiment of the invention, the two centering electrodes can be controlled electrically separately from each other, so that the centering electrodes can be electrically driven in antiphase.
Das Gleiche gilt vorzugsweise auch für die beiden Manipulationselektroden, die zur Ermöglichung einer gegenphasigen An- Steuerung vorzugsweise ebenfalls elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind.The same applies preferably also to the two manipulation electrodes which are used to enable an antiphase Control preferably also electrically isolated from each other are controlled.
Darüber hinaus sind auch die Manipulationselektroden einer- seits und die Zentrierelektroden andererseits elektrisch getrennt ansteuerbar, da die Manipulationselektroden und die diesen jeweils zugeordneten Zentrierelektroden zur Erreichung einer Zentrierwirkung elektrisch gegenphasig angesteuert werden sollten.In addition, the manipulation electrodes on the one hand and the centering electrodes on the other hand are electrically separately controlled, since the manipulation electrodes and the respectively associated centering electrodes should be electrically driven in anti-phase to achieve a centering effect.
Ferner ist zu erwähnen, dass die beiden Manipulationselektroden und/oder die beiden Zentrierelektroden vorzugsweise jeweils im Wesentlichen planar (d.h. eben) sind, wobei die beiden Manipulationselektroden einerseits und die beiden Zen- trierelektroden vorzugsweise jeweils paarweise im Wesentlichen koplanar angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die einzelnen Elektroden in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei sich in jeder Ebene jeweils eine Manipulationselektrode und eine zugehörige Zentrierelektrode befin- det . Im Vergleich zum Feldkäfig ist die vorgeschlagene Anordnung robuster gegenüber Versatz, was die Herstellung der Systeme vereinfacht.It should also be mentioned that the two manipulation electrodes and / or the two centering electrodes are each preferably substantially planar (i.e., plane), wherein the two manipulation electrodes on the one hand and the two centering electrodes are preferably arranged in pairs substantially coplanar. This means that the individual electrodes are arranged in two mutually parallel planes, wherein in each plane in each case a manipulation electrode and an associated centering electrode is located. Compared to the field cage, the proposed arrangement is more robust to offset, which simplifies the manufacture of the systems.
Die Zentrierelektroden und die Manipulationselektroden sind hierbei in Strömungsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet, der vorzugsweise im Bereich von 1/8 bis zum zweifachen des Abstandes der Elektrodenebenen liegt. Für die Handhabung tierischer Suspensionszellen, beispielsweise Blutzellen liegt dies vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 80 μm, wobei sich ein Abstand von ungefähr 40 μm als besonders vorteilhaft erwiesen hat.The centering electrodes and the manipulation electrodes are in this case arranged in the flow direction at a distance from each other, which is preferably in the range of 1/8 to twice the distance of the electrode planes. For the handling of animal suspension cells, for example, blood cells, this is preferably in the range of 5 microns to 80 microns, with a distance of about 40 microns has been found to be particularly advantageous.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die E- lektrodenanordnung mehrere Manipulationselektrodenpaare und diesen zugeordnete Zentrierelektrodenpaare auf. Die einzelnen Manipulationselektrodenpaare können hierbei bezüglich der Strömungsrichtung nebeneinander oder hintereinander in dem Trägerstromkanal angeordnet sein. Diese Array-Anordnung er- laubt im Vergleich zu herkömmlichen dielektrophoretischen Käfigen eine einfachere und bessere Langzeitkultivierung von biologischen Zellen in Mikrofluidik-Chips . Beispielsweise können mehrere sogenannte Haken (engl, "hook") in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sein, um suspendierte Par- tikel zu fixieren.In an advantageous variant of the invention, the electrode arrangement has a plurality of manipulation electrode pairs and these associated Zentrierelektrodenpaare on. The individual manipulation electrode pairs may be arranged side by side or one behind the other in the carrier flow channel with respect to the flow direction. This array arrangement allows simpler and better long-term culturing of biological cells in microfluidic chips compared to conventional dielectrophoretic cages. For example, a plurality of so-called hooks can be arranged next to one another in the flow direction in order to fix suspended particles.
Die einzelnen Manipulationselektrodenpaare können hierbei e- lektrisch miteinander verbunden sein, was eine gemeinsame e- lektrische Ansteuerung ermöglicht, wobei die einzelnen Mani- pulationselektroden eines Manipulationselektrodenpaares in herkömmlicher Weise gegenphasig angesteuert werden.In this case, the individual manipulation electrode pairs can be electrically connected to one another, which enables a common electrical actuation, with the individual manipulation electrodes of a pair of manipulation electrodes being driven in antiphase in a conventional manner.
Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Manipulationselektrodenpaare zumindest teilweise voneinander elektrisch getrennt sind und zumindest teilweiseelektrisch getrennt angesteuert werden, was eine einfache selektive Erfassung der suspendierten Partikel ermöglicht.However, it is alternatively also possible for the individual manipulation electrode pairs to be at least partially electrically separated from one another and to be actuated at least partially electrically separately, which enables simple selective detection of the suspended particles.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung das Ziel, die ther- mische Belastung der suspendierten Partikel zu minimieren, was insbesondere bei biologischen Zellen wichtig ist. Die thermische Belastung der suspendierten Partikel hängt jedoch von der Elektrodenbreite und dem Elektrodenabstand ab, wobei diese Parameter auch die Kraft beeinflussen, welche die E- lektrodenanordnung auf die suspendierten Partikel ausübt.Furthermore, the goal of the invention is to minimize the thermal loading of the suspended particles, which is particularly important in biological cells. However, the thermal loading of the suspended particles depends on the electrode width and electrode spacing, which parameters also affect the force exerted by the electrode assembly on the suspended particles.
Vorzugsweise liegt die laterale Elektrodenbreite im Bereich von 10% bis 50% des Elektrodenabstands zwischen den Ebenen, da das Verhältnis von der erwünschten Kraft zu der uner- wünschten Erwärmung der suspendierten Partikel in diesem Bereich besonders gut ist.Preferably, the lateral electrode width is in the range of 10% to 50% of the electrode spacing between the planes, since the ratio of the desired force to the unreacted desired heating of the suspended particles in this area is particularly good.
Ferner ist zu erwähnen, dass der Trägerstromkanal des erfin- dungsgemäßen mikrofluidischen Systems vorzugsweise einen Strömungsquerschnitt aufweist, der im Bereich von 0,006 mm2 bis 0,6 mm2 liegt, was bei mikrofluidischen Systemen üblich ist. Die Höhe des Trägerstromkanals kann hierbei beispielsweise im Bereich von 1 μm bis 400 μm liegen, während die Breite des Trägerstromkanals beispielsweise im Bereich von 5 μm bis 1,5 mm liegen kann.It should also be mentioned that the carrier flow channel of the microfluidic system according to the invention preferably has a flow cross-section which is in the range of 0.006 mm 2 to 0.6 mm 2 , which is customary in microfluidic systems. The height of the carrier flow channel may be, for example, in the range of 1 .mu.m to 400 .mu.m, while the width of the carrier flow channel may be, for example, in the range of 5 .mu.m to 1.5 mm.
Generell kann der Querschnitt des Trägerstromkanals unterschiedlich sein, so kann er beispielsweise rechteckig oder trapezförmig sein.In general, the cross section of the carrier flow channel may be different, it may be rectangular or trapezoidal, for example.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die beiden koplanar angeordneten Manipulationselektroden der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. In gleicher Weise können auch die beidenFurthermore, there is the possibility that the two coplanar arranged manipulation electrodes of the electrode arrangement according to the invention are arranged offset in the flow direction to each other. In the same way, the two can
Zentrierelektroden der Elektrodenanordnung in Strömungsrichtung zueinander versetzt sein. Der Versatz in Strömungsrichtung kann hierbei im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den Manipulationselektroden und den Zentrierelektroden im Bereich von 5% bis 95%, 10% bis 90%, 20% bis 80% oder 30% bis 70% liegen. Die Möglichkeit des Versatzes der Elektroden hat den Vorteil, dass dadurch an den Herstellungsprozess nicht so hohe Anforderungen gestellt werden müssen, wie beispielsweise bei den bereits bekannten Feldkäfigen, bei denen eine genaue Ausrichtung der Elektroden für die Funktionalität grundlegend ist.Centering electrodes of the electrode assembly to be offset in the flow direction to each other. The offset in the flow direction may be in the range of 5% to 95%, 10% to 90%, 20% to 80% or 30% to 70% in relation to the distance between the manipulation electrodes and the centering electrodes. The possibility of offsetting the electrodes has the advantage that as a result the manufacturing process does not have to be set as high as, for example, in the already known field cages, where precise alignment of the electrodes for the functionality is fundamental.
Die Erfindung umfasst jedoch nicht nur das erfindungsgemäße mikrofluidische System, sondern auch ein biologisches Gerät (z.B. einen Zellsortierer) mit einem derartigen mikrofluidischen System.However, the invention includes not only the microfluidic system according to the invention but also a biological device (eg a cell sorter) with such a microfluidic system.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein zugehöriges Ansteuerver- fahren für ein derartiges mikrofluidisches System. Dabei werden die Manipulationselektroden einerseits und die diesen zugeordneten Zentrierelektroden andererseits vorzugsweise e- lektrisch gegenphasig angesteuert, um die gewünschte Zentrierwirkung zu erreichen.Furthermore, the invention comprises an associated drive method for such a microfluidic system. On the other hand, the manipulation electrodes, on the one hand, and the centering electrodes assigned thereto, on the other hand, are preferably driven in an ephemeral manner in order to achieve the desired centering effect.
Alternativ kann die Anordnung auch nur einphasig betrieben werden. Die Ansteuerung erfolgt wie vorstehend beschrieben wurde, wobei die zweite Phase durch Masse oder freies Potential ersetzt wird. Dies stellt eine wesentliche Vereinfachung im Vergleich zum bekannten Feldkäfig (2- bzw. 4-Alternatively, the arrangement can also be operated only single-phase. The activation takes place as described above, wherein the second phase is replaced by ground or free potential. This represents a significant simplification compared to the known field cage (2 or 4).
Phasenansteuerung) dar. Dabei vereinfacht sich nicht nur der Chip und die Steuerelektronik, sondern es verringern sich auch die Anforderungen an das Interface (Kapazitäten, Induktivitäten) , da Phasenverschiebungen und Laufzeitverzögerungen weniger wichtig werden.This not only simplifies the chip and the control electronics, but it also reduces the demands on the interface (capacitances, inductances), as phase shifts and propagation delays become less important.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Zentrierelektroden abgeschaltet werden, wenn ein Partikel von den zugehörigen Manipulationselektroden fixiert worden ist. Die gefange- nen Partikel verbleiben trotz der Abschaltung der Zentrierelektroden dann im hydrodynamischen Fluss dennoch in der Zentralebene vor den stromabwärts liegenden Manipulationselektroden. Dadurch wird die thermische sowie elektrische Belastung der gefangenen Partikel herabgesetzt was besonders für biologische Zellen von Bedeutung ist.Furthermore, there is the possibility that the centering electrodes are switched off when a particle has been fixed by the associated manipulation electrodes. Despite the deactivation of the centering electrodes, the trapped particles then remain in the hydrodynamic flow in the central plane in front of the downstream manipulation electrodes. This reduces the thermal and electrical load on the trapped particles, which is particularly important for biological cells.
Die Abschaltung der Zentrierelektroden kann wahlweise erfolgen, indem die Zentrierelektroden auf Masse oder potentialfrei geschaltet werden, wobei die Zentrierelektroden bei ei- ner potentialfreien Schaltung ein schwimmendes elektrisches Potential aufweisen.The deactivation of the centering electrodes can optionally be done by the centering electrodes are switched to ground or floating, the centering electrodes at a ner floating circuit have a floating electrical potential.
Weiterhin besteht hierbei die Möglichkeit, dass die Zentrier- elektroden vor ihrer Abschaltung kurzzeitig mit einer erhöhten elektrischen Spannung angesteuert werden.Furthermore, there is the possibility that the centering electrodes are briefly actuated with an increased electrical voltage before being switched off.
Ferner kann die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal kurz vor der Abschaltung der Zentrierelektroden kurz- zeitig erhöht werden.Furthermore, the flow velocity in the carrier flow channel can be increased shortly before the deactivation of the centering electrodes.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung dienen die Zentrierelektroden nicht nur zur Zentrierung der suspendierten Partikel in dem Trägerstromkanal, sondern auch zur Unter- suchung der suspendierten Partikel. Beispielsweise können die Zentrierelektroden zunächst die Zentrierung der suspendierten Partikel bewirken, bis die suspendierten Partikel von den nachgeordneten Manipulationselektroden gefangen werden. Während dieser Zentrierphase werden die Manipulationselektroden und die Zentrierelektroden elektrisch gegenphasig angesteuert, wie vorstehend erläutert wurde. Nach dem Einfangen der suspendierten Partikel durch die Manipulationselektroden können die Zentrierelektroden dann als Messelektroden eingesetzt werden. Hierzu werden die Zentrierelektroden von der elektri- sehen Ansteuerung getrennt und mit einem entsprechenden Messgerät verbunden. Beispielsweise können die Zentrierelektroden als Impedanzmesselektroden verwendet werden und eine impe- danzspektroskopische Untersuchung der gefangenen Partikel durchführen. Vorteilhaft daran ist das gute Signal-Rausch- Verhältnis, da die Zentrier- bzw. Messelektroden eine geringe Größe aufweisen und die zu untersuchenden Partikel nahe an den Zentrier- bzw. Messelektroden fixiert sind. In einer Variante der Erfindung weist die Elektrodenanordnung sowohl an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals als auch an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals ringförmige Manipulationselektroden auf. Vorzugsweise werden die Manipu- lationselektroden an der oberen Kanalwand einerseits und an der unteren Kanalwand andererseits elektrisch gegenphasig angesteuert. Es .besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden an der unteren Kanalwand auf Masse liegen und lediglich die Manipulationselektroden an der oberen Kanalwand elektrisch angesteuert werden. Ferner besteht auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden an der oberen Kanalwand auf Masse liegen und nur die Manipulationselektroden an der unteren Kanalwand elektrisch angesteuert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden an der oberen Kanalwand einerseits und an der unteren Kanalwand andererseits mit einem Phasenunterschied von 90° elektrisch angesteuert werden, um beispielsweise Rotationsfelder zu erzeugen.In an advantageous variant of the invention, the centering electrodes serve not only for centering the suspended particles in the carrier flow channel, but also for examining the suspended particles. For example, the centering electrodes may first cause centering of the suspended particles until the suspended particles are trapped by the downstream manipulation electrodes. During this centering phase, the manipulation electrodes and the centering electrodes are electrically driven in anti-phase, as explained above. After trapping of the suspended particles by the manipulation electrodes, the centering electrodes can then be used as measuring electrodes. For this purpose, the centering electrodes are disconnected from the electrical control and connected to a corresponding measuring device. For example, the centering electrodes can be used as impedance measuring electrodes and perform an impedance spectroscopic examination of the trapped particles. The advantage of this is the good signal-to-noise ratio, since the centering or measuring electrodes have a small size and the particles to be examined are fixed close to the centering or measuring electrodes. In a variant of the invention, the electrode arrangement has annular manipulation electrodes both on the upper channel wall of the carrier flow channel and on the lower channel wall of the carrier flow channel. Preferably, the manipulation electrodes are actuated on the upper channel wall on the one hand and on the other hand on the lower channel wall on the other hand in an out-of-phase manner. However, there is alternatively also the possibility that the manipulation electrodes on the lower channel wall are grounded and only the manipulation electrodes on the upper channel wall are electrically driven. Furthermore, there is also the possibility that the manipulation electrodes on the upper channel wall are grounded and only the manipulation electrodes on the lower channel wall are electrically driven. Furthermore, there is the possibility that the manipulation electrodes on the upper channel wall on the one hand and on the lower channel wall on the other hand are electrically controlled with a phase difference of 90 °, for example, to generate rotational fields.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit ringförmigen Manipulationselektroden befinden sich die Zentrierelektroden vorzugsweise in der Mitte der ringförmigen Manipulationselektroden. Die Zentrierelektroden können hierbei elektrisch auf Masse liegen. Alternativ besteht die Möglich- keit, dass nur die Zentrierelektroden an der oberen Kanalwand oder nur die Zentrierelektroden an der unteren Kanalwand auf Masse liegen, während die jeweils anderen Zentrierelektroden elektrisch angesteuert werden. In einer Variante der Erfindung erfolgt die elektrische Ansteuerung der Zentrierelektro- den an der oberen Kanalwand einerseits und an der unteren Kanalwand andererseits elektrisch gegenphasig.In the embodiments with annular manipulation electrodes described above, the centering electrodes are preferably located in the center of the annular manipulation electrodes. The centering electrodes can be electrically grounded. Alternatively, there is the possibility that only the centering electrodes on the upper channel wall or only the centering electrodes on the lower channel wall are grounded, while the respective other centering electrodes are electrically driven. In a variant of the invention, the electrical control of the centering electrodes takes place on the upper channel wall on the one hand and on the other hand on the lower channel wall in electrically opposite phase.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die ringförmigen Manipulationselektroden unterbrochen sind und jeweils aus meh- reren kreissegmentförmigen Elektrodensegmenten bestehen, die jedoch elektrisch miteinander verbunden sind. Die Unterbrechungen zwischen den einzelnen Elektrodensegmenten ermöglichen hierbei vorteilhaft das Eintreten von Partikeln in die Elektrodenanordnung bzw. das Austreten von Partikeln aus der Elektrodenanordnung .Furthermore, there is the possibility that the annular manipulation electrodes are interrupted and in each case consist of several Reren circle segment-shaped electrode segments exist, but which are electrically connected to each other. The interruptions between the individual electrode segments advantageously permit the entry of particles into the electrode arrangement or the emergence of particles from the electrode arrangement.
Weiterhin besteht hierbei die Möglichkeit, dass die einzelnen Elektrodensegmente nach außen ragende Schenkel aufweisen, wo- bei die nach außen ragenden Schenkel benachbarter Elektrodensegmente eine trichterförmige Elektrodenanordnung (engl, "funnel") bilden, wie sie eingangs bei der Beschreibung des Standes der Technik erläutert wurden. Diese trichterförmigen Elektrodenanordnungen erleichtern das Einführen von Partikeln in die Elekrodenanordnung.Furthermore, there is the possibility that the individual electrode segments have outwardly projecting limbs, with the outwardly projecting limbs of adjacent electrode segments forming a funnel-shaped electrode arrangement ("funnel"), as explained in the description of the prior art , These funnel-shaped electrode arrangements facilitate the introduction of particles into the electrode arrangement.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass stromabwärts hinter den Elektrodenanordnungen Partikelweichen geordnet sind, wie sie aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247- 256, 1999 bekannt sind. Die aus den Feldkäfigen austretenden Partikel können dann von den dahinter befindlichen Partikelweichen wahlweise in eine weitere Elektrodenanordnung beför- dert oder seitlich abgelenkt werden.Furthermore, there is the possibility that downstream of the electrode arrangements, particle switches are arranged, as described in the publication by Müller, T. et al. "A 3D microelectrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 are known. The particles emerging from the field cages can then be selectively conveyed or laterally deflected by the particle switches located behind them into a further electrode arrangement.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Elektrodenanordnungen vorgesehen, die jeweils mindestens eine Zentrierelekt- rode und mindestens eine Manipulationselektrode aufweisen. Die einzelnen Elektrodenanordnungen können hierbei entsprechend den vorstehend beschriebenen Varianten aufgebaut sein. Für jede Zeile der Elektrodenanordnungen sind hierbei vorzugsweise zwei Zeilen-Steuerleitungen vorgesehen, wobei die eine Zeilen-Steuerleitung mit den Zentrierelektroden der E- lektrodenanordnungen der jeweiligen Zeile verbunden ist, während die andere Zeilen-Steuerleitung mit den Manipulationselektroden der Elektrodenanordnungen der jeweiligen Zeile verbunden ist. Darüber hinaus sind für jede Spalte jeweils zwei Spalten-Steuerleitungen vorgesehen, wobei die eine Spalten-Steuerleitung mit den Zentrierelektroden sämtlicher E- lektrodenanordnungen der jeweiligen Spalte verbunden ist, während die andere Spalten-Steuerleitung mit den Manipulati- onselektroden sämtlicher Elektrodenanordnungen der jeweiligen Spalte verbunden ist. Jede Zentrier- und Manipulationselektrode ist also jeweils mit einer Zeilen-Steuerleitung und einer Spalten-Steuerleitung verbunden. Auf diese Weise lassen sich bestimmte Elektrodenanordnungen gezielt abschalten, in- dem die beiden zugehörigen Zeilen- bzw. Spalten-Steuerleitungen auf Masse bzw. freies Potential geschaltet werden. Die anderen Elektrodenanordnungen bleiben dann jedoch angeschaltet.In an advantageous embodiment of the invention, a multiplicity of electrode arrangements arranged in the form of a matrix are provided, each of which has at least one centering electrode and at least one manipulation electrode. The individual electrode arrangements can in this case be constructed in accordance with the variants described above. For each line of the electrode arrangements in this case preferably two line control lines are provided, wherein the a row control line is connected to the centering electrodes of the electrode arrays of the respective row, while the other row control line is connected to the manipulation electrodes of the electrode arrays of the respective row. In addition, two column control lines are provided for each column, wherein one column control line is connected to the centering electrodes of all the electrode arrangements of the respective column, while the other column control line is connected to the manipulation electrodes of all the electrode arrangements of the respective column , Each centering and manipulation electrode is thus connected in each case to a row control line and a column control line. In this way, specific electrode arrangements can be selectively switched off by switching the two associated row or column control lines to ground or free potential. The other electrode arrangements then remain switched on.
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:Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are explained in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Show it:
Figur 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems,FIG. 1 shows a simplified perspective illustration of a microfluidic system according to the invention,
Figuren 2A-2D verschiedene Ansichten eines herkömmlichen mikrofluidischen Systems, Figuren 3A-3D entsprechende Ansichten zu den Figuren 2A-2D bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System, Figuren 4A, 4B verschiedene Ansichten einer Elektrodenanord- nung eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems,FIGS. 2A-2D show various views of a conventional microfluidic system, FIGS. 3A-3D show views corresponding to FIGS. 2A-2D in the case of the microfluidic system according to the invention, 4A, 4B show different views of an electrode arrangement of another exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention,
Figuren 5A, 5B ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Elektrodenanordnung,FIGS. 5A, 5B show a further exemplary embodiment of an electrode arrangement according to the invention,
Figuren 6A-6C weitere Varianten von möglichen Elektrodenan- ordnungen in einem" erfindungsgemäßen mikroflu- idischen System,Figures 6A-6C further variants of possible orders in a Elektrodenan- "according to the invention mikroflu- idischen system,
Figuren 7A, 7B weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodenan- Ordnungen, die in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System eingesetzt werden können,FIGS. 7A, 7B show further exemplary embodiments of electrode arrangements which can be used in a microfluidic system according to the invention,
Figur 8 ein Diagramm, das die durch die Elektrodenanordnung erzeugte Erwärmung und die auf die suspendierten Partikel ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von Elektrodenbreite und Elektrodenabstand zeigt,FIG. 8 is a graph showing the heating produced by the electrode assembly and the force applied to the suspended particles as a function of electrode width and electrode spacing;
Figuren 9A-9E weitere Varianten von Elektrodenanordnungen in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Sys- tem,FIGS. 9A-9E show further variants of electrode arrangements in a microfluidic system according to the invention,
Figur 10 verschiedene Ansichten einer Elektrodenanordnung in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,FIG. 10 shows different views of an electrode arrangement in a further exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention,
Figur 11 verschiedene Ansichten weiterer Elektrodenan- Ordnungen,FIG. 11 shows different views of further electrode arrangements,
Figur 12 verschiedene Ansichten weiterer Elektrodenanordnungen, bei denen die Zentrierelektroden einerseits und die Manipulationselektroden andererseits mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden,FIG. 12 shows different views of further electrode arrangements, in which the centering electrodes on the one hand and the manipulation electrodes on the other hand are driven with different frequencies,
Fig. 13A, 13B eine Variante zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5A und 5B, Fig. 14A, 14B eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit kreisförmigen Zentrierelektroden und kreisringförmigen Manipulationselektroden, Fig. 15A, 15B noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit kreisförmigen Zentrierelektroden kreisringförmigen Manipulationselektroden, wobei die Ansteuerung der Zentrierelektroden in anderer Weise erfolgt, Fig. 16A, 16B ein alternatives Ausführungsbeispiel mit kreissegmentförmigen Manipulationselektroden und kreisförmigen Zentrierelektroden,13A, 13B show a variant of the embodiment according to FIGS. 5A and 5B, 14A, 14B show a further variant of an embodiment according to the invention with circular centering electrodes and annular manipulation electrodes, FIGS. 15A, 15B show yet another embodiment of an arrangement according to the invention with circular centering electrodes of annular manipulation electrodes, wherein the control of the centering electrodes takes place in a different manner, FIG. 16B shows an alternative embodiment with circular segment-shaped manipulation electrodes and circular centering electrodes,
Fig. 17A, 17B ein weiteres Ausführungsbeispiel mit kreisringförmigen Manipulationselektroden und kreisförmigen Zentrierelektroden,17A, 17B show a further embodiment with annular manipulation electrodes and circular centering electrodes,
Figur 18 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen matrixförmigen Elektrodenanordnung mit einer Vielzahl von kreis- bzw kreisringförmigen Elektrodenstrukturen, Fig. 19A-19C weitere Varianten von erfindungsgemäßen Elektrodenstrukturen,18 shows a simplified representation of a matrix-shaped electrode arrangement according to the invention with a multiplicity of circular or annular electrode structures, FIGS. 19A-19C show further variants of electrode structures according to the invention,
Fig. 20 eine erfindungsgemäße Elektrodenstruktur mit mehreren Elektrodenanordnungen, die jeweils Zentrier- und Manipulationselektroden aufwei- sen.20 shows an electrode structure according to the invention with a plurality of electrode arrangements, each of which has centering and manipulation electrodes.
Die perspektivische Ansicht in Figur 1 zeigt einen Trägerstromkanal 1 eines mikrofluidischen Systems, wie es beispielsweise in einem Zellsortierer zur Sortierung biologi- scher Zellen eingesetzt werden kann. Der Zellsortierer selbst kann hierbei in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, so dass im Folgenden auf eine detaillierte Beschreibung des Zellsortierers verzichtet werden kann. Der Trägerstromkanal 1 hat hierbei einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 40 μm und einer Breite von 150 μm und führt einen Trägerstrom mit darin suspendierten Partikeln, wobei zur Vereinfachung nur eine biologische Zelle 2 schematisch dargestellt ist.The perspective view in FIG. 1 shows a carrier flow channel 1 of a microfluidic system, as can be used, for example, in a cell sorter for sorting biological cells. The cell sorter itself may in this case be designed in a conventional manner, so that a detailed description of the cell sorter can be omitted below. The carrier flow channel 1 in this case has a rectangular cross-section with a height of 40 microns and a width of 150 microns and carries a carrier stream with particles suspended therein, with only a biological cell 2 is shown schematically for simplicity.
Der Trägerstrom mit den darin suspendierten biologischen Zellen 2 strömt in dem Trägerstromkanal 1 in x-Richtung, wie durch die Pfeile veranschaulicht wird.The carrier stream with the biological cells 2 suspended therein flows in the carrier flow channel 1 in the x-direction, as illustrated by the arrows.
In dem Trägerstromkanal 1 ist eine Elektrodenanordnung 3 angeordnet, die aus zwei hakenförmigen Manipulationselektroden 4, 5 und zwei kreisförmigen Zentrierelektroden 6, 7 besteht.In the carrier flow channel 1, an electrode assembly 3 is arranged, which consists of two hook-shaped manipulation electrodes 4, 5 and two circular centering electrodes 6, 7.
Die beiden Manipulationselektroden 4, 5 sind in herkömmlicher Weise ausgebildet und werden entsprechend angesteuert, was aus der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 bekannt ist, so dass zur Vermeidung vonThe two manipulation electrodes 4, 5 are formed in a conventional manner and are driven accordingly, which from the already mentioned above publication by Müller, T. et al. : "A 3D microelectrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 is known so as to avoid
Wiederholungen auf diese Veröffentlichung verwiesen wird, deren Inhalt der vorliegenden Beschreibung im vollem Umfang zuzurechnen ist. Es ist an dieser Stelle lediglich kurz zu erwähnen, dass die beiden Manipulationselektroden 4, 5 jeweils planar ausgebildet und koplanar zueinander ausgerichtet sind, wobei die Manipulationselektrode 4 an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist, während die andere Manipulationselektrode 5 an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist.References to this publication, the contents of which are to be fully attributed to the present description. It should be mentioned at this point only briefly that the two manipulation electrodes 4, 5 are each formed planar and coplanar with each other, wherein the manipulation electrode 4 is disposed on the upper channel wall of the carrier flow channel 1, while the other manipulation electrode 5 at the lower channel wall of Carrier flow channel 1 is arranged.
Die beiden Zentrierelektroden 6, 7 sind ebenfalls planar ausgebildet und koplanar zueinander ausgerichtet, wobei die Zentrierelektrode 6 an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist, während die Zentrierelektrode 7 an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist. Die Zentrierelektrode 6 liegt also mit der Manipulationselektrode 4 in einer Ebene, während die Zentrierelektrode 7 mit der Manipulationselektrode 5 in einer Ebene liegt.The two centering electrodes 6, 7 are also planar and aligned coplanar with each other, wherein the centering electrode 6 is disposed on the upper channel wall of the carrier flow channel 1, while the centering electrode 7 at the lower channel wall of the carrier flow channel 1 is arranged. The centering electrode 6 thus lies with the manipulation electrode 4 in a plane, while the centering electrode 7 lies with the manipulation electrode 5 in a plane.
Zwischen der Zentrierelektrode 6 bzw. 7 und der zugehörigen Manipulationselektrode 4 bzw. 5 liegt hierbei in Strömungsrichtung ein Abstand von ungefähr 40-50 μm, was eine gute Zentrierwirkung der Zentrierelektroden 6, 7 ermöglicht.Between the centering electrode 6 and 7 and the associated manipulation electrode 4 and 5 is in the flow direction, a distance of about 40-50 microns, which allows a good centering effect of the centering electrodes 6, 7.
Im Betrieb werden die Manipulationselektroden 4, 5 elektrisch gegenphasig zueinander angesteuert, wie auch die Zentrierelektroden 6, 7 elektrisch gegenphasig zueinander angesteuert werden. Darüber hinaus wird auch die Zentrierelektrode 6 ge- genphasig zu der zugehörigen Manipulationselektr,ode 4 angesteuert, wie auch die Zentrierelektrode 7 gegenphasig zu der zugehörigen Manipulationselektrode 5 angesteuert wird. Auf diese Weise werden die suspendierten biologischen Zellen 2 in dem Trägerstromkanal 1 in der Zentralebene fokussiert, wo- durch ein Berührungskontakt der biologischen Zellen 2 mit den Kanalwänden des Trägerstromkanals 1 verhindert wird.In operation, the manipulation electrodes 4, 5 are electrically driven in opposite phase to each other, as well as the centering electrodes 6, 7 are electrically driven in opposite phase to each other. In addition, the centering electrode 6 is also driven in phase opposition to the associated manipulation electrode 4, just as the centering electrode 7 is also driven in antiphase to the associated manipulation electrode 5. In this way, the suspended biological cells 2 are focused in the carrier flow channel 1 in the central plane, whereby a contact contact of the biological cells 2 with the channel walls of the carrier flow channel 1 is prevented.
Die Zentrierelektroden 6, 7 und die Manipulationselektroden 4, 5 müssen jedoch nicht exakt gegenphasig (d.h. mit einer Phasenverschiebung von 180°) angesteuert werden. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung auch andere Phasenverschiebungen möglich. Diese Phasenverschiebung kann zwischen den Elektroden an der oberen Kanalwand und den an der unteren Kanalwand beliebig sein, wobei diese Verschiebung im allgemeinen zwi- sehen 90° und 270° liegt. Für Elektroden in einer Ebene, beispielsweise Manipulations- und Zentrierelektrode an der oberen Kanalwand, liegt die Verschiebung im allgemeinen im Bereich von 135°-225° (180°+ 45°). Darüber hinaus können die Zentrierelektroden 6, 7 und die Manipulationselektroden 4, 5 auch mit unterschiedlichen Frequenzen und Spannungen angesteuert werden, wie später noch detailliert beschrieben wird.However, the centering electrodes 6, 7 and the manipulation electrodes 4, 5 do not have to be controlled exactly in antiphase (ie with a phase shift of 180 °). Rather, other phase shifts are possible within the scope of the invention. This phase shift may be arbitrary between the electrodes at the upper channel wall and at the lower channel wall, said shift generally being between 90 ° and 270 °. For electrodes in a plane, for example, manipulation and centering electrode on the upper channel wall, the displacement is generally in the range of 135 ° -225 ° (180 ° + 45 °). In addition, the centering electrodes 6, 7 and the manipulation electrodes 4, 5 can also be driven with different frequencies and voltages, as will be described in detail later.
Die Figuren 3A-3D zeigen verschiedene Ansichten der Elektrodenanordnung 3 bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System, wobei die Figuren 3B-3C die jeweilige elektrische Feldverteilung zeigen. Die Figuren 3A und 3B enthalten eine Aufsichtsdarstellung der Elektrodenanordnung 3 in z-Richtung, während die Figuren 3C und 3D Schnittbilder in der y-z-Ebene bzw. der x-z-Ebene wiedergeben.FIGS. 3A-3D show different views of the electrode arrangement 3 in the case of the microfluidic system according to the invention, FIGS. 3B-3C showing the respective electric field distribution. FIGS. 3A and 3B show a plan view of the electrode arrangement 3 in the z-direction, while FIGS. 3C and 3D reproduce sectional images in the y-z plane and the x-z plane, respectively.
Die Figuren 2A-2D zeigen zum Vergleich entsprechende Ansich- ten bei einer herkömmlichen Elektrodenanordnung ohne die Zentrierelektroden 6, 7. Daraus ist ersichtlich, dass die biologischen Zellen 2 bei der herkömmlichen Elektrodenanordnung in Richtung Kanalwand gedrückt werden, wie insbesondere aus den Figuren 2C und 2D ersichtlich ist. Im Gegensatz dazu werden die biologischen Zellen 2 bei der erfindungsgemäßenFIGS. 2A-2D show, for comparison, corresponding views in a conventional electrode arrangement without the centering electrodes 6, 7. It can thus be seen that the biological cells 2 are pressed in the direction of the channel wall in the conventional electrode arrangement, in particular from FIGS. 2C and 2D is apparent. In contrast, the biological cells 2 in the inventive
Elektrodenanordnung 3 mittig fokussiert, wie insbesondere aus den Figuren 3C und 3D ersichtlich ist.Electrode arrangement 3 centered, as can be seen in particular from Figures 3C and 3D.
Die Figuren 4A und 4B zeigen ein alternatives Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit halbkreisförmigen Manipulationselektroden 8, wobei die Darstellungen auf der linken Seite eine entsprechende herkömmliche Elektrodenanordnung ohne Zentrierelektroden zeigen, während die Darstellung auf der rechten Seite die Feldverteilung bei einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit einer Zentrierelektrode 9 zeigen. Auch aus diesen Darstellungen ist ersichtlich, dass die Zentrierelektrode 9 eine Zentrierung der biologischen Zellen 2 in der Zentralebene des Trägerstromka- nals 1 und zusätzlich eine Fixierung gegen die Strömung in x- Richtung bewirkt.FIGS. 4A and 4B show an alternative embodiment of an inventive electrode arrangement with semicircular manipulation electrodes 8, wherein the illustrations on the left side show a corresponding conventional electrode arrangement without centering electrodes, while the illustration on the right side shows the field distribution in an electrode arrangement according to the invention with a centering electrode 9 show. It can also be seen from these illustrations that the centering electrode 9 has centering of the biological cells 2 in the central plane of the carrier power cable. nals 1 and additionally causes a fixation against the flow in the x direction.
Die Figuren 5A und 5B zeigen schließlich ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, bei dem eine kreisringförmige Manipulationselektrode (mit Berandung 10, 11) und eine ebenfalls konzentrische, mittig angeordnete Zentrierelektrode 12 vorgesehen ist. Die Manipulationselektrode (10, 11) und die Zentrierelektrode 12 sind hierbei in einer gemeinsamen Ebene an der oberen Kanalwand bzw. an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet und somit koplanar ausgerichtet. Die biologischen Zellen 2 können bei diesem Ausführungsbeispiel auf geschlossenen Bahnen angeordnet werden, wie insbesondere aus der Dar- Stellung in Figur 5A ersichtlich ist.Finally, FIGS. 5A and 5B show an alternative exemplary embodiment of an electrode arrangement according to the invention, in which an annular manipulation electrode (with rim 10, 11) and also a concentric, centrally arranged centering electrode 12 are provided. The manipulation electrode (10, 11) and the centering electrode 12 are in this case arranged in a common plane on the upper channel wall or on the lower channel wall of the carrier flow channel 1 and thus aligned coplanar. The biological cells 2 can be arranged in this embodiment on closed tracks, as can be seen in particular from the illustration in Figure 5A.
Die Figuren GA-6C zeigen weitere alternative Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen 13, 13' bzw. 13", die jeweils eine Manipulationselektrode 14, 14', bzw. 14" und eine Zentrierelektrode 15, 15', 15" aufweisen.Figures GA-6C show further alternative embodiments of electrode assemblies according to the invention 13, 13 'and 13 ", each having a manipulation electrode 14, 14', or 14" and a centering electrode 15, 15 ', 15 ".
In dem Trägerstromkanal 1 ist jeweils an der oberen Kanalwand und an der unteren Kanalwand eine solche Elektrodenanordnung 13, 13' bzw. 13" angeordnet.In the carrier flow channel 1, such an electrode arrangement 13, 13 'or 13 "is respectively arranged on the upper channel wall and on the lower channel wall.
Die Figuren 7A und 7B zeigen weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen 16 bzw. 17, bei denen mehrere hakenförmige Manipulationselektroden 18-21 in dem Trägerstromkanal 1 in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Stromaufwärts vor den einzelnen Manipulations- elektroden 18-21 ist hierbei jeweils eine Zentrierelektrode 22-25 angeordnet, um die biologischen Zellen 2 in der Zentralebene des Trägerstromkanals 1 zu zentrieren. Der Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 7A und 7B besteht in der elektrischen Versorgung der Manipulationselektroden 18-21 und der Zentrierelektroden 22- 25.FIGS. 7A and 7B show further exemplary embodiments of electrode arrangements 16 and 17 according to the invention, in which a plurality of hook-shaped manipulation electrodes 18-21 are arranged next to one another in the carrier flow channel 1 in the flow direction. Upstream of the individual manipulation electrodes 18-21, in each case a centering electrode 22-25 is arranged in order to center the biological cells 2 in the central plane of the carrier flow channel 1. The difference between the embodiments according to FIGS. 7A and 7B consists in the electrical supply of the manipulation electrodes 18-21 and the centering electrodes 22-25.
So werden die Manipulationselektroden 18-21 der Elektrodenanordnung 16 gemäß Figur 7A elektrisch gemeinsam angesteuert und sind deshalb elektrisch miteinander verbunden. Im Gegensatz dazu werden die Manipulationselektroden 18-21 bei der Elektrodenanordnung 17 gemäß Figur 7B elektrisch getrennt voneinander angesteuert, so dass die Manipulationselektroden 18-21 auch elektrisch nicht miteinander verbunden sind.Thus, the manipulation electrodes 18-21 of the electrode assembly 16 are electrically driven together according to Figure 7A and are therefore electrically connected to each other. In contrast, in the case of the electrode arrangement 17 according to FIG. 7B, the manipulation electrodes 18-21 are electrically separated from one another, so that the manipulation electrodes 18-21 are also not electrically connected to one another.
Bei der Elektrodenanordnung 16 gemäß Figur 7A werden dagegen die Zentrierelektroden 22-25 elektrisch gemeinsam angesteuert, was auch bei der Elektrodenanordnung 17 gemäß Figur 7B der Fall ist.In contrast, in the case of the electrode arrangement 16 according to FIG. 7A, the centering electrodes 22-25 are electrically driven together, which is also the case with the electrode arrangement 17 according to FIG. 7B.
In dem Trägerstromkanal des erfindungsgemäßen mikrofluidi- sehen Systems können auch mehrere der in den Figuren 7A bzw. 7B dargestellten Elektrodenanordnungen 16 bzw. 17 in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein. Dies bietet die Möglichkeit, Partikel in definierten Arrays zu speichern.In the carrier flow channel of the microfluidic system according to the invention, several of the electrode arrangements 16 and 17 illustrated in FIGS. 7A and 7B can also be arranged one behind the other in the flow direction. This provides the ability to store particles in defined arrays.
Mehrere Elektrodenanordnungen gemäß Figur 7A/B können inSeveral electrode arrangements according to FIG. 7A / B can be found in FIG
Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein um so Partikel in definierten Arrays speichern zu können.Flow direction can be arranged one behind the other so as to be able to store particles in defined arrays.
Schließlich zeigt Figur 8 ein Diagramm, das die funktionale Abhängigkeit mehrerer verschiedener Größen von der Elektrodenbreite und dem Elektrodenabstand zeigt.Finally, Figure 8 shows a diagram showing the functional dependence of several different sizes on the electrode width and the electrode spacing.
Eine Kurve 26 gibt hierbei die Abhängigkeit der Erwärmung ΔT der suspendierten biologischen Zellen 2 in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen Elektrodenbreite und Elektrodenabstand zwischen den Ebenen bei konstanter Spannung wieder. Aus dem Verlauf der Kurve 26 ist ersichtlich, dass die Erwärmung ΔT der suspendierten Zellen 2 mit der Elektrodenbreite zu- nimmt und mit dem Elektrodenabstand abnimmt. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Erwärmung der biologischen Zellen 2 durch die dielektrophoretische Elektrodenanordnung für die biologischen Zellen 2 schädlich sein kann und deshalb unerwünscht ist.A curve 26 indicates the dependence of the heating ΔT of the suspended biological cells 2 as a function of the ratio between electrode width and electrode spacing between the planes at constant voltage again. It can be seen from the course of the curve 26 that the heating ΔT of the suspended cells 2 increases with the electrode width and decreases with the electrode spacing. It should be noted that the heating of the biological cells 2 by the dielectrophoretic electrode arrangement for the biological cells 2 can be harmful and therefore undesirable.
Eine weitere Kurve 27 zeigt dagegen die Abhängigkeit der von der dielektrophoretischen Elektrodenanordnung auf die biologische Zelle 2 ausgeübten Kraft F in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Elektrodenbreite zu dem Elektrodenabstand. Aus dem Verlauf der Kurve 27 ist ersichtlich, dass die ausgeübte Kraft F mit der Elektrodenbreite zunimmt und mit dem Elektrodenabstand abnimmt .In contrast, a further curve 27 shows the dependence of the force F exerted on the biological cell 2 by the dielectrophoretic electrode arrangement as a function of the ratio of the electrode width to the electrode spacing. It can be seen from the course of the curve 27 that the exerted force F increases with the electrode width and decreases with the electrode spacing.
Schließlich zeigt eine weitere Kurve 28 das Verhältnis der erwünschten Kraft F zu der unerwünschten Erwärmung ΔT der suspendierten Zellen als Funktion des Verhältnisses von E- lektrodenbreite zu Elektrodenabstand. Aus dem Verlauf der Kurve 28 ist ersichtlich, dass ein bestimmter Betriebsbereich besonders vorteilhaft ist, in dem das Verhältnis von Elektro- denbreite zu Elektrodenabstand ungefähr zwischen 0,15 bis 0,5 liegt. In diesem Bereich ist die von der Elektrodenanordnung auf die suspendierten Partikel ausgeübte Kraft im Verhältnis zu der unerwünschten Erwärmung ΔT relativ groß.Finally, another curve 28 shows the ratio of the desired force F to the unwanted heating ΔT of the suspended cells as a function of the ratio of electrode width to electrode gap. It can be seen from the course of the curve 28 that a certain operating range is particularly advantageous, in which the ratio of electrode width to electrode gap is approximately between 0.15 to 0.5. In this region, the force exerted by the electrode assembly on the suspended particles is relatively large relative to the undesirable heating ΔT.
Die Figuren 9A bis 9E zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodenanordnungen, die in einem erfindungsgemäßen mikro- fluidischen System eingesetzt werden können. Die einzelnen Elektrodenanordnungen bestehen jeweils aus einer Zentrierelektrode 29 und einer Manipulationselektrode 30. Die Zentrierelektrode 29 würde somit bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 an die Stelle der Zentrierelektroden 6 bzw. 7 treten, während die Manipulationselektrode 30 die Manipulationselektroden 4 bzw. 5 ersetzt.FIGS. 9A to 9E show further exemplary embodiments of electrode arrangements which can be used in a microfluidic system according to the invention. The individual electrode arrangements each consist of a centering electrode 29 and a manipulation electrode 30. The centering electrode 29 would thus take the place of the centering electrodes 6 and 7 in the embodiment according to FIG. 1, while the manipulation electrode 30 replaces the manipulation electrodes 4 and 5.
Die verschiedenen Elektrodenanordnungen gemäß den Figuren 9A bis 9E unterscheiden sich hierbei durch die Form der Zent- rierelektrode 29.The different electrode arrangements according to FIGS. 9A to 9E differ here by the shape of the centering electrode 29.
So kann die Zentrierelektrode 29 rechteckig, dreieckig, tropfenförmig, winkelförmig oder kastenförmig sein, wie aus den verschiedenen Figuren ersichtlich ist.Thus, the centering electrode 29 can be rectangular, triangular, drop-shaped, angular or box-shaped, as can be seen from the various figures.
Ferner zeigt Figur 10 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.Furthermore, FIG. 10 shows different views of a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a microfluidic system according to the invention. This embodiment is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figures 1 and 3, so reference is made to avoid repetition of the above description.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die obere Manipulationselektrode 4 gegenüber der unteren Manipulationselektrode 5 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet ist.A special feature of this embodiment is that the upper manipulation electrode 4 is arranged offset in the flow direction with respect to the lower manipulation electrode 5.
In gleicher Weise ist auch die obere Zentrierelektrode 6 ge- genüber der unteren Zentrierelektrode 7 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet. Die Versetzung entspricht hierbei dem halben Abstand zwischen den Manipulationselektroden 4, 5 und den zugehörigen Zentrierelektroden 6, 7.In the same way, the upper centering electrode 6 is offset relative to the lower centering electrode 7 in the flow direction. The offset here corresponds to half the distance between the manipulation electrodes 4, 5 and the associated centering electrodes 6, 7.
Die Bilder auf der linken Seite von Figur 10 zeigen hierbei Feldverteilungen, die entstehen, wenn die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden &, 7 andererseits mit der gleichen elektrischen Spannung angesteuert werden.The images on the left side of FIG. 10 show field distributions that arise when the manipulation electrodes 4, 5, on the one hand, and the centering electrodes, on the other hand, are driven with the same electrical voltage.
Auf der rechten Seite in Figur 10 sind dagegen Feldverteilungen dargestellt, die entstehen, wenn die Zentrierelektroden 6, 7 mit einer dreimal so hohen elektrischen Spannung angesteuert werden, wie die Manipulationselektroden 4, 5.On the right side in FIG. 10, on the other hand, field distributions are shown which arise when the centering electrodes 6, 7 are driven with a voltage three times as high as the manipulation electrodes 4, 5.
Ferner zeigt Figur 11 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.Furthermore, FIG. 11 shows different views of a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a microfluidic system according to the invention. This embodiment is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figures 1 and 3, so reference is made to avoid repetition of the above description.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass zwischen der Manipulationselektrode 4 und der Zentrierelektrode 6 an der oberen Kanalwand einerseits und der Manipulationselektrode 5 und der Zentrierelektrode 7 an der unteren Kanalwand andererseits eine Phaseverschiebung von 90° besteht .A special feature of this embodiment is that on the other hand there is a phase shift of 90 ° between the manipulation electrode 4 and the centering electrode 6 on the upper channel wall on the one hand and the manipulation electrode 5 and the centering electrode 7 on the lower channel wall.
Darüber hinaus werden auch die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert. Dies ist in der linken Spalte von Figur 11 dargestellt. Die rechte Spalte zeigt dagegen eine gegenphasige Ansteuerung, aber unter Verwendung einer quadratischen Zentrierelektrode.In addition, the manipulation electrodes 4, 5 on the one hand and the centering electrodes 6, 7 on the other hand driven with a phase shift of 90 °. This is shown in the left column of FIG. The right-hand column, on the other hand, shows an out-of-phase drive, but using a square centering electrode.
Ferner zeigt Figur 12 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.Furthermore, FIG. 12 shows different views of a further exemplary embodiment of an electrode arrangement in a microfluidic system according to the invention. This embodiment is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figures 1 and 3, so reference is made to avoid repetition of the above description.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden.A special feature of this embodiment is that the manipulation electrodes 4, 5 on the one hand and the centering electrodes 6, 7 on the other hand are driven with different frequencies.
Die Bilder in der linken Spalte zeigen hierbei die Feldverteilung für den Fall, dass die Manipulationselektroden 4, 5 und die Zentrierelektroden 6, 7 mit den gleichen Spannungswerten angesteuert werden, wobei die Ansteuerfrequenz Fl bzw. F2 so gewählt ist, dass die Zellen 2 eine gleich starke Polarisation in beiden Feldern erfahren.In this case, the images in the left-hand column show the field distribution for the case in which the manipulation electrodes 4, 5 and the centering electrodes 6, 7 are driven with the same voltage values, the drive frequency Fl or F2 being selected such that the cells 2 are equal experience strong polarization in both fields.
Bei den Bildern in der rechten Spalte beträgt die Polarisation des Partikels relativ zum Medium bei der Frequenz F2 dagegen nur 1/4 der Polarisation bei der Frequenz Fl.On the other hand, in the images in the right column, the polarization of the particle relative to the medium at the frequency F2 is only 1/4 of the polarization at the frequency Fl.
Auch bei Ansteuerung mit zwei verschiedenen (nicht notwendi- gerweise konsumerablen) Frequenzen Fl, F2 werden die Zellen 2 in Z-Richtung fokussiert. Bei moderaten Spannungen werden sie jedoch in der horizontalen X-Y-Zentralebene nicht zentral gehalten, sondern können entsprechend dem Gleichgewicht mit der hydrodynamischen Kraft in zwei Positionen gehalten werden. Dies ermöglicht zwei weitere neue Betriebsarten:Even when controlled with two different (not necessarily consumable) frequencies Fl, F2, the cells 2 are focused in the Z direction. At moderate voltages, however, they are not kept central in the horizontal XY central plane, but can be balanced with the hydrodynamic force are held in two positions. This allows two more new modes of operation:
Zum einen können durch Umschalten auf Ansteuerung mit einer einheitlichen Frequenz oder durch absolute oder relativeOn the one hand, switching to control with a uniform frequency or absolute or relative
Schwächung der Manipulationselektroden (niedrigere Spannung, Frequenzänderung, Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit) zwei Zellen 2 bzw. Partikel einander zugeführt bzw. durch den umgekehrten Prozess voneinander getrennt werden, falls die Bin- düng nicht zu stark ist. Dies kann ausgenutzt werden, um Bindungskonstanten zu bestimmen und/oder Zellen, insbesondere Immunzellen, gezielt zu aktivieren und/oder zu beeinflussen.Weakening of the manipulation electrodes (lower voltage, frequency change, increase in the flow rate) two cells 2 or particles are supplied to each other or separated by the reverse process from each other, if the binding fertil not too strong. This can be exploited to determine binding constants and / or to selectively activate and / or influence cells, in particular immune cells.
Zum anderen kann durch Variation einer der beiden Frequenzen Fl, F2 aus der Lageveränderung der Zellen 2 auf deren dielektrische Eigenschaften geschlossen werden (in den Bildern in der rechten Spalte sind die beiden Zellen 2 weiter voneinander entfernt) . Damit wird das Dielektrophoresespektrum einfach zugänglich.On the other hand, by varying one of the two frequencies Fl, F2 from the change in position of the cells 2 to their dielectric properties can be inferred (in the pictures in the right column, the two cells 2 are further apart). This makes the dielectrophoresis spectrum easily accessible.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 13A und 13B stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und den Figuren 5A und 5B dargestellten Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The exemplary embodiment according to FIGS. 13A and 13B corresponds largely to the exemplary embodiments described above and to FIGS. 5A and 5B, so that reference is made to the above description for avoiding repetitions, the same reference numerals being used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in dem Durchmesser der Manipulationselektrode 10, der im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5A, 5B geringer ist .A special feature of this embodiment is the diameter of the manipulation electrode 10, which is lower compared to the embodiment according to Figures 5A, 5B.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Manipulationselektroden 10, 11 einerseits und die Zentrierelektrode 12 andererseits in diesem Ausführungsbeispiel gegenphasig angesteuert werden, wie aus der Phasenangabe in Figur 13B ersichtlich ist.It should also be mentioned that the manipulation electrodes 10, 11 on the one hand and the centering electrode 12 on the other hand be driven in opposite phase in this embodiment, as can be seen from the phase indication in Figure 13B.
Darüber hinaus folgt in diesem Ausführungsbeispiel auch eine gegenphasige Ansteuerung der Elektroden an der oberen Kanalwand einerseits und an der -unteren Kanalwand andererseits. So werden die Manipulationselektrode 10 an der oberen Kanalwand einerseits und die Manipulationselektrode 10an der unteren Kanalwand gegenphasig angesteuert. In gleicher Weise werden auch die Zentrierelektroden 12 an der oberen Kanalwand gegenphasig zu den Zentrierelektroden 12 an der unteren Kanalwand angesteuert.In addition, in this embodiment also follows an opposite-phase control of the electrodes on the upper channel wall on the one hand and on the -unteren channel wall on the other. Thus, the manipulation electrode 10 on the upper channel wall on the one hand and the manipulation electrode 10 are driven in anti-phase to the lower channel wall. In the same way, the centering electrodes 12 on the upper channel wall are driven in opposite phase to the centering electrodes 12 on the lower channel wall.
Die elektrischen Felder bilden sich in dieser Elektroden- struktur so aus, dass die Zellen 2 zentral gefangen werden und nicht auf einem Ring, wie in Figur 5.The electric fields are formed in this electrode structure in such a way that the cells 2 are caught centrally and not on a ring, as in FIG. 5.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 14A und 14B stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figu- ren 13A und 13B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The exemplary embodiment according to FIGS. 14A and 14B corresponds largely to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIGS. 13A and 13B, so that reference is made to the above description for avoiding repetitions, the same reference numerals being used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Zentrierelektroden 12 mit Masse beschaltet werden. Dadurch werden die gefangenen Zellen 2 in Z-Richtung in die Nähe der Manipulationselektrode lOund damit in strömungsberuhigtere Zonen gebracht. Dies hat den Vorteil, das ein stabi- les Halten in freier Lösung bei verringerter elektrischer (Heiz-) Leistung realisiert werden kann.A special feature of this embodiment is that the centering electrodes 12 are connected to ground. As a result, the trapped cells 2 are brought in the Z direction in the vicinity of the manipulation electrode 10 and thus in flow-stabilized zones. This has the advantage that a stable holding in free solution can be realized with reduced electrical (heating) power.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 15A und 15B stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 14A und 14B dargestellten Ausführungsbeispiel ü- berein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The exemplary embodiment according to FIGS. 15A and 15B again largely agrees with that described above and in FIG 14A and 14B illustrated embodiment, so reference is made to avoid repetition of the above description, wherein the same reference numerals are used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der elektrischen Ansteuerung der Zentrierelektroden 12 an der O- berseite und der Unterseite des Trägerstromkanals . So erfolgt die Ansteuerung der Zentrierelektrode 12 an der oberen Kanal- wand mit Masse, während die Zentrierelektrode 12 an der unteren Kanalwand gegenphasig zu den oberen Manipulationselektrode 10 angesteuert wird wie aus der Phasenangabe in Figur 15B ersichtlich ist.A special feature of this embodiment is the electrical control of the centering electrodes 12 on the upper side and the underside of the carrier current channel. Thus, the control of the centering electrode 12 at the upper channel wall is performed with ground, while the centering electrode 12 is driven at the lower channel wall in opposite phase to the upper manipulation electrode 10 as can be seen from the phase indication in Figure 15B.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 16A und 16B stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 13A und 13B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The exemplary embodiment according to FIGS. 16A and 16B corresponds largely to the exemplary embodiment described above and illustrated in FIGS. 13A and 13B, so that reference is made to the above description for avoiding repetitions, the same reference numerals being used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Manipulationselektrode 10 aus vier kreisringsegment- förmigen Elektrodensegmenten 3IA, 31B, 31C und 31D bestehen. Die einzelnen Elektrodensegmente 31A-31D sind hierbei elektrisch miteinander verbunden und lediglich deshalb räumlich voneinander getrennt, damit die gefangenen Zellen 2 leichter in X-Richtung und Y-Richtung in den Feldkäfig eintreten bzw. diesen verlassen können.A special feature of this embodiment is that the manipulation electrode 10 consist of four annular segment-shaped electrode segments 3IA, 31B, 31C and 31D. The individual electrode segments 31A-31D are in this case electrically connected to each other and therefore only spatially separated from each other so that the trapped cells 2 can more easily enter and leave the X-direction and Y-direction in the field cage.
Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 17A und 17B stimmt wiederum weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.Again, the embodiment according to FIGS. 17A and 17B largely corresponds to the exemplary embodiments described above, so that reference is made to the above description in order to avoid repetition, wherein FIG the same reference numerals are used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der elektrischen Ansteuerung der Manipulationselektrode lOund der Zentrierelektroden 12.A special feature of this embodiment is the electrical control of the manipulation electrode 10 and the centering electrodes 12.
Die Manipulationselektrode 10an der Oberseite der Kanalwand und die Manipulationselektrode 10an der Unterseite der Kanalwand werden dagegen in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Phasenunterschied von 90° angesteuert.The manipulation electrode 10 at the top of the channel wall and the manipulation electrode 10 at the bottom of the channel wall, however, are driven in this embodiment with a phase difference of 90 °.
Darüber hinaus werden in diesem Ausführungsbeispiel auch die beiden Zentrierelektroden 12 an der Oberseite bzw. an der Unterseite des Trägerstromkanals gegenphasig angesteuert. Auf diese Weise werden in dem Feldkäfig Rotationsfelder erzeugt.In addition, in this embodiment, the two centering electrodes 12 are driven in opposite phase at the top or at the bottom of the carrier flow channel. In this way, rotation fields are generated in the field cage.
Figur 18 zeigt eine matrixförmige Anordnung einer Vielzahl von kreis- bzw. kreisringförmigen Elektrodenanordnungen 32, wobei die einzelnen Elektrodenanordnungen 32 jeweils Manipulationselektroden und Zentrierelektroden aufweisen, wie vorstehend beschrieben wurden. Die Ansteuerung der einzelnen E- lektrodenanordnungen 32 erfolgt durch Zeilen-Steuerleitungen 33 und Spalten-Steuerleitungen 34. Um nun eine bestimmte E- lektrodenanordnung 32 abzuschalten, werden die zugehörigen Zeilen-Steuerleitungen 33 und die zugehörigen Spalten- Steuerleitungen 34 auf Masse oder freies Potential geschaltet. Damit bleiben alle Zellen mit Ausnahme der in der betreffenden Elektrodenanordnung 32 gehaltenen Zelle fixiert. In der betroffenen Elektrodenanordnung 32 liegen dagegen alle Elektroden auf Masse, so dass der darin befindliche Partikel die zugehörige Elektrodenanordnung 32 mit der Trägerströmung verlassen kann. Die Figuren 19A-19C zeigen verschiedene Varianten von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen mit Zentrierelektroden 35 und Manipulationselektroden 36, wobei die Manipulationselekt- roden 36 jeweils aus vier Segmenten bestehen, welche die Zentrierelektrode 35 umgeben.FIG. 18 shows a matrix-like arrangement of a multiplicity of circular or annular electrode arrangements 32, the individual electrode arrangements 32 each having manipulation electrodes and centering electrodes, as described above. The individual electrode arrangements 32 are actuated by line control lines 33 and column control lines 34. In order to switch off a specific electrode arrangement 32, the associated row control lines 33 and the associated column control lines 34 are switched to ground or free potential , With this, all the cells remain fixed with the exception of the cell held in the relevant electrode arrangement 32. In the affected electrode assembly 32, however, all electrodes are grounded, so that the particles therein can leave the associated electrode assembly 32 with the carrier flow. FIGS. 19A-19C show different variants of electrode arrangements according to the invention with centering electrodes 35 and manipulation electrodes 36, the manipulation electrodes 36 each consisting of four segments surrounding the centering electrode 35.
Darüber hinaus weisen die Manipulationselektroden 36 hierbei noch trichterförmige Elektrodenanordnungen (engl, "funnel") auf, wie sie eingangs bei der Beschreibung des Standes derIn addition, the manipulation electrodes 36 still have funnel-shaped electrode arrangements ("funnel"), as described initially in the description of the state of the art
Technik erläutert wurden. Diese trichterförmigen Elektrodenanordnungen erleichtern das Eintreten von Partikeln in die Elektrodenstruktur .Technique were explained. These funnel-shaped electrode arrangements facilitate the entry of particles into the electrode structure.
Figur 20 zeigt schließlich eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen, die weitgehend den Elektrodenanordnungen gemäß den Figuren 19A-19C entsprechen, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen ver- wendet werden.1 Finally, FIG. 20 shows a multiplicity of electrode arrangements which largely correspond to the electrode arrangements according to FIGS. 19A-19C, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference symbols being used for corresponding components. 1
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass stromabwärts hinter den einzelnen Elektrodenanordnungen jeweils Partikelweichen 37 angeordnet sind, die es ermögli- chen, die austretenden Partikel wahlweise in die stromabwärts dahinter befindliche Elektrodenstruktur zu befördern oder seitlich abzulenken.A special feature of this embodiment is that downstream of the individual electrode arrangements, in each case particle switches 37 are arranged, which make it possible to selectively convey the exiting particles into the downstream electrode structure or to deflect them laterally.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Bezugszeichenliste:The invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, a variety of variants and modifications is possible, which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Trägerstromkanal1 carrier flow channel
2 Zelle2 cell
3 Elektrodenanordnung3 electrode arrangement
4, 5 Manipulationselektroden4, 5 manipulation electrodes
6, 7 Zentrierelektroden6, 7 centering electrodes
8 Manipulationselektroden8 manipulation electrodes
9 Zentrierelektrode9 centering electrode
10, 11 Manipulationselektroden10, 11 manipulation electrodes
12 Zentrierelektrode12 centering electrode
13, 13', 13'' Elektrodenanordnung13, 13 ', 13 "electrode arrangement
14, 14', 14'' Manipulationselektrode14, 14 ', 14' 'manipulation electrode
15, 15', 15'' Zentrierelektrode15, 15 ', 15' 'centering electrode
16, 17 Elektrodenanordnungen 18-21 Manipulationselektroden 22-25 Zentrierelektroden16, 17 electrode arrangements 18-21 manipulation electrodes 22-25 centering electrodes
26-28 Kurven26-28 turns
29 Zentrierelektrode29 centering electrode
30 Manipulationselektrode 31A-31D Elektrodensegmente30 manipulation electrode 31A-31D electrode segments
32 Elektrodenanordnungen32 electrode arrangements
33 Zeilen-Steuerleitungen33 line control lines
34 Spalten-Steuerleitungen34 column control lines
35 Zentrierelektrode35 centering electrode
36 Manipulationselektrode36 manipulation electrode
37 Partikelweiche37 Particle switch
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Claims

ANSPRUCHE
1. Mikrofluidisches System mit a) einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2), b) mindestens einer in dem Trägerstromkanal (1) angeordneten Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) zur Manipulati- on der suspendierten Partikel (2), c) wobei die Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) mindestens zwei Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, d) dass die Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) zusätzlich zu den beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) mindestens zwei Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) aufweist, um die suspendierten Partikel (2) rechtwinklig zur Strömungs- richtung zu zentrieren, e) dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) in dem Trägerstromkanal (1) jeweils mindestens teilweise stromaufwärts vor einer der beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) angeordnet sind, f) dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) mindestens teilweise von den Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", .18-21) umschlossen sind.1. Microfluidic system with a) a carrier flow channel (1) for receiving a carrier stream with particles (2) suspended therein, b) at least one electrode arrangement (3, 13, 16, 17) arranged in the carrier flow channel (1) for manipulating the suspended particles (2), c) wherein the electrode assembly (3, 13, 16, 17) at least two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21), characterized , d) that the electrode arrangement (3, 13, 16, 17) in addition to the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21) at least two centering electrodes (6, 7 , 12, 15, 15 ', 15 ", 22-25) in order to center the suspended particles (2) at right angles to the flow direction, e) that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15', 15 ", 22-25) in the carrier flow channel (1) in each case at least partially upstream of one of the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14", 18-21) are arranged, f) that the centr at least partially enclosed by the manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", .18-21) are.
2. Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) quer zur Strömungsrichtung eine kleinere räumli- che Ausdehnung aufweisen als die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21).2. Microfluidic system according to claim 1, characterized in that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15 ", 22-25) transverse to the flow direction, a smaller spatial extension than the manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14'', 18-21).
3. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) entgegen der Strömungsrichtung gekrümmt sind.3. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14' ', 18-21) are curved counter to the flow direction.
4. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) bogenförmig, hakenförmig oder ringförmig geschlossen sind.4. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14' ', 18-21) are arcuate, hook-shaped or annularly closed.
5. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (16, 17) mehrere Manipulationselektrodenpaare (18-21) und diesen zugeordnete Zentrierelektrodenpaare (22-25) aufweist .5. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode arrangement (16, 17) has a plurality of manipulation electrode pairs (18-21) and their associated Zentrierelektrodenpaare (22-25).
6. Mikrofluidisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektrodenpaare (22-25) zumindest teilweise elektrisch miteinander verbunden und zumindest teilweise elektrisch gemeinsam ansteuerbar sind und/oder dass die Manipulationselektrodenpaare (18-21) zumindest teilweise elektrisch miteinander verbunden und zumindest teilweise e- lektrisch gemeinsam ansteuerbar sind.6. microfluidic system according to claim 5, characterized in that the Zentrierelektrodenpaare (22-25) at least partially electrically connected to each other and at least partially electrically driven together and / or that the manipulation electrode pairs (18-21) at least partially electrically connected to each other and at least partially Electrically driven together.
7. Mikrofluidisches System nach Anspruch 5 oder β, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (22-25) und/oder die Manipulationselektroden (18-21) in dem Trägerstromkanal (1) bezüglich der Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. 8. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 7. Microfluidic system according to claim 5 or β, characterized in that the centering electrodes (22-25) and / or the manipulation electrodes (18-21) in the carrier flow channel (1) are arranged side by side with respect to the flow direction. 8. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the manipulation electrodes (4, 5,
8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) in- einem bestimmten Elektrodenabstand zueinander angeordnet sind und eine bestimmte laterale Elektrodenbreite aufweisen, wobei die Elektrodenbreite im Bereich von 10% bis 50% des Elektrodenabstands liegt.8, 10, 11, 14, 14 ', 14' ', 18-21) are arranged at a certain electrode distance from each other and have a certain lateral electrode width, wherein the electrode width is in the range of 10% to 50% of the electrode distance.
9. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar sind.9. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the two centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) are electrically controlled separately from each other.
10. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar sind.10. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14' ', 18-21) are electrically controllable separately from each other.
11. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) getrennt von den Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) elektrisch ansteuerbar sind.11. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14' ', 18-21) separated from the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) are electrically controllable.
12. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) und/oder die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', -22-25) jeweils im Wesentlichen planar sind.12. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14' ', 18-21) and / or the two centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15 ", -22-25) are each substantially planar.
13. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) einerseits und die beiden Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) andererseits jeweils paarweise koplanar angeordnet sind.13. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14'', 18-21) on the one hand and the two centering electrodes (6, 7 , 12, 15, 15 ', 15'', 22-25) on the other hand are arranged in pairs coplanar.
14. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) und die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14'', 18-21) in Strömungsrichtung einen Abstand zueinander aufweisen, der im Bereich von 1/8 bis dem zweifachen der Kanalhöhe, daher insbe- sondere für einen 40 μm hohen Kanal im Bereich von 5 μm bis 80 μm liegt.14. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) and the manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21) have a distance in the direction of flow which is in the range of 1/8 to twice the channel height, therefore in particular for a 40 μm high channel in the range of 5 μm to 80 ° μm is located.
15. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal (1) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der im Bereich von bis 0,006 mm2 bis 0,6 mm2 liegt.15. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier flow channel (1) has a flow cross-section which is in the range of up to 0.006 mm 2 to 0.6 mm 2 .
16. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstromkanal (1) eine Höhe im Bereich von 1 μm bis 400 μm und/oder eine Breite im Bereich von 5 μm bis 1,5 mm aufweist.16. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier flow channel (1) has a height in the range of 1 micron to 400 microns and / or a width in the range of 5 microns to 1.5 mm.
17. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanord- nung (3, 13, 16, 17) eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung ist.17. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode arrangement (3, 13, 16, 17) is a dielectrophoretic electrode arrangement.
18. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektro- den (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) und/oder die Manipulationselektroden rund, kreisförmig, elliptisch, rechteckig, dreieckig oder tropfenförmig sind. 18. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the centering the (6, 7, 12, 15, 15 ', 15'', 22-25) and / or the manipulation electrodes round, circular, elliptical, rectangular , triangular or teardrop-shaped.
19. Mikrofluidisches System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden die Manipulationselektroden ringförmig umgeben.19. Microfluidic system according to claim 18, characterized in that the centering electrodes surround the manipulation electrodes in an annular manner.
20. Mikrofluidisches System nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Zentrierelektroden mehrere Kreisringsegmente aufweisen, die galvanisch miteinander verbunden und räumlich voneinander getrennt sind.20. Microfluidic system according to claim 18 or 19, characterized in that the annular centering electrodes have a plurality of circular ring segments, which are galvanically connected to each other and spatially separated from each other.
21. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden koplanar angeordneten Manipulationselektroden (4, 5) und/oder die beiden Zentrierelektroden (6, 7) der Elektrodenanordnung (3) zueinander in Strömungsrichtung versetzt angeordnet sind.21. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized in that the two coplanar arranged manipulation electrodes (4, 5) and / or the two centering electrodes (6, 7) of the electrode assembly (3) are arranged offset to one another in the flow direction.
22. Mikrofluidisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen mit jeweils mindestens zwei Manipulationselektroden und jeweils mindestens zwei Zentrierelektroden, wobei die einzelnen Elektrodenanordnungen matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet sind.22. Microfluidic system according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of electrode arrangements, each having at least two manipulation electrodes and in each case at least two centering electrodes, wherein the individual electrode arrangements are arranged in matrix form in rows and columns.
23. Mikrofluidisches System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, - dass für die einzelnen Zeilen jeweils mindestens eine23. Microfluidic system according to claim 22, characterized in that - at least one of the individual lines
Steuerleitung vorgesehen ist, die mit den Elektrodenanordnungen der jeweiligen Zeile verbunden ist und diese gemeinsam, aber unabhängig von den Elektrodenanordnungen der anderen Zeilen ansteuert, und - dass für die einzelnen Spalten jeweils mindestens eineControl line is provided, which is connected to the electrode assemblies of the respective row and controls them together, but independently of the electrode arrangements of the other rows, and - that for each column at least one
Steuerleitung vorgesehen ist, die mit den Elektrodenanordnungen der jeweiligen Spalte verbunden ist und diese gemeinsam, aber unabhängig von den Elektrodenanordnungen der anderen Spalten ansteuert, Control line is provided which is connected to the electrode assemblies of the respective column and controls them together, but independently of the electrode arrangements of the other columns,
24. Zellsortierer mit einem mikrofluidischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.24. Cell sorter with a microfluidic system according to one of the preceding claims.
25. Ansteuerverfahren für eine Elektrodenanordnung (3, 13, 16, 17) in einem mikrofluidischen System mit zwei Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) und zwei stromaufwärts vor den Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) angeordneten Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25), wobei die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) in dem Trägerstromkanal (1) jeweils mindestens teilweise stromaufwärts vor einer der beiden Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) angeordnet und von dieser umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21) und die diesen zugeordneten Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) elektrisch gegenphasig oder einphasig angesteuert werden.25. A driving method for an electrode assembly (3, 13, 16, 17) in a microfluidic system with two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21) and two upstream of the Manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21) arranged centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25), wherein the centering electrodes ( 6, 7, 12, 15, 15 ', 15 ", 22-25) in the carrier flow channel (1) in each case at least partially upstream of one of the two manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14 ", 18-21) are arranged and enclosed by this, characterized in that the manipulation electrodes (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14", 18-21) and their associated centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15 ", 22-25) are electrically driven in anti-phase or single-phase.
26. Ansteuerverfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15", 22-25) in dem Trägerstromkanal quer zur Strömungsrichtung eine kleinere räumliche Ausdehnung aufweisen als die Ma- nipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14", 18-21)26. A driving method according to claim 25, characterized in that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15 ", 22-25) have a smaller spatial extent in the carrier flow channel transversely to the flow direction than the manipulation electrodes (4 , 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21)
27. Ansteuerverfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei parallelen Ebenen jeweils eine Manipulationselektrode und eine dieser zugehörige Zentrier- elektrode angeordnet ist, wobei die Manipulationselektroden und die Zentrierelektroden mit einer Phasenverschiebung von 90° zwischen den Ebenen angesteuert werden. 27. Control method according to claim 25 or 26, characterized in that in two parallel planes in each case a manipulation electrode and an associated centering electrode is arranged, wherein the manipulation electrodes and the centering electrodes are controlled with a phase shift of 90 ° between the planes.
28. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, I1 12, 15, 15', 15' ', 22-25) abgeschaltet werden, wenn ein Partikel (2) von den Manipulationselektroden (4, 5, 8, 10, 11, 14, 14', 14' ', 18-21) fixiert worden ist.28. A driving method according to any one of claims 25 to 27, characterized in that the centering electrodes (6, I 1 12, 15, 15 ', 15'', 22-25) are turned off when a particle (2) from the manipulation electrodes ( 4, 5, 8, 10, 11, 14, 14 ', 14 ", 18-21) has been fixed.
29. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) zur Abschaltung auf Masse oder po- tentialfrei geschaltet wird.29. A driving method according to any one of claims 25 to 28, characterized in that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) is switched to shutdown to ground or potential-free.
30. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) vor ihrer Abschaltung kurzzeitig mit einer erhöhten elektrischen Spannung angesteuert werden.30. A driving method according to any one of claims 25 to 29, characterized in that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) are briefly controlled before their shutdown with an increased electrical voltage.
31. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal (1) vor dem Abschalten der Zentrier- elektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15' ', 22-25) kurzzeitig erhöht wird.31. A driving method according to any one of claims 25 to 30, characterized in that the flow velocity in the carrier flow channel (1) before switching off the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) is briefly increased.
32. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7, 12, 15, 15', 15'', 22-25) als Impedanzmesselektroden verwendet werden.32. A driving method according to any one of claims 25 to 31, characterized in that the centering electrodes (6, 7, 12, 15, 15 ', 15' ', 22-25) are used as impedance measuring electrodes.
33. Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierelektroden (6, 7) einerseits und die Manipulationselektroden (4, 5) andererseits mit unterschiedlichen Spannungen und/oder Frequenzen und/oder mit einer einstellbaren Phasenlage zueinander angesteuert werden. 33. Control method according to one of claims 25 to 32, characterized in that the centering electrodes (6, 7) on the one hand and the manipulation electrodes (4, 5) on the other hand with different voltages and / or frequencies and / or with an adjustable phase position are controlled to each other.
34. Verwendung eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 23 in einem Zellsortierer.34. Use of a microfluidic system according to one of claims 1 to 23 in a cell sorter.
35. Verwendung des mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Bestimmung von dielektrischen Eigenschaften von Partikeln.35. Use of the microfluidic system according to one of claims 1 to 23 for the determination of dielectric properties of particles.
36. Verwendung des mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Zellaktivierung und/oder zur Beein- flussung von Zellen.36. Use of the microfluidic system according to one of claims 1 to 23 for cell activation and / or influencing of cells.
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