EP1973661A1 - Electric field cage and associated operating method - Google Patents

Electric field cage and associated operating method

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Publication number
EP1973661A1
EP1973661A1 EP07702841A EP07702841A EP1973661A1 EP 1973661 A1 EP1973661 A1 EP 1973661A1 EP 07702841 A EP07702841 A EP 07702841A EP 07702841 A EP07702841 A EP 07702841A EP 1973661 A1 EP1973661 A1 EP 1973661A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cage
field
particles
feldkafig
electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07702841A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Schnelle
Torsten Müller
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 EP1973661A1 publication Critical patent/EP1973661A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads, for physically stretching molecules
    • 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
    • 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
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B01L2200/0668Trapping microscopic beads
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/06Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645Electrodes
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    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/04Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0424Dielectrophoretic forces

Definitions

  • the invention relates to an electric field cage and an associated operating method according to the preamble of the dependent claims.
  • the particles are captured centrally between the electrode planes, where, on the one hand, the capture forces are lowest and, on the other hand, the flow velocity in the channel and thus the deflecting forces are greatest.
  • a voltage increase in the control of the conventional Feldkafige leads to a desired Increase the fixation force.
  • this is associated with an undesirable increase in the heating of the fixed particles, in particular in physiological or more highly conductive media.
  • planar electrode arrangements A disadvantage of these planar electrode arrangements is the fact that the particles to be fixed are repelled at right angles to the electrode plane in the case of negative dielectrophoresis, so that these electrode arrangements alone are not suitable for fixing and holding particles.
  • the known planar electrode arrangements can be used as field cages, if an additional force is utilized, such as the gravitational force or the force generated by a laser tweezer.
  • the invention is therefore based on the object to provide a correspondingly improved field cage.
  • the invention comprises the general technical teaching that at least one of the cage electrodes surrounds the other cage electrode in an annular manner.
  • annular cage electrode is geometrically not limited to circular cage electrodes, but closes different shapes.
  • the annular cage electrodes may be polygonal, rectangular, elliptical or generally round.
  • the outer ring electrode surrounds an inner ring electrode.
  • these two ring electrodes surround a third, for example, circular electrode. Both arrangements are particularly well suited for the manipulation of particles by means of negative dielectrophoresis.
  • a ring electrode comprises on the one hand ring electrodes in the strict sense, which are not filled inside. On the other hand, this term also includes electrodes in which only the circumference is annular, while the electrodes are filled inside.
  • the invention comprises the general technical teaching to use a substantially planar electrode structure as a field cage instead of the known three-dimensional field cages described above.
  • planar field cage used in the context of the invention is preferably to be understood as meaning that the individual cage electrodes are arranged only on one side with respect to the particle to be fixed, whereas the particles to be fixed are fixed within the field cage in the case of the conventional three-dimensional field cages described above that the individual cage electrodes surround the fused particles on different sides.
  • the cage electrodes are thus preferably located on a substrate (ie a surface), which may be, for example, glass, plastic or silicon.
  • the sub strat with the cage electrodes may for example be arranged on an upper channel wall of the carrier flow channel or on a lower channel wall of the carrier flow channel.
  • the individual cage electrodes have a vertical electrode spacing which is smaller than the lateral electrode spacing, whereas the electrode spacing in the case of the conventional three-dimensional field cages described above is substantially greater.
  • the field cage according to the invention has exactly two cage electrodes, but the invention is not limited in terms of the number of cage electrodes to exactly two cage electrodes for the spatial fixation of the suspended particles. Rather, it is also possible, for example, for the field cage according to the invention to have three, four, six or eight cage electrodes or a different number of cage electrodes.
  • the individual cage electrodes of the field cage are preferably each planar and preferably aligned parallel to one another.
  • all the cage electrodes are arranged in a common electrode plane, so that the entire electrode arrangement is exactly planar.
  • the Käfigelekt ⁇ are clear, however, in two parallel and arranged in mutually offset planes.
  • this variant also can be in the scope of the invention as a planar electrode arrangement referred ⁇ , since the individual electrodes of the cage in power to fixie ⁇ particle are arranged only on one side with respect to the.
  • the vertical electrode spacing is preferably substantially smaller than the lateral electrode extent.
  • the inner annular Kafig- electrodes may optionally be disposed above or below the outer annular Kafigelektrode.
  • the annular cage electrodes can be arranged concentrically or eccentrically to one another within the scope of the invention, but a concentric arrangement of the cage electrodes is preferred.
  • the inner annular cage electrode encloses an opening in a channel wall of a carrier flow channel, whereby the suspended particles can enter or exit through this opening in the channel wall.
  • the suspended particles can be transferred, for example, into fluidic quiet zones (for example storage reservoirs) or into other channels.
  • At least one of the annular cage electrodes can be open on one side and / or to have a passivation layer on one side in order to weaken the electrode arrangement in a specific direction.
  • the use of passivation layers for weakening the field cage has the advantage that the relative weakening of the field barrier generated by the field cage can be controlled via the frequency of the field.
  • cell biologically used molecules such as lamin, serve as an insulating layer. This exploits the fact that the coupling of the field into the carrier solution over the given passivation layer is frequency- and medium-dependent. So takes the field docking into the carrier solution with the frequency and decreases with the ratio of the conductivities of the medium and passivation layer and the thickness of the passivation layer.
  • the field cage opens in directions of the passivation layers.
  • the Feild cage can do this at the same time if all passivations are the same.
  • different passivation layers are applied and the field cage is then deposited at these locations e.g. one after the other / selectively opens.
  • the inflow of another medium can be used as a switch.
  • This procedure can both fill the nDEP ring arrays
  • nDEP ring structures on an eg rectangular grid is initially filled with individual neurons.
  • the growth of the axons can be allowed / switched according to the predefined passivations.
  • the openings can also be realized via a laser by ablation of electrode material after the growth of the cells.
  • nDEP-Rmg arrays can be used for collecting and, if appropriate, subsequent cryopreservation of, in particular, particulate material from suspensions.
  • the individual Kafigelektroden are either the same or different shapes.
  • the Feldkafig invention has a certain snap point (minimum of the electric field in negative dielectrophoresis), in which the particles are spatially fixed, the snap point is either directly to a channel wall of Tragerstromkanals or spaced to the channel walls of Tragerstromkanals.
  • the close-to-wall fixation of the suspended particles offers the advantage that the flow velocity is significantly lower there than in the middle of the carrier flow channel, so that smaller holding forces are sufficient for the spatial fixation of the suspended particles.
  • the substrate is provided with a passivation layer, a biochemical coating and / or a nanolayer.
  • the biochemical coating of the substrate can, for example, modify the adhesion properties of the substrate for the particles to be fixed and / or set differentiation signals for the particles to be fixed.
  • the substrate with the Kafxgelektroden the Feldkafigs is not arranged on a channel wall of Tragerstromkanals, but the substrate passes through the Tragerstromkanal in the direction of flow in the middle m shape of a membrane, so that the substrate divides the Tragerstromkanal into two sub-channels. This is particularly advantageous if there is an opening in the substrate through which particles can pass from one partial channel into the other partial channel of the carrier flow channel.
  • the field cage according to the invention is preferably a dielectrophoretic field cage, wherein optionally positive dielectrophoresis or negative dielectrophoresis can be used in order to spatially fix the suspended particles.
  • the invention includes a variant with a plurality of Feldkafigen each having preferably two or three Kafigelektroden, wherein the individual Feldkafige each allow a spatial fixation of one or more suspended particles.
  • the individual field cells are arranged in a matrix-like manner in a plurality of columns and a plurality of rows, with the electrical control of the field cells being effected by a plurality of column control lines and a plurality of row control lines.
  • a common column control line for all Feldkafige the respective column is provided, wherein the column control line is connected at each electrode arrangement of the respective column in each case with the first Kafigelektrode.
  • a common row control line for all field cells of the respective row is provided for each row of the field cells, the row control line being connected to the second cage electrode for each electrode arrangement of the respective row.
  • one of the cage electrodes can optionally be controlled electrically separately or lie on an electrically floating potential.
  • the invention comprises not only the Feldkafig described above, but also a microfluidic system with such Feldkafig and a cell biology device with such a microfluidic system, such as a Zeilsortierer, a ZeIl-Screenmg device or the like.
  • the invention also encompasses the use of a microfluidic system according to the invention in such a cell biological device.
  • the invention also encompasses a microamplulator for manipulating suspended particles, wherein the micromorphulator according to the invention has a field cage according to the invention in order to fix the suspended particles.
  • the micromultiplier can be designed as dielectrophoretic forceps.
  • Suitable electrode materials besides metals and doped semiconductors are also conductive polymers, such as, for example, polyanilm, polypyrrole or polythiophene. Also advantageous is the use of laser-modiflzierbaren polymers, such as polybisalkylthioacetylene. In the laser direct writing process, electrodes can be written into a polymer chip in this way, which is advantageous in particular for prototype construction.
  • the invention also relates to a corresponding operating method for the above-described erfmdungs- according microfluidic system.
  • the field cage it is possible for the field cage to be controlled for the spatial fixation of the particles and for the subsequent release of the fixed particles with different frequencies.
  • the control for the spatial fixation of the suspended particles is preferably carried out with a frequency which is sufficiently large to form a trapping field.
  • the subsequent electrical control for releasing the fixed particles takes place with a smaller frequency, which is sufficiently small to open the catch field at least in the region of the opening or the passivation layer.
  • the above-described opening of the annular cage electrodes on one side can be achieved, for example, by irradiating the cage electrodes by a laser, so that electrode material is removed from the irradiated cage electrodes, whereby the desired opening is formed.
  • a preferably optical test can also be carried out as to whether or not particles are fixed in the individual field cages.
  • Such an occupancy test is particularly advantageous if the microfluidic system has numerous electrode arrangements for fixing particles.
  • the microfluidic system is first charged with particles until all field cages are coated with suspended particles. Subsequently, the loading phase can be terminated and it can be followed by further operating phases.
  • the occupancy test thus allows a time minimization of the loading phase with simultaneous full occupancy of all electrode cages.
  • a chemical gradient can be generated between the individual field cages by influencing the flow accordingly. For example, chemical additives with the carrier flow can be fed into the microfluidic system for this purpose, it being possible to vary the inflow of the additives in terms of time and / or space within the carrier flow.
  • the electrode assembly used for particle fixing can additionally be used for a further purpose.
  • the electrode arrangement can be electrically controlled in order to trigger a stimulus on the particle fixed therein and / or to carry out an electrical measurement (for example impedance).
  • the particles to be suspended are preferably biological cells.
  • the invention is not restricted to biological cells, but instead also makes it possible, for example, to fix cell aggregates or other particles.
  • FIG. 1A shows a preferred exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a field cage with two concentric annular cage electrodes attached to the lower channel wall of the carrier flow channel are and allow a spatial fixation of the suspended particles
  • FIG. 1B shows the field distribution in the field cage from FIG. 1A
  • FIG. 1D shows the field distribution in a double-ring-force field cage, in which the ring electrodes are opened in a cross-shaped manner
  • FIG. 2 shows an alternative exemplary embodiment, in which the field cage is arranged on the upper channel wall of the carrier flow channel
  • FIG. 3 shows a substrate which carries a field cage, wherein the substrate can be arranged in the carrier flow channel, for example in the middle of the channel, and allows a passage of the suspended particles,
  • FIG. 4 shows an alternative exemplary embodiment of such a substrate with another configuration of the field cage
  • FIG. 5A shows an alternative exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a field cage, the field cage consisting of two annular concentric cage electrodes on the lower channel wall, which have passivation layers on one side,
  • FIG. 5B shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 5A, wherein the passivation layer cause weakening in four directions
  • FIG. 5C shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 5A, wherein the passivation layers cause a weakening m in three directions,
  • FIG. 6 shows an alternative exemplary embodiment with a mat ⁇ xformigen arrangement of a plurality of Feldkafigen for particle fixation
  • FIG. 7 shows the operating method according to the invention in the form of a flowchart
  • FIG. 8 shows a dielectrophoretic forceps according to the invention
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a dielectrophoretic forceps according to the invention.
  • FIG. 10A shows a further exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a field cage with three concentric annular cage electrodes, FIG.
  • FIG. 10B shows the field distribution in the field cage according to FIG. 10A
  • FIG. 11A shows a further exemplary embodiment of a microfluidic system with a flat counterelectrode
  • FIG. IIB the field distribution in the microfluidic
  • Figures 12A-12I different exemplary embodiments of inventive dungsgedorfkafigen.
  • FIG. 1A shows, in a simplified form, an exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a carrier flow channel 1, through which a carrier liquid with particles 2, 3 suspended therein flows in the X direction.
  • the carrier flow channel 1 in this case has a lower channel wall 4 and an upper channel wall 5, wherein on the lower channel wall 4 a Feldkafig 6 is arranged, which consists of two circular, concentric annular electrodes 7, 8, which can be controlled independently and a allow spatial fixing of the particle 3 in the current Tragerflus- stechnik by the Feldkafig 6 generates an electric capture field, which is shown in perspective in Figures IB and IC.
  • a Feldkafig 6 which consists of two circular, concentric annular electrodes 7, 8, which can be controlled independently and a allow spatial fixing of the particle 3 in the current Tragerflus- stechnik by the Feldkafig 6 generates an electric capture field, which is shown in perspective in Figures IB and IC.
  • the two ring electrodes 7, 8 are in this case arranged coplanar in a common electrode plane, so that the snap point is likewise located directly on the lower channel wall 4 in the common electrode plane.
  • This near-wall fixation of the particle 3 is advantageous because the flow velocity is smaller there than in the middle of the Tragerstromkanals 1, so that relatively low holding forces sufficient to fix the particles 3 to spatially. This in turn allows a relatively weak electrical actuation of the field cage 6, so that the fixed particle 3 is only slightly impaired by field effects.
  • the particles can 3 by Liche zusharmonic ⁇ forces (eg. Inertial forces and the gravitational force ⁇ g) are fixed at the bottom under lopping
  • FIGS. IB and IC show the field profile in the field box 6 according to FIG. 1A in a central vertical section through (FIG. 1B) and in a horizontal plane above the electrode structure (FIG. 1C).
  • FIG. 1D shows the field profile in a horizontal plane above the electrode structure for a modified field cage in which the annular cage electrodes 7, 8 are not open but open in a cruciform manner.
  • FIG. 2 corresponds largely to the exemplary embodiment described above and shown in FIG. 1, so that reference is made to FIG. 1 to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding components.
  • a special feature of this exemplary embodiment is that the Feldkafig 6 is not arranged on the lower channel wall 4, but on the upper channel wall 5 of the Tragerstromkanals 1.
  • additional forces for example, inertia forces or the gravitational force g, the snap point can also be shifted from the channel wall into the solution.
  • FIG. 3 shows a simplified perspective view of a substrate 9 made of glass, plastic or silicon with the field cage 6, as already described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the substrate 9 there is a cylindrical opening 10 through which the particles 2, 3 can pass from the one side of the substrate 9 to the other side of the substrate 9, as is illustrated schematically by the dashed arrow lines.
  • the substrate 9 thus acts as a partition and, for example in the microfluidic system according to FIG. 1, can be arranged as a membrane in the means of the carrier flow channel 1 and extend in the longitudinal direction of the carrier flow channel 1, so that the substrate 9 in the carrier flow channel 1 has two adjacent subchannels separates each other.
  • FIG. 4 shows an alternative exemplary embodiment of a substrate 9, which largely corresponds to the exemplary embodiment described above and in FIG. 3, so that reference is made to FIG. 3 in order to avoid repetition, the same reference numbers being used for corresponding parts in the following ,
  • the opening 10 in the substrate 9 tapers conically upwards, wherein the two ring electrodes 7, 8 are arranged in different electrode planes.
  • the two electrode planes are aligned parallel to one another and spaced apart from one another, as a result of which the snap point is lifted out of the electrode plane.
  • the field cage 6 can also be referred to herein as a planar electrode arrangement, since the individual cage electrodes, with reference to the particle to be fixed, are arranged only on one side.
  • the distance of the electrode planes may preferably be smaller than the lateral electrode extension, ie the electrode extension in the Y direction.
  • FIG. 5A shows a further exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention that largely corresponds to the embodiment described above and illustrated in FIG. 1, so that reference is made to FIG. 1 to avoid repetition, with the same reference numerals being used for corresponding parts become.
  • a special feature of this embodiment is that the two ring electrodes 7, 8 each have a passivation layer 11, 12 on the downstream side.
  • the passivation layers 11, 12 weaken the capture field generated by the field cage 6 in the region of the passivation layer 11 or 12.
  • a weakening in the respective direction can also be achieved by applying a passivation only on the inner ring or only on the outer ring.
  • Applications for the embodiments according to FIGS. 5B and 5C are, for example, neuron networks or triangular gratings.
  • FIG. 5B shows a corresponding exemplary embodiment with four weakening points
  • FIG. 5C shows a further exemplary embodiment with three weakening points.
  • Figure 6 shows an alternative embodiment of a microfluidic system with numerous arrayed field cages, each consisting of two concentrically ordered at ⁇ ring electrodes 13, 14th
  • the individual field cages are arranged in matrix form in four rows and four columns and are electrically driven by four column control lines 15 and four row control lines 16.
  • the individual column control lines 15 are in each case connected to the outer ring electrode 13 of all field cages of the respective column.
  • the individual row control lines 16 are each connected to the inner ring electrode 14. If, for example, all line control lines with signals of one phase and all column control lines are driven in opposite phase, particles can be fixed in all field cages. A single particle may then be released by grounding the corresponding row and column control lines.
  • FIG. 7 shows the operating method of a microfluidic system with the matrix-shaped electrode arrangement shown in FIG.
  • the operating method essentially consists of a charging phase 17, a consolidation phase 18, a growth / differentiation phase 19 and an investigation phase 20, which are described in detail below.
  • the FeId- cages are connected to fix the flushed cells and dielectrophoretically driven, starting with the downstream field cages.
  • biological cells are spatially fixed in the individual field cages.
  • An optical occupancy test of the Individual field cages and unfixed cells are ejected as soon as whole field cages are covered with biological cells.
  • the fixed cells then attach themselves.
  • the electric field can be reduced or completely switched off.
  • the field cages used for the spatial fixation of the cells are then electrically driven in a special way in order to structure the forming cell structure.
  • a chemical gradient can be generated between the individual feeder cells by correspondingly influencing the flow conditions.
  • This operating method can also be used to set up a defined neural network. ⁇
  • FIG. 8 shows a simplified illustration of a dielectrophoretic forceps 21 which can be used to remove suspended particles from a suspension fluid.
  • the forceps 21 At its distal end, the forceps 21 has a hemispherical tip, the two annular cage electrodes 22,
  • FIG. 9 shows an alternative exemplary embodiment of a forceps 21 according to the invention, which largely corresponds to the embodiment described above, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding components.
  • a special feature of this embodiment is that the forceps 21 at its distal end a recess
  • Figure 10A alternative embodiment of a microfluidic system is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figure 1, so that reference is made to avoid repetition of the above description of Figure 1, wherein the same reference numerals are used for corresponding components.
  • the field cage 6 has three cage electrodes 7, 8, 26, wherein the outer cage electrodes 7, 8 can be electrically controlled independently of each other, as already described above.
  • the inner cage electrode 26 can optionally be at an electrically floating potential or can also be driven electrically, as indicated by the dashed line.
  • FIG. 10B shows the field distribution of the field cage 6 according to FIG. 10A in a central vertical section through the electrode structure, wherein the electrodes 7 and 8 are driven in phase opposition and the electrode 26 is grounded.
  • Figure IIA shows a simplified perspective view of a further embodiment of a microfluidic system according to the invention, which largely matches the microfluidic systems described above, so reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details hereinafter.
  • the upper channel wall 5 of the carrier flow channel 1 is formed here as a planar counter electrode.
  • the counterelectrode in this case consists of a transparent material in order to allow undisturbed optical observation through the upper channel wall 5.
  • the planar counterelectrode may be made of indium tin oxide (ITO) on the upper channel wall 5, but other materials are possible.
  • the field cage 6 is arranged on the lower channel wall 4 in this exemplary embodiment and thus lies opposite the planar counterelectrode on the upper channel wall 5.
  • FIG. IIB shows the field distribution E 2 in the microfluidic system according to FIG. IIA in the zy plane, which cuts the field cage 6 in the middle.
  • the central ring electrode 7 in this case has the same electrical potential as the counter electrode on the upper channel wall 5, while the outer ring electrode 8 is at the opposite electrical potential, which is achieved by a phase shift of 180 °.
  • the inner ring electrode 7 and the counter electrode 5 are grounded or are at a free potential, while the ring electrode 8 is driven with an alternating field.
  • FIGS 12A-12I show alternative embodiments of field cages according to the invention.
  • the two ring electrodes 7, 8 are each of square shape and are arranged with their edges parallel to one another.
  • the two ring electrodes I 1 8 are also each square shaped, but the ring electrode 7 is rotated relative to the ring electrode 8 by an angle of 45 °.
  • the ring electrode 8 is square, while the ring electrode 7 is hexagonally shaped.
  • the outer ring electrode 8 has the shape of an equilateral triangle.
  • the inner ring electrode 7 is circular or elliptical in these embodiments, wherein the figures 12D and 12E by a centric ( Figure 12D) and eccentric ( Figure 12E) arrangement of the inner
  • Ring electrode 7 differ within the outer ring electrode 8.
  • the two ring electrodes 7, 8 are each circular and concentric, wherein a triangular further electrode is arranged centrally within the inner ring electrode 7.
  • the outer ring electrode 8 the shape of a pentagon on, while the nere in ⁇ ring electrode 7 is arranged in a circle and centered within the outer annular electrode. 8
  • a further ring electrode is arranged within the inner ring ⁇ electrode 7, a further ring electrode is arranged.
  • the outer ring electrode 8 is star-shaped, while the inner ring electrode 7 is arranged in a circular centric manner within the outer ring electrode 8.

Abstract

The invention relates to an electric field cage (6) for spatially fixing particles (2, 3) which are suspended in a carrier liquid, in particular in a microfluidic system, comprising a plurality of cage electrodes (7, 8), which can be electrically driven, for generating a capture field. It is proposed that at least one of the cage electrodes (8) is annular and surrounds the other cage electrode (7). The invention also covers an associated operating method.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Elektrischer Feldkäfig und zugehöriges BetriebsverfahrenElectric field cage and associated operating method
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Feldkafig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff der ne- bengeordneten Ansprüche.The invention relates to an electric field cage and an associated operating method according to the preamble of the dependent claims.
Aus Muller, T. et al . : "A 3D-Microelectrode for Handling and Caging Single Cells and Particles", Biosensors and Bio- electronics 14, 247-256, 1999 sind mikrofluidische Systeme mit dielektrophoretischen Feldkafigen bekannt, die eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel in der stromenden Tragerflussigkeit ermöglichen, so dass diese Elektrodenanordnungen entsprechend ihrer Funktion auch als Feldkafig (engl, "cage") bezeichnet werden. Die bekannten Feldkafige weisen eine dreidimensionale Elektrodenkonfiguration mit beispielsweise acht kubisch angeordneten Kafigelektroden auf.From Muller, T. et al. : "A 3D Microelectrode for Handling and Caging Single Cells and Particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 microfluidic systems with dielectrophoretic field cages are known, which allow a spatial fixation of the suspended particles in the current bearing fluid, so that these electrode arrangements are also referred to according to their function as Feldkafig (English, "cage"). The known Feldkafige have a three-dimensional electrode configuration with, for example, eight cubically arranged Kafigelektroden.
Nachteilig an diesen bekannten dreidimensionalen Feldkafigen ist neben der notwendigen genauen Assemblierung der dreidi- mensionalen Elektrodenanordnung das unbefriedigende Verhältnis von Fixierungskraft, der erforderlichen elektrischen Spannung zur Ansteuerung der Feldkafige und der thermischen Erhitzung der fixierten Partikel aufgrund der elektrischen Ansteuerung des Feldkafigs. So werden die Partikel hierbei zentral zwischen den Elektrodenebenen gefangen, wo zum einen die Fangkrafte am geringsten und zum anderen die Flussgeschwindigkeit im Kanal und damit die auslenkenden Kräfte am größten sind. Zwar fuhrt eine Spannungserhohung bei der Ansteuerung der herkömmlichen Feldkafige zu einer erwünschten Erhöhung der Fixierungskraft. Dies ist aber mit einer unerwünschten Zunahme der Erwärmung der fixierten Partikel verbunden, insbesondere in physiologischen oder höher leitfähigen Medien.A disadvantage of these known three-dimensional Feldkafigen addition to the necessary accurate assembly of the three-dimensional electrode assembly, the unsatisfactory ratio of fixing force, the required electrical voltage for driving the Feldkafige and the thermal heating of the fixed particles due to the electrical control of Feldkafigs. In this way, the particles are captured centrally between the electrode planes, where, on the one hand, the capture forces are lowest and, on the other hand, the flow velocity in the channel and thus the deflecting forces are greatest. Although a voltage increase in the control of the conventional Feldkafige leads to a desired Increase the fixation force. However, this is associated with an undesirable increase in the heating of the fixed particles, in particular in physiological or more highly conductive media.
Aus FUHR, G. et al . : "Levitation, holding, and rotation of cells within traps made by high-frequency fields", Biochimica et Biophysica Acta, 1108 (1992) 215-223 sind weiterhin plana- re Feldkäfige bekannt, bei denen die Käfigelektroden in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet sind.From Fuhr, G. et al. : "Levitation, holding, and rotation of cells within traps made by high-frequency fields", Biochimica et Biophysica Acta, 1108 (1992) 215-223 are still known Planar field cages in which the cage electrodes are arranged in a common electrode plane ,
Nachteilig an diesen planaren Elektrodenanordnungen ist die Tatsache, dass die zu fixierenden Partikel bei negativer Die- lektrophorese rechtwinklig zur Elektrodenebene abgestoßen werden, so dass diese Elektrodenanordnungen allein nicht zur Fixierung und Halterung von Partikeln geeignet sind. Allerdings können die bekannten planaren Elektrodenanordnungen als Feldkäfige eingesetzt werden, wenn eine zusätzliche Kraft ausgenutzt wird, wie beispielsweise die Gravitationskraft o- der die von einem Laser-Tweezer erzeugte Kraft.A disadvantage of these planar electrode arrangements is the fact that the particles to be fixed are repelled at right angles to the electrode plane in the case of negative dielectrophoresis, so that these electrode arrangements alone are not suitable for fixing and holding particles. However, the known planar electrode arrangements can be used as field cages, if an additional force is utilized, such as the gravitational force or the force generated by a laser tweezer.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen entsprechend verbesserten Feldkäfig zu schaffen.The invention is therefore based on the object to provide a correspondingly improved field cage.
Diese Aufgabe wird durch einen Feldkäfig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß den Nebenansprüchen gelöst.This object is achieved by a field cage and an associated operating method according to the independent claims.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass mindestens eine der Käfigelektroden die andere Käfigelektrode ringförmig umgibt.The invention comprises the general technical teaching that at least one of the cage electrodes surrounds the other cage electrode in an annular manner.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer ringförmigen Käfigelektrode ist in geometrischer Hinsicht nicht auf kreisringförmige Käfigelektroden beschränkt, sondern schließt verschiedene Formgebungen ein. Beispielsweise kann die ringförmige Käfigelektroden polygonförmig, rechteckig, elliptisch oder allgemein rund sein.The term used in the invention of an annular cage electrode is geometrically not limited to circular cage electrodes, but closes different shapes. For example, the annular cage electrodes may be polygonal, rectangular, elliptical or generally round.
In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die äußere Ringelektrode eine innere Ringelektrode. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgeben diese beiden Ringelektroden eine dritte bspw. kreisförmige Elektrode. Beide Anordnungen eignen sich besonders gut für die Manipulation von Partikeln mittels negativer Dielektrophorese .In a preferred embodiment, the outer ring electrode surrounds an inner ring electrode. In a further preferred embodiment, these two ring electrodes surround a third, for example, circular electrode. Both arrangements are particularly well suited for the manipulation of particles by means of negative dielectrophoresis.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer Ringelektrode umfasst zum einen Ringelektroden im engeren Sinne, die innen nicht ausgefüllt sind. Zum anderen umfasst dieser Begriff aber auch Elektroden, bei denen lediglich der Umfang ringförmig ist, während die Elektroden innen ausgefüllt sind.The term used in the invention of a ring electrode comprises on the one hand ring electrodes in the strict sense, which are not filled inside. On the other hand, this term also includes electrodes in which only the circumference is annular, while the electrodes are filled inside.
Weiterhin umfasst die Erfindung die allgemeine technische Lehre, anstelle der eingangs beschriebenen bekannten dreidi- mensionalen Feldkäfige eine im Wesentlichen planare Elektrodenstruktur als Feldkäfig zu verwenden.Furthermore, the invention comprises the general technical teaching to use a substantially planar electrode structure as a field cage instead of the known three-dimensional field cages described above.
Der im Rahmen der Erfindung, verwendete Begriff eines planaren Feldkäfigs ist vorzugsweise dahingehend zu verstehen, dass die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind, wohingegen die zu fixierenden Partikel bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen dreidimensionalen Feldkäfigen innerhalb des Feldkäfigs fixiert werden, so dass die einzelnen Käfigelektroden den fi- xierten Partikel auf verschiedenen Seiten umgeben.The term "planar field cage" used in the context of the invention is preferably to be understood as meaning that the individual cage electrodes are arranged only on one side with respect to the particle to be fixed, whereas the particles to be fixed are fixed within the field cage in the case of the conventional three-dimensional field cages described above that the individual cage electrodes surround the fused particles on different sides.
Die Käfigelektroden befinden sich also vorzugsweise auf einem Substrat (d.h. einer Oberfläche), wobei es sich beispielsweise um Glas, Kunststoff oder Silizium handeln kann. Das Sub- strat mit den Käfigelektroden kann beispielsweise an einer oberen Kanalwand des Trägerstromkanals oder an einer unteren Kanalwand des Trägerstromkanals angeordnet sein.The cage electrodes are thus preferably located on a substrate (ie a surface), which may be, for example, glass, plastic or silicon. The sub strat with the cage electrodes may for example be arranged on an upper channel wall of the carrier flow channel or on a lower channel wall of the carrier flow channel.
Vorzugsweise weisen die einzelnen Käfigelektroden einen vertikalen Elektrodenabstand auf, der kleiner ist als der laterale Elektrodenabstand, wohingegen der Elektrodenabstand bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen dreidimensionalen Feldkäfigen wesentlich größer ist.Preferably, the individual cage electrodes have a vertical electrode spacing which is smaller than the lateral electrode spacing, whereas the electrode spacing in the case of the conventional three-dimensional field cages described above is substantially greater.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erfindungsgemäße Feldkäfig genau zwei Käfigelektroden auf, jedoch ist die Erfindung hinsichtlich der Anzahl der Käfigelektroden nicht auf genau zwei Käfigelektroden zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel beschränkt. Vielmehr ist es beispielsweise auch möglich, dass der erfindungsgemäße Feldkäfig drei, vier, sechs oder acht Käfigelektroden aufweist oder eine andere Anzahl von Käfigelektroden.In a preferred embodiment, the field cage according to the invention has exactly two cage electrodes, but the invention is not limited in terms of the number of cage electrodes to exactly two cage electrodes for the spatial fixation of the suspended particles. Rather, it is also possible, for example, for the field cage according to the invention to have three, four, six or eight cage electrodes or a different number of cage electrodes.
Weiterhin sind die einzelnen Käfigelektroden des Feldkäfigs vorzugsweise jeweils planar und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.Furthermore, the individual cage electrodes of the field cage are preferably each planar and preferably aligned parallel to one another.
In einer Variante der Erfindung sind sämtliche Käfigelektro- den in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet, so dass die gesamte Elektrodenanordnung exakt planar ist.In a variant of the invention, all the cage electrodes are arranged in a common electrode plane, so that the entire electrode arrangement is exactly planar.
In einer anderen Variante der Erfindung sind die Käfigelekt¬ roden dagegen in zwei parallelen und zueinander versetzten Ebenen angeordnet. Auch diese Variante kann jedoch im Rahmen der Erfindung als planare Elektrodenanordnung bezeichnet wer¬ den, da die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixie¬ renden Partikels nur einseitig angeordnet sind. Darüber hinaus ist auch der vertikale Elektrodenabstand hierbei vorzugsweise wesentlich kleiner als die laterale Elektrodenausdehnung. Hierbei kann die innere ringförmige Kafig- elektroden wahlweise über oder unter der äußeren ringförmigen Kafigelektrode angeordnet sein.In another variant of the invention, the Käfigelekt ¬ are clear, however, in two parallel and arranged in mutually offset planes. However, this variant also can be in the scope of the invention as a planar electrode arrangement referred ¬, since the individual electrodes of the cage in power to fixie ¬ particle are arranged only on one side with respect to the. In addition, the vertical electrode spacing is preferably substantially smaller than the lateral electrode extent. Here, the inner annular Kafig- electrodes may optionally be disposed above or below the outer annular Kafigelektrode.
Die ringförmigen Kafigelektroden können im Rahmen der Erfindung konzentrisch oder exzentrisch zueinander angeordnet sein, jedoch ist eine konzentrische Anordnung der Kafigelekt- roden bevorzugt.The annular cage electrodes can be arranged concentrically or eccentrically to one another within the scope of the invention, but a concentric arrangement of the cage electrodes is preferred.
In einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung mit zwei ringförmigen Kafigelektroden umschließt die innere ringförmige Kafigelektrode eine Öffnung in einer Kanalwand eines Tragerstromkanals, wobei die suspendierten Partikel durch diese Öffnung in der Kanalwand eintreten oder austreten können. Durch die Öffnung in der Kanalwand des Tragerstromkanals können die suspendierten Partikel beispielsweise in fluidische Ruhezonen (z.B. Speicherreservoirs) oder in andere Kana- Ie überfuhrt werden.In a preferred embodiment of the invention with two annular cage electrodes, the inner annular cage electrode encloses an opening in a channel wall of a carrier flow channel, whereby the suspended particles can enter or exit through this opening in the channel wall. Through the opening in the channel wall of the carrier flow channel, the suspended particles can be transferred, for example, into fluidic quiet zones (for example storage reservoirs) or into other channels.
Ferner besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass mindestens eine der ringförmigen Kafigelektroden an einer Seite geöffnet ist und/oder an einer Seite eine Passivie- rungsschicht aufweist, um die Elektrodenanordnung in einer bestimmten Richtung zu schwachen. Die Verwendung von Passi- vierungsschichten zur Schwächung des Feldkafigs hat hierbei den Vorteil, dass die relative Schwächung der von dem Feldka- fig erzeugten Feldbarriere über die Frequenz des Feldes ge- steuert werden kann. Dabei können auch zellbiologisch eingesetzte Moleküle, wie z.B. Lamin, als Isolationsschicht dienen. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Emkoppeln des Feldes in die Tragerlosung über der gegebenen Passivierungsschicht frequenz- und mediumabhangig ist. So nimmt die Feldeinkopp- lung in die Tragerlosung mit der Frequenz zu und fallt mit dem Verhältnis der Leitfähigkeiten von Medium und Passivie- rungsschicht und der Dicke der Passivierungsschicht .Furthermore, it is possible within the scope of the invention for at least one of the annular cage electrodes to be open on one side and / or to have a passivation layer on one side in order to weaken the electrode arrangement in a specific direction. The use of passivation layers for weakening the field cage has the advantage that the relative weakening of the field barrier generated by the field cage can be controlled via the frequency of the field. In this case, cell biologically used molecules such as lamin, serve as an insulating layer. This exploits the fact that the coupling of the field into the carrier solution over the given passivation layer is frequency- and medium-dependent. So takes the field docking into the carrier solution with the frequency and decreases with the ratio of the conductivities of the medium and passivation layer and the thickness of the passivation layer.
Durch applizieren einer niedrigeren Frequenz öffnet sich der Feldkafig in Richtungen der Passivierungsschichten. Der FeId- kafig kann dies gleichzeitig tun, wenn alle Passivierungen gleich sind. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass verschiedene Passivierungsschichten aufgebracht werden und der Feldkafig dann an diesen Stellen z.B. nacheinander/selektiv geöffnet wird.By applying a lower frequency, the field cage opens in directions of the passivation layers. The Feild cage can do this at the same time if all passivations are the same. However, it is also possible that different passivation layers are applied and the field cage is then deposited at these locations e.g. one after the other / selectively opens.
Alternativ kann das Einströmen eines andern Mediums (bspw. mit anderer Leitfähigkeit) als Schalter genutzt werden. Die- ses Verfahren kann sowohl das Befullen der nDEP-RingarraysAlternatively, the inflow of another medium (for example, with a different conductivity) can be used as a switch. This procedure can both fill the nDEP ring arrays
(welches über stromaufwärts gelegene Deflektoren bzw. Funnein vereinfacht werden kann) als auch das Entlassen in definierte Richtungen erleichtern. Zusätzlich dazu können dadurch bestimmte Zeilwachstumsrichtungen gezielt bevorzugt werden. Dies kann bspw. zum Aufbau eines definierten Neuronennetzwer- kes eingesetzt werden. Hierzu wird etwa ein Array aus nDEP- Ringstrukturen auf einem bspw. rechteckigen Gitter zunächst mit einzelnen Neuronen befullt. Das Wachstum der Axone kann gemäß der vordefinierten Passivierungen erlaubt/geschaltet werden. Bei individuell ansteuerbaren nDEP-Ringstrukturen kann dies auch individuell erfolgen. Alternativ können die Offnungen auch über einen Laser durch Ablation von Elektrodenmaterial nach dem Anwachsen der Zellen realisiert werden. nDEP-Rmg-Arrays können des Weiteren zum Sammeln und ggf. an- schließenden Kryokonservieren von insbesondere partikularem Material aus Suspensionen verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, dass die einzelnen Kafigelektroden wahlweise gleich oder unterschiedlich geformt sind.(which can be simplified via upstream deflectors or funnels) as well as facilitate discharge in defined directions. In addition to this, specific line growth directions can be specifically favored. This can be used, for example, to set up a defined neural network. For this purpose, an array of nDEP ring structures on an eg rectangular grid is initially filled with individual neurons. The growth of the axons can be allowed / switched according to the predefined passivations. For individually addressable nDEP ring structures, this can also be done individually. Alternatively, the openings can also be realized via a laser by ablation of electrode material after the growth of the cells. Furthermore, nDEP-Rmg arrays can be used for collecting and, if appropriate, subsequent cryopreservation of, in particular, particulate material from suspensions. In the context of the invention, there is also the possibility that the individual Kafigelektroden are either the same or different shapes.
Weiterhin weist der erfindungsgemaße Feldkafig einen bestimmten Fangpunkt (Minimum des elektrischen Feldes bei negativer Dielektrophorese) auf, in dem die Partikel raumlich fixiert werden, wobei der Fangpunkt wahlweise direkt an einer Kanalwand des Tragerstromkanals liegt oder zu den Kanalwanden des Tragerstromkanals beabstandet ist. Die wandnahe Fixierung der suspendierten Partikel bietet den Vorteil, dass die Stromungsgeschwindigkeit dort wesentlich niedriger ist als in der Mitte des Tragerstromkanals, so dass zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel kleinere Haltekrafte ausreichen.Furthermore, the Feldkafig invention has a certain snap point (minimum of the electric field in negative dielectrophoresis), in which the particles are spatially fixed, the snap point is either directly to a channel wall of Tragerstromkanals or spaced to the channel walls of Tragerstromkanals. The close-to-wall fixation of the suspended particles offers the advantage that the flow velocity is significantly lower there than in the middle of the carrier flow channel, so that smaller holding forces are sufficient for the spatial fixation of the suspended particles.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das Substrat mit einer Passivierungsschicht, einer biochemischen Beschichtung und/oder einer Nanoschicht versehen ist. Die biochemische Beschichtung des Substrats kann beispielsweise die Adhasionseigenschaften des Substrats für die zu fixierenden Partikel modifizieren und/oder Differenzie- rungssignale für die zu fixierenden Partikel setzen.Furthermore, it is within the scope of the invention, the possibility that the substrate is provided with a passivation layer, a biochemical coating and / or a nanolayer. The biochemical coating of the substrate can, for example, modify the adhesion properties of the substrate for the particles to be fixed and / or set differentiation signals for the particles to be fixed.
In einer Variante sind hierbei innerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode und außerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode unterschiedliche Beschichtungen auf das Sub¬ strat aufgebracht, wobei die Beschichtung innerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode auf die zu fixierenden Parti- kel adhäsiv (anziehend) wirkt, wahrend die Beschichtung au¬ ßerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode auf die zu fixierenden Partikel repulsiv (abstoßend) wirkt. In einer weiteren Variante der Erfindung ist das Substrat mit den Kafxgelektroden des Feldkafigs nicht an einer Kanalwand des Tragerstromkanals angeordnet, sondern das Substrat durchzieht den Tragerstromkanal in Stromungsrichtung mittig m Form einer Membran, so dass das Substrat den Tragerstromkanal in zwei Teilkanale aufteilt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich in dem Substrat eine Öffnung befindet, durch die Partikel von dem einen Teilkanal in den anderen Teilkanal des Tragerstromkanals übertreten können.In a variant of this different within the inner annular Kafigelektrode and outside the inner annular Kafigelektrode coatings are applied to the sub ¬ strat, wherein the coating within the inner annular Kafigelektrode the acts to be fixed adhesively particle kel (attracting), while the coating au ¬ ßerhalb the inner annular Kafigelektrode on the particles to be fixed repulsive (repulsive) acts. In a further variant of the invention, the substrate with the Kafxgelektroden the Feldkafigs is not arranged on a channel wall of Tragerstromkanals, but the substrate passes through the Tragerstromkanal in the direction of flow in the middle m shape of a membrane, so that the substrate divides the Tragerstromkanal into two sub-channels. This is particularly advantageous if there is an opening in the substrate through which particles can pass from one partial channel into the other partial channel of the carrier flow channel.
Bei dem erfindungsgemaßen Feldkafig handelt es sich vorzugsweise um einen dielektrophoretischen Feldkafig, wobei wahlweise positive Dielektrophorese oder negative Dielektrophore- se eingesetzt werden kann, um die suspendierten Partikel räumlich zu fixieren.The field cage according to the invention is preferably a dielectrophoretic field cage, wherein optionally positive dielectrophoresis or negative dielectrophoresis can be used in order to spatially fix the suspended particles.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Variante mit einer Vielzahl von Feldkafigen mit jeweils vorzugsweise zwei oder drei Kafigelektroden, wobei die einzelnen Feldkafige jeweils eine raumliche Fixierung eines oder mehrerer suspendierter Partikel ermöglichen. Die einzelnen Feldkafige sind hierbei mat- rixformig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet, wobei die elektrische Ansteuerung der Feldkafige durch mehrere Spalten-Steuerleitungen und mehrere Zeilen-Steuerleitungen erfolgt. Für jede Spalte der Feldkafige ist hierbei jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung für alle Feldkafige der jeweiligen Spalte vorgesehen, wobei die Spalten-Steuerleitung bei jeder Elektrodenanordnung der jeweiligen Spalte jeweils mit der ersten Kafigelektrode verbunden ist. In gleicher Wei- se ist für jede Zeile der Feldkafige jeweils eine gemeinsame Zeilen-Steuerleitung für alle Feldkafige der jeweiligen Zeile vorgesehen, wobei die Zeilen-Steuerleitung bei jeder Elektrodenanordnung der jeweiligen Zeile jeweils mit der zweiten Ka- figelektrode verbunden ist. Bei der Variante mit drei Kafig- elektroden kann eine der Kafigelektroden wahlweise elektrisch separat angesteuert werden oder auf einem elektrisch schwimmenden Potential liegen.Furthermore, the invention includes a variant with a plurality of Feldkafigen each having preferably two or three Kafigelektroden, wherein the individual Feldkafige each allow a spatial fixation of one or more suspended particles. In this case, the individual field cells are arranged in a matrix-like manner in a plurality of columns and a plurality of rows, with the electrical control of the field cells being effected by a plurality of column control lines and a plurality of row control lines. For each column of the Feldkafige here in each case a common column control line for all Feldkafige the respective column is provided, wherein the column control line is connected at each electrode arrangement of the respective column in each case with the first Kafigelektrode. In the same way, a common row control line for all field cells of the respective row is provided for each row of the field cells, the row control line being connected to the second cage electrode for each electrode arrangement of the respective row. In the variant with three cages electrodes, one of the cage electrodes can optionally be controlled electrically separately or lie on an electrically floating potential.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur den vorstehend beschriebenen Feldkafig umfasst, sondern auch ein mikrofluidisches System mit einem solchen Feldkafig sowie ein zellbiologisches Gerat mit einem solchen mikrofluidischen System, wie beispielsweise einen Zeilsortierer, ein ZeIl- Screenmg-Gerat oder Ähnliches.It should also be mentioned that the invention comprises not only the Feldkafig described above, but also a microfluidic system with such Feldkafig and a cell biology device with such a microfluidic system, such as a Zeilsortierer, a ZeIl-Screenmg device or the like.
Ferner umfasst die Erfindung auch die Verwendung eines erfin- dungsgemaßen mikrofluidischen Systems m einem solchen zell- biologischen Gerat.Furthermore, the invention also encompasses the use of a microfluidic system according to the invention in such a cell biological device.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch einen Mikromampulator zur, Manipulation suspendierter Partikel, wobei der erfin- dungsgemaße Mikromampulator einen erfindungsgemaßen Feldkafig aufweist, um die suspendierten Partikel zu fixieren. Bei- spielsweise kann der Mikromampulator als dielektrophoreti- sche Pinzette ausgebildet sein.Furthermore, the invention also encompasses a microamplulator for manipulating suspended particles, wherein the micromorphulator according to the invention has a field cage according to the invention in order to fix the suspended particles. For example, the micromultiplier can be designed as dielectrophoretic forceps.
Als Elektrodenmateπal kommen neben Metallen und dotierten Halbleitern auch leitfahige Polymere in Frage, wie beispiels- weise Polyanilm, Polypyrrol oder Polythiophen. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von laser-modiflzierbaren Polymeren, wie Polybisalkylthioacetylen . Im Laserdirektschreibverfahren können auf diese Weise Elektroden in einen Polymerchip geschrieben werden, was insbesondere für den Prototypenbau vor- teilhaft ist.Suitable electrode materials besides metals and doped semiconductors are also conductive polymers, such as, for example, polyanilm, polypyrrole or polythiophene. Also advantageous is the use of laser-modiflzierbaren polymers, such as polybisalkylthioacetylene. In the laser direct writing process, electrodes can be written into a polymer chip in this way, which is advantageous in particular for prototype construction.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren für das vorstehend beschriebene erfmdungs- gemaße mikrofluidische System. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der Feldkäfig zur räumlichen Fixierung der Partikel und zur anschließenden Freigabe der fixierten Partikel mit unterschiedlichen Frequenzen ange- steuert wird. So erfolgt die Ansteuerung zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel vorzugsweise mit einer Frequenz, die hinreichend groß ist, um ein Fangfeld auszubilden. Die anschließende elektrische Ansteuerung zur Freigabe der fixierten Partikel erfolgt dagegen mit einer kleineren Frequenz, die hinreichend klein ist, um das Fangfeld zumindest im Bereich der Öffnung oder der Passivierungsschicht zu öffnen.Finally, the invention also relates to a corresponding operating method for the above-described erfmdungs- according microfluidic system. In this case, it is possible for the field cage to be controlled for the spatial fixation of the particles and for the subsequent release of the fixed particles with different frequencies. Thus, the control for the spatial fixation of the suspended particles is preferably carried out with a frequency which is sufficiently large to form a trapping field. The subsequent electrical control for releasing the fixed particles, however, takes place with a smaller frequency, which is sufficiently small to open the catch field at least in the region of the opening or the passivation layer.
Die bereits vorstehend beschriebene Öffnung der ringförmigen Käfigelektroden an einer Seite kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Käfigelektroden durch einen Laser bestrahlt werden, so dass von den bestrahlten Käfigelektroden Elektrodenmaterial abgetragen wird, wodurch sich die gewünschte Öff- nung bildet.The above-described opening of the annular cage electrodes on one side can be achieved, for example, by irradiating the cage electrodes by a laser, so that electrode material is removed from the irradiated cage electrodes, whereby the desired opening is formed.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren auch eine vorzugsweise optische Prüfung durchgeführt werden, ob in den einzelnen Feldkäfigen Partikel fixiert sind oder nicht. Eine solche Belegungsprüfung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das mikrofluidische System zahlreiche Elektrodenanordnung zur Fixierung von Partikeln aufweist. In diesem Fall wird das mikrofluidische System nämlich zunächst mit Partikeln beschickt, bis sämtliche Feldkäfige mit suspendier- ten Partikeln belegt sind. Anschließend kann dann die Beschickungsphase beendet werden und es können sich weitere Betriebsphasen anschließen. Die Belegungsprüfung ermöglicht also eine zeitliche Minimierung der Beschickungsphase bei gleichzeitiger Vollbelegung sämtlicher Elektrodenkäfige. Ferner kann bei einer Vielzahl von Feldkafigen ein chemischer Gradient zwischen den einzelnen Feldkafigen erzeugt werden, indem die Strömung entsprechend beeinflusst wird. Beispiels- weise können hierzu chemische Zusatzstoffe mit dem Tragerstrom in das mikrofluidische System eingespult werden, wobei der Zustrom der Zusatzstoffe zeitlich und/oder raumlich innerhalb des Tragerstroms variiert werden kann.Furthermore, in the operating method according to the invention, a preferably optical test can also be carried out as to whether or not particles are fixed in the individual field cages. Such an occupancy test is particularly advantageous if the microfluidic system has numerous electrode arrangements for fixing particles. In this case, the microfluidic system is first charged with particles until all field cages are coated with suspended particles. Subsequently, the loading phase can be terminated and it can be followed by further operating phases. The occupancy test thus allows a time minimization of the loading phase with simultaneous full occupancy of all electrode cages. Furthermore, in the case of a plurality of field cages, a chemical gradient can be generated between the individual field cages by influencing the flow accordingly. For example, chemical additives with the carrier flow can be fed into the microfluidic system for this purpose, it being possible to vary the inflow of the additives in terms of time and / or space within the carrier flow.
Weiterhin kann die zur Partikelfixierung dienende Elektrodenanordnung zusatzlich zu einem weiteren Zweck eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung elektrisch angesteuert werden, um an dem darin fixierten Partikel einen Reiz auszulosen und oder eine elektrische Messung (z.B. Impe- danz) auszufuhren.Furthermore, the electrode assembly used for particle fixing can additionally be used for a further purpose. For example, the electrode arrangement can be electrically controlled in order to trigger a stimulus on the particle fixed therein and / or to carry out an electrical measurement (for example impedance).
Schließlich ist noch zu erwähnen, dass es sich bei den zu suspendierten Partikeln vorzugsweise um biologische Zellen handelt. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der zu fixie- renden Partikel nicht auf biologische Zellen beschrankt, sondern ermöglicht beispielsweise auch die Fixierung von Zellaggregaten oder sonstigen Partikeln.Finally, it should be mentioned that the particles to be suspended are preferably biological cells. However, with regard to the particles to be fixed, the invention is not restricted to biological cells, but instead also makes it possible, for example, to fix cell aggregates or other particles.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren naher 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 exemplary embodiments of the invention with reference to the figures. Show it:
Figur IA ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel eines er- fmdungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkafig mit zwei konzentrischen ringförmigen Kafigelektroden, die an der unteren Kanalwand des Tragerstromkanals angebracht sind und eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel ermöglichen,FIG. 1A shows a preferred exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a field cage with two concentric annular cage electrodes attached to the lower channel wall of the carrier flow channel are and allow a spatial fixation of the suspended particles,
Figur IB, IC die Feldverteilung bei dem Feldkafig aus Figur IA,FIG. 1B, IC shows the field distribution in the field cage from FIG. 1A,
Figur ID die Feldverteilung bei einem doppelringforangen Feldkafig, bei dem die Ringelektroden kreuzförmig geöffnet sind,FIG. 1D shows the field distribution in a double-ring-force field cage, in which the ring electrodes are opened in a cross-shaped manner,
Figur 2 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel, bei dem der Feldkafig an der oberen Kanalwand des Tragerstromkanals angeordnet ist,FIG. 2 shows an alternative exemplary embodiment, in which the field cage is arranged on the upper channel wall of the carrier flow channel,
Figur 3 ein Substrat, das einen Feldkafig tragt, wobei das Substrat in dem Tragerstromkanal beispielsweise in der Kanalmitte angeordnet sein kann und einen Durchtritt der suspendierten Partikel ermöglicht,FIG. 3 shows a substrate which carries a field cage, wherein the substrate can be arranged in the carrier flow channel, for example in the middle of the channel, and allows a passage of the suspended particles,
Figur 4 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel eines derartigen Substrats mit einer anderen Konfiguration des Feldkafigs,FIG. 4 shows an alternative exemplary embodiment of such a substrate with another configuration of the field cage,
Figur 5A ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel eines erfmdungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkafig, wobei der Feldkafig aus zwei ringförmigen konzentrischen Kafigelekt- roden an der unteren Kanalwand besteht, die einseitig Passivierungsschichten aufweisen,FIG. 5A shows an alternative exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a field cage, the field cage consisting of two annular concentric cage electrodes on the lower channel wall, which have passivation layers on one side,
Figur 5B eine Abwandlung des Ausfuhrungsbeispiels gemäß Figur 5A, wobei die Passivierungsschich- ten eine Schwächung in vier Richtungen bewirken,FIG. 5B shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 5A, wherein the passivation layer cause weakening in four directions,
Figur 5C eine Abwandlung des Ausfuhrungsbeispiels gemäß Figur 5A, wobei die Passivierungsschich- ten eine Schwächung m drei Richtungen bewirken,FIG. 5C shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 5A, wherein the passivation layers cause a weakening m in three directions,
Figur 6 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel mit einer matπxformigen Anordnung einer Vielzahl von Feldkafigen zur Partikelfixierung,FIG. 6 shows an alternative exemplary embodiment with a matπxformigen arrangement of a plurality of Feldkafigen for particle fixation,
Figur 7 das erfmdungsgemaße Betriebsverfahren m Form eines Flussdiagramms,FIG. 7 shows the operating method according to the invention in the form of a flowchart,
Figur 8 eine erfmdungsgemaße dielektrophoretische Pinzette,FIG. 8 shows a dielectrophoretic forceps according to the invention,
Figur 9 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfin- dungsgemaßen dielektrophoretischen Pinzette,FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a dielectrophoretic forceps according to the invention,
Figur 10A ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines erfin- dungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkafig mit drei konzentrischen ringförmigen Kafigelektroden,FIG. 10A shows a further exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a field cage with three concentric annular cage electrodes, FIG.
Figur 1OB die Feldverteilung bei dem Feldkafig gemäß Figur 10A,FIG. 10B shows the field distribution in the field cage according to FIG. 10A,
Figur IIA ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems mit einer flachigen Gegenelektrode, Figur IIB die Feldverteilung bei dem mikrofluidischenFIG. 11A shows a further exemplary embodiment of a microfluidic system with a flat counterelectrode, FIG. IIB the field distribution in the microfluidic
System gemäß Figur IIA, sowieSystem according to Figure IIA, as well
Figuren 12A-12I verschiedene Ausfuhrungsbeispiele von erfin- dungsgemaßen Feldkafigen .Figures 12A-12I different exemplary embodiments of inventive dungsgemaßen Feldkafigen.
Figur IA zeigt in vereinfachter Form ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Tragerstromkanal 1, durch den in X-Richtung eine Tragerflus- sigkeit mit darin suspendierten Partikeln 2, 3 strömt.FIG. 1A shows, in a simplified form, an exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention with a carrier flow channel 1, through which a carrier liquid with particles 2, 3 suspended therein flows in the X direction.
Der Tragerstromkanal 1 weist hierbei eine untere Kanalwand 4 und eine obere Kanalwand 5 auf, wobei an der unteren Kanalwand 4 ein Feldkafig 6 angeordnet ist, der aus zwei kreisfor- migen, konzentrischen Ringelektroden 7, 8 besteht, die unabhängig voneinander angesteuert werden können und eine raumliche Fixierung des Partikels 3 in der stromenden Tragerflus- sigkeit ermöglichen, indem der Feldkafig 6 ein elektrisches Fangfeld erzeugt, das in den Figuren IB und IC perspektivisch dargestellt ist.The carrier flow channel 1 in this case has a lower channel wall 4 and an upper channel wall 5, wherein on the lower channel wall 4 a Feldkafig 6 is arranged, which consists of two circular, concentric annular electrodes 7, 8, which can be controlled independently and a allow spatial fixing of the particle 3 in the current Tragerflus- sigkeit by the Feldkafig 6 generates an electric capture field, which is shown in perspective in Figures IB and IC.
Die beiden Ringelektroden 7, 8 sind hierbei koplanar in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet, so dass der Fangpunkt ebenfalls in der gemeinsamen Elektrodenebene unmittelbar an der unteren Kanalwand 4 liegt. Diese wandnahe Fixierung des Partikels 3 ist vorteilhaft, weil die Stromungsgeschwindigkeit dort kleiner ist als in der Mitte des Tragerstromkanals 1, so dass relativ geringe Haltekrafte ausreichen, um den Partikel 3 zu raumlich fixieren. Dies ermöglicht wiederum ei- ne relativ schwache elektrische Ansteuerung des Feldkafigs 6, so dass der fixierte Partikel 3 durch Feldwirkungen nur wenig beeinträchtigt wird. Zudem kann der Partikel 3 durch zusätz¬ liche Kräfte (bspw. Tragheitskrafte sowie die Gravitations¬ kraft g) unterstutzend am Boden fixiert werden Die Figuren IB und IC zeigen den Feldverlauf bei dem Feldka- fxg 6 gemäß Figur IA in einem zentralen vertikalen Schnitt durch (Figur IB) sowie in einer horizontalen Ebene über der Elektrodenstruktur (Figur IC) .The two ring electrodes 7, 8 are in this case arranged coplanar in a common electrode plane, so that the snap point is likewise located directly on the lower channel wall 4 in the common electrode plane. This near-wall fixation of the particle 3 is advantageous because the flow velocity is smaller there than in the middle of the Tragerstromkanals 1, so that relatively low holding forces sufficient to fix the particles 3 to spatially. This in turn allows a relatively weak electrical actuation of the field cage 6, so that the fixed particle 3 is only slightly impaired by field effects. In addition, the particles can 3 by Liche zusätz ¬ forces (eg. Inertial forces and the gravitational force ¬ g) are fixed at the bottom under lopping FIGS. IB and IC show the field profile in the field box 6 according to FIG. 1A in a central vertical section through (FIG. 1B) and in a horizontal plane above the electrode structure (FIG. 1C).
Ferner zeigt Figur ID den Feldverlauf in einer horizontalen Ebene über der Elektrodenstruktur für einen abgewandelten Feldkafig, bei dem die ringförmigen Kafigelektroden 7, 8 nicht geschlossen, sondern kreuzförmig geöffnet sind.Furthermore, FIG. 1D shows the field profile in a horizontal plane above the electrode structure for a modified field cage in which the annular cage electrodes 7, 8 are not open but open in a cruciform manner.
Das in Figur 2 dargestellte alternative Ausfuhrungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und m Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The alternative exemplary embodiment shown in FIG. 2 corresponds largely to the exemplary embodiment described above and shown in FIG. 1, so that reference is made to FIG. 1 to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass der Feldkafig 6 nicht an der unteren Kanalwand 4, sondern an der oberen Kanalwand 5 des Tragerstromkanals 1 angeordnet ist. Durch Überlagerung mit zusätzlichen Kräften, bspw. Tragheitskraften oder der Gravitationskraft g, kann der Fangpunkt auch von der Kanalwand in die Losung verschoben werden.A special feature of this exemplary embodiment is that the Feldkafig 6 is not arranged on the lower channel wall 4, but on the upper channel wall 5 of the Tragerstromkanals 1. By overlaying with additional forces, for example, inertia forces or the gravitational force g, the snap point can also be shifted from the channel wall into the solution.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines aus Glas, Kunststoff oder Silizium bestehenden Substrats 9 mit dem Feldkafig 6, wie er bereits vorstehend unter Bezug- nähme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb hinsichtlich des Feldka- figs 6 auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen. In dem Substrat 9 befindet sich hierbei eine zylindrische Öffnung 10, durch welche die Partikel 2, 3 von der einen Seite des Substrats 9 auf die andere Seite des Substrats 9 hindurchtreten können, wie schematisch durch die gestrichelten Pfeillinien verdeutlicht ist. Das Substrat 9 wirkt also als Trennwand und kann beispielsweise bei dem mikrofluidischen System gemäß Figur 1 als Membran in der Mittel des Trager- stromkanals 1 angeordnet sein und sich in Längsrichtung des Tragerstromkanals 1 erstrecken, so dass das Substrat 9 in dem Tragerstromkanal 1 zwei benachbarte Teilkanale voneinander trennt .FIG. 3 shows a simplified perspective view of a substrate 9 made of glass, plastic or silicon with the field cage 6, as already described above with reference to FIGS. 1 and 2. In order to avoid repetition, reference is therefore made to the above description of FIG. 1 with regard to field box 6. In the substrate 9 there is a cylindrical opening 10 through which the particles 2, 3 can pass from the one side of the substrate 9 to the other side of the substrate 9, as is illustrated schematically by the dashed arrow lines. The substrate 9 thus acts as a partition and, for example in the microfluidic system according to FIG. 1, can be arranged as a membrane in the means of the carrier flow channel 1 and extend in the longitudinal direction of the carrier flow channel 1, so that the substrate 9 in the carrier flow channel 1 has two adjacent subchannels separates each other.
Figur 4 zeigt ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel eines Substrats 9, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 3 verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden .FIG. 4 shows an alternative exemplary embodiment of a substrate 9, which largely corresponds to the exemplary embodiment described above and in FIG. 3, so that reference is made to FIG. 3 in order to avoid repetition, the same reference numbers being used for corresponding parts in the following ,
Eine Besonderheit besteht hierbei darin, dass die Öffnung 10 in dem Substrat 9 nach oben hin konisch zulauft, wobei die beiden Ringelektroden 7, 8 in verschiedenen Elektrodenebenen angeordnet sind. Die beiden Elektrodenebenen sind hierbei pa- rallel zueinander ausgerichtet und zueinander beabstandet, wodurch der Fangpunkt aus der Elektrodenebene herausgehoben wird. Der Feldkafig 6 kann hierbei jedoch ebenfalls als pla- nare Elektrodenanordnung bezeichnet werden, da die einzelnen Kafigelektroden bezuglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind. Bevorzugt kann hier ebenfalls der Abstand der Elektrodenebenen kleiner sein als die laterale Elektrodenausdehnung, d.h. die Elektrodenausdehnung in Y- Richtung. Figur 5A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wie- derholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.A special feature here is that the opening 10 in the substrate 9 tapers conically upwards, wherein the two ring electrodes 7, 8 are arranged in different electrode planes. In this case, the two electrode planes are aligned parallel to one another and spaced apart from one another, as a result of which the snap point is lifted out of the electrode plane. However, the field cage 6 can also be referred to herein as a planar electrode arrangement, since the individual cage electrodes, with reference to the particle to be fixed, are arranged only on one side. In this case too, the distance of the electrode planes may preferably be smaller than the lateral electrode extension, ie the electrode extension in the Y direction. FIG. 5A shows a further exemplary embodiment of a microfluidic system according to the invention that largely corresponds to the embodiment described above and illustrated in FIG. 1, so that reference is made to FIG. 1 to avoid repetition, with the same reference numerals being used for corresponding parts become.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die beiden Ringelektroden 7, 8 auf der stromabwärts gelegenen Seite jeweils eine Passivierungsschicht 11 bzw. 12 aufweisen. Die Passivierungsschichten 11, 12 schwächen das von dem Feldkäfig 6 erzeugte Fangfeld im Bereich der Passivierungsschicht 11 bzw. 12.A special feature of this embodiment is that the two ring electrodes 7, 8 each have a passivation layer 11, 12 on the downstream side. The passivation layers 11, 12 weaken the capture field generated by the field cage 6 in the region of the passivation layer 11 or 12.
Hierbei ist zu erwähnen, dass sich eine Schwächung in die jeweilige Richtung auch durch Aufbringen einer Passivierung nur auf dem inneren Ring oder nur auf dem äußeren Ring realisieren lässt. Anwendungen für die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 5B und 5C sind beispielsweise Neuronennetzwerke oder Rechteck- bzw. Dreieckgitter.It should be mentioned that a weakening in the respective direction can also be achieved by applying a passivation only on the inner ring or only on the outer ring. Applications for the embodiments according to FIGS. 5B and 5C are, for example, neuron networks or triangular gratings.
Hierbei besteht die Möglichkeit, innerhalb der inneren Ring¬ elektrode 7 eine weitere Elektrode anzuordnen, die eine Pas- sivierungsschicht aufweisen kann.In this case, there is the possibility electrode within the inner ring ¬ 7 to arrange a further electrode which may have a sivierungsschicht Pas-.
Figur 5B zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel mit vier Schwächungspunkten, während Figur 5C ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drei Schwächungspunkten zeigt.FIG. 5B shows a corresponding exemplary embodiment with four weakening points, while FIG. 5C shows a further exemplary embodiment with three weakening points.
Ferner zeigt Figur 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems mit zahlreichen matrixförmig angeordneten Feldkäfigen, die jeweils aus zwei konzentrisch an¬ geordneten Ringelektroden 13, 14 bestehen. Die einzelnen Feldkäfige sind hierbei in vier Zeilen und vier Spalten matrixförmig angeordnet und werden durch vier Spalten-Steuerleitungen 15 und vier Zeilen-Steuerleitungen 16 e- lektrisch angesteuert. Die einzelnen Spalten-Steuerleitungen 15 sind hierbei jeweils mit der äußeren Ringelektrode 13 sämtlicher Feldkäfige der jeweiligen Spalte verbunden. In gleicher Weise sind die einzelnen Zeilen-Steuerleitungen 16 jeweils mit der inneren Ringelektrode 14 verbunden. Werden bspw. alle Zeilensteuerleitungen mit Signalen einer Phase und alle Spaltensteuerleitungen gegenphasig dazu angesteuert, können in allen Feldkäfigen Partikel fixiert werden. Ein einzelner Partikel kann dann dadurch entlassen werden, dass die entsprechende Zeilen- sowie Spaltensteuerleitung auf Masse gelegt wird.Further, Figure 6 shows an alternative embodiment of a microfluidic system with numerous arrayed field cages, each consisting of two concentrically ordered at ¬ ring electrodes 13, 14th The individual field cages are arranged in matrix form in four rows and four columns and are electrically driven by four column control lines 15 and four row control lines 16. The individual column control lines 15 are in each case connected to the outer ring electrode 13 of all field cages of the respective column. In the same way, the individual row control lines 16 are each connected to the inner ring electrode 14. If, for example, all line control lines with signals of one phase and all column control lines are driven in opposite phase, particles can be fixed in all field cages. A single particle may then be released by grounding the corresponding row and column control lines.
Das Flussdiagramm in Figur 7 zeigt das Betriebsverfahren eines mikrofluidischen Systems mit der in Figur 6 dargestellten matrixförmigen Elektrodenanordnung .The flowchart in FIG. 7 shows the operating method of a microfluidic system with the matrix-shaped electrode arrangement shown in FIG.
Das Betriebsverfahren besteht hierbei im Wesentlichen aus einer Beschickungsphase 17, einer Konsolidierungsphase 18, einer Wachstums-/Differenzierungsphase 19 und einer Untersuchungsphase 20, die nachfolgend detailliert beschrieben wer- den.The operating method essentially consists of a charging phase 17, a consolidation phase 18, a growth / differentiation phase 19 and an investigation phase 20, which are described in detail below.
In der Beschickungsphase 17 werden zunächst sämtliche matrix- fόrmig angeordneten Feldkäfige ausgeschaltet und es werden biologische Zellen eingespült. Anschließend werden die FeId- käfige zur Fixierung der eingespülten Zellen angeschaltet und dielektrophoretisch angesteuert, wobei mit den stromabwärts gelegenen Feldkäfigen begonnen wird. Dadurch werden in den einzelnen Feldkäfigen jeweils biologische Zellen räumlich fixiert. Dabei erfolgt eine optische Belegungsprüfung der ein- zelnen Feldkafige und die nichtfixierten Zellen werden ausgespult, sobald samtliche Feldkafige mit biologischen Zellen belegt sind.In the loading phase 17, first all field cages arranged in matrix form are switched off and biological cells are flushed in. Subsequently, the FeId- cages are connected to fix the flushed cells and dielectrophoretically driven, starting with the downstream field cages. As a result, biological cells are spatially fixed in the individual field cages. An optical occupancy test of the Individual field cages and unfixed cells are ejected as soon as whole field cages are covered with biological cells.
In der anschließenden Konsolidierungsphase 18 heften sich dann die fixierten Zellen an. Dabei kann je nach Anheftungs- grad bzw. Stromungsverhaltnissen das elektrische Feld verringert bzw. auch ganz ausgeschaltet werden.In the subsequent consolidation phase 18, the fixed cells then attach themselves. Depending on the degree of adhesion or flow conditions, the electric field can be reduced or completely switched off.
In der anschließenden Wachstums-/Differenzierungsphase 19 werden die zur raumlichen Fixierung der Zellen dienenden Feldkafige dann in besonderer Weise elektrisch angesteuert, um den sich bildenden Zellverband zu strukturieren.In the subsequent growth / differentiation phase 19, the field cages used for the spatial fixation of the cells are then electrically driven in a special way in order to structure the forming cell structure.
Darüber hinaus kann wahrend der Wachstums-/Differenzierungsphase 19 ein chemischer Gradient zwischen den einzelnen FeId- kafigen erzeugt werden, indem die Stromungsverhaltnisse entsprechend beeinflusst werden.In addition, during the growth / differentiation phase 19, a chemical gradient can be generated between the individual feeder cells by correspondingly influencing the flow conditions.
Schließlich erfolgt dann in der Untersuchungsphase eine Untersuchung der gebildeten Zeilverbande. Hierzu werden die Ka- figelektroden ausgeschaltet und die gewünschten Messungen werden durchgeführt, wobei beispielsweise optische oder e- lektronische Messungen möglich sind.Finally, an investigation of the formed Zeilverbande then takes place in the investigation phase. For this purpose, the cage electrodes are switched off and the desired measurements are carried out, wherein, for example, optical or electronic measurements are possible.
Dieses Betriebsverfahren kann auch zum Aufbau eines definierten Neuronennetzwerkes eingesetzt werden. ιThis operating method can also be used to set up a defined neural network. ι
Figur 8 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer die- lektrophoretischen Pinzette 21, die eingesetzt werden kann, um suspendierte Partikel aus einer Tragerflussigkeit zu entnehmen. An ihrem distalen Ende weist die Pinzette 21 eine halbkugelförmige Spitze auf, die zwei ringförmige Käfigelektroden 22,FIG. 8 shows a simplified illustration of a dielectrophoretic forceps 21 which can be used to remove suspended particles from a suspension fluid. At its distal end, the forceps 21 has a hemispherical tip, the two annular cage electrodes 22,
23 trägt, die elektrisch unabhängig voneinander angesteuert werden können und eine Fixierung der suspendierten Partikel ermöglichen, so dass die fixierten Partikel zusammen mit der Pinzette 21 in der Trägerflüssigkeit manipuliert bzw. aus ihr entnommen werden können.23 carries, which can be electrically controlled independently of each other and allow a fixation of the suspended particles, so that the fixed particles can be manipulated together with the forceps 21 in the carrier liquid and removed from it.
Figur 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer er- findungsgemäßen Pinzette 21, die weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.FIG. 9 shows an alternative exemplary embodiment of a forceps 21 according to the invention, which largely corresponds to the embodiment described above, so that reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Pinzette 21 an ihrem distalen Ende eine VertiefungA special feature of this embodiment is that the forceps 21 at its distal end a recess
24 aufweist, in der ein Partikel 25 fixiert werden kann.24, in which a particle 25 can be fixed.
Das in Figur 10A dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The illustrated in Figure 10A alternative embodiment of a microfluidic system is largely consistent with the embodiment described above and shown in Figure 1, so that reference is made to avoid repetition of the above description of Figure 1, wherein the same reference numerals are used for corresponding components.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der Feldkäfig 6 drei Käfigelektroden 7, 8, 26 aufweist, wobei die äußeren Käfigelektroden 7, 8 unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, wie bereits vorstehend beschrieben wurde. Die innere Käfigelektrode 26 kann dagegen wahlweise auf einem elektrisch schwimmenden Potential liegen oder ebenfalls e- lektrisch angesteuert werden, wie durch die gestrichelt gezeichnete Steuerleitung angedeutet wird.A special feature of this embodiment is that the field cage 6 has three cage electrodes 7, 8, 26, wherein the outer cage electrodes 7, 8 can be electrically controlled independently of each other, as already described above. On the other hand, the inner cage electrode 26 can optionally be at an electrically floating potential or can also be driven electrically, as indicated by the dashed line.
Schließlich zeigt Figur 1OB die Feldverteilung des Feldkäfigs 6 gemäß Figur 10A in einem zentralen vertikalen Schnitt durch die Elektrodenstruktur, wobei die Elektroden 7 und 8 ge- genphasig angesteuert werden und die Elektrode 26 auf Masse liegt.Finally, FIG. 10B shows the field distribution of the field cage 6 according to FIG. 10A in a central vertical section through the electrode structure, wherein the electrodes 7 and 8 are driven in phase opposition and the electrode 26 is grounded.
Figur IIA zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, das weitgehend mit den vorstehend beschriebenen mikrofluidischen Systemen übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden.Figure IIA shows a simplified perspective view of a further embodiment of a microfluidic system according to the invention, which largely matches the microfluidic systems described above, so reference is made to the above description to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details hereinafter.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die obere Kanalwand 5 des Trägerstromkanals 1 hierbei als eine flächige Gegenelektrode ausgebildet ist. Die Gegenelektrode besteht hierbei aus einen transparenten Material, um eine ungestörte optische Beobachtung durch die obere Ka- nalwand 5 hindurch zu erlauben. Beispielsweise kann die flächige Gegenelektrode an der oberen Kanalwand 5 aus Indiumzinnoxid (ITO) bestehen, jedoch sind auch andere Materialien möglich .A special feature of this embodiment is that the upper channel wall 5 of the carrier flow channel 1 is formed here as a planar counter electrode. The counterelectrode in this case consists of a transparent material in order to allow undisturbed optical observation through the upper channel wall 5. For example, the planar counterelectrode may be made of indium tin oxide (ITO) on the upper channel wall 5, but other materials are possible.
Der Feldkäfig 6 ist dagegen in diesem Ausführungsbeispiel an der unteren Kanalwand 4 angeordnet und liegt somit der flächigen Gegenelektrode an der oberen Kanalwand 5 gegenüber. Mit dieser Anordnung lassen sich bereits mit einfachen Kreis- Ring-Strukturen nDEP-Feldkäfige realisieren, die die Partikel 2 in freier Lösung halten können, was insbesondere für Arrays von Interesse ist.In contrast, the field cage 6 is arranged on the lower channel wall 4 in this exemplary embodiment and thus lies opposite the planar counterelectrode on the upper channel wall 5. With this arrangement, it is possible to realize nDEP field cages with simple circular-ring structures, which can hold the particles 2 in free solution, which is of particular interest for arrays.
Figur IIB zeigt die Feldverteilung E2 in dem mikrofluidischen System gemäß Figur IIA in der z-y-Ebene, welche den Feldkäfig 6 mittig schneidet.FIG. IIB shows the field distribution E 2 in the microfluidic system according to FIG. IIA in the zy plane, which cuts the field cage 6 in the middle.
Die mittige Ringelektrode 7 hat hierbei dasselbe elektrische Potenzial wie die Gegenelektrode an der oberen Kanalwand 5, während die äußere Ringelektrode 8 auf dem entgegengesetzten elektrischen Potenzial liegt, was durch eine Phasenverschiebung von 180° erreicht wird.The central ring electrode 7 in this case has the same electrical potential as the counter electrode on the upper channel wall 5, while the outer ring electrode 8 is at the opposite electrical potential, which is achieved by a phase shift of 180 °.
Alternativ werden die innere Ringelektrode 7 und die Gegenelektrode 5 auf Masse gelegt bzw. befinden sich auf einem freien Potenzial, während die Ringelektrode 8 mit einem Wechselfeld angesteuert wird.Alternatively, the inner ring electrode 7 and the counter electrode 5 are grounded or are at a free potential, while the ring electrode 8 is driven with an alternating field.
Die Figuren 12A-12I zeigen alternative Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Feldkäfigen.Figures 12A-12I show alternative embodiments of field cages according to the invention.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12A sind die beiden Ringelektroden 7, 8 jeweils quadratisch geformt und mit ihren Kanten parallel zueinander angeordnet.In the exemplary embodiment according to FIG. 12A, the two ring electrodes 7, 8 are each of square shape and are arranged with their edges parallel to one another.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12B sind die beiden Ringelektroden I1 8 ebenfalls jeweils quadratisch geformt, jedoch ist die Ringelektrode 7 gegenüber der Ringelektrode 8 um einen Winkel von 45° verdreht. Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 12C ist die Ringelektrode 8 quadratisch, wahrend die Ringelektrode 7 hexago- nal geformt ist.In the embodiment shown in Figure 12B, the two ring electrodes I 1 8 are also each square shaped, but the ring electrode 7 is rotated relative to the ring electrode 8 by an angle of 45 °. In the exemplary embodiment according to FIG. 12C, the ring electrode 8 is square, while the ring electrode 7 is hexagonally shaped.
Bei den Ausfuhrungsbeispielen gemäß den Figuren 12D bis Figur 12F weist die äußere Ringelektrode 8 die Form eines gleichseitigen Dreiecks auf. Die innere Ringelektrode 7 ist bei diesen Ausfuhrungsbeispielen kreisförmig oder elliptisch, wobei sich die Figuren 12D und 12E durch eine zentrische (Figur 12D) bzw. exzentrische (Figur 12E) Anordnung der innerenIn the exemplary embodiments according to FIGS. 12D to 12F, the outer ring electrode 8 has the shape of an equilateral triangle. The inner ring electrode 7 is circular or elliptical in these embodiments, wherein the figures 12D and 12E by a centric (Figure 12D) and eccentric (Figure 12E) arrangement of the inner
Ringelektrode 7 innerhalb der äußeren Ringelektrode 8 unterscheiden.Ring electrode 7 differ within the outer ring electrode 8.
Bei dem Feldkafig gemäß Figur 12G sind die beiden Ringelekt- roden 7, 8 jeweils kreisförmig und konzentrisch, wobei innerhalb der inneren Ringelektrode 7 mittig eine dreieckige weitere Elektrode angeordnet ist.In the field cage according to FIG. 12G, the two ring electrodes 7, 8 are each circular and concentric, wherein a triangular further electrode is arranged centrally within the inner ring electrode 7.
Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 12H weist die äußere Ringelektrode 8 die Form eines Pentagons auf, wahrend die in¬ nere Ringelektrode 7 kreisförmig und zentrisch innerhalb der äußeren Ringelektrode 8 angeordnet ist. Darüber hinaus ist bei diesem Ausfuhrungsbeispiel innerhalb der inneren Ring¬ elektrode 7 eine weitere Ringelektrode angeordnet.In the exemplary embodiment shown in FIG 12H, the outer ring electrode 8, the shape of a pentagon on, while the nere in ¬ ring electrode 7 is arranged in a circle and centered within the outer annular electrode. 8 In addition, in this exemplary embodiment within the inner ring ¬ electrode 7, a further ring electrode is arranged.
Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 121 ist die äußere Ringelektrode 8 sternförmig, wahrend die innere Ringelektrode 7 kreisförmig zentrisch innerhalb der äußeren Ringelektrode 8 angeordnet ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 121, the outer ring electrode 8 is star-shaped, while the inner ring electrode 7 is arranged in a circular centric manner within the outer ring electrode 8.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen be¬ vorzugten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die eben- falls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. The invention is not limited to the above-described be ¬ preferred exemplary embodiments. Rather, a multiplicity of variants and modifications is possible which also if make use of the idea of the invention and therefore fall within the scope.
Bezugs zeichenliste :Reference sign list:
1 Tragerstromkanal1 carrier flow channel
2 Partikel2 particles
3 Partikel3 particles
4 Untere Kanalwand4 Lower channel wall
5 Obere Kanalwand5 Upper channel wall
6 Feldkafig6 field cage
7 Ringelektrode7 ring electrode
8 Ringelektrode8 ring electrode
9 Substrat9 substrate
10 Öffnung10 opening
11 Passlvierungsschicht 2 Passlvierungsschicht 3 Ringelektroden 4 Ringelektroden 5 Spalten-Steuerleitung 6 Zeilen-Steuerleitung 7 Beschickungsphase 8 Konsolidierungsphase 9 Wachstums-/Differenzierungsphase 0 Untersuchungsphase 1 Pinzette 2 Kafigelektrode 3 Kafigelektrode 4 Vertiefung 5 Partikel 6 Kafigelektrode 11 Passing Layer 2 Passing Layer 3 Ring Electrodes 4 Ring Electrodes 5 Column Control Line 6 Line Control Line 7 Feed Phase 8 Consolidation Phase 9 Growth / Differentiation Phase 0 Examination Phase 1 Tweezers 2 Kafig Electrode 3 Kafig Electrode 4 Well 5 Particles 6 Kafig Electrode

Claims

ANSPRÜCHE
1. Elektrischer Feldkafig (6) zur raumlichen Fixierung von Partikeln (2, 3), die in exner Tragerflussigkeit suspendiert sind, insbesondere in einem mikrofluidischen System, mit mehreren elektrisch ansteuerbaren Kafigelektroden (7, 8) zur Erzeugung eines Fangfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kafigelektroden (7, 8) ringförmig ist und die andere Kafigelektrode umgibt.1. Electric Feldkafig (6) for spatial fixation of particles (2, 3) suspended in exner Tragerflussigkeit, especially in a microfluidic system, with a plurality of electrically controllable Kafigelektroden (7, 8) for generating a trapping field, characterized in that at least one of the cage electrodes (7, 8) is annular and surrounds the other cage electrode.
2. Feldkafig (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei oder genau drei Kafigelektroden (7, 8) vorgesehen sind.2. Feldkafig (6) according to claim 1, characterized in that exactly two or exactly three Kafigelektroden (7, 8) are provided.
3. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Elektrodenausdehnung der Kafigelektroden (7, 8) großer ist als der Elektrodenabstand quer zur Stromungsrichtung.3. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the lateral electrode extension of Kafigelektroden (7, 8) is greater than the electrode spacing transverse to the flow direction.
4. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kafigelektroden4. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the individual Kafigelektroden
(7, 8) bezuglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind.(7, 8) are arranged only on one side with respect to the particle to be fixed.
5. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kafigelektroden (7, 8) jeweils planar sind.5. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Kafigelektroden (7, 8) are each planar.
6. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kafigelektroden (7, 8) in einer gemeinsamen Elektrodenebene oder auf einer Flache angeordnet sind. 6. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Kafigelektroden (7, 8) are arranged in a common electrode plane or on a surface.
7. Feldkafig (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kafigelektroden (7, 8) in zwei parallelen und zueinander versetzten Ebenen angeordnet sind.7. Feldkafig (6) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Kafigelektroden (7, 8) are arranged in two parallel and mutually offset planes.
8. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kafigelektroden (7, 8) konzentrisch zueinander angeordnet sind.8. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Kafigelektroden (7, 8) are arranged concentrically to each other.
9. Feldkafig (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kafigelektroden (7, 8) exzentrisch zueinander angeordnet sind.9. Feldkafig (6) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the Kafigelektroden (7, 8) are arranged eccentrically to one another.
10. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Kafigelektrode elliptisch, kreisrund, mehreckig oder rechteckig sind.10. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the annular Kafig electrode are elliptical, circular, polygonal or rectangular.
11. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ringförmigen Kafigelektroden (7, 8) an einer Seite geöffnet ist und/oder an einer Seite eine Passivierungsschicht (11, 12) aufweist.11. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the annular Kafigelektroden (7, 8) is open on one side and / or on one side of a passivation layer (11, 12).
12. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kafigelektroden (7, 8) unterschiedlich geformt sind.12. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Kafigelektroden (7, 8) are shaped differently.
13. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Kafigelektroden (7, 8) auf einem Substrat (9) angeordnet ist.13. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the Kafigelektroden (7, 8) on a substrate (9) is arranged.
14. Feldkafig (6) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) Glas, Kunststoff oder Silizium.14. Feldkafig (6) according to claim 13, characterized in that the substrate (9) glass, plastic or silicon.
15. Feldkafig (6) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit einer Passivierungs- Schicht (11, 12), einer biochemischen Beschichtung und/oder einer Nanoschicht versehen ist.15. Feldkafig (6) according to claim 13 or 14, characterized in that the substrate (9) with a passivation Layer (11, 12), a biochemical coating and / or a nano-layer is provided.
16. Feldkafig (6) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die biochemische Beschichtung die Adhasionseigenschaften des Substrats (9) für die fixierten Partikel (2, 3) modifiziert und/oder Differenzierungssignale für die fixierten Partikel (2, 3) setzt.16. Feldkafig (6) according to claim 15, characterized in that the biochemical coating, the adhesion properties of the substrate (9) for the fixed particles (2, 3) modified and / or differentiation signals for the fixed particles (2, 3) sets.
17. Feldkafig nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, a) dass innerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode (7) und außerhalb der inneren ringförmigen Kafigelekt- rode (7) unterschiedliche Beschichtungen auf das Sub- strat (9) aufgebracht sind, b) dass die Beschichtung innerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode (7) auf die zu fixierenden Partikel (2, 3) adhäsiv wirkt, c) dass die Beschichtung außerhalb der inneren πngformi- gen Kafigelektrode (7) auf die zu fixierenden Partikel17. Feldkafig according to one of claims 15 to 16, characterized in that a) that within the inner annular Kafigelektrode (7) and outside the inner annular Kafigelekt- rode (7) different coatings are applied to the substrate (9), b ) that the coating within the inner annular Kafigelektrode (7) on the particles to be fixed (2, 3) acts adhesive, c) that the coating outside the inner πngformi- Kafig electrode (7) on the particles to be fixed
(2, 3) repulsiv wirkt.(2, 3) acts repulsively.
18. Feldkafig (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkafig (6) ein dielektro- phoretischer Feldkafig (6) ist.18. Feldkafig (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Feldkafig (6) is a dielectrophoretic Feldkafig (6).
19. Feldkafig (6) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkafig (6) entweder ein positiv-dielektrophore- tischer Feldkafig (6) oder ein negativ-dielektrophoretischer Feldkafig (6) ist.19. Feldkafig (6) according to claim 18, characterized in that the Feldkafig (6) is either a positive dielectrophoretic Feldkafig (6) or a negative-dielectrophoretic Feldkafig (6).
20. Feldkafig nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gegenelektrode (5), wobei die Gegenelektrode (5) einerseits und die ringförmigen Kafigelektroden (7, 8) andererseits in parallelen, zueinander beabstandeten Elektrodenebenen angeordnet sind.20. Feldkafig according to one of the preceding claims, characterized by a counter electrode (5), wherein the counter electrode (5) on the one hand and the annular Kafigelektroden (7, 8) are arranged on the other hand in parallel, mutually spaced electrode planes.
21. Mikrofluidisches System mit a) einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2, 3) und b) einem elektrisch ansteuerbaren Feldkäfig (6) mit mehreren Käfigelektroden (7, 8) zur räumlichen Fixierung der Partikel (2, 3) in dem Trägerstrom, dadurch gekennzeichnet, dass c) der Feldkäfig (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.21. Microfluidic system with a) a carrier flow channel (1) for receiving a carrier stream with particles (2, 3) suspended therein and b) an electrically controllable field cage (6) with a plurality of cage electrodes (7, 8) for spatially fixing the particles (2 , 3) in the carrier stream, characterized in that c) the field cage (6) is designed according to one of the preceding claims.
22. Mikrofluidisches System nach Anspruch 21, dadurch ge- kennzeichnet, dass die innere ringförmige Käfigelektrode (7) eine Öffnung (10) in einer Kanalwand des Trägerstromkanals (1) umschließt, wobei die suspendierten Partikel (2, 3) durch die Öffnung (10) eintreten oder austreten können.22. Microfluidic system according to claim 21, characterized in that the inner annular cage electrode (7) encloses an opening (10) in a channel wall of the carrier flow channel (1), wherein the suspended particles (2, 3) through the opening (10 ) can enter or leave.
23. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis23. Microfluidic system according to one of claims 21 to
22, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (6) einen bestimmten Fangpunkt aufweist, in dem die Partikel (2, 3) räumlich fixiert werden, wobei der Fangpunkt direkt an einer Kanalwand (4, 5) des Trägerstromkanals (1) liegt.22, characterized in that the field cage (6) has a specific snap point, in which the particles (2, 3) are spatially fixed, wherein the snap point is located directly on a channel wall (4, 5) of the carrier flow channel (1).
24. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis24. Microfluidic system according to one of claims 21 to
23, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (6) einen bestimmten Fangpunkt aufweist, in dem die Partikel (2, 3) räum¬ lich fixiert werden, wobei der Fangpunkt von den Kanalwänden (4, 5) des Trägerstromkanals (1) beabstandet ist.23, characterized in that the field cage (6) has a specific snap point, in which the particles (2, 3) cavities ¬ be fixed Lich, wherein the catching point of the channel walls (4, 5) of the carrier flow channel (1) is spaced apart.
25. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis25. Microfluidic system according to one of claims 21 to
24, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Kä- figelektroden (7, 8) an einer Kanalwand (4, 5) des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.24, characterized in that the substrate (9) with the cheese figelektroden (7, 8) on a channel wall (4, 5) of the carrier flow channel (1) is arranged.
26. Mikrofluidisches System nach Anspruch 25, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden26. Microfluidic system according to claim 25, character- ized in that the substrate (9) with the cage electrodes
(7, 8) an der oberen Kanalwand (5) des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.(7, 8) on the upper channel wall (5) of the carrier flow channel (1) is arranged.
27. Mikrofluidisches System nach Anspruch 25, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden27. Microfluidic system according to claim 25, character- ized in that the substrate (9) with the cage electrodes
(7, 8) an der unteren Kanalwand (4) des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.(7, 8) on the lower channel wall (4) of the carrier flow channel (1) is arranged.
28. Mikrofluidisches System nach Anspruch 25, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden28. Microfluidic system according to claim 25, character- ized in that the substrate (9) with the cage electrodes
(7, 8) an einer seitlichen Kanalwand des Trägerstromkanals (1) angeordnet ist.(7, 8) is arranged on a lateral channel wall of the carrier flow channel (1).
29. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit den Käfigelektroden (7, 8) in dem Trägerstromkanal (1) zu den Ka¬ nalwänden (4, 5) des Trägerstromkanal (1) beabstandet angeordnet ist und sich in Längsrichtung des Trägerstromkanals (1) erstreckt.29. Microfluidic system according to one of claims 21 to 28, characterized in that the substrate (9) with the cage electrodes (7, 8) in the carrier flow channel (1) to the Ka ¬ cal walls (4, 5) of the carrier flow channel (1). spaced apart and extending in the longitudinal direction of the carrier flow channel (1).
30. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, a) dass eine Vielzahl von Feldkäfigen mit jeweils zwei Käfigelektroden (13, 14) vorgesehen ist, wobei die ein- zelnen Feldkäfige jeweils eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel (2, 3) ermöglichen, b) dass die Feldkäfige matrixförmig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet sind, c) dass für jede Spalte der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung (15) für alle Feldkäfige der jeweiligen Spalte vorgesehen ist, wobei die Spalten-Steuerleitung (15) bei jedem Feldkäfig (6) der je- weiligen Spalte jeweils mit der ersten Käfigelektrode (13) verbunden ist, d) dass für jede Zeile der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Zeilen-Steuerleitung (16) für alle Feldkäfige der jeweiligen Zeile vorgesehen ist, wobei die Zeilen- Steuerleitung (16) bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Zeile jeweils mit der zweiten Käfigelektrode (14) verbunden ist.30. Microfluidic system according to claim 21, characterized in that a) a plurality of field cages is provided, each with two cage electrodes (13, 14), wherein the individual field cages each have a spatial fixation of the suspended particles (2, 3), b) that the field cages are arranged in matrix form in several columns and several rows, c) that for each column of the field cages in each case a common column control line (15) is provided for all field cages of the respective column, wherein the column control line (15) in each field cage (6) of the respective column in each case with the first cage electrode (13), d) that for each row of the field cages in each case a common row control line (16) is provided for all field cages of the respective row, wherein the row control line (16) at each field cage (6) of the respective row respectively is connected to the second cage electrode (14).
31. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, a) dass eine Vielzahl von Feldkäfigen mit jeweils drei Kä¬ figelektroden vorgesehen ist, wobei die einzelnen Feld¬ käfige jeweils eine räumliche Fixierung der suspendier¬ ten Partikel (2, 3) ermöglichen, b) dass die innen liegenden ersten Käfigelektroden gemeinsam auf Masse bzw. auf einem schwimmenden elektrischen Potential gehalten werden, c) dass die Feldkäfige matrixförmig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet sind, d) dass für jede Spalte der Feldkäfige jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung für alle Feldkäfige der jeweiligen Spalte vorgesehen ist, wobei die Spalten- Steuerleitung bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Spalte jeweils mit der zweiten Käfigelektrode verbunden ist, e) dass für jede Zeile der Feldkäfige jeweils eine gemein¬ same Zeilen-Steuerleitung für alle ' Feldkäfige der jeweiligen Zeile vorgesehen ist, wobei die Zeilen- Steuerleitung bei jedem Feldkäfig (6) der jeweiligen Zeile jeweils mit der dritten Kafigelektrode verbunden ist.31. The microfluidic system is provided according to one of claims 21 to 28, characterized in that a) a plurality of field cages, each with three Kä ¬ figelektroden, wherein the single field ¬ cages each spatial fixation of the suspending ¬ th particle (2, 3 c) that the field cages are arranged in matrix form in a plurality of columns and a plurality of rows, d) that for each column of the field cages each have a common Column control line is provided for all field cages of the respective column, wherein the column control line at each field cage (6) of each column is connected to the second cage electrode, e) that for each row of field cages each have a common ¬ same row control line is provided for all 'field cages of the respective row, wherein the line Steuerleitu ng at each field cage (6) of the respective Row is in each case connected to the third Kafigelektrode.
32. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Kafigelektroden an einer Kanalwand des Trager- stromkanals angeordnet sind, und b) dass an der gegenüber liegenden Kanalwand des Trager- stromkanals eine flachige Gegenelektrode angeordnet ist.32. The microfluidic system according to claim 21, wherein: a) the cage electrodes are arranged on a channel wall of the carrier current channel, and b) a flat counterelectrode is arranged on the opposite channel wall of the carrier current channel.
33. Mikrofluidisches System nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode durchsichtig ist.33. The microfluidic system according to claim 32, characterized in that the counterelectrode is transparent.
34. Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, die Kafigelektroden und/oder die Gegenelektrode aus einem der folgenden Materialien bestehen: a) Metall, b) Halbleiter, c) elektrisch leitfahige Polymere, insbesondere Polyani- lin, Polypyrrol oder Polythiophen, d) laser-modifizierbare Polymere, insbesondere Polybisal- kylthioacetylen.34. The microfluidic system according to claim 21, wherein the cage electrodes and / or the counter electrode consist of one of the following materials: a) metal, b) semiconductors, c) electrically conductive polymers, in particular polyaniline, polypyrrole or Polythiophene, d) laser-modifiable polymers, in particular polybisalkylthioacetylene.
35. Mikromanipulator, insbesondere Pinzette (21), zur Manipulation von Partikeln (2, 3), die in einer Tragerflussigkeit suspendiert sind, gekennzeichnet durch einen Feldkafig (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur raumlichen Fixierung der Partikel (2, 3) .35. Micromanipulator, in particular tweezers (21), for manipulating particles (2, 3) which are suspended in a suspension fluid, characterized by a field cage (6) according to one of claims 1 to 19 for spatially fixing the particles (2, 3 ).
36. Verwendung eines Feldkafigs (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 oder eines mikrofluidischen Systems nach einem der Ansprüche 21 bis 34 oder eines Mikromanipulators nach Anspruch 35 m einem zellbiologischen Gerat. 36. Use of a Feldkafigs (6) according to any one of claims 1 to 20 or a microfluidic system according to any one of claims 21 to 34 or a micromanipulator according to claim 35 in a zellbiologischen Gerat.
37. Betriebsverfahren für ein mikrofluidisches System mit einem Trägerstromkanal (1) zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (2, 3) und einem elektrisch ansteuerbaren Feldkäfig (6) zur räumlichen Fixierung der Partikel (2, 3), wobei der Feldkäfig (6) mehrere Käfigelektroden (7, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Käfigelektroden (7, 8) ringförmig ist und die andere Käfigelektrode umgibt.37. Operating method for a microfluidic system with a carrier flow channel (1) for receiving a carrier stream with particles suspended therein (2, 3) and an electrically controllable field cage (6) for spatially fixing the particles (2, 3), wherein the field cage (6 ) comprises a plurality of cage electrodes (7, 8), characterized in that at least one of the cage electrodes (7, 8) is annular and surrounds the other cage electrode.
38. Betriebsverfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ringförmigen Käfigelektroden (7, 8) an einer Seite eine Öffnung und/oder eine Passi- vierungsschicht aufweist, wobei der Feldkäfig (6) mit folgen- den Schritten angesteuert wird: a) Elektrische Ansteuerung des Feldkäfigs mit einer ersten Frequenz zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel (2, 3), wobei die erste Frequenz hinreichend groß ist, um ein Fangfeld auszubilden, b) anschließend elektrische Ansteuerung des Feldkäfigs mit einer zweiten Frequenz zum Freigeben der gefangenen Partikel (2, 3), wobei die zweite Frequenz kleiner als die erste Frequenz und hinreichend klein ist, um das Fangfeld im Bereich der Öffnung oder der Passivierungs- Schicht zu öffnen.38. Operating method according to claim 37, characterized in that at least one of the annular cage electrodes (7, 8) on one side has an opening and / or a passivation layer, wherein the field cage (6) is driven by the following steps: a ) Electric control of the field cage with a first frequency for spatial fixation of the suspended particles (2, 3), wherein the first frequency is sufficiently large to form a trapping field, b) then electrical control of the field cage with a second frequency for releasing the trapped particles (2, 3), wherein the second frequency is smaller than the first frequency and sufficiently small to open the capture field in the region of the opening or the passivation layer.
39. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 38, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:39. Operating method according to one of claims 37 to 38, characterized by the following step:
Bestrahlung mindestens einer der Käfigelektroden (7, 8) durch einen Laser, so dass von der bestrahlten Käfigelektrode E- lektrodenmaterial abgetragen und dadurch eine Öffnung in der Käfigelektrode erzeugt wird. Irradiation of at least one of the cage electrodes (7, 8) by a laser, so that the electrode electrode material is removed from the irradiated cage electrode and thereby an opening in the cage electrode is generated.
40. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 39, wobei das mikrofluidische System eine Vielzahl von Feldkafi- gen aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ausschalten der Feldkafige (6), b) Einspulen der Tragerflussigkeit mit den darin suspendierten Partikeln (2, 3) in den Tragerstromkanal (1), c) Elektrische Ansteuerung der Feldkafige (6), so dass die einzelnen Feldkafige (6) jeweils suspendierte Partikel (2, 3) raumlich fixieren, d) Ausspulen der nicht in den Feldkafigen fixierten Partikel (2, 3) aus dem Tragerstromkanal (1), e) Abschalten oder Abschwachen der Strömung in dem Tragerstromkanal (1) zur Konsolidierung der in den Feldkafigen fixierten Partikel (2, 3), f) Elektrische Ansteuerung der Feldkafige, so dass die sich aus den fixierten Partikeln (2, 3) bildenden Zellverban- de strukturiert werden.40. Operating method according to one of claims 37 to 39, wherein the microfluidic system comprises a plurality of Feldkafi- gene, characterized by the following steps: a) turning off the Feldkafige (6), b) rewinding the Tragerflussigkeit with the particles suspended therein (2, 3) in the carrier flow channel (1), c) electrical control of the Feldkafige (6), so that the individual Feldkafige (6) each spatially fix suspended particles (2, 3), d) unwinding of not fixed in the Feldkafigen particles (2 , 3) from the carrier flow channel (1), e) switching off or weakening the flow in the carrier flow channel (1) for consolidation of the particles (2, 3) fixed in the field cage, f) electrical control of the field cage, so that the be structured in fixed particle (2, 3) forming cell networks.
41. Betriebsverfahren nach Anspruch 40, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:41. Operating method according to claim 40, characterized by the following step:
Optische Überprüfung, ob in den einzelnen Feldkafigen (6) Partikel (2, 3) fixiert sind.Optical verification of whether particles (2, 3) are fixed in the individual field cages (6).
42. Betriebsverfahren nach Anspruch 40 oder 41, gekennzeich- net durch folgenden Schritt:42. Operating method according to claim 40 or 41, characterized by the following step:
Erzeugung eines chemischen Gradienten zwischen den einzelnen Feldkafigen (6) durch eine Beeinflussung der Strömung in dem Tragerstromkanal (1) .Generation of a chemical gradient between the individual Feldkafigen (6) by influencing the flow in the Tragerstromkanal (1).
43. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 42, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:43. Operating method according to one of claims 40 to 42, characterized by the following step:
Untersuchung des raumlich fixierten Partikels bei mindestens einer der Feldkafige (6) . Examination of the spatially fixed particle in at least one of the field cages (6).
44. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 43, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:44. Operating method according to one of claims 40 to 43, characterized by the following step:
Elektrische Ansteuerung mindestens eines der Feldkäfige zur Reizauslösung an dem darin fixierten Partikeln (2, 3).Electrical control of at least one of the field cages for triggering stimulus on the particles (2, 3) fixed therein.
45. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 43, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:45. Operating method according to one of claims 40 to 43, characterized by the following step:
Elektrische Ansteuerung mindestens eines der Feldkäfige zur Messung mindestens einer elektrische Kenngröße an dem darin fixierten Partikel (2, 3) bzw. dessen unmittelbarer Umgebung. Electrical control of at least one of the field cages for measuring at least one electrical characteristic on the particles (2, 3) fixed therein or its immediate surroundings.
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