DE102008062620A1 - Detection device i.e. quartz microbalance, for detecting e.g. protein in fluid sample, has flat metallic thick- or thin layer arranged as electrode at channel wall, where ligands above electrode are immobilized on measuring surface - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von in flüssigen Proben enthaltenen Analytmolekülen. Dies sind insbesondere Proteine oder DNA.The The invention relates to an apparatus and a method for detection of analyte molecules contained in liquid samples. These are in particular proteins or DNA.
Dabei wird üblicherweise so vorgegangen, dass die flüssige Probe durch einen Messkanal strömt, in dem für die jeweiligen Analytmoleküle spezifische Liganden auf Messflächen immobilisiert sind, an die die Analytmoleküle anbinden können. Nach dem Anbinden erfolgt eine Detektion, bei der festgestellt werden kann, ob die jeweiligen Analytmoleküle in der Probe enthalten sind oder nicht. Es kann auch eine quantitative Bestimmung durchgeführt werden.there is usually done so that the liquid Sample flows through a measuring channel, in which for the respective analyte molecules specific ligands Measuring surfaces are immobilized, to which the analyte molecules can connect. After connection, a detection takes place in which it can be determined whether the respective analyte molecules are in the sample is included or not. It can also be a quantitative one Determination be carried out.
Die Analytmoleküle sind in der flüssigen Probe mehr oder weniger gleichmäßig verteilt und der Messkanal hat ein bestimmtes erforderliches Volumen. Dadurch bedingt strömt die flüssige Probe mit einer Mindestschichtdicke durch den Messkanal. Bevorzugt ist aber ein vollständiges Ausfüllen von Messkanälen. Der Analytmolekültransport zu den immobilsierten Liganden erfolgt dabei im Wesentlichen durch Konvektion und Diffusion. In der Nähe der Oberfläche von Messflächen, an denen Liganden immobilisiert sind, bildet sich eine Schicht aus, in der im Wesentlichen Diffusion auftritt. Diese wird als Nernstsche-Diffusionsgrenzschicht bezeichnet. Der Transport von Analytmolekülen zu Liganden ist dadurch behindert, wobei sich dieser Effekt mit steigender Dicke der Diffusionsschicht verstärkt.The Analyte molecules are more in the liquid sample or less evenly distributed and the measuring channel has a certain required volume. As a result flows due the liquid sample with a minimum layer thickness the measuring channel. But preferred is a complete filling of measuring channels. The analyte molecule transport too the immobilized ligand takes place essentially by Convection and diffusion. Near the surface of measuring surfaces where ligands are immobilized, a layer is formed in which diffusion essentially occurs. This is called the Nernst-type diffusion barrier layer. Of the Transport of analyte molecules to ligands is thereby hindered, this effect is as the thickness of the diffusion layer increases strengthened.
Um
diesen Nachteilen entgegenzutreten und die Bindungsrate von Analytmolekülen
zu erhöhen und die Anbindung zu beschleunigen wurde in
Es liegt auf der Hand, dass durch den erforderlichen größeren freien Querschnitt des Flusskanals eine Vergrößerung des gesamten Systems hervorgerufen wird. Mit dem Hauptstrom kann ein Verdünnungseffekt für die Probe nicht vermieden werden. Außerdem kann nicht spezifisch bzw. selektiv auf das Anbindungsverhalten bestimmter Analytmoleküle Einfluss genommen werden.It is obvious that by the required larger free cross section of the river channel an enlargement of the entire system. With the main stream can a dilution effect for the sample is not avoided become. Also, it can not be specific or selective the binding behavior of certain analyte molecules influence be taken.
Des weiteren ist es bekannt, dass mittels Dielektrophorese eine Trennung oder Sortierung von Nanopartikeln oder auch Biomolekülen möglich ist.Of Further, it is known that by means of dielectrophoresis a separation or sorting of nanoparticles or biomolecules is possible.
Bei der Dielektrophorese wird ein inhomogenes elektrisches Feld zur Manipulation von Partikeln oder Molekülen genutzt, um in den Partikeln/Molekülen ein Dipolmoment zu induzieren, das in Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld tritt. So kann eine Kraftwirkung auf die Partikel/Moleküle ausgeübt werden, die zu einem Halten in einer gewünschten Position aber auch zu einer Bewegung führen kann. Erfahren Partikel eine Translationskraft und bewegen sich in Bereiche hoher Feldstärke, so spricht man von positiver Dielektrophorese. Bewegen sich die Partikel in Bereiche mit niedriger Feldstärke spricht man von negativer Dielektrophorese. Die Kraftwirkung auf Partikel oder Moleküle ist proportional zum Volumen der Partikel oder Moleküle. Sie können daher in Abhängigkeit ihres Volumens in einem „Feldkäfig” eingefangen und darin gehalten werden.at Dielectrophoresis becomes an inhomogeneous electric field Manipulation of particles or molecules used in to induce a dipole moment in the particles / molecules which interacts with the electric field. So can a force effect be exerted on the particles / molecules that to a stop in a desired position as well can lead to a movement. Particles experience a translational force and move into areas of high field strength, so speaks one of positive dielectrophoresis. The particles move in Areas with low field strength are called negative Dielectrophoresis. The force acting on particles or molecules is proportional to the volume of particles or molecules. They can therefore be dependent on their volume captured in a "field cage" and be held in it.
Für
ein polarisierbares Teil mit sphärischer Gestalt gilt in
guter Näherung:
Der Clausius-Mossotti-Faktor ist abhängig von der Frequenz, den elektrischen Leitfähigkeiten von Medium und Partikel sowie den Dielektrizitätskonstanten. So tritt bei Re{fcm} > 0 positive Dieletrophorese und bei bei Re{fcm} < 0 negative Dieletrophorese auf.The Clausius-Mossotti factor depends on the frequency, the electrical conductivities of the medium and the particles as well as the dielectric constant. Thus, in R e {f cm }> 0 positive deteetrophoresis occurs and in R e {f cm } <0 negative dieletrophoresis.
Die erreichbare Richtung der auf Partikel/Moleküle wirkenden Kräfte ist abhängig von der Frequenz mit der das elektrische Feld ausgebildet wird.The achievable direction of acting on particles / molecules Forces depend on the frequency with which electric field is formed.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Bindungsrate und die Selektivität der Bindung von Analytmolekülen, die in flüssigen Proben enthalten sind, an immobilisierten Liganden zu erhöhen bzw. zu verbessern.It The object of the invention is therefore the binding rate and the selectivity the binding of analyte molecules in liquid Samples are included to increase in immobilized ligands or to improve.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 10 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention to accomplish this task with a device having the features of the claim 1, solved. It can with a method according to claim 10 are worked. Advantageous embodiments and developments of the invention can be with in subordinate claims designated characteristics can be achieved.
Unter Ausnutzung von Dielektrophorese sollen innerhalb einer flüssigen Probe verteilte Analytmoleküle während des Durchströmens eines Messkanals durch eine erreichbare Kraftwirkung in Richtung auf innerhalb des Messkanals immobilisierte Liganden zu bewegt werden, so dass sie daran anbinden können. Dadurch kann die Bindungsrate erhöht, die erforderliche Zeit verkürzt und die Selektivität verbessert werden.By utilizing dielectrophoresis, analyte molecules distributed within a liquid sample are to be moved while flowing through a measurement channel by an achievable force action towards ligands immobilized within the measurement channel, so that they can bind to it. This can increase the binding rate, the time required is shortened and the selectivity improved.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind am Messkanal, durch den die flüssige Probe hindurchströmt, mindestens zwei Öffnungen für die Zu- und Abfuhr der Probe vorhanden. Im Bereich des Messkanals ist an einer Kanalwand zwischen den Öffnungen mindestens eine metallische Dick- oder Dünnschicht flächig ausgebildet. Diese bildet eine Elektrode. Oberhalb dieser Elektrode ist im Messkanal mindestens eine Messfläche ausgebildet, auf der Liganden für Analytmoleküle im mobilisiert sind.at a device according to the invention are at the measuring channel, through which the liquid sample flows, at least two openings for the supply and removal of the sample available. In the area of the measuring channel is on a channel wall between the openings at least one metallic thick or thin film formed flat. This forms an electrode. Above This electrode has at least one measuring surface in the measuring channel formed on the ligands for analyte molecules im mobilized.
An der dieser Elektrode gegenüber liegenden Kanalwand sind eine Vielzahl elektrisch leitende streifenförmige Dick- oder Dünnschichten ausgebildet, die ebenfalls Elektroden bilden. Diese streifenförmigen Elektroden sind an eine elektrische Wechselspannungsquelle angeschlossen. Dabei wird die Vorrichtung so betrieben und der Anschluss der streifenförmigen Elektroden erfolgt so, dass jeweils nebeneinander angeordnete streifenförmige Elektroden ein anderes elektrisches Spannungspotential aufweisen. Bevorzugt ist dabei einmal ein negatives elektrisches Spannungspotential an einer streifenförmigen Elektrode und an der daneben angeordneten streifenförmigen Elektrode ein positives Spannungspotential zur jeweils gleichen Zeit vorhanden. Die flächige gegenüberliegend angeordnete Elektrode weist je nach Betriebsart ein konstantes elektrisches Potential auf oder ist potentialfrei geschaltet.At the opposite of this electrode channel wall a plurality of electrically conductive strip-shaped thick or thin films, which are also electrodes form. These strip-shaped electrodes are connected to one electrical AC voltage source connected. Thereby the device becomes so operated and the connection of the strip-shaped electrodes takes place so that each juxtaposed strip-shaped Electrodes have a different electrical voltage potential. In this case, a negative electrical voltage potential is preferred on a strip-shaped electrode and on the next arranged strip-shaped electrode has a positive voltage potential available at the same time. The flat opposite arranged electrode has a constant electrical depending on the mode Potential on or is potential-free switched.
Strömt nun die flüssige Probe durch den Messkanal kann bei einer vorgegebenen Frequenz gezielt eine Kraftwirkung mit dem elektrischen Feld auf bestimmte Analytmoleküle ausgeübt werden, so dass diese in Richtung auf der Messfläche immobilisierte Liganden beschleunigt werden und daran anbinden können.flows now the liquid sample through the measuring channel can at a given frequency specifically a force effect with the electric Field to be exerted on specific analyte molecules, so that these are immobilized in the direction of the measuring surface Ligands can be accelerated and connect to it.
Nach dem Anbinden kann dann die Detektion durchgeführt werden, wobei unterschiedliche Messprinzipien angewendet werden können.To the binding can then be carried out the detection where different measuring principles can be applied.
So kann beispielsweise unterhalb oder oberhalb der mindestens einen flächigen Elektrode ein Lichtwellenleiter angeordnet sein, in den monochromatische elektromagnetische Strahlung eingekoppelt werden kann.So For example, below or above the at least one planar electrode be arranged an optical waveguide, be coupled into the monochromatic electromagnetic radiation can.
Die Strahlführung und Ausbildung des Lichtwellenleiters kann dabei bevorzugt so gewählt werden, dass an der Grenzfläche des Lichtwellenleiters in Richtung flächiger Elektrode bevorzugt abgeschwächte Totalreflexion auftritt.The Beam guidance and training of the optical waveguide can preferably be chosen so that at the interface of the optical waveguide in the direction of flat electrode preferably attenuated total reflection occurs.
Dies ermöglicht eine Anregung von Oberflächen-Plasmonen-Resonanz, bei der die sich verändernde optische Brechzahl ein Messsignal darstellen kann, wenn der Lichtwellenleiter unterhalb der flächigen Elektrode angeordnet ist. In diesem Fall kann die Dünnschicht für die flächige Elektrode bevorzugt aus Gold gebildet sein.This allows excitation of surface plasmon resonance, where the changing optical refractive index is a measuring signal can represent when the optical fiber below the flat Electrode is arranged. In this case, the thin film for the flat electrode preferably made of gold be formed.
Es besteht aber auch die Möglichkeit eine Fluoreszenzanregung vorzunehmen, wobei dies dann innerhalb des sich oberhalb der Grenzfläche des Lichtwellenleiters ausbildenden evaneszenten Feldes mit definierter Eindringtiefe in den Messkanal möglich ist. Analytmoleküle können hierfür mit einem geeigneten Fluorophorfarbstoff markiert sein. Für die Detektion kann dann ein optischer Detektor eingesetzt werden. Dabei kann der Lichtwellenleiter bevorzugt oberhalb der flächigen Elektrode angeordnet sein.It But there is also the possibility of fluorescence excitation This is then within the above the interface of the Fiber optic evanescent field with defined Penetration depth in the measuring channel is possible. analyte can do this with a suitable fluorophore dye be marked. For the detection then an optical Detector can be used. In this case, the optical waveguide is preferred be arranged above the planar electrode.
Die streifenförmigen Elektroden sollten senkrecht zur Strömungsrichtung der flüssigen Probe beim Durchströmen des Messkanals ausgerichtet und in einer Anzahl von mindestens 50 vorhanden sein. Die streifenförmigen Elektroden sind zur flüssigen Probe elektrisch isoliert. Der Abstand der streifenförmigen Elektroden zu der flächigen Elektrode sollte jeweils gleich groß sein. Dies entspricht in etwa der Höhe des Messkanals, die im Bereich 50 bis 100 μm liegen kann. Sie sollten auch äquidistant zueinander angeordnet sein und jeweils gleiche Abmessungen aufweisen. Dies be trifft ihre Länge, Breite und Dicke. Der Abstand von nebeneinander angeordneten streifenförmigen Elektroden kann im Bereich 5 bis 50 μm gewählt werden. Die Dicke kann im Bereich 50 nm bis 5 μm liegen. Die Länge sollte zumindest in etwa der Breite des Messkanals entsprechen. Die an die streifenförmigen Elektroden angelegte elektrische Spannung kann zwischen 10 und 40 V liegen. Dadurch kann eine elektrische Feldstärke bis zu 800 kV/m erreicht werden.The Strip-shaped electrodes should be perpendicular to the flow direction the liquid sample flowing through the measuring channel aligned and be present in a number of at least 50. The strip-shaped electrodes are liquid Sample electrically isolated. The distance of the strip-shaped Electrodes to the planar electrode should be the same be great. This corresponds approximately to the height of the Measuring channel, which can be in the range 50 to 100 microns. she should also be arranged equidistantly to each other and each have the same dimensions. This is their length, Width and thickness. The distance from juxtaposed strip-shaped Electrodes can be selected in the range 5 to 50 μm become. The thickness can be in the range of 50 nm to 5 μm. The length should be at least approximately the width of the measuring channel correspond. The applied to the strip-shaped electrodes electrical voltage can be between 10 and 40 V. This can an electric field strength up to 800 kV / m can be achieved.
Mit einer solchen Ausbildung und Wahl dieser Parameter können Analytmoleküle mit einer Partikelgröße im größer 2 nm erfolgreich manipuliert werden.With Such training and choice of these parameters can Analyte molecules with a particle size be successfully manipulated in larger 2 nm.
Die Messfläche mit den immobilisierten Liganden und/oder die flächige Elektrode sollten bevorzugt nicht mittig über die Länge des Messkanals angeordnet sein. Unter bestimmten Bedingungen ist es günstig, eine Anordnung näher zu einer Öffnung über die flüssige Probe aus dem Messkanal abgeführt werden kann, zu wählen. Mit einer solchen unsymmetrischen Anordnung kann mit in Strömungsrichtung der Probe davor und/oder dahinter angeordneten streifenförmigen Elektroden bereits eine Kraftwirkung ausgeübt werden, mit der Analytmoleküle in Richtung der entsprechenden Kanalwand des Messkanals bewegt werden an der Liganden immobilisiert sind. Dabei können die streifenförmigen Elektroden an der der Messfläche gegenüberliegenden Kanalwand oder an der gleichen Kanalwand angeordnet sein. Die jeweilige Anordnung kann durch geeignete Wahl der Frequenz, mit der die elektrische Spannung an die streifenförmigen Elektroden angelegt ist, berücksichtigt werden. Lediglich im Bereich der flächigen Elektrode sollen die streifenförmigen Elektroden an der gegenüberliegenden Kanalwand angeordnet sein.The measuring surface with the immobilized ligands and / or the planar electrode should preferably not be arranged centrally over the length of the measuring channel. Under certain conditions, it is favorable to be able to choose an arrangement closer to an opening via the liquid sample from the measuring channel. With such an asymmetrical arrangement, a force effect can already be exerted with stripe-shaped electrodes arranged in front of and / or behind the flow direction of the sample, with which analyte molecules are moved in the direction of the corresponding channel wall of the measurement channel to which ligands are immobilized. In this case, the strip-shaped electrodes can be arranged on the channel wall opposite the measuring surface or on the same channel wall be. The particular arrangement can be taken into account by suitable choice of the frequency with which the electrical voltage is applied to the strip-shaped electrodes. Only in the area of the planar electrode should the strip-shaped electrodes be arranged on the opposite channel wall.
Vorteilhaft ist es, an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Identifikationselement vorzusehen, dem Daten der jeweiligen Probe entnommen werden können. Dies sollte berührungs- und kontaktlos auslesbar sein, was beispielsweise mit einem Barcode oder mit RFID-Technik möglich ist.Advantageous it is, on a device according to the invention to provide an identification element, the data of the respective Sample can be taken. This should be contact and read without contact, which, for example, with a barcode or with RFID technology is possible.
Wie bereits angesprochen kann die Frequenz und die an die streifenförmigen Elektroden angelegte elektrische Spannung so gewählt werden, dass das jeweilige Volumen und der Clausius-Mossotti-Faktor der Analytmoleküle berücksichtigt werden kann, um ein verbessertes selektives Anbinden bestimmter Analytmoleküle an Liganden zu erreichen.As already mentioned may be the frequency and the strip-shaped Electrodes applied electrical voltage can be chosen so that the respective volume and the Clausius-Mossotti factor of the analyte molecules can be considered to be an improved selective Attaching certain analyte molecules to ligands to achieve.
Es kann dabei mit negativer oder positiver Dielektrophorese gearbeitet werden.It can work with negative or positive dielectrophoresis become.
Bei der Erfindung ist es aber auch besonders vorteilhaft, dass eine Ablösung von unspezifisch gebundenen Fremdmolekülen möglich wird. Dabei kann an Stelle der Probe nach der Anbindung von Molekülen, wie vorab beschrieben, eine Spülflüssigkeit, in der keine entsprechenden Moleküle enthalten sind, die also für die Detektion inert ist, durch den Messkanal strömen. Gleichzeitig wird mittels Dielektrophorese eine Kraftwirkung auf Moleküle ausgeübt, die bereits angebundene Fremdmoleküle von Liganden ablöst und diese dann mit der Spülflüssigkeit aus dem Messkanal entfernt werden können. Hierfür ist lediglich mit geänderter Frequenz der elektrischen Spannung zu arbeiten bzw. die bis dahin potentialfreie flächig ausgebildete Elektrode auf ein konstantes elektrisches Potential zu legen. Zum Ablösen kann in zwei Stufen verfahren werden und dabei jeweils eine Frequenz gewählt werden, bei der negative und dann positive Dielektrophorese oder umgekehrt auftritt. Für eine positive Dielektrophorese sollte ein Frequenzbereich von 100 kHz bis 1 MHz und für negative Dielektrophorese ein Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz gewählt werden.at However, it is also particularly advantageous for the invention that a Replacement of unspecifically bound foreign molecules becomes possible. It can be used instead of the sample after the connection of molecules, as previously described, a rinsing liquid, in which no corresponding molecules are contained, the that is to say inert for the detection, flow through the measuring channel. At the same time, a force effect is achieved by means of dielectrophoresis Molecules exerted, the already attached foreign molecules from ligands and then these with the rinsing liquid can be removed from the measuring channel. Therefor is only with changed frequency of the electrical voltage to work or the previously potential-free area-trained Electrode to a constant electrical potential. To the Peeling off can be done in two stages and thereby in each case a frequency are selected, with the negative and then positive dielectrophoresis or vice versa occurs. For a positive dielectrophoresis should have a frequency range of 100 kHz to 1 MHz and for negative dielectrophoresis a frequency range from 1 MHz to 10 MHz.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann aber auch in Form einer Quarzmikrowaage ausgebildet sein. In diesem Fall ist auf der Kanalunterseite ein flächig ausgebildetes System, das mit drei übereinander angeordneten Schichten gebildet ist, vorhanden. Diese Schichten sind eine Elektrode, ein Quarz und eine weitere Elektrode. Dabei ist die obere Elektrode als flächige Elektrode ausgebildet, wie dies vorab bereist erläutert worden ist.The However, the device according to the invention can also be used in Form of a quartz microbalance be formed. In this case is on the lower side of the channel a flat system, formed with three layers arranged one above the other is available. These layers are an electrode, a quartz and another electrode. The upper electrode is flat Electrode formed, as explained in advance traveled has been.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die flüssige Probe auch mehrfach durch den Messkanal geführt werden. Dabei kann die Probe im Kreislauf geführt aber auch hin und her gepumpt werden, also mit wechselnder Strömungsrichtung durch den Messkanal strömen. Hierfür können Saug- und/oder Druckpumpen eingesetzt werden. An eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Behältnis für flüssige Probe angeschlossen oder auch daran ausgebildet sein. Es sollte jedoch gewährleistet sein, dass flüssige Probe sicher abgeschlossen ist und nicht unkontrolliert in die Umwelt gelangen kann.at the implementation of the invention Procedure, the liquid sample also through several times be guided the measuring channel. The sample can be in circulation but also be pumped back and forth, so with flow alternating flow direction through the measuring channel. For this suction and / or pressure pumps can be used. To a device according to the invention can Container for liquid sample connected or also be trained. It should, however, be guaranteed be sure that liquid sample is safely completed and can not enter the environment in an uncontrolled manner.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.following the invention is explained in more detail by way of example become.
Dabei zeigen:there demonstrate:
Mit
der Explosionsdarstellung von
Dabei
ist ein Basisteil
Außerdem
ist eine Aufnahme
Auf
die Oberfläche des Basisteils
Auf
die Folie
Für
eine Temperierung können aber auch geeignete Leitungen
auch an der Oberseite der Abschlussplatte
Für eine Temperierung können Leitungen vorhanden sein, durch die eine temperierte Flüssigkeit strömt. Es kann aber auch eine elektrische Widerstandsheizung vorgesehen sein, bei der Leiterbahnen als Dünnschichten ausgebildet sind.For a tempering can be present through lines which flows a tempered liquid. It can but also be provided an electrical resistance heating, at the conductor tracks are formed as thin films.
In
An
der oberen Kanalwand des Messkanals
Die
unterschiedlichen elektrischen Spannungspotentiale der streifenförmigen
Elektroden
Mit
der obersten Darstellung soll das Vorgehen beim Anbinden von Molekülen
an Liganden erkennbar werden. Dabei wird eine Frequenz der elektrischen
Spannung für die streifenförmigen Elektroden
Nach
dem Anbinden von Molekülen an Liganden wird eine inerte
Spülflüssigkeit, beispielsweise eine Pufferlösung
durch den Messkanal
Alternativ
wird die Frequenz der elektrischen Spannung für die streifenförmigen
Elektroden
Mit
Dabei
strömt wieder die flüssige Probe durch den Messkanal
An
der oberen Kanalwand des Messkanals
Bei
diesem Beispiel sind aber streifenförmige Elektroden in
Strömungsrichtung der flüssigen Probe vor der
flächigen Elektrode
Die
unterschiedlichen elektrischen Spannungspotentiale der streifenförmigen
Elektroden
In
der obersten Darstellung soll das Vorgehen beim Anbinden von Molekülen
an Liganden erkennbar werden. Dabei wird eine Frequenz der elektrischen
Spannung für die streifenförmigen Elektroden
Nach
dem Anbinden von Molekülen an Liganden wird eine inerte
Spülflüssigkeit, beispielsweise eine Pufferlösung
durch den Messkanal
Alternativ
wird die Frequenz der elektrischen Spannung für die streifenförmigen
Elektroden
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