DE102009028493A1

DE102009028493A1 - Mikrofluidische Zelle

Info

Publication number: DE102009028493A1
Application number: DE102009028493A
Authority: DE
Inventors: Michael Stumber; Martina Daub; Jochen Rupp; Massimo Kubon; Peter Rothacher; Meike Moschallski; Martin Stelzle; Christian Dorrer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: US20110139620A1; US9034162B2; DE102009028493B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Zelle zur dielektrophoretischen Separation, Akkumulation und/oder Lyse von polarisierbaren Biopartikeln, umfassend ein Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden (1a, 1b) und einen Mikrokanäle (2a) und Mikroerhebungen (2b) aufweisenden Mikromischer. Das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer sind dabei auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet, um die Separations-, Akkumulations- und/oder Lyse-Eigenschaften zu verbessern. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mikrofluidisches System, welches eine solche mikrofluidische Zelle umfasst, deren Verwendung sowie ein Verfahren zur Separation, Akkumulation und/oder Lyse von polarisierbaren Biopartikeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Zelle, ein mikrofluidisches System, deren/dessen Verwendung sowie ein Verfahren zur Separation, Akkumulation und/oder Lyse von polarisierbaren Biopartikeln.
Stand der Technik
Es gibt mikrofluidische Zellen zur dielektrophoretischen Akkumulation von Biopartikeln, welche ein Interdigitalelektrodensystem aufweisen. Zur Akkumulation wird an das Interdigitalelektrodensystem eine Wechselspannung angelegt und eine Biopartikel enthaltende Suspension durch die Zelle gepumpt. Durch positive (pDEP) Dielektrophorese können die Biopartikel an dem Interdigitalelektrodensystem angesammelt werden, durch negative Dielektrophorese (nDEP) können die Biopartikel abgestoßen werden.
Voldmann et al. beschreiben in Anal. Chem., 2007, 29, S. 1833–1839 einige mikrofluidische Zellen, die auf einer Seite ein Interdigitalelektrodensystem und auf der gegenüberliegenden Seite einen Mikromischer aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikrofluidische Zelle, insbesondere Flusszelle, zur, insbesondere dielektrophoretischen, Separation und/oder Akkumulation und/oder Lyse von polarisierbaren Biopartikeln, beispielsweise Bakterien und/oder Zellen und/oder Viren, welche ein Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden und einen Mikrokanäle und Mikroerhebungen aufweisenden Mikromischer umfasst. Erfindungsgemäß sind dabei das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet.
Durch die erfindungsgemäße mikrofluidische Zelle können vorteilhafterweise polarisierbare Biopartikel, wie Bakterien, Zellen oder Viren, aus einer vorbeiströmenden Probenflüssigkeit akkumuliert und aufkonzentriert werden. Dabei kann eine hohe Ausbeute an akkumulierten Biopartikeln und/oder ein hoher Probendurchsatz, beispielsweise von mehreren Millilitern Probenflüssigkeit innerhalb von 30 bis 60 Minuten, erzielt werden. Optional können die akkumulierten Biopartikel anschließend in der Zelle lysiert werden. Vorteilhafterweise kann die mikrofluidische Zelle in einem integrierten mikrofluidischen Lab-on-a-Chip-System eingesetzt werden. Dadurch, dass der Mikromischer auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet ist wie das Interdigitalelektrodensystem, kann vorteilhafterweise die Strömung im Bereich des Interdigitalelektrodensystems beruhigt werden. Auf diese Weise kann ein erneutes Abwaschen von akkumulierten Biopartikeln während der Akkumulation vorteilhafterweise verhindert werden.
Ein Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden kann insbesondere ein Elektrodensystem aus zwei kammartig/fingerartig ausgebildeten, ineinander, insbesondere alternierend, eingreifenden Elektroden sein (englisch: „interdigitated elektrodes”, IDE).
Das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer können auf dem Boden der Zelle angeordnet sein. Dabei kann unter dem „Boden” der Zelle insbesondere diejenige Fläche verstanden werden, welche im Betriebsmodus unten, insbesondere bezüglich der Gravitationsrichtung, liegt.
Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung sind in den Mikrokanälen Elektroden des Interdigitalelektrodensystems angeordnet. Auf diese Weise können das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer vorteilhafterweise ein kombiniertes Interdigitalelektroden-Mikromischer-System ausbilden. Ein derartiges kombiniertes Interdigitalelektroden-Mikromischer-System kann vorteilhafterweise eine besonders gute Strömungsberuhigung im Bereich der Elektroden des Interdigitalelektrodensystems aufweisen. Insbesondere kann in jedem Mikrokanal des Mikromischers eine Elektrode des Interdigitalelektrodensystems angeordnet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems und/oder die Mikrokanäle und/oder die Mikroerhebungen parallel zueinander ausgebildet und angeordnet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems und/oder die Mikrokanäle und/oder die Mikroerhebungen bezüglich der Flussrichtung in einem Winkel (α) von ≥ 20° bis ≤ 70°, insbesondere von ≥ 40° bis ≤ 50°, ausgebildet und angeordnet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems und/oder die Mikrokanäle und/oder die Mikroerhebungen zick-zack-förmig, beispielweise gleichschenklig zick-zack-förmig oder ungleichschenklig zick-zack-förmig, insbesondere in Form eines symmetrischen oder asymmetrischen Frischgrätmusters, oder in Form eines parallelen Schrägstrichmusters, insbesondere eines äquidistanten, parallelen Schrägstrichmusters, ausgebildet und angeordnet.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Mikromischer, insbesondere die Mikroerhebungen des Mikromischers, aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem Kunststoff beziehungsweise einem Polymer, zum Beispiel einem Photoresist, einem Polycarbonat oder einem Lötstopplack, ausgebildet. Auf diese Weise kann der Mikromischer vorteilhafterweise die Feldverteilung in der Zelle dergestalt verändern, dass eine effizientere Akkumulation ermöglicht wird. Zum Beispiel können die Feldlinien in den Engstellen der Zelle fokussiert werden, wodurch eine zusätzliche Inhomogenität des elektrischen Feldes erzeugt werden und/oder die dilektrophoretische Kraft weiter in das Zellinnere hinein wirken kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zelle eine flächige Elektrode, insbesondere eine Elektrode mit einer durchgehenden/ununterbrochenen, planaren Fläche. Vorzugsweise ist die flächige Elektrode dabei auf einer Seite der Zelle angeordnet, welche der Seite, auf der das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer angeordnet sind, gegenüberliegt. Insbesondere kann die flächige Elektrode gegenüberliegend zu dem kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-System angeordnet sein. Beispielsweise kann die flächige Elektrode an der Decke der Zelle angeordnet sein. Unter der „Decke” der Zelle kann dabei insbesondere diejenige Fläche verstanden werden, welche im Betriebsmodus oben, insbesondere bezüglich der Gravitationsrichtung, liegt. Dabei hat eine flächige Elektrode den Vorteil, dass diese in Bezug auf das Interdigitalelektrodensystem nur grob justiert und damit der Zusammenbau der Zelle vereinfacht werden kann. Vorteilhafterweise kann die flächige Elektrode – auch wenn sie während der Akkumulation vom Potential her schwebend (Floating) gehalten wird, die Akkumulationseffizienz der Zelle verbessern. Darüber hinaus kann die flächige Elektrode die Lyse verbessern. Durch Anlegen einer, insbesondere positiven, Spannung an die flächige Elektrode können zudem angelagerte Biopartikel, insbesondere DNA, abgelöst und in Richtung auf die flächige Elektrode und damit in den Mittelbereich der Zelle bewegt werden. Auf diese Weise können die akkumulierten Biopartikel vorteilhafterweise besser beziehungsweise vollständiger ausgespült werden.
Die flächige Elektrode kann das Interdigitalelektrodensystem vollständig überspannen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht die Fläche der flächigen Elektrode im Wesentlichen der Fläche des Interdigitalelektrodensystems, insbesondere des kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systems. Dabei bedeutet „im Wesentlichen”, dass die Flächen um weniger als 10% voneinander abweichen können.
Die Zelle kann einen Einlass und einen Auslass aufweisen. Dabei ist das Interdigitalelektrodensystem und/oder der Mikromischer, insbesondere das kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System, und/oder die flächige Elektrode vorzugsweise in einem Bereich zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet. Über den Einlass ist die Zelle vorzugsweise mit einer Pumpe und/oder einem Probeneinlassreservoir verbunden. Der Auslass ist vorzugsweise mit einem Probenauffangreservoir und/oder mit einem Abfallreservoir verbunden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zelle mindestens ein weiteres Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden und/oder einen weiteren, Mikrokanäle und Mikroerhebungen aufweisenden Mikromischer, insbesondere ein weiteres kombiniertes Interdigitalelektroden-Mikromischer-System. Dabei kann das weitere Interdigitalelektrodensystem und/oder der weitere Mikromischer, insbesondere das weitere kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System, beabstandet, beispielsweise um den Abstand, zu dem vorherigen Interdigitalelektrodensystem und/oder dem vorherigen Mikromischer, insbesondere dem vorherigen kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-System, angeordnet sein. Vorzugsweise sind dabei das weitere Interdigitalelektrodensystem und/oder der weitere Mikromischer, insbesondere das weitere kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System, unterschiedlich, insbesondere hinsichtlich der Form und Ausrichtung, zu dem vorherigen Interdigitalelektrodensystem und/oder dem vorherigen Mikromischer, insbesondere dem vorherigen kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-System, ausgebildet.
Der Mikromischer und das Interdigitalelektrodensystem, insbesondere das kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System, können eine Länge (L) von ≥ 10 mm bis ≤ 60 mm, insbesondere von ≥ 20 mm bis ≤ 50 mm, zum Beispiel von 40 mm, und/oder eine Breite (B) von ≥ 3 mm bis ≤ 30 mm, insbesondere von ≥ 5 mm bis ≤ 10 mm, zum Beispiel von 6 mm, und/oder eine Fläche (L × B) von ≥ 30 mm² bis ≤ 1800 mm², insbesondere von ≥ 100 mm² bis ≤ 300 mm², beispielsweise von 6 mm × 40 mm, aufweisen
Der Abstand (d) zwischen zwei Mikrokanälen kann von ≥ 30 μm bis ≤ 500 μm, insbesondere von ≥ 50 μm bis ≤ 200 μm, beispielsweise von 100 μm, betragen. Mit anderen Worten, die Mikroerhebungen können eine Breite (B2b) von ≥ 30 μm bis ≤ 500 μm, insbesondere von ≥ 50 μm bis ≤ 200 μm, beispielsweise von 100 μm, aufweisen. Die Mikroerhebungen können weiterhin eine Höhe (H2) von ≥ 10 μm bis ≤ 400 μm, insbesondere von ≥ 20 μm bis ≤ 50 μm, beispielsweise von 30 μm, aufweisen. Mit anderen Worten, die Mikrokanäle können eine Tiefe (T2) von ≥ 10 μm bis ≤ 400 μm, insbesondere von ≥ 20 μm bis ≤ 50 μm, beispielsweise von 30 μm, aufweisen. Weiterhin können die Mikrokanäle eine Breite (B2a) von ≥ 30 μm bis ≤ 800 μm, insbesondere von ≥ 50 μm bis ≤ 300 μm, beispielsweise von 200 μm, aufweisen. Ferner können die Mikrokanäle und/oder die Mikroerhebungen eine Länge (L2) von ≥ 3 mm bis ≤ 30 mm, insbesondere von ≥ 5 mm bis ≤ 10 mm, zum Beispiel von 6 mm, aufweisen.
Die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems können eine Länge (L1) von ≥ 3 mm bis ≤ 30 mm, insbesondere von ≥ 5 mm bis ≤ 10 mm, zum Beispiel von 6 mm, und/oder eine Breite (B1) von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm, insbesondere von ≥ 50 μm bis ≤ 200 μm, beispielsweise von 100 μm oder 200 μm, und/oder eine Höhe (H1) von ≥ 0,1 μm bis ≤ 50 μm, insbesondere von ≥ 20 μm bis ≤ 30 μm, beispielsweise von 25 μm, aufweisen. Weiterhin können die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems untereinander einen Abstand (D) von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm, insbesondere von ≥ 50 μm bis ≤ 200 μm, beispielsweise 200 μm, aufweisen.
Die Zelle kann eine Länge (L3) von ≥ 10 mm bis ≤ 80 mm, insbesondere von ≥ 20 mm bis ≤ 50 mm, zum Beispiel von 40 mm, und/oder eine Breite (B3) von ≥ 3 mm bis ≤ 40 mm, insbesondere von ≥ 5 mm bis ≤ 10 mm, zum Beispiel von 6 mm, und/oder eine Höhe (H3) von ≥ 20 μm bis ≤ 1000 μm, insbesondere von ≥ 100 μm bis ≤ 200 μm, beispielsweise von 130 μm oder 200 μm, aufweisen.
Die flächige Elektrode kann eine Länge (L) von ≥ 10 mm bis ≤ 100 mm, insbesondere von ≥ 20 mm bis ≤ 60 mm, zum Beispiel von 40 mm, und/oder eine Breite (B) von ≥ 3 mm bis ≤ 50 mm, insbesondere von ≥ 5 mm bis ≤ 105 mm, zum Beispiel von 6 mm oder 10 mm, und/oder eine Höhe (H4) von ≥ 0,1 μm bis ≤ 50 μm, insbesondere von ≥ 20 μm bis ≤ 30 μm, zum Beispiel von 25 μm und/oder eine Fläche (L × B) von ≥ 30 mm² bis ≤ 1800 mm², insbesondere von ≥ 100 mm² bis ≤ 300 mm², beispielsweise von 6 mm × 40 mm, aufweisen.
Zum Beispiel kann die Höhe der Elektroden des Interdigitalelektrodensystems (H1) zur Höhe des Mikromischers (H2) in einem Verhältnis von 1 zu 2 bis 1 zu 100 und/oder die Höhe der Elektroden des Interdigitalelektrodensystems (H1) zur Höhe der Zelle (H3) in einem Verhältnis von 1 zu 10 bis 1 zu 1000 und/oder die Höhe des Mikromischers (H2) zur Höhe der Zelle (H3) in einem Verhältnis von 0,33 zu 1 bis 0,5 zu 1 stehen.
Die mikrofluidische Zelle kann insbesondere in einen mikrofluidischen Chip integriert sein.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein mikrofluidisches System, beispielsweise einen mikrofluidischen Chip, welches/r eine erfindungsgemäße mikrofluidische Zelle umfasst.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur, insbesondere dielektrophoretischen, Separation und/oder Akkumulation und/oder Lyse von polarisierbaren Biopartikeln, beispielsweise Bakterien und/oder Zellen und/oder Viren, mit einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Zelle oder einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System, welches eine Akkumulationsphase umfasst, wobei während der Akkumulationsphase an die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems eine hochfrequente Wechselspannung, beispielsweise von ≥ 30 V bis ≤ 50 V mit einer Frequenz von ≥ 0,5 MHz bis ≤ 1,5 MHz, beispielsweise von 1 MHz, angelegt wird. Während der Akkumulationsphase kann eine polarisierbare Biopartikel, beispielsweise Bakterien und/oder Zellen und/oder Viren, umfassende Lösung oder Suspension durch die mikrofluidische Zelle gepumpt werden. Wenn die Zelle eine flächige Elektrode aufweist, so kann die flächige Elektrode während der Akkumulationsphase vom Potential frei schwebend (Floating) gehalten werden. Dabei kann die flächige Elektrode vom Potential frei schwebend (Floating) gehalten werden, indem diese nicht kontaktiert wird. Dies kann in einem elektrischen Ersatzschaltbild äquivalent zu einer sehr hochohmigen Verbindung nach Masse mit einem parallel geschalteten (kleinen) Kondensator sein. Als Konsequenz kann sich an der flächigen Elektrode eine Ladung aufbauen und eine Spannung einstellen. Diese Spannung kann dann abhängig von den Feldverhältnissen in der Zelle sein. Die polarisierbaren Biopartikel können am Ende der Akkumulationsphase durch Abschalten der Wechselspannung freigegeben und/oder gesammelt ausgespült werden. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise ein Aufkonzentrationseffekt erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin eine Lysephase, wobei während der Lysephase an die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems eine niederfrequente Wechselspannung, beispielsweise von ≥ 30 V bis ≤ 50 V mit einer Frequenz von ≥ 1 kHz bis ≤ 20 kHz, beispielsweise von 10 kHz, angelegt wird. Während der Lysephase kann das Pumpen der polarisierbaren Biopartikel umfassende Lösung oder Suspension gestoppt werden. Wenn die Zelle eine flächige Elektrode aufweist, so kann die flächige Elektrode auch während der Lysephase vom Potential frei schwebend (floating) gehalten werden. Im Anschluss an die Lysephase kann das Lysat ausgespült und/oder weiterverwendet werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, insbesondere insofern die Zelle eine flächige Elektrode aufweist, umfasst das Verfahren weiterhin eine Ablösungsphase, insbesondere DNA/RNA-Freilegungsphase, wobei während der Ablösungsphase die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems auf Masse gelegt werden und an die flächige Elektrode eine niederfrequente Wechselspannung beziehungsweise Rechteckspannung, beispielsweise von ≥ 50 mV bis ≤ 150 mV, beispielsweise 100 mV, mit einer Frequenz von ≥ 0,1 Hz bis ≤ 2 Hz, beispielsweise von 1 Hz, mit einem positivem Offset, beispielsweise von ≥ 10 mV bis ≤ 100 mV, beispielsweise 50 mV, angelegt wird. In dieser Phase können weitere polarisierbare Biopartikel lysiert werden. Gleichzeitig können durch den positiven Offset negativ polarisierte Biopartikel, beispielsweise DNA, in Richtung auf die flächige Elektrode bewegt werden.
Die Lysephase und Ablösungsphase können insbesondere gleichzeitig durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass an die Elektroden des Interdigitalelektrodensystems eine niederfrequente Wechselspannung, beispielsweise von ≥ 30 V bis ≤ 50 V mit einer Frequenz von ≥ 1 kHz bis ≤ 20 kHz, beispielsweise von 10 kHz, und an die flächige Elektrode eine niederfrequente Wechselspannung beziehungsweise Rechteckspannung, beispielsweise von ≥ 50 mV bis ≤ 150 mV, beispielsweise 100 mV, mit einer Frequenz von ≥ 0,1 Hz bis ≤ 2 Hz, beispielsweise von 1 Hz, mit einem positivem Offset, beispielsweise von ≥ 10 mV bis ≤ 100 mV, beispielsweise 50 mV, angelegt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Herstellung einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle und/oder eines erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Systems. Eine erfindungsgemäße mikrofluidische Zelle beziehungsweise ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches System kann insbesondere durch mikrotechnologische Verfahren hergestellte werden. Zum Beispiel kann ein plattenförmiges Substrat, beispielsweise ein Glassubstrat, ein Siliziumsubstrat oder ein Polymersubstrat, insbesondere ein Pyrexsubstrat, ein SU-8-Substrat, ein Teflon-Substrat oder ein PDMS-Substrat, oder ein durch Spritzgießen oder Tiefenätzen oder Prägen, insbesondere Heißprägen, strukturiertes Substrat, beispielsweise ein strukturiertes Glassubstrat, Siliziumsubstrat oder Polymersubstrat, insbesondere Pyrexsubstrat, SU-8-Substrat, Teflon-Substrat oder PDMS-Substrat, verwendet werden. Hierauf können anschließend, beispielsweise mittels Dünnschichttechnik und/oder Lithographie, Elektroden aufgebracht werden. Danach kann das resultierende System mit einer Deckelung, beispielsweise einer Glasplatte oder einer Polymerplatte, insbesondere einer PDMS-Platte oder einer Pyrexplatte, abgedeckt werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle und/oder eines erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Systems in der Medizintechnik und Mikrobiologie, beispielsweise in der medizinischen Analytik, insbesondere in einem integrierten mikrofluidischen Lab-on-a-Chip-System, zum Beispiel zur Probenvorbehandlung, insbesondere für die DNA- und/oder RNA-Analytik. Beispielsweise kann ein durch eine erfindungsgemäße Zelle beziehungsweise durch ein erfindungsgemäßes System erhaltenes Lysat für eine darauffolgende DNA- oder RNA-Analytik verwendet werden. Insbesondere können durch eine erfindungsgemäße Zelle beziehungsweise durch ein erfindungsgemäßes System pathogene Keime vor einer darauffolgenden Analyse aufkonzentriert werden.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1a einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle mit einem kombiniertem Interdigitalelektroden-Mikromischer-System;
1b eine schematische, vergrößerte Ansicht des in 1a gezeigten und durch eine Kreislinie gekennzeichneten Bereichs;
1c einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B durch die in den 1a und 1b gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle;
1d eine photographische Aufnahme des in den 1a bis 1c schematisch gezeigten, kombiniertem Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systems;
2a einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle mit zwei beabstandet angeordneten, kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systemen;
2b eine schematische, vergrößerte Ansicht des in 2a gezeigten und durch eine Kreislinie gekennzeichneten Bereichs;
3a einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle mit einem kombiniertem Interdigitalelektroden-Mikromischer-System und einer flächiger Elektrode;
3b einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B durch die in den 3a gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle;
4 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle mit zwei beabstandet angeordneten, kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systemen und einer flächiger Elektrode;
5 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle, bei welcher der Einlass und Auslass in die Bodenplatte integriert ist;
6a ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerung einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Zelle;
6b ein schematische Querschnittsdarstellung des Ergebnis einer Strömungssimulation an einer mikrofluidischen Zelle mit einem kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-System entlang der Linie C-C;
7a eine photographische Abbildung von in einer mikrofluidischen Zelle gemäß der ersten Ausführungsform lysierten, fluoreszierenden E. Coli-Bakterien; und
7a eine photographische Abbildung von in einer mikrofluidischen Zelle gemäß der dritten Ausführungsform lysierten, fluoreszierenden E. Coli-Bakterien.
Die 1a bis 1d zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle. Darüber hinaus zeigen die 1a bis 1d, dass die mikrofluidische Zelle ein Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden 1a, 1b und einen Mikrokanäle 2a und Mikroerhebungen 2b aufweisenden Mikromischer umfasst. Erfindungsgemäß sind dabei das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet. Weiterhin zeigen die 1a bis 1d, dass in den Mikrokanälen 2a Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems angeordnet sind und auf diese Weise das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer ein kombiniertes Interdigitalelektroden-Mikromischer-System 1a, 1b, 2a, 2b ausbilden. Die Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems, die Mikrokanäle 2a und die Mikroerhebungen 2b sind dabei zick-zack-förmig und parallel zueinander, insbesondere in Form eines symmetrischen Frischgrätmusters, ausgebildet und angeordnet. Dabei sind die Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems, die Mikrokanäle 2a und die Mikroerhebungen 2b bezüglich der Flussrichtung in einem Winkel α von 45° angeordnet. Die 1a bis 1d zeigen darüber hinaus, dass die Zelle einen Einlass 4 und einen Auslass 5 aufweist und in einen mikrofluidischen Chip 6 integriert ist.
1c zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen fluidischen Zelle, welche ein strukturiertes (Boden-)Substrat 7 aufweist, welches unter Ausbildung eines Fluidkanals mit einer plattenförmigen Deckelung 8 abgedeckt ist. Die Höhe (H2) des Mikromischers beträgt dabei ca. 1/3 bis 1/2 der Höhe (H3) der Zelle. Die Höhe (H1) der Elektroden ist wiederum deutlich kleiner als die Höhe (H2) des Mikromischers.
1d zeigt eine erste Realisierung der ersten Ausführungsform durch Leiterplattentechnik. Substrat, Mikromischer und Elektroden bestanden dabei aus Leiterplatte, strukturiertem Lötstopplack und metallischen Leiterbahnen. Die Seitenwände des Kanals wurden durch beidseitig haftendes Klebeband realisiert. Als Deckel diente eine Glasplatte. Die flächige Elektrode der ähnlichen, dritten Ausführungsform konnte durch eine flächige Indium-Zinn-Oxid-Beschichtung (ITO) des Deckels realisiert werden.
Die in den 2a und 2b gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die mikrofluidische Zelle zwei um den Abstand Y beabstandet angeordnete, kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systeme 1a, 1b, 2a, 2b; 1a', 1b', 2a', 2b' aufweist. Die 2a und 2b zeigen, dass sich die beiden kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systeme 1a, 1b, 2a, 2b; 1a', 1b', 2a', 2b' dabei durch eine unterschiedliche Ausrichtung unterscheiden. Laut Simulation wird mit dieser Variante eine weiter verbesserte Durchmischung der Flusszelle erreicht.
Die in den 3a und 3b gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die mikrofluidische Zelle eine flächige Elektrode 3 aufweist, welche auf einer Seite der Zelle angeordnet ist, welche der Seite, auf der das Interdigitalelektrodensystem 1a, 1b und der Mikromischer 2a, 2b angeordnet sind, gegenüberliegt. Die flächige Elektrode ist dabei insbesondere auf der Unterseite der Deckelung 8 aufgebracht und entspricht in ihren Abmessungen im Wesentlichen denen des aktiven Bereichs des kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systems 1a, 1b, 2a, 2b.
Die in 4 gezeigte vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform dadurch, dass die mikrofluidische Zelle zwei um den Abstand Y beabstandet angeordnete, kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systeme 1a, 1b, 2a, 2b; 1a', 1b', 2a', 2b' und eine flächige Elektrode 3 aufweist, welche auf einer Seite der Zelle angeordnet ist, welche der Seite, auf der die kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-Systeme 1a, 1b, 2a, 2b; 1a', 1b', 2a', 2b' angeordnet sind, gegenüberliegt.
5 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, mikrofluidischen Zelle, bei welcher der Einlass 4 und Auslass 5 in die Bodenplatte integriert sind.
6a ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer möglichen Ansteuerung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Zelle. Während der Akkumulationsphase wird eine polarisierbare Biopartikel, wie Bakterien, Zellen und/oder Viren, enthaltende Lösung oder Suspension von dem Probenreservoir 11 mittels der Pumpe 12 durch einen mikrofluidischen Chip 13, in den eine mikrofluidische Zelle integriert ist, gepumpt. An den Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems wird dabei eine hochfrequente Wechselspannung, beispielsweise von 30 V und 50 V und mit einer Frequenz von 1 MHz, angelegt, wobei jeweils benachbart liegende Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems umgekehrt gepolt sind. Die Akkumulation erfolgt dann zwischen den Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems. Der Auslass 5, welcher grundsätzlich sowohl mit einem Probenauffangreservoir 15 als auch einem Abfallreservoir 16 verbindbar ist, ist dabei mit dem Abfallreservoir 16 verbunden.
Während der Lysephase wird zunächst die Pumpe 12 abgeschaltet. Die polarisierbaren Biopartikel werden dann lysiert, indem die Frequenz der Wechselspannung an den Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems in einen Niederfrequenzbereich, beispielsweise auf 10 kHz, abgesenkt wird.
Zum Abschluß wird das Lysat ausgespült und kann weitenverwendet werden.
Bei einer mikrofluidischen Zelle gemäß der dritten oder vierten Ausführungsform kann die Spannung an der flächigen Elektrode 3 während der Akkumulationsphase frei schwebend (Floating) gehalten werden. Nach der Lysephase kann dann eine Wechselspannung oder Rechteckspannung, beispielsweise von 100 mV und mit einer Frequenz von 1 Hz, mit einem positiven Offset, beispielsweise von 50 mV, zwischen der flächigen Elektrode 3 und der Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems angelegt werden. In dieser Phase können weitere polarisierbare Bioartikel lysiert werden. Gleichzeitig wird durch die positive Offset-Spannung beispielsweise negativ geladene DNA aus dem kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-System 1a, 1b, 2a, 2b in Richtung der Zellkanalmitte gezogen.
6b zeigt das Ergebnis einer Strömungssimulation eines Pfades eines polarisierbaren Biopartikels durch die erste Ausführungsform der mikrofluidischen Zelle in Blickrichtung vom Auslass 5 zum Einlass 4. Der Punkt bezeichnet den Bereich, an dem der polarisierbare Biopartikel in die Zelle eintritt. 6b illustriert, dass das kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System 1a, 1b, 2a, 2b einen Wirbel, eine Umwälzung und eine Durchmischung des Zellvolumens bewirkt. Dadurch gelangen auch polarisierbare Biopartikel, die fern der Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems in die Zelle eintreten, auf ihrem Weg durch die Zelle in die Nähe der Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems und werden dort vom elektrischen Feld erfasst. Die Strömungssimulationen zeigt auch, dass der Mikromischer am Boden der Zelle eine Beruhigung der Strömung bewirkt. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass an den Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems akkumulierte Biopartikel weggewaschen werden.
Die 7a und 7b zeigen, dass sowohl durch eine mikrofluidische Zelle gemäß der ersten Ausführungsform als auch durch eine mikrofluidische Zelle der dritten Ausführungsform E. Coli-Bakterien in DI-Wasser mit Flussraten zwischen 13 ml/min und 300 ml/min akkumuliert und lysiert werden können. Als Färbemittel wurde dabei Propidiumiodid verwendet. Der Vergleich der 7a und 7b zeigt weiterhin, dass die Fluoreszenzintensität im Fall der dritten Ausführungsform mit der flächigen Elektrode 3 deutlich erhöht ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch die flächige Elektrode 3 erstens die Lyseeffizienz verbessert werden kann und zweitens durch die zusätzlich angelegte Spannung eine Ablösung der DNA von den Elektroden 1a, 1b des Interdigitalelektrodensystems erreicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Voldmann et al. beschreiben in Anal. Chem., 2007, 29, S. 1833–1839 [0003]

Claims

Mikrofluidische Zelle, insbesondere Flusszelle, zur, insbesondere dielektrophoretischen, Separation und/oder Akkumulation und/oder Lyse von polarisierbaren Biopartikeln, beispielsweise Bakterien und/oder Zellen und/oder Viren, umfassend – ein Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden (1a, 1b) und – einen Mikrokanäle (2a) und Mikroerhebungen (2b) aufweisenden Mikromischer, dadurch gekennzeichnet, dass das Interdigitalelektrodensystem und der Mikromischer auf der gleichen Seite der Zelle angeordnet sind.
Mikrofluidische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Mikrokanälen (2a) Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems angeordnet sind und ein kombiniertes Interdigitalelektroden-Mikromischer-System (1a, 1b, 2a, 2b) ausbilden.
Mikrofluidische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems und/oder die Mikrokanäle (2a) und/oder die Mikroerhebungen (2b) parallel zueinander ausgebildet und angeordnet sind.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems und/oder die Mikrokanäle (2a) und/oder die Mikroerhebungen (2b) bezüglich der Flussrichtung in einem Winkel (α) von ≥ 20° bis ≤ 70° ausgebildet und angeordnet sind.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems und/oder die Mikrokanäle (2a) und/oder die Mikroerhebungen (2b) zick-zack-förmig oder in Form eines parallelen Schrägstrichmusters ausgebildet und angeordnet sind.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikromischer aus einem isolierenden Material ausgebildet ist.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle eine flächige (3) Elektrode umfasst, wobei die flächige Elektrode (3) auf einer Seite der Zelle angeordnet ist, welche der Seite, auf der das Interdigitalelektrodensystem (1a, 1b) und der Mikromischer (2a, 2b) angeordnet sind, gegenüberliegt.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der flächigen Elektrode (3) im Wesentlichen der Fläche des kombinierten Interdigitalelektroden-Mikromischer-System (1a, 1b, 2a, 2b) entspricht.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle mindestens ein weiteres Interdigitalelektrodensystem aus zwei Elektrodengruppen mit interdigitierend angeordneten Elektroden (1a', 1b') und/oder einen weiteren Mikrokanäle (2a') und Mikroerhebungen (2b') aufweisenden Mikromischer umfasst.
Mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – das kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System (1a, 1b, 2a, 2b) eine Länge (L) von ≥ 10 mm bis ≤ 60 mm aufweist, und/oder – das kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System (1a, 1b, 2a, 2b) eine Breite (B) von ≥ 3 mm bis ≤ 30 mm aufweist, und/oder – das kombinierte Interdigitalelektroden-Mikromischer-System (1a, 1b, 2a, 2b) eine Fläche (L × B) von ≥ 30 mm2 bis ≤ 1800 mm2 aufweist, und/oder – die Mikrokanäle und/oder die Mikroerhebungen eine Länge (L2) von ≥ 3 mm bis ≤ 30 mm aufweisen, und/oder – der Abstand (d) zwischen zwei Mikrokanäle (2a) von ≥ 30 μm bis ≤ 500 μm beträgt, und/oder – die Mikrokanäle eine Breite (B2a) von ≥ 30 μm bis ≤ 800 μm aufweisen, und/oder – die Mikroerhebungen (2b) eine Breite (B2b) von ≥ 30 μm bis ≤ 500 μm aufweisen, und/oder – die Mikroerhebungen (2b) eine Höhe (H2) von ≥ 10 μm bis ≤ 400 μm aufweisen, und/oder – die Mikrokanäle (2a) eine Tiefe (T2) von ≥ 10 μm bis ≤ 400 μm aufweisen, und/oder – die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems eine Länge (L1) von ≥ 3 mm bis ≤ 30 mm aufweisen, und/oder – die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems eine Breite (B1) von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm aufweisen, und/oder – die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems eine Höhe (H1) von ≥ 0,1 μm bis ≤ 50 μm aufweisen, und/oder – die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems untereinander einen Abstand (D) von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm aufweisen, und/oder – die Zelle eine Länge (L3) aufweist, und/oder – die Zelle eine Breite (B3) von ≥ 3 mm bis ≤ 40 mm aufweist, und/oder – die Zelle eine Höhe (H3) von ≥ 20 μm bis ≤ 1000 μm aufweist, und/oder – die flächige Elektrode (3) eine Länge (L) von ≥ 10 mm bis ≤ 100 mm und/oder – die flächige Elektrode (3) eine Breite (B) von ≥ 3 mm bis ≤ 50 mm aufweist, und/oder – die flächige Elektrode (3) eine Höhe (H4) von ≥ 0,1 μm bis ≤ 50 μm aufweist und/oder – die flächige Elektrode (3) eine Fläche (L × B) von ≥ 30 mm2 bis ≤ 1800 mm2 aufweist.
Mikrofluidisches System, umfassend eine mikrofluidische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zur Separation und/oder Akkumulation von polarisierbaren Biopartikeln mit einer mikrofluidischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einem mikrofluidischen System nach Anspruch 11, umfassend eine Akkumulationsphase, wobei während der Akkumulationsphase an die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin eine Lysephase umfasst, wobei während der Lysephase an die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems eine niederfrequente Wechselspannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin eine Ablösungsphase umfasst, wobei während der Ablösungsphase die Elektroden (1a, 1b) des Interdigitalelektrodensystems auf Masse gelegt werden, wobei an die flächige Elektrode (3) eine niederfrequente Wechselspannung oder Rechteckspannung mit einem positivem Offset angelegt wird.
Verwendung einer mikrofluidischen Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines mikrofluidischen Systems nach Anspruch 11 in einem integrierten mikrofluidischen Lab-on-a-Chip-System.