DE102018210700A1 - Electrode arrangement for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell, and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung (1000), insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle (1000), umfassend eine Fluidikschicht (110), eine Substratschicht (130) und eine zwischen der Fluidikschicht (110) und der Substratschicht (130) angeordnete Membran (120), wobei die Substratschicht (130) eine mit einer ersten Elektrode (131) verbundene erste Kanalstruktur (150) und eine mit einer zweiten Elektrode (132) verbundene zweite Kanalstruktur (160) aufweist, wobei die erste Kanalstruktur (131) und die zweite Kanalstruktur (132) fluidisch und elektrisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kanalstruktur (131) zumindest teilweise von einem ersten Membranbereich (171) begrenzt und die zweite Kanalstruktur (132) zumindest teilweise von einem zweiten Membranbereich (172) begrenzt wird, wobei der erste Membranbereich (171) und der zweite Membranbereich (172) einen an die Membran (120) angrenzenden Hohlraum (180) der Fluidikschicht (110) begrenzen, so dass sich abhängig von einem in der ersten Kanalstruktur (150) oder in der zweiten Kanalstruktur (150) durch einen von einem flüssigen Elektrolyt (190) erzeugten Druck der erste Membranbereich (171) beziehungsweise der zweite Membranbereich (172) zur Ausbildung einer ersten Elektrolytelektrode (141) beziehungsweise einer zweiten Elektrolytelektrode (142) in den Hohlraum (180) ausdehnt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (600) zum Betreiben einer solchen Elektrodenanordnung (100) sowie eine Flusszelle (1000).The invention relates to an electrode arrangement (100) for a microfluidic device (1000), in particular for a microfluidic flow cell (1000), comprising a fluidic layer (110), a substrate layer (130) and one between the fluidic layer (110) and the substrate layer (130 ) arranged membrane (120), the substrate layer (130) having a first channel structure (150) connected to a first electrode (131) and a second channel structure (160) connected to a second electrode (132), the first channel structure (131 ) and the second channel structure (132) are fluidically and electrically separated from one another, the first channel structure (131) being at least partially delimited by a first membrane area (171) and the second channel structure (132) being at least partially delimited by a second membrane area (172) , wherein the first membrane region (171) and the second membrane region (172) have a cavity (180) of the fluidic layer adjacent to the membrane (120) limit t (110), so that depending on one in the first channel structure (150) or in the second channel structure (150) by a pressure generated by a liquid electrolyte (190), the first membrane area (171) or the second membrane area (172 ) to form a first electrolyte electrode (141) or a second electrolyte electrode (142) in the cavity (180). The invention further relates to a method (600) for operating such an electrode arrangement (100) and a flow cell (1000).
Description
Stand der TechnikState of the art
In der Mikrofluidik werden Flusszellen eingesetzt, um über Dielektrophorese biologische Zellen oder DNA beispielsweise nach Größe zu trennen.Flow cells are used in microfluidics to separate biological cells or DNA, for example by size, using dielectrophoresis.
Beispielsweise ist aus Salmanzadeh et al., „Isolation of rare cancer cells from blood cells using dielectrophoresis,“ 2012 Annual International Conference ofthe IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Diego, CA, 2012, pp. 590-593, doi: 10.1109/EMBC.2012.6346000 eine Art der Dielektrophorese bekannt, wobei mit Elektrolyt gefüllte, von der Flusszelle durch eine dünne Polymerschicht getrennte und an anderer Stelle mit nadelartigen Elektroden kontaktierte Kanäle zur Erzeugung des elektrischen Feldes genutzt werden. Die lokale Verformung der Feldstärke des Feldes findet dabei durch isolierende Pfosten in der Flusszelle statt.For example, Salmanzadeh et al., "Isolation of rare cancer cells from blood cells using dielectrophoresis," 2012 Annual International Conference ofthe IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Diego, CA, 2012, pp. 590-593, doi: 10.1109 / EMBC.2012.6346000 a type of dielectrophoresis is known, wherein channels filled with electrolyte, separated from the flow cell by a thin polymer layer and contacted elsewhere with needle-like electrodes are used to generate the electric field. The local deformation of the field strength of the field takes place through insulating posts in the flow cell.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Elektrodenanordnung für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle. Die Elektrodenanordnung umfasst eine Fluidikschicht, eine Substratschicht und eine zwischen der Fluidikschicht und der Substratschicht angeordnete Membran. Mit anderen Worten umfasst die Elektrodenanordnung einen Schichtaufbau, wobei eine erste Schicht, als Fluidikschicht bezeichnet, von einer zweiten Schicht, als Substratschicht bezeichnet, durch eine Membran zumindest teilweise getrennt ist.Against this background, the invention relates to an electrode arrangement for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell. The electrode arrangement comprises a fluidic layer, a substrate layer and a membrane arranged between the fluidic layer and the substrate layer. In other words, the electrode arrangement comprises a layer structure, a first layer, referred to as a fluidic layer, from a second layer, referred to as a substrate layer, being at least partially separated by a membrane.
Die Substratschicht weist eine mit einer ersten Elektrode verbundene erste Kanalstruktur und eine mit einer zweiten Elektrode verbundene zweite Kanalstruktur auf, wobei die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur fluidisch und elektrisch voneinander getrennt sind. Unter einer Kanalstruktur sind insbesondere ein Kanal oder mehrere miteinander verbundene Kanäle zu verstehen, wobei der Kanal beziehungsweise die Kanäle in Form von Ausnehmungen oder Hohlräumen in der Substratschicht ausgebildet sein können. Unter einer fluidischen Trennung der Kanalstrukturen ist insbesondere zu verstehen, dass sich kein Fluid von der ersten Kanalstruktur in die zweite Kanalstruktur bewegen oder erstrecken kann, insbesondere aufgrund einer Barriere, beispielsweise umfassend Material der Substratschicht. Unter einer elektrischen Trennung der Kanalstrukturen ist insbesondere zu verstehen, dass die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur voneinander elektrisch isoliert sind, insbesondere durch ein elektrisch nichtleitendes Material der Substratsicht.The substrate layer has a first channel structure connected to a first electrode and a second channel structure connected to a second electrode, the first channel structure and the second channel structure being fluidically and electrically separated from one another. A channel structure is to be understood in particular as a channel or a plurality of channels connected to one another, wherein the channel or the channels can be formed in the form of recesses or cavities in the substrate layer. A fluidic separation of the channel structures is to be understood in particular to mean that no fluid can move or extend from the first channel structure into the second channel structure, in particular due to a barrier, for example comprising material of the substrate layer. Electrical separation of the channel structures is to be understood in particular to mean that the first channel structure and the second channel structure are electrically insulated from one another, in particular by an electrically non-conductive material of the substrate view.
Die erste Kanalstruktur ist zumindest teilweise von einem ersten Membranbereich begrenzt und die zweite Kanalstruktur ist zumindest teilweise von einem zweiten Membranbereich begrenzt. Der erste Membranbereich und der zweite Membranbereich begrenzen ferner einen an die Membran angrenzenden Hohlraum der Fluidikschicht, so dass sich abhängig von einem in der ersten Kanalstruktur oder in der zweiten Kanalstruktur durch einen von einem flüssigen Elektrolyten erzeugten Druck der erste Membranbereich beziehungsweise der zweite Membranbereich zur Ausbildung einer ersten Elektrolytelektrode beziehungsweise einer zweiten Elektrolytelektrode in den Hohlraum ausdehnt.The first channel structure is at least partially delimited by a first membrane area and the second channel structure is at least partially delimited by a second membrane area. The first membrane area and the second membrane area further delimit a cavity of the fluidic layer adjacent to the membrane, so that depending on a pressure generated in the first channel structure or in the second channel structure by a liquid electrolyte, the first membrane area and the second membrane area, respectively, form expands a first electrolyte electrode or a second electrolyte electrode into the cavity.
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung hat den Vorteil, dass Elektroden dynamisch in der Fluidikschicht ausgebildet werden können. Insbesondere ist von Vorteil, dass die Ausbildung der Elektroden dabei auf einfache Weise über die Steuerung des Drucks in den Kanalstrukturen gesteuert werden kann. Durch die Steuerung der Größe und Geometrie der Elektroden über den Druck ist vorteilhafterweise auch die Form und der Betrag des gebildeten elektrisches Feld steuerbar. Ferner ist von Vorteil, dass auf metallische und fix verbaute Elektroden verzichtet werden kann und die Elektroden stattdessen durch mit Elektrolyt gefüllte Teile der Membran realisiert werden. Insbesondere kann eine Mikrostrukturierung von Elektroden vorteilhafterweise entfallen. Dies erleichtert auch eine Herstellung des Schichtaufbaus der Elektrodenanordnung im Spritzgussverfahren. Außerdem kann die Anzahl der Elektroden auf einfache Weise über eine Abänderung oder Ausdehnung der Kanalstrukturen erhöht werden, indem insbesondere die Anzahl der an die Membran angrenzenden Kanäle, welche gegenüber dem Hohlraum liegen, erhöht wird. Somit kann auch der Durchsatz der Flusszelle erweitert werden, ohne auf höhere elektrische Spannungen zurückgreifen zu müssen.The electrode arrangement according to the invention has the advantage that electrodes can be formed dynamically in the fluidic layer. It is particularly advantageous that the formation of the electrodes can be controlled in a simple manner by controlling the pressure in the channel structures. By controlling the size and geometry of the electrodes via the pressure, the shape and the amount of the electrical field formed can advantageously also be controlled. It is also advantageous that metallic and permanently installed electrodes can be dispensed with and the electrodes are instead realized by parts of the membrane filled with electrolyte. In particular, microstructuring of electrodes can advantageously be omitted. This also facilitates the production of the layer structure of the electrode arrangement using the injection molding process. In addition, the number of electrodes can be increased in a simple manner by changing or expanding the channel structures, in particular by increasing the number of channels adjacent to the membrane, which are opposite the cavity. This means that the throughput of the flow cell can also be expanded without having to resort to higher electrical voltages.
Insbesondere bildet die Membran zumindest teilweise eine die Kanäle der Kanalstrukturen zumindest teilweise begrenzende Wand. Dies hat den Vorteil, dass eine Änderung des Drucks in den Kanalstrukturen unmittelbar auf die Membran für eine Ausdehnung der Membran in den Hohlraum wirken kann.In particular, the membrane at least partially forms a wall that at least partially delimits the channels of the channel structures. This has the advantage that a change in the pressure in the channel structures can act directly on the membrane for an expansion of the membrane into the cavity.
Bevorzugt umfassen die erste Kanalstruktur und/oder die zweite Kanalstruktur zwei oder mehrere parallele Kanäle für die Ausbildung parallel angeordneter Elektrolytelektroden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein regelmäßiges elektrisches Feld im Hohlraum erzeugt werden.The first channel structure and / or the second channel structure preferably comprise two or more parallel channels for the formation of electrolyte electrodes arranged in parallel. As a result, a regular electric field can advantageously be generated in the cavity.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest einige der Kanäle der ersten Kanalstruktur mit zumindest einigen der Kanäle der zweiten Kanalstruktur verzahnt angeordnet. Durch eine solche zumindest teilweise Verzahnung der ersten Kanalstruktur mit der zweiten Kanalstruktur können vorteilhafterweise in einer Reihe angeordnete Elektroden mit sich abwechselnder Polarität realisiert werden. Ferner erleichtert diese Weiterbildung eine Parallelisierung von Dielektrophoreseeinheiten in der Flusszelle.According to a particularly advantageous development of the invention, at least some of the Channels of the first channel structure are interlocked with at least some of the channels of the second channel structure. By such an at least partial interlocking of the first channel structure with the second channel structure, electrodes arranged in a row can advantageously be realized with alternating polarity. This further development also facilitates parallelization of dielectrophoresis units in the flow cell.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Hohlraum Strukturen zur lokalen Änderung eines durch die Elektrolytelektroden erzeugten elektrischen Feldes auf. Insbesondere handelt es sich bei den Strukturen um elektrisch nichtleitende Strukturen, also Isolatoren. Dadurch kann in Kombination mit den Elektrolytelektroden eine lokale Verformung der Feldstärke des elektrischen Feldes im Hohlraum bewirkt werden.In a particularly preferred development of the invention, the cavity has structures for locally changing an electrical field generated by the electrolyte electrodes. In particular, the structures are electrically non-conductive structures, that is to say insulators. In combination with the electrolyte electrodes, this can cause a local deformation of the field strength of the electrical field in the cavity.
Vorzugsweise sind die Strukturen in Form von Vorsprüngen ausgebildet, insbesondere als Pfosten. Durch eine Wahl der Form und Größe, insbesondere der Dicke, der Vorsprünge kann die Änderung der Feldstärke wohldefiniert eingestellt werden.The structures are preferably designed in the form of projections, in particular as posts. The change in the field strength can be set in a well-defined manner by choosing the shape and size, in particular the thickness, of the projections.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Strukturen an einer den Hohlraum begrenzenden Wand angeordnet, wobei die Wand gegenüber der den Hohlraum begrenzenden Membran angeordnet ist. Damit kann vorteilhafterweise zum einen der im Hohlraum verfügbare Raum optimal ausgenutzt werden und zum anderen eine Behinderung der Ausdehnung der Membran in den Hohlraum durch die Strukturen verringert oder ganz verhindert werden.According to a particularly advantageous development of the invention, the structures are arranged on a wall delimiting the cavity, the wall being arranged opposite the membrane delimiting the cavity. On the one hand, this advantageously allows the space available in the cavity to be optimally utilized and, on the other hand, a hindrance to the expansion of the membrane into the cavity by the structures is reduced or completely prevented.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ein oder mehrere weitere Kanalstrukturen zur Ausbildung weiterer Elektrolytelektroden aufweisen, wobei die Kanalstrukturen voneinander fluidisch und elektrisch getrennt sind. Die Erfindung ist somit vorteilhafterweise ohne weiteres entsprechend den Anforderungen an die Flusszelle skalierbar. In a further embodiment of the invention, the electrode arrangement according to the invention can have one or more further channel structures for forming further electrolyte electrodes, the channel structures being fluidly and electrically separated from one another. The invention is thus advantageously easily scalable in accordance with the requirements for the flow cell.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Flusszelle umfassend eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung.The invention also relates to a flow cell comprising an electrode arrangement according to the invention.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsmäßen Elektrodenanordnung, wobei durch den flüssigen Elektrolyten ein Druck auf den ersten Membranbereich beziehungsweise auf den zweiten Membranbereich zur Ausbildung der ersten Elektrolytelektrode beziehungsweise der zweiten Elektrolytelektrode in dem Hohlraum über eine Ausdehnung der Membran in den Hohlraum ausgeübt wird.The invention further relates to a method for operating the electrode arrangement according to the invention, the liquid electrolyte exerting pressure on the first membrane area or on the second membrane area to form the first electrolyte electrode or the second electrolyte electrode in the cavity by expanding the membrane into the cavity becomes.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die oben ausgeführten korrespondierenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.Regarding the advantages of the method according to the invention, reference is made to the corresponding advantages of the device according to the invention explained above.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.Exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and are explained in more detail in the description below. The same reference numerals are used for the elements shown in the various figures and acting in a similar manner, and the elements are not repeated.
Es zeigen
-
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung als Teil eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Flusszelle, -
2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 an embodiment of the electrode arrangement according to the invention as part of an embodiment of the flow cell according to the invention, -
2 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Fluidikschicht
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
Eine Spannungsquelle mit 12 Volt Gleichspannung, 200 bis 500 Volt Wechselspannung bei einer Frequenz zwischen 50 und 200 Kilohertz kann beispielsweise verwendet werden, vorzugsweise mit durchstimmbarer Frequenz. Beispielsweise ergibt sich somit eine mittlere Stärke des elektrischen Feldes in der Flusszelle
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