DE102018210993A1

DE102018210993A1 - Vorrichtung zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art

Info

Publication number: DE102018210993A1
Application number: DE102018210993.1A
Authority: DE
Inventors: Samir Kadic; Christoph Faigle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-07-04
Publication date: 2020-01-09

Abstract

Der Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art (2, 3, 4), zumindest umfassend:
- einen mikrofluidischen Kanal (5),
- verschiedene Hindernisstrukturen (6, 7, 8), die einen Kanalquerschnitt des Kanals (5) in verschiedene, parallel durchströmbare Zonen (9, 10, 11) unterteilen,
- eine elektrische Kontaktierung (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art sowie ein Verfahren zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art.
Stand der Technik
Zirkulierende Tumorzellen (Circulating Tumor Cells, CTC's) sowie zellfreie Tumor-DNA (Circulating Tumor DNA, ctDNA) haben sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende und durchaus klinisch relevante Biomarker zur Diagnose sowie angepassten Therapie von bösartigen Tumoren und Metastasen etabliert. Deren frühzeitige und zuverlässige Detektion im menschlichen Körper, so vor allem aus Blut oder anderen geeigneten Körperflüssigkeiten, ist daher bereits seit Langem einer der Hauptforschungsschwerpunkte der modernen Onkologie (Liquid Biopsy).
Diese Form der Tumor-Analyse bietet, insbesondere für den Patienten, gegenüber herkömmlichen invasiven Gewebebiopsien wesentliche Vorteile. Nicht zuletzt die Integration aufkommender Analysetechnologien in hochentwickelte Mikrosysteme und die Vereinigung sämtlicher erforderlicher Verarbeitungsschritte zu einer Kette in einem einzigen kompakten Gerät (Lab-On-a-Chip) lassen diesen Untersuchungsansatz wegen seiner potentiell sehr geringen Prozessierungsdauer, hohen Präzision, Reproduzierbarkeit, Flexibilität, Einfachheit und enormen Kostengünstigkeit als durchweg attraktiv erscheinen.
In diesem Zusammenhang äußerte sich der dringende Bedarf nach einer zuverlässigen Isolation von Tumormaterial im Hinblick auf diese Vorgaben bisher in einer großen Vielzahl unterschiedlicher Ansätze.
Neben einfachen mechanischen Filtern wurden in der Vergangenheit so unter anderem hydrodynamische Varianten oder antikörper-basierte Verfahren zur Separation von zirkulierenden Tumorzellen in Mikrofluidikkanälen auf Grundlage entsprechender physikalischer Eigenschaften wie Größe, Dichte oder Verformbarkeit herangezogen. Hierbei konnten allerdings jeweils entscheidende Einschränkungen beobachtet werden, ein praktikabler Einsatz blieb weitestgehend erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 eine Vorrichtung zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art, zumindest umfassend:

- einen mikrofluidischen Kanal,
- verschiedene Hindernisstrukturen, die einen Kanalquerschnitt des Kanals in verschiedene, parallel durchströmbare Zonen unterteilen,
- eine elektrische Kontaktierung.

Die hier vorgeschlagenen Lösung basiert insbesondere auf dem Ansatz, Teilchen nach ihren dielektrischen Eigenschaften zu manipulieren. Dieser Ansatz weist die besonderen Vorteile auf, dass er unabhängig von Markern und in großem Maßstab skalierbar sowie einfach, berührungsfrei, vielseitig einsetzbar und sehr gut in moderne MEMS- und Mikrofluidik-Technologien integrierbar ist.
Die Vorrichtung dient zum (gezielten) simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren (bestimmten) Teilchen verschiedener Art bzw. ist hierzu eingerichtet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Vorrichtung zum (gezielten) simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen mindestens zwei verschiedener (bestimmter) Arten dient bzw. eingerichtet ist. Die hier vorgestellte Lösung erlaubt in vorteilhafter Weise aus einem in dem Kanal geführten Medium gezielt bestimmte Teilchenarten einzufangen und somit entnehmbar zu machen bzw. zu entnehmen.
Dem dielektrophoretischen Einfang liegt der Mechanismus der sogenannten Dielektrophorese (DEP) zugrunde. Diese bezeichnet die Bewegung (auch ungeladener) polarisierbarer Partikel in einem nicht-homogenen elektrischen Feld. Dabei wechselwirkt ein infolge eines von außen angelegten elektrischen Wechselfeldes in das Teilchen induzierter Dipol mit eben diesem äußeren Feld und führt zu einer dielektrophoretischen Kraftwirkung auf das Teilchen. Diese Kraftwirkung kann hier zum Zurückhalten des Teilchen und somit zu dessen dielektrophoretischem Einfang genutzt werden.
Die verschiedenen Teilchenarten (Zielpartikel) unterscheiden sich voneinander insbesondere in ihren dielektrischen Eigenschaften. Beispielhaft unterscheiden sich im Blut zirkulierende Tumorzellen in ihrer elektrischen Permittivität von normalen weißen Blutkörperchen. Bei den Teilchen verschiedener Art handelt es sich insbesondere um zirkulierende Tumorzellen verschiedener Art bzw. Sorte und/oder verschiedenen Zelltyps.
Jede Zelle besitzt üblicherweise ihre eigene, einzigartige Morphologie. Sie ist unter anderem eine Funktion des Zelltyps, der Komplexität des Zellinnenlebens sowie der Phase im Zellzyklus. Die Zellmembran der meisten Zelltypen ist weiterhin nicht glatt, sondern in Wirklichkeit übersät mit Falten und Mikrovilli.
Anders als gesunde Blutzellen, formen Tumorzellen ein festes Gewebe, aus welchem im Verlauf des Tumorwachstums einzelne zirkulierende Tumorzellen (sog. CTC's) losgelöst werden können. Deren tatsächliche Zellmembranfläche ist aufgrund der erhöhten Packungsdichte im Ursprungsgewebe deshalb gegenüber derjenigen der frei im Blut vorliegenden gesunden Blutzellen größer und steigt, bedingt durch das fortschreitende Wachstum des Tumors, mit zunehmender Unordnung.
Zusammen mit der Zellgröße ist die Zellmembranfläche die morphologische Eigenschaft, die sich in unterschiedlichen Übergangsfrequenzen der beiden Zelltypen deutlich macht: Bei eine Untersuchung des Frequenzverhaltens von über 80 verschiedenen festen Tumorarten konnte festgestellt werden, dass eine im Vergleich zu gesunden Blutzellen zwischen 50 % und 300 % größere normierte Oberflächenkapazität und ein durchschnittlich größerer Zellradius für Tumorzellen auf Übergangsfrequenzen zwischen 20 kHz und 75 kHz führen. Bei der gleichen Leitfähigkeit von 0,03 S/m betrugen für sämtliche der untersuchten 15 Subpopulationen von gesunden mononukleären Blutzellen die Übergangsfrequenzen mehr als 120 kHz. Für fünf Arten von Leukämiezellen lagen die Übergangsfrequenzen zwischen 60 kHz und 100 kHz.
Beruhend auf diesen Erkenntnissen und der Tatsache, dass die Übergangsfrequenzen der am reichlichsten vorhandenen Subpopulationen von gesunden Blutzellen - nämlich der Lymphozyten und Granulozyten - sehr geringe Standardabweichungen besitzen und von den Übergangsfrequenzen der meisten Tumortypen um mindestens 5 bis 7 Standardabweichungen entfernt sind, ist die Dielektrophorese zur zuverlässigen Isolation aller Arten von soliden Tumoren geeignet und - wenn auch mit geringeren Effizienzen - anwendbar für (hoch konzentrierte) Leukämiepopulationen.
Die DEP-Sortierung von CTC's aus gesunden Blutzellen basiert (in diesem Zusammenhang) insbesondere auf einer Gegenbewegung der beiden Teilchensorten: Insbesondere wenn die Betriebsfrequenz zwischen den jeweiligen Übergangsfrequenzen liegt, können Tumorzellen per pDEP angezogen und gesunde Blutzellen per nDEP abgestoßen werden. Die Hindernisstrukturen sind insbesondere derart eingerichtet, dass in den verschiedenen, parallel durchströmbaren Zonen voneinander verschiedene Betriebsfrequenzen eingestellt werden können.
Die Vorrichtung weist einen mikrofluidischen Kanal bzw. Mikrofluidikkanal auf. Der mikrofluidische Kanal kann beispielsweise aus isolierendem und/oder (gut) strukturierbarem Material (z.B. Glas, PDMS, etc.) bestehen. Dessen Breite könnte für mDEP-Anwendungen (metal based dielectrophoresis, mDEP) bis zu mehrere Millimeter betragen und kann für iDEP-Anwendungen (insulator based dielectrophoresis, iDEP) bei etwa maximal 5 mm (limitiert durch Frequenz-Performance der Spannungsversorgung bei gegebenem $\vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
) liegen. Die Höhe ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die Teilchen (Zielpartikel) über den gesamten Kanalquerschnitt eine Kraftwirkung der pDEP erfahren können. Gleichwohl ist die Höhe auch so auszulegen, dass ein ausreichender Durchsatz gewährleistet werden kann, da bei zu hohen Fließgeschwindigkeiten des Fluids die Teilchen von der Stokes-Kraft sofort wieder weggespült würden (die maximalen Fließgeschwindigkeiten liegen hier bei etwa 100 µm/s [Mikrometer pro Sekunde]). Für mDEP-Anwendungen wäre z.B. eine Kanalhähe von 50 µm bis 100 µm zu bevorzugen. Bei iDEP-Anwendungen könnte die Kanalhöhe der gesamten Strukturhöhe der Hindernisstrukturen (isolierenden Pfosten) und umgekehrt entsprechen. Hier sind Grenzen prinzipiell nur durch das Herstellungsverfahren der Hindernisstrukturen gesetzt.
Nachstehend werden die zwei unterschiedliche Architekturen bzw. Prinzipien des Teilcheneinfangs, die hier vorliegen können, mDEP und iDEP, näher erläutert.
Prinzip der iDEP: Bei dieser Variante werden elektrische Feldlinien in der Regel außerhalb des Mikrofluidikkanals mit einem DC-Signal oder AC-Signal niedriger Frequenz generiert (eventuell liegt sogar eine Überlagerung aus zwei verschiedenen Signalkomponenten vor) und an isolierenden (Hindernis-)Strukturen (Polymere, Glas, etc.) innerhalb des Kanals gekrümmt. Die stärkste Krümmung findet im Bereich der Einschnürung statt, in welchem sich Teilchen per pDEP einfangen lassen. Eine DC-Spannung kann bei iDEP-Anwendungen per Elektroosmose häufig auch gleichzeitig für einen Fluss des Fluids sorgen.
Prinzip der mDEP: Die Felderzeugung geschieht hier in der Regel durch das direkte Anlegen einer elektrischen Spannung an (aufgebrachte) Hindernisstrukturen, insbesondere Metall-(Hindernis-)Strukturen (gewöhnlicherweise an eine alternierende Mikroelektrodenanordnung). Der größte Feldgradient tritt in der Regel an den Kanten der Elektroden auf.
In beiden Fällen (mDEP und iDEP) sind insbesondere möglichst hohe Kanäle erwünscht, da sie theoretisch einen hohen Durchsatz liefern können. Weitere Einflüsse können jedoch für die Maße des Kanals ausschlaggebend sein. Bei iDEP kann durch das externe Anlegen des elektrischen Feldes dieses über die gesamte Kanalhöhe verteilt und Teilchen können in dessen gesamten Querschnitt per DEP-Kraft adressiert werden. Bei mDEP können Feldkrümmungen, insbesondere bei Verwendung von planaren Elektroden, auf Bereiche in unmittelbarer Nähe des Kanalbodens beschränkt sein. Alternativ könnten 3D-Elektroden (wie etwa Pfosten) verwendet werden. In beiden Ansätzen sollte gleichwohl beachtet werden, dass zu langsam fließende Teilchen zum Kanalboden sedimentieren können und dann auch beliebig hohe Kanäle wirkungslos sein können. Dementsprechend sollte eine Strömungsgeschwindigkeit durch den Kanal in vorteilhafter Weise derart eingestellt werden, dass ein solches Sedimentieren verhindert werden kann.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung verschiedene Hindernisstrukturen, die einen Kanalquerschnitt des Kanals in verschiedene, parallel durchströmbare Zonen unterteilen. Dies betrifft mit anderen Worten mindestens zwei verschiedene Hindernisstrukturen, die eine Kanalquerschnitt des Kanals in mindestens zwei verschiedene, parallel durchströmbare Zonen unterteilen.
Bevorzugt sind die Hindernisstrukturen getrennt voneinander angeordnet. Weiterhin bevorzugt erstrecken sich die Hindernisstrukturen parallel zueinander entlang zumindest eines (Längs-)Abschnitts des Kanals. Vorzugsweise weist zumindest eine der Hindernisstrukturen eine Vielzahl von (elektrisch isolierenden und/oder elektrisch isolierten) Pfosten auf. Besonders bevorzugt weist jede Hindernisstruktur eine Vielzahl (innerhalb der jeweiligen Hindernisstruktur) gleich dimensionierter Pfosten auf. In diesem Fall ist es weiterhin bevorzugt, wenn sich die verschiedenen Hindernisstrukturen in der Dimensionierung der Pfosten voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann eine erste Hindernisstruktur einen kleineren Pfostenquerschnitt (insbesondere Pfostendurchmesser) aufweisen als eine zweite Hindernisstruktur. Eine Hindernisstruktur kann sich beispielsweise dadurch entlang eines Längsabschnitts des Kanals erstrecken, dass in der Längsrichtung des Kanals mehrere Pfosten der Hindernisstruktur nebeneinander angeordnet sind.
Bevorzugt sind die Hindernisstrukturen derart eingerichtet, dass sie zum Einstellen einer (bestimmten, insbesondere vordefinierten) räumlichen Inhomogenität eines elektrischen Feldes beitragen. Das elektrische Feld ist hierbei insbesondere innerhalb des Kanals und insbesondere im Bereich der Hindernisstrukturen gebildet. Besonders bevorzugt sind die Hindernisstrukturen dazu eingerichtet Teilchenart-spezifische energetische Minima (des E-Feldes) in Teilchenart-spezifischen, parallel durchströmbaren Zonen des Kanals zu bilden. Die Bedeutung des Begriffs „energetische Minima“ wird unten näher im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass in einer bestimmten Zone (nur) bestimmte Teilchen eingefangen werden können. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Hindernisstrukturen Teilchenart-spezifisch dimensioniert sind. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Hindernisstrukturen entsprechend der Teilchart dimensioniert sind, die mit der jeweiligen Hindernisstruktur eingefangen werden soll.
Weiterhin bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine elektrische Kontaktierung. Die elektrische Kontaktierung ist insbesondere dazu eingerichtet, ein elektrisches Feld innerhalb des Kanals und insbesondere im Bereich der Hindernisstrukturen auszubilden. Hierzu ist die elektrische Kontaktierung in der Regel mit einer Spannungsversorgung verbindbar bzw. verbunden. Für iDEP-Anwendungen kann die Kontaktierung beispielsweise zwei Kontaktarme aufweisen, die sich einander gegenüberliegend, insbesondere außenseitig entlang zumindest eines Längenabschnitts des Kanals erstrecken. Hierbei kann einer der Kontaktarme einen Pluspol und der andere Kontaktarm einen Minuspol bilden. Für mDEP-Anwendungen kann die Kontaktierung dazu eingerichtet sein die Elektroden mit einer Spannungsversorgung zu verbinden.
Die Frequenz und Amplitude des angelegten (elektrischen) Signals kann hierbei stark von den Kanalabmessungen und/oder den verwendeten Hindernisstrukturen abhängen. Darüber hinaus können unerwünschte Effekte wie etwa Elektroosmose oder Elektrolyse aufkommen, die nur für gewisse Frequenzbereiche vermieden werden können. Daher ist es bevorzugt, einen entsprechenden Arbeitspunkt zu wählen. Prinzipiell kann pDEP jedoch bis hin in den höheren kHz- bzw- niedrigen Mhz-Bereich beobachtet werden. Typische Spannungsamplituden für iDEP-Anwendungen können bis zu mehrere Hundert Volt betragen. In diesem Zusammenhang kann weiter berücksichtigt werden, dass es bei iDEP nicht zur Elektrolyse kommen kann, sondern nur bei mDEP. Bei mDEP sind weiterhin Polarisationseffekte an den Elektrodenoberflächen möglich. Elektroosmose ist in beiden Fällen möglich (AC-Elektroosmose für mDEP und DC- Elektroosmose für iDEP).
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Hindernisstrukturen Isolatorstrukturen sind. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Hindernisstrukturen mit bzw. aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind. Solche Hindernisstrukturen kommen insbesondere bei der Realisierung eines iDEP-Systems zum Einsatz (insulator based dielectrophoresis, iDEP). Das isolierende Material ragt hierbei insbesondere in der Art von Pfosten in den Kanal hinein, ggf. überspannt es sogar einen Teil eines Kanalquerschnitts.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Hindernisstrukturen Elektrodenstrukturen sind. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Hindernisstrukturen mit bzw. aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind. Solche Hindernisstrukturen kommen insbesondere bei der Realisierung eines mDEP-Systems zum Einsatz (metal based dielectrophoresis, mDEP). Das elektrisch leitfähige Material ragt hierbei insbesondere in der Art von Pfosten in den Kanal hinein, ggf. überspannt es sogar einen Teil eines Kanalquerschnitts. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Elektrodenstrukturen jeweils mit einer Vielzahl von Mikroelektroden gebildet sind.
Bevorzugt sind die Elektrodenstrukturen so elektrisch kontaktiert, dass die Hindernisstrukturen (jeweils) sowohl Kathoden, als auch Anoden umfassen. Besonders bevorzugt umfasst zumindest eine der Hindernisstrukturen dieselbe Anzahl an Kathoden, wie Anoden. Weiterhin bevorzugt sind die Hindernisstrukturen bzw. die Elektroden der Hindernisstrukturen derart (separat bzw. unabhängig voneinander) elektrisch kontaktiert, dass sich in den verschiedenen (Teilchenart-spezifischen) Zonen verschiedene (Teilchenart-spezifische) elektrische Felder (jedoch innerhalb derselben Zone einheitliche elektrische Felder) einstellen. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass sich die Elektrodenstrukturen auch in der Art und/oder Stärke ihrer Bestromung voneinander unterscheiden können. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass in einer bestimmten Zone (nur) bestimmte Teilchen eingefangen werden können.
In mDEP-Systemen könnten die (dafür notwendigen) (Mikro-)Elektroden z. B. mit lithographischen Verfahren direkt auf dem Kanalboden strukturiert werden. Insbesondere eignet sich hierfür thermisch aufgedampftes Metall, wie etwa Gold. Im Falle von iDEP-Anwendungen könnten die (dafür erforderlichen) Isolator-Hindernisstrukturen bzw. Isolatorstrukturen aus dem gleichen Material wie auch der Mikrofluidikkanal selbst bestehen und/oder ebenfalls lithographisch (gemeinsam mit den Kanalwänden) strukturiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Hindernisstrukturen sich in ihrer Dimensionierung voneinander unterscheiden. Bevorzugt unterscheiden sich die Hindernisstrukturen in ihrer räumlichen bzw. körperlichen Dimensionierung und/oder in ihrer Querschnittsform voneinander. Alternativ oder kumulativ können sich die Hindernisstrukturen in Form, Größe und Abstand der eingebauten Strukturen unterscheiden. Insbesondere sind die Hindernisstrukturen so dimensioniert, dass jede zurückzuhaltende Teilchensorte (Zielsorte bzw. Zielpartikel) in Strömungsrichtung eine speziell an die jeweilige Sorte (und/oder an den zum Zurückhalten dieser Sorte geeigneten Arbeitspunkt des E-Feldes) angepasste Hindernisstruktur durchläuft.
Die (Querschnitts-) Form, die Größe und/oder der Abstand Strukturen einer Hindernisstruktur ist vorzugsweise individuell an die mittels dieser Hindernisstruktur einzufangenden Teilchensorte bzw. Teilchenart angepasst. Beispielsweise zur Manipulation von Tumorzellen und/oder zellfreier Tumor-DNA können in der Regel kreisrunde Elektroden und/oder Isolator-Pfosten mit Durchmessern im Bereich von ungefähr 2 µm [Mikrometer] bis 100 µm verwendet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Kontaktierung eine gemeinsame Kontaktierung für verschiedene, parallel durchströmbare Zonen ist. Bevorzugt ist die elektrische Kontaktierung eine gemeinsame Kontaktierung für mindestens zwei oder sogar für alle parallel durchströmbaren Zonen. Bevorzugt ist die gemeinsame Kontaktierung an einer Kanalwand (außenseitig) und/oder im Bereich der Hindernisstrukturen angeordnet. Insbesondere wird die gemeinsame Kontaktierung mit lediglich einem elektrischen Eingangssignal bestromt. Insbesondere durch die verschiedenen Hindernisstrukturen, die das von der elektrischen Kontaktierung erzeuge elektrische Feld beeinflussen, können auch bei lediglich einem elektrischen Eingangssignal in den verschiedenen Zonen unterschiedlichen (Teilchenart-spezifische) energetische Minima des E-Feldes eingestellt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine Rückführung von einem (relativ zu den Hindernisstrukturen) stromabwärtigen Bereich zu einem (relativ zu den Hindernisstrukturen und/oder einer Vorsortierung) stromaufwärtigen Bereich vorgesehen ist, die über ein mikrofluidisches Ventil steuerbar ist. Die Rückführung ist insbesondere mit einer Rückführleitung gebildet. Weiterhin bevorzugt ist an der Rückführung, insbesondere in der Rückführleitung, ein mikrofluidisches Ventil zur Steuerung der Rückführung angeordnet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass stromauf der Hindernisstrukturen eine Vorsortierung für die Teilchen vorgesehen ist. Die Vorsortierung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, in dem Kanal fließende Teilchen derart insbesondere transversal zur laminaren Strömung auszulenken, dass zurückzuhaltende Teilchensorten (Zielsorten bzw. Zielpartikel) in unterschiedliche Zonen aufgeteilt werden. Bei der Vorsortierung könnte es sich zum Beispiel um eine hydrodynamische Vorsortierung durch ein DLD (deterministic lateral displacement) handeln.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Kanal stromauf der Hindernisstrukturen wahlweise mit einem Proben-Behälter und einem oder mehreren Behältern für ein Puffermedium und/oder ein Reagenzmedium verbindbar ist. Zur wahlweisen Verbindung mit dem Proben-Behälter kann eine Probenbehälterventil zwischen dem Proben-Behälter und dem Kanal vorgesehen sein. Zur wahlweisen Verbindung mit dem Behälter für das Puffermedium kann eine Pufferbehälterventil zwischen dem Behälter für das Puffermedium und dem Kanal vorgesehen sein. Weiterhin bevorzugt ist an einem Kanaleinlass eine fluidische Schaltvorrichtung angeordnet, mit welcher die Hindernisstrukturen wahlweise mit einer Probe, einer Pufferlösung oder mit einer (bestimmten) Mischung aus Probe und Pufferlösung beschickbar sind.
Das Puffermedium sollte insbesondere einerseits das Überleben der darin enthaltenen biologischen Teilchen und andererseits im interessierenden Frequenzbereich vor allem die Unterscheidbarkeit der Partikel vom umgebenden Medium im Sinne einer effektiven dielektrophoretischen Manipulation gewährleisten. In der Regel sollte dafür die elektrische Leitfähigkeit von beispielsweise hoch leitfähigem Vollblut durch geeignete Verdünnung auf etwa 1 mS/cm [Milli-Siemens pro Zentimeter] bis 5 mS/cm heruntergesetzt und/oder die Osmolarität des Mediums auf etwa 300 mOs/kg gehalten werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Kanal stromab der Hindernisstrukturen mindestens eine Verzweigung aufweist. Bevorzugt ist die mindestens eine Verzweigung dazu eingerichtet, bestimmte (separierte) Teilchenarten zu separaten (für diese Teilchenart bestimmten) Verarbeitungseinheiten zu führen. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn die mindestens eine Verzweigung derart eingerichtet ist, dass gezielt eine (Teilchenart-spezifische) Zone mit einer (Teilchenart-spezifischen) Verarbeitungseinheit verbindbar bzw. verbunden ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art vorgeschlagen, zumindest umfassend folgende Schritte:

a) Zuführen der Teilchen verschiedener Art zu einem mikrofluidischen Kanal,
b) Einstellen der räumlichen Inhomogenität eines elektrischen Feldes derart, dass Teilchenart-spezifische energetische Minima in Teilchenart-spezifischen, parallel durchströmbaren Zonen des Kanals gebildet werden,
c) Zurückhalten der entsprechenden Teilchen im Bereich der Teilchenart-spezifischen energetischen Minima.

Die angegebene Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist lediglich beispielhaft und kann sich in der angegebenen Reihenfolge etwa bei einem regulären Betriebsablauf einstellen. Darüber hinaus können die Schritte a) und b) sowie b) und c) auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann bevorzugt mit einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung ausgeführt wird. Darüber hinaus kann die Vorrichtung in vorteilhafter Weise dazu eingerichtet sein, ein hier vorgeschlagenes Verfahren auszuführen.
Die Bedeutung des Begriffs „energetische Minima“ wird nachfolgend näher erläutert: Bei pDEP (anziehende Kraft) werden Teilchen in der Regel in Richtung der Maxima der elektrischen Feldstärke bewegt. Diese Bereiche entsprechen in einer Energielandschaft aber Minima, sozusagen „Potentialtöpfen“. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, das bei pDEP sich die Teilchen in Richtung der höheren Feldstärke bewegen, aber in einen „Potentialtopf“ bzw. in „Potentialtöpfe“ fallen. Unter „energetischen Minima“ sind hier insbesondere die beschriebenen Minima in der Energielandschaft zu verstehen bzw. die beschriebenen Potentialtöpfe. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass es sich bei den energetischen Minima um Minima in der Energielandschaft und/oder um Potentialtöpfe handelt.
Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:

1: eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer Draufsicht,
2: eine perspektivische Detailansicht der Vorrichtung aus 1,
3: eine hier vorgeschlagene Vorrichtung während einer beispielhaften ersten Betriebsphase,
4: eine hier vorgeschlagene Vorrichtung während einer beispielhaften zweiten Betriebsphase,
5: eine hier vorgeschlagene Vorrichtung während einer beispielhaften dritten Betriebsphase, und
6: einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens.

1 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 in einer Draufsicht. 1. Die Vorrichtung 1 dient zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art 2, 3, 4 und umfasst einen mikrofluidischen Kanal 5, verschiedene Hindernisstrukturen 6, 7, 8, die einen Kanalquerschnitt des Kanals 5 in verschiedene, parallel durchströmbare Zonen 9, 10, 11 unterteilen, sowie eine elektrische Kontaktierung 12.
Der zugrunde liegende Mechanismus, die so genannte Dielektrophorese (DEP), bezeichnet die Bewegung (auch ungeladener) polarisierbarer Partikel in einem nicht-homogenen elektrischen Feld. Dabei wechselwirkt ein infolge eines von außen angelegten elektrischen Wechselfeldes in das Teilchen induzierter Dipol mit eben diesem äußeren Feld und führt zu einer dielektrophoretischen Kraftwirkung auf das Teilchen.
Werden nur das Dipolmoment erster Ordnung berücksichtigt und alle anderen Terme höherer Ordnung sowie die Kraftwirkung auf geladene Teilchen in Form des Coulomb-Terms (Elektrophorese) außer Acht gelassen, so kann die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraft auf ein Partikel im allgemeinsten Fall für ein räumlich stationäres E-Feld als $({\vec{F}}_{D E P}) = Γ \cdot ε_{m} \cdot R e ({\tilde{f}}_{C M}) \cdot \vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
Formuliert werden. Hierbei bezeichnen Γ den Geometrie-Faktor des Partikels, ε_m die (absolute) reelle elektrische Permittivität des umgebenden Mediums, ${\vec{E}}_{R M S}$
den Effektivwert des angelegten E-Feld-Vektors (Root Mean Square, RMS) und Re(f̃_CM) den Realteil des so genannten „Clausius-Mosotti-Faktors“ (CM- Faktor).
Für den einfachsten Fall eines sphärischen Partikels, beispielhaft stellverstretend für eine Tumorzelle, lässt sich für ${\tilde{f}}_{C M} = \frac{{\tilde{ε}}_{p} - {\tilde{ε}}_{m}}{{\tilde{ε}}_{p} + 2 {\tilde{ε}}_{m}}$
und $Γ = 2 π R^{3}$
dieser Ausdruck zu $({\vec{F}}_{D E P}) = 2 π ε_{m} \cdot R e ({\tilde{f}}_{C M}) \cdot R^{3} \cdot \vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
umschreiben. Hier stehen R für den Radius der betrachteten Zelle sowie ε̃_p und ε̃_m für die (absolute) komplexe elektrische Permittivität von Partikel und umgebendem Medium, wobei ferner gilt $\tilde{ε} = ε - f \frac{σ}{ω}$
mit $j = \sqrt{- 1}$
als komplexer Einheit, σ als elektrischer Leitfähigkeit und ω als Kreisfrequenz des angelegten elektrischen Feldes.
Je nach Vorzeichen von Re(f̃_CM) (abhängig vom Arbeitspunkt des elektrischen Feldes und der relativen Abstimmung zwischen frequenzabhängiger (absoluter) reeller elektrischer Permittivität ε und elektrischer Leitfähigkeit σ zwischen Medium und Material) kann zur Manipulation entweder eine anziehende (positive Dielektrophorese, pDEP) oder abstoßende (negative Dielektrophorese, nDEP) Kraftwirkung auf Teilchen hervorgerufen werden, deren Größe neben dem Volumen des Partikels R³ dann auch mit dem Betrag |Re(f̃_CM)| skaliert. Diese Einflüsse zur DEP-Kraft können zusammengefasst als material- und größen- bzw. formspezifisch betrachtet werden.
Für die Funktionsweise einer DEP-Manipulation, vor allem in der Auslegung des Konzepts, ist insbesondere der letzte Faktor $\vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
in obigem Ausdruck für $({\vec{F}}_{D E P})$
von Bedeutung, welcher unabhängig von Material, Form und Größe des Zielpartikels auftritt. Er drückt neben der Amplitude und der zeitlichen Verteilung des E-Feldes dessen räumliche Inhomogenität aus. Diese räumliche Inhomogenität kann in einem Mikrofluidikkanal zum Beispiel durch eine geeignete Strukturierung von Mikroelektroden im Kanal und direktem Anlegen eines entsprechenden elektrischen Signals an diese (metal based dielectrophoresis, mDEP) oder (alternativ) durch passend ausgelegte Isolatorstrukturen im Kanal und außerhalb angelegtem E-Feld (insulator based dielectrophoresis, iDEP) erzeugt werden. Bei mDEP wäre eine Verformung des E-Feldes an den annähernd planaren Elektrodenkanten, bei iDEP infolge einer Deformierung um die isolierenden extrudierten Strukturen zu beobachten.
Soll das DEP-System nicht (nur) zur kontinuierlichen Separation in einem strömenden Fluid, sondern (wie hier) zum Einfang von Zielpartikeln in diesem ausgelegt sein (Annahme: Arbeitspunkt durch E-Feld ist insbesondere dergestalt eingestellt, dass auf sämtliche Zielpartikel eine ausreichend hohe pDEP wirken kann), so setzen sich beide Varianten insbesondere zum Ziel, durch eine passende Dimensionierung von $\vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
die räumliche Energielandschaft für Partikel so zu gestalten, dass hervorgerufene energetische Minima (Energieminimum für Teilchen, da pDEP) lediglich Zielpartikel entgegen jeglicher sonst im System auftretender Energien im Rahmen festgesetzter Randbedingungen (Durchsatz, Zerstörung der Zelle, Recovery- und Purity-Raten der Separation, etc.) festhalten, während alle anderen im Medium vorkommenden Spezies von dieser Wirkung weitestgehend unbetroffen bleiben (Kraftwirkung durch DEP entweder positiv und sehr klein oder gar negativ).
Das Prinzip des Teilcheneinfangs (Trapping) mittels pDEP ist ein attraktiver Manipulationsansatz, der im Rahmen der hier vorgestellten Lösung bevorzugt verfolgt wird. Konventionelle Realisierungen von mDEP- bzw. iDEP-Trapping-Separatoren jedoch sind, da für gewöhnlich nur eine Elektroden- bzw. Isolatorstruktur verwendet wird, nur für die Verarbeitung lediglich einer einzigen bzw. sehr weniger (dielektrophoretisch gesehen ähnlicher) Teilchensorten ausgelegt. Die letztgenannten Teilchensorten sind sich dabei dielektrophoretisch gesehen so ähnlich, dass sie mittels derselben (einen) Elektroden- bzw. Isolatorstruktur eingefangen werden können. Wie breit das brauchbare pDEP-Spektrum und groß damit die Anzahl manipulierbarer Partikelarten ist, hängt insbesondere bei sonst ähnlichen Werten für Re(f̃_CM) > 0 und R³ konkret maßgeblich vom im System einstellbaren Wertebereich von $\vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
ab, was durch das E-Feld und die verwendete Elektroden- bzw. Isolatorstruktur vorgegeben ist.
Die hier vorgestellte Lösung dient insbesondere der gleichzeitigen Trennung von mehreren Partikelsorten 2, 3, 4 aus einem gemeinsamen strömenden Umgebungsmedium in einem Mikrofluidikkanal 5 per pDEP-Einfang, dies insbesondere auch wenn sich diese (Partikelsorten/Teilchensorten 2, 3, 4) gemäß obigem Ausdruck für $({\vec{F}}_{D E P})$
dielektrophoretisch gesehen unterscheiden, unter Umständen sogar stark unterscheiden.
Der in 1 dargestellte, beispielhafte Aufbau der Vorrichtung 1 gewährleistet insbesondere unter geeigneter Materialwahl sowie Dimensionierung von Kanal 5 und insbesondere räumlich parallel eingebauter, jedoch getrennter Hindernisstrukturen 6, 7, 8 untereinander, insbesondere passender Einstellung des Fluidflusses (Geschwindigkeitsprofil, Viskosität, elektrische Leitfähigkeit) sowie insbesondere dazu und an die jeweilige Teilchensorte 2, 3, 4 angepasstem Arbeitspunkt des elektrischen Feldes (DC-Offset, Amplitude und Frequenz) einen simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art 2, 3, 4 mit insbesondere lediglich einem elektrischen Eingangssignal und Kontaktierung 12.
Die hier vorgeschlagene Lösung erlaubt in vorteilhafter Weise, dass gewünschte Teilchen aus einer Mischung aus einer Vielzahl verschiedener Teilchensorten gleichzeitig gezielt extrahiert werden können. Hierdurch können in vorteilhafter Weise eine sequentielle Entnahme und ein somit verbundener separater Verarbeitungsvorgang für jede Sorte entfallen. Die Separation bzw. der Einfang kann daher vorteilhaft spezifischer und beschleunigt erfolgen.
Die hier vorgeschlagene Lösung wird hier lediglich beispielhaft am Beispiel von iDEP-Systemen betrachtet. Somit sind die Hindernisstrukturen 6, 7, 8 hier beispielhaft Isolatorstrukturen. Das Prinzip ist jedoch genauso gut auf mDEP-Systeme übertragbar (äquivalent in einer Draufsicht). Bei mDEP-Systemen könnten die Hindernisstrukturen 6, 7, 8 beispielsweise Elektrodenstrukturen sein.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus der Vorrichtung 1 in einer Ansicht von oben. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere auch als neuartiger iDEP-Trapping-Separator bezeichnet werden.
1 veranschaulicht beispielhaft, dass stromauf der Hindernisstrukturen 6, 7, 8 eine Vorsortierung 15 für die Teilchen vorgesehen ist. In einem Mikrofluidikkanal 5 fließende Teilchen werden durch die hier nicht näher beschriebene Vorsortierung 15 im Abschnitt 21 insbesondere transversal zur laminaren Strömung, d.h. entlang der y-Achse, entsprechend gewählter physikalischer, jedoch DEP-relevanter Eigenschaften (z.B. Volumen, elektrische Leitfähigkeit, elektrische Permittivität, Oberflächenbeschaffenheit, etc.), in unterschiedliche Bereiche bzw. Zonen aufgeteilt, hier beispielhaft in drei Bereiche bzw. Zonen 9, 10 und 11. Bei der Vorsortierung könnte es sich zum Beispiel um eine hydrodynamische Vorsortierung durch ein DLD (deterministic lateral displacement) handeln.
Im Abschnitt 22 der Vorrichtung 1 angelangt, durchläuft jede Teilchensorte 2, 3, 4 in Strömungsrichtung 19 eine Hindernisstruktur 6, 7, 8. In 1 ist in diesem Zusammenhang beispielhaft veranschaulicht, dass die Hindernisstrukturen 6, 7, 8 sich in ihrer Dimensionierung voneinander unterscheiden. Insbesondere durchläuft jede Teilchensorte 2, 3, 4 in Strömungsrichtung 19 eine speziell an die jeweilige Sorte 2, 3, 4 (und den Arbeitspunkt) angepasste Hindernisstruktur 6, 7, 8. Diese können sich in Form, Größe und Abstand der eingebauten Strukturen unterscheiden.
Weiterhin ist in 1 beispielhaft veranschaulicht, dass die elektrische Kontaktierung 12 eine gemeinsame Kontaktierung für verschiedene (hier sogar alle), parallel durchströmbare Zonen 9, 10, 11 ist. Unter Anlegen eines elektrischen Feldes an den Seiten des Kanals 5 kann dann der isolatorbasierte DEP-Effekt (iDEP) auf die Teilchen ausgelöst werden. In der unmittelbaren Umgebung der jeweiligen DEP-Isolatorstruktur 6, 7, 8 entsteht infolge einer anziehenden Kraftwirkung (pDEP) für eine spezifische Teilchenart 2, 3, 4 ein spezifisches potentielles Minimum, welches unter den gegebenen Arbeitsbedingungen diese und keine andere Art von Teilchen zu „fangen“ vermag. Der Wert für $\vec{\nabla} {| {\vec{E}}_{R M S} |}^{2}$
kann hierbei für jede Teilchenart separat eingestellt werden, um die notwendige pDEP-Kraftwirkung $({\vec{F}}_{D E P})$
zu erhalten. Beispielhafte E-Feldlinien sind in 1 mit dem Bezugszeichen 23 markiert.
2 zeigt schematisch eine perspektivische Detailansicht der Vorrichtung 1 aus 1. Die Detailansicht bezieht sich auf den in 1 markierten Detailausschnitt 20. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zur 1 vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
In 2 ist die hier beispielhafte Ausgestaltung der voneinander verschiedenen Hindernisstrukturen 6, 7, 8 vergrößert in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. Wie bereits oben erörtert, sind die Hindernisstrukturen 6, 7, 8 hier beispielhaft Isolatorstrukturen (iDEP-System). Diese sind gemäß der Darstellung nach 2 hier weiterhin beispielhaft in der Art einer isolierenden Pfostenstruktur gebildet.
3 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 während einer beispielhaften ersten Betriebsphase. Diese erste Betriebsphase kann auch als Vorsortierungsphase bezeichnet werden. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den 1 und 2 vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
In 3 ist auch veranschaulicht, dass der Kanal 5 stromauf der Hindernisstrukturen 6, 7, 8 wahlweise mit einem Proben-Behälter 16 und einem Behälter 17 für ein Puffermedium verbindbar ist. Während der ersten Betriebsphase sind ein (steuerbares) Probenbehälterventil 24 und ein (steuerbares) Pufferbehälterventil 25 offen, sodass sich in dem Kanal 5 stromauf der Vorsortierung 15 eine Mischung aus Probe (hier beispielhaft die Teilchen verschiedener Art 2, 3, 4 enthaltendes (Voll-)Blut) und Pufferlösung (zum Verdünnen des Bluts) bildet. Diese Mischung wird einer oben näher beschriebenen Vorsortierung unterworfen.
4 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 während einer beispielhaften zweiten Betriebsphase. Diese zweite Betriebsphase kann auch als eine Einfangphase bezeichnet werden. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den 1, 2 und 3 vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Die Teilchen („Zielteilchensorten“, hier Sorten 2, 3 und 4) können entgegen der Strömungsrichtung 19 (unter Einsatz der oben beschriebenen Dielektrophorese (DEP)) festgehalten und damit aus der Mischung von mehreren Sorten innerhalb des umgebenden Mediums („sonstige Probenbestandteile“) separat untereinander extrahiert werden. Die sonstigen Probenbestandteile sind hier mit dem Bezugszeichen 26 markiert.
5 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung während einer beispielhaften dritten Betriebsphase. Diese dritte Betriebsphase kann auch als ein Spülvorgang bezeichnet werden. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den 1, 2, 3 und 4 vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Nach einem Probendurchlauf und nach Ausschalten des elektrischen Feldes könnten die eingefangenen Zielpartikel 2, 3, 4 beispielsweise durch einen nachfolgenden Spülgang an dahinter geschaltete Verarbeitungseinheiten 27 zur weiteren Prozessierung geleitet werden. Durch Verzweigungen 18 des Kanals 5 stromab der Hindernisstrukturen 6, 7, 8 bzw. am Ausgang des Kanals 5 kann beispielhaft sichergestellt werden, dass gefangene Teilchensorten 2, 3, 4 auch im weiteren Verlauf räumlich (hier insbesondere in y-Richtung) getrennt bleiben.
Ein weiterer Vorteil des hier vorgestellten Systems bzw. der Vorrichtung 1 kann auch darin gesehen werden, dass durch den Einfang der Teilchen 2, 3, 4 im Zuge des Spülgangs das Puffermedium ausgetauscht werden kann. Ein beispielhafter Ablauf zu einer solchen Teilchenmanipulation kann den 3 bis 5 auch entnommen werden.
Darüber hinaus ist in den 3, 4 und 5 auch eine Rückführung 13 von einem stromabwärtigen Bereich zu einem stromaufwärtigen Bereich vorgesehen, die über ein mikrofluidisches Ventil 14 steuerbar ist. Optional könnte für einen insbesondere effizienteren Einfang des vorgeschlagenen Systems zwischen einem zu den Hindernisstrukturen 6, 7, 8 stromabwärtigen Bereich und einem zu der Vorsortierung 15 stromaufwärtigen Bereich eine geeignete Feedback-Schleife 13 eingebaut werden, welche über ein mikrofluidisches Ventil 14 steuerbar wäre und für den Moment eines eingeschalteten E-Feldes (teil-) durchlässig wäre. Dann könnten vorzugsweise nicht eingefangene oder falsch vorsortierte Teilchen 2, 3, 4 rückgeführt und evtl. nochmals prozessiert werden. Sollen bereits gefangene Teilchen 2, 3, 4 hingegen für eine weitere Verarbeitung durch Abschalten des E-Feldes freigegeben werden, so sollte das Feedback bzw. die Rückführung 13 (mittels des Ventils 14) geschlossen sein.
6 zeigt schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte a), b) und c) mit den Blöcken 110, 120 und 130 kann sich beispielsweise bei einem regulären Betriebsablauf ergeben. Darüber hinaus können insbesondere die Schritte a) und b) sowie b) und c) auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. In Block 110 erfolgt ein Zuführen der Teilchen verschiedener Art zu einem mikrofluidischen Kanal. In Block 120 erfolgt ein Einstellen der räumlichen Inhomogenität eines elektrischen Feldes derart, dass Teilchenart-spezifische energetische Minima in Teilchenart-spezifischen, parallel durchströmbaren Zonen des Kanals gebildet werden. In Block 130 erfolgt ein Zurückhalten der entsprechenden Teilchen im Bereich der Teilchenart-spezifischen energetischen Minima.

Claims

Vorrichtung (1) zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art (2, 3, 4), zumindest umfassend: - einen mikrofluidischen Kanal (5), - verschiedene Hindernisstrukturen (6, 7, 8), die einen Kanalquerschnitt des Kanals (5) in verschiedene, parallel durchströmbare Zonen (9, 10, 11) unterteilen, - eine elektrische Kontaktierung (12).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hindernisstrukturen (6, 7, 8) Isolatorstrukturen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hindernisstrukturen (6, 7, 8) Elektrodenstrukturen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hindernisstrukturen (6, 7, 8) sich in ihrer Dimensionierung voneinander unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Kontaktierung (12) eine gemeinsame Kontaktierung für verschiedene, parallel durchströmbare Zonen (9, 10, 11) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Rückführung (13) von einem stromabwärtigen Bereich zu einem stromaufwärtigen Bereich vorgesehen ist, die über ein mikrofluidisches Ventil (14) steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromauf der Hindernisstrukturen (6, 7, 8) eine Vorsortierung (15) für die Teilchen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kanal (5) stromauf der Hindernisstrukturen (6, 7, 8) wahlweise mit einem Proben-Behälter (16) und einem oder mehrere Behälter (17) für ein Puffermedium oder Reagenzmedium verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kanal (5) stromab der Hindernisstrukturen (6, 7, 8) mindestens eine Verzweigung (18) aufweist.
Verfahren zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art (2, 3, 4), zumindest umfassend folgende Schritte: a) Zuführen der Teilchen verschiedener Art (2, 3, 4) zu einem mikrofluidischen Kanal (5), b) Einstellen der räumlichen Inhomogenität eines elektrischen Feldes derart, dass Teilchenart-spezifische energetische Minima in Teilchenart-spezifischen, parallel durchströmbaren Zonen (9, 10, 11) des Kanals (5) gebildet werden, c) Zurückhalten der entsprechenden Teilchen (2, 3, 4) im Bereich der Teilchenart-spezifischen energetischen Minima.