DE102020202274A1 - Microfluidic channel element for improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis - Google Patents
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Abstract
Mikrofluidikkanalelement zur verbesserten Separation von Zielpartikeln (1) aus Nicht-Zielpartikeln (2) innerhalb eines Mediums auf der Basis von Dielektrophorese, umfassend einen Boden (21) und eine Elektrodenanordnung (3,4), die eine Mehrzahl von planaren Elektroden (3,4) aufweist, welche jeweils mindestens eine Kante aufweisen, wobei die Elektrodenanordnung (3,4) derart auf dem Boden (21) angeordnet ist, dass das Medium an der Elektrodenanordnung (3,4) vorbeiströmt, sodass die Zielpartikel (1) innerhalb des Mediums durch die planaren Elektroden (3) eingefangen werden; und wobei die Elektrodenanordnung (3,4) mit einem Isolatormaterial (15) derart überzogen ist, dass ein wannenförmiger Freiraum (18) mit einer Tiefe (16) und einer Breite (17) im Bereich der mindestens einen Kante (20) der jeweiligen planaren Elektroden (3,4) ausgeformt ist, sodass die eingefangenen Zielpartikel (1) durch den wannenförmigen Freiraum (18) vor den Nicht-Zielpartikeln (2) und dem vorbeiströmenden Medium geschützt werden.Microfluidic channel element for improved separation of target particles (1) from non-target particles (2) within a medium on the basis of dielectrophoresis, comprising a base (21) and an electrode arrangement (3, 4) which has a plurality of planar electrodes (3, 4 ) each having at least one edge, the electrode arrangement (3, 4) being arranged on the bottom (21) in such a way that the medium flows past the electrode arrangement (3, 4) so that the target particles (1) are within the medium captured by the planar electrodes (3); and wherein the electrode arrangement (3, 4) is covered with an insulator material (15) in such a way that a trough-shaped free space (18) with a depth (16) and a width (17) in the region of the at least one edge (20) of the respective planar Electrodes (3, 4) is shaped so that the captured target particles (1) are protected from the non-target particles (2) and the medium flowing past by the trough-shaped free space (18).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofluidikkanalelement zur verbesserten Separation von Zielpartikeln aus Nicht-Zielpartikeln innerhalb eines Mediums auf der Basis von Dielektrophorese bzw. eine Vorrichtung umfassend das Mikrofluidikkanalelement.The present invention relates to a microfluidic channel element for improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis or to a device comprising the microfluidic channel element.
Dielektrophorese ist ein bekanntes Phänomen über eine Bewegung von elektrisch ungeladenen/neutralen Partikeln in einem räumlich inhomogenen elektrischen Feld, welches ein Dipolmoment in den jeweiligen Partikeln induziert, sodass die Partikel eine Kraft aufgrund der Wechselwirkung des Dipolmoments und des inhomogenen elektrischen Feldes erfahren und sich infolgedessen bewegen. In der Praxis wird die Bewegung der Partikel, die sich aus Zielpartikeln und Nicht-Zielpartikeln zusammensetzen, durch Ansteuerung des elektrischen Feldes manipuliert, somit werden die Zielpartikel aus den Nicht-Zielpartikeln separiert.Dielectrophoresis is a well-known phenomenon about the movement of electrically uncharged / neutral particles in a spatially inhomogeneous electric field, which induces a dipole moment in the respective particles, so that the particles experience a force due to the interaction of the dipole moment and the inhomogeneous electric field and move as a result . In practice, the movement of the particles, which are made up of target particles and non-target particles, is manipulated by controlling the electric field, so that the target particles are separated from the non-target particles.
Die Zielpartikel können beispielweise zirkulierende Tumorzellen sein, deren Detektion aus Blut für die Diagnose und Therapie von bösartigen Tumoren sowie Metastasen von großer Bedeutung ist. Allerdings sind die zirkulierenden Tumorzellen äußerst selten im Blut und sehr uneinheitlich in ihren Zelleigenschaften (Heterogenität), daher erweist sich eine zuverlässige Separation von zirkulierenden Tumorzellen (Zielpartikel) aus gesunden Blutzellen (Nicht-Zielpartikel) als eine große Herausforderung.The target particles can be, for example, circulating tumor cells, the detection of which from blood is of great importance for the diagnosis and therapy of malignant tumors and metastases. However, the circulating tumor cells are extremely rare in the blood and their cell properties (heterogeneity) are very inconsistent, which is why a reliable separation of circulating tumor cells (target particles) from healthy blood cells (non-target particles) proves to be a major challenge.
Die Separation der Zielpartikel mittels Dielektrophorese wird normalerweise durch planare Elektroden realisiert, welche in einem in seiner Länge, Breite und Höhe sehr beschränkten Mikrofluidikkanal angeordnet sind (z. B. Länge und Breite < 50 mm, Höhe < 100µm). Dabei strömt ein Medium, umfassend die Zielpartikel und die Nicht-Zielpartikel, durch den Mikrofluidikkanal an den planaren Elektroden vorbei. Um die Zielpartikel durch die planaren Elektroden aus den Nicht-Zielpartikeln separieren (empfangen) zu können, müssen unterschiedliche Parameter hinsichtlich der Dielektrophorese in Verbindung mit der Fluidmechanik vorab festgelegt und echtzeitig geregelt werden. Die Parameter sind beispielweise Flussgeschwindigkeit des Mediums, Dichte der Partikel im Medium, elektrische Feldstärke, usw.The separation of the target particles by means of dielectrophoresis is normally realized by planar electrodes which are arranged in a microfluidic channel that is very limited in length, width and height (e.g. length and width <50 mm, height <100 μm). A medium, comprising the target particles and the non-target particles, flows through the microfluidic channel past the planar electrodes. In order to be able to separate (receive) the target particles from the non-target particles by the planar electrodes, different parameters with regard to the dielectrophoresis in connection with the fluid mechanics have to be defined in advance and regulated in real time. The parameters are, for example, flow speed of the medium, density of the particles in the medium, electrical field strength, etc.
Allerdings können die Separationsreinheit und die Separationseffizienz trotz der optimalsten Auslegung der Parameter aufgrund der extremen Raumbeschränkung des Mikrofluidikkanals und der daraus resultierenden möglichen erhöhten Dipol-Dipol-Wechselwirkungen und von mechanischhydrodynamischen Interaktionen zwischen den Partikeln nur schwer erhöht werden, weil die Zielpartikel mit den Nicht-Zielpartikeln und anderen Zielpartikeln leicht Cluster bilden können.However, the separation purity and the separation efficiency can only be increased with difficulty, despite the most optimal design of the parameters due to the extreme space restriction of the microfluidic channel and the resulting possible increased dipole-dipole interactions and mechanical-hydrodynamic interactions between the particles, because the target particles with the non-target particles and other target particles can easily cluster.
Daher ist es neben den Parametern denkbar, dass die Fang-Fallen in Bezug auf die planaren Elektroden besser konstruiert werden, indem beispielweise physikalische Barrieren im Bereich der Elektroden ausgebildet werden, welche die Clusterbildung der Partikel verhindern können. Dadurch werden die Separationsreinheit und Separationseffizienz erhöht. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die Separation von zirkulierenden Tumorzellen aus Blutzellen wegen ihrer extremen Seltenheit und/oder die Separation von Zielpartikeln aus Nicht-Zielpartikeln, die sehr ähnliche dielektrische Eigenschaften und Verteilungen innerhalb eines Mediums besitzen.Therefore, in addition to the parameters, it is conceivable that the trapping traps can be better constructed in relation to the planar electrodes, for example by forming physical barriers in the area of the electrodes, which can prevent the particles from clustering. This increases the separation purity and separation efficiency. This is particularly advantageous for the separation of circulating tumor cells from blood cells because of their extreme rarity and / or the separation of target particles from non-target particles which have very similar dielectric properties and distributions within a medium.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Hiervon ausgehend wird hier ein besonders vorteilhaftes Mikrofluidikkanalelement zur verbesserten Separation von Zielpartikeln aus Nicht-Zielpartikeln innerhalb eines Mediums auf der Basis von Dielektrophorese beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten an. Die in den Patentansprüchen einzeln genannten Merkmale können beliebig miteinander kombiniert und/oder mit Merkmalen der Beschreibung präzisiert/ausgetauscht werden.Proceeding from this, a particularly advantageous microfluidic channel element for the improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis is described here. Advantageous further developments are specified in the dependent claims. The description, in particular in connection with the figures, explains the invention and specifies further advantageous design variants. The features mentioned individually in the patent claims can be combined with one another as desired and / or specified / exchanged with features of the description.
Hier beschrieben wird ein Mikrofluidikkanalelement zur verbesserten Separation von Zielpartikeln aus Nicht-Zielpartikeln innerhalb eines Mediums auf der Basis von Dielektrophorese, umfassend einen Boden und eine Elektrodenanordnung, die eine Mehrzahl von planaren Elektroden aufweist, welche jeweils mindestens eine Kante aufweisen, wobei die Elektrodenanordnung derart auf dem Boden angeordnet ist, dass das Medium an der Elektrodenanordnung vorbeiströmt, sodass die Zielpartikel innerhalb des Mediums durch die planaren Elektroden eingefangen werden; und wobei die Elektrodenanordnung mit einem Isolatormaterial derart übergezogen ist, dass ein wannenförmiger Freiraum mit einer Tiefe und einer Breite im Bereich der mindestens einen Kante der jeweiligen planaren Elektroden ausgeformt ist, sodass die eingefangenen Zielpartikel durch den wannenförmigen Freiraum vor den Nicht-Zielpartikeln und dem vorbeiströmenden Medium geschützt werden.A microfluidic channel element is described here for the improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis, comprising a base and an electrode arrangement which has a plurality of planar electrodes each having at least one edge, the electrode arrangement such as: the ground is arranged so that the medium flows past the electrode arrangement so that the target particles within the medium are captured by the planar electrodes; and wherein the electrode arrangement is covered with an insulator material in such a way that a trough-shaped free space is formed with a depth and a width in the region of the at least one edge of the respective planar electrodes, so that the captured target particles pass through the trough-shaped free space in front of the non-target particles and the flowing past Medium to be protected.
Das beschriebene Mikrofluidikkanalelement kann insbesondere in einem mikrofluidischen System jeder Art (z. B. Lab-on-Chip-System) zur Separation von Zielpartikeln (z. B. biologische Zellen) aus Nicht-Zielpartikeln auf der Basis der Dielektrophorese eingesetzt werden.The described microfluidic channel element can be used in particular in a microfluidic system of any kind (e.g. lab-on-chip system) for the separation of target particles (e.g. biological cells) from non- Target particles are used on the basis of dielectrophoresis.
Das Mikrofluidikkanalelement weist in der Regel mindestens einen Eingang auf, damit Flüssigkeit durch den mindestens einen Eingang in das Mikrofluidikkanalelement strömen kann. Es ist ebenso vorzugsweise mindestens ein Ausgang für einen Druckabfall vorhanden, durch den das Medium abfließen kann. Dies ist beispielsweise für einen druckbetriebenen Antrieb der Flüssigkeit erforderlich). Die Partikel, die sich aus Zielpartikeln und Nicht-Zielpartikeln zusammensetzen, werden durch ein Medium verdünnt. Somit strömt das Medium mit den Partikeln als Flüssigkeit durch den mindestens einen Eingang ins Mikrofluidikkanalelement, wobei der Boden des Mikrofluidikkanalelementes beispielweise zum Tragen des vorbeiströmenden Mediums dient. Bevorzugt strömt das Medium durch mindestens einen Ausgang wieder aus dem Mikrofluidkanalelement heraus. D. h. das Medium kontaktiert in der Regel den Boden, während es durch das Mikrofluidikkanalelement strömt.The microfluidic channel element generally has at least one inlet so that liquid can flow through the at least one inlet into the microfluidic channel element. There is also preferably at least one outlet for a pressure drop through which the medium can flow off. This is necessary, for example, for a pressure-operated drive of the liquid). The particles composed of target particles and non-target particles are diluted by a medium. The medium with the particles thus flows as a liquid through the at least one inlet into the microfluidic channel element, the bottom of the microfluidic channel element serving, for example, to carry the medium flowing past. The medium preferably flows out of the microfluidic channel element again through at least one outlet. I. E. the medium usually contacts the ground as it flows through the microfluidic channel element.
Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes sind mindestens eine positive Elektrode und mindestens eine negative Elektrode erforderlich. Nebeneinander angeordnete Elektroden sind üblicherweise abwechselnd zueinander gepolt. Das heißt beispielsweise, dass eine positiv gepolte Elektrode (+-Elektrode) (nur) benachbart zu negativ gepolten Elektroden (--Elektroden) angeordnet ist. Die hier angewendeten Elektroden sind planare Elektroden, deren Dicke (dElektrode) viel kleiner als die Ausdehnung der Zielpartikel (dZielpartikel) ist, z. B. nur wenige Hundert nm (Nanometer) bis wenige µm (Mikrometer). Die Elektroden können in Arbeitselektroden und Referenzelektroden unterschieden werden, wobei die Arbeitselektroden für den Empfang der Zielpartikel und die Referenzelektroden für die Erzeugung von elektrischen Feldern relevant sind. Es bestehen aber gegebenenfalls keine physikalischen Unterschiede zwischen Arbeitselektroden und Referenzelektroden.At least one positive electrode and at least one negative electrode are required to generate an electric field. Electrodes arranged next to one another are usually polarized alternately with one another. This means, for example, that a positively polarized electrode (+ -electrode) is (only) arranged adjacent to negatively polarized electrodes (--electrodes). The electrodes used here are planar electrodes whose thickness (d electrode ) is much smaller than the size of the target particles (d target particles ), e.g. B. only a few hundred nm (nanometers) to a few µm (micrometers). The electrodes can be divided into working electrodes and reference electrodes, the working electrodes being relevant for receiving the target particles and the reference electrodes being relevant for generating electrical fields. However, there may be no physical differences between working electrodes and reference electrodes.
Alle mit Strom betriebenen Elektroden („+” und „-”) sind an der Erzeugung von elektrischen Feldern beteiligt. Somit könn(t)en die Zielpartikel in Reichweite bei positiven vermittelten Kräften (pDEP) auch an alle beteiligten Elektrodenkanten herangezogen werden.All electrodes powered by electricity (“+” and “-”) are involved in the generation of electrical fields. In this way, the target particles within reach can (s) also be drawn to all participating electrode edges in the case of positive mediated forces (pDEP).
Auf dem Boden sind zumindest eine Mehrzahl von Elektroden angeordnet, welche wirksame Kräfte auf die Zielpartikel durch Beaufschlag von Stromsignalen ausüben. Somit werden die Zielpartikel, die an dem Boden vorbeiströmen, durch die Elektroden als Fang-Fallen eingefangen, wobei die eingefangenen Zielpartikel in der Regel an den Kanten der Elektroden gesammelt werden.At least a plurality of electrodes are arranged on the floor, which electrodes exert effective forces on the target particles by applying current signals. Thus, the target particles that flow past the ground are caught by the electrodes as catching traps, the captured target particles usually being collected at the edges of the electrodes.
Die dielektrophoretische Kraft auf ein (sphärisches) Partikel lässt sich im einfachsten Fall mit Hilfe des sogenannten Clausius-Mossotti-Faktors f̃CM berechnen. Er verknüpft mikroskopische und makroskopische Polarisationseffekte bzw. -wahrnehmungen, und ist von maßgeblicher Bedeutung, um das Vorzeichen und die Amplitude der dielektrophoretischen Kraft zu berechnen. Der Clausius-Mossotti-Faktor f̃CM lässt sich wie folgt berechnen:
Dabei entspricht ε̃p der absoluten komplexen elektrischen Permittivität des Partikels und ε̃m der absoluten komplexen elektrischen Permittivität des Mediums. Hier lässt sich die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraft <
Dabei entspricht R dem Radius des Partikels,
Weiter lässt sich die absolute komplexe elektrische Permittivität ε̃ wie folgt berechnen:
Dabei entspricht ε der absoluten reellen elektrischen Permittivität,
Je nach Vorzeichen von dem reellen Anteil des Clausius-Mossotti-Faktors Re(f̃CM), welcher abhängig von der Frequenz des elektrischen Feldes und der relativen Abstimmung zwischen frequenzabhängiger absoluter reeller elektrischer Permittivität ε und elektrischer Leitfähigkeit σ zwischen Medium und Partikel (innerem) ist, kann zur Manipulation entweder eine anziehende (pDEP) oder abstoßende (nDEP) dielektrophoretische Kraftwirkung auf einzelnes Partikel hervorgerufen werden. Dabei wird die Frequenz, bei welcher die Kraftwirkung für eine Partikelsorte gerade ihr Vorzeichen ändert, als Übergangsfrequenz fc bezeichnet.Depending on the sign of the real part of the Clausius-Mossotti factor Re (f̃ CM ), which is dependent on the frequency of the electric field and the relative coordination between frequency-dependent absolute real electrical permittivity ε and electrical conductivity σ between medium and particle (inner) , for manipulation, either an attractive (pDEP) or a repulsive (nDEP) dielectrophoretic force can be produced on individual particles. It will the frequency at which the force effect for a particular type of particle just changes its sign is referred to as the transition frequency f c .
Um die Zielpartikel empfangen zu können, werden zumindest noch Kräfte in Bezug auf die Fluidmechanik in Verbindung mit der Dielektrophorese wie folgt betrachtet:
- < FpDEP>: zeitgemittelte dielektrophoretische Kraft auf ein Zielpartikel
- < FpDEP,z>: zeitgemittelte dielektrophoretische Kraftkomponente in z-Richtung auf ein Zielpartikel
- < FpDEP,y>: zeitgemittelte dielektrophoretische Kraftkomponente in y-Richtung auf ein Zielpartikel
- FSteric,y: durch den Boden bei Kontakt vermittelte sterische Kraft in y-Richtung auf ein Zielpartikel
- FLift: auftreibende „Hydrodynamic-Lift-Force“ in y-Richtung auf ein Zielpartikel FSteric,z: durch eine Wand bei Kontakt vermittelte sterische Kraft in der Strömungsrichtung des Mediums in z-Richtung auf ein Zielpartikel
- FStokes: Strömungskraft in der Strömungsrichtung des Mediums in z-Richtung
- < FDestabilizing>: zeitgemittelte destabilisierende Kraft als Überlagerung aus sämtlichen störenden fluktuierenden Einflüssen (z. B. Temperatureinflüsse, etc.) auf ein Zielpartikel in z-Richtung
- <F pDEP >: time-averaged dielectrophoretic force on a target particle
- <F pDEP, z >: time-averaged dielectrophoretic force component in the z-direction on a target particle
- <F pDEP , y >: time-averaged dielectrophoretic force component in the y-direction on a target particle
- F Steric , y : steric force imparted by the soil upon contact in the y-direction on a target particle
- F Lift : upward “hydrodynamic lift force” in the y-direction on a target particle F Steric , z : steric force in the flow direction of the medium in the z-direction on a target particle mediated by a wall upon contact
- F Stokes : flow force in the direction of flow of the medium in the z-direction
- <F Destabilizing >: time-averaged destabilizing force as a superposition of all disruptive fluctuating influences (e.g. temperature influences, etc.) on a target particle in the z-direction
Hier bezeichnet man die Strömungsrichtung des Mediums als z-Richtung, und die Richtung, die senkrecht zur z-Richtung seht als y-Richtung. Bevorzugt ist die y-Richtung parallel zur Gewichtskraft der Partikel orientiert. In einer vereinfachenden Annahme für die Betrachtungen sei der Kanal in x-Richtung unendlich weit ausgedehnt, das elektrische Feld und das strömende Fluid besitzen somit keine Komponente in x-Richtung. Die Kräfte wirken daher in z-Richtung und y-Richtung und erhalten im Einfangzustand die Gleichgewichte in den beiden Richtungen aufrecht.The direction of flow of the medium is called the z-direction and the direction perpendicular to the z-direction is called the y-direction. The y-direction is preferably oriented parallel to the weight of the particles. In a simplifying assumption for the considerations, the channel is extended infinitely in the x-direction, the electric field and the flowing fluid thus have no components in the x-direction. The forces therefore act in the z-direction and y-direction and maintain the equilibrium in the two directions in the trapped state.
In y-Richtung soll die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraftkomponente in y-Richtung < FpDEP,y> zumindest größer als die Kraft FLift sein, damit ein Zielpartikel durch eine Arbeitselektrode angezogen werden kann. Bei/nach Kontakt mit dem Boden bzw. im Einfangzustand soll die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraftkomponente in y-Richtung < FpDEP,y> (in negative y-Richtung) gleich der Summe der Kraft FSteric,y und der Kraft FLiftsein (in positive y-Richtung).In the y direction, the time-averaged dielectrophoretic force component in the y direction <F pDEP , y > should be at least greater than the force F Lift so that a target particle can be attracted by a working electrode. During / after contact with the ground or in the trapped state, the time-averaged dielectrophoretic force component in the y-direction <F pDEP , y > (in the negative y-direction) should be equal to the sum of the force F Steric, y and the force F Lift (in positive y-direction).
In z-Richtung lässt sich die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraftkomponente < FpDEP,z> bei einer Betriebsfrequenz zwischen den Übergangsfrequenzen der Zielpartikel und der Nicht-Zielpartikel (Zielpartikel mit pDEP vs. Nicht-Zielpartikel mit nDEP) in Bezug auf die Strömungskraft FStokes wie folgt betrachten:
Um die Separationsreinheit und die Separationseffizienz neben der optimalsten Auslegung der Parameter weiter erhöhen zu können, wird hier die Elektrodenanordnung mit einem strukturierten Isolatormaterial in y- Richtung derart überzogen, dass ein wannenförmiger Freiraum mit einer Tiefe und einer Breite im Bereich der Kanten der jeweiligen Elektroden ausgeformt wird. Dadurch werden physikalische Barrieren gebildet, die z. B. vor Clusterbildungen von Partikeln schützen können.In order to be able to further increase the separation purity and the separation efficiency in addition to the most optimal design of the parameters, the electrode arrangement is covered with a structured insulator material in the y-direction in such a way that a trough-shaped free space with a depth and a width in the area of the edges of the respective electrodes is formed will. As a result, physical barriers are formed which, for. B. can protect against clustering of particles.
Dabei ist die Tiefe des wannenförmigen Freiraums in y-Richtung und die Breite in z-Richtung orientiert. Somit können die Zielpartikel innerhalb des Mediums durch den wannenförmigen Freiraum der jeweiligen Elektroden wie in einer Fang-Falle eingefangen werden, und gleichwohl werden die eingefangenen Zielpartikel durch den wannenförmigen Freiraum als eine physikalische Barriere vor den Nicht-Zielpartikeln und dem vorbeiströmenden Medium geschützt. Somit werden die Separationsreinheit und die Separationseffizienz erhöht.The depth of the trough-shaped free space is oriented in the y-direction and the width in the z-direction. Thus, the target particles within the medium can be trapped by the trough-shaped free space of the respective electrodes like in a trap, and at the same time the trapped target particles are protected by the trough-shaped free space as a physical barrier from the non-target particles and the medium flowing past. Thus, the separation purity and the separation efficiency are increased.
Mit der planaren Elektrodenanordnung mit dem strukturierten Überzug aus Isolatormaterial im Vergleich mit der klassischen planaren Elektrodenanordnung nach dem Einfangprinzip bei sonst gleichen Betriebsbedingungen (gleichermaßen undefinierte Strömungsbedingungen, gleiches Medium, gleiche Spannungs- und Frequenzeinstellungen, usw.), gleichen Abmessungen der Mikrofluidikkanäle und gleicher Dichte von auf dem Boden angeordneten Elektroden, kann der Durchsatz des Mediums mit darin enthaltenen Partikeln (Ziel- sowie Nicht-Zielpartikel) gesteigert werden. Somit werden die Separationsreinheit und die Separationseffizienz erhöht.With the planar electrode arrangement with the structured coating of insulator material in comparison with the classic planar electrode arrangement based on the trapping principle under otherwise identical operating conditions (equally undefined flow conditions, same medium, same voltage and frequency settings, etc.), the same dimensions of the microfluidic channels and the same density of electrodes arranged on the floor, the throughput of the medium with the particles contained therein (target and non-target particles) can be increased. Thus, the separation purity and the separation efficiency are increased.
Die Steigerung des Durchsatzes kann beispielweis über eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und/oder über eine Steigerung der Partikelladungsdichte (d. h. die Partikel mit dem Medium weniger verdünnt) erzielt werden.The increase in throughput can be achieved, for example, by increasing the flow velocity of the medium and / or by increasing the particle charge density (i.e. the particles are less diluted with the medium).
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zielpartikel zirkulierende Tumorzellen und die Nicht-Zielpartikel gesunde Blutzellen.In a preferred embodiment, the target particles are circulating tumor cells and the non-target particles are healthy blood cells.
Der Radius der jeweiligen zirkulierenden Tumorzellen ist typischerweise größer als der Radius der jeweiligen gesunden Blutzellen. Aus der Gleichung (2) geht hervor, dass der Betrag der dielektrophoretischen Kraft eines Partikels abhängig von seinem Radius ist. D. h. je größer der Radius eines Partikels, desto größer ist die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraft, wenn sich das Partikel in demselben elektrischen Feld und Medium befindet.The radius of the respective circulating tumor cells is typically larger than the radius of the respective healthy blood cells. Equation (2) shows that the amount of dielectrophoretic force of a particle depends on its radius. I. E. the larger the radius of a particle, the greater the time-averaged dielectrophoretic force when the particle is in the same electrical field and medium.
Tumorzellen besitzen ferner eine höhere normierte Oberflächenkapazität (d. h. Oberflächenkapazität pro Fläche) und sind damit „faltiger“ als im Vergleich relativ glatte gesunde Blutzellen. Zusammen mit der Größe (Aspekt
Daher wird die Separation von zirkulierenden Tumorzellen aus gesunden Blutzellen durch Ansteuerung der dielektrophoretischen Kraft der beiden Zellsorten erzielt, indem eine geeignete Betriebsfrequenz zwischen den Übergangsfrequenzen von Tumorzellen und gesunden Blutzellen nach der Gleichung (3) ausgewählt wird. Die Betriebsfrequenz wird in der Regel derart ausgewählt, dass positive dielektrophoretische Kräfte (pDEP) auf Tumorzellen (Zielpartikel) und negative dielektrophoretische Kräfte (nDEP) auf gesunde Blutzellen ausgeübt werden. Dabei wirkt pDEP in Richtung maximaler Feldstärke (z. B. zu Elektrodenkanten hin), nDEP exakt entgegengesetzt in Richtung minimaler Feldstärke (z. B. von Elektrodenkanten weg). Somit findet eine Gegenbewegung zur Separation der beiden Zellsorten statt.Therefore, the separation of circulating tumor cells from healthy blood cells is achieved by controlling the dielectrophoretic force of the two cell types by selecting a suitable operating frequency between the transition frequencies of tumor cells and healthy blood cells according to equation (3). The operating frequency is usually selected in such a way that positive dielectrophoretic forces (pDEP) are exerted on tumor cells (target particles) and negative dielectrophoretic forces (nDEP) are exerted on healthy blood cells. Here, pDEP acts in the direction of the maximum field strength (e.g. towards the electrode edges), nDEP in exactly the opposite direction in the direction of the minimum field strength (e.g. away from the electrode edges). Thus, there is a countermovement to the separation of the two cell types.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Tiefe des wannenförmigen Freiraums kleiner oder annährend gleich der Ausdehnung der Zielpartikel.In a further preferred embodiment, the depth of the trough-shaped free space is less than or approximately equal to the extent of the target particles.
Die Tiefe des wannenförmigen Freiraums (hWanne) entspricht der Dicke des in y-Richtung überzogenen Isolatormaterials, und darf nicht zu groß gewählt werden. Vorzugsweise darf die obere Grenze der Tiefe die Ausdehnung der Zielpartikel (dZielpartikel) nicht überschreiten (d. h. hWanne≲ dZielpartikel). Sonst werden Zielpartikel im vorbeiströmenden Medium beim in y-Richtung zu hoch überzogenen Isolatormaterial viel zu weit von Elektrodenkanten entfernt, womit die DEP-Kraft rapide abgeklungen ist und keine Wirkung mehr besitzt, sodass der Betrag der dielektrophoretischen Kraftkomponente der jeweiligen Zielpartikel < FDEP,y> nicht groß genug ist, um die Zielpartikel an die Elektroden anzuziehen. Anderseits verhindert das zu hoch überzogene Isolatormaterial, dass die eingefangenen Zielpartikel nach einem Abschalten von elektrischen Feldern wieder zuverlässig aus den Fang-Fallen (d. h. wannenförmigen Freiräumen) herausgespült werden. Darüber hinaus lassen sich die wannenförmigen Freiräume nur schwer mit dem Medium (typischerweise wasserähnlich) befüllen, wenn die Tiefe (hWanne) zu groß ist.The depth of the trough-shaped free space (h trough ) corresponds to the thickness of the insulator material coated in the y-direction and must not be too large. Preferably, the upper limit of the depth must not exceed the extent of the target particles (d target particles ) (ie h well ≲ d target particles ). Otherwise target particles in the medium flowing past will be removed far too far from the electrode edges if the insulator material is coated too high in the y-direction, so that the DEP force has rapidly decayed and no longer has any effect, so that the amount of the dielectrophoretic force component of the respective target particles <F DEP , y > Is not large enough to attract the target particles to the electrodes. On the other hand, the too high-coated insulator material prevents the trapped target particles from being reliably flushed out of the trap traps (ie tub-shaped free spaces) after the electrical fields have been switched off. In addition, the tub-shaped free spaces can only be filled with the medium (typically water-like) with difficulty if the depth (h tub ) is too great.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Tiefe des wannenförmigen Freiraums größer als die Hälfe der Ausdehnung der Zielpartikel.In a further preferred embodiment, the depth of the trough-shaped free space is greater than half the extent of the target particles.
Damit die absoluten Strömungskräfte auf ein Zielpartikel („Windschatten-Effekt“) und die Wahrscheinlichkeit der Dipol-Dipol-Wechselwirkungen reduziert werden, darf die Tiefe des wannenförmigen Freiraums nicht zu klein gewählt werden. Vorzugsweise ist die Tiefe des wannenförmigen Freiraums größer als die Hälfte der Ausdehnung der Zielpartikel
Ist die Tiefe hWanne nämlich groß genug, können Zielpartikel in Randbereiche eines abgewandelten Strömungsprofils mit insgesamt kleineren Strömungsgeschwindigkeiten „umplatziert“ und eine klarere geometrische Trennung von Zielpartikeln und Nicht-Zielpartikeln in zwei unterschiedlichen Ebenen herbeigeführt werden.If the depth h tub is large enough, target particles can be “relocated” to the edge areas of a modified flow profile with overall lower flow velocities and a clearer geometric separation of target and non-target particles can be brought about in two different levels.
Steigende Strömungskräfte in einer stabil gedachten Fangposition sowie destabilisierende Störungen können durch die Dicke des höheren überzogenen Isolatormaterials (d. h. hWanne) und eine von ihr ausgehenden neuen Gegenkraft auf die Zielpartikel in Form einer horizontalen sterischen Kraft FSteric, z weiterhin zuverlässiger kompensiert werden.Increasing flow forces in an imaginary stable trapping position as well as destabilizing disturbances can still be compensated more reliably by the thickness of the higher coated insulator material (i.e. h well ) and a new counterforce emanating from it on the target particles in the form of a horizontal steric force F Steric , z.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Breite (bWanne) des wannenförmigen Freiraums zwischen ein- und dreifacher Ausdehnung der Zielpartikel.In a further preferred embodiment, the width (b trough ) of the trough-shaped free space is between one and three times the extent of the target particles.
Damit wiederum die absoluten Strömungskräfte auf ein Zielpartikel („Windschatten-Effekt“) und die Wahrscheinlichkeit der Dipol-Dipol-Wechselwirkungen reduziert werden, darf die Breite des wannenförmigen Freiraums bwanne nicht zu groß gewählt werden.In this way, in turn, the absolute flow forces on a target particle ("slipstream effect") and the probability of the dipole-dipole Interactions are reduced, the width of the trough-shaped free space b trough must not be chosen too large.
Insbesondere sollten idealweise keine Nicht-Zielpartikel die Möglichkeit besitzen, fälschlicherweise in einen wannenförmigen Freiraum einzutreten. Andererseits muss der wannenförmige Freiraum breit genug sein, sodass ein Zielpartikel bei den vorgesehenen Strömungsbedingungen problemlos und vollständig in diesen eingezogen werden kann. Insgesamt ist die Breite vorzugsweise zwischen ein- und dreifacher Ausdehnung der Zielpartikel.In particular, ideally, no non-target particles should be able to falsely enter a trough-shaped free space. On the other hand, the trough-shaped free space must be wide enough so that a target particle can be drawn into it completely without any problems under the intended flow conditions. Overall, the width is preferably between one and three times the extent of the target particles.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Tiefe des wannenförmigen Freiraums
Diese Abmessung ist insbesondere vorteilhaft für die Separation der zirkulierenden Tumorzellen aus den gesunden Blutzellen, weil der Durchmesser (d. h. Ausdehnung) der größten zu erwartenden zirkulierenden Tumorzellen ca. 30 µm beträgt, dann folgt nach den oben beschriebenen Bedingungen für die Tiefe des wannenförmigen Freiraums 15 µm bzw. die Breite des wannenförmigen Freiraums 30 µm. Bevorzugt sollen die Abmessungen auf sämtliche Zellen bezogen sein, die im Blut eines Patienten aufgefunden werden können (andere Tests möglich).This dimension is particularly advantageous for the separation of the circulating tumor cells from the healthy blood cells, because the diameter (i.e. dimension) of the largest expected circulating tumor cells is approx. 30 µm, then, according to the conditions described above, the depth of the tub-shaped free space is 15 µm or the width of the trough-shaped free space 30 µm. The dimensions should preferably be based on all cells that can be found in the blood of a patient (other tests are possible).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Isolatormaterial ein fotosensitiver Lack.In a further preferred embodiment, the insulating material is a photosensitive lacquer.
Der fotosensitive Lack könnte entweder als ein fertiger Trockenresist auf die Elektrodenanordnung laminiert oder als Lack auf diese aufgeschleudert und ausgehärtet und in einem letzten Verarbeitungsschritt fotolithographisch per Fotomaske und Belichtung (UV-Licht) sowie Entwicklung an den erwünschten Stellen geöffnet werden.The photosensitive lacquer could either be laminated onto the electrode arrangement as a finished dry resist or spun onto the electrode arrangement as a lacquer and cured and opened in a final processing step photolithographically using a photomask and exposure (UV light) and development at the desired points.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Isolatormaterial per Laser aus einem Folienmaterial herausgebrannt.In a further preferred embodiment, the insulator material is burned out of a film material by laser.
Alternativ können die wannenförmigen Freiräume per Laser (z. B. UKP-Laser) aus einer Polymerfolie (z. B. PC, PMMA, usw.) „herausgebrannt“ werden, die, wie der fotosensitive Trockenresist auch, in der passenden Dicke (hWanne) auf die Elektrodenanordnung aufgebracht wurde. Es könnte sich aber auch allgemein um ein beliebiges dünnes Folienmaterial (z. B. Metall mit ausreichend dicker Oxidschicht, etc.) handeln, welches ausgeschnitten wird.Alternatively, the tub-shaped free spaces can be "burned out" by laser (e.g. USP laser) from a polymer film (e.g. PC, PMMA, etc.) which, like the photosensitive dry resist, has the appropriate thickness (h Tub ) was applied to the electrode assembly. However, it could also generally be any desired thin film material (e.g. metal with a sufficiently thick oxide layer, etc.) that is cut out.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrodenordnung eine fertige Platine. Dabei kann die Elektrodenanordnung beispielweise als eine fertige Platine (PCB) oder in Siliziumtechnologie realisiert werden.In a further preferred embodiment, the electrode arrangement is a finished circuit board. The electrode arrangement can be implemented, for example, as a finished circuit board (PCB) or in silicon technology.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die planaren Elektroden in einem Array benachbart angeordnet, wobei sich Potentialdifferenzen zwischen den jeweiligen Elektroden und deren benachbarten Elektroden bilden, wenn das Medium zwischen den jeweiligen Elektroden und deren benachbarten Elektroden strömt.In a further preferred embodiment, the planar electrodes are arranged adjacently in an array, with potential differences being formed between the respective electrodes and their neighboring electrodes when the medium flows between the respective electrodes and their neighboring electrodes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Separation von Zielpartikeln aus Nicht-Zielpartikeln beschrieben, die mindestens ein Mikrofluidikkanalelement umfasst. Dabei kann eine solche Vorrichtung ein Separator oder eine Separationskammer sein, welche beispielweise für ein Chiplabor (Lab-on-a-chip) eingesetzt werden kann.In a further preferred embodiment, a device for separating target particles from non-target particles is described which comprises at least one microfluidic channel element. Such a device can be a separator or a separation chamber, which can be used, for example, for a chip laboratory (lab-on-a-chip).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 planare Elektrodenanordnung ohne Isolatormaterial in der Seitenansicht -
2 planare Elektrodenanordnung mit Isolatormaterial in der Seitenansicht -
3 planare Elektrodenanordnung ohne Isolatormaterial in der Aufsicht -
4 planare Elektrodenanordnung mit Isolatormaterial in der Aufsicht -
5 REM-Aufnahme von wannenförmigen Freiräumen auf der Basis von Flex-PCB-Technologie
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1 planar electrode arrangement without insulator material in side view -
2 planar electrode arrangement with insulator material in a side view -
3 planar electrode arrangement without insulator material in plan view -
4th planar electrode arrangement with insulator material in plan view -
5 SEM recording of trough-shaped free spaces based on Flex-PCB technology
Das Zielpartikel
Das elektrische Feld
Das Medium, umfassend das Zielpartikel
Um das Zielpartikel
Bei/nach Kontakt mit dem Boden
Darüber hinaus zeigt
Mit Hilfe von dem Isolatormaterial
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020202274.7A DE102020202274A1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Microfluidic channel element for improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102020202274.7A DE102020202274A1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Microfluidic channel element for improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102020202274A1 true DE102020202274A1 (en) | 2021-08-26 |
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ID=77175942
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE102020202274.7A Pending DE102020202274A1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Microfluidic channel element for improved separation of target particles from non-target particles within a medium on the basis of dielectrophoresis |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE102020202274A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020036142A1 (en) | 2000-06-14 | 2002-03-28 | Peter Gascoyne | Systems and methods for cell subpopulation analysis |
WO2010147942A1 (en) | 2009-06-16 | 2010-12-23 | Massachusetts Institute Of Technology | Multiphase non-linear electrokinetic devices |
US20190153524A1 (en) | 2016-09-15 | 2019-05-23 | Abbott Laboratories | Devices and Methods for Sample Analysis |
DE102018210693A1 (en) | 2018-06-29 | 2020-01-02 | Robert Bosch Gmbh | Device and method for the dielectric separation of particles |
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2020
- 2020-02-21 DE DE102020202274.7A patent/DE102020202274A1/en active Pending
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