DE19860118C1 - System for dielectrophoretical manipulation of particles suspended in a liquid - Google Patents
System for dielectrophoretical manipulation of particles suspended in a liquidInfo
- Publication number
- DE19860118C1 DE19860118C1 DE19860118A DE19860118A DE19860118C1 DE 19860118 C1 DE19860118 C1 DE 19860118C1 DE 19860118 A DE19860118 A DE 19860118A DE 19860118 A DE19860118 A DE 19860118A DE 19860118 C1 DE19860118 C1 DE 19860118C1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- channel
- electrodes
- electrode
- micro
- particles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
- B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
- B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
- B03C5/02—Separators
- B03C5/022—Non-uniform field separators
- B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/30—Micromixers
- B01F33/3031—Micromixers using electro-hydrodynamic [EHD] or electro-kinetic [EKI] phenomena to mix or move the fluids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/30—Micromixers
- B01F33/3032—Micromixers using magneto-hydrodynamic [MHD] phenomena to mix or move the fluids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2400/00—Moving or stopping fluids
- B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
- B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
- B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electrostatic Separation (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Elektrodenanordnungen zur Erzeugung funktioneller Feldbarrieren in Mikrosystemen, die zur Manipu lierung suspendierter Teilchen eingerichtet sind, insbesondere funktionelle Mikroelektroden zur dielektrophoretischen Ablen kung von mikroskopischen Teilchen, und Mikrosysteme, die mit derartigen Elektrodenanordnungen ausgestattet sind sowie deren Verwendungen.The invention relates to electrode arrangements for production functional field barriers in microsystems leading to manipulation suspended particles are set up, in particular functional microelectrodes for dielectrophoretic deflection kung of microscopic particles, and microsystems with such electrode arrangements are equipped and their Uses.
Die Manipulierung suspendierter Teilchen in fluidischen Mikro systemen ist allgemein bekannt und wird beispielsweise von G. Fuhr et al. in "Naturwissenschaften", Bd. 81, 1994, S. 528 ff., beschrieben. Die Mikrosysteme bilden insbesondere Kanal strukturen, die von einer Suspensionsflüssigkeit mit den zu manipulierenden Teilchen durchströmt werden. In der Regel be sitzen diese Kanalstrukturen eine rechteckige Querschnittsflä che, wobei die in Betriebsposition unteren und oberen Kanal wände (Boden- und Deckflächen) eine größere Breite als die seitlichen Kanalwände (Seitenflächen) besitzen. In den Kanal strukturen sind auf den Kanalwänden Mikroelektroden ange bracht, die mit hochfrequenten elektrischen Feldern beauf schlagt werden. Unter der Wirkung der hochfrequenten elektri schen Felder werden in den suspendierten Teilchen auf der Ba sis negativer oder positiver Dielektrophorese Polarisations kräfte erzeugt, die eine Abstoßung von den Elektroden und in Zusammenwirkung mit Strömungskräften in der Suspensionsflüs sigkeit eine Manipulierung der Teilchen im Kanal erlauben. Die Mikroelektroden herkömmlicher Mikrosysteme sind in der Regel auf den jeweils breiteren Kanalwänden als gerade Elektroden bänder angebracht. Manipulating suspended particles in fluidic micro systems is well known and is used for example by G. Fuhr et al. in "Naturwissenschaften", vol. 81, 1994, p. 528 ff., described. The microsystems in particular form a channel structures from a suspension liquid to the manipulating particles are flowed through. Usually be these channel structures have a rectangular cross-sectional area che, with the lower and upper channel in operating position walls (floor and top surfaces) a greater width than that have side channel walls (side surfaces). In the canal structures are attached to the channel walls of microelectrodes brings that entrusted with high-frequency electrical fields be hit. Under the effect of high-frequency electri fields are in the suspended particles on the Ba sis negative or positive dielectrophoresis polarization Forces generated a repulsion from the electrodes and in Interaction with flow forces in the suspension river allow manipulation of the particles in the channel. The Microelectrodes of conventional microsystems are usually on the wider channel walls than straight electrodes tapes attached.
Zur Erzeugung der für die Dielektrophorese wirksamen hochfre quenten elektrischen Felder wirken jeweils zwei Elektrodenbän der zusammen, die an gegenüberliegenden Kanalwänden mit je weils gleicher Gestalt und Ausrichtung angebracht sind. Die geraden Elektrodenbänder verlaufen beispielsweise parallel zur Kanalausrichtung bzw. Strömungsrichtung der Suspensionsflüs sigkeit im jeweiligen Kanalabschnitt oder unter einem vorbe stimmten Winkel schräg zur Kanalausrichtung. Die Elektroden bänder besitzen zur wirksamen und sicheren Ausbildung der Po larisationskräfte an den zu manipulierenden Teilchen eine Län ge, die die charakteristische Dimension der Teilchen um ein Vielfaches (Faktor rd. 20 bis 50) übersteigt.To generate the high frequency effective for dielectrophoresis Quent electric fields each have two electrode banks the together, each on opposite channel walls because the same shape and orientation are appropriate. The straight electrode strips run parallel to, for example Channel orientation or flow direction of the suspension rivers liquid in the respective channel section or under a agreed angles at an angle to the channel orientation. The electrodes have straps for effective and safe training of the bottom forces on the particles to be manipulated a length ge, which is the characteristic dimension of the particles by one Multiple (factor about 20 to 50) exceeds.
Die herkömmlichen Mikrosysteme besitzen Nachteile in Bezug auf die Wirksamkeit der Erzeugung von Polarisationskräften, die Stabilität und Lebensdauer der Mikroelektroden und die einge schränkte Fähigkeit, Kräftegradienten innerhalb der Kanal struktur zu erzeugen. Diese Nachteile hängen insbesondere mit den über verhältnismäßig große Längen im Kanal gebildeten Elektrodenbändern zusammen. Je länger ein Elektrodenband ist, desto länger befindet sich ein vorbeiströmendes Teilchen im Wirkungsbereich des Elektrodenbandes, so daß auch die Wirksam keit der jeweiligen Mikroelektrode bzw. der durch sie erzeug ten Feldbarriere steigt. Andererseits sind die langen Elektro denbänder auch störanfälliger. Durch Herstellungsfehler oder mechanische Beanspruchungen können Unterbrechungen auftreten, die zum Elektrodenausfall führen. Ferner wurden die Mikroelek troden bisher zur Erzielung einer über die Kanallänge gleich bleibenden und damit reproduzierbaren Kraftwirkung auf die ge nannte gerade Elektrodengestaltung beschränkt.The conventional microsystems have disadvantages with regard to the effectiveness of generating polarizing forces that Stability and lifespan of the microelectrodes and the on limited ability to gradient forces within the channel generate structure. These disadvantages are particularly related the formed over relatively long lengths in the channel Electrode strips together. The longer an electrode band is, the longer there is a flowing particle in the Area of effect of the electrode strip, so that the effective speed of the respective microelectrode or that generated by it field barrier rises. On the other hand, the long ones are electric the tapes also more prone to failure. Due to manufacturing defects or mechanical stresses can occur interruptions, which lead to electrode failure. Furthermore, the microelec tread so far to achieve the same over the channel length lasting and therefore reproducible force effect on the ge just called electrode design limited.
Aufgrund der genannten Nachteile ist auch der Einsatzbereich der genannten fluidischen Mikrosysteme mit dielektrophoreti scher Teilchenmanipulierung auf die Führung der Teilchen in der Kanalstruktur oder die Ablenkung von Teilchen aus einer gegebenen Strömung beschränkt.Because of the disadvantages mentioned, the area of application is also said fluidic microsystems with dielectrophoreti particle manipulation on the guidance of the particles in the channel structure or the deflection of particles from a given current flow.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Elektrodenanord nungen für Mikrosysteme mit dielektrophoretischer Teilchen ablenkung zu schaffen, mit denen die Nachteile herkömmlicher Mikrosysteme überwunden werden und die insbesondere einen er weiterten Anwendungsbereich besitzen und ermöglichen, auch über kürzere Kanalabschnitte wirksame Feldbarrieren zu erzeu gen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, neuartige Mikrosy steme, die mit derart verbesserten Elektrodenanordnungen aus gestattet sind, und Anwendungen derartiger Mikrosysteme anzu geben.The object of the invention is to provide an improved electrode arrangement solutions for microsystems with dielectrophoretic particles to create distraction with the disadvantages of conventional Microsystems are overcome and the particular one he own and enable broader scope, too to create effective field barriers over shorter canal sections gen. The object of the invention is also novel Mikrosy steme that with such improved electrode arrangements are permitted to use such microsystems give.
Diese Aufgabe wird durch Elektrodenanordnungen mit den Merkma len gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh rungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is accomplished through electrode arrangements with the characteristics len solved according to claim 1. Advantageous execution Forms and applications of the invention result from the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist insbesondere da zu eingerichtet, in einem Mikrosystem Feldbarrieren entlang vorbestimmter Bezugsflächen zu erzeugen, die sich zumindest teilweise über die Breite eines Kanals im Mikrosystem er strecken und vorbestimmte Krümmungen relativ zur Längsausdeh nung des Kanals, zur Strömungsrichtung der Suspensionsflüssig keit im Kanal oder zur Bewegungsrichtung der (nicht abgelenk ten) Teilchen besitzen. Mit dem Begriff "Bezugsfläche" wird in diesem Zusammenhang nicht nur ein zweidimensionales Gebilde bezeichnet, sondern ein Raumbereich, auf den sich die Feldwir kung der jeweiligen Mikroelektroden erstreckt und in dem die Feldbarriere zur dielektrischen Beeinflussung der mikroskopi schen Teilchen im Mikrosystem ausgebildet ist. Dieser Raumbe reich entspricht im wesentlichen einem Bereich, der von den Feldlinien der wirksamen Mikroelektroden durchsetzt wird, und erstreckt sich bei zusammenwirkenden Mikroelektrodenpaaren als gekrümmte Hyperfläche zwischen den Mikroelektroden oder bei einzeln wirkenden Mikroelektroden als Hyperfläche, die die Feldlinienverteilung der einzeln wirkenden Mikroelektrode um spannt. Die Bezugsflächen definieren die Orte, an denen Pola risationskräfte in den mikroskopischen Teilchen wirksam er zeugt werden können. Die Mikroelektroden werden so ausgebil det, daß die Bezugsflächen je nach der angestrebten Funktion der jeweiligen Mikroelektroden eine vorbestimmte Krümmung in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Teilchen im Mikrosystem besitzen, so daß eine optimale Zusammenwirkung der Polarisati onskräfte und der mechanischen Kräfte erzielt wird. Daher wer den die Feldbarrieren hier auch als funktionelle Feldbarrieren bezeichnet. Der hier benutzte Begriff "Krümmung" bezieht sich nicht auf die Krümmung von Feldlinien an geraden Mikroelektro den durch das Austreten der Feldlinien in den angrenzenden Raum. Die Krümmung bezeichnet vielmehr die Gestaltung der an Mikroelektroden ausgebildeten Feldbarrieren.An electrode arrangement according to the invention is particularly there to set up in a microsystem along field barriers generate predetermined reference surfaces, which are at least partly over the width of a channel in the microsystem stretch and predetermined curvatures relative to the longitudinal extent channel, to the direction of flow of the suspension liquid speed in the channel or to the direction of movement of the (not distracted ten) have particles. The term "reference surface" is used in this context not just a two-dimensional structure designated, but a spatial area on which the Feldwir kung of the respective microelectrodes and in which the Field barrier for dielectric influencing of the microscopy is formed in the microsystem. This room rich essentially corresponds to an area of the Field lines of the effective microelectrodes is interspersed, and extends with interacting microelectrode pairs as curved hypersurface between the microelectrodes or at single acting microelectrodes as a hypersurface, which the Field line distribution of the single-acting microelectrode tense. The reference surfaces define the places where Pola forces of risk in the microscopic particles can be witnessed. The microelectrodes are thus trained det that the reference areas depending on the intended function of the respective microelectrodes has a predetermined curvature in Relation to the direction of movement of the particles in the microsystem have so that an optimal interaction of the Polarisati forces and mechanical forces is achieved. Hence who which the field barriers also serve as functional field barriers designated. The term "curvature" used here refers not on the curvature of field lines on straight micro-electro by the emergence of the field lines in the adjacent Room. Rather, the curvature denotes the design of the Microelectrode trained field barriers.
Die Feldbarrieren mit den erfindungsgemäß gekrümmten Bezugs flächen werden vorzugsweise nach einer der drei folgenden Grundformen gestaltet. Gemäß einer ersten Variante besteht ei ne erfindungsgemäße Elektrodenanordnung aus mindestens einer bandförmigen, gekrümmten Mikroelektrode, die sich auf der breiteren Kanalwand (Boden- und/oder Deckfläche) zumindest teilweise über die Kanalbreite erstreckt. Bei einer zweiten Variante ist mindestens eine Mikroelektrode vorgesehen, die an der schmaleren Kanalwand (Seitenfläche) angebracht ist. Bei der dritten Variante sind mindestens eine Mikroelektrode auf der Boden- und/oder Deckfläche des Kanals und mindestens eine Hilfselektrode mit Abstand von der Boden- oder Seitenfläche des Kanals angebracht. Die Hilfselektrode liefert eine Defor mation der von der Mikroelektrode oder den Mikroelektroden an den Boden- bzw. Seitenflächen des Kanals ausgehenden Feldlini en, so daß die erfindungsgemäß gekrümmten Bezugsflächen gebil det werden. Bei allen Varianten können die jeweiligen Elektro den (Mikroelektroden, Hilfselektroden) an sich band- oder punktförmig oder flächig ausgebildet sein. Die Elektrodenan ordnungen der zweiten und dritten Variante werden auch als dreidimensionale Elektrodenanordnungen bezeichnet, da dabei Mikroelektroden eingesetzt werden, die aus den Ebenen der Bo den- oder Seitenflächen des Kanals herausragen oder von diesen mit Abstand angeordnet sind.The field barriers with the cover curved according to the invention areas are preferably according to one of the following three Basic shapes designed. According to a first variant, there is ei ne electrode arrangement according to the invention from at least one ribbon-shaped, curved microelectrode located on the wider channel wall (floor and / or top surface) at least partially extends across the channel width. With a second Variant, at least one microelectrode is provided, which is connected to the narrower duct wall (side surface) is attached. At The third variant has at least one microelectrode the bottom and / or top surface of the channel and at least one Auxiliary electrode at a distance from the bottom or side surface of the channel attached. The auxiliary electrode provides a defor tion of the microelectrode or the microelectrodes field lines going out from the bottom or side surfaces of the channel s, so that the curved reference surfaces according to the invention be det. In all variants, the respective electrical the (microelectrodes, auxiliary electrodes) per se band or be punctiform or flat. The electrodes orders of the second and third variants are also called referred to as three-dimensional electrode arrangements because of this Microelectrodes are used, which from the levels of Bo protrude from or from the side of the channel are arranged at a distance.
Gegenstand der Erfindung ist somit die Optimierung von Mikro elektroden in Bezug auf ihre Wirkung auf suspendierte Teil chen, die natürliche oder synthetische Teilchen umfassen kön nen, z. B. zur Erzeugung maximaler Kräfte bei gleichzeitig minimierten elektrischen Verlusten.The invention thus relates to the optimization of micro electrodes in relation to their effect on suspended part that can include natural or synthetic particles NEN, e.g. B. to generate maximum forces at the same time minimized electrical losses.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die Gestaltung der Mikroelektroden kann z. B. an das Strömungsprofil in der Suspensionsflüssigkeit angepaßt werden. Dies liefert den Vor teil, daß die Mikroelektroden kürzer ausgebildet werden und zur Erzeugung geringerer Barrieren ausgelegt sein können, je doch die gleiche Effektivität wie herkömmliche Mikroelektroden in Form gerader Bänder besitzen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit der Mikroelektro den und somit der gesamten Mikrosysteme aus. Außerdem kann der in einem Mikrosystem verfügbare Platz effektiver genutzt wer den. Es werden ferner Elektrodenanordnungen bereitgestellt, mit denen Gradienten und somit in Abhängigkeit vom jeweiligen Kanalbereich verschieden starke Kräfte erzeugt werden können. Es ist beispielsweise vorgesehen, daß die Feldbarrieren der Mikroelektroden so gestaltet sind, daß an den Teilchen in der Mitte des Kanals größere Polarisationskräfte ausgeübt werden als am Rand des Kanals.The invention has the following advantages. The design the microelectrodes can e.g. B. the flow profile in the Suspension liquid can be adjusted. This provides the advantage partly that the microelectrodes are made shorter and can be designed to produce lower barriers, depending but the same effectiveness as conventional microelectrodes in the form of straight ribbons. This has an advantageous effect on the lifespan and functionality of the microelectro and thus the entire microsystem. In addition, the space available in a microsystem can be used more effectively the. Electrode arrangements are also provided, with those gradients and thus depending on the respective Channel area different forces can be generated. It is provided, for example, that the field barriers Microelectrodes are designed so that the particles in the Greater polarizing forces are exerted in the middle of the channel than on the edge of the channel.
Die erfindungsgemäße Ausbildung von Feldbarrieren entlang ge krümmter Bezugsflächen ermöglicht auch die Schaffung neuarti ger Anwendungen von Mikrosystemen, insbesondere zum Lenken von suspendierten Teilchen in bestimmte Kanalbereiche, zum Sortie ren von suspendierten Teilchen nach ihren passiven elektri schen Eigenschaften oder zum Sammeln oder Haltern suspendier ter Teilchen in bestimmten Kanalabschnitten. Zur letztgenann ten Anwendung werden die Mikroelektroden mit einer geometri schen Ausformung zur Halterung der Teilchen in einem Lösungs strom oder zur Erzeugung einer Teilchenformation ausgebildet. All die genannten Anwendungen liefern eine gegenüber dem Mikrosystem berührungsfreie Manipulierung der suspendierten Teilchen, was besonders wesentlich für die Manipulierung bio logischer Zellen oder Zellbestandteile ist.The formation of field barriers according to the invention along ge curved reference surfaces also enable the creation of new art applications of microsystems, in particular for steering suspended particles in certain channel areas, for sorting ren of suspended particles according to their passive electri properties or for suspending or collecting ter particles in certain channel sections. To the latter The microelectrodes are used with a geometri form for holding the particles in a solution current or to generate a particle formation. All of the applications mentioned provide one over the other Microsystem non-contact manipulation of the suspended Particles, which is particularly essential for manipulating bio logical cells or cell components.
Bevorzugte Anwendungen liegen in der Mikrosystemtechnik zur Separation, Manipulierung, Beladung, Fusion, Permeation, Pär chenbilden und Aggregatformation von mikroskopisch kleinen Teilchen.Preferred applications are in microsystem technology Separation, manipulation, loading, fusion, permeation, pair chenbildung and aggregate formation of microscopic Particles.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den im folgenden beschriebenen Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:Details and advantages of the invention will be apparent from the the drawings described below can be seen. Show it:
Fig. 1a bis 1d: schematische Perspektivansichten einer Kanalstruktur mit Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren in einem Mikrokanal und Beispiele erfindungsgemäß gekrümmter Bezugsflächen; FIG. 1a to 1d are schematic perspective views of a channel structure with micro-electrodes for generating field barriers in a microchannel and examples according to the invention curved reference surfaces;
Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf band förmige, gekrümmte Mikroelektroden; Fig. 2 is a schematic plan view of ribbon-shaped, curved microelectrodes;
Fig. 3: eine schematische Draufsicht auf eine abgewandelte Gestaltung bandförmiger, gekrümmter Mikroelektroden; FIG. 3 shows a schematic plan view of a modified design of band-shaped, curved microelectrodes;
Fig. 4a bis 4c: schematische Ansichten zur Illustration von Sortierelektroden zur Teilchensortie rung; FIG. 4a to 4c are schematic views for illustrating tion of sorting electrodes for Teilchensortie;
Fig. 5a und 5b: schematische Ansichten von Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldgradienten; FIGS. 5a and 5b are schematic views of microelectrodes for generating field gradients;
Fig. 6a bis 6e: schematische Ansichten erfindungsgemäßer bandförmiger Fangelektroden; FIG. 6a through 6e are schematic views of inventive band-shaped trapping electrodes;
Fig. 7a bis 7c: weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Fangelektroden; Fig. 7a to 7c show further embodiments of inventive trapping electrodes;
Fig. 8: eine Draufsicht auf verschiedene Elek trodenanordnungen zur Erzeugung von gekrümmten Feldbarrieren; Fig. 8: a plan view of various electrode arrangements for generating curved field barriers;
Fig. 9: eine schematische Ansicht einer Elektro denanordnung an Seitenwänden eines Kanals; Fig. 9: a schematic view of an electrode assembly on the side walls of a channel;
Fig. 10 bis 12: verschiedene Ausführungsformen dreidimen sionaler Elektrodenanordnungen; und Figs. 10 to 12: Various embodiments of three-dimen sional electrode assemblies; and
Fig. 13: eine schematische Draufsicht auf eine segmentierte Elektrodenanordnung. Fig. 13 is a schematic plan view of a segmented electrode assembly.
Fig. 1a zeigt in schematischer Form beispielhaft die Ausführung von Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren in Mikroka nälen. Das fluidische Mikrosystem 20 ist ausschnittsweise in überhöht perspektivischer Seitenansicht einer Kanalstruktur dar gestellt. Der Kanal 21 wird durch zwei mit Abstand auf einem Substrat 22 angeordnete Spacer 23 gebildet, die ein Deckteil 24 tragen. Die Kanalbreite und -höhe betragen rd. 200 µm bzw. 40 µm, können aber auch kleiner sein. Derartige Strukturen werden beispielsweise mit den an sich bekannten Prozessierungstechniken der Halbleitertechnologie hergestellt. Das Substrat 22 bildet die Bodenfläche 21a des Kanals 21. Dementsprechend wird die Deckfläche 21b (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gesondert hervorgehoben) durch das Deckteil 24 gebildet. Die Elektrodenan ordnung 10 besteht aus Mikroelektroden 11, 12, die auf der Bodenfläche 21a bzw. auf der Deckfläche 21b angebracht sind. Jede der Mikroelektroden 11, 12 besteht aus gekrümmten Elektro denbändern, die unten näher beschrieben werden. Fig. 1a shows a schematic example of the execution of microelectrodes for generating field barriers in micro channels. The fluidic microsystem 20 is shown in exaggerated perspective side view of a channel structure. The channel 21 is formed by two spacers 23 arranged at a distance on a substrate 22 and carrying a cover part 24 . The channel width and height are approx. 200 µm or 40 µm, but can also be smaller. Structures of this type are produced, for example, using the processing techniques known per se in semiconductor technology. The substrate 22 forms the bottom surface 21 a of the channel 21 . Accordingly, the cover surface 21 b (not shown separately for reasons of clarity) is formed by the cover part 24 . The electrode arrangement 10 consists of microelectrodes 11 , 12 which are attached to the bottom surface 21 a or on the top surface 21 b. Each of the microelectrodes 11 , 12 consists of curved electrode strips, which are described in more detail below.
In Fig. 1a bilden die Elektrodenbänder eine Elektrodenstruktur, die im einzelnen unten unter Bezug auf die Fig. 2 erläutert wird. Die anderen, im folgenden beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenanordnungen können entsprechend auf den Boden-, Deck- und/oder Seitenflächen des Kanals 21 ange bracht sein. Der Mikrokanal 21 wird von einer Suspensionsflüs sigkeit durchströmt (im Bild von rechts nach links), in der Par tikel 30 suspendiert sind. Die in Fig. 1a dargestellte Elektro denanordnung 10 besitzt beispielsweise die Aufgabe, die Partikel 30 von verschiedenen Bewegungsbahnen innerhalb des Kanals auf eine mittlere Bewegungsbahn gemäß Pfeil A zu führen. Hierzu wer den die Mikroelektroden 11, 12 derart mit elektrischen Poten tialen beaufschlagt, daß sich im Kanal elektrische Feldbarrieren ausbilden, die die von rechts anströmenden Teilchen hin zur Kanalmitte (Pfeilrichtungen B) zwingen.In FIG. 1a, the electrode strips form an electrode structure, which is explained in detail below with reference to FIG. 2. The other embodiments of the electrode arrangements according to the invention described below can be brought accordingly on the bottom, top and / or side surfaces of the channel 21 . The microchannel 21 is flowed through by a suspension liquid (in the image from right to left) in which particles 30 are suspended. The electrode arrangement 10 shown in FIG. 1 a has, for example, the task of guiding the particles 30 from different trajectories within the channel to a middle trajectory according to arrow A. To this end, the microelectrodes 11 , 12 are subjected to such electrical potentials that electrical field barriers form in the channel, which force the particles flowing from the right toward the center of the channel (arrow directions B).
Die typischen Abmessungen der Mikroelektroden 11, 12 liegen bei einer Breite von 0,1 bis zu einigen zehn Mikrometern (typischer weise 5 . . . 10 µm), einer Dicke von 100 nm bis zu einigen Mikro metern (typischerweise 200 nm) und einer Länge von bis zu mehre ren hundert Mikrometern. Das Innere des Kanals 21 wird durch die auf der Ober- und Unterseite der Teile 23, 24 prozessierten Elektroden auf Grund der geringfügigen Dicke der Elektroden nicht eingeschränkt. Das Teil 23 ist ein Spacer, dessen Struktu rierung die seitlichen Kanalwände bildet. The typical dimensions of the microelectrodes 11 , 12 range from 0.1 to a few tens of micrometers (typically 5... 10 .mu.m), a thickness of 100 nm to a few micrometers (typically 200 nm) and a length of up to several hundred micrometers. The inside of the channel 21 is not restricted by the electrodes processed on the top and bottom of the parts 23 , 24 due to the small thickness of the electrodes. The part 23 is a spacer, the structure of which forms the side channel walls.
Die Mikroelektroden 11, 12 werden mittels hochfrequenter elek trischer Signale (typischerweise mit einer Frequenz im MHz- Bereich und einer Amplitude im Voltbereich) angesteuert. Die jeweils gegenüberliegenden Elektroden 11a, 11b bilden ein An steuerpaar, wenngleich auch die in einer Ebene liegenden Elek troden in ihrer Ansteuerung (Phase, Frequenz, Amplitude) zusam menwirken können. Das durch den Kanal 21, d. h. senkrecht zur Strömungsrichtung erzeugte elektrische Hochfrequenzfeld wirkt auf suspendierte Teilchen 30 (die auch lebende Zellen oder Viren sein können) polarisierend. Bei den genannten Frequenzen und geeigneter Leitfähigkeit der die Teilchen umgebenden Sus pensionsflüssigkeit werden die Teilchen von den Elektroden abge stoßen. Damit läßt sich der hydrodynamisch offene Kanal 21 über die elektrischen Felder an- und abschaltbar strukturieren, kom partimentieren bzw. lassen sich die Bewegungsbahnen der Teilchen im passiven Strömungsfeld beeinflussen. Desweiteren ist es mög lich, die Teilchen trotz permanenter Strömung zu retardieren bzw. auch ortsstabil ohne Berührung einer Oberfläche zu positio nieren. Die Art und Ausführung der dazu gebildeten Elektrodenan ordnungen ist auch Gegenstand der Erfindung.The microelectrodes 11 , 12 are driven by means of high-frequency electrical signals (typically with a frequency in the MHz range and an amplitude in the volt range). The respective opposite electrodes 11 a, 11 b form a control pair, although the electrodes lying in one plane can also work together in their control (phase, frequency, amplitude). The high-frequency electrical field generated by the channel 21 , ie perpendicular to the direction of flow, has a polarizing effect on suspended particles 30 (which can also be living cells or viruses). At the abovementioned frequencies and suitable conductivity of the suspension liquid surrounding the particles, the particles are repelled by the electrodes. In this way, the hydrodynamically open channel 21 can be structured via the electric fields so that it can be switched on and off, it can be divided or the movement paths of the particles in the passive flow field can be influenced. Furthermore, it is possible to retard the particles despite permanent flow or to position them in a stable position without touching a surface. The type and design of the electrode arrangements formed therefor is also the subject of the invention.
Im folgenden werden Gestaltungsformen erfindungsgemäßer Elektro denanordnungen beschrieben, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen in den Fig. 2 bis 13 ggf. nur eine planare Elektrodenanord nung (oder Teile einer solchen), z. B. auf der Bodenfläche des Kanals, dargestellt ist.In the following design forms are described dena orders according to the invention electric, for reasons of clarity in Figs. 2 to 13, if necessary, only one planar electrode driving voltage North (or parts thereof), for example. B. is shown on the bottom surface of the channel.
Die Fig. 1b bis 1c zeigen die Grundformen von Feldbarrieren oder elektromagnetischen Begrenzungen, die mit erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen gemäß den obengenannten Varianten reali siert werden. Die Illustrationen sind Prinzipdarstellungen der Bezugsflächen, auf denen die Feldbarrieren mit erfindungsgemäßen Mikroelektroden ausgebildet werden. Aus Übersichtlichkeitsgrün den sind jeweils nur Teile der Seitenfläche (Spacer 23) und der Bodenfläche 21a des Kanals, die Mikroelektroden 11, 12 und der Verlauf der Bezugsflächen (schraffiert) gezeigt.The Fig. 1b to 1c show the basic types of barriers or electromagnetic field limits that the above variants are reali Siert with electrode assemblies according to the invention according to. The illustrations are basic representations of the reference surfaces on which the field barriers are formed with microelectrodes according to the invention. For reasons of clarity, only parts of the side surface (spacer 23 ) and the bottom surface 21 a of the channel, the microelectrodes 11 , 12 and the course of the reference surfaces (hatched) are shown.
Gemäß der obengenannten ersten Variante wird die Feldbarriere im Kanal zwischen zwei gekrümmten Mikroelektroden 11, 12 auf den Boden- bzw. Deckflächen des Kanals gebildet (Fig. 1b). Die Be zugsfläche der Feldbarriere (schraffiert dargestellt) verläuft entsprechend als gekrümmte, auf den Boden- und Deckflächen senk recht stehende Fläche. Sind die Mikroelektroden 11, 12 bei spielsweise entsprechend einem bestimmten hyperbolischen Strö mungsprofil gekrümmt (s. unten), so bildet die Bezugsfläche den Ausschnitt der Mantelfläche eines hyperbolischen Zylinders. Falls die Mikroelektroden 11, 12 nicht genau übereinander ange ordnet sind, so wird die Bezugsfläche auch noch in Bezug auf die Boden- und Deckflächen des Kanals schiefwinklig.According to the above-mentioned first variant, the field barrier is formed in the channel between two curved microelectrodes 11 , 12 on the bottom and top surfaces of the channel ( FIG. 1b). The reference surface of the field barrier (shown hatched) runs accordingly as a curved surface that is perpendicular to the floor and top surfaces. If the microelectrodes 11 , 12 are curved for example according to a certain hyperbolic flow profile (see below), the reference surface forms the cutout of the outer surface of a hyperbolic cylinder. If the microelectrodes 11 , 12 are not arranged exactly one above the other, the reference surface will also be skewed with respect to the bottom and top surfaces of the channel.
Gemäß Fig. 1c umspannt die schraffiert dargestellte Bezugsflä che einen Raumbereich, der von Feldlinien durchsetzt wird, die von einer Mikroelektrode 11 an einer Seitenfläche des Kanals zu einer Mikroelektrode 12 an der gegenüberliegenden Seiten fläche verlaufen. Beim dargestellten Beispiel besitzt die er ste Mikroelektrode 11 eine größere Fläche als die zweite Mikroelektrode 12, so daß bei der letzteren eine Feldlinien konzentration auftritt. Dadurch sind die von der Feldbarriere auf suspendierte Teilchen wirkenden Polarisationskräfte nahe der zweiten Mikroelektrode 12 größer als nahe der ersten Mi kroelektrode 11 (s. auch Fig. 9).Referring to FIG. 1c, the Bezugsflä hatched che spans a region of space, which is traversed by the field lines running surface of a micro-electrode 11 on a side surface of the channel to a micro-electrode 12 on the opposite sides. In the example shown, he ste microelectrode 11 has a larger area than the second microelectrode 12 , so that a field line concentration occurs in the latter. As a result, the polarization forces acting on the suspended particles from the field barrier are greater near the second microelectrode 12 than near the first microelectrode 11 (see also FIG. 9).
Die obengenannte dritte Variante mit einer dreidimensionalen Elektrodenanordnung ist in Fig. 1d illustriert. Die Mikroelek troden 11, 12 befinden sich auf den Boden- bzw. Deckflächen des Kanals, während die Hilfselektrode 13 mit einer geeigneten Halterung in der Kanalmitte angeordnet ist (s. auch Fig. 10). Durch die Hilfselektrode 13 werden die Feldlinien zwischen den Mikroelektroden 11, 12 verzerrt, so daß sich die schraffiert dargestellte, gekrümmte Bezugsfläche (teilweise gezeigt) er gibt.The above-mentioned third variant with a three-dimensional electrode arrangement is illustrated in FIG. 1d. The microelectrodes 11 , 12 are located on the bottom or top surfaces of the channel, while the auxiliary electrode 13 is arranged with a suitable holder in the center of the channel (see also FIG. 10). By means of the auxiliary electrode 13 , the field lines between the microelectrodes 11 , 12 are distorted, so that there is the hatched, curved reference surface (partially shown).
Die illustrierten Bezugsflächen stellen lediglich die Position der Feldbarrieren dar, ohne auch die in den entsprechenden Be reichen wirkenden Kräfte, d. h. die Höhe der Feldbarrieren, zu illustrieren. Die wirkenden Kräfte hängen im wesentlichen von der Feldliniendichte und den passiven elektrischen Eigenschaf ten der zu manipulierenden Teilchen im jeweiligen Kanalbereich ab. Die erfindungsgemäßen funktionellen Feldbarrieren werden somit durch die geometrische Gestalt der zusammenwirkenden Mikroelektroden sowohl in Bezug auf deren Form (Krümmungen usw.), da die dielektrophoretischen Abstoßungskräfte im we sentlichen senkrecht auf den Bezugsflächen stehen, als auch in Bezug auf deren Flächen (Feldliniendichte) beeinflußt.The illustrated reference surfaces only represent the position the field barriers, without also those in the corresponding Be rich acting forces, d. H. the height of the field barriers, too illustrate. The acting forces essentially depend on the field line density and the passive electrical property th of the particles to be manipulated in the respective channel area from. The functional field barriers according to the invention thus by the geometric shape of the interacting Microelectrodes both in terms of their shape (curvatures etc.), since the dielectrophoretic repulsive forces in the we stand substantially perpendicular to the reference surfaces, as well as in Affected in relation to their areas (field line density).
Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 10 entsprechend der obengenannten ersten Variante ist in Fig. 2 dargestellt. Auf der Bodenfläche 21a des seitlich durch die Spacer 23 begrenz ten Kanals eines Mikrosystems sind Mikroelektroden 11a, 11b angeordnet. Die Mikroelektroden 11a, 11b werden über die Steu erleitungen 14 mit hochfrequenten elektrischen Potentialen be aufschlagt und wirken zur Bildung eines sogenannten Partikel trichters wie folgt zusammen.An electrode arrangement 10 according to the invention corresponding to the above-mentioned first variant is shown in FIG. 2. On the bottom surface 21 a of the laterally limited by the spacer 23 th channel of a microsystem, micro electrodes 11 a, 11 b are arranged. The microelectrodes 11 a, 11 b are opened via the control lines 14 with high-frequency electrical potentials and act together to form a so-called particle funnel as follows.
Die Elektrodenanordnung 10 ist dazu vorgesehen, die zunächst in der gesamten Kanalbreite bzw. dem gesamten Kanalvolumen an strömenden Teilchen 30a berührungslos auf eine Mittellinie des Kanals zu fokussieren, wie dies durch die Position des Teil chens 30b illustriert ist. Der Vorteil dieser Anordnung be steht in der Optimierung der Elektrodenbänder in Bezug auf die Sicherheit der Ablenkung (Fokussierung) der suspendierten Teilchen, die Verkürzung der Elektrodenanordnung in Kanallängsrichtung und die Verringerung der elektrischen Ver luste an den Mikroelektroden. The electrode arrangement 10 is intended to focus on the center line of the channel without contact, initially in the entire channel width or the entire channel volume of flowing particles 30 a, as is illustrated by the position of the part 30 b. The advantage of this arrangement is the optimization of the electrode strips with respect to the safety of the deflection (focusing) of the suspended particles, the shortening of the electrode arrangement in the longitudinal direction of the channel and the reduction in electrical losses at the microelectrodes.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besteht die Grundidee der Gestaltung der Mikroelektroden darin, die Krümmung der durch die Feldbarriere gebildeten Bezugsflächen an die Strö mungskräfte im Kanal anzupassen. In Mikrosystemen mit Kanaldi mensionen unterhalb von 500 µm erfolgt nämlich wegen der bei diesen Dimensionen geringen Reynolds-Zahlen die Ausbildung la minarer Strömungen mit vorbestimmten Strömungsprofilen. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Kanalwände ist gerin ger als in der Kanalmitte (Strömungsgeschwindigkeit unmittel bar an der Kanalwand gleich Null). Dadurch treten in der Nähe der Kanalwände geringere Strömungskräfte als in der Kanalmitte auf. Dies ermöglicht eine Manipulierung der Teilchen am Kanal rand mit geringeren Polarisationskräften oder mit steiler ge gen die Strömungskräfte gerichteten Polarisationskräften als in der Kanalmitte. Das Zusammenwirken der Strömungs- und Pola risationskräfte wird unten erläutert. Werden entlang der ge samten Länge der Mikroelektroden im wesentlichen gleiche Pola risationskräfte ausgebildet, so genügt es für eine sichere Ab lenkung, daß die zu manipulierenden Teilchen am Kanalrand auf steiler in den Kanal ragende Mikroelektroden treffen als in der Kanalmitte. Dies erlaubt eine wesentliche Verkürzung der Mikroelektroden (s. unten).In this embodiment of the invention, the basic idea is the design of the microelectrodes in it, the curvature of the reference surfaces formed by the field barrier to the currents adapting forces in the sewer. In microsystems with channel diodes dimensions below 500 µm takes place because of the these dimensions, the low Reynolds numbers the training la mineral flows with predetermined flow profiles. The Flow velocity near the canal walls is low lower than in the middle of the channel (flow velocity immediately bar on the duct wall equals zero). This will kick close flow forces lower than in the middle of the channel on. This enables manipulation of the particles on the channel edge with lower polarization forces or with a steep ge polarization forces directed against the flow forces as in the middle of the canal. The interaction of the flow and pola Risks are explained below. Are along the ge The entire length of the microelectrodes is essentially the same pola trained risk forces, it is enough for a safe exit steering that the particles to be manipulated on the edge of the channel microelectrodes projecting steeper into the channel than in the middle of the canal. This allows a substantial shortening of the Microelectrodes (see below).
Die auf die Teilchen wirkenden Kräfte sind in Fig. 2 beispiel haft in einzelnen Abschnitten der Mikroelektrode 11a illu striert. Die jeweilige Gesamtkraft setzt sich aus der elek trisch induzierten Abstoßungskraft FP (Polarisationskraft) und der Antriebskraft FS zusammen, die durch die Strömung der Sus pensionsflüssigkeit oder auch von außen (z. B. in Zentrifugal systemen als Zentrifugalkraft) ausgeübt wird. Die resultieren de Gesamtkraft FR ergibt sich durch Vektoraddition der Kräfte FP und FS. Schneidet der Vektor der Gesamtkraft FR die Feld barriere der Mikroelektrode 11a nicht, so wird ein Teilchen sicher abgelenkt. Die Kräftediagramme in Fig. 2 illustrieren, daß die Antriebskraft FS hin zur Kanalmitte zunimmt. Zur Erfül lung der genannten Bedingung zur sicheren Teilchenablenkung ändert sich dementsprechend der Winkel zwischen der Ausrich tung der Mikroelektrode 11a und der Kanallängsrichtung von ei nem steileren Winkel am Kanalrand hin zu einem geringen Winkel (nahezu Parallelität) in Kanalmitte.The forces acting on the particles are illustrated in FIG. 2 by way of example in individual sections of the microelectrode 11 a. The respective total force is composed of the electrically induced repulsive force F P (polarization force) and the driving force F S , which is exerted by the flow of the suspension liquid or from outside (e.g. in centrifugal systems as a centrifugal force). The resulting total force F R results from the vector addition of the forces F P and F S. If the vector of the total force F R does not intersect the field barrier of the microelectrode 11 a, a particle is reliably deflected. The force diagrams in FIG. 2 illustrate that the driving force F S increases towards the center of the channel. To meet the above-mentioned condition for safe particle deflection, the angle between the alignment of the microelectrode 11 a and the channel longitudinal direction changes accordingly from a steeper angle at the channel edge to a small angle (almost parallelism) in the center of the channel.
Die Mikroelektroden 11a, 11b sind somit in Abhängigkeit vom Strömungsprofil gekrümmt ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht jede der bandförmigen Mikroelektroden aus einer Vielzahl jeweils gerader Elektrodenabschnitte. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann aber auch ein steti ger Krümmungsverlauf vorgesehen sein. Der Krümmungsverlauf ist entsprechend den in laminaren Strömungen auftretenden parabel- oder hyperbelförmigen Strömungsprofilen entsprechend auch pa rabel- oder hyperbelförmig.The microelectrodes 11 a, 11 b are thus curved depending on the flow profile. In the illustrated embodiment, each of the ribbon-shaped microelectrodes consists of a plurality of straight electrode sections. In a modified embodiment, a continuous curvature course can also be provided. The course of curvature is also correspondingly parabolic or hyperbolic in accordance with the parabolic or hyperbolic flow profiles occurring in laminar flows.
Die Mikroelektroden 11a, 11b bilden erfindungsgemäß die Feld barrieren entlang einer gekrümmten Bezugsfläche.According to the invention, the microelectrodes 11 a, 11 b form the field barriers along a curved reference surface.
Die Mikroelektroden 11c, 11d sind in der Praxis nicht vorgese hen und dienen in der Darstellung dem Vergleich einer erfin dungsgemäßen Anordnung von polygonal gekrümmten Mikroelektro den mit geraden Elektrodenbändern gleicher Ablenkleistung. Es zeigt sich, daß die erfindungsgemäßen Mikroelektroden 11a, 11b deutlich kürzer sind.The micro-electrodes 11 c, 11 d are not vorgese in practice hen and used in the representation of the comparison of a proper arrangement of polygonal OF INVENTION dung curved Microelectric the same straight electrode bands deflection power. It can be seen that the microelectrodes 11 a, 11 b according to the invention are significantly shorter.
Die in Fig. 2 gezeigten schmalen Elektrodenbänder sind gegen über Herstellungsfehlern und lokalen Unterbrechungen sehr emp findlich. Ein Haarriß am Ansatz einer bandförmigen Mikroelek trode führt zum Ausfall der gesamten Mikroelektrode. Dem kann mit einer Elektrodengestaltung abgeholfen werden, die schema tisch in Fig. 3 gezeigt ist. Die zu Fig. 3 beschriebene Struk turierungs- und Abdecktechnik kann auch bei den anderen Aus führungsformen der Erfindung implementiert werden. The narrow electrode strips shown in Fig. 2 are very sensitive to manufacturing errors and local interruptions. A hairline crack at the base of a ribbon-shaped microelectrode leads to failure of the entire microelectrode. This can be remedied with an electrode design, which is shown schematically in Fig. 3. The structuring and covering technology described in relation to FIG. 3 can also be implemented in the other embodiments of the invention.
Fig. 3 zeigt eine Mikroelektrode 11 mit einer Steuerleitung 14. Die Elektrode 11 besteht aus einer elektrisch leitenden Schicht 15, die eine elektrisch nichtleitende Isolations- oder Deckschicht 16 trägt. Die Isolationsschicht 16 besitzt eine Strukturierung in Form von Ausnehmungen, durch die die Schicht 15 freiliegt. In Fig. 3 ist die Isolationshicht 16 schraffiert und die (z. B. metallische) Schicht 15 schwarz gezeichnet. Die Strukturierung der Isolationsschicht erfolgt entsprechend der gewünschten Form von Mikroelektroden, die im dargestellten Beispiel zur Bildung eines Partikeltrichters wie in Fig. 2 eingerichtet sind. Die elektrischen Feldlinien treten von der metallischen Schicht 15 in den Kanal nur in den Bereichen der Ausnehmungen, so daß wiederum Feldbarrieren mit anwendungsab hängig gekrümmten Bezugsflächen gebildet werden. Diese Gestal tung besitzt den Vorteil, daß eine geringfügige Unterbrechung der freiligenden Abschnitte der metallischen Schicht 15 (d. h. der Mikroelektrode) keinen Ausfall bedeutet, da über die rest liche metallische Schicht 15 auch die übrigen freiligenden Be reiche der Mikroelektrode mit den jeweiligen Potentialen be aufschlagt werden. Die Schicht 15 besitzt beispielsweise eine Dicke von rd. 50 nm bis zu einigen µm, typischerweise rd. 200 nm. Die Dicke der Isolationsschicht beträgt rd. 100 nm bis zu einigen µm. Die Isolationsschicht besteht vorzugsweise aus biokompatiblen Materialien (z. B. Oxide, SiO2, SiNO3 und der gleichen, Polymere, Tantalverbindungen oder dergleichen). Fig. 3 shows a microelectrodes 11 with a control line 14. The electrode 11 consists of an electrically conductive layer 15 which carries an electrically non-conductive insulation or cover layer 16 . The insulation layer 16 has a structuring in the form of recesses through which the layer 15 is exposed. In FIG. 3, the insulation layer 16 is hatched and the (eg metallic) layer 15 is drawn in black. The insulation layer is structured in accordance with the desired shape of microelectrodes, which in the example shown are set up to form a particle funnel as in FIG. 2. The electrical field lines occur from the metallic layer 15 in the channel only in the areas of the recesses, so that in turn field barriers are formed with application-dependent curved reference surfaces. This Gestal device has the advantage that a slight interruption of the exposed portions of the metallic layer 15 (ie the microelectrode) means no failure, since the rest of the metallic layer 15 also the other exposed areas of the microelectrode are opened with the respective potentials . The layer 15 has a thickness of approx. 50 nm up to a few µm, typically approx. 200 nm. The thickness of the insulation layer is approx. 100 nm down to a few µm. The insulation layer preferably consists of biocompatible materials (e.g. oxides, SiO 2 , SiNO 3 and the like, polymers, tantalum compounds or the like).
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektro denanordnung 10 entsprechend der obengenannten ersten Variante wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 4a bis 4c erläu tert. Eine wichtige Anwendung fluidischer Mikrosysteme besteht in der Sortierung der suspendierten Teilchen in Abhängigkeit von deren passiven elektrischen Eigenschaften (im folgenden auch als Polarisationseigenschaften bei negativer Dielektro phorese bezeichnet). Die Polarisationseigenschaften hängen von den dielektrischen Eigenschaften der Teilchen und deren Ausma ßen ab. Die dielektrischen Eigenschaften biologischer Zellen sind ein empfindlicher Indikator bestimmter Zelleigenschaften oder -veränderungen, die an sich etwa durch eine Größenbeob achtung nicht erfaßbar wären.Another embodiment of an electrode assembly 10 according to the invention corresponding to the above-mentioned first variant is explained below with reference to FIGS . 4a to 4c. An important application of fluidic microsystems is the sorting of the suspended particles depending on their passive electrical properties (hereinafter also referred to as polarization properties with negative dielectrophoresis). The polarization properties depend on the dielectric properties of the particles and their dimensions. The dielectric properties of biological cells are a sensitive indicator of certain cell properties or changes, which in themselves would not be detectable by observing the size.
Eine Teilchensortierung in Abhängigkeit von ihren passiven elektrischen Eigenschaften basiert auf dem folgenden Prinzip. Ob ein Teilchen die von einer Sortierelektrode ausgebildete Feldbarriere passieren kann, hängt davon ab, ob die resultie rende Kraft aus der Antriebskraft FS und der Polarisationskraft FP (s. oben) die Feldbarriere schneidet oder nicht. Weist die resultierende Gesamtkraft FR durch die Feldbarriere hindurch, so bewegt sich das Teilchen in diese Richtung, d. h. die Sor tierelektrode wird passiert. Weist die resultierende Kraft FR jedoch in einen in Bezug auf die Sortierelektrode stromauf wärts gelegenen Bereich, so wird sich das Teilchen in diese Richtung bewegen und nicht die Sortierelektrode passieren kön nen. Die resultierende Kraft FR hängt, wie oben erläutert wur de, von der Strömungsgeschwindigkeit des Kanals und somit von der x-Position des Teilchens ab. Hin zur Kanalmitte nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu. Damit werden Teilchen mit relativ großer Polarisierbarkeit, die am Kanalrand die Sortierelektro de nicht passieren konnten, hin zur Kanalmitte einer stärkeren Antriebskraft FS ausgesetzt, so daß dann gegebenenfalls ein Vorbeitritt an der Sortierelektrode möglich ist. Die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung folgt dem Strö mungsprofil und ist in der Regel nicht-linear. Dadurch würde sich bei Einsatz einer geraden Sortierelektrode ein nicht- lineares Trennverhalten ergeben. Dies wird durch die Implemen tierung erfindungsgemäß gekrümmter Feldbarrieren kompensiert. Hierzu werden Mikroelektroden 41a, 41b mit einer Krümmung in Abhängigkeit vom Strömungsprofil nach den unter Bezug auf Fig. 2 erläuterten Prinzipien eingesetzt. Particle sorting depending on its passive electrical properties is based on the following principle. Whether a particle can pass through the field barrier formed by a sorting electrode depends on whether or not the resulting force from the driving force F S and the polarizing force F P (see above) crosses the field barrier. If the resulting total force F R passes through the field barrier, the particle moves in this direction, ie the sorting electrode is passed. However, if the resulting force F R is in an area upstream of the sorting electrode, the particle will move in this direction and will not be able to pass through the sorting electrode. The resulting force F R depends, as explained above, on the flow velocity of the channel and thus on the x position of the particle. The flow velocity increases towards the middle of the channel. Thus particles with a relatively large polarizability, which could not pass the sorting electrodes at the edge of the channel, are exposed to a stronger driving force F S towards the center of the channel, so that it is then possible to pass the sorting electrode. The change in flow velocity in the x direction follows the flow profile and is usually non-linear. This would result in a non-linear separation behavior when using a straight sorting electrode. This is compensated for by the implementation of curved field barriers according to the invention. For this purpose, microelectrodes 41 a, 41 b with a curvature depending on the flow profile are used according to the principles explained with reference to FIG. 2.
Fig. 4a zeigt zwei Beispiele gekrümmter Mikroelektroden 41a, 41b auf der Bodenfläche 21a eines Kanals zwischen seitlichen Spacern 23. Der Kanal wird in y-Richtung von links nach rechts durchströmt, wobei die Pfeile v das Geschwindigkeits- Strömungsprofil im Kanal darstellen. Stromaufwärts vor der eigentlichen Sortierelektrode 41a oder 41b befindet sich eine geradlinige Mikroelektrode 47, deren Aufgabe darin besteht, die von links anströmenden Teilchen 30 auf eine Startlinie s zu fokussieren. Die Mikroelektrode 47 kann auch als Fokus sierelektrode bezeichnet werden. Sie ist (wie dargestellt) als gerade, herkömmliche Ablenkelektrode oder auch gekrümmt ausge führt. Stromabwärts von der Fokussierelektrode 47 ist eine der Sortierelektroden 41a oder 41b angeordnet, deren Aufgabe darin besteht, die anströmenden Teilchen 30 in Abhängigkeit von ih ren Polarisationseigenschaften in bezüglich der x-Richtung verschiedene Bahnen im Kanal zu überführen. Die Teilchen mit einer hohen Polarisierbarkeit 30a sollen sich von den Teilchen mit einer geringen Polarisierbarkeit 30b in y-Richtung auf verschiedenen Bahnen weiter bewegen. FIG. 4a shows two examples of curved micro-electrodes 41 a, 41 b on the bottom surface 21a of a channel between lateral spacers 23rd The flow in the y direction is from left to right, with the arrows v representing the speed-flow profile in the channel. Upstream in front of the actual sorting electrode 41 a or 41 b there is a rectilinear microelectrode 47 , the task of which is to focus the particles 30 flowing from the left onto a starting line s. The microelectrode 47 can also be referred to as a focus electrode. It is (as shown) leads straight, conventional deflection or curved. Downstream of the focusing electrode 47 is one of the sorting electrodes 41 a or 41 b, the task of which is to transfer the incoming particles 30 depending on their polarization properties in different paths in the channel with respect to the x-direction. The particles with a high polarizability 30 a should move further in different directions from the particles with a low polarizability 30 b in the y-direction.
Die Sortierelektrode 41a ist für eine lineare Kraftwirkung eingerichtet. Hierzu ist die Krümmung der Mikroelektrode ent sprechend dem Strömungsprofil ausgebildet. Bei geringen Strö mungsgeschwindigkeiten ist ein starker Anstellwinkel zwischen der Mikroelektrode und der y-Richtung und bei größeren Strö mungsgeschwindigkeiten ein geringerer Anstellwinkel ausgebil det. Die Mikroelektrode 41a besitzt somit eine S-Form mit ei nem Wendepunkt in Kanalmitte. Nach Passage der Sortierelektro de 41a besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der x- Koordinate des Teilchens und seiner Polarisierbarkeit. Ist eine nichtlineare Sortierwirkung beabsichtigt, so kann die Mikroelektrode wie die Sortierelektrode 11b gekrümmt sein. Die Krümmung ist schwächer als im Falle der Sortierelektrode 11a, so daß der Einfluß der Antriebskraft FS durch die Strömungsge schwindigkeit nicht kompensiert wird. Je nach den eingestell ten Verhältnissen ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der x-Position der Teilchen und ihrer Polarisierbar keit nach Passage der Sortierelektrode 11b. Diese Gestaltung kann insbesondere zur Trennung von zwei Teilchenarten mit ver schiedenen Polarisierbarkeiten verwendet werden.The sorting electrode 41 a is set up for a linear force effect. For this purpose, the curvature of the microelectrode is designed accordingly to the flow profile. At low flow velocities, a strong angle of attack between the microelectrode and the y direction and at higher flow velocities, a smaller angle of attack is formed. The microelectrode 41 a thus has an S shape with an inflection point in the center of the channel. After passing through the sorting electrode de 41 a, there is a linear relationship between the x coordinate of the particle and its polarizability. Is a nonlinear sorting effect intended, the microelectrode may be curved b as the sorting electrode. 11 The curvature is weaker than in the case of the sorting electrode 11 a, so that the influence of the driving force F S is not compensated for by the speed of the flow. Depending on the adjusted conditions, there is a non-linear relationship between the x-position of the particles and their polarizability after passage of the sorting electrode 11 b. This design can be used in particular to separate two types of particles with different polarizabilities.
Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, daß sich mit einer Sortieranordnung gemäß Fig. 4a Erythrozyten sauber von soge nannten Jurkart-Zellen trennen ließen, ob beide Zellen die gleiche Größe aufweisen.Experimental results have shown that with a sorting arrangement according to FIG. 4a erythrocytes can be cleanly separated from so-called Jurkart cells, whether both cells have the same size.
Falls das Strömungsprofil im Kanal nicht die in Fig. 4a darge stellte ausgeprägt parabolische Gestalt, sondern eine Plateauform besitzt, so werden Sortierelektroden 41c, 41d ge mäß Fig. 4b vorgesehen. Die Strömungsgeschwindigkeit steigt vom Kanalrand her zunächst an und bleibt dann in einem mittle ren Bereich des Kanals im wesentlichen konstant. Zur Erzielung einer linearen Sortierwirkung besitzt die Sortierelektrode 41a im mittleren Bereich eine gerade Bandform und an den Enden Krümmungen zur Berücksichtigung der sich ändernden Antriebs kraft FS. Für eine nichtlineare Sortierwirkung ist die Sor tierelektrode 41d gekrümmt. Vom Ansatz der Sortierelektrode 41d am Steueranschluß 14 hin zu deren Ende ergibt sich eine zunehmende Wirkung der Feldbarriere.If the flow profile in the channel is not shown in Fig. 4a Darge presented pronounced parabolic shape, but a plateau shape, as are c sorting electrodes 41, 41 are provided d accelerator as Fig. 4b. The flow rate initially increases from the channel edge and then remains essentially constant in a central region of the channel. To achieve a linear sorting effect, the sorting electrode 41 a has a straight band shape in the central region and curvatures at the ends to take into account the changing drive force F S. For a non-linear sorting effect, the sorting electrode 41 d is curved. From the approach of the sorting electrode 41 d at the control connection 14 to the end thereof, there is an increasing effect of the field barrier.
Die Gestalt der Sortierelektroden kann auch an kompliziertere Strömungsprofile angepaßt werden, wie dies in Fig. 4c gezeigt ist. Im Mikrosystem 20 münden ein erster Kanal 211 mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und ein zweiter Kanal 212 mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit in einen gemeinsamen Kanal 21. Aufgrund der Laminarität der Strömung bleibt das Strömungsprofil auch im gemeinsamen Strömungsverlauf zunächst erhalten. Entsprechend sind die Sortierelektroden 41e bzw. 41f zur Erzielung einer bestimmten linearen oder nichtlinearen Sortierwirkung gekrümmt ausgebildet. Je geringer die Strö mungsgeschwindigkeit, desto größer ist der Anstellwinkel zwi schen der Richtung der Mikroelektrode (Ausrichtung der Bezugs fläche) und der Kanallängsrichtung (y-Richtung).The shape of the sorting electrodes can also be adapted to more complicated flow profiles, as shown in Fig. 4c. In the microsystem 20 , a first channel 211 with a high flow rate and a second channel 212 with a lower flow rate open into a common channel 21 . Due to the laminarity of the flow, the flow profile is initially retained even in the common flow course. Correspondingly, the sorting electrodes 41 e and 41 f are curved in order to achieve a certain linear or non-linear sorting effect. The lower the flow rate, the greater the angle of attack between the direction of the microelectrode (orientation of the reference surface) and the longitudinal direction of the channel (y direction).
In den Fig. 4b und 4c ist aus Übersichtlichkeitsgründen die Fokussierelektrode 17 gemäß Fig. 4a nicht dargestellt.In Figs. 4b and 4c is for clarity of the focusing electrode 17 according to Fig. 4a not shown.
Die oben erläuterte Sortierung erfolgt unter der Annahme eines über die gesamte Mikroelektrodenlänge konstanten Potentials. In der Realität treten jedoch geringfügige elektrische Ver luste entlang der Mikroelektrode auf, so daß die Feldbarriere vom Ansatz der Mikroelektrode (bei der Steuerleitung) hin zu ihrem Ende immer kleiner wird. Diese Erscheinung kann bei der Krümmung der Sortierelektroden berücksichtigt werden, indem auf der Steuerleitungsseite des Kanals eine größere Elektro denkrümmung vorgesehen ist als am Ende der Sortierelektroden. Die genannte Erscheinung kann jedoch auch bewußt für zusätzli che, nichtlineare Trennwirkungen ausgenutzt werden. Der Potentialabfall hin zum Ende der Mikroelektroden kann bei ab gewandelten Ausführungsformen speziell durch Maßnahmen zur Ausbildung von Feldgradienten verstärkt werden. Dies bedeutet, daß die Höhe der durch die Mikroelektrode gebildeten Feldbar riere im Verlauf des gekrümmten Elektrodenbandes zu- oder ab nimmt. Derartige Gradientenelektroden können mit einer Gestalt gemäß Fig. 5 aufgebaut sein.The sorting explained above takes place on the assumption of a potential that is constant over the entire length of the microelectrode. In reality, however, there are slight electrical losses along the microelectrode, so that the field barrier from the start of the microelectrode (at the control line) towards its end is getting smaller and smaller. This phenomenon can be taken into account in the curvature of the sorting electrodes by providing a larger electrode curvature on the control line side of the channel than at the end of the sorting electrodes. However, the phenomenon mentioned can also be used deliberately for additional, non-linear separation effects. The drop in potential towards the end of the microelectrodes can, in the case of modified embodiments, be reinforced in particular by measures for the formation of field gradients. This means that the height of the field barrier formed by the microelectrode increases or decreases in the course of the curved electrode strip. Such gradient electrodes can be constructed with a shape according to FIG. 5.
Zur Teilchensortierung in Bezug auf verschiedene Merkmalsgrup pen können mehrere Sortierelektroden gemäß Fig. 4 in Kanal richtung aufeinanderfolgend angeordnet werden. Jede Sortier elektrode ist mit einem charakteristischen Potential oder Potentialverlauf bei einer vorbestimmten Frequenz beauf schlagt. So können beispielsweise relativ niedrige Frequenzen (im Bereich von rd. 10 kHz) zur Sortierung in Bezug auf ver schiedene dielektrische Membraneigenschaften und hohe Frequen zen (oberhalb 100 kHz) zur Sortierung in Abhängigkeit von der zytoplasmatischen Leitfähigkeit von biologischen Zellen ver wendet werden.For particle sorting in relation to different feature groups, a plurality of sorting electrodes according to FIG. 4 can be arranged in succession in the channel direction. Each sorting electrode is subjected to a characteristic potential or potential curve at a predetermined frequency. For example, relatively low frequencies (in the range of around 10 kHz) can be used for sorting in relation to various dielectric membrane properties and high frequencies (above 100 kHz) for sorting depending on the cytoplasmic conductivity of biological cells.
Fig. 5 zeigt Gradientenelektroden 51a, 51b aus Übersichtlich keitsgründen mit geraden Elektrodenbändern. Zur Einstellung erfindungsgemäß ausgebildeter Feldbarrieren mit gekrümmten Be zugsflächen besitzen die dargestellten Gradientenelektroden zusätzlich noch eine charakteristische, anwendungsabhängige Krümmung entsprechend den oben erläuterten Prinzipien. Fig. 5 shows gradient electrodes 51 a, 51 b for reasons of clarity with straight electrode strips. To set field barriers designed according to the invention with curved reference surfaces, the gradient electrodes shown additionally have a characteristic, application-dependent curvature in accordance with the principles explained above.
Die Gradientenelektrode 51a wird durch ein geschlossenes, um eine dreieckige Fläche geführtes Elektrodenband gebildet. Mit zunehmendem Abstand von der Steuerleitung 14 wird die Feldli niendichte entsprechend der Auffächerung des Dreiecks gering. Entsprechendes gilt für die Gradientenelektrode 51b mit zwei divergierenden Teilbändern 511b und 512b.The gradient electrode 51 a is formed by a closed electrode band guided around a triangular surface. With increasing distance from the control line 14 , the Feldli line density corresponding to the fanning out of the triangle is low. The same applies to the gradient electrode 51 b with two diverging subbands 511 b and 512 b.
Eine weitere wichtige Anwendung fluidischer Mikrosysteme be steht im Sammeln und zumindest zeitweisen Anordnen von Teil chen oder Teilchengruppen im suspensionsflüssigkeitsdurch strömten Kanal. Hierzu werden erfindungsgemäße Elektrodenan ordnungen als Fangelektroden gestaltet, wie dies im folgenden unter Bezug auf die Fig. 6 bis 8 erläutert wird.Another important application of fluidic microsystems is the collection and at least temporary arrangement of particles or groups of particles in the suspension liquid through the channel. For this purpose, electrode arrangements according to the invention are designed as catch electrodes, as will be explained in the following with reference to FIGS . 6 to 8.
Fig. 6a zeigt die Grundform einer Fangelektrode. Wiederum ist lediglich eine Mikroelektrode auf der Boden- oder Deckfläche eines Kanals gezeigt, die mit einer zweiten Mikroelektrode auf der gegenüberliegenden Kanalseite zusammenwirkt. Eine Fang elektrode 61a besteht aus einem Elektrodenband mit einem Win kelabschnitt 611a und einem Zuführungsabschnitt 612a. Der Win kelabschnitt 611a bildet einen in Strömungsrichtung (x- Richtung) weisenden Winkel. Der Öffnungswinkel des Winkelab schnittes 611a wird in Abhängigkeit von der Gestalt der einzu fangenden Teilchen gewählt und ist vorzugsweise kleiner als 90°, z. B. im Bereich von 20 bis 60°. Die gegenüberliegenden Winkelabschnitte zusammenwirkender Elektroden bilden eine für die einzufangenden Teilchen 30 auch unter Wirkung der An triebskraft durch die Strömung nicht passierbare Barriere. Diese Barriere bleibt für die Dauer der Ansteuerung der Fang elektroden erhalten. Der Zuführabschnitt 612a ist durch eine Isolationsschicht 16 elektrisch unwirksam. Fig. 6b zeigt eine abgewandelte Form einer Fangelektrode 61b, die entsprechend der oben unter Bezug auf Fig. 3 erläuterten Abdecktechnik her gestellt ist. Der elektrisch wirksame Winkelabschnitt 611b wird durch eine Ausnehmung in der Isolationsschicht 16 gebil det, durch die eine tieferliegende metallische Schicht 15 hin zur Suspensionsflüssigkeit mit den Teilchen offen liegt. FIG. 6a shows the basic form of a collecting electrode. Again, only one microelectrode is shown on the bottom or top surface of a channel, which interacts with a second microelectrode on the opposite side of the channel. A catch electrode 61 a consists of an electrode strip with a win kelabschnitt 611 a and a feed section 612 a. The Win kelabschnitt 611 a forms an angle in the flow direction (x direction). The opening angle of the Winkelab section 611 a is selected depending on the shape of the particles to be captured and is preferably less than 90 °, z. B. in the range of 20 to 60 °. The opposite angular sections of interacting electrodes form a barrier for the particles 30 to be captured even under the effect of the driving force due to the flow. This barrier remains for the duration of the triggering of the capture electrodes. The feed section 612 a is electrically ineffective due to an insulation layer 16 . Fig. 6b shows a modified form of a catch electrode 61 b, which is made according to the covering technique explained above with reference to FIG. 3. The electrically effective angle section 611 b is formed by a recess in the insulation layer 16 , through which a deeper metallic layer 15 is exposed to the suspension liquid with the particles.
Die Fig. 6c und 6d zeigen entsprechende Fangelektroden 61c und 61d jeweils mit einer Vielzahl von Winkelabschnitten 611c bzw. 611d. Diese Winkelabschnitte sind wiederum zum Auffangen anströmender Partikel 30 eingerichtet. Durch die Aneinander reihung der Winkelabschnitte 611c bzw. 611d quer zur Ka nallängsrichtung (x-Richtung) können die in den verschiedenen Kanalbereichen anströmenden Teilchen selektiv aufgefangen wer den. Eine Fangelektrode 61c bzw. 61d wird vorteilhafterweise mit einer der Sortierelektroden gemäß den Fig. 4a bis 4c kom biniert. Die sortierten Teilchen werden separat in den einzel nen Fangbereichen der Fangelektroden aufgefangen. Die Fange lektrode 61d entspricht im wesentlichen der Fangelektrode 61c, wobei die genannte Abdecktechnik implementiert wurde. Figs. 6c and 6d show corresponding catch electrodes 61 c and 61 d respectively with a plurality of angular portions 611 c and 611 d. These angular sections are in turn set up to catch inflowing particles 30 . By lining up the angular sections 611 c and 611 d transversely to the longitudinal direction of the channel (x direction), the particles flowing into the different channel areas can be selectively collected. A collecting electrode 61 c and 61 is advantageously bined with one of the sorting electrode according to FIGS. 4a to 4c kom d. The sorted particles are collected separately in the individual capture areas of the capture electrodes. The catch electrode 61 d corresponds essentially to the catch electrode 61 c, the masking technique mentioned being implemented.
Die Fangelektroden 61c bzw. 61d sind besonders gut geeignet eine Aufreihung von Teilchen in der Suspensionsströmung nach Art einer Startlinie zu bilden, von der die Teilchen bei Ab schalten der Steuerpotentiale der Fangelektroden simultan fortströmen.The target electrodes 61 c and 61 d are particularly well suited to form a line-up of particles in the suspension flow in the manner of a starting line, from which the particles flow away simultaneously when the control potentials of the target electrodes are switched off.
Fig. 6e zeigt eine weitere Ausführungsform einer Fangelektrode 61e, bei der auch eine Vielzahl von Winkelabschnitten 611e vorgesehen sind, die jedoch für die Sammlung bzw. das Auffan gen verschieden großer Teilchen oder verschieden großer An sammlungen aus diesen eingerichtet sind. Fig. 6e shows a further embodiment of a catch electrode 61 e, in which a plurality of angular sections 611 e are also provided, which, however, are set up for the collection or collection of different sized particles or different sized collections of these.
Die Ansammlung einer Teilchengruppe 300 mit einer Fangelektro de 71a ist in Fig. 7a illustriert. Diese Ausführungsform einer Fangelektrode unterscheidet sich von der Fangelektrode gemäß Fig. 6a lediglich durch die Ausmaße. Diese Gestaltung eignet sich besonders gut zur Bildung von Teilchenaggregaten. Wieder um wird eine Kombination mit einer Sortieranordnung gemäß den Fig. 4a bis 4c bevorzugt realisiert.The collection of a particle group 300 with a Fangelektro de 71 a is illustrated in Fig. 7a. This embodiment of a catch electrode differs from the catch electrode according to FIG. 6a only in terms of its dimensions. This design is particularly suitable for the formation of particle aggregates. Again, a combination with a sorting arrangement according to FIGS. 4a to 4c is preferably implemented.
Die Elektrodenanordnung gemäß Fig. 7b ist zum separaten Auf fangen von Teilchen oder Teilchengruppen aus der Suspensions strömung im Kanal eingerichtet, die sich in Bezug auf ihre Strömungsbahn in x-Richtung unterscheiden. Die Mikroelektro denanodnung 71b umfaßt mehrere Teil-Fangelektroden jeweils mit einem Winkelabschnitt 711b, die separat ansteuerbar sind. Bei Kombination einer derartigen Fangelektrodenanordnung mit einer Sortieranordnung gemäß den Fig. 4a bis 4c kann mit besonderem Vorteil die folgende Verfahrensweise realisiert werden.The electrode arrangement according to FIG. 7b is collected to separate particles or particle groups on of suspension from the flow in the channel set, the x-direction differ with respect to their flow path in. The Mikroelektro denanodnung 71 b includes several partial target electrodes each with an angular section 711 b, which can be controlled separately. When such a catch electrode arrangement is combined with a sorting arrangement according to FIGS . 4a to 4c, the following procedure can be implemented with particular advantage.
Zunächst wird ein Teilchengemisch, das durch den Kanal im Mi krosystem strömt, in Abhängigkeit von den passiven elektri schen Eigenschaften der Teilchen sortiert und somit auf ver schiedene, in x-Richtung voneinander beabstandete Bahnen ge lenkt. Dann erfolgt die teilchenartspezifische Sammlung der in den einzelnen Bahnen anströmenden Teilchen mit einer Fangelek trode gemäß Fig. 7b. Durch eine zeitlich aufeinanderfolgende Freigabe der Teil-Fangelektroden (jeweils durch Abschalten der Steuerpotentiale) können die vorher sortierten Teilchen grup penweise im Mikrosystem weitergeströmt werden. Im weiteren Ka nalverlauf kann beispielsweise eine Aufspaltung in mehrere Teilkanäle erfolgen, in die die Gruppen der Teilchenarten spe zifisch gelenkt werden. First, a mixture of particles that flows through the channel in the micro system is sorted depending on the passive electrical properties of the particles and is thus directed to different paths that are spaced apart in the x direction. Then the particle-type-specific collection of the incoming particles in the individual lanes takes place with a catch electrode according to FIG. 7b. Through a sequential release of the partial target electrodes (in each case by switching off the control potentials), the previously sorted particles can continue to flow in groups in the microsystem. In the further course of the channel, for example, a division into several subchannels can take place, into which the groups of the particle types are specifically directed.
Fig. 7c zeigt eine weitere Fangelektrode 71c zur Erzeugung ei ner vorbestimmten Partikelformation. Fig. 7c shows a further collecting electrode 71 c for generating ei ner predetermined particle formation.
Die Winkelabschnitte der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Fang elektroden können sich anwendungsabhängig über die gesamte Kanalbreite oder nur über Teile des Kanals erstrecken. Inner halb einer Elektrodenanordnung können Fangelektroden für ein zelne Teilchen und/oder für Teilchengruppen vorgesehen sein.The angular sections of the capture electrodes shown in FIGS. 6 and 7 can extend, depending on the application, over the entire channel width or only over parts of the channel. Within an electrode arrangement, catch electrodes for an individual particle and / or for particle groups can be provided.
Weitere Ausführungsformen kombinierter Sortier- und Fangelek troden sind in der Draufsicht auf die Bodenfläche 21a eines durch die Spacer 23 begrenzten Kanals gemäß Fig. 8 illu striert. Der Kanal wird in y-Richtung von der Suspensionsflüs sigkeit mit suspendierten Teilchen durchströmt. Gemäß Fig. 8a wirkt eine flächige Mikroelektrode 81a auf der Bodenfläche 21a mit einer geraden, bandförmigen Mikroelektrode 82a (gestri chelt eingezeichnet) auf der entgegengesetzten Deckfläche des Kanals zusammen. Die flächige Mikroelektrode 81a ist durch die oben erläuterte Abdecktechnik hergestellt. Eine metallische Schicht trägt eine Isolationsschicht 86 mit einer Ausnehmung entsprechend der Gestalt der Mikroelektrode 81a (schwarz ge zeichnet). Die Feldlinien zwischen den Mikroelektroden 81a und 82a verlaufen quer zur Strömungsrichtung in inhomogener Weise, so daß sich eine asymmetrische Feldbarriere bzw. wiederum eine erfindungsgemäß gekrümmte Bezugsfläche ergibt. In Kanalmitte ist die Feldliniendichte am größten, so daß auch die elek trisch erzeugten Kräfte im Bereich der höchsten Strömungsge schwindigkeit liegen. Dadurch wird in x-Richtung quer über die Kanalbreite ein im wesentlichen konstantes Gleichgewicht zwi schen der Antriebskraft durch die Strömung und der elektri schen Polarisationskraft ausgebildet. Gemäß Fig. 8b wird wie derum eine Feldbarriere mit gekrümmter Bezugsfläche gebildet. Die Mikroelektroden 81b, 82b sind beide linear oder bandförmi ge ausgeführt und nicht gegenüberliegend, sondern versetzt zu einander angeordnet.Further embodiments of combined sorting and collecting electrodes are illustrated in the top view of the bottom surface 21 a of a channel delimited by the spacers 23 according to FIG. 8. The channel is traversed in the y direction by the suspension liquid with suspended particles. Referring to FIG. 8a is a planar microelectrode 81 a acts on the bottom surface 21a together with a straight, belt-shaped micro electrode 82 a (gestri smiles shown) on the opposite top face of the channel. The flat microelectrode 81 a is produced by the covering technique explained above. A metallic layer carries an insulation layer 86 with a recess corresponding to the shape of the microelectrode 81 a (black ge). The field lines between the microelectrodes 81 a and 82 a run inhomogeneously across the flow direction, so that an asymmetrical field barrier or, in turn, a reference surface curved according to the invention results. In the middle of the channel, the field line density is greatest, so that the elec trically generated forces are in the range of the highest flow rate. As a result, a substantially constant equilibrium between the driving force by the flow and the electrical polarization force's rule is formed in the x-direction across the channel width. According to Fig. 8b is formed as a field barrier derum curved reference surface. The microelectrodes 81 b, 82 b are both linear or band-shaped and not opposed, but arranged offset from one another.
Eine Elektrodenanordnung zur Bildung von Teilchenaggregaten ist in Fig. 8c gezeigt. Die Mikroelektroden 81c, 82c bilden eine Reihe nebeneinander angeordneter, trichterförmiger Parti kelfänger. Jeder Partikelfänger 11 wird durch eine Feldbarrie re gebildet, die sich in Strömungsrichtung zunächst trichter förmig verengt und dann in einen geraden Kanalabschnitt 812 mündet. Der Kanalabschnitt ist so bemessen, daß zwei Teilchen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden können. Durch Ausbildung von Adhäsionskräften bilden die Partikel ein Aggregat (sogenannte Pärchenbeladung in Strömungsrichtung). Die Ausführungsform gemäß Fig. 8d ist dahingehend abgewandelt, daß eine Pärchenbeladung quer zur Strömungsrichtung erfolgt. Dabei sind die einzelnen Fängerelemente 811d mit eingangssei tigen Elektrodenspitzen 813d ausgebildet, mit denen eine zu sätzliche Barrierewirkung oder Filterwirkung erzielt wird und bereits vorhandene Aggregate oder größere Teilchen 30d von einer Anordnung in der Fangelektrode 81d ausgeschlossen wer den.An electrode arrangement for forming particle aggregates is shown in FIG. 8c. The microelectrodes 81 c, 82 c form a series of juxtaposed funnel-shaped Parti catcher. Each particle catcher 11 is formed by a field barrier which initially narrows in a funnel shape in the direction of flow and then opens into a straight channel section 812 . The channel section is dimensioned so that two particles can be arranged one behind the other in the direction of flow. By forming adhesive forces, the particles form an aggregate (so-called couple loading in the direction of flow). The embodiment according to FIG. 8d has been modified such that a couple loading takes place transversely to the direction of flow. The individual catcher elements 811 d are formed with input-side electrode tips 813 d, with which an additional barrier effect or filter effect is achieved and already existing aggregates or larger particles 30 d are excluded from an arrangement in the catch electrode 81 d.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektro denanordnung gemäß der obengenannten zweiten Variante ist in Fig. 9 dargestellt. Im Mikrosystem 20 ist zwischen den Spacern 23 ein Kanal 21 gebildet, der durch eine Trennwand 231 in Teilkanäle 211 und 212 unterteilt ist. Die Trennwand 231 be sitzt eine Öffnung 232, in deren Bereich an den Seitenflächen des Kanals 21 die Mikroelektroden 91 und 92 angebracht sind.Another embodiment of an electrode assembly according to the invention according to the above-mentioned second variant is shown in FIG. 9. A channel 21 is formed in the microsystem 20 between the spacers 23 and is divided into subchannels 211 and 212 by a partition 231 . The partition 231 be sits an opening 232 , in the area on the side surfaces of the channel 21, the microelectrodes 91 and 92 are attached.
Die Mikroelektroden 91 und 92 sind sogenannte dreidimensionale oder hohe Elektroden, die an den Seitenflächen aus den Ebenen der Boden- und Deckflächen des Kanals 21 herausragen. Die Her stellung der Mikroelektroden 91 und 92 erfolgt mit an sich be kannten Techniken der Halbleiterprozessierung (z. B. mit dem LIGA-Verfahren). Die Mikroelektrode 91 ist flächig ausgeführt. Die Feldlinien reichen zur gegenüberliegenden, bandförmig aus geführten Mikroelektrode 92 und bilden damit einen gekrümmten Fangbereich mit der in Fig. 1c illustrierten Bezugsfläche.The microelectrodes 91 and 92 are so-called three-dimensional or high electrodes, which protrude on the side surfaces from the levels of the bottom and top surfaces of the channel 21 . The manufacture of the microelectrodes 91 and 92 is carried out using known semiconductor processing techniques (e.g. using the LIGA method). The microelectrode 91 is flat. The field lines extend to the opposite microelectrode 92 , which is made in the form of a band, and thus form a curved capture region with the reference surface illustrated in FIG. 1c.
Werden die Mikroelektroden 91, 92 mit elektrischen Hochfre quenzpotentialen angesteuert, so werden die Partikel 30 mit negativer Dielektrophorese durch die Öffnung 232 in den be nachbarten Teilkanal gedrückt. Diese Teilchenablenkung kann wiederum selektiv in Abhängigkeit von den passiven elektri schen Eigenschaften der suspendierten Teilchen erfolgen. Teil chen mit geringer Polarisierbarkeit bleiben im Ausgangskanal, während Teilchen mit hoher Polarisierbarkeit in den Nachbarka nal abgelenkt werden.If the microelectrodes 91 , 92 are driven with electrical high frequency potentials, the particles 30 are pressed with negative dielectrophoresis through the opening 232 into the adjacent subchannel. This particle deflection can in turn take place selectively as a function of the passive electrical properties of the suspended particles. Particles with low polarizability remain in the output channel, while particles with high polarizability are deflected in the adjacent channel.
Bei der Gestaltung gemäß Fig. 9 ist es nicht zwingend erfor derlich, daß die Mikroelektrode 91 beschaltet ist. Sie kann erdfrei geschaltet sein (floating) oder auch ganz weggelassen werden. Im letzteren Fall wirkt die Mikroelektrode 92 als An tenne. Die Mikroelektroden 91, 92 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Höhe der Seitenflächen des Kanals.In the design according to FIG. 9, it is not necessarily erfor sary that the micro-electrode is wired 91st It can be floating (floating) or omitted entirely. In the latter case, the microelectrode 92 acts as an antenna. The microelectrodes 91 , 92 preferably extend over the entire height of the side surfaces of the channel.
Ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung entsprechend der obengenannten dritten Variante ist in Fig. 10 (entspre chend Fig. 1d) illustriert. In einem Mikrosystem verlaufen wiederum zwei Teilkanäle 211, 212 parallel zueinander und durch eine Trennwand 231 mit einer Öffnung 232 voneinander ge trennt. Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung besteht aus den Mikroelektroden auf den Boden- und Deckflächen in Form von Fokussierungselektroden 101, 102 und der Hilfselektrode 103. Die Hilfselektrode ist an der Trennwand 231 an die Öffnung 232 angrenzend an der stromabwärts gelegenen Seite der Öffnung 232 angeordnet. Die Hilfselektrode 103 verfügt nicht über eine Steuerleitung. Sie dient lediglich der Formung der Bezugsflä che der durch die Elektrodenanordnung gebildeten Feldbarrie ren. Die Mikroelektroden wirken wie folgt zusammen.An embodiment of an electrode arrangement according to the above-mentioned third variant is illustrated in Fig. 10 (accordingly Fig. 1d). In a microsystem, in turn, two subchannels 211 , 212 run parallel to one another and are separated from one another by a partition 231 with an opening 232 . The electrode arrangement according to the invention consists of the microelectrodes on the bottom and top surfaces in the form of focusing electrodes 101 , 102 and the auxiliary electrode 103 . The auxiliary electrode is disposed on the partition 231 adjacent to the opening 232 on the downstream side of the opening 232 . The auxiliary electrode 103 does not have a control line. It only serves to shape the reference surface of the field barriers formed by the electrode arrangement. The microelectrodes interact as follows.
Die Fokussierelektroden 101 und 102 dienen jeweils der Fokus sierung der in den Teilkanälen 211 bzw. 212 anströmenden Teil chen 30a, 30b auf eine Mittellinie entsprechend der Position der Öffnung 232 in der Trennwand 231. Analog zum unter Bezug auf Fig. 9 erläuterten Ablenkprinzip werden die Teilchen durch die Feldbarriere zwischen der Fokussierelektrode 101 und der Hilfselektrode 103 bzw. zwischen der Fokussierelektrode 102 und der Hilfselektrode 103 durch die Öffnung 232 in den be nachbarten Teilkanal abgelenkt oder im gegebenen Teilkanal be lassen. Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise werden die Fo kussierelektroden 101, 102 mit verschiedenen Frequenzen be trieben, um teilchenselektiv zu wirken. Demtentsprechend ist wiederum eine selektive Teilchensortierung in die Teilkanäle oder eine Ablenkung vorbestimmter Teilchen in einen benachbar ten Teilkanal zur Durchführung einer bestimmten Wirkstoffbe handlung mit der dort gegebenen Suspensionsflüssigkeit erziel bar.The focusing electrodes 101 and 102 each serve the focussing of the particles flowing into the subchannels 211 and 212, respectively, parts 30 a, 30 b on a center line corresponding to the position of the opening 232 in the partition 231 . Analogous to the deflection principle explained with reference to FIG. 9, the particles are deflected by the field barrier between the focusing electrode 101 and the auxiliary electrode 103 or between the focusing electrode 102 and the auxiliary electrode 103 through the opening 232 into the adjacent subchannel or in the given subchannel . According to a preferred procedure, the focusing electrodes 101 , 102 are operated at different frequencies in order to act in a particle-selective manner. Accordingly, a selective particle sorting into the subchannels or a deflection of predetermined particles into a neighboring subchannel for carrying out a specific active ingredient treatment with the suspension liquid given there can be achieved.
Eine weitere dreidimensionale Elektrodenanordnung ist in Fig. 11 dargestellt. Ein Kanal 21 wird in y-Richtung mit einer Sus pensionsflüssigkeit durchströmt. Auf der Bodenfläche 21a ist eine Gruppe von Mikroelektroden 111 angeordnet, die in den Ka nal 21 hineinragen und voneinander beabstandet in Strömungs richtung (y-Richtung) ausgerichtet sind. Jede Mikroelektrode 111 besitzt die Form eines Quaders. Die Mikroelektroden 111 bestehen aus Metall oder besitzen eine metallische Oberflä chenbeschichtung, ohne selbst mit einer Steuerleitung versehen zu sein.Another three-dimensional electrode arrangement is shown in FIG. 11. A channel 21 is flowed through in the y direction with a suspension liquid. On the bottom surface 21 a, a group of microelectrodes 111 is arranged which protrude into the channel 21 and are oriented at a distance from one another in the flow direction (y direction). Each microelectrode 111 has the shape of a cuboid. The microelectrodes 111 are made of metal or have a metallic surface coating without being provided with a control line itself.
Auf der gegenüberliegenden Kanalwand (Deckfläche, nicht darge stellt) ist eine flächige Elektrodenanordnung 112 (Ablenkelek trode) vorgesehen, die mit den Mikroelektroden 111 wie folgt zusammenwirkt. Die in y-Richtung strömenden Teilchen 30a wer den den Feldbarrieren ausgesetzt, die durch die feldformenden Mikroelektroden 111 asymmetrisch und durch gekrümmte Bezugs flächen gekennzeichnet sind. Wiederum erfolgt eine Ablenkung der Teilchen in Abhängigkeit von den passiven elektrischen Eigenschaften. Schwach polarisierbare Teilchen 31a strömen weiter in y-Richtung, während stärker polarisierbare Teilchen 30b in die Abstände zwischen den feldformenden Elektroden 111 abgelenkt werden. Die abgelenkten Teilchen 30b werden dement sprechend aufgefangen oder aufgesammelt und nicht mehr mit der Strömung in y-Richtung weiter transportiert.On the opposite channel wall (top surface, not shown), a flat electrode arrangement 112 (deflection electrode) is provided which interacts with the microelectrodes 111 as follows. The flowing in the y-direction particles 30 a who exposed to the field barriers, which are characterized by the field-forming microelectrodes 111 asymmetrically and by curved reference surfaces. Again, the particles are deflected depending on the passive electrical properties. Weakly polarizable particles 31 a continue to flow in the y direction, while more polarizable particles 30 b are deflected into the distances between the field-forming electrodes 111 . The deflected particles 30 b are accordingly collected or collected and no longer transported with the flow in the y direction.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrodenan ordnung gemäß Fig. 11 an einer Kreuzung von zwei Kanälen vor gesehen. Der Kanal 21 in y-Richtung wird von einem (nicht dar gestellten) Kanal gekreuzt, durch den eine Suspensionsflüssig keit in x-Richtung (Pfeile A) strömt. Diese laterale Zusatz strömung transportiert die abgelenkten Teilchen 30b kon tinuierlich aus den Zwischenräumen zwischen den feldformenden Elektroden 111 in den Querkanal.According to a preferred embodiment, the electrode arrangement according to FIG. 11 is seen at an intersection of two channels. The channel 21 in the y direction is crossed by a (not shown) channel through which a suspension liquid flows in the x direction (arrows A). This lateral additional flow continuously transports the deflected particles 30 b from the spaces between the field-forming electrodes 111 into the transverse channel.
Die Geometrie der feldformenden Mikroelektroden 111 kann an die Strömungsverhältnisse und den Feldverlauf in den Elektro denzwischenräumen und die Gestalt der gegenüberliegenden Elek trodenanordnung 112 angepaßt sein.The geometry of the field-forming microelectrodes 111 can be adapted to the flow conditions and the field course in the electrical spaces and the shape of the opposite electrode arrangement 112 .
Die Ausführungsform gemäß Fig. 11 kann durch Bereitstellung einer volumenförmigen feldformenden Elektrode 121 anstelle der feldformenden Elektroden 111 gemäß Fig. 12 modifiziert werden. Die volumenförmige Mikroelektrode wird auch als Sammelelektro de 121 bezeichnet. Die Sammelelektrode 121 befindet sich bei spielsweise auf der Bodenfläche eines Kanals (nicht darge stellt) und besteht aus einem quaderförmigen Block aus metal lischem oder metallisch beschichtetem Material mit einer Viel zahl von spalten- und reihenweise angeordneten Bohrungen oder Reservoiren 121a. Die Sammelelektrode ist auf der Vorderseite geschnitten dargestellt, so daß die Reservoire 121a erkennbar sind. Die Sammelelektrode 121a wirkt wie folgt mit der flächi gen Elektrodenanordnung 122 (Ablenkelektrode) auf der gegen überliegenden Kanalwand zusammen. Zwischen den Mikroelektroden 122, 121 wird eine asymmetrische Feldbarriere erzeugt, die da zu eingerichtet ist, selektiv Teilchen in die Reservoire 121a abzulenken. Die Teilchen 30 strömen y-Richtung durch den Kanal. Teilchen, die durch die Feldwirkung nach unten in die Sammelelektrode 121 abgelenkt werden, gelangen in die Reser voire 121a und werden dort fixiert. Nachdem sämtliche Reser voire 121a gefüllt sind, kann die Ansteuerung der Elektroden anordnung derart erfolgen, daß die Teilchen simultan aus den Reservoiren 121a in die Strömung überführt und in dieser als Teilchen- oder Aggregatformation weiter transportiert werden. Hierzu kann gegebenenfalls unterhalb der Sammelelektrode 121 eine weitere flächige Elektrodenanordnung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die im wesentlichen wie die flächige Elektro denanordnung 122 ausgebildet ist.The embodiment according to FIG. 11 can be modified by providing a volumetric field-forming electrode 121 instead of the field-forming electrodes 111 according to FIG. 12. The volumetric microelectrode is also referred to as a collective electrode de 121 . The collecting electrode 121 is located for example on the bottom surface of a channel (not shown) and consists of a cuboid block made of metallic or metallic coated material with a large number of columns and rows arranged bores or reservoirs 121 a. The collecting electrode is shown cut on the front, so that the reservoirs 121 a can be seen. The collecting electrode 121 a acts as follows with the flat electrode arrangement 122 (deflection electrode) on the opposite channel wall. An asymmetrical field barrier is generated between the microelectrodes 122 , 121 , which is set up to selectively deflect particles into the reservoirs 121 a. The particles 30 flow in the y direction through the channel. Particles, which are deflected downward into the collecting electrode 121 by the field effect, reach the reser voire 121 a and are fixed there. After all Reser voire 121 a are filled, the control can take place of the electrode arrangement that the particles are simultaneously transferred from the reservoirs 121 a in the flow and transported further as a particle or aggregate formation in this in such a manner. For this purpose, a further flat electrode arrangement (not shown) can be provided below the collecting electrode 121 , which is essentially designed like the flat electrode arrangement 122 .
Gemäß einem besonderen Gesichtspunkt der Erfindung können die Mikroelektroden bei den einzelnen Gestaltungsformen an sich segmentiert sein. In diesem Fall besteht jede Mikroelektrode aus einer Reihe von Elektrodensegmenten, die entsprechend der gewünschten Elektrodenfunktion angeordnet sind. Eine besonders vielseitig einsetzbare Mikroelektrode 131 ist in Fig. 13 als Array einer Vielzahl von matrixartig angeordneten, pixelförmi gen Elektrodensegmenten dargestellt. Die Elektrodensegmente sind über der gesamten Breite der Bodenfläche 21a zwischen den Spacern 23 angeordnet und einzeln ansteuerbar. Dies ermöglicht die Ausbildung der gewünschten gekrümmten Feldbarrieren, ins besondere entsprechend der obengenannten ersten Variante, in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung, insbesondere in Ab hängigkeit von den jeweils zu manipulierenden Teilchen, den Strömungsverhältnissen und der Aufgabe des Mikrosystems. In Fig. 13 sind die momentan angesteuerten Pixel schwarz und die nicht-angesteuerten Pixel weiß gezeichnet. In diesem Fall übernimmt die segmentierte Mikroelektrode 131 die Funktion ei nes Partikeltrichters gemäß Fig. 2, mit dem die Teilchen 30 in die Kanalmitte fokussiert werden.According to a particular aspect of the invention, the microelectrodes can be segmented per se in the individual design forms. In this case, each microelectrode consists of a number of electrode segments which are arranged in accordance with the desired electrode function. A particularly versatile microelectrode 131 is shown in FIG. 13 as an array of a plurality of matrix-like, pixel-shaped electrode segments. The electrode segments are arranged over the entire width of the bottom surface 21 a between the spacers 23 and can be controlled individually. This enables the formation of the desired curved field barriers, in particular in accordance with the above-mentioned first variant, depending on the specific application, in particular as a function of the particles to be manipulated, the flow conditions and the task of the microsystem. In Fig. 13 the currently driven pixels are drawn in black and the non-driven pixels are drawn in white. In this case, the segmented microelectrode 131 takes over the function of a particle funnel according to FIG. 2, with which the particles 30 are focused in the center of the channel.
Die pixelförmigen Elektrodensegmente ermöglichen eine verlust minimierende Fokussierung, Sortierung oder Sammlung von Teil chen. Jedes Elektrodensegment kann mit einem eigenen Poten tialwert (Spannung) bzw. einer eigenen Frequenz ansgesteuert werden. Damit läßt sich ein beliebig vorzugebendes dielektri sches Kraftfeld entlang des Kanales ausbilden. So z. B. läßt sich der Einfluß des Strömungsprofiles dadurch kompensieren, daß die quer zur Kanallängsrichtung angeordneten Pixel mit einer Spannung entsprechend der Quadratwurzel des Profils der Strömungsgeschwindigkeit angesteuert werden.The pixel-shaped electrode segments allow loss minimizing focus, sorting or collection of part chen. Each electrode segment can have its own pot tialwert (voltage) or its own frequency become. This allows an arbitrary dielectric to be specified form a force field along the channel. So z. B. leaves compensate for the influence of the flow profile, that the pixels arranged transversely to the longitudinal direction of the channel with a voltage corresponding to the square root of the profile of the Flow rate can be controlled.
Die Größe der Elektrodensegmente und Abstände zwischen den Elektrodensegmenten sind vorzugsweise kleiner als charak teristische Dimensionen der zu manipulierenden Teilchen, können aber auch größer sein.The size of the electrode segments and distances between the Electrode segments are preferably smaller than charak teristic dimensions of the particles to be manipulated, can also be larger.
Sämtliche Teilchenmanipulierungen erfolgen berührungsfrei, so daß sich erfindungsgemäße Mikrosysteme besonders für die Mani pulierung biologischer Zellen oder Zellbestandteile eignen.All particle manipulations take place without contact, see above that microsystems according to the invention are particularly suitable for mani biological cells or cell components.
Claims (20)
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19860118A DE19860118C1 (en) | 1998-12-23 | 1998-12-23 | System for dielectrophoretical manipulation of particles suspended in a liquid |
DE59907733T DE59907733D1 (en) | 1998-06-26 | 1999-06-28 | ELECTRODE ARRANGEMENTS FOR PRODUCING FUNCTIONAL FIELD BARRIERS IN MICROSYSTEMS |
PCT/EP1999/004470 WO2000000293A1 (en) | 1998-06-26 | 1999-06-28 | Electrode arrangement for generating functional field barriers in microsystems |
JP2000556876A JP2002519176A (en) | 1998-06-26 | 1999-06-28 | Electrode structure for generating functional electric field barrier in microsystem |
US09/720,275 US7070684B1 (en) | 1998-06-26 | 1999-06-28 | Electrode arrangement for generating functional field barriers in microsystems |
AT99929320T ATE253983T1 (en) | 1998-06-26 | 1999-06-28 | ELECTRODE ARRANGEMENTS FOR GENERATING FUNCTIONAL FIELD BARRIERS IN MICROSYSTEMS |
EP99929320A EP1089823B1 (en) | 1998-06-26 | 1999-06-28 | Electrode arrangement for generating functional field barriers in microsystems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19860118A DE19860118C1 (en) | 1998-12-23 | 1998-12-23 | System for dielectrophoretical manipulation of particles suspended in a liquid |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19860118C1 true DE19860118C1 (en) | 2000-09-28 |
Family
ID=7892702
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19860118A Expired - Fee Related DE19860118C1 (en) | 1998-06-26 | 1998-12-23 | System for dielectrophoretical manipulation of particles suspended in a liquid |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19860118C1 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003051520A1 (en) * | 2001-12-18 | 2003-06-26 | Deltadot Limited | Centrifugal spectrometer |
DE10234487A1 (en) * | 2002-07-29 | 2004-02-26 | Evotec Oai Ag | Impedance measurement in a fluidic microsystem |
WO2004050252A1 (en) | 2002-11-29 | 2004-06-17 | Evotec Oai Ag | Fluidic microsystem comprising field-forming passivation layers provided on microelectrodes |
DE102004018328A1 (en) * | 2004-04-13 | 2005-11-10 | Hochschule Niederrhein | Voluminous electrode system |
EP1669754A1 (en) * | 2004-12-08 | 2006-06-14 | Palo Alto Research Center Incorporated | Bio-Enrichment device to enhance sample collection and detections |
WO2006097312A1 (en) * | 2005-03-16 | 2006-09-21 | Evotec Technologies Gmbh | Microfluidic system and corresponding control method |
DE102005047131A1 (en) * | 2005-09-30 | 2007-04-12 | Evotec Technologies Gmbh | Method and device for manipulating sedimenting particles |
US7366377B2 (en) | 2003-12-04 | 2008-04-29 | Commissariat A L'energie Atomique | Particle concentration method |
US7402795B2 (en) | 2003-12-04 | 2008-07-22 | Commissariat A L'energie Atomique | Particle sorting method |
US7511263B2 (en) | 2003-12-04 | 2009-03-31 | Commissariat A L'energie Atomique | Object separation device using optical method |
CN111434386A (en) * | 2019-01-15 | 2020-07-21 | 研能科技股份有限公司 | Method for manufacturing micro-fluid actuator |
DE102020120425A1 (en) | 2020-08-03 | 2022-02-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Process and fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles |
-
1998
- 1998-12-23 DE DE19860118A patent/DE19860118C1/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Naturwissenschaften 81 (1994), S. 528-535 * |
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6893878B2 (en) | 2001-12-18 | 2005-05-17 | Deltadot Limited | Centrifugal spectrometer |
WO2003051520A1 (en) * | 2001-12-18 | 2003-06-26 | Deltadot Limited | Centrifugal spectrometer |
DE10234487A1 (en) * | 2002-07-29 | 2004-02-26 | Evotec Oai Ag | Impedance measurement in a fluidic microsystem |
WO2004050252A1 (en) | 2002-11-29 | 2004-06-17 | Evotec Oai Ag | Fluidic microsystem comprising field-forming passivation layers provided on microelectrodes |
US7455758B2 (en) | 2002-11-29 | 2008-11-25 | Perkinelmer Cellular Technologies Germany Gmbh | Fluidic microsystem comprising field-forming passivation layers provided on microelectrodes |
US7366377B2 (en) | 2003-12-04 | 2008-04-29 | Commissariat A L'energie Atomique | Particle concentration method |
US7511263B2 (en) | 2003-12-04 | 2009-03-31 | Commissariat A L'energie Atomique | Object separation device using optical method |
US7402795B2 (en) | 2003-12-04 | 2008-07-22 | Commissariat A L'energie Atomique | Particle sorting method |
DE102004018328A1 (en) * | 2004-04-13 | 2005-11-10 | Hochschule Niederrhein | Voluminous electrode system |
DE102004018328B4 (en) * | 2004-04-13 | 2007-11-08 | Hochschule Niederrhein | Bulk electrode system, its use and method of treating fluid media |
EP1669754A1 (en) * | 2004-12-08 | 2006-06-14 | Palo Alto Research Center Incorporated | Bio-Enrichment device to enhance sample collection and detections |
US7811438B2 (en) | 2004-12-08 | 2010-10-12 | Palo Alto Research Center Incorporated | Bio-enrichment device to enhance sample collection and detection |
WO2006097312A1 (en) * | 2005-03-16 | 2006-09-21 | Evotec Technologies Gmbh | Microfluidic system and corresponding control method |
DE102005047131A1 (en) * | 2005-09-30 | 2007-04-12 | Evotec Technologies Gmbh | Method and device for manipulating sedimenting particles |
CN111434386A (en) * | 2019-01-15 | 2020-07-21 | 研能科技股份有限公司 | Method for manufacturing micro-fluid actuator |
CN111434386B (en) * | 2019-01-15 | 2021-07-02 | 研能科技股份有限公司 | Method for manufacturing micro-fluid actuator |
DE102020120425A1 (en) | 2020-08-03 | 2022-02-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Process and fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles |
WO2022029036A1 (en) * | 2020-08-03 | 2022-02-10 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. | Method and fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1089823B1 (en) | Electrode arrangement for generating functional field barriers in microsystems | |
EP1089824B1 (en) | Electrode arrangement for the dielectrophoretic diversion of particles | |
EP1603678B1 (en) | Methods and devices for separating particles in a liquid flow | |
EP1141264B1 (en) | Microsystem for cell permeation and cell fusion | |
EP1069955B1 (en) | Method and device for manipulating microparticles in fluid flows | |
EP0718038B1 (en) | Apparatus for separating mixtures of microscopic small dielectric particles dispersed in a fluid or a gel | |
DE60221240T2 (en) | CONCENTRATION AND CLEANING OF ANALYTES WITH ELECTRIC FIELDS | |
DE60019761T2 (en) | APPARATUS AND METHOD FOR DIELECTROPHORESIS | |
EP1565266B1 (en) | Fluidic microsystem and method comprising field-forming passivation layers provided on microelectrodes | |
EP1140343B1 (en) | Method and device for the convective movement of liquids in microsystems | |
DE19860118C1 (en) | System for dielectrophoretical manipulation of particles suspended in a liquid | |
EP0946709B1 (en) | Electrode array for field cages | |
WO2007082738A1 (en) | Electric field cage and associated operating method | |
EP1525449A1 (en) | Impedance measurement in a fluidic microsystem | |
EP1979738B1 (en) | Arrangement for generating liquid flows and/or particle flows, method for producing and operating said arrangement and use of the latter | |
DE19860117A1 (en) | Electrode arrangement in microsystem for dielectrophoretic manipulation of suspended particles | |
EP3817859A1 (en) | Device for dielectrophoretic capture of particles | |
DE10136275C1 (en) | Device for storing fluids has double-walled second shut-off cock with an inner monitoring space connected to first shut-off cock by double-walled connecting element with monitoring space |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: EVOTEC OAI AG, 22525 HAMBURG, DE |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: EVOTEC TECHNOLOGIES GMBH, 40225 DUESSELDORF, DE |