DE60012920T2

DE60012920T2 - Verfahren und apparat für behandlung von teilchen durch dielektrophorese

Info

Publication number: DE60012920T2
Application number: DE60012920T
Authority: DE
Inventors: Gianni Medoro
Original assignee: Silicon Biosystems SpA
Current assignee: Silicon Biosystems SpA Bologna It
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 2000-05-13
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-05-14
Also published as: JP4906191B2; WO2000069565A1; CA2370927C; CN1361720A; JP2002543972A; ITBO990262A0; DE60012920D1; ES2225135T3; CN1239236C; EP1185373A1; ITBO990262A1; EP1185373B1; CA2370927A1; US20020125138A1; IT1309430B1; ATE273078T1; AU4601300A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben und Erfassen von Partikeln wie etwa Zellen, Polystyrol-Kügelchen, Blasen und Organellen mittels dielektrophoretischer Kräfte offenbart.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Dielektrophorese (DEP) betrifft ein physikalisches Phänomen, bei dem neutrale Partikel, wenn sie ungleichmäßigen, zeitlich unveränderlichen (DC) oder zeitlich veränderlichen (AC) elektrischen Feldern unterworfen sind, eine resultierende Kraft erfahren, die auf Orte mit einer zunehmenden (pDEP) oder abnehmenden (nDEP) Feldstärke gerichtet ist. Wenn die Stärke der dielektrophoretischen Kraft mit der Gravitationskraft vergleichbar ist, kann ein Gleichgewicht bestehen, das kleine Partikel frei schweben lässt. Sowohl die Stärke der dielektrophoretischen Kraft als auch ihre Richtung hängen stark von den dielektrischen Eigenschaften und den Leitfähigkeitseigenschaften der Partikel und von dem Medium ab, in das der Körper eingetaucht ist. Diese Eigenschaften wiederum können sich bei zeitlich veränderlichen Feldern in Abhängigkeit von der Frequenz ändern.
Eine Beschreibung der Theorie der Dielektrophorese ist von H. A. Pohl in "Dielectrophoresis", Cambridge University Press (Cambridge 1978), veröffentlicht worden. Ein theoretischer Ansatz für einen Fall von besonderem Interesse ist in Biochimica et Biophysica Acta 1243 (1995), S. 185–194, und im Journal of Physics, D: Applied Physics, 27 (1994), S. 1571–1574, wiedergegeben.
In letzter Zeit ist in Studien über die Wirkung der Dielektrophorese sowohl auf biologisches Material (Zellen, Bakterien, Viren, DNA usw.) als auch auf Partikel aus anorganischem Material vorgeschlagen worden, dielektrophoretische Kräfte (DEP-Kräfte) zum Isolieren von Elementen aus einem Gemisch von Mikroorganismen, für ihre Charakterisierung durch Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften und für ihre allgemeine Handhabung zu verwenden. Für derartige Zwecke ist vorgeschlagen worden, Systeme zu verwenden, die die gleiche Größenordnung wie die Partikel aufweisen, um die Potentiale zu verringern, die von den Verteilungen der elektrischen Felder benötigt werden.
Die US-Patente 5,888,370, 4,305,797, 5,454,472, 4,326,934, 5,489,506, 5,589,047, 5,814,200 lehren verschiedene Verfahren, um Partikel in einer Probe voneinander zu trennen, die auf Unterschieden in den dielektrischen und Leitfähigkeitseigenschaften beruhen, die die Spezies, denen sie eigen sind, kennzeichnen. Der Hauptnachteil, der allen vorgeschlagenen Vorrichtungen gemeinsam ist, besteht in der Notwendigkeit von mechanischen und fluiddynamischen Mikrosystemen, um die die Fluida in dem System zu bewegen. Außerdem bringt jede Vorrichtung der oben aufgelisteten Patente Kontakte und Reibung von Partikeln mit den Oberflächen des Systems mit sich, was sich nachteilig auf ihre Beweglichkeit und Integrität auswirkt.
Das US-Patent 5,344,535 lehrt ein System für die Charakterisierung von Eigenschaften von Mikroorganismen. Die offenbarte Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren weisen den Mangel auf, dass Daten über eine große Anzahl von Körpern geliefert werden, wobei die Vorteile einer Analyse an einem einzelnen Partikel fehlen. Außerdem ist das offenbarte System außer Stande, einen Kontakt von Partikeln mit Oberflächen der Vorrichtung zu verhindern.
Das US-Patent 4,956,065 lehrt eine Vorrichtung, um einzelne Partikel frei schweben zu lassen und ihre physikalischen Eigenschaften zu analysieren. Diese Vorrichtung erfordert jedoch ein rückgekoppeltes System, da sie eine zunehmende Feldstärke (pDEP) verwendet. Außerdem ist das System nicht für eine Miniaturisierung geeignet, da es eine dreidimensionale Topologie aufweist, die nicht mit den vorherrschenden mikroelektronischen Fertigungstechnologien kompatibel ist.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung von T. Schnelle, R. Hagedorn, G. Fuhr, S. Fiedler, T. Muller in "Biochimica et Biophysica Acta", 1157 (1993), S. 127–140, beschreibt Untersuchungen und Experimente zur Schaffung von dreidimensionalen Potentialkäfigen für die Handhabung von Partikeln. Jedoch sind die vorgeschlagenen Strukturen in der Größenordnung der Größe von Zellen (erforderlich, um eine einzelne Zelle in dem Käfig einzuschließen) sehr schwierig herzustellen. Das Hauptproblem dieser Systeme ist nämlich die vertikale Ausrichtung von zwei Strukturen auf eine mikrometrische Skala.
Fuhr G. u. a.: Sensors and Materials, JP, Scientific publishing division of Myu, Tokyo, Bd. 1, Nr. 2, 1995, S. 131–146, offenbart eine Vorrichtung zum Handhaben von Zellen und Mikropartikeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei diese Vorrichtung ebenfalls von dem Problem der Ausrichtung der unteren Elektroden zu den oberen Elektroden betroffen ist.
Das Ziel der Erfindung ist es, die oben angegebenen Probleme der Ausrichtung zu überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Handhaben von Partikeln, ein Verfahren zum Handhaben von Partikeln, ein Verfahren zum Trennen verschiedener Typen von Partikeln, ein Verfahren zum Handhaben verschiedener Typen von Partikeln und ein Verfahren zum Zählen der Anzahl von Partikeln gemäß den Ansprüchen 1, 20, 24, 25 bzw. 28.
Offenbart ist ein Verfahren für ein stabiles freies Schweben und eine unabhängige Bewegung von neutralen Partikeln in einem flüssigen, suspendierenden Medium und ihre präzise Verlagerung mittels einer elektronisch programmieren Vorrichtung, die dafür ausgelegt ist, eine derartige Lösung aufzunehmen.
Der Ausdruck "Partikel", wie er weiter oben gebraucht worden ist, soll sowohl biologisches Material wie etwa Zellen, Zellansammlungen, Zellorganellen, Bakterien, Viren, Nukleinsäuren, als auch anorganisches Material wie etwa Mineralien, Kristalle, synthetische Partikel und Gasblasen einschließen. Unter einem "dielektrischen Potential" wird eine dreidimensionale (3D) skalare Funktion verstanden, deren Gradient der dielektrophoretischen Kraft gleich ist. Unter einer "Äquipotentialfläche" wird eine in dem dreidimensionalen Raum definierte Fläche verstanden, deren Punkte das gleiche dielektrophoretische Potential aufweisen; die dielektrophoretische Kraft ist immer senkrecht zu dieser Fläche. Unter einem "Potentialkäfig" wird ein Abschnitt des Raumes verstanden, der von einer Äquipotentialfläche umschlossen ist und ein lokales Minimum des dielektrophoretischen Potentials enthält. Unter einem "Partikel, das im Inneren eines Potentialkäfigs eingeschlossen ist" wird ein Partikel verstanden, das der dielektrophoretischen Kraft unterliegt und sich im Inneren des Käfigs befindet. Im Gleichgewicht, wenn das Partikel nur der dielektrophoretischen Kraft ausgesetzt ist, wird es sich an einer Position befinden, die dem dielektrophoretischen Potentialminimum entspricht, andernfalls wird es sich an einem zu dem Minimum verschobenen Ort befinden, der durch das Kräftegleichgewicht gegeben ist.
Die bevorzugte, jedoch nicht ausschließliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst zwei gegenüberliegende Module; das erste Modul umfasst mehrere elektrisch leitende Elektroden, deren Gestalt verschiedenartig sein kann, die in gleichmäßigen Abständen auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind; die Elektroden können optional mit einer Isolationsschicht beschichtet sein, die sie vor Ladungsträgern schützt, die in der flüssigen Suspension vorhanden sind. Wenn dieses Modul mit der Technologie zur Herstellung integrierter Schaltungen verwirklicht wird, kann es Speicherelemente für die Elektrodenprogrammierung, konfigurierbare Signalgeneratoren, wie etwa für Sinus- oder Rechteckwellen, Impulse usw. mit variabler Frequenz und Phase, irgendeine integrierbare Sensorvorrichtung zum Erfassen des Vorhandenseins des Partikels, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen usw. enthalten. Das zweite Modul umfasst eine einzige große Elektrode, die in einem leitfähigen, optional Licht durchlässigen Material ausgebildet ist, wobei sie wiederum mit einer Isolationsschicht beschichtet sein kann. Selbstverständlich könnte diese große Elektrode auf Wunsch auch in mehrere Elektroden unterteilt sein. Zwischen dem ersten (unteren) Modul und dem zweiten (oberen) Modul kann ein Abstandshalter eingefügt sein, um eine Kammer zum Einschließen der zu analysierenden oder zu handhabenden Probe zu schaffen. Derselbe Abstandshalter könnte auch dazu dienen, Trennwände im Inneren der Vorrichtung zu errichten, um mehrere Kammern zu verwirklichen. Selbstverständlich kann der Abstandshalter auch entweder in das erste oder das zweite Modul, oder in beide integriert sein. Schließlich können sowohl ein Sichtprüfsystem wie etwa ein Mikroskop oder eine Kamera, als auch Fluidiksysteme, um die Flüssigkeit oder das halbflüssige Material in die Vorrichtung hinein und aus dieser heraus zu bewegen, zu der Vorrichtung hinzugefügt sein.
Der Aufbau der beschriebenen Vorrichtung ermöglicht, einfach durch Anlegen von periodischen Signalen mit gleicher oder entgegengesetzter Phase an die Elektroden, in der Mikrokammer einen Potentialkäfig oder mehrere voneinander unabhängige Potentialkäfige zu bilden, deren Kraft durch Einwirken sowohl auf die Frequenz als auch auf die Amplitude der anliegenden Signale geändert werden kann. Diese Käfige können ein Partikel oder mehrere Partikel einschlie ßen, wodurch sie ihnen ermöglichen, ruhig frei zu schweben oder/und sich im Inneren der Mikrokammer zu bewegen. Dadurch kann jeglicher Kontakt oder jegliche Reibung der Partikel mit den Kammerrändern und den Elektroden vermieden werden. Die Höhe und der Abstand der Käfige zueinander können unabhängig durch eine geeignete Wahl von Signalen eingestellt werden und erfordern keinerlei mechanische Einstellung. Folglich kann die Vorrichtung als ein voll und ganz programmierbares elektronisches Instrument konfiguriert sein.
Die Verfahrensweise für die Verlagerung des Potentialkäfigs entlang der Mikrokammer ist dem Prinzip sehr ähnlich, das in ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) genutzt wird. Wenn beispielsweise eine erste Elektrode gleichphasig mit dem oberen Modul ist, wobei sie von Elektroden umgeben ist, die an Signale mit entgegengesetzter Phase angeschlossen sind, wird auf ihrer Oberfläche ein Potentialkäfig geschaffen. Dann wird einfach durch Anlegen von gleichphasigen Signalen an eine der benachbarten Elektroden (in der gleichen Richtung wie die programmierte Bewegung) der Potentialkäfig über die zwei Elektroden ausgedehnt, wodurch sein Zentrum auf den Zwischenraum zwischen beide ausgerichtet wird: das Partikel ist folglich um die Hälfte der Zellenweite bewegt worden. Sobald der Ausgleichsvorgang beendet ist, wird die Phase für die erste Elektrode (an der sich das Partikel zu Beginn der Phase befand) umgekehrt: Dies bewirkt, dass der Potentialkäfig schrumpft und sich auf die Oberfläche der gleichphasigen Elektrode bewegt, die um eine Zellweite zu der vorhergehenden Elektrode versetzt ist. Durch Wiederholen des letzteren Vorgangs entlang anderer Achsen kann jeder Potentialkäfig in der Ebene der Anordnung umher bewegt werden.
Die Mängel der Vorrichtungen, die vom Stand der Technik bekannt sind, können durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung überwunden werden, die ermöglicht, eine räumliche Verteilung von elektrischen Feldern zu schaffen, die zu geschlossenen dielektrophoretischen Potentialkäfigen führen. Die vorgeschlagene Vorrichtung erfordert kein präzises Ausrichten der zwei Hauptmodule, wodurch sowohl die Einfachheit als auch die Herstellkosten optimiert werden. Sie überwindet den überwiegenden Teil der Einschränkungen, die mit dem Aufwand für die Ausführung und mit der minimal zulässigen Käfigpotentialstärke, die den Vorrichtungen des Standes der Technik eigen ist (die Ausrichtung wird in dem Maße kritischer, wie die Elektrodengröße ab nimmt), verbunden sind. Folglich schadet eine Fehlausrichtung der zwei Hauptmodule der Systemfunktionalität nicht. Die Bedeutung dieses Merkmals kann besser eingeschätzt werden, wenn an all die Anwendungen gedacht wird, in denen die Vorrichtung von Hand geöffnet und/oder geschlossen wird, wobei eine wiederholte und flexible Anwendbarkeit erforderlich ist; sie kann folglich mit der preiswerten üblichen mikroelektronischen Fertigungstechnologie verwirklicht werden. Außerdem ermöglicht die vorgeschlagene Vorrichtung ohne weiteres, eingeschlossene Partikel über eine im Vergleich zur Partikelgröße große Entfernung zu bewegen.
Außerdem erzielt kein System des Standes der Technik, das Fluidelemente oder "wandernde Felder" für die Bewegung der Partikel benutzt, eine präzise Partikelpositionierung, während gleichzeitig die Partikel von den Oberflächen der Vorrichtung ferngehalten werden; trotzdem ist offensichtlich, dass ein solches Ergebnis erzielt werden kann, wenn dreidimensionale Potentialkäfige, die auf festen Höhen positioniert und in weiteren Richtungen der Vorrichtung beweglich sind, zur Verfügung stehen. Weitere Vorteile der Erfindung gehen auf die Möglichkeit zurück, die Höhe der Käfigpotentiale durch ein Einstellen der Werte der anliegenden Spannung zu steuern.
Durch die flexible Programmierung der offenbarten Erfindung können virtuelle Pfade eingeführt werden, wodurch die Notwendigkeit von anwenderspezifischen Vorrichtungen vermieden wird und sich der Bereich potentieller Anwendungen und Anwender erweitert. Außerdem ermöglicht die Fähigkeit, eine optische und/oder kapazitive Erfassung zu integrieren, die Notwendigkeit eines voluminösen Erfassungsinstrumentariums, das normalerweise in diesem Gebiet verwendet wird, etwa von Mikroskopen und Kameras, zu überwinden, obwohl damit nicht verhindert wird, dass sie für eine Sichtprüfung der inneren Mikrokammer eingesetzt werden. Eine Verarbeitung der Informationen von den integrierten Sensoren mit Rückkopplungstechniken ermöglicht die Ausführung von komplizierten Operationen in einer völlig selbsttätigen Weise: beispielsweise die Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der zu untersuchenden Partikel.
Schließlich hindert der Ansatz des geschlossenen Potentialkäfigs Partikel daran, bei Vorhandensein von hydrodynamischen Strömungen infolge von Temperaturgradienten, signifikanten Brownschen Molekularbewegungen (aus jeder Richtung gleichwahrscheinlich) oder Kräften durch das Herstellen des "Archimedischen Gleichgewichts" zu entgleiten. Tatsächlich erweist sich in allen der oben angegebenen Fälle jede Vorrichtung, die keine geschlossenen Potentialflächen aufweist, als untauglich, da sie kein Gegengewicht zu aufwärts gerichteten Kräften bilden kann.
Einige im Vergleich zu jenen, die der Stand der Technik bietet, einzigartige Merkmale der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können folgendermaßen zusammengefasst werden:

1. die Fähigkeit, geschlossene dielektrophoretische Potentialkäfige zu schaffen, ohne einer Ausrichtung von Modulen zu bedürfen, wodurch einzelne Partikel oder Gruppen von Partikeln unabhängig voneinander in den Käfigen eingeschlossen werden und mittels dielektrophoretischer Kräfte in einer stabilen Suspension ohne Reibung mit Elektroden oder Begrenzungen gehalten werden;
2. die Fähigkeit, durch elektronisch programmierte elektrische Signale jeden Potentialkäfig unabhängig in der Mikrokammer umherzubewegen;
3. die Möglichkeit, die Käfiggröße in Übereinstimmung mit den Anwendungserfordernissen und der Ausführung zu verringern, wodurch es möglich ist, die Vorrichtung mit Mikroelektroniktechnologie bei einer Verwirklichung von integrierten Sensoren, Aktuatoren und Signalgeneratoren zu fertigen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt eine schematische dreidimensionale Ansicht eines Teils der Vorrichtung, der für die Probenhandhabung bestimmt ist, mit der modularen Struktur, die aus dem Substrat, einschließlich der Elektroden, und dem Deckel gebildet ist;
2 zeigt eine detaillierte Querschnittansicht der gleichen Struktur wie in 1;
3 zeigt eine Ausführungsform der Elektrodenanordnung;
4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Elektrodenanordnung;
5 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung der Vorrichtung, um das Vorhandensein eines dritten Moduls hervorzuheben;
6 zeigt eine dreidimensionale Fläche, auf der jeder Punkt den gleichen quadratischen Mittelwert (RMS) der elektrischen Feldstärke besitzt;
7 zeigt die gleiche graphische Darstellung wie 6 für einen anderen Satz anliegender Signale;
8 skizziert das Prinzip der Käfigbewegung, wobei die Grundschritte und ihr Ablauf hervorgehoben sind;
9 zeigt eine zweidimensionale graphische Auswertung der quadratischen Mittelwerte (RMS) der elektrischen Feldstärke in einem vertikalen Schnitt senkrecht zu den Elektroden, wobei vorausgesetzt wird, dass sich die Elektroden über die gesamte Länge der Vorrichtung erstrecken;
10 zeigt die gleiche graphische Auswertung wie 9 für einen anderen Satz anliegender Spannungen;
11 zeigt eine graphische Auswertung des Absolutwertes des Gradienten der quadratischen mittleren (RMS) elektrischen Feldstärke entlang einem horizontalen Schnitt der graphischen Auswertung von 9, der durch das dielektrophoretische Potentialminimum (4,3 μm über der Elektrodenoberfläche) verläuft.
12 zeigt eine graphische Auswertung des Absolutwertes des Gradienten der quadratischen mittleren (RMS) elektrischen Feldstärke entlang einem vertikalen Schnitt der graphischen Auswertung von 9, der durch das dielektrophoretische Potentialminimum verläuft, für verschiedene Werte der an der oberen Elektrode anliegenden Spannung;
13 zeigt eine graphische Auswertung des Absolutwertes des Gradienten der quadratischen mittleren (RMS) elektrischen Feldstärke entlang einem Horizontalschnitt der graphischen Auswertung von 10, der durch das dielektrophoretische Potentialminimum verläuft;
14 zeigt eine graphische Auswertung des Absolutwertes des Gradienten der quadratischen mittleren (RMS) elektrischen Feldstärke entlang einem vertikalen Schnitt der graphischen Auswertung von 10, der durch das dielektrophoretische Potentialminimum verläuft;
15 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm des ersten Substrats;
16 skizziert das Blockdiagramm einer Zelle in der Matrixanordnung;
17 skizziert die Messinstrumente, die mit der Vorrichtung gekoppelt werden können;
18 zeigt eine schematische graphische Auswertung des nDEP-Potentials entlang einem generischen Schnitt, wobei die Käfiggröße mit der Partikelgröße verglichen wird;
19 skizziert eine besondere Elektrodenanordnung, die ermöglicht, die Fläche, die für die Elektroden-Programmierungsschaltung zur Verfügung steht, zu optimieren;
20 skizziert eine besondere Elektrodenanordnung, die eine Optimierung der Fläche ermöglicht die für die Elektroden-Schaltungsanordnung zur Verfügung steht, wobei auf eine besondere Ausführungsform Bezug genommen wird, die auf die Partikelzählung abzielt;
21 zeigt eine Ausführungsform eines integrierten optischen Sensors;
22 zeigt eine Ausführungsform eines integrierten kapazitiven Sensors;
23 zeigt eine Ausführungsform eines integrierten kapazitiven Sensors.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden aus der Beschreibung von Ausführungsformen, die durch Beispiele veranschaulicht sind, klarer. Selbstverständlich dienen die hier verwendeten Beispiele der Beschrei bung einer besonderen Ausführungsform.
Dielektrophoretische Potentialenergie
Eine dielektrische Kugel, die an den Koordinaten (x, y, z) in eine Flüssigkeit eingetaucht ist und der Wirkung von räumlich ungleichmäßigen, zeitlich veränderlichen (AC) oder zeitlich unveränderlichen (DC) elektrischen Feldern unterliegt, ist einer dielektrophoretischen Kraft F(t) ausgesetzt, deren zeitlicher Mittelwert folgendermaßen beschrieben wird:
wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante für Vakuum ist, r der Partikelradius ist, E_RMS das quadratische Mittel des elektrischen Feldes ist, E_x0, E_y0, E_z0 die Komponenten des elektrischen Feldes entlang der Achsen x, y, z sind, während φ_x,y,z die Phasen der Komponenten des elektrischen Feldes sind und f_CM der wohl bekannte Clausius-Mossotti-Faktor ist, der als
definiert ist, wobei ε * / p und ε * / m die relative komplexe Dielektrizitätskonstante des Partikels bzw. des suspendierenden Mediums repräsentieren, definiert als
wobei ε die relative Dielektrizitätskonstante, σ die Leitfähigkeit, ω die Kreisfrequenz und i die Quadratwurzel von –1 ist.
Wenn die Phasen des elektrischen Feldes unveränderlich sind, kann die Gleichung (1) vereinfacht werden zu:
wobei nDEP durch Re[f_CM] < 0 definiert ist, während pDEP durch Re[f_CM] > 0 definiert ist. Für große Werte von ω, wobei ε * / m, ε * / p ← ε_m, ε_p, wird pDEP an einem Partikel geschaffen, wenn ε_m < ε_p, während nDEP geschaffen wird, wenn ε_m > ε_p. Da ε_m,p = ε_m,p(ω) gilt, ist folglich f_CM = f_CM(ω), so dass Re[f_CM] für verschiedene Spezies von Partikeln bei einer gegebenen Frequenz verschiedene Vorzeichen haben kann. Das Verfahren, eine Kreisfrequenz ω so zu wählen, dass zwei verschiedene Spezies von Partikeln nDEP bzw. pDEP erfahren, wird gewöhnlich als bekannte Verfahrensweise für Auswahlzwecke verwendet.
Da die in der Gleichung (2) beschriebene Kraft konservativ ist, kann die dielektrophoretische Potentialenergie definiert werden als:
wobei
Wenn die Spannungssignale, die an den Elektroden anliegen und das elektrische Feld schaffen, periodisch sind, kann leicht gezeigt werden, dass
gilt, wobei α eine Konstante ist, die von der Form der an den Elektroden anliegenden Spannungssignale abhängig ist, und E die elektrische Feldstärke ist (z. B. α = 1 für Rechtecksignale und α = 1/√2 für sinusförmige Signale). Folglich sind Minima von E² außerdem sowohl Minima des negativen dielektrophoretischen Potentials (da für nDEP Re[f_CM] < 0 ), als auch Maxima des positiven dielektrophoretischen Potentials (da für pDEP Re[f_CM] > 0 ). Im Folgenden wird "dielektrophoretisches Potenzial" als ein Synonym für "negatives dielektrophoretisches Potential" verwendet. Außerdem entsprechen, da E² eine monotone Funktion von E ist, die Minima oder Maximal von E den Minima oder Maxima der dielektrophoretischen Potentialfunktion 〈W〉. Dies ist sehr nützlich, da die Orte der dielektrophoretischen Potentialminima oder -maxima durch stationäre Simulationen des elektrischen Feldes ermittelt werden können, wie durch die beigefügten Figuren veranschaulicht ist. Um das oben angegebene Konzept zusammenzufassen: Es kann leicht gezeigt werden, dass ein dielektrophoretischer Potentialkäfig (lokale nDEP-Potentialenergieminima enthaltend) von wenigstens einer imaginären, geschlossenen Oberfläche umschlossen ist, die aus Punkten des Raumes besteht, die eine konstante elektrische Feldstärke aufweisen.
Wenn das kugelförmige und homogene Partikel sowohl der Gravitationskraft
wobei Δp der Dichteunterschied zwischen dem Partikel und dem Medium ist und g die Fallbeschleunigung (9,807 m/s²) ist, als auch nDEP unterliegt, dann wird eine stabile Suspension gemäß 〈F(t)〉 > Fg (4)erzielt.
Da die relative Dielektrizitätskonstante nicht größer als Eins sein kann (z. B. wenn das Partikel eine in Wasser schwimmende Luftblase ist, wobei ε_p = 1 und
ist), kann der Minimalwert von ∇E 2 / rms, der erforderlich ist, um die auf das Partikel wirkende Gravitationskraft zu kompensieren, bei Anwendung der Gleichung (4) auf 1,835 · 10³ V(cm)²/μm geschätzt werden, was mit der üblichen Mikroelektroniktechnologie und/oder Mikrobearbeitungstechniken erreichbar ist. Ferner können Partikel, die doppelt so schwer wie Wasser sind
in Wasser suspendiert werden, wenn die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums für typische Werte von ∇E 2 / rms ms wenigstens 2,2 bis 20,3 mal größer als jene des Partikels ist.
Grundsätzlicher Aufbau der Vorrichtung
Die Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfasst zwei Module. Das erste Modul A1 (1) umfasst eine Matrixanordnung M1 von selektiv adressierbaren Elektroden LIJ (1 und 2), die auf einem isolierenden Substrat O1 angeordnet sind, das auf ein Halbleitersubstrat C (1 und 2) aufgewachsen ist. Das zweite Modul A2 ist aus einer einzigen großen Elektrode M2 gebildet, die auf einem Substrat O2 ausgebildet ist (1 und 2) und der Matrixanordnung M1 gegenüberliegt. Zwischen den zwei Modulen ist eine Mikrokammer (L in 1 und 2) ausgebildet, die Partikel (BIO in 1) in einer flüssigen Suspension enthält. Verfahren, um die flüssige Suspension in der Mikrokammer einzuschließen, werden später beschrieben. Das erste Modul A1 ist in Übereinstimmung mit der bekannten Mikroelektroniktechnologie aus Silicium oder aus beliebigen anderen Substratmaterialien, wie etwa Glas, Siliciumoxid, Kunststoff oder keramischen Materialien hergestellt. Eine Elektrode könnte von beliebiger Größe sein, die vorzugsweise vom Submikron-Bereich (~ 0,1 μm) bis zu mehreren Millimetern (mm) reicht, wobei 5 μm bis 100 μm der bevorzugte Größebereich für Vorrichtungen ist, die mit Mikrolithographietechniken hergestellt werden, während 100 μm bis 5 mm der bevorzugte Größenbereich für Vorrichtungen ist, die mit Mikrobearbeitungs- und/oder Leiterplattendrucktechniken hergestellt werden. Die Vorrichtung kann so gestaltet sein, dass sie nicht mehr als zehn Elektroden oder sogar mehrere Tausend oder Millionen Elektroden aufweist. Der Abstand DL zwischen den zwei Modulen kann je nach Ausführungsform verschieden sein, ist aber vorzugsweise in der Größenordnung der Elektrodengröße DE (2).
Die Elektroden können mit einer Isolationsschicht (R1 in 2) beschichtet sein, um eine Elektrolyse durch die Wechselwirkung der Elektroden mit dem flüssigen Medium, das eine hohe Konzentration an positiven und negativen Ionen aufweisen kann, zu verhindern. Eine derartige Schicht kann vermieden werden, wenn entweder die Elektroden aus einem Material gebildet sind, das nicht mit dem flüssigen Medium reagiert, oder die Frequenz der Signale, mit denen die Elektroden gespeist werden, hoch genug ist, um eine Elektrolyse vernachlässigbar zu machen. Schließlich können Schaltungsanordnungen, deren Zweck später ausführlicher erörtert wird, unter jeder Elektrode platziert sein.
Die Matrixelektroden können je nach der zu erzielenden Wirkung von beliebiger Gestalt sein; um eines Beispiels willen ist in 1 eine Matrixanordnung M1 von quadratischen Elektroden in der bevorzugten Ausführungsform gezeigt, während 2 einen Querschnitt von Elektroden zeigt, wobei ihre Breite und ihr Abstand voneinander (DE und DO) gezeigt sind.
In einer alternativen Ausführungsform können die Elektroden von sechseckiger Gestalt sein (wie in 3 gezeigt ist), was ermöglicht, die Anzahl der Elektroden, um einen einzigen Potentialkäfig zu bilden, von 9 auf 7 zu verringern (wie später gezeigt wird), und eine größere Anzahl von möglichen Käfigbewegungsrichtungen DIR (von 4 auf 6) bietet.
Das zweite Hauptmodul A2 umfasst eine einzige große, elektrisch leitende Elektrode (M2 in 1 und 2), die dem ersten Modul A1 gegenüberliegt. Sie dient außerdem als obere Begrenzung der Kammer L, die die flüssige Suspension der Partikel enthält. Diese Elektrode kann mit einer Isolationschicht (R2 in 2) beschichtet sein, um sie gegen Elektrolyse zu schützen, und kann eine mechanische Auflage (O2 in 1 und 2) aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform ist diese Elektrode eine einzelne, ebene Oberfläche leitfähigen Glases, wodurch eine Sichtprüfung der Mikrokammer möglich ist.
Der Abstandskalter A3 (5) wird verwendet, um die zwei Module (A1 und A2 in 5, wobei A1 R1, O1, M1 und C umfasst, während A2 R2, O2, M2 um fasst) um einen vorgegebenen Abstand (DL in 2) voneinander zu entfernen. Der Abstandshalter kann auch verwendet werden, um die Probe für eine Handhabung oder Analyse einzuschließen.
Durch Anlegen entsprechender zeitvariabler Signale an verschiedene Untermengen der Elektroden wird ein Potentialkäfig S1 (1 und 6), der ein oder mehrere Partikel BIO enthalten kann, auf einer Elektrode oder auf mehreren Elektroden geschaffen. Der Potentialkäfig befindet sich in geringer Höhe über der Ebene der Matrixanordnung, wobei der Wert davon von den anliegenden Signalen, vom Verhältnis der Elektrodengröße DE zum Zwischenraum DO und vom Abstand zwischen den zwei Modulen DL abhängt. Durch Ändern der Untermenge der Elektroden, an welche Signale angelegt werden, kann ein Potentialkäfig oder können mehrere Potentialkäfige in der Mikrokammer L in einer Richtung parallel zu der Elektrodenanordnung umherbewegt werden.
Aus Simulationsergebnissen ist bekannt geworden, dass für konstante Werte von DL, je größer das Verhältnis von DE zu DO ist, desto besser die Eigenschaften des Käfigs hinsichtlich der Stärke der DEP-Kraft sind.
Verfahren zum Schaffen von Potentialkäfigen
Um Potentialkäfige auf der Oberfläche einer einzelnen Elektrode zu schaffen, wird ein Muster von Spannungssignalen an entsprechende Untermengen der Elektroden angelegt. 4 veranschaulicht eine Menge von Elektroden L1–L12 in einer Anordnung M1, die als Referenz für numerische Simulationen verwendet wird.
Mit der Definition von
als ein Rechtecksignal mit der Periode T, wobei ω = 2ωπ/T, werden die folgenden Spannungssignale an die Elektroden angelegt: VLα = Ve · Vsq (ωt, φ) ∀α ∈ {1 – 6, 8 – 12} VL7 = Ve · Vsq (ωt, φ + π) VM2 = Vc · Vsq (ωt, φ + π) wobei V_Lα, α ∈ {1 – 12} Signale sind, die an den Elektroden L1 bis L12 anliegen, V_M2 das an M2 anliegende Spannungssignal ist und V_e und V_c konstante Werte sind. Bei Verwendung von Spannungsmustern wie oben angegeben sind die Phasen des elektrischen Feldes unveränderlich, so dass die Gleichung (2) gilt. Deshalb werden die numerischen Simulationen der elektrischen Feldstärke verwendet, um die Entstehung von dielektrischen Potentialkäfigen zu verifizieren.
6 zeigt das Ergebnis einer numerischen Simulation bezüglich der gleichen Menge von Elektroden, die in 4 gezeigt ist, die durch die oben angegebenen Spannungssignalmuster erregt werden, wobei DE = 5 μm, DO = 1 μm. DL = 10 μm, V_e = 2,5 V, V_c = 0 V. Als flüssiges Medium zwischen den Modulen A1 und A2 ist Wasser mit
gewählt worden. R2 ist vernachlässigbar und R1 = 1 μm. Die graphische Auswertung in 6 zeigt eine dreidimensionale Umgebung, die eine geschlossene Fläche enthält, deren Punkte sich dadurch auszeichnen, dass sie eine konstante elektrische Feldstärke (S1 in 6) von 400 V/cm besitzen. Dies beweist auf Grund der Gleichung (3), dass die dielektrophoretische Äquipotentialfläche ebenfalls geschlossen ist, folglich auf der Oberfläche von L7 ein Potentialkäfig geschaffen worden ist. Folglich ist ein Muster von nur zwei Signalen mit gleicher Frequenz und zueinander entgegengesetzten Phasen erforderlich, um ein Minimum der dielektrophoretischen Potentialfunktion auf der Oberfläche von L7 zu schaffen. Aus der Simulation geht außerdem hervor, dass durch Erhöhen von V_c ∈ [–2,5, 2,5] V die dielektrophoretischen Kräfte des Käfigs zunehmen, während die Käfighöhe in Bezug auf die Ebene der Matrixanordnung abnimmt. In der bevorzugten Ausführungsform, in der quadratische Elektroden verwendet werden, beträgt die minimale Anzahl der Matrixelektroden, um einen einzigen dielektrophoretischen Potentialkäfig zu schaffen, 9 (L2–L4, L6–L8, L10–L12 in 4). Andererseits, wenn eine Sechseckelektrodenanordnung verwendet wird, wie in 3 veranschaulicht ist, beträgt die minimale Anzahl von Matrixelektroden, um einen einzigen dielektrophoretischen Potentialkäfig zu schaffen, 7, wie etwa die Elektroden E1–E7.
Um Potentialkäfige über einem auf halber Strecke zwischen zwei Elektroden gelegenen Punkt zu schaffen, wird ein anderes Muster von Spannungssignalen an entsprechende Untermengen der Elektroden angelegt. 7 zeigt das Ergebnis, das erzielt wird, wenn die Erregersignale, die an die Elektroden angelegt werden, folgende sind: VLα = Ve · Vsq (ωt, φ) ∀α ∈{1 – 5, 8 – 12} VL6 = VL7 = Ve · Vsq(ωt, φ + π) VM2 = Vc · Vsq(ωt, φ + π) wobei alle übrigen Parameter die gleichen wie zuvor sind. S2 in 7 zeigt wiederum eine geschlossene Fläche, deren Punkte eine konstante elektrische Feldstärke von 400 V/cm haben, wobei sich ihr Zentrum jedoch über dem auf halber Strecke zwischen den Elektroden L6 und L7 gelegenen Punkt befindet.
Dieses letztere Spannungssignalmuster kann in Kombination mit dem vorhergehenden verwendet werden, um Potentialkäfige in einer programmierten Richtung zu bewegen. Genauer: Durch wiederholtes Ändern der Untermengen der Elektroden, an welche Signale mit gleicher bzw. entgegengesetzter Phase angelegt werden, insbesondere durch regelmäßiges Abwechseln und Verschieben der zwei beschrieben Muster in einer bestimmten Richtung, ist es möglich, den Potentialkäfig in diese Richtung zu bewegen. Als Beispiel skizziert 8 drei graphische Darstellungen, bei denen der Potentialkäfig von einer Position auf der Oberfläche von L7 zu einer anderen Position auf der Oberfläche von L6 bewegt wird: die erste zu einem Zeitpunkt T1, die zweite zu T2 und die dritte zu T3. In jeder graphischen Darstellung ist die Phase der Elektroden L5, L6, L7, L8 angegeben, um das Prinzip der Käfigbewegung zu zeigen. Mit fortschreitender Zeit schiebt die Elektrode mit der Phase φ+π in Richtung abnehmender X-Werte in zwei Schritten: zum Zeitpunkt T2 ist die Elektrode L6 an ein Signal mit der Phase φ+π angeschlossen, das jenem von L7 gleich ist, und dann wird zum Zeitpunkt T3 die Phase von L7 umgekehrt.
Offensichtlich sollte das Zeitintervall zwischen dem Umschalten der Phasen gemäß den Systemeigenschaften, nämlich der Stärke der Kraft, der Viskosität des fließfähigen Mediums, der Partikelgröße usw. sorgfältig gewählt werden. Dazu könnte es zweckmäßig sein, integrierte Sensoren zu verwenden, um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines Partikels oder mehrere Partikel an jeder Position zu erfassen, damit der zeitliche Abstand entsprechend den Sensordaten eingestellt werden kann.
Um zu veranschaulichen, wie die Erfindung im Stande ist, geschlossene dielektrophoretische Käfige zu bewegen, zeigen 9 und 10 zweidimensio nale Simulationen der Verteilung des elektrischen Feldes entlang einem Querschnitt der Vorrichtung. Wenn die Spannungen, die an den Elektroden P1, P2 und P3 sowie an der Elektrode M2 des Deckels anliegen VPα = Ve · Vsq(ωt, φ) ∀α ∈ {1,3} VP2 = VL7 = Ve · Vsq(ωt, φ + π) VM2 = Vc · Vsq(ωt, φ + π)sind, wobei V_e = 2,5 V und V_c = 0, ist die resultierende Verteilung des elektrischen Feldes wie in 9 gezeigt, wobei die dunkleren Bereiche S3 die Bedeutung einer niedrigeren elektrischen Feldstärke haben, während die helleren Bereich die Bedeutung einer höheren elektrischen Feldstärke haben.
11 zeigt eine graphische Auswertung (mit logarithmischem Maßstab) des Absolutwertes des Gradienten der quadratischen elektrischen Feldstärke entlang einem Horizontalschnitt der graphischen Auswertung von 9, der durch das Zentrum des Käfigs (4,3 μm über der Oberfläche der Matrixanordnung) verläuft. Diese Art der graphischen Auswertung ist sehr zweckmäßig, da die aufgetragenen Werte der dielektrophoretischen Kraft direkt proportional sind, woraus der Ort des minimalen dielektrophoretischen Potentials (wo die dielektrophoretischen Kräfte gleich null sind) genau festgestellt werden kann. 12 zeigt eine ähnliche graphische Auswertung entlang einem Vertikalschnitt der graphischen Auswertung von 9, der das Zentrum des Potentialkäfigs enthält, für verschiedene Werte von V_c im Bereich von +2,5 V bis –0,5 V.
Um einen dielektrophoretischen Potentialkäfig in einem Bereich über dem auf halber Strecke zwischen P2 und P3 gelegenen Punkt zu schaffen, können die folgenden Spannungen angelegt werden: VP1 = Ve · Vsq(ωt, φ) VP2 = VP3 = Ve · Vsq(ωt,φ + π) VM2 = Vc · Vsq(ωt,φ + π)wobei V_e = 2,5 V und V_c = 1,5 V ist. Das Ergebnis ist in 10 gezeigt, wobei S4 der Bereich ist, in dem sich der Potentialkäfig befindet.
13 zeigt eine graphische Auswertung des Absolutwertes des Gradienten der quadratischen elektrischen Feldstärke entlang einem Horizontalschnitt der graphischen Auswertung von 10, der das Käfigzentrum enthält, in dem Fall von V_c = 1,5 V, wobei die Höhe des Käfigzentrums von der Oberfläche der Matrixanordnung aus 4,3 μm beträgt. Das Vorhandensein von zwei Werten mit einem Gradient gleich null in 13 ist auf ein Maximum an der Oberfläche der Elektrode P1 und ein Minimum, das sich in dem Bereich über dem auf halber Strecke zwischen P2 und P3 gelegenen Punkt befindet, zurückzuführen. Ein gegebenes Partikel, das einem derartigen dielektrophoretischen Kraftfeld ausgesetzt ist, würde in dem oben genannten Minimum einen stabilen Gleichgewichtspunkt und in dem oben genannten Maximum einen instabilen Gleichgewichtspunkt finden. 14 zeigt eine ähnliche graphische Auswertung entlang einem Vertikalschnitt der graphischen Auswertung von 10, der durch das Käfigzentrum verläuft, für den Fall von V_c = 1,5 V.
Um zusammenzufassen: Das Schaffen von dielektrophoretischen Potentialkäfigen, wie durch die vorliegende Erfindung offenbart, kann mit einem Muster von nur zwei Spannungssignalen erzielt werden, die die gleiche Frequenz und eine entgegengesetzte Phase aufweisen. Außerdem kann die Bewegung derartiger Käfige entlang einem Führungspfad parallel zur Oberfläche der Matrixanordnung erreicht werden, indem einfach geeignete Muster von Untermengen der Elektroden gewählt werden, an welche die zwei oben erwähnten Signale zu verschiedenen Zeitpunkten angelegt werden. Die Spannungssignalform der Elektroden kann entweder von chipintegrierten Oszillatoren oder von externen Generatoren kommen.
Bevorzugte Ausführungsform: Integration auf einem Halbleitersubstrat
In 15 ist eine schematische Darstellung des ersten Moduls A1 in der bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht. In ein Silicium-Substrat ist eine Matrixanordnung M3 mit Mikropositionen EIJ eingebettet, die von speziellen Adressierungsschaltungen DX und DY mittels einer Anzahl von elektrischen Übertragungskanälen, die längs der vertikalen Linien YJ und der horizontalen Linien XI verlaufen, unabhängig voneinander adressiert werden. Das Modul kommuniziert mit externen Signalen XYN mittels einer Schnittstellenschaltung IO, die ihrerseits mittels der Verbindungen CX und CY mit den Adressierungsschaltungen DX und DY kommuniziert und mittels einer Reihe von Verbindungen CS die Signalformerzeugungs- und Sensorausleseschaltung DS steuert, um das an die Mikropositionen EIJ anzulegende Signal zu liefern und um Signale von den Sensoren an den Mikropositionen mittels der Verbindungen FS aufzu nehmen. Die Vorrichtung ist über eine Anzahl von Fluid-Verbindungskanälen FM mit den externen Mitteln IS für das Management des flüssigen Suspensionsmediums, das die Partikel enthält, verbunden. Es können verschiedene Instrumente benutzt werden, die mittels der elektrischen Übertragungskanäle XYN an die Vorrichtung SS koppeln, wie etwa Computer, externe Wellenformgeneratoren, Analysatoren usw. (WS in 17), die mittels fluiddynamischer Kanäle koppeln, wie etwa Mikropumpen IS, und die mittels optischer Kanäle OC koppeln, wie etwa ein Mikroskop, eine Kamera usw., MS.
In der bevorzugten Ausführungsform umfasst jede Mikroposition ED (16) wenigstens eine Elektrode LIJ, die von den elektrischen Signalen erregt wird, eine Schaltung für das Elektrodensignalmanagement MIJ (16) und einen Sensor SIJ, um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von Partikeln im oberen Abschnitt jeder Zelle zu erfassen. Jeder dieser Blöcke kann mit anderen innerhalb desselben Elements mittels lokaler Verbindungen C1, C2, C3 kommunizieren. Außerdem kann die Schaltung für das Elektrodensignalmanagement (MIJ in 16) mittels globaler Verbindungen XI und YJ mit externen Schaltungen kommunizieren. Die Schaltung MIJ könnte Schalter und Speicherelemente enthalten, die geeignet sind, den Signalfluss der Mustersignale zur Elektrode LIJ auszuwählen und zu speichern. Da zwei Spannungssignalmuster ausreichen, um dielektrophoretische Potentialkäfige zu schaffen und zu bewegen, wie in dem vorhergehenden Abschnitt erläutert worden ist, genügt ein elektronisches Speichermittel, um zu bestimmen, ob die Elektrode an das Signal mit gleicher Phase oder an das Signal mit entgegengesetzter Phase angeschlossen wird. Um den verfügbaren Raum zu optimieren sind verschiedene Anordnungen von LIJ, SIJ und MIJ möglich: beispielsweise könnte in Übereinstimmung mit den Regeln der mikroelektronischen Technologie LIJ MIJ vollständig überlagern und SIJ teilweise bedecken oder einfach neben SIJ angeordnet sein.
Ein besonderes Merkmale der vorliegenden Erfindung, das als unübertrefflich durch die dielektrophoretischen Vorrichtungen des Standes der Technik angesehen wird, ist ihre Fähigkeit, auf demselben Substrat sowohl Aktuatoren für die Handhabung biologischer Partikel als auch Sensoren für die Erfassung von Partikeln zu integrieren. Einige bezeichnende, jedoch nicht ausschließliche Beispiele integrierter Sensoren sind in 21, 22 und 23 gezeigt.
21 skizziert eine Implementierung eines Abtastschemas unter Verwendung eines optischen Sensors, um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein eines biologischen Partikels BIO zu erfassen. Falls der Deckel M2 aus Licht durchlässigem und leitfähigem Material hergestellt ist, kann ein Fenster WI auf der Elektrode LIJ geöffnet werden. Die Größe von WI ist hinsichtlich einer Modifikation des dielektrophoretischen Potentials vernachlässigbar, jedoch genügend, um einer ausreichenden Strahlungsmenge zu ermöglichen, auf das Substrat aufzutreffen. Unter LIJ ist ein photoelektrischer Zonenübergang CPH, der in einer kontinuierlichen Betriebsart oder in einer Speicherbetriebsart arbeitet, gemäß dem Stand der Technik in dem Substrat C verwirklicht. Das Vorhandensein/Nichtvorhandensein des biologischen Elements BIO bestimmt den Anteil der Lichtenergie, der die Photodiode erreicht und eine Änderung der während der Integrationszeit über CPH akkumulierten Ladung bewirkt. Diese Änderung wird von einem herkömmlichen Ladungsverstärker CHA erfasst, der aus einem Verstärker OPA, einem Rückkopplungskondensator CR und einer Referenzspannungsquelle VRE gebildet ist. Die Verbindung zu diesem Ladungsverstärker wird hergestellt, indem ein Schalter SW1 eingeschaltet wird, nachdem der Schalter SW2 geöffnet worden ist, wodurch das Integrieren der akkumulierten Ladung an CR ermöglicht wird. Die Photodiode und der Ladungsverstärker sind gemäß dem Stand der Technik so ausgelegt, dass sie ein Signal-Rausch-Verhältnis erzielen, das ausreicht, um das Vorhandensein/Nichtvorhandensein des biologischen Partikels erfassen. Als ein Beispiel, das sich auf eine Struktur mit den Dimensionen bezieht, die zuvor für die Simulationen beschrieben worden ist, wird unter Voraussetzung einer 0,7 μm-CMOS-Technologie eine Photodiode von 1 μm × 2 μm in dem Substrat unter der Diode betrachtet. Anhand der Analyse des Signal-Rausch-Verhältnisses gemäß dem Stand der Technik kann eine Veränderung von 10 % der Partikel-Lichtdurchlässigkeit in Bezug auf das flüssige Medium mit Integrationszeiten, die länger als 3 μs sind, offenbart werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Kapazitätsmessung genutzt, wie in 22 skizziert ist. Ein an dem Deckel M2 anliegendes Spannungssignal SIG führt eine Änderung des elektrischen Feldes ELE zwischen M2 und LIJ herbei. Die entsprechende Kapazitätsänderung kann ähnlich wie im Fall der optischen Abtastung durch einen Ladungsverstärker CHA erfasst werden.
In 23 ist eine weitere Ausführung der Kapazitätsmessung skizziert, die zwei Elektroden FR1 und FR2 koplanar zu dem Element LIJ verwendet. Ein an das Element FR1 angelegtes Spannungssignal SIG bestimmt eine Änderung in dem elektrischen Streufeld ELE in Richtung FR2. Das "Dazwischenschieben" des biologischen Elements BIO in den Bereich, der durch dieses elektrische Feld beeinflusst wird, bewirkt eine Änderung des Kapazitätswerts zwischen FR1 und FR2. Diese Änderung wird von einem Ladungsverstärker CHA ähnlich den vorhergehenden Erfassungsschemata erfasst. Die Elektroden FR1 und FR2 könnten ausgelassen werden, wenn an ihrer Stelle die Elemente LIJ der benachbarten Positionen verwendet werden. Es versteht sich, dass mehr als eines der oben beschriebenen Erfassungsprinzipien in derselben Vorrichtung verwendet werden kann, um die Selektivität zu verbessern. Beispielsweise können verschiedene Partikel mit der gleichen Durchlässigkeit, aber einer verschiedenen Dielektrizitätskonstante oder mit der gleichen Dielektrizitätskonstante und verschiedener Durchlässigkeit unterschieden werden, indem eine Kombination von kapazitiven und optischen Sensoren verwendet wird.
Ein außerordentliches Merkmal, das als charakteristisch für die vorliegende Erfindung angesehen wird, ist die Möglichkeit, einzelne Mikroorganismen mit einer Größe im Mikron- oder Submikronbereich zu isolieren und zwar bei einer großen Anzahl davon; tatsächlich wird sich die Größe der Mikroorganismen, die isoliert werden können, infolge der Fortschritte in den üblichen mikroelektronischen Fertigungstechnologien im Einklang mit der abnehmenden minimalen Strukturgröße, die für die Technologie typisch ist, verringern. In der Tat kann, wenn die Größe des dielektrophoretischen Potentialkäfigs gering genug ist, nicht mehr als ein Partikel einer bestimmten Größe im Inneren des Käfigs eingqeschlossen werden. Für ein besseres Verständnis dieses Merkmals der Vorrichtung kann die Verteilung des dielektrophoretischen Potentials P (18) entlang einem Horizontalschnitt betrachtet werden, der durch das Zentrum des Käfigs verläuft, der durch das offenbarte Verfahren geschaffen worden ist und das typische Verhalten aufweist, das in 18 gezeigt ist, wo zwei lokale Maxima die Ränder des Käfigpotentials entlang der X-Richtung repräsentieren. Wenn der relative Abstand DP gleich dem zweifachen Radius R des zu isolierenden Partikels ist, dann wird nur eines der Partikel aus der Umgebung in dem Käfig Platz finden, so dass, wenn der Käfig schon durch ein Partikel belegt ist, eine nach außen gerichtete resultierende Kraft auf die anderen kandidierenden Partikel ausgeübt wird, wodurch überschüssige Partikel entweder in leere Käfige in der Nachbarschaft oder in seitliche Sammelräume bewegt wer den, die dafür vorgesehen sind, die überschüssigen Partikel aufzunehmen. Es ist zu beachten, dass das obige Verfahren auf alle Partikel der Probe angewendet werden muss; die Partikeldichte sollte folglich geringer als die Käfigdichte sein.
Die Größe des dielektrophoretischen Käfigs ist nur durch die für die Schaltungsanordnung jeder Elektrode vorgesehene Fläche begrenzt, die wiederum von der gewählten Technologie abhängt. Um diese Grenze zu überwinden kann eine andere Elektrodenanordnung verwendet werden, die im Folgenden offenbart wird, bei der alternative Elektrodentopologien gebraucht werden, die weniger flexibel sind, aber stärker im Hinblick auf die Größe des Potentialkäfigs optimiert sind und Anwendungen zum Ziel haben, die eine größere Empfindlichkeit erfordern, wie etwa eine Submikron-Mikroorganismen-Handhabung und Zählung. Für Anwendungen, die Potentialkäfige erfordern, die kleiner als die Fläche sind, die für die Elektrodenschaltungsanordnung gebraucht wird, können alternative Ausführungsformen eingesetzt werden, um eine bessere Flächenoptimierung zu erzielen.
Um die Fläche, die für die Schaltungsanordnung zur Verfügung steht, um 25 % zu vergrößern, ist es beispielsweise möglich, bei Verwendung der gleichen Anordnung der Elektroden eine Elektrode LN (19) außerhalb einer Gruppe von vier LL an ein festes Spannungssignalmuster (beispielsweise an das gleichphasige Spannungssignalmuster) anzuschließen. Von nun an werden Elektroden vom Typ LN als "nichtprogrammierbare Elektroden" bezeichnet, da sie nicht zwischen den verschiedenen Spannungssignalmustern umgeschaltet werden können, sondern an ein festgelegtes gebunden sind. Die oben angegebene Ausführungsform weist den Mangel auf, dass sie die Bewegung der Potentialkäfige auf die Führungspfade DR einschränkt. Andererseits zeigt die Elektrodenanordnung den Vorteil, dass aufgrund der Tatsache, dass bei den nichtprogrammierbaren Elektroden LN keine MIJ- und SIJ-Blöcke ausgeführt sind, Fläche eingespart wird.
Eine weitere alternative Ausführungsform, die auch das Verfahren zum Verringern der Käfiggröße auf Kosten der Anpassungsfähigkeit der Vorrichtung ausnutzt, ist in 20 offenbart. In diesem Fall ist die Richtung der Bewegung auf eine Dimension, entlang der Führungspfade DR, eingeschränkt und die Zellen SI (20), die dafür vorgesehen sind, das Vorhandensein und gegebenenfalls den Typ der Partikel zu erfassen, sind entlang einer Spalte SC, orthogonal zu der erlaubten Bewegungsrichtung angeordnet. Bei Verwendung geeigneter Signale werden entlang der Zeilen in regelmäßigen Abständen Potentialkäfige geschaffen und entlang der Führungspfade DR durch die ganze Spalte SC in eine Kammer CB bewegt, die dafür vorgesehen ist, die Partikel einzuschließen, deren Zahl (und gegebenenfalls Typ) schon erfasst worden ist. Da die Bewegungsrichtungen entlang der vertikalen Führungspfade nicht genutzt werden, sind nichtprogrammierbare Elektroden LN eben, um an Fläche zu sparen, die für die Zellen-Schaltungsanordnung zur Verfügung steht. Folglich ist die Fläche, die für die Zellen-Schaltungsanordnung und für die Sensoren zur Verfügung steht, optimiert, da nur eine Elektrode von zwei programmiert werden muss und nur die Zellen SI einen Sensor integrieren müssen. Der Hauptmangel dieser letzteren, alternativen Ausführungsform im Vergleich zu der bevorzugten besteht in der längeren Zeit, die erforderlich ist, um die Partikel in der Probe zu erfassen, da sie von der Anzahl der Zeilenzellen abhängt, die die Partikel durchschreiten müssen, bevor sie die Sensoren erreichen. Andererseits kann die letztere alternative Ausführungsform eine geringere Käfiggröße erzielen und folglich kleinere Partikel zählen.
Eine weitere Methode gemäß der vorliegenden Erfindung ist jene der Schätzung der Anzahl der Partikeln, die kleiner als die mögliche Käfiggröße sind, indem Sensoren vorteilhaft genutzt werden, deren Ausgangssignal proportional zur Anzahl der Partikel ist, die in einem Käfig eingeschlossen sind. Bei der Anwendung dieses Verfahrens braucht die Käfiggröße nicht auf das Minimum eingestellt zu sein, da die Gesamtzahl der Partikel durch Summieren der Anzahl davon in jedem Käfig geschätzt werden kann, selbst wenn der Letztere mehrere Partikel enthält. Der Hauptnachteil dieser Methode ist, dass das Ausgangssignal der Sensoren so beschaffen ist, dass es nur von der Anzahl der Partikel ungeachtet ihres Typs abhängt, so dass ihr Typ nicht erfasst werden kann.
Wenn die Probe erst einmal durch Mittel und Instrumente, die einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt sind, wie etwa Mikrospritzen usw., in einer völlig automatisierten oder manuellen Weise, je nach den Erfordernissen des Anwenders, in die Vorrichtung eingebracht ist, ist es möglich, bei einer Frequenz zu arbeiten, bei der eine oder mehrere Spezies der Mikroorganismen einer negativen Dielektrophorese ausgesetzt sind; folglich ist es möglich, die zuvor erwähnten biologischen Objekt in den dielektrophoretischen Potentialkä eigen einzuschließen und sie über längere oder kürzere Strecken in der Vorrichtung umherzubewegen. Die vorgeschlagene Vorrichtung hat das neuartige Merkmal, die Partikel in Suspension in der Flüssigkeit zu bewegen, statt die Flüssigkeit selbst zu bewegen, wodurch die Notwendigkeit von komplizierten und aufwändigen Fluidik-Verfahren beschränkt wird, wobei ausgewählten Körpern ermöglicht wird, sich an geeigneten Stellen oder in Kammern anzusammeln, während verhindert wird, dass die Partikel durch Reibung oder Kollision beansprucht werden. Während der soweit beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens können die integrierten Sensoren das Vorhandensein von Partikeln überwachen und folglich für eine Anpassungssteuerung der Vorrichtung und ihrer Funktionalität in einer Rückkopplungsschleife sorgen.
Eine wichtige Funktion, die die Vorrichtung erfüllen kann, ist die Charakterisierung einer Probe von aus Partikeln bestehendem und löslich gemachtem Material durch Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften entweder der Gesamtheit oder ihrer Komponenten. Dies kann mit dem Merkmal der geführten Käfige erzielt werden, deren Beweglichkeit und Kraft von den physikalischen Eigenschaften und der Morphologie des zu analysierenden biologischen Materials, etwa von der Größe, dem Gewicht, der Polarisierbarkeit und der Leitfähigkeit, abhängen, die von Spezies zu Spezies verschieden sind.
Mit ihrem einzigartigen Merkmal, eine unabhängige Bewegung eines Partikels oder mehrerer Partikel, die in Potentialkäfigen eingeschlossen sind, entlang von Führungspfaden herbeizuführen, kann die Vorrichtung leicht programmiert werden, um verschiedene Aufgaben auszuführen: z. B. eine Art von Mikroorganismen von einem Gemisch von Spezies anhand ihrer physikalischen, dielektrischen und Leitungseigenschaften zu trennen. Eine weitere mögliche Anwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, zwei oder mehrere Mikroorganismen kollidieren zu lassen, wobei zuerst die Objekte in verschiedenen Käfigen eingefangen werden und sie dann zu demselben Ort der Vorrichtung bewegt werden. Beispielhaft für den weiten Anwendungsbereich, den die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet, sind im Folgenden verschiedene Verfahren zum Handhaben von Partikeln offenbart.
Es wird in Aussicht genommen, dass alternative oder äquivalente Ausführungen der vorliegenden Vorrichtung und des vorliegenden Verfahrens übernommen werden könnten, weshalb die grundsätzliche Erfindung in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Schließlich ist beabsichtigt, dass sowohl Materialien als auch Abmessungen entsprechend den Erfordernissen des Anwenders oder der Anwendung der Vorrichtung abgewandelt werden können.
Verfahren zum Trennen von Partikeln verschiedenen Typs durch sich unterscheidende dielektrophoretische Kräfte
Es wird angenommen, dass die Probe in der Kammer der Vorrichtung ein Gemisch von Partikeln wenigstens zweier verschiedener Typen enthält, die bei einer bestimmten Frequenz der negativen Dielektrophorese bzw. der positiven Dielektrophorese unterliegen. Durch Erregen der Elektroden mit periodischen Signalen dieser Frequenz werden Potentialkäfige geschaffen, in welche die Partikel des ersten Typs gezogen werden und von welchen die Partikel des zweiten Typs abgestoßen werden. Folglich werden durch Bewegen der Potentialkäfige zu einem gesonderten Bereich der Vorrichtung nur die Partikel des ersten Typs verlagert. Dieser Bereich könnte beispielsweise eine gesonderte Kammer in der Vorrichtung sein, wo die Partikel des ersten Typs weiter angesammelt, gezählt, mit anderen Partikeln gepaart werden können usw. Es sollte beachtet werden, dass in diesem Fall mehr als ein Partikel pro Käfig zulässig sein kann.
Verfahren zum Trennen von Partikeln verschiedenen Typs durch Einzelpartikeleinschluss, Typerfassung und Bewegung
Es wird angenommen, dass die Probe in der Kammer der Vorrichtung ein Gemisch von Partikeln wenigstens zweier verschiedener Typen enthält. Ferner wird angenommen, dass die Größe des Käfigs derart ist, dass nur ein Partikel in jedem Käfig eingeschlossen werden kann, und dass jeder Ort, an dem die Käfige geschaffen werden, einen Sensor umfasst, der in der Lage ist, den Typ des in dem Käfig eingeschlossenen Partikel, falls es eins gibt, zu erfassen. Dieser Sensor kann beispielsweise vom kapazitiven und/oder optischen Typ sein. Nachdem die dielektrophoretischen Potentialkäfige geschaffen worden sind, werden die Partikel in jedem Käfig unterschieden, und alle Käfige, die Partikel eines Typs einschließen, werden zu einem gesonderten Bereich der Vorrichtung bewegt, so dass nur Partikel jenes Typs in diesem Bereich vorhanden sind. Dieser Bereich kann eine gesonderte Kammer in der Vorrichtung sein, wo die Partikel weiter angesammelt, gezählt, miteinander oder mit anderen Partikeln gepaart werden können usw. Der Ausdruck "Typ", wie er hier und im Folgenden verwendet wird, sollte als auf Eigenschaften, die unter Verwendung von Sensoren unterschieden werden können, verweisend angesehen werden. Mit anderen Worten: Zwei Partikel, die aus dem gleichen Material bestehen, aber eine verschiedene Größe haben, können als zwei verschiedenen Typen zugehörig angesehen werden, wenn der in die Vorrichtung integrierte Sensor die beiden unterscheidet. Wiederum können zwei Partikel, die aus verschiedenem Material bestehen, die jedoch das gleiche Ausgangssignal des integrierten Sensors hervorrufen, als demselben Typ zugehörig angesehen werden.
Verfahren zum Trennen von Partikeln verschiedenen Typs durch Einzelpartikeleinschluss, Bewegung, Typerfassung und Bewegung
Dieses Verfahren ist abgesehen davon, dass die Orte, an denen die Käfige zuerst geschaffen werden, keinen Sensor aufweisen müssen, dem vorhergehenden ähnlich. Folglich ist es erforderlich, zunächst die Partikel durch Bewegen der Käfige zu den Orten zu bewegen, an denen ein Sensor in der Lage ist, ihren Typ zu bestimmen, und dann die Partikel entsprechend ihrem Typ zu verschiedenen Bereichen der Vorrichtung weiterzubewegen. Diese Bereiche können beispielsweise gesonderte Kammern in der Vorrichtung sein, wo die Partikel weiter angesammelt, gezählt, miteinander oder mit anderen Partikeln gepaart werden können usw.
Verfahren zum Zählen von Partikeln eines Typs durch Einzeltyp-Partikeleinschluss und Erfassung der Anzahl
Es wird angenommen, dass die Probe in der Kammer der Vorrichtung einen einzigen Partikeltyp enthält und dass jeder Ort, an dem die Käfige geschaffen werden, einen Sensor umfasst, der in der Lage ist, die Anzahl der Partikel, die in diesem Käfig eingeschlossen sind, zu erfassen. Dies kann erreicht werden, wenn die ausgegebene Antwort des Sensors proportional zur Anzahl der in dem zugeordneten Käfig eingeschlossenen Partikel ist. Die Gesamtzahl der Partikel in der Probe kann ganz einfach durch Summieren der Anzahl der in jedem Käfig bestimmten Partikelzahl gezählt werden.
Verfahren zum Zählen von Partikeln verschiedenen Typs durch Einzelpartikeleinschluss und Typerfassung
Es wird angenommen, dass die Probe in der Kammer der Vorrichtung einen Typ oder mehrere Typen von Partikeln enthält. Ferner wird angenommen, dass die Größe der Käfige derart ist, dass nur ein Partikel in jedem Käfig eingeschlossen werden kann, und dass jeder Ort, an dem die Käfige geschaffen werden, einen Sensor umfasst, der in der Lage ist, das Vorhandensein und den Typ des in dem Käfig eingeschlossenen Partikels, falls es eins gibt, zu bestimmen. Das Zählen der Anzahl der Partikel jedes Typs kann folglich einfach durch Schaffen von Potentialkäfigen, Bestimmen des Typs des Partikels in jedem Käfig, falls eins vorhanden ist, und getrenntes Summieren der Anzahl der Käfige, die Partikel des gleichen Typs einschließen, verwirklicht werden.
Verfahren zum Zählen von Partikeln verschiedenen Typs durch Einzelpartikeleinschluss, Bewegung und Typerfassung
Dieses Verfahren ist abgesehen davon, dass die Orte, an denen die Käfige zuerst geschaffen werden, keinen Sensor aufweisen müssen, dem vorhergehenden ähnlich. Folglich ist es zunächst erforderlich, Partikel durch Bewegen der Käfige an Orte zu verlagern, wo ein Sensor in der Lage ist, ihren Typ zu erfassen. Dann wird der Typ jedes Partikels, das in den Käfigen vorhanden ist, an den Erfassungsorten erfasst. Wenn weitere Käfige, deren Inhalt noch nicht kontrolliert worden ist, übriggeblieben sind, wird der Käfig am Erfassungsort verlagert, um das Verlagern von Käfigen, deren Inhalt noch nicht bestimmt worden ist, an denselben Erfassungsort zu ermöglichen. Dieser letztere Vorgang wird wiederholt, bis der Inhalt aller Käfige erfasst worden ist. Das Zählen der Anzahl der Partikel jedes Typs kann folglich durch getrenntes Summieren der Anzahl der Käfige, die Partikel des gleichen Typs einschließen, erreicht werden.

Claims

Vorrichtung zum Handhaben von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, die umfasst: – ein erstes Substrat (C); – eine Gruppe von Elektroden, die eine erste Elektrodenanordnung (M1), die auf dem ersten Substrat ausgebildet ist, und eine zweite Elektrodenanordnung (M2), die wenigstens eine Elektrode umfasst, aufweist, wobei die zweite Elektrodenanordnung der ersten Elektrodenanordnung zugewandt und von dieser beabstandet ist, wobei die Partikel und das Fluid in einem Bereich (L) zwischen der ersten Elektrodenanordnung und der zweiten Elektrodenanordnung angeordnet sind; – Mittel (DS, DX, DY, MIJ), die ein elektrisches Feld mit konstanter Größe wenigstens über einer imaginären geschlossenen Fläche (S1), die sich vollständig in dem Fluid befindet, aufbauen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (DS, DX, DY, MIJ) zum Aufbauen eines elektrischen Feldes Mittel zum Anlegen erster periodischer Signale mit einer Frequenz und einer ersten Phase an eine erste Untermenge von Elektroden (L7; E7) der ersten Elektrodenanordnung (M1) und an die zweite Elektrodenanordnung (M2) und wenigstens eines weiteren periodischen Signals mit der Frequenz und einer zweiten Phase, die zu der ersten Phase entgegengesetzt ist, an wenigstens eine andere Untermenge von Elektroden (L1–L6, L8–L12; E1-E6) der ersten Elektrodenanordnung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Elektrodenanordnung (M2) auf einem zweiten Substrat (O2) verwirklicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Substrat (C) Erfassungsmittel (SIJ; CPH, CHA; FR1, FR2) enthält, um das Vorhandensein eines oder mehrerer der Partikel zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das zweite Substrat (O2) Erfassungsmittel umfasst, um das Vorhandensein eines oder mehrerer der Partikel zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Erfassungsmittel Mittel (LIJ, M2, CHA) zum Messen eines elektrischen Feldes umfassen, die Änderun gen der elektrischen Eigenschaften wenigstens in einem Teil des Bereichs (L) zwischen der ersten Elektrodenanordnung (M1) und der zweiten Elektrodenanordnung (M2) erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Mittel zum Messen eines elektrischen Feldes wenigstens eine Elektrode (M2) der zweiten Elektrodenanordnung und wenigstens eine Elektrode (LIJ) der ersten Elektrodenanordnung (M2) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Mittel zum Messen eines elektrischen Feldes eine erste Elektrode (FR1) der ersten Elektrodenanordnung (M1) und wenigstens eine andere Elektrode (FR2) der ersten Elektrodenanordnung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite Elektrodenanordnung (M2) im Wesentlichen lichtdurchlässig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 8, bei der die Erfassungsmittel Mittel (CPH, CHA) zum Messen optischer Energie umfassen, die Änderungen der optischen Eigenschaften wenigstens in einem Teil des Bereichs (L) zwischen der ersten Elektrodenanordnung (M1) und der zweiten Elektrodenanordnung (M2) erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Mittel (DS, DX, DY, MIJ) zum Ändern des ersten periodischen Signals und/oder des wenigstens einen weiteren periodischen Signals umfasst, um die wenigstens eine imaginäre geschlossene Fläche: – zu expandieren oder zu kontrahieren und/oder – zu bewegen und/oder – zu bilden oder zu beseitigen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner Mittel (DS, DX, DY, MIJ) zum Ändern der Zusammensetzung der ersten und/oder der wenigstens einen anderen Untermenge der mehreren Elektroden umfasst, um die wenigstens eine imaginäre geschlossene Fläche: – zu expandieren oder zu kontrahieren und/oder – zu bewegen und/oder – zu bilden oder zu beseitigen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Abstandshalter (A3) aufweist, der zwischen das erste Substrat (C) und die zweite Elektrodenanordnung (M2) eingefügt ist, wenigstens eine Öffnung besitzt und wenigstens eine Kammer (L) zwischen dem ersten Substrat und der zweiten Elektrodenanordnung bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, die ferner einen Abstandshalter (A3) umfasst, der in das erste Substrat integriert ist, wenigstens eine Öffnung besitzt und wenigstens eine Kammer (L) zwischen dem ersten Substrat (C) und der zweiten Elektrodenanordnung (M2) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens eine Elektrode (LIJ) der Gruppe von Elektroden mit Schaltungsmitteln verbunden ist, die umfassen: – Adressierungseingabemittel (XI, XJ); – Dateneingabe-/Datenausgabemittel; – Referenzeingabemittel (FS); – wenigstens ein Speicherelement (MIJ); wobei das periodische Signal, das an die wenigstens eine Elektrode angelegt wird, aus dem Referenzeingang entsprechend einem in dem wenigstens einen Speicherelement gespeicherten Wert, der durch die Adressierungseingabemittel und die Dateneingabe-/Datenausgabemittel programmiert ist, abgeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Schaltungsmittel ferner Erfassungsmittel (SIJ) umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens eine der Elektroden (L1–L12) der ersten Elektrodenanordnung (M1) eine rechtwinklige Form hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der wenigstens eine der Elektroden (E1–E7) der ersten Elektrodenanordnung (M1) eine hexagonale Form hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Elektrodenanordnung (M2) aus einer einzigen Elektrode besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Substrat (C) ein monolithisches Halbleitersubstrat ist.
Verfahren zum Handhaben von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, das in einem Bereich (L) zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenanordnung (M1, M2), die zu einer Gruppe von Elektroden gehören, angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenanordnung (M2) wenigstens eine Elektrode umfasst und der ersten Elektrodenanordnung (M1) zugewandt und von dieser beabstandet ist, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen erster periodischer Signale mit einer Frequenz und einer ersten Phase an eine erste Untermenge von Elektroden (L7; E7) der ersten Elektrodenanordnung (M1) und an die zweite Elektrodenanordnung (M2) und wenigstens eines zweiten periodischen Signals mit der Frequenz und einer zweiten Phase, die zu der ersten Phase entgegengesetzt ist, an wenigstens eine Untermenge von Elektroden (L1–L6, L8–L12; E1–E6) der ersten Elektrodenanordnung, wodurch wenigstens über einer imaginären geschlossenen Fläche (S1), die sich vollständig in dem Fluid befindet, ein elektrisches Feld mit konstanter Größe aufgebaut wird, wodurch die Partikel von einem Abschnitt des Bereichs, der von der wenigstens einen imaginären geschlossenen Fläche eingeschlossen ist, in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften der Partikel und des Fluids entweder angezogen oder abgestoßen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem im Schritt des Anlegens erster und zweiter periodischer Signale wenigstens ein Partikel zu einem ersten Abschnitt des Bereichs (L) angezogen wird; ferner mit dem Schritt: Anlegen verschiedener periodischer Signale an die Untermengen von Elektroden, wobei wenigstens eines der verschiedenen periodischen Signale die Frequenz und die erste Phase besitzt und wenigstens ein weiteres der verschiedenen periodischen Signale die Frequenz und die zweite Phase besitzt, wodurch die wenigstens eine imaginäre geschlossene Fläche (S1) verlagert wird und wenigstens ein Partikel zu dem zweiten Abschnitt des Bereichs, der durch die wenigstens eine imaginäre geschlossene Fläche (S1) umschlossen ist, angezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem im Schritt des Anlegens erster und zweiter periodischer Signale wenigstens ein Partikel zu einem ersten Abschnitt des Bereichs angezogen wird; ferner mit dem Schritt: Ändern der Zusammensetzung der ersten Untermenge von Elektroden und/oder der wenigstens einen anderen Untermenge von Elektroden, wodurch die wenigstens eine imaginäre geschlossene Fläche (S1) verlagert wird und das wenigstens eine Partikel zu einem zweiten Abschnitt des Bereichs, der von der wenigstens einen imaginären geschlossenen Fläche umschlossen ist, angezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Anlegens verschiedener periodischer Signale ferner das Ändern der Zusammensetzung der Untermengen und das Anlegen der ersten und der zweiten periodischen Signale an die geänderten Untermengen von Elektroden umfasst.
Verfahren zum Trennen verschiedener Typen von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, das in einem Bereich (L) zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenanordnung (M1, M2), die zu einer Gruppe von Elektroden gehören, angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenanordnung (M2) wenigstens eine Elektrode umfasst und der ersten Elektrodenanordnung (M1) zugewandt und von dieser beabstandet ist, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen erster periodischer Signale mit einer Frequenz und einer ersten Phase an eine erste Untermenge von Elektroden (L7; E7) der ersten Elektrodenanordnung (M1) und an die zweite Elektrodenanordnung (M2) und wenigstens eines zweiten periodischen Signals mit der Frequenz und einer zweiten Phase, die zu der ersten Phase entgegengesetzt ist, an wenigstens eine weitere Untermenge von Elektroden (L1–L6, L8–L12; E1–E6) der ersten Elektrodenanordnung, wodurch wenigstens über einer imaginären geschlossenen Fläche (S1), die sich vollständig in dem Fluid befindet, ein elektrisches Feld mit konstanter Größe aufgebaut wird, wodurch die Partikel eines ersten Typs zu einem ersten Abschnitt des Bereichs (L), der von der wenigstens einen imaginären geschlossenen Fläche umschlossen ist, angezogen werden und Partikel anderer Typen von dem ersten Abschnitt des Bereichs, der von der wenigstens imaginären geschlossenen Fläche umschlossen ist, abgestoßen werden; und Ändern der Zusammensetzung der ersten Untermenge von Elektroden und/oder der wenigstens einen anderen Untermenge von Elektroden der ersten Elektrodenanordnung (M1), wodurch nur Partikel des ersten Typs zu einem zweiten Abschnitt des Bereichs, der von der wenigstens einen imaginären geschlossenen Fläche umschlossen ist, bewegt werden.
Verfahren zum Handhaben verschiedener Typen von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, das in einem Bereich (L) zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenanordnung (M1, M2), die zu einer Gruppe von Elektroden gehören, angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenanordnung (M2) wenigstens eine Elektrode umfasst und der ersten Elektrodenanordnung zugewandt und von dieser beabstandet ist, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen erster periodischer Signale mit einer Frequenz und einer ersten Phase an eine erste Untermenge von Elektroden (L7; E7) der ersten Elektrodenanordnung (M1) und an die zweite Elektrodenanordnung (M2) und wenigstens eines zweiten periodischen Signals mit der Frequenz und einer zweiten Phase, die zu der ersten Phase entgegengesetzt ist, an wenigstens eine andere Untermenge von Elektroden (L1–L6, L8, L12; E1–E6) der ersten Elektrodenanordnung, wodurch ein elektrisches Feld mit konstanter Größe über mehreren imaginären geschlossenen Flächen (S1), die sich vollständig in dem Fluid befinden, aufgebaut wird, so dass die Partikel zu verschiedenen Abschnitten des Bereichs, der von den imaginären geschlossenen Flächen umschlossen ist, angezogen und darin eingefangen werden, wobei jeder der Abschnitte nur ein Partikel einfangen kann; Erfassen des Typs jedes Partikels, die in den Abschnitten eingefangen sind.
Verfahren nach Anspruch 25, um verschiedene Typen von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, zu trennen, das ferner den folgenden Schritt umfasst: Ändern der Zusammensetzung der ersten Untermenge von Elektroden und/oder der wenigstens einen anderen Untermenge von Elektroden der ersten Elektrodenanordnung (M1), wodurch eine erste Untermenge der imaginären geschlossenen Oberflächen (S1) in einen ersten Bereich verlagert wird, wobei die erste Untermenge der imaginären geschlossenen Flächen aus imaginären geschlossenen Flächen zusammengesetzt ist, die Partikel eines ersten Typs einfangen, um die Partikel des ersten Typs zu dem ersten Bereich zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 26, das ferner vor dem Schritt des Erfassens des Typs jedes Partikels, die in den Abschnitten eingefangen sind, den Schritt des aufeinander folgenden Verlagerns der imaginären geschlossenen Flächen (S1, S2) zu wenigstens einem Erfassungsort (SI) umfasst, um eingefangene Partikel zu dem Erfassungsort zu bewegen.
Verfahren zum Zählen der Anzahl von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, das in einem Bereich (L) zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenanordnung (M1, M2), die zu einer Gruppe von Elektroden gehören, angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenanordnung (M2) wenigstens eine Elektrode umfasst und der ersten Elektrodenanordnung (M1) zugewandt und von dieser beabstandet ist, wobei das Verfahren umfasst: Anlegen erster periodischer Signale mit einer Frequenz und einer ersten Phase an eine erste Untermenge von Elektroden (L7; E7) der ersten Elektrodenanordnung (M1) und an die zweite Elektrodenanordnung (M2) und eines zweiten periodischen Signals mit der Frequenz und einer zweiten Phase, die zu der ersten Phase entgegengesetzt ist, an eine zweite Untermenge von Elektroden (L1–L6, L8–L12; E1–E6) der ersten Elektrodenanordnung, wodurch wenigstens über einer imaginären geschlossenen Fläche (S1), die sich vollständig in dem Fluid befindet, ein elektrisches Feld mit konstanter Größe aufgebaut wird, wodurch nur die Partikel eines Typs zu Abschnitten des Bereichs, der durch die wenigstens eine imaginäre geschlossene Fläche (S1) umschlossen ist, angezogen werden; Erfassen der Anzahl von Partikeln in jedem der Abschnitte.
Verfahren nach Anspruch 25 zum Zählen der Anzahl von Partikeln, die in ein Fluid eingetaucht sind, das ferner den folgenden Schritt umfasst: getrenntes Summieren der Anzahl von Partikeln desselben Typs.
Verfahren nach Anspruch 25 zum Zählen der Anzahl von Partikeln wenigstens eines Typs, die in ein Fluid eingetaucht sind, das ferner die folgenden Schritte umfasst: vor dem Schritt des Erfassens des Typs jedes Partikels, die in den Abschnitten eingefangen sind, aufeinander folgendes Verlagern der imaginären geschlossenen Flächen (S1) zu wenigstens einem Erfassungsort (SI) durch aufeinander folgendes Ändern der Zusammensetzung der ersten Untermenge von Elektroden und/oder der wenigstens einen anderen Untermenge von Elektroden der ersten Elektrodenanordnung (M1), um eingefangene Partikel zu dem Erfassungsort zu bewegen; und getrenntes Summieren der Anzahl von Partikeln desselben Typs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25–30, bei dem der Erfassungsschritt das Messen von Änderungen der Eigenschaften, die aus elektrischen und optischen Eigenschaften ausgewählt sind, wenigstens in einem Abschnitt des Fluids umfasst.