DE60019761T2

DE60019761T2 - Apparat und verfahren für dielektrophoresis

Info

Publication number: DE60019761T2
Application number: DE60019761T
Authority: DE
Inventors: Gary Michael Feltham LOCK; Ronald Anglesey PETHIG
Original assignee: Bangor University
Current assignee: Bangor University
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: JP2003504629A; CA2379780A1; CA2379780C; ATE294021T1; JP4627946B2; DE60019761D1; AU6004600A; GB9916850D0; EP1202810B1; WO2001005512A1; EP1202810A1; US7029564B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren bezüglich der Anwendung der Technik der Dielektrophorese und bezieht sich insbesondere auf eine Anordnung zum Konzentrieren oder Verdünnen oder Transportieren oder Trennen oder Erfassen oder Charakterisieren von Teilchen.
Die Technik der Dielektrophorese (DEP) ist in dem Buch "Nanotechnology in Medicine and the Biosciences", Herausgeber RRH Comos und D W Robinson, veröffentlicht von Gordon & Breach, Amsterdam, Kapitel 11 von Ronald Pethig, insbesondere Seiten 88 bis 93, beschrieben. Die Dielektrophorese ist die Bewegung von Teilchen in uneinheitlichen elektrischen Feldern. Im Unterschied zur Elektrophorese sind Ladungen an den Teilchen selbst nicht nötig, damit die Wirkung eintritt, und es werden Wechselstromfelder anstelle von Gleichstromfeldern angewandt.
Wenn ein elektrisches Feld auf ein System einwirkt, das aus in einem flüssigen Medium suspendierten Teilchen besteht, wird normalerweise in jedem Teilchen ein Dipolmoment induziert, und zwar als Ergebnis der elektrischen Polarisationen, die an den Grenzflächen entstehen, welche ihre Struktur bilden. Wenn das Feld uneinheitlich ist, erfahren die Teilchen eine Translationskraft, die als dielektrophoretische Kraft bekannt ist, in einer Größe und mit einer Polarität in Abhängigkeit von den elektrischen Eigenschaften der Teilchen und ihres umgebenden Mediums. Diese Kraft ist auch eine Funktion der Größe und der Frequenz des angewandten elektrischen Feldes.
Eine Anwendung der DEP-Technik ist in der Druckschrift WO 98/04355, British Technology Group, beschrieben, wobei man eine teilchenhaltige Flüssigkeit über eine kammartige Anordnung von Elektroden strömen lässt, an die Signale mit verschiedenen Frequenzen übermittelt werden. Teilchen mit verschiedenen Eigenschaften werden vorzugsweise in Richtung auf verschiedene DEP-Bereiche der Anordnung oder von diesen weg gezwungen, so dass die Teilchen charakterisiert werden können. Es wird ein strömendes Fluid benutzt.
Die DEP-Technik mit einer wandernden Welle wird auch von Pethig, Kapitel 11, Seiten 93 bis 97, beschrieben. Eine Anwendung der Technik ist in der Druckschrift WO 97/27933, University of Texas, angegeben, wobei man eine teilchenhaltige Flüssigkeit durch eine flache Zelle über eine Anordnung aus kammartigen Elektroden strömen lässt, denen Signale bei verschiedenen Phasen übermittelt werden, so dass durch eine Kombination aus der DEP mit wandernder Welle, dem Schweben und dem Feldfluss eine Fraktionierung, Trennung und Charakterisierung der suspendierten Teilchen möglich ist. Es wird ein strömendes Fluid benutzt.
Bei der üblichen DEP (d.h. bei der Anwendung von stationären und nicht wandernden oder rotierenden Feldern) ist es auch bekannt, gezahnte Elektroden der Art, wie sie in 1 dargestellt ist, zu verwenden, wo jede Elektrode 10 einen geradlinigen Grundkörper 12 mit an gegenüber liegenden Seiten abwechselnd angeordneten halbkreisförmigen Vorsprüngen 14 aufweist. Alternativ können die Vorsprünge im Wesentlichen eine quadratische Form haben. Bei einer Elektrodenanordnung können die Vorsprünge 14 an benachbarten Elektroden ausgerichtet sein, wie dargestellt ist, oder sie können versetzt sein. Die Elektroden werden für die übliche DEP benutzt, d.h. für nicht wandernde Felder.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung wird der Ausdruck "Teilchen" im Sinne von biologischen Zellen, Bakterien, Viren, parasitischen Mikroorganismen, DNA, Proteinen, Biopolymeren und nichtbiologischen Teilchen oder irgend welchen anderen Teilchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sein können, in welcher eine dielektrophoretische Kraft induzierbar ist, zu verstehen. Der Ausdruck bezieht sich auch auf chemische Verbindungen oder Gase, die in einer Flüssigkeit gelöst oder suspendiert sind.
Erfindungsgemäß handelt es sich um eine dielektrophoretische Zelle mit einer Anordnung von länglichen Elektroden und um eine Vorrichtung zum Übermitteln mindestens eines elektrischen Signals an die Elektroden, worin jede Elektrode entlang ihrer Längserstreckung eine fiktive Mittelachse aufweist, wobei die Elektrode eine oder mehrere Abweichungen von der fiktiven Mittelachse hat, und die Elektroden in der Anordnung ausgerichtet sind.
In dem Shorter Oxford Dictionary, ist "Abweichung" wie folgt definierts "1. Der Vorgang des nach unten Biegens – gebogener Zustand; eine Biegung oder Kurve. 2 Der Vorgang des Umdrehens oder der Zustand des Umgedrehtwerdens aus einer geraden Linie oder einem regelmäßigen Verlauf." Bei einem Beispiel sind die Elektroden schlangenförmig ausgebildet, wobei ihre Krümmungen ausgerichtet sind. Bei einem anderen Beispiel haben die Elektroden eine Zickzackgestalt, wobei ihre Punkte ausgerichtet sind.
Bei einem Beispiel sind die Elektroden in einer Anordnung alle identisch und befinden sich parallel zueinander. Bei einem anderen Beispiel ändert sich die Gestalt der Elektroden allmählich entlang der Anordnung.
Bei der Erfindung handelt es sich auch um ein dielektrophoretisches Verfahren, wobei eine Suspension von Teilchen in einer Flüssigkeit in die Nähe einer Elektrodenanordnung gebracht wird, wobei die Anordnung vorgegeben ist, und mindestes ein elektrisches Signal an die Anordnung übermittelt wird, wodurch Teilchen in solchen Bereichen der Elektroden eingeschlossen oder davon ausgeschlossen werden, die den maximalen Elektrodenkrümmungen entsprechen. Alternativ können Teilchen in solche Bereiche der Elektroden eingeschlossen oder davon ausgeschlossen werden, die den minimalen Elektrodenkrümmungen entsprechen.
Weiss und Thibodeaux beschreiben in dem US-Patent 4534856 eine elektrodynamische Methode zum Trennen von Komponenten, wie Korn und Staub in landwirtschaftlichen Nebenprodukten. Diese Trennung von Komponenten wird durch elektrisches Aufladen derselben oberhalb einer Anordnung von parallelen Elektroden bewirkt, die eine elektrische Wanderwelle erzeugen. Diese Wanderwelle wird durch Zuführen von Energie zu den Elektroden ausgebildet, wobei ein Dreiphasen-Hochspannungsgenerator mit 60 Hz sowie eine angelegte Spannung von bis zu 10.000 Volt und mehr benutzt werden. Die gemäß der US 4534856 auf die Komponententeilchen einwirkenden Kräfte sind ihrer Natur nach elektrostatisch und beinhalten die Wirkung von elektrischen Feldern auf geladene Körper, anders als bei den dielektrophoretischen Kräften, wie sie in der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, bei der Hochfrequenzsignale im Bereich von etwa 1 kHz bis 100 MHz und nur mäßige Spannungen im Bereich von 1 – 20 Volt angewandt werden.
Die WO 97/34689 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Manipulieren von Teilchen entlang von Kanälen unter Anwendung der Dielektrophorese. 3 zeigt eine Elektrodenanordnung des sogenannten interdigitalen, gezahnten Typs. Dies ist keine Schlangengeometrie. Die Zahnungen sind derart ausgebildet, dass in hohem Maße uneinheitliche Feldmuster erzeugt werden, die Teilchen an den Rändern der Elektrodenzahnung durch positive dielektrophoretische Kräfte leicht einfangen können. Die Wirkung der Zahnung besteht nicht darin, eine Verkehrssteuerung oder ein Sieben von Teilchen hervorzurufen, was mittels der Vorrichtung und der Verfahren der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Die WO 98/04355 A1 beschreibt ein Verfahren zum Charakterisieren, wie Teilchen über einen breiten Frequenzbereich unter Anwendung von nur einem Test auf dielektrophoretische Kräfte reagieren. Die Teilchen sind in einer Kammer suspendiert, die eine Anordnung von Elektrodenelementen enthält, wie in der 3 der WO 98/04355 A1 dargestellt ist. Jede Elektrode wird bei einer unterschiedlichen elektrischen Frequenz mit Energie versorgt, um einen breiten Bereich verschiedener dielektrophoretischer Kräfte zu erzeugen. Das dielektrophoretische Ansprechen über diesen Bereich wird dadurch bestimmt, dass geprüft wird, wie die Teilchen von jedem Elektrodenelement entweder angezogen oder davon abgestoßen werden. Die WO 98/04355 A1 benutzt keine elektrischen Wanderfelder oder Verkehrssteuerungswirkungen, die bei der Anwendung der Verfahren der Vorrichtung sowie der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Die US 5795457 A beschreibt eine Methode zum Manipulieren von Teilchen unter Anwendung stationärer dielektrophoretischer Kräfte – elektrische Wanderfelder werden nicht benutzt. 1B (1)(a) in der US 5795457 A zeigt eine der verwendbaren Elektrodenanordnungen, nämlich die sogenannte interdigitale, gezahnte Ausführungsform. Dies ist die gleiche Elektrodengeometrie, wie sie in 3 der WO 97/34689 A1 dargestellt ist, und es handelt sich hierbei, wie oben erwähnt, nicht um eine Schlangengeometrie. Die Zahnung ist derart ausgebildet, dass in hohem Maße uneinheitliche Feldmuster erzeugt werden, welche Teilchen an den Rändern der Elektrodenzahnung durch positive dielektrophoretische Kräfte leicht einfangen. Die Wirkung der Zahnung besteht nicht darin, die Verkehrssteuerung oder ein Aussieben von Teilchen zu bewirken, was durch die Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Die Erfindung wird jetzt nur unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen Folgendes dargestellt ist:
2 zeigt schematisch ein dielektrophoretisches System (TDW-System) mit einer Wanderwelle;
3A, B, C, D, E, F und G zeigen verschiedene Anordnungen von TWD-Elektroden;
4A, B, C, D, E und F sind aufeinanderfolgende Fotografien einer experimentellen Trennung von Teilchen durch TWD;
5 erläutert eine Anordnung von TWD-Elektroden, die insbesondere zum Trennen von zwei Teilchen von zwei oder mehr unterschiedlichen Arten besonders geeignet sind;
6 erläutert schematisch eine alternative Anordnung von TWD-Elektroden;
7 erläutert eine alternative Anordnung von schlangenförmigen TWD-Elektroden;
8 zeigt eine Kombination. aus üblichen und schlangenförmigen TWD-Elektrodenanordnungen;
9A und 9B erläutern jeweils eine Anordnung von Elektroden für die statische Dielektrophorese und geeignete elektrische Verbindungen für die Anordnung; und
10 zeigt eine Variante der 3A.
In 2 weist ein Glassubstrat 20 an seiner oberen Oberfläche eine Anordnung 22 aus schlangenförmigen Elektroden auf, von denen jede mit einem Mehrfachverbinder 24 mit einem Signalgenerator 26 verbunden ist. Das Substrat 20 kann mit einer Schutzabdeckung 28 (zweckmäßigerweise mit einem zweiten Glassubstrat) abgedeckt werden, wobei die Substrate durch einen nicht gezeigten Abstandshalter getrennt sind, um eine dünne Zelle zu bilden. Ein geeigneter Abstandshalter ist ein Kunststoffstreifen. Bei einer Variante (nicht dargestellt) kann die Elektrodenanordnung 22 auf der Schutzabdeckung 28 angebracht sein.
Die DEP-Zelle wird mit einer Lichtquelle 30 von unten beleuchtet und mit einem an einen Bildschirm 36 angeschlosse nen optischen Mikroskop/Videorekorder 32 von oben betrachtet.
Beim Gebrauch wird eine Suspension der Teilchen in einer Flüssigkeit auf ein Substrat 20 aufgebracht, und die Abdeckung 28 wird an ihre Stelle gesetzt. Der Signalgenerator 26 wird derart eingerichtet, dass er Signale mit verschiedenen Phasen an die Elektroden in der Anordnung 22 übermittelt. Beispielsweise kann der Signalgenerator 26 ein Vier-Phasen-Sinussignalgenerator sein, der mit aufeinanderfolgenden Elektroden für Signale der relativen Phase 0°, 90°, 180° und 270° verbunden ist und dann der Zyklus über die ganze Anordnung 22 wiederholt wird. Wie gut bekannt ist, erzeugt eine derartige Anordnung den Zustand der DEP mit einer Wanderwelle. Alternativ kann auf ein Teilchen eine stationäre DEP-Kraft ausgeübt werden, und zwar durch Übermitteln von sinusförmigen Signalen in Gegenphase (0°, 180°, 0°, 180°, usw.) an aufeinanderfolgende benachbarte Elektroden.
Die DEP-Zelle wird durch die Lichtwelle 30 beleuchtet und auf dem Schirm 36 betrachtet. Bei der Übertragung sind die Teilchen als unterschiedliche Flächen zu erkennen, und ihre Bewegung kann auf dem Schirm deutlich gesehen werden.
Es ist zu bemerken, dass keine Flüssigkeitsströmung durch die Zelle nötig ist.
3A bis 3F erläutern sechs verschiedene schlangenförmige Elektrodenanordnungen. In jeder Darstellung zeigen die Pfeile die allgemeinen Richtungen der Vorwärtsbewegung der Teilchen unter dem Einfluss des Wanderwellenfelds und auch die Bereiche der Vorwärtsbewegung innerhalb des Feldes an.
In der 3A weist jede Elektrode eine sinusförmige Gestalt auf. In der Figur werden drei sinusförmige Zyklen gezeigt, wobei die Maxima und die Minima jeder Sinuskurve ausgerichtet sind, d.h. miteinander fluchten. Die Pfeile entsprechen jenen zyklischen Maxima und Minima und zeigen die Bereiche, in denen sich die Teilchen vorwärtsbewegen. Drei Pfeile weisen in eine Richtung mit zwei Pfeilen, die zwischen den dreien liegen und in die entgegengesetzte Richtung weisen. Die Pfeile können als Anzeigen für Bewegungskanäle betrachtet werden und zeigen, dass eine gleichzeitiges Vorwärtsbewegen in entgegengesetzten Richtungen durch verschiedene Teilchenarten möglich ist. Die Anordnung kann als ein Verkehrssteuersystem betrachtet werden – die sich in entgegengesetzten Richtungen bewegenden Teilchen kollidieren nicht miteinander.
Bei bekannten (TWD)-Anordnungen der DEP mit einer Wanderwelle unter Verwendung von im Wesentlichen geraden parallelen Elektroden ist die allgemeine Wanderwellenkraft die bezüglich der Zeit durchschnittliche Translationswanderkraft, welche senkrecht zu den Elektroden auftritt.
Bei den schlangenförmigen Elektrodenanordnungen gemäß der Erfindung wird die allgemeine Wanderwellenkraft durch die Pfeile dargestellt. Die Kraft "konzentriert" die Teilchen in bestimmten Bereichen und zerstreut sie aus anderen Bereichen, in Abhängigkeit von der Gestalt der Elektrode. Mit anderen Worten, die Teilchen werden in einigen Bereichen des wandernden Feldes eingeschlossen und von anderen Bereichen ausgeschlossen.
Die Bedingungen können derart gewählt werden, dass die interessierenden Teilchen in eine Richtung und andere Teilchen in der Gegenrichtung wandern.
In 3B weist jede Elektrode eine Reihe von Halbsinuskurven auf. Alle Teilchen, die in 3B von links nach rechts wandern, können als in getrennten Bändern in der Richtung der Pfeile wandernd betrachtet werden.
In 3C hat jede Elektrode eine längliche "C"-Form. Alle Teilchen, die in 3C von links nach rechts wandern, werden von den Außenbereichen des Wanderfelds ausgeschlossen. Dies kann günstig sein, wenn sich am Rand des Feldes eine physikalische Wand befindet, wodurch ein Zerbrechen oder eine andere Schädigung der Teilchen und ein Verlust in dem Verfahren vermieden wird, wenn die Teilchen an der benachbarten Wand haften. Ein zusätzlicher Effekt besteht darin, dass im Ergebnis ein "Verstopfen" vermindert wird, d.h. die Neigung des Aneinanderhaftens mehrerer Teilchen in einem Klumpen an der Wandoberfläche kann minimiert werden.
In der 3D hat jede Elektrode die Form einer einzigen Halbsinuskurve, die mit geraden Seitenarmen verbunden ist. Bei dieser Anordnung wandern die Teilchen entsprechend dem gekrümmten Teil (hauptsächlich an der maximalen Krümmung). Die von rechts nach links wandernden Teilchen werden von den Bereichen ausgeschlossen, die dem mittleren gekrümmten Teil der Anordnung entsprechen. Die Anordnung kann als ein Einwegkanal oder ein Ventil betrachtet werden.
3E ist ähnlich 3B, mit der Ausnahme, dass jede Elektrode gegenüber ihren Nachbarn leicht versetzt ist, so dass die Stellen der maximalen Krümmung jeder Elektrode entlang paralleler Kurven angeordnet sind. Die durch die Pfeile dargestellten vier Kanäle sind gekrümmt, so dass die Anordnung benutzt werden kann, um Teilchen um Ecken herumzuführen, die einen kleineren Radius aufweisen als es bisher möglich war.
3F ist ähnlich 3A, mit der Ausnahme, dass die Elektroden zickzackförmig anstatt schlangenförmig sind.
In 3G sind die Elektroden geradlinig in Annäherung an die Sinuskurven von 3A, wobei jede vollständige Sinuskurve durch fünf gerade Linien dargestellt ist, oder die Elektroden können als eine Zickzackform der 3F mit abgeflachten Punkten betrachtet werden. Die Pfeile in den Kanälen zeigen nun in die beiden möglichen Bewegungsrichtungen, im Gegensatz zu den Pfeilen in den 3A und 3F, weil die Teilchen im geradlinigen Teil in der Mitte der Kanäle in jenem Bereich bleiben, unabhängig von der Bewegungsrichtung. Die Teilchen im "Übergangs"-Bereich der Elektroden, d.h. zwischen den Kanälen, bewegen sich so, wie in den 3A und 3F dargestellt ist. Deshalb sind die Anordnungen der 3A und 3F bevorzugt.
Die Betrachtung der 3A bis 3F zeigt, dass ein gemeinsames Merkmal aller dieser Elektroden darin besteht, dass sie zwei oder mehr verschiedene Krümmungen aufweisen, entweder Krümmungen mit entgegengesetzter Richtung oder einen gekrümmten Teil und in einigen Fällen gerade Abschnitte. Bei einem anderen Beispiel könnte eine Elektrodenanordnung eine Reihe von C-förmigen Elektroden, d.h. mit einer einzigen Krümmung, aufweisen. Andere Formen von schlangenförmigen Elektroden sind gleichfalls möglich.
Durch Auswahl geeigneter Formen von schlangenförmigen oder zickzackförmigen Elektrodenanordnungen ist es jetzt deshalb möglich, sich vorwärts bewegende Teilchen in die Kanäle zu führen, sie zu Bändern zu formen, die Teilchen von einer mechanischen Einengung an der Flüssigkeitsströmung, zum Beispiel von Wänden der Vorrichtung, wegzuführen und sie leichter um Ecken herumzuführen. Die Teilchen können in einen besonderen Bereich des DEP-Felds eingeschlossen oder davon ausgeschlossen werden. Dies erlaubt es, dass Teilchen in einem Wanderfeld genau positioniert werden und so leicht erfasst werden. Zusätzlich kann die Technik dazu benutzt werden, die Teilchen an ein mit einem Antikörper beschichtetes Objekt oder eine derartige Oberfläche heranzuführen.
4 erläutert eine Teilchenbewegung, bei der die Elektrodenanordnung von 3A und die allgemeine Anordnung von 2 benutzt werden. Es wurden vierundsechzig sinusförmige Elektroden in einer Anordnung 22 durch Photolithographie auf einem Objektträger 20 hergestellt und sie wiesen eine Chromschicht auf, die mit einer Goldschicht bedeckt war. Jede Elektrode ist etwa 10 Mikrometer breit, und der Zwischenelektrodenabstand beträgt etwa 30 Mikrometer in den Mittelkanalbereichen. Es wurde eine Kultur lebender Hefezellen, die in Wasser suspendiert waren, eingesetzt. Die Zellkonzentration betrug 10,2 Millionen Zellen pro Milliliter, und die Leitfähigkeit der Suspension lag bei 10,5 mS pro Meter. Vor dem Experiment wurden die Elektroden während über einer Stunde in ultrareines Wasser getaucht, um ihre Reinigung zu unterstützen. In dem Experiment wurde gefunden, dass durch Übertragen eines stationären DEP-Signals mit 150 Kilohertz als Ergebnis einer negativen DEP-Kraft nur ein Schweben der Teilchen ohne eine Translationskomponente stattfindet.
In dem Experiment wurde an alle Elektroden der Anordnung 22 ein stationäres DEP-Signal bei einer Frequenz von 150 Kilohertz und 3 Volt von Peak zu Peak übertragen. Dann wurde die Suspension der Hefezellen auf die Elektroden aufgebracht und darüber ein Abdeckstreifen 28 angeordnet. Das Signal mit 150 Kilohertz veranlasste die Teilchen, über den Elektroden zu schweben und minimierte das Haften der Hefezellen. Nach einigen Sekunden wurde ein DEP-Feld mit wanderwelle mit 50 Kilohertz und 3 Volt von Peak zu Peak angelegt. Die Hefezellen begannen unmittelbar, sich entlang des Wanderfeldes zu bewegen und sich zu Bändern zu formieren, wie aus der 4A ersichtlich ist.
Die großen Pfeile zeigen die allgemeine Richtung der Bewegung der Zellen. Die kleinen Pfeile zeigen die lokale Bewegung der Zellen, wenn sie von einem Kanal ausgeschlossen und in einem anderen eingeschlossen werden, so dass sie Bänder bilden. An der linken Seite der Fotografien wurden fünf Kanäle jeweils mit einer Kanalnummer versehen.
4B ist eine Fotografie, die etwa drei Sekunden nach 4A aufgenommen wurde. Es ist zu sehen, dass sich die Zellen nach rechts bewegen und sich in den Kanälen 2 und 4 näher zusammen in Bandform befinden sowie von den Kanälen 1, 3 und 5 zum großen Teil ausgeschlossen sind.
4C wurde aufgenommen, nachdem die Richtung des Wanderwelienfelds geändert wurde. Die Zellen bewegen sich nun von rechts nach links, und man sieht, dass sich die Bänder aus den Kanälen 2 und 4 in die Kanäle 3 und 5 bewegen. 4D wurde drei bis vier Sekunden später aufgenommen, und die Wanderung in die Bänder ist noch deutlicher.
4E zeigt die Bänder einige wenige Sekunden später und erläutert, dass die Bewegung der Zellen beginnt, in den Kanälen 3 und 5 einen freien Bereich zu bilden, wenn sich die Zellen nach links bewegen.
4F ist eine Fotografie, die entlang der Kanäle weiter nach links aufgenommen wurde, und zeigt, dass die Bänder entlang der Kanäle einheitlich sind.
Die geringe Anzahl an Zellen, welche über die Elektroden verstreut sind, haften an dem Glas und bewegen sich nicht. Bei derart hohen Zellkonzentrationen tritt im Allgemeinen etwas ein Haften der Zellen ein. Dies kann durch Anwendung spezieller Beschichtungen auf dem Glas oder durch Benutzung chemischer Mittel, wie oberflächenaktiver Mittel oder biochemischer Zusatzstoffe, zum Beispiel von Proteinen (wie Casein, denaturiertes Albumin) sowie durch Verwenden eines polymeren Materials als Substrat oder durch Aufbringen eines Film aus einem polymeren Material auf einem Glassubstrat vermindert werden.
Die experimentellen Ergebnisse in 4 zeigen, dass die Teilchen entlang der Richtung des Wanderfelds zu Bändern formiert werden können und sich in diesen Bändern bewegen. Es wurde gefunden, dass bei hohen Teilchenkonzentrationen ein Wandern in Bändern besonders wirksam ist. Somit erlaubt es die Verwendung von schlangenartigen Elektrodengeometrien, dass sehr hohe Teilchenkonzentrationen leichter gehandhabt werden können als es bisher unter Anwendung von Dielektrophoresetechniken möglich war.
Wenn zwei Teilchenarten vorliegen, die verschiedene Eigenschaften aufweisen, lassen sich die Bedingungen derart wählen, dass die Teilchen veranlasst werden, ungehindert in entgegengesetzte Richtungen zu wandern, was ein Trennen der beiden Teilchenarten ermöglicht. Die Technik arbeitet bei niedrigen Teilchenkonzentrationen. Es wurde aber auch gefunden, dass sie besonders wirksam ist, wenn die Aggregat-Teilchenkonzentration sehr hoch ist, zum Beispiel Millionen oder zig Millionen von Teilchen pro Kubikzentimeter oder mehr, beträgt. Potentielle nützliche industrielle Anwendungen kann das Entfernen von Bakterien aus Speichelflüssigkeiten oder Stuhl, das Entfernen von Stammzellen, Fötuszellen oder Krebszellen aus Blut oder das Entfernen von Meningitisviren aus Rückenmarksflüssigkeit sein. In wenigstens einigen dieser Fälle kann die Anzahl der zu entfernenden Teilchen im Vergleich zu der Anzahl der vorhandenen Teilchen sehr gering sein, so dass die Möglichkeit, mit hohen Teilchenkonzentrationen zu arbeiten, eine Trennung, die in einem praktischen Zeitraum durchgeführt werden soll, erlaubt.
Es wurden Experimente mit menschlichen Blutzellen unter Benutzung einer Elektrodenanordnung, die der in den 3A und 4 gezeigten Anordnung ähnlich war, durchgeführt. Die verwendeten Elektroden waren 8 μm breit und hatten in den Mittelkanalbereichen einen Zwischenelektrodenabstand von 17 μm. Die Experimente wurden bei sehr hohen Zellkonzentrationen mit einer 10-fachen Verdünnung des gesamten Bluts und einer Konzentration von etwa 5 × 10⁸ Zellen pro Milliliter (d.h. 500 Millionen Zellen pro Kubikzentimeter) durchgeführt. Den Elektroden wurden mehrphasige Signale zugeführt, und die Blutzellen bewegten sich mit TWD-Kräften. Eine Verdünnung auf das 20-fache des ganzen Bluts (d.h. auf eine Konzentration von etwa 2,5 × 10⁸ Zellen pro Milliliter) erwies sich als bevorzugt, wenn eine Trennung und nicht nur eine Bewegung der Teilchen erwünscht war, insbesondere dann, wenn die Konzentrationen der zu trennenden Zellen sehr unterschiedlich waren. Die Unterschiedlichkeit der Zellkonzentrationen war beträchtlich. Es gab etwa 700 rote Blutzellen für jede weiße Zelle.
Eine besonders nützliche Anwendung der schlangenartigen Elektrodenform beinhaltet die Technik der Signalüberlagerung, die in der GB-Patentanmeldung 9916848.6 und in der darauf basierenden internationalen Anmeldung, die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben ist.
In einem Experiment wurde eine 6-Milliliter-Probe von menschlichem ganzen Blut in einem Lithiumheparinröhrchen gesammelt und innerhalb einer Stunde in einer phosphatgepufferten Salzlösung, die Saccharose, Glucose, Heparin und Calciumchlorid enthielt, auf das 40-fache verdünnt, um eine Leitfähigkeit der Endsuspension von 15 mS/m zu erhalten. Den schlangenartigen Elektroden wurde Energie mit 20 kHz und 0,6 Vrms eines stationären DEP-Signals zugeführt, um die Blutzellen über der Elektrodenebene schweben zu lassen, wenn sie in die Testkammer eingeführt wurden. Dieses DEP-Signal wurde dann gestoppt, und es wurden den Elektroden zwei TWD-Signale zugeführt, das eine mit 50 kHz und 0,32 Vrms einer sich vorwärts bewegenden Wanderwelle und die andere mit 400 kHz und einer 0,64 Vrms sich umgekehrt bewegenden Wanderwelle. Der größte Teil der Blutzellen bewegte sich rasch entlang den Kanälen 3 und 5, ähnlich wie in dem in 4f gezeigten Fall, grundsätzlich unter der Wirkung des 50 kHz-Signals. Eine kleine Anzahl der Blutzellen in der Größenordnung von 5 %oder weniger der gesamten Anzahl wurde an den Elektroden festgehalten oder bewegte sich langsam entlang den Kanälen 2 und 4, ähnlich dem in 4a gezeigten Fall. Eine mikroskopische Überprüfung mit einem Objektiv mit 40-facher Vergrößerung zeigte, dass etwa 20 – 25 rote Blutzellen festgehalten wurden oder sich in den Kanälen 2 und 4 bewegten, bezogen auf jede weiße Blutzelle. Beim erneuten Zuführen des stationären DEP-Signals mit 20 kHz wurden die festgehaltenen roten Blutzellen in die Kanäle 3 und 5 geführt, und die größten der weißen Blutzellen wurden losgelöst und bewegten sich entlang den Kanälen 2 und 4. Diese Zellen erwiesen sich hauptsächlich als Neutrophile und bewegten sich entlang den Kanälen 2 und 4 mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 15 Mikron pro Sekunde. Beim Vermindern der Frequenz des umgekehrten TWD-Signals von 400 kHz hinunter auf 150 kHz wurden die kleineren weißen Blutzellen von den Elektroden freigegeben und wanderten entlang den Kanälen 2 und 4. Dieser Vorgang der Zelltrennung für verdünntes Blut wurde für verschiedene Grade der Blutverdünnung und der Zusammensetzung des Suspendiermediums wiederholt. In jedem Fall wurden die spezielle Frequenz und die Spannungswerte, wie oben angegeben, für die überlagerten DEP- und TWD-Signale eingestellt, um die oben beschriebenen Ergebnisse zu erhalten.
Ein anderes wertvolles Attribut der schlangenförmigen Elektrodenausbildung besteht darin, dass sie bei einem Siebvorgang benutzt werden kann, um die Wirksamkeit der Zelltrennung zu erhöhen. Dies wird durch einen Zyklus von Vorgängen erreicht, bei dem nach dem Sammeln der getrennten Subpopulationszellen (Zielzellen) das Haupt-TWD-Signal umgekehrt wird, um jede der Zielzellen auszusieben, die mit der Hauptmenge der Zellen entlang den Kanälen 3 und 5 mitgenommen wurde. Beim Wegführen dieser Hauptmenge der Zellen in der umgekehrten Richtung entlang den Kanälen 2 und 4 können Zielzellen, die dem ersten Trennvorgang entkommen sein können, abgetrennt werden und entlang den Kanälen 3 und 5 wandern. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, so oft wie es erforderlich ist, um die gewünschte Wirksamkeit für die Wiedergewinnung der Zielzellen und das Ausmaß der Trennung zu erreichen.
In der Druckschrift "Electromanipulation and separation of cells using travelling electric fields", J. Phys. D: Appln. Phys, 29, Seiten 2198 – 2203 (1996), beschreiben Talary et al. die Trennung von lebensfähigen und nicht lebensfähigen Hefezellen unter Einsatz von TWD-Elektroden. Die Größe der Hefezellen war von der gleichen Größenordnung wie jene der Blutzellen, und Konzentrationen von etwa 1 × 10⁴ Zellen pro mi wurden TWD-Kräften unter Benutzung üblicher Elektroden mit einer Breite von 10 μm und einem Zwischenelektrodenabstand von 10 μm unterworfen. Aus den in der Veröffentlichung enthaltenen Figuren kann entnommen werden, dass die Konzentrationen in der Größenordnung von 1 × 10⁴ Zellen pro ml nahe an der Obergrenze für das wirksame Manipulieren und Trennen von Zellen unter Anwendung von TWD mit üblichen Elektrodenanordnungen lag. Dies ist vergleichbar mit der Zellkonzentration von 2,5 × 10⁸ Zellen pro ml, die mit schlangenförmigen Elektroden der Anordnung in 3a angewandt wurde, was eine Erhöhung der Zellen pro ml auf das 25.0000-fache bedeutet. Ferner wurden gemäß der Veröffentlichung von Talary et al. ähnliche Verhältnisse verschiedener Zelltypen (d.h. lebensfähiger und nicht lebensfähiger Hefe) manipuliert, wobei die bei der Manipulation von Ganzblutzellen unter Verwendung von schlangenartigen TWD-Elektroden das Verhältnis von roten Blutzellen zu weißen Blutzellen in der Größenordnung von 700:1 lag (eine beträchtlich komplexere Trennung). Somit können mittels der vorliegenden Erfindung erheblich größere Teilchenkonzentrationen und größere Unterschiede in der Teilchenart gehandhabt und die Teilchen getrennt werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung können auch niedrige Teilchenkonzentrationen gehandhabt und die Teilchen manipuliert, charakterisiert und getrennt werden, und zwar mit erhöhten Steuerungsniveaus, verglichen mit der Anwendung von geraden parallelen TWD-Elektroden. Die Erfindung kann auf alle Bereiche der Teilchenkonzentration wirkungsvoll angewandt werden, obwohl bei der Anwendung ihre Vorteile am deutlichsten bei der Handhabung hoher Konzentrationen zum Ausdruck kommen.
Die erfindungsgemäße Technik überwindet auch frühere Nachteile der DEP insofern, als Teilchen, die sich entlang dem wandernden Feld bewegen, dazu neigen können, abzutreiben – der "fokussierende Effekt", welcher durch die vorliegende Erfindung erreicht wird, minimiert ein solches Abtreiben. Die Bewegung unter einem DEP-Feld kann nun von dem hydrodynamischen Fluidstrom unterschieden werden, der ein vergleichsweise starkes Abtreiben hervorrufen kann. Eine hydrodynamische Fluidströmung kann durch Erwärmungseffekte entstehen, welche durch die elektrischen Felder verursacht werden.
5 erläutet eine Elektrodenanordnung zum Trennen verschiedener Arten von Teilchen mit verschiedenen Eigenschaften und verschiedenen Konzentrationen. Die Bedingungen werden so gewählt, dass die Teilchen durch Wandern in entgegengesetzte Richtungen auf das gleiche Wanderfeld reagieren. Dies kann durch Ändern zum Beispiel der Eigenschaften des angewandten Spannungssignals oder der Dielektrizitätskonstante oder der elektrischen Leitfähigkeit der suspendierenden Flüssigkeit oder durch Ändern der Temperatur oder sogar durch Zugabe eines chemischen Stoffes zu der suspendierenden Flüssigkeit erreicht werden.
Wie aus 5 ersichtlich ist, haben die Elektroden im oberen Teil der Figur die Form von zwei Zyklen einer Sinuskurve in Ausrichtung, jedoch weisen die Elektroden im unteren Teil der Figur die Form von zwei Zyklen auf, die durch einen fast geraden Teil getrennt sind, wobei sich die Gestalt der Elektrode allmählich von der einen Form zur anderen Form ändert.
Bei der Benutzung kann die Probensuspension an dem unteren Teil der Elektrodenanordnung eingeführt oder direkt auf die ganze Elektrodenanordnung aufgebracht werden. Teilchen mit der höheren Konzentration werden veranlasst, sich zum oberen Teil der Figur in dem Mittelkanal zu bewegen, während Teilchen mit der geringeren Konzentration dazu gebracht werden, sich nach unten entlang den zwei Außenkanälen zu bewegen und aus dem Mittelbereich der Anordnung abzuwandern.
In der Praxis können Teilchen mit der hohen Konzentration einige Teilchen mit der niedrigen Konzentration einfangen und sie nach oben transportieren. Dies ist der Wirkung der DEP-Wanderwelle auf die Teilchen mit der niedrigen Konzentration entgegengesetzt, und möglicherweise befreien sie sich selbst und bewegen sich in die zwei Außenkanäle, wie erforderlich – eine wesentliche Länge des Mittelkanals maximiert diese Möglichkeit, zum Beispiel 0,5 bis 5 cm. Um dieses Entkommen aus dem eingefangenen Zustand zu unterstützen, kann das Feld mit der Wanderwelle intermittierend abgeschaltet werden, was den Teilchen erlaubt, aus ihrem Band etwas herauszustreuen und deshalb ein Entkommen der Teilchen mit der niedrigeren Konzentration unterstützt. Die gleiche "Siebwirkung" kann durch intermittierendes Umkehren der Feldrichtung erreicht werden. Diese "Siebwirkung" ist besonders nützlich, wenn mit Teilchen gearbeitet wird, die zum Zusammenklumpen neigen, wie zum Beispiel Blutzellen.
Die Anordnung gemäß 5 kann beispielsweise zum Trennen von Organismen, wie Salmonellen von nativen E-Coli und Bakteroiden in einer Stuhlprobe oder zum Abtrennen von Krebszellen aus Blut angewandt werden. Die Zelltrennung unter Anwendung dieser Siebwirkung kann auch durch Benutzen anderer schlangenartiger Elektrodengeometrien, wie jener gemäß 3A oder 3B, erreicht werden.
Wenn die Forderung besteht, eine oder mehrere Arten von Teilchen in einem Flüssigkeitsvolumen zu trennen oder zu konzentrieren oder zu verdünnen und eine zweite Art von Teilchen zu verwerfen, kann die Anordnung gemäß 6 benutzt werden. Die Elektroden sind als dicke Linien, gerade oder gekrümmt, dargestellt, jedoch ist jede Elektrode tatsächlich eine schlangenförmige Elektrode wie in 3A gezeigt wird.
Die schlangenförmigen Elektroden sind in zwei Bereichen angeordnet. Der eine ist der Mittelbereich A, in dem jede schlangenförmige Elektrode eine gerade Achse aufweist, und die Achsen verlaufen parallel und quer zu der Figur – wie in der vergrößerten Ansicht gezeigt wird. Der andere Bereich ist der Außenbereich B, in dem die Achsen der schlangenförmigen Elektroden "U"-förmig sind. Der Außenbereich B hat deshalb zwei Seitenarme B1 und B2, in denen die Elektrodenachsen gerade verlaufen, und einen mittleren Verbindungsteil B3, in dem die Elektrodenachsen gekrümmt sind.
Die Suspension des Gemisches der Teilchen wird in beiden Bereichen A und B mit den Elektroden in Kontakt gebracht, und die Trennung erfolgt in drei Stufen:

1. Es werden Signale an die Elektroden in dem Mittelbereich A gesandt, so dass Teilchen einer ersten gewünschten Art in der Figur nach unten wandern und sich am unteren Rand des mittleren Elektrodenbereichs sammeln sowie Teilchen der zweiten Art nach oben wandern und sich über den äußeren Elektrodenbereich B bewegen. Durch Auswahl der geeigneten Elektrodenform wandern die Teilchen in entgegengesetzten Richtungen entlang verschiedener Kanäle.
2. Die Signale werden nicht mehr an die Elektroden in dem Mittelbereich A gesandt sondern an den Außenbereich B übermittelt, so dass Teilchen der gewünschten Art nach innen zu dem Innenbereich A wandern und die Teilchen der anderen Art sich nach außen und von den Rändern des Bereichs B weg bewegen und verworfen werden.
3. Es werden die Signale zu dem Bereich B gestoppt und wieder dem Bereich A zugeführt, so dass sich die gewünschte Teilchenart nach unten bewegt und am Boden des Mittelbereichs sammelt.

Bei einer Variante wird eine Mehrschichten-Fabrikationstechnik angewandt. Der Innenbereich A und der Außenbereich B werden an ihren Rändern übereinandergelegt und durch eine dünne Isolierschicht getrennt. Es gibt dann keinen Bereich, in dem die Teilchen eingefangen werden können. Für eine erhöhte Vielseitigkeit der Teilchenmanipulation können verschiedene Bereiche der Elektrodenabschnitte A und B getrennt gesteuert werden.
Wenn die Technik der Erfindung einmal angewandt wurde, kann die ausgewählte abgetrennte oder konzentrierte Teilchenart zu einer Stelle geführt werden, an der sie analysiert oder durch eine weitere DEP-Analyse oder irgend eine andere Analysentechnik, zum Beispiel eine Analysentechnik auf optischem Weg, durch Ultraschall, auf elektrischem Weg, auf. magnetischem Weg, durch PLR, durch FISH, usw., charakterisiert werden können.
Bei allen beschriebenen Anordnungen wurde darauf Bezug genommen, dass die Flüssigkeit-Teilchen-Suspension auf die DEP-Elektrodenanordnung aufgebracht wird. Bei einer ersten Alternative kann die Suspension auf ein Substrat aufgebracht werden, das die Elektrodenanordnung auf seiner gegenüberliegenden Seite trägt. Bei einer zweiten Alternative kann die suspendierende Flüssigkeit zuerst auf oder neben die Elektrodenanordnung aufgebracht werden, und die Teilchen können anschließend eingeführt werden. Beispielsweise könnten in der Anordnung gemäß 5 die Teilchen in den Mittelbereich an der Unterseite der Figur eingeführt werden. Bei einer dritten Alternative kann die Suspension zwischen zwei oder mehr gegenüberliegenden Elektrodenanordnungen aufgebracht werden, die auf getrennten ebenen Substraten oder auf einem rohrförmigen Substrat ausgebildet worden sind. Jedoch ist keine der Anordnungen von einer Anordnung einer Fluidströmung abhängig, wie jene, die bei üblicher DEP benutzt wird. Es kann eine Fluidströmung verwendet werden, ist aber kein Erfordernis.
Eine weitere Variante wird in 7 dargestellt. Bei allen vorhergehenden Beispielen war der Zwischenelektrodenabstand, der in 7 mit s angegeben ist, konstant. Jedoch nimmt bei der Variante das Marke-Raum-Verhältnis w/s (worin w die Breite der Elektrode ist) entlang der Elektrodenanordung zu, wie dargestellt ist.
7B ist eine Seitenansicht der schlangenartigen Elektroden 42 und zeigt die Kräfte auf ein Teilchen p. Das Ergebnis des variierenden Marke-Raum-Verhältnisses ist derart, dass die Schwebehöhe der Teilchen über der Elektrodenanordnung, dargestellt durch eine Linie L, zunimmt. Die Kräfte auf ein Teilchen P werden aufgezeigt, d.h. eine nach oben gerichtete Schwebekraft 1 (der wirkliche Teil der DEP-Kraft mit Wanderwelle), eine Translationskraft tw (der imaginäre Teil der DEP-Kraft der Wanderwelle) und die Schwerkraft g. Wenn sich das Teilchen nach rechts bewegt, nimmt die Translationskraft als Ergebnis des zunehmenden Marke-Raum-Verhältnisses ab. Gleichzeitig nimmt die Schwebehöhe der Teilchen zu, was zu einer weiteren Verminderung der Translationskraft führt, da das Teilchen von den Elektroden 42 weiter entfernt ist. An irgend einer Stelle entlang der Linie L wird in Abhängigkeit von der Teilchengröße, den relativen Komponenten der dielektrophoretischen Kraft, der elektrischen Feldstärke und der Elektrodengeometrie die Translationskraft null, so dass kein weiteres Wandern stattfindet. Die Teilchen mit verschiedenen Eigenschaften wandern deshalb über unterschiedliche Entfernungen und bleiben in verschiedenen Positionen. Eine Teilchentrennung ist deshalb möglich.
Bei einer Variante wird ein anfängliches Schweben entweder durch Anwenden eines statischen DEP-Felds oder durch Anwenden eines TWD-Felds bei einer Frequenz, bei welcher die Teilchen keine Translationskraft erfahren, hervorgerufen.
Bei einer weiteren Variante ist es dann, wenn die Teilchen als Ergebnis der Benutzung von Elektroden mit verschiedenem Marke-Raum-Verhältnis in verschiedenen Bereichen einmal aufgetrennt worden sind, erwünscht, sie selektiv entfernen zu können. 8 zeigte eine Anordnung von Elektroden 44 mit verschiedenem Marke-Raum-Verhältnis, nämlich in diesem Fall übliche lineare Elektroden, die sich eng neben einer Anordnung von schlangenförmigen Elektroden 46 der in 3B gezeigten Art (d.h. mit einem konstanten Marke-Raum-Verhältnis) befinden, für ein selektives Entfernen von Teilchen. Die Elektrodenanordnungen können entweder unter Anwendung von Mehrschichtentechniken oder durch Ausbilden auf gegenüberliegenden Substratseiten hergestellt werden. Ein Verwenden dieser zwei Elektrodenanordnungen mit verschiedener Geometrie in Kombination erlaubt eine Teilchentrennung als Ergebnis der unterschiedlichen Eigenschaften und dann ein selektives Entfernen der abgetrennten Teilchen.
Beispielsweise können die Teilchen eingeführt werden, wie durch den Pfeil Idargestellt ist. Teilchen mit verschiedenen Eigenschaften wandern über unterschiedliche Entfernungen entlang der Anordnung der Elektroden 44 und bleiben an verschiedenen Stellen. Diese Teilchen können dann entlang der Kanäle "a" bis "h" durch die Elektroden 46 entfernt werden.
Es existieren zahlreiche Varianten unter Einsatz verschiedener Ausführungsformen der Schlangenform und von Kombinationen der Schlangenelektroden mit Nicht-Schlangenelektroden. Jede der Ausführungsformen der Elektroden gemäß den 3 und 5 kann verwendet werden, ebenso Varianten hiervon. Die Wahl der Elektrodengeometrien hängt von der Wahl der Anwendung ab. Ein Verändern des Marke-Raum-Verhältnisses der Elektroden kann in Abhängigkeit davon, welche Teilchen abgetrennt werden sollen, günstig sein. Beispielsweise kann eine lineare oder nicht lineare Zunahme im Marke-Raum-Verhältnis benutzt werden. Durch Anwenden dieser Varianten können Teilchen mit sehr geringen Unterschieden getrennt und selektiv entfernt werden.
Alle oben beschriebenen Beispiele unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 beziehen sich auf eine Dielektrophorese mit Wanderwelle, obwohl die Elektrodenanordnungen auch auf statische DEP-Felder angewandt werden können. Gemäß 9 wird ein Satz schlangenförmiger Elektroden dargestellt, der für eine statische Dielektrophorese geeignet ist. Die Elektroden 48 sind "V"-förmig und in parallelen Paaren angeordnet, wobei die Zwischenelektrodenlücke E wesentlich größer als die Zwischenpaarlücke P ist. Jede Elektrode in einem Paar steht an einer Seite über die andere Elektrode in jenem Paar vor, um die Verbindung mit den elektrischen Kontakten 50, 52 zu erleichtern, die mit entgegengesetzten Seiten einer Signalquelle 54 verbunden sind.
Normalerweise werden die Elektroden 48 und die Kontakte 50, 52 auf einem Objektträger aus Glas durch Photolithographie hergestellt, wobei die Elektroden 48 Goldelektroden sind und eine Dicke von nominell 40 Mikron sowie eine Zwischenelektrodenlücke E von auch nominell 40 Mikron aufweisen. Die Zwischenpaarlücke P liegt nominell bei 200 – 1000 μm. Der Objektträger, der die Elektroden trägt, wird normalerweise mit einem Abstandshalter und einer Abdeckung, wie in 2, zu einer Zelle ausgebildet, wobei die Kammerhöhe zwischen 500 und 300 Mikron beträgt. Jedoch ist für die statische Dielektrophorese gut bekannt, dass durch die Teilchensuspension ein Strömungssystem bereitgestellt werden muss, um eine Bewegung herbeizuführen, wie in 9A durch den Pfeil dargestellt ist. Ein solches Strömungssystem kann ein mechanisches System sein oder die Strömung kann durch die gut bekannte elektrohydrodynamische Wirkung beim Zuführen eines geeigneten elektrischen Signals zu der Elektrodenanordnung verursacht werden.
Wenn das an die Elektroden 48 gegebene Signal eine solche Frequenz aufweist, dass eine Teilchenart in einer Suspension, welche durch die Zelle strömt, eine starke negative DEP-Kraft erfährt, gemäß den bekannten DEP-Prinzipien, werden solche Teilchen in Richtung des Bereichs der maximalen Krümmung der Elektroden 48 hin konzentriert, während andere Teilchen, welche über die Elektroden strömen und eine viel schwächere Kraft erfahren, relativ unbeeinflusst bleiben. Deshalb wird eine Teilchenanreicherung erreicht.
Die Anordnung gemäß 3A bezieht sich auf ein Verkehrssteuersystem, bei dem Teilchen, die in entgegengesetzte Richtungen wandern, sich in den Kanalbereichen bewegen, wie durch die Pfeile dargestellt ist, ohne zu kollidieren. Die 4A bis 4F zeigen Elektroden mit der Anordnung gemäß 3A. Diese Elektroden haben die Form sehr niedriger oder flacher Sinuskurven. Alternativ können deutlichere oder tiefe Sinuskurven angewandt werden, wie in 10 gezeigt wird. Aus 10 ist klar ersichtlich, dass das Ergebnis bei Elektroden mit einer tieferen Sinuskurve eher Übergangsbereiche, d.h. die Bereiche zwischen den Kanälen, sind. Es ist auch klar ersichtlich, dass die Zwischenelektrodenlücken in der Mitte der Kanäle deutlich größer sind als in den Übergangsbereichen.
Das Ergebnis der Variationen in den Zwischenelektrodenlücken über die Elektrodenanordnung hinweg sind regionale Schwebegradienten. In den Kanalbereichen schweben die Teilchen höher, während sie in den Übergangsbereichen in einer geringeren Höhe schweben. In der Mitte der Kanäle schweben die Teilchen am höchsten, während sie sich in der Mitte der Übergangsbereiche in ihrem untersten Schwebezustand befinden. Die Wirkungen hiervon können für die Trennungen sehr günstig sein.
Wenn ein statisches DEP-Feld zum Schweben oder ein wanderndes DEP-Feld, bei dem die TWD-Translationskraft für die Teilchen minimal ist, angewandt wird, schweben die Teilchen über den Elektroden und dem Substrat. Dies ist günstig, um die Teilchen von dem Substrat fern zu halten sowie ein Anhaften der Teilchen und Verstopfen zu minimieren. In der Praxis ist es deshalb bevorzugt, vor dem Aufbringen der Teilchen ein solches Feld auszubilden. Wenn ein solches Feld auf die Elektroden gemäß 10 angewandt und eine Lösung der Teilchen über ihnen aufgebracht wird, kann nach einigen wenigen Sekunden festgestellt werden, dass sich die Teilchen in den Übergangsbereichen zwischen den Kanälen konzentrieren, wobei die Teilchen aufgrund des regionalen Schwebegradienten sich aus den Kanalbereichen hinaus bewegen. Teilchen, die stärkere Schwebekräfte erfahren, bewegen sich schneller. Nachdem sich die Teilchen in den Übergangsbereichen konzentriert haben und dann ein TWD-Feld angelegt worden ist, führt dies zu Teilchen, die eine starke TWD-Translationskraft erfahren und sich in die jeweiligen Kanäle und entlang dieser Kanäle bewegen. Als Ergebnis des regionalen Schwebegradienten sind die Kanäle hauptsächlich frei von Teilchen. Dies ermöglicht es, dass Teilchen unter starken TWD-Translationskräften ungehindert entlang den Kanälen frei wandern, wodurch die Trennungswirkung verbessert wird.
Der regionale Schwebegradient hat eine weitere Anwendung. Die Teilchen, welche eine schwache TWD-Translationskraft, aber eine starke Schwebekraft erfahren, bewegen sich entlang der dielektrophoretischen Zelle. Jedoch ist die TWD-Translationskraft ungenügend, um den Schwebegradienten zu überwinden. Die Teilchen sind somit in ihrer Bewegung auf den Übergangsbereich beschränkt. Dies kann benutzt werden, um diese Teilchen von den sich rasch bewegenden Teilchen fern zu halten, die in den Kanälen eine starke TWD-Translationskraft erfahren. Dies kann insoweit als ein sekundäres Verkehrssteuersystem betrachtet werden, als nicht nur Teilchen, die in entgegengesetzte Richtungen wandern, an einer gegenseitigen Beeinträchtigung gehindert werden, sondern auch Teilchen, die sich schnell und langsam bewegen, voneinander getrennt werden. Es können verschiedene Elektrodengeometrien gewählt werden, um dies entweder zu verstärken oder zu minimieren. Bei einer weiteren Variante kann dieser regionale Schwebegradient in Verbindung mit einer Fluidströmung benutzt werden. Eine geringe Fluidströmung kann in dem Kanal angewandt werden, um die Teilchen zu entfernen, welche eine sehr schwache oder keine TWD-Translationskraft erfahren. Die Fluidströmung kann von einer externen Quelle an die dielektrophoretische Zelle geführt oder, noch eleganter, ein Signal kann an die TWD-Elektroden gesandt werden, das die Fluidströmung induziert, wie bekannt ist. Das Ergebnis besteht darin, dass ein schwacher Fluidstrom einen minimalen Effekt auf die Teilchen ausübt, die eine starke TWD-Translationskraft erfahren, während die Teilchen mit schwachen oder keinen TWD-Translationskräften sich innerhalb der Libergangsbereiche entlang der dielektrophoretischen Zelle bewegen, wodurch in den Kanälen sich bewegende Teilchen nicht gestört werden. Die Bewegung der Teilchen in einer solchen Weise mit einer hydrodynamischen Fluidströmung kann mit irgend einer Elektrodenanordnung sowie mit oder ohne TWD-Kräften erreicht werden.
Wenn die Trennungen an einer Suspension von Teilchen mit sehr verschiedenen Konzentrationen durchgeführt werden, ist es günstig, die Trennung zu unterstützen, wenn Bedingungen derart gewählt werden können, dass die Teilchen in einem TWD-Feld zum Wandern in entgegengesetzte Richtungen veranlasst werden. In diesem Fall kann es günstig sein, die Elektroden der 3A, 3F, 4 und 10 zu modifizieren. In den dargestellten Figuren weisen die Kanäle zum Wandern der Teilchen in entgegengesetzte Richtungen die gleiche Breite auf. Die Breite der Kanäle kann geändert werden, um mehr dem Unterschied in den Konzentrationen der in den Kanälen wandernden Teilchen zu entsprechen. Dies macht den Einsatz der Elektrodenanordnungen hinsichtlich der Teilchenbewegung und der Trennung wirkungsvoller und kann beim Handhaben höherer Konzentrationen unterstützend sein.
Die Beispiele haben gezeigt, dass schlangenförmige oder zickzackförmige Elektroden gemäß der Erfindung benutzt werden können, und zwar sowohl mit stationären als auch mit wandernden elektrischen Feldern, um Teilchen aus Bereichen der Elektrodenanordnung und somit Bereichen oder Regionen einer Kammer anzureichern und/oder auszuschließen und/oder einzuschließen. Dies bietet viele Anwendungen für das Charakterisieren, Trennen und/oder Identifizieren von Teilchengruppen oder Einzelteilchen. Es können sowohl ein stationäres Fluid als auch ein Fluidstrom in Verbindung mit den Elektrodenanordnungen sowie andere externe Kräfte benutzt werden. Es können sowohl positive als auch negative dielektrophoretische Kräfte mit den Elektroden angewandt werden. Eine kontinuierliche Trennung von Teilchen mit sehr hohen Konzentrationen ist möglich. Durch den Einsatz dieser Elektrodenanordnungen und der hauptsächlich negativen DEP-Kräfte tritt kein Einfangen von Zellen auf: So können relativ kleine Elektrodenanordnungen verwendet werden, um sehr hohe Teilchenkonzentrationen und sehr große Volumina zu handhaben, wobei eine Anreicherung der Probe erfolgt.

Claims

Dielektrophoretische (DEP) Zelle (20), in der Teilchen charakterisiert, manipuliert und getrennt werden können, mit einer Anordnung (22) von länglichen Elektroden und einer Vorrichtung (26) zum Übermitteln mindestens eines elektrischen Signals an die Elektroden, worin jede Elektrode entlang ihrer Längserstreckung eine fiktive Mittelachse und jede Elektrode eine oder mehrere Abweichungen von der fiktiven Mittelachse aufweist, wobei die Elektroden in der Anordnung ausgerichtet sind sowie ein Variieren des Zwischenelektrodenabstands mindestens einen Teilchenkanal ergibt.
DEP-Zelle nach Anspruch 1, bei der die Elektroden schlangenförmig ausgebildet sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 2, bei der die schlangenförmigen Elektroden sinusförmig ausgebildet sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 2, worin die schlangenförmigen Elektroden halbsinusförmig ausgebildet sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 2, worin die schlangenförmigen Elektroden eine längliche "C"-Form aufweisen.
DEP-Zelle nach Anspruch 2, worin die schlangenförmigen Elektroden einzelne Halbsinuskurven sind, die durch gerade Seitenarme verbunden sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 1, worin die Elektroden zickzackförmig ausgebildet sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 1, worin die Elektroden geradlinige Annäherungen an Sinuskurven sind.
DEP-Zelle nach einem der Ansprüche 2, 3, 7 oder 8, worin die Krümung der Abweichungen bezüglich der fiktiven Mittelachse an einer Seite von der Krümmung der Abweichungen an der anderen Seite verschieden ist, wodurch Teilchentransportkanäle mit verschiedener Breite bereitgestellt werden.
DEP-Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Stellen mit maximaler Krümmung jeder Elektrode linear ausgerichtet sind.
DEP-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Stellen der maximalen Krümmung jeder Elektrode nichtlinear ausgerichtet sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 11, worin die Stellen der maximalen Krümmung jeder Elektrode entlang einer Kurve angeordnet sind.
DEP-Zelle nach Anspruch 12, worin die Elektroden schlangenförmig ausgebildet sind und jeweils zwei Sinuskurven aufweisen sowie die Stellen der maximalen Krümmung der Sinuskurven entlang divergierender Kurven angeordnet sind.
DEP-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer ersten zentralen Anordnung von sinusförmigen oder halbsinusförmigen Elektroden (A), wobei die Achsen der Elektroden gerade und parallel angeordnet sind, und mit einer zweiten äußeren Anordnung von sinusförmigen oder halbsinusförmigen Elektroden (B), wobei die Achsen der Elektroden in Gestalt von ineinander geschachtelten "U"-Formen ausgebildet sind und eine Vorrichtung (26) vorliegt, um unabhängig an die erste und an die zweite Anordnung elektrische Signale mit verschiedenen Phasen zu übermitteln.
DEP-Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Elektroden in Paaren (48) mit einem Zwischenelektrodenabstand, der wesentlich größer ist als der Abstand zwischen den Paaren, angeordnet sind.
Dielektrophoretisches System mit einer DEP-Zelle (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei mindestens ein Teil der Zelle aus einem durchsichtigen Material hergestellt ist, mit einer Vorrichtung zum Beleuchten der Zelle (30) und mit einer Vorrichtung zum Empfangen einer Beleuchtung (32), die durch die Zelle hindurchgeführt oder von ihr reflektiert worden ist.
DEP-Zelle nach Anspruch 1, worin mindestens ein Kanal mindestens zwei ausgerichtete Kanäle aufweist.
DEP-Zelle nach Anspruch 17, worin benachbarte Kanäle der genannten mindestens zwei ausgerichteten Kanäle für einen Teilchentransport in entgegengesetzten Richtungen vorgesehen ist.
Dielektrophoretisches Verfahren, wobei eine Suspension von Teilchen in einer Flüssigkeit in die Nähe einer Anordnung aus länglichen Elektroden (22) gebracht wird, in der jede Elektrode entlang ihrer Längsrichtung eine fiktive Mittelachse aufweist und die Elektrode mit einer oder mehreren Abweichungen bezüglich der fiktiven Mittelachse versehen ist, sowie mindestens ein elektrisches Signal an die Anordnung übermittelt wird, wobei ein Variieren des Zwischenelektrodenabstands mindestens einen Teilchenkanal ergibt.
Verfahren nach Anspruch 19, worin die Frequenz der elektrischen Signale derart ausgewählt ist, dass bei einer ausgewählten Teilchenart in der Suspension eine negative dielektrophoretische Reaktion hervorgerufen wird, und ferner ein Mittel vorgesehen ist, um die flüssige Suspension zu einem Strömen durch die Elektrodenanordnung (22) hindurch zu veranlassen.
Verfahren nach Anspruch 20, worin das Mittel, mit dem die flüssige Suspension zum Strömen veranlasst wird, ein an die Elektrodenanordnung übermitteltes elektrisches Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 19, worin elektrische Signale mit verschiedenen Phasen an die Elektroden übermittelt werden, wodurch ein wanderndes wellenförmiges elektrisches Feld erzeugt wird, das an den genannten Teilchen eine wandernde wellenförmige DEP-Kraft induziert, wobei der Realteil der genannten Kraft die Teilchen schweben lässt und der Imaginärteil hiervon die Teilchen veranlasst, sich in gewisse Bereiche des wandernden Feldes hinein zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner die Anfangsstufe des Übermittelns eines elektrischen Signals an die Elektrodenanordnung umfasst, wodurch ein statisches DEP-Feld erzeugt wird, so dass ein anfängliches Schweben der Teilchen hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, das ferner die Anfangsstufe des Übermittelns eines elektrischen Signals an die Elektrodenanordnung umfasst, wodurch ein wanderndes wellenförmiges elektrisches Feld mit einer solchen Frequenz erzeugt wird, dass die Teilchen anfänglich zum Schweben gebracht werden, aber keine Translationskraft erfahren.
Verfahren nach Anspruch 19, worin die Suspension eine Suspension aus Teilchen einer ersten Art und einer zweiten Art beinhaltet, wobei die Konzentrationen der Teilchenarten sich durch einen Faktor von mindestens 1000 unterscheiden, sowie die Form der Anordnung der Elektroden (22) derart gewählt wird, dass die Teilchenarten getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, worin die Form der Anordnung der Elektroden (22) derart gewählt wird, dass Teilchen daran gehindert werden, eine mechanische Einschränkung des Flüssigkeitsstroms zu berühren.
Verfahren nach Anspruch 19, worin die Konzentration der Suspension der Teilchen größer als eine Million Zellen pro Milliliter beträgt.
DEP-Verfahren nach Anspruch 19, worin mindestens ein Kanal mindestens zwei ausgerichtete Kanäle aufweist.
DEP-Verfahren nach Anspruch 28, worin benachbarte Kanäle der mindestens zwei ausgerichteten Kanäle für einen Teilchentransport in entgegengesetzten Richtungen vorgesehen sind.