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Die Erfindung betrifft das Fördern von Reaktionen zwischen
Partikeln, die in einer Flüssigkeit in Suspension gehalten sind.
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Eine große Vielzahl von gewerblichen Prozessen beinhaltet
die Verwendung von flüssigen Medien mit festen, halbfesten oder
flüssigen Partikeln, die darin in Suspension gehalten sind.
Diese Partikel können in großer Breite variieren von inerten
organischen Materialien bis hin zu reaktiven Materialien und
organischen oder biologischen Strukturen wie beispielsweise
Zellen oder Teilen von Zellen.
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Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß Partikel dieser
verschiedenen Typen durch Verwendung eines nicht gleichförmigen
elektrischen Feldes dazu veranlaßt werden können, sich innerhalb
eines flüssigen Mediums zu bewegen, und das grundlegende
Phänomen der Dielektrophorese ist ausgiebig diskutiert worden,
beispielsweise in "Dielectrophoresis", Cambridge University
Press, 1978 von H. A. Pohl und in Kapitel 6 von "Dielectric and
Electronic Properties of biological Material", John Wiley & Sons
1979 von Ronald Pethig.
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Kürzlich wurde die Anwendung der Dielektrophorese auf dem
Gebiet der Materialklassifikation vorgeschlagen: Die
Konstruktion von sogenannten "optischen Dielektrophorese-
Spektrometern" ist in Burt, Al-Ameen & Pethig, "An optical
dielectrophoresis spectrometer for low-frequency measurements on
colloidal suspensions", Journal of Physics, Section E,
Scientific Instrumentation, Volume 22 (1989), Seite 952 bis 957
beschrieben.
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Diese Veröffentlichung und die damit zusammenhängende
Veröffentlichung "Applications of a New Optical Technique for
Measuring the Dielectrophoretic Behaviour of Microorganisms",
Price, Burt and Pethig Biochimica et Biophysica Acta 964 (1988),
Seite 221 bis 230, offenbaren die Verwendung von
ineinandereingreifenden Elektroden, die auf einem dielektrischen
Substrat abgelegt sind, um eine Bewegung in Suspension
gehaltener Partikel durch den dielektrophoretischen Effekt zu
bewirken.
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Die jüngste Arbeit ist auf die Charakterisierung von
Materialien gerichtet, indem geeignete Messungen ihrer durch ein
elektrisches Feld induzierten Eigenschaften durchgeführt werden.
Eine andere wesentliche Anwendung ist die Verwendung positiver
dielektrophoretischer Kräfte zur Ausrichtung biologischer Zellen
zwischen Elektroden vor deren Elektrofusion, wie sie von W. M.
Arnold und U. Zimmermann ("Electric Field Induced Fusion and
Rotation of Cells", Biological Membranes 5, 389-454, 1984)
beschrieben ist. Zudem sind ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur dielektrophoretischen Manipulation chemischer Spezies von J.
S. Batchelder (US Patent 4,390,403, 28. Juni 1983) beschrieben
worden. Dieses Verfahren verwendet elektrische Felder nicht
gleichförmigen Gleichstroms, um eine oder mehrere Chemikalien
innerhalb einer Mehrelektrodenkammer so zu manipulieren, daß
chemische Reaktionen zwischen den chemischen Spezies gefördert
werden. Die angelegte Spannung kann periodisch dem Vorzeichen
nach umgekehrt werden, um Ionenschildeffekte zu senken (siehe
Spalte 3, Zeile 62 bis Spalte 4, Zeile 3). Die Manipulation der
Chemikalien wird gesteuert durch positive dielektrophoretische
Kräfte, die aus Unterschieden der dielektrischen Konstanten der
chemischen Spezies resultieren.
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In früheren Arbeiten von S. Masuda, M. Washizu und I.
Kawabata "Movement of Blood Cells in Liquid by Nonuniform
Travelling Field", IEEE Transactions on Industry Applications,
Band 24 (1988), Seite 217 bis 222, wurden Blutzellen dazu
veranlaßt, sich unter dem Einfluß eines sich bewegenden,
nichtgleichförmigen elektrischen Feldes zu bewegen. Dieses Feld
wurde dadurch erzeugt, daß zwei mehrphasige Spannungssignale
fester Frequenz, die einander durch die gleiche Frequenz und
Amplitude entsprechen, an eine Reihe paralleler Elektroden
angelegt werden. In gleicher Weise wird das von W. M. Arnold und
U. Zimmerman beschriebene und zum Bewirken einer Rotation einer
einzelnen Zelle verwandte rotierende elektrische Feld erzeugt,
indem entweder ein einzelnes phasengetrenntes Spannungssignal
oder synchronisierte identische Spannungsimpulse erzeugt werden.
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Dieser Hintergrund kann so zusammengefaßt werden, daß es
bekannt ist, beim Fördern von Reaktionen zwischen Partikeln, die
in einer Flüssigkeit in Suspension gehalten werden, wobei die
Partikel aus einem Typ oder aus mehr als einem Typ bestehen
können, bei der Verwendung der Dielektrophorese derart
vorzugehen, daß ein Flüssigkeitsvolumen mit darin in Suspension
gehaltenen Partikeln in eine Behandlungszelle eingeführt wird,
die mit Elektroden versehen ist, und das ein alternierendes
elektrisches Signal relativ hoher Frequenz an die Elektroden
angelegt wird, um eine Redistribution oder Neuverteilung der
Partikel unter der Wirkung der dielektrophoretischen Kraft zu
erzeugen.
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Wir haben nunmehr herausgefunden, daß, wenn zwei oder mehr
nicht gleichförmige elektrische Felder unterschiedlicher
Frequenzen, gleichzeitig oder aufeinanderfolgend, einer
Suspension von Partikeln eines Typs oder mehrerer Typen in einer
Flüssigkeit aufgeprägt werden, bei Verwendung geeigneter
elektronischer Steuerung das Auftreten verschiedener Reaktionen
in den Partikeln in der Flüssigkeit stimuliert werden kann.
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In Übereinstimmung mit einem ersten Merkmal der Erfindung
kann daher das oben zusammengefaßte Verfahren dadurch verbessert
werden, daß, während die Partikel in dieser Zelle ihre
neuverteilten Positionen einnehmen, ein zweites alternierendes
elektrisches Signal an die Elektroden angelegt wird, wobei sich
die Frequenz des zweiten Signals signifikant von derjenigen des
ersten Signals unterscheidet und gewählt wird unter Einbeziehung
der dielektrischen Konstante und elektrischen Leitfähigkeit der
Partikel und der Flüssigkeit, um auf die Partikel wirkende
dielektrophoretische Kräfte zu erzeugen, die sich von denjenigen
unterscheiden, die durch das erste Signal erzeugt werden, und
eine zweite Neuverteilung der Partikel zu erzeugen, die sich von
der ersten Neuverteilung unterscheidet.
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Gemäß einem alternativen Merkmal der Erfindung kann das oben
zusammengefaßte Verfahren dadurch verbessert werden, daß
gleichzeitig eine zweites alternierendes elektrisches Signal an
die Elektroden angelegt wird, wobei sich die Frequenz des
zweiten Signals signifikant von derjenigen des ersten Signals
unterscheidet und gewählt wird unter Einbeziehung der
dielektrischen Konstante und elektrischen Leitfähigkeit der
Partikel und der Flüssigkeit, um auf die Partikel wirkende
dielektrophoretische Kräfte zu erzeugen, die sich von denjenigen
unterscheiden, die von dem ersten Signal erzeugt werden.
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Der hierin verwendete Begriff Reaktion ist weit zu
interpretieren, so daß er verschiedene chemische, biochemische
und physikalische Wechselwirkungen abdeckt sowie Manipulationen
im großen Maßstab wie beispielsweise Trennung, gefolgt von
Rekombination, wahlweise mit einer Behandlung, die selektiv auf
eine der Komponenten eines Systems mehrerer Komponenten ausgeübt
wird, während diese so von der anderen Komponente bzw. den
anderen Komponenten getrennt ist.
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Während frühere Arbeiten (z.B. Batchelder) Unterschiede in
den dielektrischen Konstanten der manipulierten chemischen
Spezies verwendet haben, um die gewünschten Reaktionen zu
steuern, haben wir herausgefunden, daß zusätzlich zum Variieren
der elektrischen Konstante ein Variieren der elektrischen
Leitfähigkeit der in Suspension gehaltenen Artikel und des
suspendierenden Mediums oder von beiden eine weitere
Steuerungsmöglichkeit bzw. einen weiteren Steuerungsgrad bietet.
In diesem Zusammenhang (und in dieser Beschreibung im Ganzen)
wird der Begriff dielektrische Konstante so verwendet, daß er
den realen Teil der komplexen Permittivität bezeichnet.
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Die verwendeten Partikel können aus angeregtem bzw. lebendem
oder nichtangeregtem bzw. nichtlebendem Material sein und sie
können kolloidal oder von anderer Natur sein.
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Bei geeigneter Wahl der dielektrischen Konstante und der
elektrischen Leitfähigkeit der in Suspension gehaltenen Partikel
und/oder des suspendierenden Mediums können sowohl positive als
auch negative dielektrophoretische Kräfte als manipulierendes
Mittel verwendet werden. Beim Ausführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird vorzugsweise zumindest eines der elektrischen
Felder so ausgewählt, daß es eine negative dielektrophoretische
Kraft auf lediglich eine der Partikel in der Flüssigkeit
bewirkt. Bei geeigneter Auswahl der Elektrodengeometrie ist es
möglich, an geeigneten Bereichen innerhalb der
Elektrodengeometrie Bereiche zu erhalten, an denen sich
spezielle Spezien von Partikeln absondern oder eine Anhäufung
spezieller Partikel auftritt. Um es zu ermöglichen, daß adäquate
Mengen einer Suspension behandelt werden, können die Elektroden
die Form eines sich wiederholenden Musters bilden oder es können
z. B. zwei Elektroden kammförmig ausgebildet sein und ineinander
greifen, wobei jedes abstehende Teil der einen zwischen zwei
nebeneinanderliegenden derartigen Teilen der anderen liegt.
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Die vorliegende Erfindung kann ausgeführt werden unter
Verwendung einer geeigneten Vorrichtung, die eine
Behandlungszelle mit einem Elektrodenfeld, einer Einrichtung zum
Zuführen einer Suspension von Partikeln in einer Flüssigkeit zu
der Behandlungszelle und einer Einrichtung zum Entfernen der
Flüssigkeit von der Zelle, eine erste Einrichtung, die mit den
Elektroden in der Zelle verbunden und dazu ausgelegt ist, ein
erstes nichtgleichförmiges elektrisches Feld in der Zelle zu
erzeugen, und eine zweite Einrichtung, die mit den Elektroden in
der Zelle verbunden und dazu ausgelegt ist, ein zweites
nichtgleichförmiges elektrisches Feld in der Zelle zu erzeugen
mit Frequenzen, die sich von dem ersten elektrischen Feld
unterscheiden, aufweist.
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Vorzugsweise ist das Elektrodenfeld an einer Außenwand der
Behandlungszelle angebracht. Eine derartige Anordnung kann als
Teil der Einrichtung zum Entfernen der Flüssigkeit Perforationen
in der Außenwand der Zelle aufweisen, die die Elektroden tragen,
wobei die Perforationen so angeordnet sind, daß, wenn die
Elektroden in geeigneter Art und Weise relativ zu den Partikeln
in dem flüssigen Medium in der Zelle und zu dem flüssigen Medium
selbst elektrisch aktiviert sind, die durch die Perforationen
hindurchgezogene Flüssigkeit und die Partikel sich von den
allgemeinen Mengencharakteristiken der Suspension von Partikeln
in der Flüssigkeit in der Zelle unterscheiden.
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In der nachfolgenden Beschreibung der speziellen
dargestellten Vorrichtung wird zur Vereinfachung des Ausdrucks
auf das Anlegen von Signalen an die Elektroden Bezug genommen.
Es versteht sich, daß um geeignete elektrische Felder zu
erzeugen, das Signal in der Praxis an ein Elektrodenpaar
angelegt ist, von denen eines eine Referenzelektrode oder eine
extensive Oberflächenfläche "Erdungsplatte" oder dergleichen
sein kann.
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Abhängig von der Art der Partikel in der Suspension, der Art
der Suspension selbst und der Art des an das Elektrodenfeld
angelegten elektrischen Felds können die Partikel dazu veranlaßt
werden, sich zu Bereichen einer Elektrode oder einer Anzahl von
Elektroden hin zu häufen oder alternativ von einer solchen
Elektrode bzw. solchen Elektroden zu trennen und/oder zu
Bereichen von diesen Elektroden weg anzuhäufen. Diese Phänomene
können in einer großen Anwendungsbreite ausgenutzt werden, um
die Partikel in der Suspension zu manipulieren, beispielsweise
um die gelenkte Ansammlung von Strukturen solcher in Suspension
gehaltener Partikel bereitzustellen oder um eine Trennung von
einer Mixtur von in Suspension gehaltenen Partikeln
unterschiedlicher Art bereitzustellen, um eine Charakterisierung
spezieller Partikeltypen bereitzustellen oder um eine Reaktion
zwischen Partikeln zweier oder mehrerer unterschiedlicher Typen
zu fördern.
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Die beigefügten Zeichnungen und Beispiele, die der
Beschreibung hiervon folgen, dienen der detaillierteren
Darstellung der zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendeten Techniken. Hierin zeigen:
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Figur 1a und 1b Ansichten von oben, von der Seite und von
einem Ende zweier unterschiedlicher Beispiele von
Elektrodengeometrien, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden können,
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Figuren 2 und 3 schematisch die Bewegung eines Partikels bei
Verwendung des in Figur 1a gezeigten Elektrodenfeldes,
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Figur 4 schematisch eine komplexere Situation,
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Figur 5a, 5b und 5c die Elektrodengeometrie gemäß Figur 1b
und Beispiele von Partikelanhäufungen an Bereichen der
Elektroden und Bereichen von den Elektroden weg,
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Figur 6 schematisch zwei unterschiedliche Partikeltypen, die
zur gleichen Zeit gesammelt werden, wobei sowohl positive als
auch negative dielektrophoretische Kräfte verwendet werden,
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Figur 7a die zufällige Verteilung von zwei Partikeltypen im
Bereich in der Nähe zweier unabhängiger Elektrodenpaare,
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Figur 7b die resultierende Verteilung der zwei
Partikeltypen, nachdem die unanhängigen Elektrodenpaare mittels
zweier charakteristischer unterschiedlicher Spannungen erregt
wurden, und
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Figur 8 eine Blockschaubild einer Vorrichtung, die zum
Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden
kann.
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Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt Figur 1a in einer
Draufsicht, einer Seiten- und einer Endansicht eine Wand einer
Behandlungszelle, die verwendet werden kann, um eine Suspension
zu manipulieren, die aus einer oder mehreren Arten von Partikeln
besteht. Die Vorrichtung weist ein Elektrodenfeld 1 auf, das auf
einem geeigneten Substrat 2 hergestellt ist, welches die Wand
oder eine Oberfläche der Behandlungszelle bildet. Jede Elektrode
kann individuell und unabhängig erregt werden durch irgendeine
Form eines elektrischen Signals mittels elektrischer
Verbindungen 3. Die Elektroden können in direktem elektrischen
Kontakt mit der die Partikel suspendierenden Flüssigkeit oder
durch ein geeignetes Material von dieser getrennt sein. Zu
Darstellungszwecken sind die Elektroden in der Figur 1a mit
einer rechtwinkligen Geometrie gezeigt, es können jedoch andere
Geometrien verwendet werden, abhängig von den speziellen
Charakteristiken und dem gewünschten zu erzielenden Effekt.
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Figur 2 zeigt das Elektrodenfeld und einen Testpartikel 4,
der in einer Flüssigkeit in der Nähe der Elektroden in
Suspension gehalten ist. Durch Anlegen eines geeigneten
elektrischen Signals an die Elektrode 5 kann der Partikel
dielektrophoretisch zu der Elektrode 5 hin angezogen werden.
Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, daß gleichzeitig ein
anderes elektrisches Signal an die Elektroden 6 und 7 angelegt
wird, so daß der Partikel 4 dielektrophoretisch von den
Elektroden 6 und 7 abgestoßen wird. Die elektrischen Signale
werden so lange an die Elektroden 5, 6 und 7 angelegt, bis der
Partikel 4 an der Elektrode 5 festgehalten wird oder eine
bestimmte Stelle im Bereich der Elektrode 5 erreicht. Der
Partikel kann dann weiterbewegt werden, beispielsweise durch
Anlegen elektrischer Signale, die den Partikel von dem Bereich
der Elektrode 5 abstoßen und zu der Elektrode 8 hin anziehen.
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Figur 3 zeigt den Partikel 4, nachdem er dielektrophoretisch
zu dem Bereich der Elektrode 8 hin manipuliert wurde, und zeigt
zudem einen anderen Partikel 9, der sich an der Elektrode 10
befindet. Der Partikel 9 kann dieselben dielektrophoretischen
und leitenden Eigenschaften aufweisen wie der Partikel 4 oder
auch nicht. Die Partikel 4 und 9 können zueinander hin
positioniert werden, indem entweder einer von ihnen oder beide
dielektrophoretisch bewegt werden. Ein Zueinanderbringen der
Partikel 4 und 9 (und anderer in gleicher Art und Weise) kann zu
dem Zweck durchgeführt werden, größere Blockgebilde aufzustellen
oder zum Einleiten einer speziellen chemischen, biologischen
oder elektrochemischen Reaktion zwischen diesen. Dieses Beispiel
beschreibt das Zusammenbringen von Partikeln, in einem
allgemeineren Fall kann die Vorrichtung jedoch dazu verwendet
werden, Partikel in irgendeine gewünschte Position relativ
zueinander zu manipulieren.
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In Figur 4 ist eine Ansammlung von Partikeln gezeigt, die
aus Partikeltypen 4 und 9 besteht, die in diesem Fall
unterschiedliche elektrische Eigenschaften bezüglich Volumen
bzw. Masse und/oder Oberfläche aufweisen. Durch Anlegen eines
elektrischen Signals an die Elektroden 5 und 8, das sich von
demjenigen Signal unterscheidet, das an die Elektroden 6 und 7
angelegt wird, und durch geeignete Auswahl von
Signalcharakteristiken (d.h. Wellenform, Größe und Frequenz)
sowie der Charakteristiken des suspendierenden Mediums (z. B.
pH, dielektrische Konstante, Leitfähigkeit und spezifische
Dichte) können die Partikeltypen 4 und 9 physikalisch
voneinander getrennt werden, beispielsweise kann der Partikeltyp
4 in der Nähe der Elektroden 5 und 8 und der Partikeltyp 9 in
der Nähe der Elektroden 6 und 7 gesammelt werden. Die
elektrischen Signale, die an die Elektrodenpaare 5 + 8 und 6 + 7
oder an andere Elektrodenkombinationen angelegt werden, können
kontinuierlich oder intermittierend angelegt werden und zur
gleichen Zeit oder zu unterschiedlichen Zeiten, um die
gewünschte Trennung zu bewirken. Die Partikeltypen können dann
separat aus der Behandlungszelle entfernt werden durch Abziehen
des die Partikel suspendierenden Fluids durch Perforationen, die
sich in der Nähe der Elektroden befinden, nachdem zuerst die
gewünschten Partikeltypen von den Elektroden freigegeben werden,
entweder durch Entfernen des elektrischen Signals, das zum
Sammeln von diesen verwendet wurde, oder, wenn eine starke
Elektrodenhaftung auftritt, durch Freigeben dadurch, daß
elektrische Signale geeigneter Charakteristiken an die
Elektroden angelegt werden. Das Ausmaß der Partikelsammlung an
den Elektroden kann kontinuierlich abgeschätzt werden unter
Verwendung einer optischen Überwachungstechnik, wie sie von
Burt, Al-Ameen und Pethig in Journal of Physics, Section E,
Scientific Instrumentation, Band 22 (1989), Seite 952 bis 957
beschrieben ist, und das anschließende Freigeben der Partikel
kann in gleicher Weise überwacht werden durch einen optischen
Sensor an den Elektroden und ebenfalls stromabwärts der
Perforationen.
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Figur 1b zeigt in einer Draufsicht, einer Seiten- und einer
Endansicht eine andere Elektrodengeometrie, die dazu verwendet
werden kann, eine Suspension zu manipulieren, die aus einem
Partikeltyp oder mehreren Partikeltypen besteht. Aus
Darstellungszwecken sind die Elektroden in Figur 1b mit einer
gezackten oder kammförmigen, ineinandergreifenden,
rechtwinkligen Geometrie dargestellt, es können jedoch andere
Geometrien verwendet werden, abhängig von den
Partikelcharakteristiken und dem gewünschten zu erzielenden
Effekt.
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Figur 5a zeigt schematisch einen Abschnitt eines Felds
ineinandergreifender, gezackter bzw. kammförmiger Elektroden 11
und 12 nach dem Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden
11 und 12. Zwei unterschiedliche Partikeltypen 13 und 14 haben
sich längs Ketten an den äußeren Spitzen der einzelnen
Elektrodenvorsprünge angesammelt als ein Ergebnis davon, daß
beide Partikeltypen einer positiven dielektrophoretischen Kraft
ausgesetzt sind.
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Figur 5b zeigt schematisch die gleiche
Elektrodenkonfiguration wie in Figur 5a, wobei zwei
unterschiedliche Partikeltypen 13 und 14 sich in Bereichen der
oberen Elektrodenoberflächen angesammelt haben, weg von den
Elektrodenseiten, als ein Ergebnis davon, daß sie einer
negativen dielektrophoretischen Kraft ausgesetzt sind.
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Figur 5c zeigt schematisch die gleiche
Elektrodenkonfiguration wie in den Figuren 5a und 5b, wobei zwei
unterschiedliche Partikeltypen 13 und 14 dahingehend geleitet
wurden, dreieckförmige Ansammlungen in den Bereichen zwischen
den Elektrodenvorsprüngen weg von den Elektrodenseiten zu
bilden, als ein Ergebnis davon, daß sie einer negativen
dielektrophoretischen Kraft ausgesetzt sind.
BEISPIEL 1
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Es wurde eine Zelle verwendet mit einem Feld
ineinandergreifender, zacken- oder kammförmiger Elektroden, wie
es im wesentlichen in Figur 1 gezeigt ist. Jeder Vorsprung war
20 Mikrometer breit, 40 Mikrometer tief, etwa 0,1 Mikrometer
hoch, mittig um 80 Mikrometer beabstandet, die
ineinandergreifenden Elektrodenreihen waren 80 Mikrometer
voneinander beabstandet. Das gesamte Feld wies 60 Elektroden in
jeder Reihe auf und war etwa 5 mm lang. Das Feld war an einer
Wand einer Zelle mit einem Innenvolumen von 7,5 mm³ angeordnet.
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Eine Suspension in einem Medium von 280 nM Manitol in
deionisiertem Wasser, die als in Suspension gehaltene Partikel
Micrococcus lysodeikticus (Ellipsoide von etwa 2 Mikrometer
länge und 0,5 Mikrometer Breite) enthält, wurde in gleicher
Menge zu einer Suspension von Latexpartikeln (1,27 Mikrometer
Durchmesser) in deionisiertem Wasser zugefügt. Die Konzentration
der in Suspension gehaltenen Partikel war so, daß die optische
Absorption bei einer Wellenlänge von 635 nm und 1 cm Weglänge in
jedem Fall 1,6 (cf deionisiertes Wasser) war. Die Leitfähigkeit
der Micrococcus Suspension betrug 11,4 Mikro-Siemens pro cm,
während diejenige der Latexpartikel-Suspension 2,1 Mikro-Siemens
pro cm war. Bei gleichmäßiger Verteilung war das Ausmaß der
Interaktion zwischen den Latexpartikeln und dem Micrococcus sehr
gering.
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Beim Aufbringen einer Spannung von 4 V p/p Sinuswelle bei
einer Frequenz von 100 kHz sammelten sich die Latex- und
Micrococcuspartikel als lange Ketten an den äußeren Spitzen der
individuellen Elektrodenvorsprünge in gleicher Weise wie
derjenigen, die in Fig. 3 des 1988 Biochimica et Biophysica Acta
paper vonn Price, Burt und Pethig und ebenfalls schematisch in
Fig. 5a gezeigt ist. Der Begriff "positive Dielektrophorese",
wie er hierin verwendet wird, ist weit zu interpretieren als
diese Form der Partikelansammlung, in der sich die Partikel zu
den Bereichen höherer Feldkräfte hin bewegen. Beim Entfernen der
angelegten Spannung trennen sich die Latex- und
Micrococcuspartikel voneinander und werden in dem
suspendierenden Medium verteilt. Dieser Vorgang des die
Latex- und Micrococcuspartikeln in enge Berührung miteinander zu
bringen und sie dann wieder sich trennen zu lassen kann vielfach
wiederholt werden.
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Beim Anlegen einer Spannung von 4V p/p Sinuswelle bei einer
Frequenz in dem Bereich von 100 Hz und 1 kHz sammeln sich die
Latex- und Micrococcuspartikel an Bereichen der oberen
Elektrodenoberflächen, weg von den Elektrodenseiten, wie in
Fig. 5b dargestellt. Diese Form der Partikelaggregation, bei der
die Partikel von den hohen elektrischen Feldbereichen an den
Elektrodenkanten weggeleitet werden, ist nicht die normale Form
positiver Dielektrophorese und ist hierin weit zu interpretieren
als negative Dielektrophorese.
BEISPIEL 2
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Es wurde eine Zelle der gleichen Form wie derjenigen in
Beispiel 1 genommen, wobei jedoch jeder Elektrodenvorsprung 80
Mikrometer breit, 80 Mikrometer tief, etwa 0,1 Mikrometer hoch,
mit einem Mittelabstand von etwa 160 Mikrometer und einem
Abstand der ineinandergreifenden Elektrodenreihen von 160
Mikrometer. Das gesamte Elektrodenfeld hatte 60 Elektroden in
einer Reihe und war etwa 1,0 cm lang. Das Feld war an einer Wand
einer Zelle eines Innenvolumens von 30 mm³ angeordnet.
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Eine Suspension in einem Medium von 280 nM Manitol in
deionisiertem Wasser, die als in Suspension gehaltene Partikel
gleiche Anzahlen lebender Bierhefezellen und toter (einer
Autoklavenbehandlung unterzogener) Bierhefezellen enthält, wurde
zu einer optischen Absorption von etwa 0,8 bei einer Wellenlänge
von 635 nm über 1 cm Weglänge präpariert. Bei Anlegen einer
Spannung von 20 V p/p Sinuswelle bei einem Frequenzbereich von
100 Hz bis 20 MHz waren sowohl die lebenden als auch die toten
Hefezellen einer positiven dielektrophoretischen Kraft
ausgesetzt und sammelten sich an den äußeren Spitzen der
Elektrodenvorsprünge.
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Beim Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit des
suspendierenden Mediums Manitol durch Hinzufügen von
Kaliumchlorid zu einer Leitfähigkeit von 150 Micro-Siemens pro
cm konnte erreicht werden, daß abhängig von der Frequenz der an
die Elektroden angelegten Spannung die zwei Zellentypen jeweils
einer entweder negativen oder positiven dielektrophoretischen
Kraft ausgesetzt waren. Wenn beispielsweise eine Spannung von 20
V p/p Sinuswelle bei einer Frequenz von 10 kHz an die Elektrode
angelegt wurde, wurde beobachtet, daß die toten Hefezellen sich
an den äußeren Enden der Elektrodenvorsprünge (wie in Fig. 5a
gezeigt) sammelten als Ergebnis davon, daß sie einer positiven
dielektrophoretischen Kraft ausgesetzt waren, während die
lebenden Hefezellen durch eine negative dielektrophoretische
Kraft in eine dreieckförmige Ansammlung in den Bereichen
zwischen den Elektrodenvorsprüngen, weg von den Seiten der
Elektroden, geleitet wurden, wie in Fig. 5c gezeigt. Die
Gesamtansammlung der lebenden und toten Zellen ist ähnlich
derjenigen, die in Fig. 6 gezeigt ist, wobei die lebenden
Hefezellen als Partikeltypen 15 bezeichnet und die toten
Hefezellen als Partikeltypen 16 bezeichnet sind. Wenn
andererseits eine Spannung von 20 V p/p Sinuswelle bei einer
Frequenz von 10 MHz an die Elektroden angelegt wurde, dann waren
die lebenden Hefezellen einer positiven dielektrophoretischen
Kraft ausgesetzt und sammelten sich in der Form nach Fig. 5a,
während die toten Zellen eine negative dielektrophoretische
Kraft erfuhren und sich in der in Fig. 5b gezeigten dreieckigen
Form ansammelten.
BEISPIEL 3
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Es wurde eine Zelle verwendet mit einem Feld
ineinandergreifender, mit Vorsprüngen versehender Elektroden der
gleichen Geometrie und Abmessungen wie der im obigen Beispiel 1
verwendeten. Es wurde eine Suspension in einem Medium
deionisierten Wassers zubereitet, die als in Suspension
gehaltene Partikel zwei Typen von Latexpartikel von 1,27
Mikrometer Durchmesser enthielten. Der erste Typ Latexpartikel
war mit dem Antikörper überzogen, der in Kaninchen gegen
Meerrettichperoxidase aufgezogen wurde, während der zweite Typ
Latexpartikel mit in Schweinen aufgezogenen auf
Meerrettichperoxidase bezogenen Antikörpern gegen die in
Kaninchen aufgezogenen Merretichperoxidase-Antikörper überzogen
waren. Die endgültige Suspension einer elektrischen
Leitfähigkeit von 4,1 Micro-Siemens pro cm wurde durch
Zusammenmixen in gleichen Volumina einer Suspension von
Latexpartikeln des Typs 1 einer optischen Dichte von 0,8 bei
einer Wellenlänge von 635 nm bei 1 cm Weglänge mit einer
Suspension von Latexpartikeln des Typs 2 einer optischen Dichte
von 0,54 bei einer Wellenlänge von 635 nm bei 1 cm Wellenlänge
gebildet.
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Beim Anlegen einer Spannung von 4 V p/p Sinuswelle an die
Elektroden bei einer Frequenz von 1 kHz erfuhren beide
Latexpartikeltypen eine negative dielektrophoretische Kraft und
sammelten sich schnell an Bereichen der oberen
Elektrodenoberflächen, weg von den Elektrodenseiten, wie in Fig.
5b gezeigt. Diese Ansammlung brachte beide Typen Latexpartikel
in enge Berührung miteinander und beschleunigte erheblich die
Wechselwirkungsrate zwischen den zwei Antikörpertypen, mit denen
die Latexpartikel beschichtet waren. Beim Entfernen der
angelegten Spannung von den Elektroden wurde ein signifikante
Anzahl von Latexpartikeln beobachtet, die miteinander verbunden
waren als Ergebnis der dielektrophoretisch eingeleiteten
Wechselwirkungen der Latexpartikel.
BEISPIEL 4
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Es wurde eine Zelle verwendet mit einer Elektrodengeometrie
ähnlich derjenigen, die in den Figuren 7a und 7b gezeigt wird,
wobei dem Elektrodenpaar 17 separat und unabhängig von dem
Elektrodenpaar 18 durch eine angelegte Spannung Energie
zugeführt werden kann. Die Trennung zwischen den zwei das
Elektrodenpaar 17 bildenden Elektroden betrug 104 Mikrometer und
ebenso für die zwei das Elektrodenpaar 18 bildenden Elektroden.
Jedes Elektrodenelement hatte eine Breite 32 Mikrometer und eine
Höhe von 0,1 Mikrometer und die beiden Elektrodenpaare hatten
einen Abstand zueinander von 130 Mikrometer.
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Eine Suspension in einem Medium von 280 nM Manitol in
deionisierten Wasser, die als suspendierte Partikel gleiche
Zahlen von lebenden Bierhefezellen 19 und toten (einer
autoklaven Behandlung unterzogenenen) Bierhefezellen 20 enthält,
wurde zu einer optischen Absorption von etwa 0,8 bei einer
Wellenlänge von 635 nm und einer optischen Weglänge von 1 cm
zubereitet. Zu diesem Suspensionsmedium wurde Kaliumchlorid in
einer ausreichenden Konzentration hinzugefügt, um die
elektrische Leitfähigkeit des Mediums auf 150 Micro-Siemens pro
cm zu erhöhen. Eine Spannung von 20 V p/p Sinuswelle bei einer
Frequenz von 10 kHz wurde an die Elektroden 17 gemäß den Figuren
7a und 7b angelegt und zur gleichen Zeit wurde eine Spannung von
20 V p/p Sinuswelle bei einer Frequenz von 10 MHz an die
Elektroden 18 angelegt. Es wurde beobachtet, daß die lebenden
Hefezellen von einer positiven dielektrophoretischen Kraft zu
den von der 10 MHz Spannung mit Energie versehenen Elektroden 18
hin angezogen wurden und sich an diesen sammelten und von einer
negativen dielektrophoretischen Kraft von den Bereichen um die
von der 10 kHz Spannung mit Energie versehenen Elektroden 17
abgestoßen wurden. Demgegenüber wurden die toten Hefezellen von
einer negativen dielektrophoretischen Kraft von den Bereichen
der durch die 10 MHz Spannung mit Energie versehenen Elektroden
18 weggestoßen, jedoch von einer positiven
dielektrophoretischen Kraft zu den von der 10 kHz Spannung mit
Energie versehenen Elektroden 17 hin angezogen und dort
gesammelt. Die Verteilung von lebenden und toten Hefezellen vor
und nach Anlegen der 10 kHz und 10 MHz Spannungen ist in den
Figuren 7a bzw. 7b gezeigt. Es ist ersichtlich, daß eine
räumliche Trennung der lebenden Hefezellen von den toten
Hefezellen durch dieses Verfahren erreicht wird.
BEISPIEL 5
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Es wurde eine Zelle verwendet mit einem Feld
ineinandergreifender, mit Vorsprüngen versehener Elektroden der
gleichen Geometrie und Abmessung wie derjenigen, die im Beispiel
1 verwendet wurde. Zwei Typen Glasperlen eines Nenndurchmessers
von 1,0 Mikrometer wurden verwendet. Der erste Typ Glasperlen
wurde in 5 % Aminopropyltriethoxysilan in trockenem Aceton über
drei Stunden geschüttelt, dann gewaschen und bei 70º C
getrocknet. Nach dem Trocknen wurden die Perlen in einer 5 %
Lösung Nitrophenylester von D-Biotin in Chloroform geschüttelt.
Dieses Vorgehen führte dazu, daß der erste Typ Glasperlen mit
einem D-Biotin-Film überzogen war. Der zweite Typ Glasperlen
wurde über 20 Minuten in einer Lösung geschüttelt, die 1 mg pro
ml Avidin in phosphatgepufferter Saline bei pH 7,7 enthält. Die
behandelten Perlen wurden dann dreimal in phosphatgepufferter
Salinelösung gewaschen. Dieses Vorgehen führte dazu, daß der
zweite Typ Glasperlen mit einem Avidinfilm beschichtet ist. Die
Perlentypen 1 und 2 wurden dann separat in einer Lösung von
Kaliumchlorid einer elektrischen Leitfähigkeit von 3,5 Micro-
Siemens pro cm in Suspension gehalten.
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Die endgültige Suspension wurde durch Zusammenmischen in
gleichen Volumina einer Suspension von Glasperlen des Typs 1
einer optischen Dichte von 0,8 bei einer Wellenlänge von 635 nm
bei einer optischen Weglänge von 1 cm mit einer Suspension von
Glasperlen des Typs 2 einer optischen Dichte von 0,8 bei einer
Wellenlänge von 635 nm bei einer optischen Weglänge von 1 cm
gebildet.
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Beim Anlegen einer Spannung von 6 V p/p Sinuswelle bei einer
Frequenz von 800 Hz an die Elektroden erfuhren beide
Glaspartikeltypen eine negative dielektrophoretische Kraft und
sammelten sich an Bereichen der oberen Elektrodenoberlfächen,
weg von den Elektrodenseiten, ähnlich dem in Fig. 5b Gezeigten.
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Beim Entfernen der angelegten Spannung wurde beobachtet, daß
eine signifikante Anzahl von Glasperlen fest miteinander
verbunden waren als Ergebnis eines Avidin-Biotin-Komplexes, der
zwischen den Oberflächen der Glasperlen des Typs 1 und 2
gebildet wurde.