EP1507590A1 - Verfahren zur manipulation von molekülen in einer flüssigkeit unter verwendung eines elektrischen feldes - Google Patents

Verfahren zur manipulation von molekülen in einer flüssigkeit unter verwendung eines elektrischen feldes

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EP1507590A1
EP1507590A1 EP03755120A EP03755120A EP1507590A1 EP 1507590 A1 EP1507590 A1 EP 1507590A1 EP 03755120 A EP03755120 A EP 03755120A EP 03755120 A EP03755120 A EP 03755120A EP 1507590 A1 EP1507590 A1 EP 1507590A1
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EP
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electrodes
molecules
output potentials
potentials
microfluidic structure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03755120A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Dr. Tangen
Thomas Maeke
John Simpson Dr. Mccaskill
Ruedi DR. FÜCHSLIN
Harald Peter Mathis
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Definitions

  • This invention notification strikes a gap in previous biotechnological processes and devices for the electrochemical influencing of molecules (actuators).
  • Classic methods use electrostatic attraction forces on the one hand as a pump through a mechanically manufactured sieve (electrophoresis), to fix molecules at certain locations (DNA chips) or to chemically characterize molecules (sensors). All of these methods have a decisive disadvantage: they are not scalable, since only a very small number of electrodes or electrode bundles can be individually controlled, or the potentiostats used are very expensive, large and complex to produce.
  • the invention describes means for electrostatic manipulation (transport, retention, concentration, steering) of the movement of molecules in a microstructured channel system, e.g. microstructured hybrid device (combination of microfluidics and electronics), using discrete predetermined voltages.
  • a microstructured channel system e.g. microstructured hybrid device (combination of microfluidics and electronics), using discrete predetermined voltages.
  • This steering is designed so that the active control of the molecular movement in different units (eg channels) of microfluidics can take place independently of one another.
  • This steering is also programmable and can vary both in time and in space. This opens up a number of possibilities.
  • the described invention allows a multitude of different reactions to take place in parallel and independently of one another within a microfluidic system.
  • Third, the direction of the molecules does not have to be known in advance, but can be made dependent on intermediate results.
  • an electric field is applied between the electrodes in an aqueous solution, an electrical double layer is formed in the presence of charged particles, which is more or less powerful and fixed depending on the type and concentration of particles.
  • a distinction is made between rigid and diffuse double layers.
  • the electrodes are shielded considerably and the field inside the solution is reduced, so that its effect on particles (e.g. for the purpose of transporting them) is reduced.
  • Electrolysis with gas formation on the electrodes also begins when a certain potential value is exceeded at the electrodes. Strictly speaking, however, these processes only apply to the case of equilibrium, ie all Particles have aligned and there is a significant passage (exchange current density) through the double layers.
  • Disadvantages of the DNA chips are the only O-dimensional applications of molecular traction. Disadvantages of the molecules that have been actively moving in the flow so far are the small number of electrodes, typically less than 32. This small number results from the fact that these electrodes are assigned precisely set analog voltage potentials in order to a) enable optimum traction of the molecules and b) the To prevent the formation of oxyhydrogen gas by electrolysis. The potentiostats typically used for this are expensive and large.
  • An object of the invention is to simplify the control of electrodes for generating electrical fields for manipulation, such as the transport of molecules or molecular complexes.
  • the invention proposes a digital control method for generating electrical fields between electrodes used for manipulation, in particular for transporting, holding back and / or concentrating, in which control electronics produce electrical output potentials, one of two can assume discrete potentials, ie Values that are not adapted to the respective electrochemistry or that can be changed continuously, the output potentials are applied to the electrodes with any programmed duration, the output potentials are generated by integrated, digital electronic circuits (components) and - the output potentials applied to the electrodes depending on the shape and material of the electrodes, the composition of the liquid, the nature of the molecules are in the seconds to microseconds range.
  • predetermined digital voltages are applied for manipulation to electrodes arranged in succession, for example along a microfluidic channel. These voltages are not applied permanently but pulsed.
  • the pulse duration, the number of pulses per unit of time and / or the shape of the pulses is variable and is set so that no undesirable effects, for example electrophoresis, are exerted on the liquid or molecules to be manipulated.
  • the output of a digital module can usually only assume the three states 0, 1, tristate -> Z, i.e. about 0 volts, eg 3.3 volts (V cc ) or high-resistance (inactive).
  • Controlling an electrode pair in a solution with charged molecules is electrically an arrangement of at least resistors (the conduction is carried out by means of charge carriers present in the liquid, usually ions) and capacitors (local boundary layers can build up, which then existing capacities))
  • This fact means that by switching the digital outputs of the control modules on and off at the electrodes at the correct time, virtually any desired voltage for controlling the molecules can be set (low-pass behavior, D / A- converter).
  • the timing of the voltage pulses is arbitrarily inhomogeneous and programmable. With appropriate settings, this prevents gas bubbles from forming on the electrodes. The gas that still arises due to electrolysis has time to diffuse from the electrodes into the solution and does not interfere any further. While having the inhomogeneities that arise at the edges of the electrodes, the positive effect on the construction of the electrode geometries that tensions can and remain very small in the given by today's digital technology voltage levels of V cc.
  • the advantage of the invention relates to the scalability that is now possible and thus the availability of combinatorial diversity in the reaction paths.
  • the hundreds to thousands of independently controlled electrodes now possible open up completely new fields of application for chemical or biochemical reaction systems.
  • This variety of reaction paths cannot be achieved under classic conditions in microstructures, since individual flow control is not possible due to the spatially extended valves required for this.
  • the pulse sequences can be adapted to the types of particles, so that "electrical filters” and “amplifiers” can be produced, which allow certain types of particles to be transported preferentially.
  • the timing of certain electrodes makes it possible to change the properties of the solutions, such as the pH value, in a defined manner. In this way, reaction guides can be specifically changed in the immediate vicinity of these electrodes.
  • the fields can be made very inhomogeneous, so that molecules with predominantly dipole properties can also be transported and manipulated.
  • the electrodes Due to the forces acting on the molecules, the electrodes can not only concentrate them (focus), but also allow the targeted electrochemical reaction of these particles on the electrodes, depending on the potential and pulse control.
  • the particle types of the buffer in solution can be put together according to the task.
  • the electrodes can lose their effectiveness over time due to electrochemical effects (deposits, etc.). This can be remedied by a system of reactors. The idea is that the molecules are held in a reactor. Its electrodes are kept at a (e.g. constant negative) voltage. The other electrodes are cleaned in accordance with another pulse sequence that is also to be specified (attached molecules are rejected, etc.). After a certain time, the molecules are transported to a next reactor.
  • Fig. 1 is a plan view of an exemplary layout for an electrode combination along an H-shaped channel structure, with
  • FIG. 2 shows an exemplary electrode bundle structure, as can be used in the layout according to FIG. 1.
  • the dimensions of the individual electrodes are, for example, 10 ⁇ m and 20 ⁇ m wide electrodes with a length of, for example, 400 ⁇ m.
  • the electrode spacing in a bundle is, for example, between 10 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the track width is, for example, 9 ⁇ m.
  • the conductor tracks and electrodes themselves consist of a layer system of titanium, platinum and gold as an overlay and have a thickness of approximately 300nm.
  • the resulting electrical resistances are in the range of less 100 ohms per cm, which, however, have no influence on the voltage profiles at the electrodes given the resistances given by the liquids in the lower megohm range.
  • the liquid channels are ideally placed perpendicular to the electrodes.
  • the electrodes are so long that they drastically increase the number of possible liquid channel combinations.
  • the liquid channels are typically made in PDMS, but could just as well be made in Pyrex glass or other structurally normally transparent materials.
  • the electrode bundles in the upper part of the picture form the shape of the letter "H". Molecules that flow along the H structure can be trapped in the connecting channel in this way. aims to be released into one or the other channel or to be processed with agents immobilized there.
  • a possible H structure of the liquid channel, which lies above the electrodes, is sketched out.

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Manipulation von Molekülen in einer Flüssigkeit unter Verwendung eines elektrischen Feldes zwischen mindestens zwei Elektroden, erzeugt eine programmierbare Ansteuerelektronik elektrische Ausgangspotenziale, die einen von drei möglichen Zuständen handelsüblicher Digitalelektronik annehmen.

Description

Verfahren zur Manipulation von Molekülen in einer Flüssigkeit unter Verwendung eines elektrischen Feldes
Präambel
Diese Erfindungsmeldung stößt in eine Lücke bisheriger biotechnologischer Verfahren und Geräte der elektrochemischen Beeinflussung von Molekülen (Aktorik). Klassische Verfahren verwenden elektrostatische Anziehungskräfte einerseits als Pumpe durch ein mechanisch hergestelltes Sieb (Elektrophorese), zur Fixierung von Molekülen an bestimmten Orten (DNA- Chips) oder zur chemischen Charakterisierung von Molekülen (Sensorik). All diese Verfahren haben einen entscheidenden Nachteil : sie sind nicht skalierbar, da nur sehr wenige Elektroden bzw. Elektrodenbündel individuell steuerbar sind, bzw. die verwendeten Potentiostaten sehr teuer, groß und aufwendig herzustellen sind.
Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung beschreibt Mittel zur elektrostatischen Manipulation (Transport, Zurückhaltung, Aufkonzentration, Lenkung) der Bewegung von Molekülen in einem mikrostrukturierten Kanalsystem, z.B. mikrostrukturierten Hybridbaustein (Kombination von Mikrofluidik und -elektronik), und zwar unter Verwendung diskreter vorgegebener Spannungen.
Diese Lenkung ist so gestaltet, dass die aktive Steuerung der Molekülbewegung in verschiedenen Einheiten (z.B. Kanälen) der Mikrofluidik unabhängig voneinander geschehen kann. Weiter ist diese Lenkung programmierbar und kann sowohl zeitlich als auch räumlich variieren. Damit ergibt sich eine Reihe von Möglichkeiten.
Erstens erlaubt die beschriebene Erfindung, innerhalb eines Mikrofluidik- systems eine Vielzahl verschiedener Reaktionen parallel und unabhängig von- einander ablaufen zu lassen. Zweitens kann, da die Bewegungen der Moleküle innerhalb der Mikrofluidik durch zeitlich und räumlich konfigurierbare Felder gelenkt werden, ein bestimmter Typ eines Mikrofluidiksystems für verschiedene Zwecke genutzt, d.h. programmiert werden. Drittens muss die Lenkung der Moleküle nicht im Voraus bekannt sein, sondern kann von Zwischenresul- taten abhängig gemacht werden.
Damit eröffnen sich neue Wege bei Aufgabenstellungen aus der allgemeinen Biochemie, der chemischen und biochemischen Diagnostik, der Synthese neuer Substanzen und der adaptiven Kombination chemischer und informa- tionstechnischer Verfahren. Typische Anwendungen finden sich in der Pharmazie, der Diagnostik, der Verfahrens- und Umwelttechnik und der adaptiven Nanotechnologie.
Stand der Technik
Legt man zwischen die Elektroden in einer wässrigen Lösung ein elektrisches Feld an, so bildet sich in Gegenwart geladener Teilchen eine elektrische Doppelschicht aus, die je nach Teilchenart und -konzentration mehr oder weniger mächtig und feststehend ist. Man unterscheidet zwischen starrer und diffuser Doppelschicht. Bei hoher Konzentration vor allem starker Elektrolyte kommt es zu erheblicher Abschirmung der Elektroden und dadurch zu einer Verringerung des Feldes im Inneren der Lösung, so dass dessen Wirkung auf Teilchen (z.B. zum Zwecke des Transports derselben) reduziert ist.
Ferner setzt Elektrolyse mit Gasbildung an den Elektroden ein, wenn man einen bestimmten Potentialwert an den Elektroden überschreitet. Genaugenommen gelten aber diese Prozesse nur für den Gleichgewichtsfall, d.h. alle Teilchen haben sich ausgerichtet und es gibt einen nennenswerten Durchtritt (Austauschstromdichte) durch die Doppelschichten.
Einige der heutigen Mikroreaktoren nutzen bereits elektrische Felder um Mole- küle an bestimmte Ort zu bringen (DNA-Chips), bzw. diese daran zu hindern, von einem Ort weg zu diffundieren. Diese Orte wurden bereits vor dem Einsatz mittels bestimmter Substanzen (z.B. kurzen DNA-Strängen) belegt, um auf Grund der Ortsinformation Schlüsse über die in der Flüssigkeit vorhandenen Stoffe zu bekommen. Weitere beschriebene Einsätze elektrischer Felder be- ziehen sich auf die Sortierung von Zellen im Fluss. Aktive Bewegung von Molekülen in Lösungen sind zwar in der Literatur beschrieben (z.B. Fuhr), aber noch nicht kommerziell erhältlich. Lediglich im Bereich der Elektrophorese in MikroStrukturen gibt es Anstrengungen Molekülmischungen durch die behinderte Bewegung in Gelen aufzutrennen und damit bestimmte gesuchte Mole- küle einer weiteren Bearbeitung verfügbar zu machen.
Nachteile der DNA-Chips sind die lediglich O-dimensionalen Anwendungen der Molekültraktion. Nachteile der bisher im Fluss aktiv bewegten Moleküle sind die kleine Anzahl der Elektroden, typischerweise kleiner 32. Diese kleine Anzahl resultiert daher, dass diese Elektroden mit genau eingestellten analogen Spannungspotentialen belegt werden, um a) eine optimale Traktion der Moleküle zu ermöglichen und b) die Bildung von Knallgas durch Elektrolyse zu verhindern. Die typischerweise dafür verwendeten Potentiostaten sind teuer und groß.
Aufgabe
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Ansteuerung von Elektroden zur Erzeugung elektrischer Felder für die Manipulation wie z.B. den Transport von Molekülen bzw. Molekülkomplexen zu vereinfachen. Lösung
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein digitales Ansteuerungs- verfahren für die Erzeugung elektrischer Felder zwischen zur Manipulation, insbesondere zum Transportieren, Zurückhalten und/oder Aufkonzentrieren, von Molekülen dienenden Elektroden vorgeschlagen, bei dem eine Ansteuerelektronik elektrische Ausgangspotenziale erzeugt, die eines von zwei diskreten Potentialen annehmen können, d.h. nicht an die jeweilige Elektrochemie angepasste oder kontinuierlich veränderbare Wer- te, die Ausgangspotenziale mit zeitlich beliebiger programmierter Dauer an die Elektroden angelegt werden, die Ausgangspotenziale von integrierten, digitalen elektronischen Schaltungen (Bauteilen) erzeugt werden und - die an die Elektroden angelegten Ausgangspotentiale in Abhängigkeit von der Form und dem Material der Elektroden, der Zusammensetzung der Flüssigkeit, der Beschaffenheit der Moleküle im Sekunden- bis Mikrose- kundenbereich liegt.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nach der Erfindung werden zur Manipulation fest vorgegebene Digital- Spannungen an z.B. längs eines Mikrofluidikkanals aufeinander folgend angeordneten Elektroden angelegt. Diese Spannungen werden nicht dauerhaft son- dern gepulst angelegt. Die Impulsdauer, die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit und/oder die Form der Impulse ist dabei variabel und wird so eingestellt, dass auf die zu manipulierende Flüssigkeit bzw. Moleküle keinerlei unerwünschte Effekte, z.B. Elektrophorese ausgeübt werden. Grundzüge des Lösungsweges
a) Digitalspannung
Der Ausgang eines digitalen Bausteins kann in der Regel nur die drei Zustände 0, 1, tristate -> Z, also etwa 0 Volt, z.B. 3,3 Volt (Vcc) oder hochohmig (inaktiv) annehmen. Die Ansteuerung eines Elektrodenpaares in einer Lösung mit geladenen Molekülen stellt jedoch elektrisch gesehen eine Anordnung aus zumindest Widerständen (die Leitung erfolgt mittels in der Flüssigkeit vorhan- dener Ladungsträger, in der Regel Ionen) und Kondensatoren (es können sich lokale Grenzschichten aufbauen, die dann die ohnehin vorhandenen Kapazitäten zusätzlich noch erhöhen) dar. Diese Tatsache führt dazu, das durch das zeitlich richtige Ein- und Ausschalten der digitalen Ausgänge der Ansteuer- Bausteine an den Elektroden quasi jede gewünschte Spannung zur Steuerung der Moleküle einstellbar ist (Tiefpassverhalten, D/A-Wandler). Durch Ausnutzen dieses Effekts reduziert sich der technische Aufwand zur Ansteuerung um ein Wesentliches. Das real wirkende elektrische Feld zwischen zwei derart angesteuerten Elektroden kann also in Stärke und Richtung nahezu beliebig zwischen Null und dem Maximum variieren. Dementsprechend ist auch die Wirkung des Feldes auf die Moleküle nahezu beliebig einstellbar.
b) Vielkanal
Durch die Verwendung hochintegrierter kommerzieller Digitalbausteine mit mehreren hundert Ausgangstreibern wird es nun möglich, entsprechend viele Elektrodenbündel unabhängig voneinander anzusteuern und damit sehr viele Reaktionskammern willkürlich mit Molekülen zu versorgen, bzw. diese aus den Reaktionskammern zu entfernen. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese Reaktionskammern nun auch als räumliche Kammern ausgebildet sind oder nur räumlich-temporär in sich bewegenden Flüssigkeitsströmen entstehen. c) Aufgrund der Eigenladung der Moleküle bzw. der anhaftenden Ladungsträger sind die Kräfte, die auf diese Moleküle ausgeübt werden können, umso größer, je größer die von den Molekülen wahrgenommenen Feldstärken sind. Die maximalen Feldstärken sind allerdings durch die Trennung von Wasser- molekülen in seine Bestandteile begrenzt. Allerdings ermöglichen pulsierende Felder (das eigentliche Feld liegt nur kurze Zeit an den Elektroden an) die Moleküle trotzdem mit höheren Feldstärken anzutreiben. Die zeitliche Ablauf der Spannungsimpulse ist beliebig inhomogen und programmierbar. Dadurch wird bei entsprechender Einstellung eine Gasblasenbildung an den Elektroden ver- mieden. Das aufgrund von Elektrolyse doch noch entstehende Gas hat Zeit, von den Elektroden in die Lösung abzudiffundieren und stört nicht weiter. Für die Konstruktion der Elektrodengeometrien haben dabei die Inhomogenitäten, die an den Kanten der Elektroden entstehen, den positiven Effekt, dass die Spannungen sehr klein und damit im Bereich der durch heutige Digitaltechnik gegebenen Spannungsniveaus von Vcc bleiben können.
Verbesserungen und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
Der Vorteil der Erfindung bezieht sich auf die nun mögliche Skalierbarkeit und damit die Verfügbarmachung kombinatorischer Vielfalt bei den Reaktionswegen. Durch die nun möglichen hunderte bis tausende unabhängig gesteuerten Elektroden ergeben sich völlig neue Anwendungsfelder chemischer oder biochemischer Reaktionssysteme. Diese Vielfalt von Reaktionswegen kann unter klassischen Bedingungen in MikroStrukturen nicht erreicht werden, da eine individuelle Flusssteuerung auf Grund der dafür notwendigen räumlich ausgedehnten Ventile nicht möglich ist.
1. Man arbeitet mit programmierbaren "digitalen Feldern".
2. Die Pulsfolgen lassen sich an die Teilchensorten anpassen, so dass "elektrische Filter" und „Verstärker" herstellbar sind, die es erlauben, bestimmte Teilchenarten bevorzugt zu transportieren. 3. Die zeitliche Ansteuerung bestimmter Elektroden macht es möglich, an diesen die Eigenschaften der Lösungen, wie etwa den pH-Wert, in definierter Weise zu verändern. Dadurch können in unmittelbarer Nähe dieser Elektroden Reaktionsführungen gezielt geändert werden.
4. Die Felder lassen sich je nach Elektrodendesign und Feldstärke sehr inhomogen gestalten, so dass auch Moleküle mit überwiegenden Dipoleigenschaften transportiert und manipuliert werden können.
5. Die Elektroden können aufgrund der auf die Moleküle wirkenden Kräfte diese nicht nur aufkonzentrieren (fokussieren), sondern erlauben je nach Potential und Pulsführung auch die gezielte elektrochemische Reaktion dieser Teilchen an den Elektroden.
6. Die in Lösung befindlichen Teilchensorten des Puffers können dabei der Aufgabe entsprechend zusammengestellt werden.
Weitere positive Möglichkeiten ergeben sich ebenso: Die Elektroden können im Laufe der Zeit ihre Wirksamkeit durch elektrochemische Effekte verlieren (Ablagerungen etc.). Dem kann durch ein System von Reaktoren abgeholfen werden. Die Idee dabei ist, dass die Moleküle in einem Reaktor festgehalten werden. Dessen Elektroden werden auf eine (z.B. konstant negative) Spannung gehalten. Die anderen Elektroden werden gemäß einer anderen, ebenfalls zu spezifizierenden Impulsfolge gereinigt (angelagerte Moleküle werden abgestoßen etc.). Nach einer gewissen Zeit werden die Moleküle in einen nächsten Reaktor transportiert.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen im einzelnen : Fig. 1 eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Layout für eine Elektrodenkombination längs einer H-förmigen Kanalstruktur wobei mit
1 ein Mikrochip zur Digital-Ansteuerung der Elektroden, mit
2 die Leiterbahnen zwischen dem Chip und den Elektroden, mit 3 Verbindungsleitungen vom Chip zu den Elektroden (über Stecker von außen oder auch auf dem Träger), mit
4 Leiterbahnen zu den Elektroden auf dem Trägersubstrat, mit
5 und 6 die Elektroden und mit
7 den Flüssigkeitskanal über bzw. unter den Elektroden bezeichnet, und
Fig. 2 eine beispielhafte Elektrodenbündelstruktur, wie sie im Layout gemäß Fig. 1 Einsatz finden kann.
In Fig. 1 ist beispielhaft das Layout einer Elektrodenkombination auf einem 6- Zoll-Wafer dargestellt. Die Abmessungen der einzelnen Elektroden sind z.B. 10μm und 20μm breite Elektroden der Länge z.B. 400μm. Der Elektrodenabstand in einem Bündel beträgt z.B. zwischen lOμm und 20μm. Die Leiterbahnbreite ist z.B. 9μm. Die Leiterbahnen und Elektroden selber bestehen z.B. aus einem Schichtsystem von Titan, Platin und als Auflage Gold und haben etwa eine Dicke von 300nm. Die sich daraus ergebenden elektrischen Widerstände bewegen sich im Bereich weniger lOOohm pro cm, welche aber bei den durch die Flüssigkeiten gegebenen Widerständen im unteren Megohmbereich keinen Einfluss auf die Spannungsverläufe an den Elektroden haben. Die Flüssigkeits- kanäle werden idealerweise senkrecht zu den Elektroden angebracht. Die E- lektroden sind deswegen so lang gezogen, da dadurch die Anzahl der möglichen Flüssigkeitskanalkombinationen drastisch erhöht wird. Die Flüssigkeitskanäle werden typischerweise in PDMS gefertigt, könnten aber auch genauso gut in Pyrex-Glas oder anderer strukturierbarer normalerweise durchsichtiger Ma- terialen gefertigt werden. Die im oberen Bildteil angebrachten Elektrodenbündel bilden die Form des Buchstabens "H". Moleküle, die entlang der H-Struktur strömen, können auf diese Weise im Verbindungskanal gefangen werden, ge- zielt in den einen oder anderen Kanal entlassen werden oder aber auch mit dort immobilisierten Agenzien prozessiert werden. Skizzenhaft ist eine mögliche H-Struktur des Flüssigkeitskanals, der über den Elektroden liegt, angedeutet.
Im folgenden werden anhand von Fig. 2 beispielhaft zwei Elektrodenbündel beschrieben. Über die Streifenelektroden wird senkrecht ein Flüssigkeitskanal gelegt. Die Elektroden werden mit Rechteckimpulsen belegt. Mehrere im Flüssigkeitskanal verteilte Referenzelektroden werden mit einer höherfrequenten Rechteckspannung belegt, die dergestalt ist, dass das mittlere Spannungsniveau genau bei Vcc/2 eingestellt wird. Durch diese Arbeitspunkteinstellung ist es möglich mit nur zwei Spannungen (0V und Vcc) vier verschiedene Differenzspannungen zu erzeugen (0V, Vcc/2, -Vcc/2 und Vcc). Durch entsprechende Abfolge der Impulse werden geladene Moleküle gezielt durch An- und Abstoßung bewegt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur unabhängigen Lenkung, insbesondere zum Transportieren, Zurückhalten, Aufkonzentrieren von Molekülen an einer Vielzahl von Stellen in einem Mikrokanalnetzwerk unter Verwendung elektrischer Felder zwischen jeweils mindestens zwei Elektroden, bei dem eine Ansteuerelektronik elektrische Ausgangspotenziale erzeugt, die eines von zwei diskreten Potentialen annehmen können, d.h. nicht an die jeweilige Elektrochemie angepasste oder kontinuierlich veränderbare Werte, die Ausgangspotenziale mit zeitlich beliebiger programmierter Dauer an die Elektroden angelegt werden, die Ausgangspotenziale von integrierten, digitalen elektronischen Schaltungen (Bauteilen) erzeugt werden, und die an die Elektroden angelegten Ausgangspotentiale in Abhängigkeit von der Form und dem Material der Elektroden, der Zusammensetzung der Flüssigkeit, der Beschaffenheit der Moleküle im Sekunden- bis Mikrosekundenbereich liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden von der Ansteuerelektronik zusätzlich auch in einen hochohmigen Zustand (Z-Zustand) versetzbar sind.
3. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 mit diskreten vorgegebenen Pulsfolgen auf die Elektroden zur Emulation kontinuierlicher Spannungswerte vermittels der spezifischen elektrochemischen Gegebenheiten in einer Mikrofluidikstruktur, wobei insbesondere die Relaxationszeiten von Ionen-Bewegungen und Polarisationsereignisse in der Lösung elektrisch mitbenutzt werden.
4. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 mit diskreten vorgegebenen Pulsfolgen auf geeignet angebrachten Elektroden zur Erzeugung von durch elektrische Felder gegebenen, gegen Molekülein- oder -ausfluss geschützten Reaktionsbereichen oder Gruppen davon in der Mikrofluidikstruktur.
5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 zur Etablierung von steuerbaren Molekülfiltern, selektiven Sperren, etc. unter Ausnutzung der verschiedenartigen Reaktion unterschiedlicher Molekültypen auf elektrische Felder.
6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 zur Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit der Elektroden in der Mikrofluidikstruktur gegen elektrochemische Prozesse.
7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 für den Aufbau von Molekulardiagnostiksystemen, die Steuerung der automatischen Suche nach pharmazeutischen Wirkstoffen, "Lab-on-a-Chip"-Ana- lytik, molekulares Computing, Genexpressionsanalyse.
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