EP1744831B8 - Method and device for collecting suspended particles - Google Patents

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EP1744831B8
EP1744831B8 EP05747443A EP05747443A EP1744831B8 EP 1744831 B8 EP1744831 B8 EP 1744831B8 EP 05747443 A EP05747443 A EP 05747443A EP 05747443 A EP05747443 A EP 05747443A EP 1744831 B8 EP1744831 B8 EP 1744831B8
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
compartment
collection area
electrode
collection
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP05747443A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1744831A1 (en
EP1744831B1 (en
Inventor
Thomas Schnelle
Torsten Müller
Jörg KENTSCH
Frank Grom
Martin Stelzle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Original Assignee
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
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Publication date
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Publication of EP1744831A1 publication Critical patent/EP1744831A1/en
Publication of EP1744831B1 publication Critical patent/EP1744831B1/en
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02—Separators
    • B03C5/022—Non-uniform field separators
    • B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]

Definitions

  • the invention relates to a method for collecting particles suspended in a liquid, in particular for collecting suspended biological objects, such as biological cells, in a fluidic microsystem, with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device to implement such a method and its applications.
  • electro-osmosis flows can be generated in a liquid-filled compartment by electro-osmosis.
  • KF Hoettges et. al. describe in the publication "Optimizing Particle Collection for enhanced surface-based biosensors” (see “IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE", November / December 2003, p. 68) the use of circulating electrohydrodynamic flows to collect in the liquid suspended particles. In this method, particles 1 ', 2' suspended according to FIG. 9 are collected in a compartment 10 'with a side face 11'.
  • a vortex flow 30 ' which runs around an axis 31' parallel to the orientation of the side surface 11 '.
  • a flow-reduced area is formed, which represents a collection area 40' for the particles brought between the electrodes 21 'by the vortex flow 30'.
  • K. F. Hoettges et. al. The technology described has several disadvantages, in particular for use in biology, biochemistry and medicine.
  • the circulating vortex flow has a relatively small intake area for the particles to be collected.
  • the particles can only be collected directly adjacent to the electrodes.
  • contact with the electrodes can be detrimental to the particles, especially if the particles comprise biological materials.
  • relatively large-area electrodes are required in order to form correspondingly large collection areas.
  • undesired heating occurs on large-area electrodes.
  • there is a major disadvantage of the Hoettges et al. described technology in that it is based on electroosmosis and positive electrophoresis and is therefore limited to low frequencies and low conductivities of the solutions used. It is therefore not possible to use this method to examine cells in physiological solutions.
  • Flows in fluidic micro systems can also be induced by high electrical field strengths (electrical heating).
  • This principle the z. B. is used in traveling wave pumps in microchips (see publication "A traveling-wave micropump for aqueous solutions: Comparison of 1 g and ⁇ g results” by T. Müller et al. In “Electrophoresis”, Vol. 14, 1993, p . 764 to 772), but can be disadvantageous in particular for biological particles because of the heat conversion.
  • the object of the invention is to provide improved methods for the collection of particles suspended in a liquid, in particular for the collection of suspended biological objects, with which the disadvantages of the conventional methods are overcome and which in particular a collection from an enlarged catchment area and without Allowing damage to the collected particles.
  • Another object of the invention is to provide improved devices for Collection of particles suspended in a liquid, in particular for implementing the method according to the invention.
  • the invention is based on the general technical teaching of collecting suspended particles in at least one collection area in a compartment with a circulating flow which runs at least partially along a longitudinal extent of at least one electrode on one side surface of the compartment.
  • the collection area is the volume into which the flow leads the particles and in which the particles can collect, in particular through a local flow reduction.
  • the circulating flow generated according to the invention by an interaction of the liquid with high-frequency electrical fields at the electrode advantageously runs in a plane parallel to the respective side surface.
  • the inventors have found that the limitation of the collection effectiveness of the conventional techniques can be overcome and the catchment area of the flow circulating at the electrode can be increased if the flow does not revolve around an axis parallel to the orientation of the side face as before, but a local axis of rotation perpendicular to it Has side surface.
  • Another important advantage of the invention is that even the smallest particles, such as viruses, can be effectively collected with the at least one flow.
  • the particles are collected in the collection area without mechanical contact with a wall or another part of the compartment, there may be advantages for the manipulation of biological particles, such as for example biological cells, which are based on mechanical contact with undesired additives. Status changes would react. If a mechanical
  • the particles can be arranged according to an alternative embodiment of the invention in the collection area with a touch of a side surface of the compartment.
  • a measurement by a compartment wall can thus advantageously be simplified.
  • the collection area can be formed by a part of the side surface in which the wall material of the compartment is exposed and there are no electrodes.
  • a plurality of locally circulating flows are generated on at least one electrode, of which at least one branch of the local circulation is directed towards the at least one collection area. Leave along the electrode for example two currents. This advantageously increases the effectiveness of the collection.
  • a further enlargement of the collection area of the collection can advantageously be achieved if, according to a variant of the method according to the invention, a plurality of locally circulating flows are generated on several electrodes. In particular, this enables the particles to be guided from several directions to the at least one collection area. If the flows relative to one another are formed such that they are symmetrical, in particular point-symmetrical, to the collection area that the flow is calmed or essentially free of flow, it can advantageously be achieved that the particles conveyed from one side to the collection area move the collection area in a different direction, eg. B. do not leave again on the opposite side.
  • the feed area can advantageously be extended with elongated, band-shaped or strip-shaped electrodes, which preferably extend radially from the collection area in different directions.
  • the particles are collected from a feed area of the compartment, the volume of which is 10 2 to 10 9 times greater than the volume of the collection area.
  • This ratio shows that with the method according to the invention, particles can not only be collected, but concentrated or enriched with a high factor.
  • the catchment area of a single vertebra can have a volume of up to 10 ⁇ l and the collection area a volume of 1 distant have toliters up to 50 picoliters, so that the invention can advantageously be implemented with fluidic microsystems.
  • high-frequency electric fields are also used to directly exert a predetermined dielectrophoretic propulsive force on the particles. Under the action of the high-frequency electric fields, the particles are moved to the collection area by negative dielectrophoresis.
  • the indirect hydrodynamic force effect is thereby increased. It is particularly preferred if, according to the invention, high-frequency electric fields are generated which are used for the electrodynamic flow generation and simultaneously for the dielectrophoretic manipulation of the particles.
  • the collection effectiveness can be further increased if at least one dielectrophoretic field cage with a potential minimum that is located in the collection area is generated with the high-frequency electric fields.
  • the dielectrophoretic capture forces in the field cage depend on the particle size. Particles which are so small that the catching forces of the field cage would be too weak for effective collection can advantageously be combined with the electrohydrodynamic flows to form larger aggregates in such a way that field forces are achieved which are sufficient for safe catching in the field cage are.
  • the field cage is closed in two (funnel-shaped field cage) or three (all-sided field cage) spatial directions.
  • the field cage can be formed with 6, 8 or more electrodes.
  • electrodes are arranged in this way and with high-frequency electrical If voltages are applied so that several field cages are formed, the catchment area of the particle collection according to the invention can advantageously be increased.
  • An inner and an outer field cage are preferably provided, the potential minima of which have the same position in the collection area.
  • the field cages are arranged concentrically to one another, the outer field cage in each case moving particles toward the inner field cage by negative dielectrophoresis.
  • At least one further force acts on the particles in the collection area. This advantageously enables additional holding and / or manipulation of the particles in the collection area to be achieved.
  • the generation of an optically effective force can have advantages when the technique according to the invention is combined with an optical measurement in the collection area and for selective particle manipulation.
  • Generating a dielectrophoretic force can have advantages for effective interaction with a dielectrophoretic
  • the at least one further force can be a force transmitted by ultrasound, for example nodes of an ultrasound field can be formed in the collection area.
  • the particles are not only influenced by dielectric interactions, but also, if necessary, by a specific bond to the bead or a hydrodynamic partition caused by the starting object.
  • at least one measurement of the collected particles takes place in the collection area. This can result in particular advantages in the manipulation or evaluation of collected biological particles.
  • the measurement preferably comprises an electrical, electrochemical and / or optical measurement known per se, for example from the field of fluidic microsystems.
  • the measurement is aimed at the detection of a receptor-ligand binding event.
  • the side surface of the compartment in the area of the at least one collection area can be functionalized with detection spots in the form of receptor molecules (e.g. proteins, antibodies, DNA, viruses (for transfection experiments), etc.), as is the case with conventional microarrays or biochips is known so that a specific receptor-ligand interaction takes place with particles or molecules accumulated in the collection area.
  • the interaction can then be carried out in a known manner e.g. can be demonstrated using electrical, electrochemical or optical readout methods.
  • the method according to the invention can advantageously increase the concentration of analyte particles or molecules in the vicinity of the detection spots (increase in sensitivity) and accelerate the detection process compared to the purely diffusive transport of analyte particles or molecules to the detection spots.
  • the functionalized receptor array can e.g. B. be applied to a flat electrode and together with a die
  • the second substrate containing collecting electrodes form a microchamber.
  • the collection structure can then be removed again. Accordingly, it can also be used several times.
  • the particles are collected in several compartments in the compartment, there may be advantages for a parallel enrichment of the particles from several catchment areas in the compartment and a parallel manipulation or evaluation of the collected particles.
  • the collection can take place not only from a catchment area with a stationary suspension liquid, but even dynamically from a moving suspension liquid.
  • the compartment can be penetrated, for example, by a laminar flow which, according to the invention, is superimposed on the locally circulating flow.
  • a mutual superimposition of several locally circulating flows can be provided in the compartment.
  • a first circulating flow can lead the particles straight into a collection area which is part of a further, downstream circulating flow.
  • the method according to the invention is particularly well suited for collecting particles with a diameter of less than 1 ⁇ m.
  • cells, viruses, bacteria, proteins, cell components and / or biological macromolecules eg. B. DNS can be collected.
  • the flows circulating locally on the electrodes are amplified by a local temperature gradient in the liquid.
  • the temperature gradient can be formed by locally heating the liquid, which is preferably carried out by irradiating the liquid and / or side surfaces of the compartment with light and its corresponding absorption and / or by embedded (“buried”) thermocouples in the walls.
  • the temperature gradient can be formed by local, targeted cooling of the liquid.
  • the local heating of the liquid can advantageously also be used to stimulate chemical reactions. Due to the locally high temperatures in the collection area, z. B. thermally activated reactions occur, e.g. an aggregation or a precipitation.
  • the above-mentioned object of the invention is achieved by a collection device for collecting suspended particles, which in a compartment for receiving a liquid on one side surface has at least one electrode for generating one or more locally circulating flows in the liquid, with the suspended particles can be led to at least one predetermined collection area in the compartment, the collection device being set up to at least generate a flow so that part of the flow extends along the longitudinal extent of the electrode and the
  • Flow revolves around an axis that is aligned perpendicular to the adjacent side surface with the electrode.
  • the collection area can be arranged at a distance from the side faces of the compartment or in such a way that the collection area is in contact with one of the side faces.
  • the electrode, on which the at least one circulating flow can be generated is preferably connected to a voltage source for providing predetermined high-frequency electrical voltages.
  • the at least one electrode that is used to generate the circulating flow is also referred to as a collecting electrode.
  • the collection device When generating a plurality of circulating flows which are directed to one or more collection areas, the collection device accordingly comprises a plurality of collection electrodes which form a collection electrode array.
  • the collection device is set up to exert not only electrohydrodynamic but also dielectrophoretic forces on the particles to be collected, the collection effect can be improved by the additional force effect.
  • the dielectrophoretic force effect is exerted by the interaction of the particles with high-frequency electric fields, which are generated in the compartment with at least one electrode, which is referred to below as the cage electrode.
  • the cage electrode If the above-mentioned field cages, which are closed on one or all sides, are to be produced, the compartment is equipped with a cage electrode array.
  • the collecting and cage electrodes are identical.
  • the collecting electrode and cage electrode arrays are formed by a common electrode arrangement. In this case, the structure of the collection device and the control of the electrodes are simplified.
  • a particular advantage of the collection device according to the invention is that it can be miniaturized.
  • the compartment of the collection device is preferably part of a fluidic microsystem.
  • the collection function according to the invention can advantageously be combined with collection, sorting, evaluation or measurement functions of the microsystem.
  • the collection device is arranged, for example, in the channel of a fluidic microsystem, which forms the named compartment with the flow generator.
  • the collection device according to the invention can also be used to collect particles in the flow-through channel.
  • a plurality of collection areas are arranged in rows along a longitudinal direction of the channel.
  • the flow generator can additionally comprise a heating device and / or a light source.
  • FIG. 1 a schematic sectional view of an embodiment of a collection device according to the invention
  • FIG. 2, 3 different phases of the collection of particles with the inventive method
  • FIGS. 4A, 4B illustrations of field and temperature conditions in a collection device according to the invention and of experimental results which were achieved with a collection device according to the invention
  • FIG. 5 an embodiment of a collection device according to the invention with a number of collection areas
  • FIG. 6 a further embodiment of a collection device according to the invention with a cascade of collection areas
  • FIG. 7 a further embodiment of a collection device according to the invention with a cascade of collection areas
  • FIG. 8 an illustration of the flow conditions in a collection device according to FIG. 7, and Figures 9, 10: illustrations of conventional collection techniques (prior art).
  • the application of the invention is not limited to the fluidic microsystems for dielectrophoretic particle manipulation, but also in other cases in which, in particular, particles suspended in biochemical tasks in liquid-filled compartments, e.g. B. laboratory vessels to be collected, applied.
  • FIG. 1 illustrates in an enlarged schematic sectional view a part of a channel or another section of a fluidic microsystem by which the compartment 10 of the collection device according to the invention is formed.
  • An electrode arrangement 20 with eight electrodes 21 is arranged on the channel walls, which represent side surfaces 11 of the compartment 10. It's on the lower side ten surface (bottom surface) and on the upper side surface (top surface) four electrodes 21 each (see also Figures 2, 3).
  • the electrode arrangement 20 is formed as is known per se from electrode arrangements for producing dielectrophoretic field cages.
  • Each electrode for electrohydrodynamic flow generation has the shape of a strip or tape with a length (see also FIGS. 2, 3) that is substantially larger than the electrode width.
  • the aspect ratio electrode width: electrode length is preferably selected in the range from 1:10 to 1: 100.
  • the dimensions of the electrode 21 are, for example.
  • a longitudinal orientation of the electrode 21 is defined by the elongated electrode shape. Each electrode 21 is arranged so that the longitudinal alignment to a collection area 40 is in the middle between the side surfaces
  • the electrodes 21 are electrically connected in a manner known per se to a voltage source for generating high-frequency electrical voltages, preferably to predeterminable amplitudes, frequencies and phase relationships. When the electrodes 21 are acted upon by the high-frequency electrical voltages, currents 30 are formed parallel to the side surfaces 11, with which particles 1 are moved to the collection area 40.
  • Reference numeral 50 relates to a measuring device, for example a microscope with a CCD camera, with which, for example, fluorescence-marked particles in the collection area can be optically measured and evaluated.
  • a measuring device for example a microscope with a CCD camera, with which, for example, fluorescence-marked particles in the collection area can be optically measured and evaluated.
  • at least one optically transparent window is provided in the side surface 21 of the channel (see FIG. 5).
  • at least one further can be used as the measuring device
  • Electrode for impedance measurements can be provided in the collection area 40.
  • FIG. 2 illustrates the state of the collection device immediately before the start of an electrohydrodynamic collection.
  • particles 1 are randomly distributed as long as the electrodes 21 are voltage-free or a relatively low voltage ( ⁇ 1 V) is applied.
  • the currents 30 form (also shown in FIG. 2 for illustration purposes).
  • One or two locally circulating flows 32, 33 are generated at each electrode.
  • a first flow branch of each flow runs along the longitudinal orientation of the electrode 21 and parallel to the side surface 11 through the compartment 10 essentially in the direction of the collection area 40, as is illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • Another branch of the circulating flow 30 leads back over the electrode 21 in the opposite direction. The rotation takes place about an axis 31 which is perpendicular to the plane in which the electrodes are arranged.
  • the particles 1 are guided from the outside outside the electrode arrangement 20 into the inner collection area 40, where they form an aggregate (FIG. 3).
  • FIG. 4A The cause of the electrohydrodynamic flow 30 is illustrated in FIG. 4A.
  • the left part of FIG. 4A shows the temperatures in the xz plane (according to FIG. 1) and in the xy plane (according to FIG. 2).
  • the medium in the collection area becomes dielectrically inhomogeneous.
  • the electric field exerts polarizing forces on the liquid, which lead to the formation of the desired flow vortices. Since the flow vortices are formed on all electrodes, there is a symmetrical inflow towards the center of the cage into the collection area 40.
  • FIG. 4A shows the temperature conditions in the case of a liquid which is initially at rest in the compartment. Surprisingly, the circulating flows pointing to the collection area also occur if the liquid flows in the compartment. The liquid forms a carrier flow at a speed which is less than the liquid speed in the circulating flows.
  • Particles that are to be transported into the interior of the field cage must overcome a relatively high dielectric barrier in the x or y direction. After passing through the barrier under the action of flow forces, the particles experience a dielectrophoretic force acting in the center of the field cage, so that in the center of the cage the collection of aggregates is increased, which are subject to a dimensionally larger volume force.
  • the voltage amplitude required to generate the electrohydrodynamic flow is selected as a function of the dielectric properties of the suspension liquid and the geometric properties of the electrical dena order. An empirical selection by experiments can also be provided.
  • the high-frequency electric fields are preferably selected so that only negative dielectrophoresis acts on the particles.
  • the collection shown in FIGS. 2 and 3 can be implemented to collect 1 ⁇ m particles, for example with the following operating parameters.
  • the particles are suspended in KC1 (concentration: 12.5 mM).
  • a high-frequency electrical voltage (frequency: 8 MHz, amplitude: 3.5 V) is applied to the electrodes 21.
  • the distance between the electrodes lying opposite one another in one plane (tip-tip) is 40 ⁇ m.
  • hepatitis A viruses (diameter around 30 nm) within 10 minutes.
  • the starting concentration of the viruses in the compartment was approx. 10 9 to 10 10 / ml.
  • the accumulation of the fluorescence-labeled hepatitis A viruses is shown in FIG. 4B for different observation times.
  • an initially small aggregate was formed from the viruses, which had a diameter of approx. 4 ⁇ m (9 min.) Grew.
  • With a catchment area of approx. 100 ⁇ m * 100 ⁇ m * 10 ⁇ m (channel height) corresponds to a concentration of approx. 10 3 .
  • FIG. 5 schematically illustrates the formation of a series of collection areas 41, 42, 43, ... in the channel of a fluidic microsystem, only the electrodes 21 of the electrode arrangements on one of the side surfaces of the channel and the associated connecting lines via which the electrodes are shown being shown for reasons of clarity Electrodes 21 are connected to a voltage source.
  • the counter-phase control of adjacent electrodes in a single field cage 20 is symbolically illustrated, with which the desired flow vortices can be generated at each collection area 41, 42, 43, ...
  • a measuring device (not shown) with which the particles in the collection areas 41, 42, 43, ... are measured through a window 51 along a scanning line 52.
  • a fluorescence correlation measurement (FCS) is carried out to detect receptor-ligand binding events in the collected particles.
  • FIG. 6 A cascade-like combination of a plurality of circulating flows is illustrated schematically in FIG. 6.
  • the electrode arrangement 20 generates a flow directed toward the collection region 40 over a relatively large area.
  • a plurality of collecting electrodes 21, 22 pointing radially to the collecting area 40 are provided.
  • the innermost electrodes 23 simultaneously form collecting and cage electrodes, which form a field cage according to FIG. Outdoor
  • Particles are transported, for example, with the vortex 34 on the first collecting electrode 21 into the vortex 35 of the second collecting electrode 22, from which the further transport to the vortex 36 of the collecting and cage electrode 23 takes place. With this, the particles are transported into the central collection area 40.
  • FIG. 6 illustrates that two vortices are formed in each case on a strip-shaped electrode, the axis 31 (shown offset) of the flow circulation being aligned with the electrodes perpendicular to the adjacent side surface.
  • the electrodes in the embodiment of the invention shown in FIG. 6 or also in the exemplary embodiments described above can have a conical shape in which the width of the electrode strip widens outwards with increasing radial distance from the collection area. With this design, the catchment area of the collecting currents can be expanded.
  • the electrodes it is possible for the electrodes to have a straight strip shape and for the electrodes to become larger with a radial distance from the collection area to the outside. For example, narrow, small electrodes and wide, large electrodes are provided on the inside. B. the aspect ratio of the electrodes increases.
  • FIG. 7 illustrates an embodiment of the collection device according to the invention with an electrode arrangement 20 which has an outer cage 20.1, in the catch area of which an inner cage 20.2 is formed.
  • Each of the inner and outer field cages 20.1 and 20.2 is a closed 8-electrode field cage.
  • the associated electrode arrangements are arranged offset by 45 ° relative to one another, as a result of which the interaction of the two field cages is improved.
  • FIG. 8 illustrates the flow profiles resulting from the embodiment according to FIG. 7 (numerical simulation).
  • the flow profiles are shaped in such a way that the intake area of the electrode arrangement 20 is enlarged and the central resting or particle collection zone is also expanded.
  • the outer field cage 20.1 alone would provide a lower flow and thus a less effective particle transport, while the inner field cage 20.2 alone would have a smaller catchment area and a smaller quiet zone.
  • the individual electrodes and their connecting lines to the voltage sources are electrically isolated from one another. profiled.
  • the insulation is carried out by a multi-level structure consisting of electrode and insulation layers.
  • the collecting device can be equipped with a cooling device, e.g. B. be equipped with a Peltier element in order to avoid undesired overall heating of the collecting device.
  • a cooling device e.g. B. be equipped with a Peltier element in order to avoid undesired overall heating of the collecting device.

Abstract

A description is given of methods for collecting particles (1, 2) which are suspended in a liquid, including the following steps: providing the liquid containing the suspended particles (1, 2) in a compartment (10) having lateral surfaces (11), wherein at least one electrode (21) is arranged on at least one of the lateral surfaces (11), and generating high-frequency electric fields by means of the at least one electrode (21) so as to form at least one circulating flow (30), by means of which the particles (1, 2) are guided to at least one predetermined collecting area (40) in the compartment (10), wherein the flow (30) is formed in such a way that at least one branch of the flow runs along a longitudinal extent of the at least one electrode (21), and the flow (30) circulates about an axis (31) which is oriented perpendicular to the respectively adjacent lateral surface (11) with the electrode (21). Corresponding devices for collecting particles are also described.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Sammlung von suspendierten Partikeln Method and device for collecting suspended particles
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sammlung von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln, insbesondere zur Sammlung von suspendierten biologischen Objekten, wie zum Beispiel biologischen Zellen, in einem fluidischen Mikrosys- tem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Umsetzung eines derartigen Verfahrens und deren Anwendungen.The invention relates to a method for collecting particles suspended in a liquid, in particular for collecting suspended biological objects, such as biological cells, in a fluidic microsystem, with the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a device to implement such a method and its applications.
Es ist bekannt, in einer Flüssigkeit suspendierte Partikel in fluidischen Mikrosystemen in einem dielektrophoretischenIt is known to suspend particles in a liquid in fluidic microsystems in a dielectrophoretic
Feldkäfig zu fangen oder zu sammeln (siehe zum Beispiel Publikation "Trapping in AC octopole field cages" von T. Schnelle et al. in "Journal of Electrostatics", Bd. 50, 2000, S. 17 bis 29) . Diese Technik besitzt den Nachteil, dass nur relativ große Partikel mit typischen Dimensionen > 500 nm sicher gefangen werden können. Bei kleineren Partikeln, wie zum Beispiel Viren, können die dielektrophoretischen Fangkräfte zu gering sein oder durch thermische Störungen überlagert werden.To catch or collect field cages (see for example publication "Trapping in AC octopole field cages" by T. Schnell et al. In "Journal of Electrostatics", Vol. 50, 2000, pp. 17 to 29). This technique has the disadvantage that only relatively large particles with typical dimensions> 500 nm can be safely caught. With smaller particles, such as viruses, the dielectrophoretic trapping forces can be too low or can be overlaid by thermal disturbances.
Mit planaren Elektroden, die mit hochfrequenten Wechselspannungen beaufschlagt werden, können in einem flüssigkeitsgefüllten Kompartiment durch Elektroosmose elektrohydrodynami- sche Strömungen erzeugt werden. K. F. Hoettges et. al. be- schreiben in der Publikation "Optimizing Particle Collection for enhanced surface-based biosensors" (siehe "IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE", November/Dezember 2003, S. 68) die Verwendung zirkulierender elektrohydrodyna- mischer Strömungen zur Sammlung von in der Flüssigkeit suspendierten Partikeln. Bei diesem Verfahren werden gemäß Figur 9 suspendierte Partikel 1', 2' in einem Kompartiment 10' mit einer Seitenfläche 11' gesammelt. An den Kanten von Elektroden 21' (teilweise dargestellt), die auf der Seiten- fläche 11' angeordnet sind, entsteht eine Wirbelströmung 30', die um eine Achse 31' parallel zur Ausrichtung der Seitenfläche 11' umläuft. In der Mitte der Elektroden 21' wird ein strömungsberuhigter Bereich gebildet, der für die zwischen den Elektroden 21' durch die Wirbelströmung 30' herangeführ- ten Partikel einen Sammlungsbereich 40' repräsentiert.With planar electrodes, to which high-frequency alternating voltages are applied, electro-osmosis flows can be generated in a liquid-filled compartment by electro-osmosis. KF Hoettges et. al. describe in the publication "Optimizing Particle Collection for enhanced surface-based biosensors" (see "IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE", November / December 2003, p. 68) the use of circulating electrohydrodynamic flows to collect in the liquid suspended particles. In this method, particles 1 ', 2' suspended according to FIG. 9 are collected in a compartment 10 'with a side face 11'. At the edges of electrodes 21 '(partially shown), which are arranged on the side surface 11', there is a vortex flow 30 'which runs around an axis 31' parallel to the orientation of the side surface 11 '. In the middle of the electrodes 21 ', a flow-reduced area is formed, which represents a collection area 40' for the particles brought between the electrodes 21 'by the vortex flow 30'.
Die von K. F. Hoettges et. al. beschriebene Technik besitzt insbesondere für die Anwendung in der Biologie, Biochemie und Medizin mehrere Nachteile. Die zirkulierende Wirbelströmung besitzt einen relativ geringen Einzugsbereich für die zu sammelnden Partikel. Des Weiteren können die Partikel ausschließlich unmittelbar an die Elektroden angrenzend gesammelt werden. Der Kontakt mit den Elektroden kann für die Partikel jedoch schädlich sein, insbesondere wenn die Partikel biologische Materialien umfassen. Außerdem sind relativ großflächige Elektroden erforderlich, um entsprechend große Sammlungsbereiche zu bilden. An großflächigen Elektroden tritt jedoch eine unerwünschte Erwärmung auf. Schließlich besteht ein wesentlicher Nachteil der von Hoettges et al. beschriebe- nen Technik darin, dass diese auf Elektroosmose und positiver Elektrophorese beruht und somit auf niedrige Frequenzen und niedrige Leitfähigkeiten der verwendeten Lösungen beschränkt ist. Daher ist es nicht möglich mit diesem Verfahren Zellen in physiologischen Lösungen zu untersuchen.K. F. Hoettges et. al. The technology described has several disadvantages, in particular for use in biology, biochemistry and medicine. The circulating vortex flow has a relatively small intake area for the particles to be collected. Furthermore, the particles can only be collected directly adjacent to the electrodes. However, contact with the electrodes can be detrimental to the particles, especially if the particles comprise biological materials. In addition, relatively large-area electrodes are required in order to form correspondingly large collection areas. However, undesired heating occurs on large-area electrodes. Finally, there is a major disadvantage of the Hoettges et al. described technology in that it is based on electroosmosis and positive electrophoresis and is therefore limited to low frequencies and low conductivities of the solutions used. It is therefore not possible to use this method to examine cells in physiological solutions.
Es ist des Weiteren bekannt, Viren 1' unter Verwendung von elektrohydrodynamischen Strömungen 30' in den Fangbereich eines trichterförmigen, dielektrischen Feldkäfigs 50' zu führen, wie es in Figur 10 gezeigt ist (siehe Publikation "Trapping of Viruses in High Frequency Electric Field Cages" von T. Schnelle et al. in "Naturwissenschaften" Bd. 83, 1996, S. 172 bis 176; Publikation "High Frequency Electric Fields for Trapping of Viruses" von T. Müller et al. in "Biotechnol- ogy Techniques" Bd. 10, 1996, S. 221 bis 226; und Publikation "Trapping of micrometre and sub-micrometre particles by high frequency electric fields and hydrodynamic forces" von T. Müller et al. in "J. Phys . D: Appl. Phys . " Bd. 29, 1996, S. 340 bis 349) . Auch bei dieser Technik besteht der Nachteil, dass die sammelnde Strömung nur Viren in unmittelbarer Umgebung der zur Bildung des Feldkäfigs 50' verwendeten Elektroden 21' erfasst und daher einen relativ geringen Einzugsbereiches besitzt. Des Weiteren ist das genannte Verfahren auf niedrige Leitfähigkeiten oder salzarme Lösungen beschränkt und daher für die Untersuchung von Zellen in physiologischen Lösungen auch nicht geeignet .It is also known to guide viruses 1 'into the capture region of a funnel-shaped, dielectric field cage 50' using electrohydrodynamic currents 30 ', as shown in FIG. 10 (see publication "Trapping of Viruses in High Frequency Electric Field Cages" by T. Schnell et al. in "Naturwissenschaften" Vol. 83, 1996, pp. 172 to 176; Publication "High Frequency Electric Fields for Trapping of Viruses" by T. Müller et al. in "Biotechnological Technologies", Vol. 10, 1996, pp. 221 to 226; and publication "Trapping of micrometre and sub-micrometre particles by high frequency electric fields and hydrodynamic forces" by T. Müller et al. in "J. Phys. D: Appl. Phys." Vol. 29, 1996, pp. 340 to 349). This technique also has the disadvantage that the collecting flow only detects viruses in the immediate vicinity of the electrodes 21 'used to form the field cage 50' and therefore has a relatively small catchment area. Furthermore, the method mentioned is limited to low conductivities or low-salt solutions and is therefore not suitable for the examination of cells in physiological solutions.
Strömungen in fluidischen MikroSystemen können auch durch hohe elektrische Feldstärken induziert werden (elektrisches Heizen). Dieses Prinzip, das z. B. bei Wanderwellenpumpen in Mikrochips genutzt wird (siehe Publikation "A travelling-wave micropump for aqueous Solutions: Comparison of 1 g and μg re- sults" von T. Müller et al. in "Electrophoresis", Bd. 14, 1993, S. 764 bis 772), kann jedoch wegen der Wärmeumwandlung insbesondere für biologische Partikel nachteilig sein.Flows in fluidic micro systems can also be induced by high electrical field strengths (electrical heating). This principle, the z. B. is used in traveling wave pumps in microchips (see publication "A traveling-wave micropump for aqueous solutions: Comparison of 1 g and μg results" by T. Müller et al. In "Electrophoresis", Vol. 14, 1993, p . 764 to 772), but can be disadvantageous in particular for biological particles because of the heat conversion.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Sammlung von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln, insbesondere zur Sammlung von suspendierten biologischen Ob- jekten, bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Verfahren überwunden werden und die insbesondere eine Sammlung aus einem vergrößerten Einzugsbereich und ohne Schäden für die gesammelten Partikel ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Vorrichtungen zur Sammlung von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln, insbesondere zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren bereitzustellen.The object of the invention is to provide improved methods for the collection of particles suspended in a liquid, in particular for the collection of suspended biological objects, with which the disadvantages of the conventional methods are overcome and which in particular a collection from an enlarged catchment area and without Allowing damage to the collected particles. Another object of the invention is to provide improved devices for Collection of particles suspended in a liquid, in particular for implementing the method according to the invention.
Diese Aufgabe wird mit Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 25 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with methods and devices with the features of claims 1 and 25. Advantageous embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.
Verfahrensbezogen beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, suspendierte Partikel in mindestens einem Sammlungsbereich in einem Kompartiment mit einer zirkulierenden Strömung zu sammeln, die wenigstens teilweise entlang einer Längsausdehnung mindestens einer Elektrode auf einer Sei- tenflache des Kompartiments verläuft. Der Sammlungsbereich ist das Volumen, in das die Strömung die Partikel führt und in dem sich die Partikel insbesondere durch eine lokale Strömungsverminderung sammeln können. Vorteilhafterweise verläuft die erfindungsgemäß durch eine Wechselwirkung der Flüssigkeit mit hochfrequenten elektrischen Feldern an der Elektrode erzeugte, zirkulierende Strömung in einer Ebene parallel zur jeweiligen Seitenfläche. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Beschränkung der Sammlungseffektivität der herkömmlichen Techniken überwunden und der Einzugsbereich der an der Elektrode zirkulierenden Strömung vergrößert werden können, wenn die Strömung nicht wie bisher um eine Achse parallel zur Ausrichtung der Seitenfläche umläuft, sondern eine lokale Drehachse senkrecht zu dieser Seitenfläche aufweist. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der mindestens einen Strömung auch kleinste Partikel, wie zum Beispiel Viren effektiv gesammelt werden können.In terms of the method, the invention is based on the general technical teaching of collecting suspended particles in at least one collection area in a compartment with a circulating flow which runs at least partially along a longitudinal extent of at least one electrode on one side surface of the compartment. The collection area is the volume into which the flow leads the particles and in which the particles can collect, in particular through a local flow reduction. The circulating flow generated according to the invention by an interaction of the liquid with high-frequency electrical fields at the electrode advantageously runs in a plane parallel to the respective side surface. The inventors have found that the limitation of the collection effectiveness of the conventional techniques can be overcome and the catchment area of the flow circulating at the electrode can be increased if the flow does not revolve around an axis parallel to the orientation of the side face as before, but a local axis of rotation perpendicular to it Has side surface. Another important advantage of the invention is that even the smallest particles, such as viruses, can be effectively collected with the at least one flow.
Der Netto-Flüssigkeitsstrom in den zirkulierenden Strömungen ist null, da im Sammlungsbereich keine Quelle oder Senke existiert und die Flüssigkeit inkompressibel ist. Dennoch wird ein Netto-Teilchenstrom von außen nach innen beobachtet. Dies kann damit erklärt werden, dass durch negative Dielektrophorese die Teilchenkonzentration zwischen den Elektroden (Flüssigkeitsstrom nach außen gerichtet) kleiner ist, als in der Umgebung der Elektroden (Flüssigkeitsstrom nach innen gerichtet) .The net liquid flow in the circulating flows is zero because there is no source or sink in the collection area exists and the fluid is incompressible. Nevertheless, a net particle flow from the outside in is observed. This can be explained by the fact that negative dielectrophoresis means that the particle concentration between the electrodes (liquid flow directed outwards) is lower than in the vicinity of the electrodes (liquid flow directed inwards).
Wenn die Partikel gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Sammlungsbereich ohne eine mechanische Berührung einer Wand oder eines anderen Teils des Kompartiments gesammelt werden, können sich Vorteile für die Manipulation biologischer Partikel, wie zum Beispiel biologischer Zellen ergeben, die auf mechanische Berührungen mit unerwünschten Zu- Standsänderungen reagieren würden. Falls ein mechanischerIf, according to a preferred embodiment of the invention, the particles are collected in the collection area without mechanical contact with a wall or another part of the compartment, there may be advantages for the manipulation of biological particles, such as for example biological cells, which are based on mechanical contact with undesired additives. Status changes would react. If a mechanical
Kontakt jedoch gerade gewünscht ist, können die Partikel gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung im Sammlungsbereich mit einer Berührung einer Seitenfläche des Kompartiments angeordnet werden. Damit kann vorteilhafterweise eine Messung durch eine Kompartimentwand vereinfacht werden. Auch wenn die Sammlung mit einer Berührung der Seitenfläche erfolgt, kann im Unterschied zu den herkömmlichen elektroos- motischen Techniken eine Elektrodenberührung und damit eine unerwünschte Elektrodenreaktion vermieden werden. In diesem Fall kann der Sammlungsbereich durch einen Teil der Seitenfläche gebildet werden, in dem das Wandmaterial des Kompartiments freiliegt und keine Elektroden vorhanden sind.However, if contact is just desired, the particles can be arranged according to an alternative embodiment of the invention in the collection area with a touch of a side surface of the compartment. A measurement by a compartment wall can thus advantageously be simplified. Even if the collection is done with a touch of the side surface, in contrast to conventional electro-optical techniques, electrode contact and thus an undesirable electrode reaction can be avoided. In this case, the collection area can be formed by a part of the side surface in which the wall material of the compartment is exposed and there are no electrodes.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng werden an mindestens einer Elektrode mehrere lokal zirkulierende Strömungen erzeugt, von denen jeweils mindestens ein Zweig der lokalen Zirkulation auf den mindestens einen Sammlungsbereich gerichtet ist. Entlang der Elektrode verlau- fen zum Beispiel zwei Strömungen. Vorteilhafterweise wird dadurch die Effektivität der Sammlung erhöht.According to a particularly preferred embodiment of the invention, a plurality of locally circulating flows are generated on at least one electrode, of which at least one branch of the local circulation is directed towards the at least one collection area. Leave along the electrode for example two currents. This advantageously increases the effectiveness of the collection.
Eine weitere Vergrößerung des Einzugsbereiches der Sammlung kann vorteilhafterweise erzielt werden, wenn gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens an mehreren Elektroden eine Vielzahl von lokal zirkulierenden Strömungen erzeugt werden. Dies ermöglicht insbesondere, dass die Partikel von mehreren Richtungen zu dem mindestens einen Sammlungsbereich geführt werden. Wenn die Strömungen relativ zueinander derart symmetrisch, insbesondere punktsymmetrisch zum Sammlungsbereich ausgebildet werden, dass dieser strömungsberuhigt oder im Wesentlichen strömungsfrei ist, kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die von einer Seite zum Sammlungsbe- reich geförderten Partikel den Sammlungsbereich in einer anderen Richtung, z. B. auf der gegenüberliegenden Seite nicht wieder verlassen.A further enlargement of the collection area of the collection can advantageously be achieved if, according to a variant of the method according to the invention, a plurality of locally circulating flows are generated on several electrodes. In particular, this enables the particles to be guided from several directions to the at least one collection area. If the flows relative to one another are formed such that they are symmetrical, in particular point-symmetrical, to the collection area that the flow is calmed or essentially free of flow, it can advantageously be achieved that the particles conveyed from one side to the collection area move the collection area in a different direction, eg. B. do not leave again on the opposite side.
Da gemäß der Erfindung die Strömung entlang der Längsausdeh- nung der jeweiligen Elektrode erzeugt wird, kann der Einzugsbereich vorteilhafterweise mit langgestreckten, band- oder streifenförmigen Elektroden erweitert werden, die sich vorzugsweise vom Sammlungsbereich radial in verschiedene Richtungen erstrecken.Since, according to the invention, the flow is generated along the longitudinal extent of the respective electrode, the feed area can advantageously be extended with elongated, band-shaped or strip-shaped electrodes, which preferably extend radially from the collection area in different directions.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Partikel aus einem Einzugsbereich des Kompartiment gesammelt, dessen Volumen 102 bis 109 -fach größer als das Volumen des Sammlungsbereiches ist. Dieses Verhältnis zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Partikel nicht nur gesammelt, sondern mit einem hohen Faktor konzentriert oder angereichert werden können. Beispielsweise können der Einzugsbereich eines einzelnen Wirbels ein Volumen von bis zu 10 μl und der Sammlungsbereich ein Volumen von 1 Fern- toliter bis zu 50 Picoliter besitzen, so dass die Erfindung vorteilhafterweise mit fluidischen Mikrosystemen implementierbar ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the particles are collected from a feed area of the compartment, the volume of which is 10 2 to 10 9 times greater than the volume of the collection area. This ratio shows that with the method according to the invention, particles can not only be collected, but concentrated or enriched with a high factor. For example, the catchment area of a single vertebra can have a volume of up to 10 μl and the collection area a volume of 1 distant have toliters up to 50 picoliters, so that the invention can advantageously be implemented with fluidic microsystems.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden hochfrequente elektrischen Felder auch zur direkten Ausübung einer vorbestimmten dielektrophoretischen Vortriebskraft auf die Partikel ausgenutzt. Unter der Wirkung der hochfrequenten elektrischen Felder werden die Partikel durch negative Dielektrophorese zum Sammlungsbereich bewegt. Vorteilhafterweise wird dadurch die indirekte hydrodynamische Kraftwirkung noch verstärkt. Besonders bevorzugt ist, wenn erfindungsgemäß hochfrequente elektrische Felder erzeugt werden, die zur elektrodynamischen Strömungserzeugung und simul- tan zur dielektrophoretischen Manipulation der Partikel verwendet werden.According to a particularly preferred embodiment of the invention, high-frequency electric fields are also used to directly exert a predetermined dielectrophoretic propulsive force on the particles. Under the action of the high-frequency electric fields, the particles are moved to the collection area by negative dielectrophoresis. Advantageously, the indirect hydrodynamic force effect is thereby increased. It is particularly preferred if, according to the invention, high-frequency electric fields are generated which are used for the electrodynamic flow generation and simultaneously for the dielectrophoretic manipulation of the particles.
Die Sammlungseffektivität kann weiter gesteigert werden, wenn mit den hochfrequenten elektrischen Feldern mindestens ein dielektrophoretischer Feldkäfig mit einem Potentialminimum erzeugt wird, das sich im Sammlungsbereich befindet. Die dielektrophoretischen Fangkräfte im Feldkäfig sind abhängig von der Partikelgröße. Vorteilhafterweise können Partikel, die so klein sind, dass die Fangkräfte des Feldkäfigs für ein effek- tives Sammeln zu schwach wären, mit den elektrohydrodynami- schen Strömungen so zu größeren Aggregaten verbunden werden, dass Feldkräfte erreicht werden, die für ein sicheres Fangen im Feldkäfig ausreichend sind. Erfindungsgemäß ist der Feldkäfig in zwei (trichterförmiger Feldkäfig) oder drei (allsei- tiger Feldkäfig) Raumrichtungen geschlossen. Der Feldkäfig kann mit 6, 8 oder mehr Elektroden gebildet werden.The collection effectiveness can be further increased if at least one dielectrophoretic field cage with a potential minimum that is located in the collection area is generated with the high-frequency electric fields. The dielectrophoretic capture forces in the field cage depend on the particle size. Particles which are so small that the catching forces of the field cage would be too weak for effective collection can advantageously be combined with the electrohydrodynamic flows to form larger aggregates in such a way that field forces are achieved which are sufficient for safe catching in the field cage are. According to the invention, the field cage is closed in two (funnel-shaped field cage) or three (all-sided field cage) spatial directions. The field cage can be formed with 6, 8 or more electrodes.
Wenn gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung Elektroden so angeordnet und mit hochfrequenten elektrischen Spannungen beaufschlagt werden, dass mehrere Feldkäfige gebildet werden, kann vorteilhafterweise der Einzugsbereich der erfindungsgemäßen Partikelsammlung noch vergrößert werden. Es sind vorzugsweise ein innerer und ein äußerer Feldkäfig vorgesehen, deren Potentialminima die gleiche Position im Sammlungsbereich aufweisen. Die Feldkäfige sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei der jeweils äußere Feldkäfig Partikel durch negative Dielektrophorese hin zum inneren Feldkäfig bewegt.If, according to an advantageous variant of the invention, electrodes are arranged in this way and with high-frequency electrical If voltages are applied so that several field cages are formed, the catchment area of the particle collection according to the invention can advantageously be increased. An inner and an outer field cage are preferably provided, the potential minima of which have the same position in the collection area. The field cages are arranged concentrically to one another, the outer field cage in each case moving particles toward the inner field cage by negative dielectrophoresis.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass im Sammlungsbereich mindestens eine weitere Kraft auf die Partikel wirkt. Damit kann vorteilhafterweise eine zusätzliche Halterung und/oder Manipulation der Partikel im Sammlungsbereich er- zielt werden. Die Erzeugung einer optisch wirksamen Kraft kann Vorteile bei der Kombination der erfindungsgemäßen Technik mit einer optischen Messung im Sammlungsbereich und für eine selektive Partikelmanipulation besitzen. Die Erzeugung einer dielektrophoretischen Kraft kann Vorteile für ein effektives Zusammenwirken mit einer dielektrophoretischenAccording to the invention it can be provided that at least one further force acts on the particles in the collection area. This advantageously enables additional holding and / or manipulation of the particles in the collection area to be achieved. The generation of an optically effective force can have advantages when the technique according to the invention is combined with an optical measurement in the collection area and for selective particle manipulation. Generating a dielectrophoretic force can have advantages for effective interaction with a dielectrophoretic
Barriere des Feldkäfigs besitzen. Eine zusätzliche magnetische Kraft bietet Vorteile bei der Manipulation magnetischer Partikel. Schließlich kann die mindestens eine weitere Kraft eine durch Ultraschall vermittelte Kraft sein, beispielsweise können Knoten eines Ultraschallfeldes im Sammlungsbereich gebildet werden.Have a barrier in the field cage. An additional magnetic force offers advantages when manipulating magnetic particles. Finally, the at least one further force can be a force transmitted by ultrasound, for example nodes of an ultrasound field can be formed in the collection area.
Zur Ausübung einer weiteren Kraft besteht ferner die Möglichkeit, dass sich im Sammlungsbereich ein Startobjekt befindet, z.B. ein Bead, welches auch funktionalisiert werden kann.To exert another force, there is also the possibility that there is a start object in the collection area, e.g. a bead that can also be functionalized.
Durch dieses Startobjekt werden die Partikel nicht nur durch dielektrische Wechselwirkungen beeinflusst, sondern auch ggf. durch eine spezifische Bindung an das Bead oder eine durch das Startobjekt hervorgerufene hydrodynamische Abschottung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt im Sammlungsbereich mindestens eine Messung an den gesammelten Partikeln. Damit können sich insbesondere Vorteile bei der Manipulation oder Evaluierung gesammelter biologischer Partikel ergeben. Die Messung umfasst vorzugsweise eine zum Beispiel aus der Technik fluidischer Mikrosys- teme an sich bekannte elektrische, elektrochemische und/oder optische Messung.With this starting object, the particles are not only influenced by dielectric interactions, but also, if necessary, by a specific bond to the bead or a hydrodynamic partition caused by the starting object. According to a further preferred embodiment of the invention, at least one measurement of the collected particles takes place in the collection area. This can result in particular advantages in the manipulation or evaluation of collected biological particles. The measurement preferably comprises an electrical, electrochemical and / or optical measurement known per se, for example from the field of fluidic microsystems.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist die Messung auf die Detektion eines Rezeptor-Ligand-Bindungs- Ereignisses gerichtet. Für diese Messung kann erfindungsgemäß die Seitenfläche des Kompartiments im Bereich des mindestens einen Sammlungsbereiches mit Detektionsspots in Form von Rezeptormolekülen (z.B. Proteinen, Antikörpern, DNA, Viren (für Transfektionsexperimente) , usw.) funktionalisiert sein, wie es an sich von konventionellen Mikroarrays oder Biochips bekannt ist, so dass eine spezifische Rezeptor - Ligand - Interaktion mit im Sammlungsbereich akkumulierten Partikeln oder Molekülen stattfindet. Die Interaktion kann dann in bekannter Weise z.B. über elektrische, elektrochemische oder optische Ausleseverfahren nachgewiesen werden kann.According to a preferred application of the invention, the measurement is aimed at the detection of a receptor-ligand binding event. For this measurement, according to the invention, the side surface of the compartment in the area of the at least one collection area can be functionalized with detection spots in the form of receptor molecules (e.g. proteins, antibodies, DNA, viruses (for transfection experiments), etc.), as is the case with conventional microarrays or biochips is known so that a specific receptor-ligand interaction takes place with particles or molecules accumulated in the collection area. The interaction can then be carried out in a known manner e.g. can be demonstrated using electrical, electrochemical or optical readout methods.
Vorteilhafterweise können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Konzentration von Analytpartikeln oder -molekülen in der Nähe der Detektionsspots erhöht (Sensitivitätssteigerung) und der Detektionsprozeß im Vergleich zu rein diffusivem Antransport von Analytpartikeln oder -molekülen an die Detek- tionsspots beschleunigen werden.The method according to the invention can advantageously increase the concentration of analyte particles or molecules in the vicinity of the detection spots (increase in sensitivity) and accelerate the detection process compared to the purely diffusive transport of analyte particles or molecules to the detection spots.
Das funktionalisierte Rezeptorarray kann z. B. auf einer flächigen Elektrode aufgebracht sein und zusammen mit einem die Sammelelektroden enthaltenden zweiten Substrat eine Mikrokam- mer bilden. Nach Anreicherung der Analytpartikel oder -moleküle durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Bindung derselben an die immobilisierten Rezeptoren auf dem Ar- ray kann die Sammelstruktur dann wieder entfernt werden. Sie kann entsprechend auch mehrfach verwendet werden.The functionalized receptor array can e.g. B. be applied to a flat electrode and together with a die The second substrate containing collecting electrodes form a microchamber. After the analyte particles or molecules have been enriched by the method according to the invention and have bound them to the immobilized receptors on the array, the collection structure can then be removed again. Accordingly, it can also be used several times.
Wenn gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung die Partikel in mehreren Sammlungsbereichen im Kompartiment ge- sammelt werden, können sich Vorteile für eine parallele Anreicherung der Partikel aus mehreren Einzugsgebieten im Kompartiment und eine parallele Manipulation oder Evaluierung der gesammelten Partikel ergeben.If, according to a further modification of the invention, the particles are collected in several compartments in the compartment, there may be advantages for a parallel enrichment of the particles from several catchment areas in the compartment and a parallel manipulation or evaluation of the collected particles.
Für die Anwendung in fluidischen Mikrosystemen ist es von besonderem Vorteil der Erfindung, dass die Sammlung nicht nur aus einem Einzugsbereich mit einer ruhenden Suspensionsflüssigkeit, sondern sogar dynamisch aus einer bewegten Suspensionsflüssigkeit heraus erfolgen kann. Das Kompartiment kann zum Beispiel von einer laminaren Strömung durchsetzt werden, die an den Elektroden erfindungsgemäß mit der lokal zirkulierenden Strömung überlagert wird.For use in fluidic microsystems, it is of particular advantage of the invention that the collection can take place not only from a catchment area with a stationary suspension liquid, but even dynamically from a moving suspension liquid. The compartment can be penetrated, for example, by a laminar flow which, according to the invention, is superimposed on the locally circulating flow.
Des Weiteren kann im Kompartiment eine gegenseitige Überlage- rung von mehreren lokal zirkulierenden Strömungen vorgesehen sein. Eine erste zirkulierende Strömung kann die Partikel gerade in einen Sammlungsbereich führen, der Teil einer weiteren, nachgeordneten zirkulierenden Strömung ist. Dies ermöglicht eine Anordnung einer Vielzahl von Zirkulationen nach Art einer Kaskade, bei der aus einem ausgedehnten Einzugsbereich Partikel in einen einzigen Sammlungsbereich geführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Sammlung von Partikeln mit einem Durchmesser unterhalb von 1 μm. Für biologische Anwendungen können somit vorteilhafterweise insbesondere Zellen, Viren, Bakterien, Proteine, Zell- bestandteile und/oder biologische Makromoleküle, z. B. DNS gesammelt werden.Furthermore, a mutual superimposition of several locally circulating flows can be provided in the compartment. A first circulating flow can lead the particles straight into a collection area which is part of a further, downstream circulating flow. This makes it possible to arrange a large number of circulations in the manner of a cascade, in which particles are led from an extended feed area into a single collection area. The method according to the invention is particularly well suited for collecting particles with a diameter of less than 1 μm. For biological applications, cells, viruses, bacteria, proteins, cell components and / or biological macromolecules, eg. B. DNS can be collected.
Gemäß weiteren Varianten der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die an den Elektroden lokal zirkulierenden Strömungen durch einen lokalen Temperaturgradienten in der Flüssigkeit verstärkt werden. Der Temperaturgradient kann durch eine lokale Aufheizung der Flüssigkeit gebildet werden, die vorzugsweise durch eine Bestrahlung der Flüssigkeit und/oder von Seitenflächen des Kompartiments mit Licht und dessen entspre- chende Absorption und/oder durch in die Wände eingebettete ("vergrabene") Thermoelemente erfolgt. Der Temperaturgradient kann alternativ oder zusätzlich durch eine lokale, gezielte Abkühlung der Flüssigkeit gebildet werden.According to further variants of the invention, it can be provided that the flows circulating locally on the electrodes are amplified by a local temperature gradient in the liquid. The temperature gradient can be formed by locally heating the liquid, which is preferably carried out by irradiating the liquid and / or side surfaces of the compartment with light and its corresponding absorption and / or by embedded (“buried”) thermocouples in the walls. Alternatively or additionally, the temperature gradient can be formed by local, targeted cooling of the liquid.
Die lokale Aufheizung der Flüssigkeit kann vorteilhafterweise zusätzlich zu Anregung von chemischen Reaktionen verwendet werden. Durch die lokal hohen Temperaturen im Sammlungsbereich können hier gezielt z. B. thermisch aktivierte Reaktionen ablaufen, z.B. ein Aggregation oder eine Fällung.The local heating of the liquid can advantageously also be used to stimulate chemical reactions. Due to the locally high temperatures in the collection area, z. B. thermally activated reactions occur, e.g. an aggregation or a precipitation.
Vorrichtungsbezogen wird die oben genannte Aufgabe der Erfindung durch eine Sammlungsvorrichtung zur Sammlung von suspendierten Partikeln gelöst, die in einem Kompartiment zur Aufnahme einer Flüssigkeit an einer Seitenfläche mindestens eine Elektrode zur Erzeugung von einer oder mehreren lokal zirkulierenden Strömungen in der Flüssigkeit aufweist, mit der suspendierte Partikel zu mindestens einem vorbestimmten Sammlungsbereich im Kompartiment geführt werden können, wobei die Sammlungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Strömung so zu erzeugen, dass sich ein Teil der Strömung entlang der Längsausdehnung der Elektrode erstreckt und dieIn terms of the device, the above-mentioned object of the invention is achieved by a collection device for collecting suspended particles, which in a compartment for receiving a liquid on one side surface has at least one electrode for generating one or more locally circulating flows in the liquid, with the suspended particles can be led to at least one predetermined collection area in the compartment, the collection device being set up to at least generate a flow so that part of the flow extends along the longitudinal extent of the electrode and the
Strömung um eine Achse umläuft, die senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche mit der Elektrode ausgerichtet ist.Flow revolves around an axis that is aligned perpendicular to the adjacent side surface with the electrode.
Gemäß vorteilhaften Varianten der Erfindung kann der Sammlungsbereich mit einem Abstand von den Seitenflächen des Kom- partiments oder so angeordnet sein, dass der Sammlungsbereich in Kontakt mit einer der Seitenflächen steht.According to advantageous variants of the invention, the collection area can be arranged at a distance from the side faces of the compartment or in such a way that the collection area is in contact with one of the side faces.
Vorzugsweise ist die Elektrode, an der die mindestens eine zirkulierende Strömung erzeugt werden kann, mit einer Spannungsquelle zur Bereitstellung von vorbestimmten hochfrequenten elektrischen Spannungen verbunden. Die mindestens eine Elektrode, die zur Erzeugung der zirkulierenden Strömung verwendet wird, wird auch als Sammelelektrode bezeichnet. Die Sammlungsvorrichtung umfasst bei der Erzeugung einer Vielzahl zirkulierender Strömungen, die auf einen oder mehrere Sammlungsbereiche gerichtet sind, entsprechend eine Vielzahl von Sammelelektroden, die ein Sammelelektroden-Array bilden.The electrode, on which the at least one circulating flow can be generated, is preferably connected to a voltage source for providing predetermined high-frequency electrical voltages. The at least one electrode that is used to generate the circulating flow is also referred to as a collecting electrode. When generating a plurality of circulating flows which are directed to one or more collection areas, the collection device accordingly comprises a plurality of collection electrodes which form a collection electrode array.
Wenn die Sammlungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dazu eingerichtet ist, auf die zu sammelnden Partikel nicht nur elektrohydrodynamische, sondern auch dielektrophoretische Kräfte auszuüben, kann durch die zusätzliche Kraftwirkung die Sammlungseffektivität verbessert werden. Die dielektrophoretische Kraftwirkung wird durch die Wechselwirkung der Partikel mit hochfrequenten elektrischen Feldern ausgeübt, die im Kompartiment mit mindestens einer Elektrode erzeugt werden, die im Folgenden als Käfigelektrode bezeichnet wird. Wenn die oben genannten ein- oder allseitig geschlossenen Feldkäfige erzeugt werden sollen, ist das Kompartiment mit einem Käfigelektroden-Array ausgestattet. Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung sind die Sammel- und Käfigelektroden identisch. Die Sammelelektroden- und Käfigelektroden-Arrays werden durch eine gemeinsame Elektrodenanordnung gebildet. In diesem Fall wird der Aufbau der Sammlungsvorrichtung und die Ansteuerung der Elektroden vereinfacht .If, according to a preferred embodiment of the invention, the collection device is set up to exert not only electrohydrodynamic but also dielectrophoretic forces on the particles to be collected, the collection effect can be improved by the additional force effect. The dielectrophoretic force effect is exerted by the interaction of the particles with high-frequency electric fields, which are generated in the compartment with at least one electrode, which is referred to below as the cage electrode. If the above-mentioned field cages, which are closed on one or all sides, are to be produced, the compartment is equipped with a cage electrode array. According to a particularly preferred variant of the invention, the collecting and cage electrodes are identical. The collecting electrode and cage electrode arrays are formed by a common electrode arrangement. In this case, the structure of the collection device and the control of the electrodes are simplified.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung besteht in deren Miniaturisierbarkeit . Das Komparti- ment der Sammlungsvorrichtung ist vorzugsweise Teil eines fluidischen Mikrosystems. Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Sammlungsfunktion mit Sammlungs-, Sortier-, Eva- luierungs- oder Messfunktionen des Mikrosystems kombiniert werden. Die Sammlungsvorrichtung ist bspw. im Kanal eines fluidischen Mikrosystems angeordnet, der das genannte Kompartiment mit dem Strömungsgenerator bildet. Überraschenderweise kann mit der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung auch im durchströmten Kanal eine Sammlung von Partikeln erfolgen.A particular advantage of the collection device according to the invention is that it can be miniaturized. The compartment of the collection device is preferably part of a fluidic microsystem. The collection function according to the invention can advantageously be combined with collection, sorting, evaluation or measurement functions of the microsystem. The collection device is arranged, for example, in the channel of a fluidic microsystem, which forms the named compartment with the flow generator. Surprisingly, the collection device according to the invention can also be used to collect particles in the flow-through channel.
Zur Erhöhung der Sammlungsaktivität kann gemäß einer Abwandlung der Erfindung vorgesehen sein, dass mehrere Sammlungsbereiche entlang einer Längsrichtung des Kanals reihenförmig angeordnet sind.To increase the collection activity, it can be provided according to a modification of the invention that a plurality of collection areas are arranged in rows along a longitudinal direction of the channel.
Besondere Vorteile für einen erweiterten Anwendungsbereich der Sammlungsvorrichtung ergeben sich, wenn diese mit einer Magnetfeldeinrichtung zur Ausübung einer magnetischen Haltekraft im genannten Sammlungsbereich und/oder einer Messeinrichtung zur Erfassung von elektrischen, elektrochemischen oder optischen Eigenschaften von Partikeln im Sammlungsbereich ausgestattet ist. Gemäß weiteren Varianten der Erfindung kann der Strömungsgenerator zusätzlich eine Heizeinrichtung und/oder eine Lichtquelle umfassen.There are particular advantages for an expanded area of application of the collection device if it is equipped with a magnetic field device for exerting a magnetic holding force in the collection area mentioned and / or a measuring device for detecting electrical, electrochemical or optical properties of particles in the collection area. According to further variants of the invention, the flow generator can additionally comprise a heating device and / or a light source.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and the accompanying drawings. Show it:
Figur 1: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungs- form einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung,FIG. 1: a schematic sectional view of an embodiment of a collection device according to the invention,
Figuren 2, 3: verschiedene Phasen der Sammlung von Partikeln mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,Figures 2, 3: different phases of the collection of particles with the inventive method,
Figuren 4A, 4B: Illustrationen von Feld- und Temperaturbedingungen in einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung und von experimentellen Ergebnissen, die mit einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung erzielt wurden,FIGS. 4A, 4B: illustrations of field and temperature conditions in a collection device according to the invention and of experimental results which were achieved with a collection device according to the invention,
Figur 5: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung mit einer Reihe von Sammlungsbereichen,FIG. 5: an embodiment of a collection device according to the invention with a number of collection areas,
Figur 6: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung mit einer Kaskade von Sammlungsberei- chen,FIG. 6: a further embodiment of a collection device according to the invention with a cascade of collection areas,
Figur 7: eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sammlungsvόrrichtung mit einer Kaskade von Sammlungsbereichen,FIG. 7: a further embodiment of a collection device according to the invention with a cascade of collection areas,
Figur 8: eine Illustration der Strömungsbedingungen in einer Sammlungsvorrichtung gemäß Figur 7, und Figuren 9, 10: Illustrationen herkömmlicher Sammlungstechniken (Stand der Technik) .FIG. 8: an illustration of the flow conditions in a collection device according to FIG. 7, and Figures 9, 10: illustrations of conventional collection techniques (prior art).
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die Anwendung der Erfindung in fluidischen Mikrosystemen zur dielektrophoretischen Partikelmanipulation beschrieben. Derartige fluidische Mikrosysteme, ihre Komponenten und ihre Betriebsverfahren sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht beschrieben. Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf eine Gestaltung erörtert, bei der Elektroden sowohl zum Sammeln als auch zur Ausübung einer dielektrophoretischen Vortriebskraft verwendet werden, bei der also die Sammel- und Käfigelektroden identisch sind. Es wird betont, dass die Umsetzung der Erfin- düng nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist. Vielmehr können erfindungsgemäß Sammelelektroden ausschließlich zur Erzeugung einer elektrohydrodynamischen Strömung vorgesehen sein und nicht Teil eines dielektrischen Feldkäfigs bilden, wie dies bspw. in den Figuren 6 oder 7 illustriert ist (siehe unten) . Des Weiteren wird betont, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf die fluidischen Mikrosysteme zur dielektrophoretischen Partikelmanipulation beschränkt ist, sondern auch in anderen Fällen, bei denen insbesondere für biochemische Aufgaben suspendierte Partikel in flüssigkeitsge- füllten Kompartimenten, z. B. Laborgefäßen, gesammelt werden sollen, angewendet werden.The exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the application of the invention in fluidic microsystems for dielectrophoretic particle manipulation. Such fluidic microsystems, their components and their operating methods are known per se and are therefore not described below. The invention is discussed below by way of example with reference to a design in which electrodes are used both for collecting and for exerting a dielectrophoretic driving force, in which case the collecting and cage electrodes are identical. It is emphasized that the implementation of the invention is not limited to this embodiment. Rather, according to the invention, collecting electrodes can be provided exclusively for generating an electrohydrodynamic flow and cannot form part of a dielectric field cage, as is illustrated, for example, in FIGS. 6 or 7 (see below). Furthermore, it is emphasized that the application of the invention is not limited to the fluidic microsystems for dielectrophoretic particle manipulation, but also in other cases in which, in particular, particles suspended in biochemical tasks in liquid-filled compartments, e.g. B. laboratory vessels to be collected, applied.
Figur 1 illustriert in vergrößerter schematischer Schnittansicht einen Teil eines Kanals oder eines anderen Abschnitts eines fluidischen Mikrosystems, durch den das Kompartiment 10 der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung gebildet wird. An den Kanalwänden, die Seitenflächen 11 des Kompartiments 10 darstellen, befindet sich eine Elektrodenanordnung 20 mit acht Elektroden 21 angeordnet. Es sind auf der unteren Sei- tenfläche (Bodenfläche) und auf der oberen Seitenfläche (Deckfläche) jeweils vier Elektroden 21 angeordnet (siehe auch Figuren 2, 3) . Die Elektrodenanordnung 20 ist so gebildet, wie es an sich von Elektrodenanordnungen zur Erzeugung dielektrophoretischer Feldkäfige bekannt ist.FIG. 1 illustrates in an enlarged schematic sectional view a part of a channel or another section of a fluidic microsystem by which the compartment 10 of the collection device according to the invention is formed. An electrode arrangement 20 with eight electrodes 21 is arranged on the channel walls, which represent side surfaces 11 of the compartment 10. It's on the lower side ten surface (bottom surface) and on the upper side surface (top surface) four electrodes 21 each (see also Figures 2, 3). The electrode arrangement 20 is formed as is known per se from electrode arrangements for producing dielectrophoretic field cages.
Jede Elektrode zur elektrohydrodynamischen Strömungserzeugung besitzt die Form eines Streifens oder Bandes mit einer Länge (siehe auch Figuren 2, 3), die wesentlich größer als die Elektrodenbreite ist. Das Aspektverhältnis Elektrodenbreite : Elektrodenlänge ist vorzugsweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 100 gewählt. Die Maße der Elektrode 21 betragen bspw.Each electrode for electrohydrodynamic flow generation has the shape of a strip or tape with a length (see also FIGS. 2, 3) that is substantially larger than the electrode width. The aspect ratio electrode width: electrode length is preferably selected in the range from 1:10 to 1: 100. The dimensions of the electrode 21 are, for example.
10 μm ' 500 μm. Durch die langgestreckte Elektrodenform wird eine Längsausrichtung der Elektrode 21 definiert. Jede Elekt- rode 21 ist so angeordnet, dass die Längsausrichtung zu einem Sammlungsbereich 40 in der Mitte zwischen den Seitenflächen10 μm '500 μm. A longitudinal orientation of the electrode 21 is defined by the elongated electrode shape. Each electrode 21 is arranged so that the longitudinal alignment to a collection area 40 is in the middle between the side surfaces
11 oder die senkrechte Projektion vom Sammlungsbereich auf die jeweilige Seitenfläche 11 weist. Die Elektroden 21 sind in an sich bekannter Weise elektrisch mit einer Spannungs- quelle zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Spannungen, vorzugsweise mit vorgebbaren Amplituden, Frequenzen und Phasenverhältnissen verbunden. Bei Beaufschlagung der Elektroden 21 mit den hochfrequenten elektrischen Spannungen bilden sich parallel zu den Seitenflächen 11 Strömungen 30, mit denen Partikel 1 zum Sammlungsbereich 40 bewegt werden.11 or the vertical projection from the collection area onto the respective side surface 11. The electrodes 21 are electrically connected in a manner known per se to a voltage source for generating high-frequency electrical voltages, preferably to predeterminable amplitudes, frequencies and phase relationships. When the electrodes 21 are acted upon by the high-frequency electrical voltages, currents 30 are formed parallel to the side surfaces 11, with which particles 1 are moved to the collection area 40.
Das Bezugszeichen 50 bezieht sich auf eine Messeinrichtung, zum Beispiel ein Mikroskop mit einer CCD-Kamera, mit der zum Beispiel fluoreszenzmarkierte Partikel im Sammlungsbereich optisch gemessen und ausgewertet werden können. Hierzu ist in der Seitenfläche 21 des Kanals wenigstens ein optisch transparentes Fenster vorgesehen (siehe Figur 5) . Als Messeinrichtung kann alternativ oder zusätzlich mindestens eine weitere Elektrode für Impedanzmessungen im Sammlungsbereich 40 vorgesehen sein.Reference numeral 50 relates to a measuring device, for example a microscope with a CCD camera, with which, for example, fluorescence-marked particles in the collection area can be optically measured and evaluated. For this purpose, at least one optically transparent window is provided in the side surface 21 of the channel (see FIG. 5). Alternatively or additionally, at least one further can be used as the measuring device Electrode for impedance measurements can be provided in the collection area 40.
In Figur 2 ist der Zustand der Sammlungsvorrichtung unmittel- bar vor Beginn einer elektrohydrodynamischen Sammlung illustriert. Im.Kompartiment 10 sind Partikel 1 zufällig verteilt, solange die Elektroden 21 spannungsfrei sind oder mit einer relativ geringen Spannung (< 1 V) beaufschlagt werden. Wenn die Elektroden mit hochfrequenten Spannungen ausreichend ho- her Amplitude beaufschlagt werden, bilden sich die Strömungen30 (zu Illustrationszwecken auch in Figur 2 gezeigt). An jeder Elektrode werden eine oder zwei lokal zirkulierende Strömungen 32, 33 erzeugt. Ein erster Strömungszweig jeder Strömung verläuft entlang der Längsausrichtung der Elektrode 21 und parallel zur Seitenfläche 11 durch das Kompartiment 10 im Wesentlichen in Richtung des Sammlungsbereichs 40, wie dies in den Figuren 2 und 3 illustriert ist. Ein weiterer Zweig der zirkulierenden Strömung 30 führt über der Elektrode 21 zurück in entgegengesetzter Richtung. Der Umlauf erfolgt um eine Achse 31, die senkrecht auf der Ebene steht, in der die Elektroden angeordnet sind. Mit den Strömungen 30 werden die Partikel 1 aus dem Außenraum außerhalb der Elektrodenanordnung 20 in den inneren Sammlungsbereich 40 geführt, wo sie ein Aggregat bilden (Figur 3) .FIG. 2 illustrates the state of the collection device immediately before the start of an electrohydrodynamic collection. In the compartment 10, particles 1 are randomly distributed as long as the electrodes 21 are voltage-free or a relatively low voltage (<1 V) is applied. When the electrodes are subjected to high-frequency voltages of sufficiently high amplitude, the currents 30 form (also shown in FIG. 2 for illustration purposes). One or two locally circulating flows 32, 33 are generated at each electrode. A first flow branch of each flow runs along the longitudinal orientation of the electrode 21 and parallel to the side surface 11 through the compartment 10 essentially in the direction of the collection area 40, as is illustrated in FIGS. 2 and 3. Another branch of the circulating flow 30 leads back over the electrode 21 in the opposite direction. The rotation takes place about an axis 31 which is perpendicular to the plane in which the electrodes are arranged. With the flows 30, the particles 1 are guided from the outside outside the electrode arrangement 20 into the inner collection area 40, where they form an aggregate (FIG. 3).
Die Ursache der elektrohydrodynamischen Strömung 30 ist in Figur 4A illustriert. Im linken Teil von Figur 4A sind die Temperaturen in der x-z-Ebene (gemäß Figur 1) und in der x-y- Ebene (gemäß Figur 2) gezeigt. Ohne eine externe Strömung er- gibt sich ein Temperaturprofil derart, dass der Sammlungsbereich 40 zwischen den Elektroden 21 wärmer als die Umgebungslösung ist. Da die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante temperaturabhängig sind, wird das Medium im Sammlungsbereich dielektrisch inhomogen. Dadurch übt das elektrische Feld auf die Flüssigkeit Polarisierungskräfte aus, die zu der Ausbildung der gewünschten Strömungswirbel führen. Da die Strömungswirbel an allen Elektroden gebildet werden, erfolgt ein symmetrischer Zustrom hin zur Kä- figmitte in den Sammlungsbereich 40.The cause of the electrohydrodynamic flow 30 is illustrated in FIG. 4A. The left part of FIG. 4A shows the temperatures in the xz plane (according to FIG. 1) and in the xy plane (according to FIG. 2). Without an external flow, there is a temperature profile such that the collection area 40 between the electrodes 21 is warmer than the ambient solution. Since the electrical conductivity and the dielectric constant are temperature-dependent, the medium in the collection area becomes dielectrically inhomogeneous. Thereby The electric field exerts polarizing forces on the liquid, which lead to the formation of the desired flow vortices. Since the flow vortices are formed on all electrodes, there is a symmetrical inflow towards the center of the cage into the collection area 40.
In Figur 4A (linker Teil) sind die Temperaturverhältnisse bei einer zunächst im Kompartiment ruhenden Flüssigkeit gezeigt. Überraschenderweise erfolgt die Bildung der zum Sammlungsbe- reich hinweisenden zirkulierenden Strömungen auch, falls die Flüssigkeit im Kompartiment strömt. Die Flüssigkeit bildet einen Trägerstrom mit einer Geschwindigkeit, die geringer als die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in den zirkulierenden Strömungen ist.FIG. 4A (left part) shows the temperature conditions in the case of a liquid which is initially at rest in the compartment. Surprisingly, the circulating flows pointing to the collection area also occur if the liquid flows in the compartment. The liquid forms a carrier flow at a speed which is less than the liquid speed in the circulating flows.
Unter der Wirkung der hochfrequenten Felder im Kompartiment 10 werden auf die Partikel auch dielektrophoretischen Kräfte ausgeübt. Im rechten Teil von Figur 4A sind entsprechend die elektrischen Feldbedingungen illustriert. Es ist das Quadrat der elektrischen Feldstärke (E2) jeweils in der x-z-EbeneUnder the action of the high-frequency fields in the compartment 10, dielectrophoretic forces are also exerted on the particles. The electrical field conditions are correspondingly illustrated in the right part of FIG. 4A. It is the square of the electric field strength (E 2 ) in the xz plane
(gemäß Figur 1) und in der x-y-Ebene (gemäß Figur 2) gezeigt. Partikel, die in das Innere des Feldkäfigs transportiert werden sollen, müssen in x- oder y-Richtung eine relativ hohe dielektrische Barriere überwinden. Nach Durchlaufen der Bar- riere unter der Wirkung von Strömungskräften erfahren die Partikel eine in die Mitte des Feldkäfigs wirkende dielektrophoretische Kraft, so dass in der Käfigmitte die Sammlung zu Aggregaten verstärkt wird, die einer dimensionsabhängig größeren Volumenkraft unterliegen.(according to FIG. 1) and in the x-y plane (according to FIG. 2). Particles that are to be transported into the interior of the field cage must overcome a relatively high dielectric barrier in the x or y direction. After passing through the barrier under the action of flow forces, the particles experience a dielectrophoretic force acting in the center of the field cage, so that in the center of the cage the collection of aggregates is increased, which are subject to a dimensionally larger volume force.
Die Auswahl der zur Erzeugung der elektrohydrodynamischen Strömung erforderlichen Spannungsamplitude erfolgt in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der Suspensionsflüssigkeit und den geometrischen Eigenschaften der Elektro- denanordnung. Es kann auch eine empirische Auswahl durch Experimente vorgesehen sein. Vorzugsweise werden die hochfrequenten elektrischen Felder so gewählt, dass auf die Partikel ausschließlich negative Dielektrophorese wirkt. Die in den Figuren 2 und 3 gezeigte Sammlung kann zur Sammlung von 1 μm- Partikeln bspw. mit den folgenden Betriebsparametern realisiert werden. Die Partikel sind in KC1 (Konzentration: 12.5 mM) suspendiert. Die Elektroden 21 werden mit einer hochfrequenten elektrischen Spannung (Frequenz: 8 MHz, Amplitude: 3.5 V) beaufschlagt. Der Abstand der in einer Ebene einander gegenüberliegenden Elektroden (Spitze-Spitze) beträgt 40 μm.The voltage amplitude required to generate the electrohydrodynamic flow is selected as a function of the dielectric properties of the suspension liquid and the geometric properties of the electrical dena order. An empirical selection by experiments can also be provided. The high-frequency electric fields are preferably selected so that only negative dielectrophoresis acts on the particles. The collection shown in FIGS. 2 and 3 can be implemented to collect 1 μm particles, for example with the following operating parameters. The particles are suspended in KC1 (concentration: 12.5 mM). A high-frequency electrical voltage (frequency: 8 MHz, amplitude: 3.5 V) is applied to the electrodes 21. The distance between the electrodes lying opposite one another in one plane (tip-tip) is 40 μm.
Unter den folgenden Betriebsbedingungen konnte eine Anreicherung von Hepatitis-A-Viren (Durchmesser rd. 30 nm) innerhalb von 10 Minuten erreicht werden. Hochfrequente Wechselspannungen mit Frequenz: 7.4 MHz, Amplitude: 4 Vrms) , Elektrodenabstand: 5 μm. Die Startkonzentration der Viren im Kompartiment betrug rd. 109 bis 1010/ml. Die Anreicherung der fluoreszenzmarkierten Hepatitis-A-Viren ist für verschiedene Beobach- tungszeiten in Figur 4B gezeigt. Nach 2 Minuten wurde aus den Viren ein zuerst kleines Aggregat geformt, das zu einem Durchmesser von rd. 4 μm (9 min.) anwuchs. Bei einem Einzugsbereich von rd. 100 μm * 100 μm * 10 μm (Kanalhöhe) ent- spricht dies einer Konzentrierung von rd. 103.Under the following operating conditions, it was possible to accumulate hepatitis A viruses (diameter around 30 nm) within 10 minutes. High-frequency AC voltages with frequency: 7.4 MHz, amplitude: 4 V rms ), electrode spacing: 5 μm. The starting concentration of the viruses in the compartment was approx. 10 9 to 10 10 / ml. The accumulation of the fluorescence-labeled hepatitis A viruses is shown in FIG. 4B for different observation times. After 2 minutes, an initially small aggregate was formed from the viruses, which had a diameter of approx. 4 μm (9 min.) Grew. With a catchment area of approx. 100 μm * 100 μm * 10 μm (channel height) corresponds to a concentration of approx. 10 3 .
Figur 5 illustriert schematisch die Bildung einer Reihe von Sammlungsbereichen 41, 42, 43, ... im Kanal eines fluidischen Mikrosystems, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich die Elektroden 21 der Elektrodenanordnungen auf einer der Seitenflächen des Kanals und die zugehörigen Verbindungsleitungen gezeigt sind, über die die Elektroden 21 mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Im linken Teil ist die ge- genphasige Ansteuerung jeweils benachbarter Elektroden in einem einzelnen Feldkäfig 20 symbolisch illustriert, mit der die gewünschten Strömungswirbel an jedem Sammlungsbereich 41, 42, 43, ... erzeugt werden können.FIG. 5 schematically illustrates the formation of a series of collection areas 41, 42, 43, ... in the channel of a fluidic microsystem, only the electrodes 21 of the electrode arrangements on one of the side surfaces of the channel and the associated connecting lines via which the electrodes are shown being shown for reasons of clarity Electrodes 21 are connected to a voltage source. In the left part, the counter-phase control of adjacent electrodes in a single field cage 20 is symbolically illustrated, with which the desired flow vortices can be generated at each collection area 41, 42, 43, ...
Außerhalb des fluidischen Mikrosystems befindet sich eine Messeinrichtung (nicht dargestellt) , mit der die Partikel in den Sammlungsbereichen 41, 42, 43, ... durch ein Fenster 51 entlang einer Abtastzeile 52 gemessen werden. Zur Detektion von Rezeptor-Ligand-Bindungsereignissen in den gesammelten Partikeln erfolgt beispielsweise eine Fluoreszenz- Korrelations-Messung (FCS) .Outside the fluidic microsystem there is a measuring device (not shown) with which the particles in the collection areas 41, 42, 43, ... are measured through a window 51 along a scanning line 52. For example, a fluorescence correlation measurement (FCS) is carried out to detect receptor-ligand binding events in the collected particles.
Eine kaskadenförmige Kombination einer Vielzahl von zirkulierenden Strömungen ist schematisch in Figur 6 illustriert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird mit der Elektroden- anordnung 20 über eine relativ große Fläche ein zu dem Sammlungsbereich 40 gerichteter Fluss erzeugt. Es sind bspw. mehrere radial zu dem Sammlungsbereich 40 weisende Sammelelektroden 21, 22 vorgesehen. Die innersten Elektroden 23 bilden gleichzeitig Sammel- und Käfigelektroden, die entsprechend Figur 2 einen Feldkäfig bilden. Im Außenbereich befindlicheA cascade-like combination of a plurality of circulating flows is illustrated schematically in FIG. 6. In this embodiment of the invention, the electrode arrangement 20 generates a flow directed toward the collection region 40 over a relatively large area. For example, a plurality of collecting electrodes 21, 22 pointing radially to the collecting area 40 are provided. The innermost electrodes 23 simultaneously form collecting and cage electrodes, which form a field cage according to FIG. Outdoor
Partikel werden bspw. mit dem Wirbel 34 an der ersten Sammelelektrode 21 in den Wirbel 35 der zweiten Sammelelektrode 22 befördert, von dem der weitere Transport zum Wirbel 36 der Sammel- und Käfigelektrode 23 erfolgt. Mit diesem werden die Partikel in den zentralen Sammlungsbereich 40 befördert.Particles are transported, for example, with the vortex 34 on the first collecting electrode 21 into the vortex 35 of the second collecting electrode 22, from which the further transport to the vortex 36 of the collecting and cage electrode 23 takes place. With this, the particles are transported into the central collection area 40.
Figur 6 illustriert, dass jeweils an einer streifenförmigen Elektrode zwei Wirbel gebildet werden, wobei die Achse 31 (versetzt eingezeichnet) des Strömungsumlaufes senkrecht zur angrenzenden Seitenfläche mit den Elektroden ausgerichtet ist. Abweichend von der illustrierten geraden Streifenform können die Elektroden bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform der Erfindung oder auch bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eine konische Form besitzen, bei der sich die Breite des Elektrodenstreifens mit zunehmendem radialen Abstand vom Sammlungsbereich nach außen verbreitert. Durch diese Gestaltung kann der Einzugsbereich der sammelnden Strömungen noch erweitert werden. Es ist alternativ möglich, dass die Elektroden eine gerade Streifenform aufweisen und die Elektroden mit radialem Abstand vom Sammlungsbereich nach außen größer werden. Beispielsweise sind innen schmale, kleine Elektroden und außen breite, große Elektroden vorgesehen, wobei nach außen z. B. das Aspektverhältnis der Elektroden zunimmt.FIG. 6 illustrates that two vortices are formed in each case on a strip-shaped electrode, the axis 31 (shown offset) of the flow circulation being aligned with the electrodes perpendicular to the adjacent side surface. Deviating from the illustrated straight strip shape, the electrodes in the embodiment of the invention shown in FIG. 6 or also in the exemplary embodiments described above can have a conical shape in which the width of the electrode strip widens outwards with increasing radial distance from the collection area. With this design, the catchment area of the collecting currents can be expanded. Alternatively, it is possible for the electrodes to have a straight strip shape and for the electrodes to become larger with a radial distance from the collection area to the outside. For example, narrow, small electrodes and wide, large electrodes are provided on the inside. B. the aspect ratio of the electrodes increases.
Figur 7 illustriert eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sammlungsvorrichtung mit einer Elektrodenanordnung 20, die einen äußeren Käfig 20.1 aufweist, in dessen Fangbereich ein innerer Käfig 20.2 gebildet ist. Jeder der inneren und äußeren Feldkäfige 20.1 und 20.2 ist ein geschlossener 8- Elektroden-Feldkäfig. Die zugehörigen Elektrodenanordnungen sind relativ zueinander um 45° versetzt angeordnet, wodurch die Zusammenwirkung beider Feldkäfige verbessert wird.FIG. 7 illustrates an embodiment of the collection device according to the invention with an electrode arrangement 20 which has an outer cage 20.1, in the catch area of which an inner cage 20.2 is formed. Each of the inner and outer field cages 20.1 and 20.2 is a closed 8-electrode field cage. The associated electrode arrangements are arranged offset by 45 ° relative to one another, as a result of which the interaction of the two field cages is improved.
Figur 8 illustriert die bei der Ausführungsform gemäß Figur 7 resultierenden Strömungsprofile (numerische Simulation) . Die Strömungsprofile sind so geformt, dass der Einzugsbereich der Elektrodenanordnung 20 vergrößert und auch die zentrale Ruhe- oder Partikelsammeizone erweitert werden. Im Unterschied zu der konzentrischen Doppelanordnung würde der äußere Feldkäfig 20.1 allein eine geringere Strömung und damit einen weniger effektiven Partikeltransport liefern, während der innere Feldkäfig 20.2 allein ein geringeres Einzugsgebiet und eine kleinere Ruhezone hätte.FIG. 8 illustrates the flow profiles resulting from the embodiment according to FIG. 7 (numerical simulation). The flow profiles are shaped in such a way that the intake area of the electrode arrangement 20 is enlarged and the central resting or particle collection zone is also expanded. In contrast to the concentric double arrangement, the outer field cage 20.1 alone would provide a lower flow and thus a less effective particle transport, while the inner field cage 20.2 alone would have a smaller catchment area and a smaller quiet zone.
Bei den in den Figuren 5, 6 und 7 gezeigten Elektrodenanordnungen sind die einzelnen Elektroden und ihre Verbindungsleitungen zu den Spannungsquellen elektrisch voneinander iso- liert. Die Isolation erfolgt durch einen Mehrebenenaufbau aus Elektroden- und Isolationsschichten.In the electrode arrangements shown in FIGS. 5, 6 and 7, the individual electrodes and their connecting lines to the voltage sources are electrically isolated from one another. profiled. The insulation is carried out by a multi-level structure consisting of electrode and insulation layers.
Gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung kann die Ξammlungsvorrichtung mit einer Kühleinrichtung, z. B. einem Peltier-Element ausgestattet sein, um eine unerwünschte Gesamterwärmung der Sammlungsvorrichtung zu vermeiden.According to a further modification of the invention, the collecting device can be equipped with a cooling device, e.g. B. be equipped with a Peltier element in order to avoid undesired overall heating of the collecting device.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features of the invention disclosed in the above description, the drawings and the claims can be of significance both individually and in combination for the implementation of the invention in its various configurations.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Sammlung von Partikeln (1, 2), die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, mit den Schritten:1. A method for collecting particles (1, 2) suspended in a liquid, comprising the steps:
- Bereitstellung der Flüssigkeit mit den suspendierten Partikeln (1, 2) in einem Kompartiment (10) mit Seitenflächen (11), wobei auf mindestens einer der Seitenflächen (11) min- destens eine Elektrode (21) angeordnet ist, und- Provision of the liquid with the suspended particles (1, 2) in a compartment (10) with side surfaces (11), at least one electrode (21) being arranged on at least one of the side surfaces (11), and
- Erzeugung von hochfrequenten elektrischen Feldern mit der mindestens einen Elektrode (21) zur Bildung mindestens einer zirkulierenden Strömung (30) , mit der die Partikel (1, 2) zu mindestens einem vorbestimmten Sammlungsbereich (40) im Kom- partiment (10) geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass- Generation of high-frequency electrical fields with the at least one electrode (21) to form at least one circulating flow (30) with which the particles (1, 2) are guided to at least one predetermined collection area (40) in the compartment (10) , characterized in that
- die Strömung (30) so gebildet wird, dass wenigstens ein Zweig der Strömung entlang einer Längsausdehnung der mindestens einen Elektrode (21) verläuft und die Strömung (30) um eine Achse (31) umläuft, die senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche (11) mit der Elektrode (21) ausgerichtet ist .- The flow (30) is formed in such a way that at least one branch of the flow runs along a longitudinal extent of the at least one electrode (21) and the flow (30) rotates around an axis (31) that is perpendicular to the respectively adjacent side surface (11 ) is aligned with the electrode (21).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Partikel im Samm- lungsbereich (40) ohne eine Berührung der Seitenfläche (11) des Kompartiments (10) angeordnet werden.2. The method according to claim 1, in which the particles are arranged in the collection area (40) without touching the side surface (11) of the compartment (10).
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Partikel im Sammlungsbereich (40) so angeordnet werden, dass sie eine der Seitenflächen (11) des Kompartiments (10) berühren.3. The method according to claim 1, wherein the particles in the collection area (40) are arranged so that they touch one of the side surfaces (11) of the compartment (10).
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils an einer Elektrode (21) mehrere zirkulierende Strömungen (32, 33) erzeugt werden, mit denen die Partikel zu dem mindestens einen Sammlungsbereich (40) geführt werden.4. The method according to at least one of the preceding claims, in which a plurality of circulating flows (32, 33) are generated on each electrode (21) with which the Particles are led to the at least one collection area (40).
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei dem an mehreren Elektroden (21, 22, 23) jeweils mindestens eine zirkulierende Strömung (30) erzeugt wird, so dass die Partikel zu dem mindestens einen Sammlungsbereich (40) geführt werden.5. The method according to at least one of the preceding claims, in which at least one circulating flow (30) is generated in each case on a plurality of electrodes (21, 22, 23), so that the particles are guided to the at least one collection area (40).
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Elektroden auf verschiedenen Seiten des Sammlungsbereiches (40) angeordnet sind, von denen die Partikel entsprechend mit mehreren Strömungen zum Sammlungsbereich (40) geführt werden.6. The method according to claim 5, wherein the electrodes are arranged on different sides of the collection area (40), of which the particles are guided to the collection area (40) with a plurality of flows.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Strömungen im Wesentlichen symmetrisch relativ zum Sammlungsbereich (40) erzeugt werden.7. The method of claim 5 or 6, wherein the flows are generated substantially symmetrically relative to the collection area (40).
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, bei dem durch die hochfrequenten elektrischen Felder mittels negativer Dielektrophorese auf die Partikel Kräfte ausgeübt werden, die zum Sammlungsbereich (40) gerichtet sind.8. The method according to at least one of the preceding claims, in which the high-frequency electric fields exert forces on the particles by means of negative dielectrophoresis, which are directed towards the collection area (40).
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die hochfrequenten elektrischen Felder mit bandförmigen Elektroden einer Elektrodenanordnung (20) zur Erzeugung von mindestens einem dielektrophoretischen Feldkäfig erzeugt werden, die an den Seitenflächen (11) des Kompartiments angeordnet sind.9. The method according to at least one of the preceding claims, in which the high-frequency electric fields are generated with ribbon-shaped electrodes of an electrode arrangement (20) for producing at least one dielectrophoretic field cage, which are arranged on the side faces (11) of the compartment.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der dielektrophoretische Feldkäfig mit einem Potentialminimum erzeugt wird, das sich im Sammlungsbereich (40) befindet. 10. The method of claim 9, wherein the dielectrophoretic field cage is generated with a potential minimum, which is located in the collection area (40).
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein in zumindest zwei Raumrichtungen geschlossener dielektrophoretischer Feldkäfig erzeugt wird.11. The method according to claim 10, in which a dielectrophoretic field cage is produced which is closed in at least two spatial directions.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die hochfrequenten elektrischen Felder mit Elektroden einer Elektrodenanordnung (20) mit einem äußeren dielektrophoretischen Feldkäfig (20.1) und mit einem inneren dielektrophoretischen Feldkäfig (20.2) erzeugt werden, wobei die Elektroden an den Seitenflächen (11) des Kompartiments angeordnet sind.12. The method according to at least one of claims 8 to 11, wherein the high-frequency electric fields with electrodes of an electrode arrangement (20) with an outer dielectrophoretic field cage (20.1) and with an inner dielectrophoretic field cage (20.2) are generated, the electrodes on the Side surfaces (11) of the compartment are arranged.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem die Partikel in den Sammlungsbereich (40) aus einem Einzugsbereich des Kompartiments (10) geführt werden, dessen Volumen 102 bis 109-fach größer als das Volumen des Sammlungsbereiches (40) ist. 13. The method according to at least one of the preceding claims, in which the particles are guided into the collection area (40) from an intake area of the compartment (10) whose volume is 10 2 to 10 9 times larger than the volume of the collection area (40 ) is.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Einzugsbereich ein Volumen von bis zu 50 μl und der Sammlungsbereich (40) ■ ein Volumen von 40 μl bis zu 1 fl besitzen.14. The method of claim 13, wherein the feed zone up to 1 fl have a volume of up to 50 ul and the collection area (40) ■ a volume of 40 ul.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem im Sammlungsbereich (40) mindestens eine weitere Kraft auf die Partikel wirkt.15. The method according to at least one of the preceding claims, in which at least one further force acts on the particles in the collection area (40).
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Kraft eine optisch wirksame, eine dielektrophoretische oder eine magneti- sehe Kraft ist.16. The method of claim 15, wherein the force is an optically effective, a dielectrophoretic or a magnetic see.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Sammlungsbereich (40) eine Messung an den gesammelten Partikeln erfolgt. 17. The method according to at least one of the preceding claims, in which a measurement is carried out on the collected particles in the collection area (40).
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Messung eine elektrische, elektrochemische oder optische Messung umfasst.18. The method of claim 17, wherein the measurement comprises an electrical, electrochemical or optical measurement.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Messung eine De- tektion eines Rezeptor-Ligand-Bindungs-Ereignisses umfasst.19. The method of claim 18, wherein the measurement comprises detection of a receptor-ligand binding event.
20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Kompartiment mehrere Sammlungsbereiche (41, 42, 43, ...) angeordnet sind, in denen Partikel gesammelt werden.20. The method according to at least one of the preceding claims, in which a plurality of collection areas (41, 42, 43, ...) are arranged in the compartment, in which particles are collected.
21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Kompartiment eine laminare Strömung oder ein Ultraschallfeld erzeugt wird, die sich mit der zirkulierenden Strömung (30) überlagern.21. The method according to at least one of the preceding claims, in which a laminar flow or an ultrasound field is generated in the compartment, which overlap with the circulating flow (30).
22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Kompartiment (10) mehrere zirkulierende Strömungen (34, 35, 36) erzeugt werden, die sich gegenseitig überlagern.22. The method according to at least one of the preceding claims, in which a plurality of circulating flows (34, 35, 36) are generated in the compartment (10), which overlap one another.
23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel mit einem Durchmesser gesammelt werden, der geringer als 1 μm ist.23. The method according to at least one of the preceding claims, in which particles having a diameter which is less than 1 μm are collected.
24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem Partikel gesammelt werden, die Zellen, Viren, Bakterien, Proteine, Zellbestandteile oder biologische Makromoleküle umfassen.24. The method according to claim 23, in which particles are collected which comprise cells, viruses, bacteria, proteins, cell components or biological macromolecules.
25. Sammlungsvorrichtung zur Sammlung von Partikeln, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind, umfassend: - ein von Seitenflächen (11) begrenztes Kompartiment (10) zur Aufnahme der Flüssigkeit mit den suspendierten Partikeln, und25. A collection device for collecting particles suspended in a liquid, comprising: - A compartment (10) delimited by side surfaces (11) for receiving the liquid with the suspended particles, and
- mindestens eine Elektrode (21), die auf mindestens einer der Seitenflächen (11) angeordnet ist und mit der im Kompartiment (10) hochfrequente elektrische Felder zur Bildung mindestens einer zirkulierenden Strömung (30) erzeugt werden können, mit der die Partikel zu mindestens einem vorbestimmten Sammlungsbereich (40) im Kompartiment (10) geführt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass- At least one electrode (21) which is arranged on at least one of the side surfaces (11) and with which high-frequency electrical fields can be generated in the compartment (10) to form at least one circulating flow (30) with which the particles form at least one predetermined collection area (40) can be guided in the compartment (10), characterized in that
- die mindestens eine Elektrode eine langgestreckte Form aufweist und dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Strömung (30) so zu bilden, dass ein Zweig der Strömung (30) entlang der langgestreckten Form verläuft, und- The at least one electrode has an elongated shape and is configured to form the at least one flow (30) such that a branch of the flow (30) runs along the elongated shape, and
- mindestens eine Achse (31) , um welche die Strömung (30) umläuft, senkrecht zu der jeweils angrenzenden Seitenfläche (11) mit der Elektrode ausgerichtet ist.- At least one axis (31) around which the flow (30) rotates, is aligned perpendicular to the respectively adjacent side surface (11) with the electrode.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei welcher der Sammlungsbereich (40) mit einem Abstand von den Seitenflächen (11) des Kompartiments (10) angeordnet ist.26. The apparatus of claim 25, wherein the collection area (40) is arranged at a distance from the side surfaces (11) of the compartment (10).
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei welcher der Sammlungs- bereich (40) eine der Seitenflächen (11) des Kompartiments27. The apparatus of claim 25, wherein the collection area (40) is one of the side surfaces (11) of the compartment
(10) berührt.(10) touched.
28. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis28. The device according to at least one of claims 25 to
27, bei der eine Elektrodenanordnung (20) mit einer Vielzahl von Elektroden (21, 22, 23) zur Erzeugung von mehreren zirkulierenden Strömungen (32, 33) eingerichtet ist.27, in which an electrode arrangement (20) with a plurality of electrodes (21, 22, 23) is set up to generate a plurality of circulating flows (32, 33).
29. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis29. The device according to at least one of claims 25 to
28, bei der an den Seitenflächen (11) des Kompartiments Kä- figelektroden zur Erzeugung von mindestens einem dielektrophoretischen Feldkäfig angeordnet ist.28, in which on the side surfaces (11) of the compartment Fig electrodes is arranged to produce at least one dielectrophoretic field cage.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der die Käfigelektroden Teil der Elektrodenanordnung (20) sind.30. The apparatus of claim 29, wherein the cage electrodes are part of the electrode arrangement (20).
31. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der die Käfigelektroden einen äußeren dielektrophoretischen Feldkäfig (20.1) und einen inneren dielektrophoretischen Feldkäfig (20.2) bilden, der in dem äußeren dielektrophoretischen Feldkäfig (20.1) angeordnet ist.31. The apparatus of claim 29, wherein the cage electrodes form an outer dielectrophoretic field cage (20.1) and an inner dielectrophoretic field cage (20.2) which is arranged in the outer dielectrophoretic field cage (20.1).
32. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 29, bei der eine Heizeinrichtung, Kühleinrichtung und/oder eine Lichtquelle vorgesehen sind.32. Device according to at least one of claims 25 to 29, in which a heating device, cooling device and / or a light source are provided.
33. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 32, bei welcher der Sammlungsbereich (40) mit einer Magnetfeldeinrichtung ausgestattet ist.33. Device according to at least one of claims 25 to 32, in which the collection area (40) is equipped with a magnetic field device.
34. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 33, die mit einer Messeinrichtung (50) zur Erfassung von e- lektrischen oder optischen Eigenschaften von Partikeln im Sammlungsbereich (40) ausgestattet ist.34. Device according to at least one of claims 25 to 33, which is equipped with a measuring device (50) for detecting electrical or optical properties of particles in the collection area (40).
35. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis35. Device according to at least one of claims 25 to
34, bei der mindestens eine der Seitenflächen des Kompartiments im Bereich des mindestens einen Sammlungsbereiches mit Detektionsspots in Form von Rezeptormolekülen funktionali- siert ist.34, in which at least one of the side surfaces of the compartment in the area of the at least one collection area is functionalized with detection spots in the form of receptor molecules.
36. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis36. Device according to at least one of claims 25 to
35, bei der mehrere Sammlungsbereiche (41, 42, 43) vorgesehen sind. 35, in which several collection areas (41, 42, 43) are provided.
37. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 25 bis 36, bei der das Kompartiment Teil eines Kanals eines fluidischen Mikrosystems ist.37. Device according to at least one of claims 25 to 36, wherein the compartment is part of a channel of a fluidic microsystem.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei der die Sammlungsbereiche (41, 42, 43) entlang einer Längsrichtung des Kanals rei- henförmig angeordnet sind. 38. Device according to claim 37, in which the collection areas (41, 42, 43) are arranged in rows along a longitudinal direction of the channel.
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