EP2069071A1 - Field cage and associated operating method - Google Patents

Field cage and associated operating method

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Publication number
EP2069071A1
EP2069071A1 EP07819600A EP07819600A EP2069071A1 EP 2069071 A1 EP2069071 A1 EP 2069071A1 EP 07819600 A EP07819600 A EP 07819600A EP 07819600 A EP07819600 A EP 07819600A EP 2069071 A1 EP2069071 A1 EP 2069071A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cage
plane
electrodes
field
symmetry
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07819600A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Schnelle
Torsten Müller
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.)
PerkinElmer Cellular Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Evotec Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Evotec Technologies GmbH filed Critical Evotec Technologies GmbH
Publication of EP2069071A1 publication Critical patent/EP2069071A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03SEPARATION 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
    • B03CMAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02Separators
    • B03C5/022Non-uniform field separators
    • B03C5/026Non-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]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03SEPARATION 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
    • B03CMAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/005Dielectrophoresis, i.e. dielectric particles migrating towards the region of highest field strength
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/1023Microstructural devices for non-optical measurement
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/1031Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
    • G01N15/12Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects by observing changes in resistance or impedance across apertures when traversed by individual particles, e.g. by using the Coulter principle
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1429Signal processing
    • G01N15/1433Signal processing using image recognition
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    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1484Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry microstructural devices

Definitions

  • the invention relates to a field cage for the spatial fixation of suspended particles by an electric capture field and an associated operating method.
  • Particles e.g., biological cells
  • field cages are arranged in the carrier flow channel, which generate a dielectrophoretic capture field which spatially fixes the suspended particles in the field cage, which allows manipulation and examination of the suspended particles in the fixed state.
  • FIGS. 1 and 2 show different operating modes of such a conventional field cage 1 with eight cage electrodes 2-9, which are arranged cubically and can be electrically controlled independently of one another in order to generate a capture field by means of dielectrophoresis, which contains a suspended particle 10 fixed a specific focal height H F above the lower channel wall of the carrier flow channel.
  • FIG. 1 shows a conventional control of the individual cage electrons 2-9, which is also referred to as the RED mode is because the suspended particle 10 is not only fixed in the field cage 1, but also rotated.
  • the cage electrodes 2-5 in the upper electrode plane and the cage electrodes 6-9 in the lower electrode plane so controlled that in the circumferential direction adjacent cage electrodes 6-9 each have a phase difference of 90 °, as can be seen from the phase information in Figure 1 is.
  • FIG. 2 shows a conventional operating mode of the cage, which is also referred to as the ACC mode and merely leads to a spatial fixation of the particle 10 in the field cage 2, without a rotation of the fixed particle 10 taking place.
  • the cage electrodes 2-5 in the upper electrode plane and the cage electrodes 6-9 in the lower electrode plane in each case in the circumferential direction with a phase difference of 180 ° between the adjacent cage electrodes 2-5 and 6-9 are driven, as from the phase information can be seen in Figure 2.
  • a disadvantage of the known ACC mode is the fact that the focal height H F of the particle 10 in the field cage 1 depends on the particle size, so that particles 10 of different sizes are fixed in the field cage 1 at different positions within the field cage 1. This is particularly troublesome if, for examining the fixed particles, 10 optical examination methods are to be used which have a specific focal point.
  • Another disadvantage of the known ACC mode is that only those particles are reliably fixed in the field cage 1, which are sufficiently large.
  • the RED mode inevitably leads to a rotation of the suspended particles and is therefore only suitable for extremely fast examination methods, in which the examination result is not impaired by the particle rotation.
  • the invention is therefore based on the object to improve the well-known field cages accordingly.
  • the invention is based on a field cage which has at least six cage electrodes in order to generate a capture field for the spatial fixation of suspended particles, wherein the cage electrodes have at least two different phase positions.
  • the field cage according to the invention has at least one electrode plane in which a plurality of the cage electrodes are arranged, wherein the electrode plane is aligned substantially perpendicular to an external gravity.
  • the invention provides that in the electrode plane two directly adjacent cage electrodes have the same phase position. This feature is based on the technical knowledge gained by the inventors for the first time that in this way the focus height in the field cage is essentially independent of the particle size.
  • This has the advantage that the particles having the same specific physical properties (density, conductivity, polarizability) in the field cage according to the invention are fixed at a certain point, which is also referred to as the focal point, irrespective of their particle size.
  • the focus of the investigation method can therefore be set exactly to the focal point of the field cage, without depending on the particle size adjustment is required.
  • immediately adjacent cage electrodes used in the context of the invention means that these cage electrodes follow one another directly in a closed polygon in a common electrode plane along the traverse.
  • the field cage according to the invention at least two electrodes are arranged in each electrode plane.
  • the field cage according to the invention can have two parallel electrode planes, in each of which four cage electrodes are arranged.
  • four cage electrodes are arranged in one electrode plane and two cage electrodes are arranged in the other electrode plane.
  • the invention in terms of the distribution of the individual cage electrodes on the different electrode levels is not limited to these two examples, but also feasible in other ways.
  • the particles in a microsystem generally also have an additional additional external force, which is oriented substantially perpendicular to the gravitational force and is generated, for example, by a hydrodynamic flow.
  • the additional external force is then aligned parallel to the flow direction in the carrier flow channel of the microfluidic system.
  • the field cage according to the invention then act on the suspended particles at least three different forces, namely gravity, the hydrodynamic flow force and the fixing force of the field cage, which is usually produced by dielectrophoresis.
  • the field cage according to the invention has a plane of symmetry in which a plurality of the cage electrodes are arranged and with respect to which the cage electrodes of the individual phase layers are each arranged symmetrically, the plane of symmetry being inclined with respect to gravity.
  • the cage electrodes lying in the plane of symmetry on the one hand and the cage electrodes arranged outside the plane of symmetry, on the other hand, can be driven in antiphase fashion.
  • the individual cage electrodes are in this case arranged symmetrically with respect to the symmetry plane in the sense that the individual cage electrodes are each imaged by mirroring on the plane of symmetry onto an in-phase cage electrode.
  • the plane of symmetry preferably has an angle of inclination between 10 ° and 80 ° with respect to gravity, with any values and subregions within this interval being possible.
  • the angle of inclination between 30 ° and 60 ° or between 40 ° and 50 °, with an inclination angle of 45 ° is particularly advantageous.
  • the plane of symmetry is oriented substantially parallel to the additional external force and therefore preferably runs parallel to the hydrodynamic force or to the longitudinal axis of the carrier flow channel.
  • the field cage has exactly eight cage electrodes, which are each arranged at the corners of a hexahedron, in particular a cube.
  • the field cage on six cage electrodes, which are each arranged at the corners of a pentahedron.
  • the invention is not limited to hexahedron or pentahedron in terms of the spatial arrangement of the cage electrodes, but in principle also feasible with other arrangements.
  • all cage electrodes of the field cage according to the invention can have the same voltage amplitude.
  • the cage electrodes have different voltage amplitudes.
  • the ratio of the voltage amplitudes of the cage electrodes in the upper electrode plane on the one hand and the cage electrodes in the lower electrode plane on the other hand can be varied to adjust the focal height.
  • four of the cage electrodes may be in the plane of symmetry, while the other four cage electrodes may be outside the plane of symmetry.
  • the cage electrodes lying in the plane of symmetry then preferably have a common phase position (e.g., 180 °), as well as the off-symmetry plane cage electrodes preferably have a common phase (e.g., 0 °).
  • the cage electrodes lying in the plane of symmetry on the one hand and the cage electrodes lying outside the plane of symmetry, on the other hand are preferably in the opposite phase, ie. they have a phase difference of 180 °.
  • the connecting lines between the cage electrodes with the same phase angle are inclined in each case by a predetermined angle, preferably 90 °, with respect to gravity.
  • a plane of symmetry is present with respect to which the cage electrodes of the individual phase layers are each arranged antisymmetrically.
  • a cage electrode with a phase angle of 0 ° is then imaged at a mirroring on the plane of symmetry onto another cage electrode with a phase angle of 180 °.
  • the plane of symmetry in this case preferably runs parallel to the force of gravity.
  • the cage electrodes are arranged in at least one of the electrode planes in each case at the corners of a closed polygon, which is necessarily the case with a cubic arrangement.
  • the invention comprises not only the field cage according to the invention described above, but also a microfluidic system with such a field cage for fixing suspended particles in a carrier flow channel of the microfluidic system.
  • the invention also encompasses a device, in particular a particle sorter, with such a microfluidic system.
  • the device according to the invention has a control unit which activates the individual cage electrodes of the field cage according to the invention with the phase positions described above.
  • the invention also encompasses a corresponding operating method for controlling the individual cage electrodes of the field cage according to the invention, as already evident from the above description.
  • the field cage can also be operated alternately in the novel ACCY mode and in the known ROT mode.
  • the ACCY mode the fixed particle can then be examined without particle rotation.
  • a RED mode can then be turned on to rotate the fixed particle in the field cage.
  • investigation methods can be used within the scope of the operating method according to the invention, such as, for example, light microscopy, impedance spectroscopy or ultrasound microscopy, to name only a few.
  • Figure 1 is a perspective view of a conventional
  • FIG 2 shows the field cage of Figure 1 in the so-called
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of the field cage according to the invention
  • FIG. 4 shows field distributions in the field cages according to FIGS. 1-3
  • FIG. 5 shows a force diagram which illustrates the power contributions in the various operating modes
  • FIG. 6 shows a diagram showing the focal point as a function of the voltage ratio between the upper electrode plane and the lower electrode plane
  • FIG. 7 shows a greatly simplified perspective view of a microfluidic system according to the invention with a field cage according to the invention
  • FIG. 1 shows another embodiment of a field cage according to the invention with a different orientation to the flow force
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a field cage according to the invention with six cage electrodes
  • FIGS. 10A-10D show the field distribution in the field cage according to FIG.
  • FIGS. 11A-11C show the field distribution in the field cage according to FIG.
  • FIG. 9 with enlarged center electrodes
  • FIGS. 12A-12C the field distribution in the field cage according to
  • FIG. 9 during a rotation control of the field cage.
  • the field cage according to the invention according to FIG. 3 corresponds in part to the conventional field cages described above and shown in FIGS. 1 and 2, so that Reference is made to avoid repetition of the above description, wherein the same reference numerals are used for corresponding elements.
  • An essential difference of the field cage according to the invention according to FIG. 3 is the different phase position of the individual cage electrodes 2-9.
  • the two cage electrodes 2, 3 in the upper electrode plane on the one hand and the two cage electrodes 8, 9 in the lower Elektrodenebe- ne in phased with a phase angle of 0 ° are driven.
  • the two cage electrodes 4, 5 in the upper electrode plane on the one hand and the two cage electrodes 6, 7 in the lower electrode plane are driven with a common phase position of 180 °.
  • the cage electrodes 2-9 are thus arranged symmetrically with respect to a plane of symmetry 11 in the sense that the cage electrodes 2-9 are imaged by a reflection on the plane of symmetry 11 respectively on in-phase cage electrodes 2-9.
  • the plane of symmetry 11 is in this case aligned parallel to a flow force F FLOW , which acts on the suspended particles 10 and is generated by the flow in a carrier flow channel of a microfluidic system.
  • the plane of symmetry 11 is inclined to an external gravity g by an inclination angle of 45 °.
  • FIG. 4 shows on the left the field distribution E 2 in the field cage 1 according to FIG. 1 in the conventional ROT mode and in the middle the field distribution in the field cage 1 according to FIG. 2 in the known ACC mode.
  • FIG. 4 shows the field distribution in the field cage 1 according to the invention according to FIG. 3 in the new, so-called ACCY mode.
  • the pictures in the upper row show the field distribution in a central plane parallel to the XY plane.
  • the images in the lower row show the field distribution in a central plane parallel to the YZ plane.
  • Figure 5 shows a force diagram for a suspended in an aqueous medium having a specific electric resistance of 0.3 Sm "1 biological particle 10 (cell) having a size of 12 microns, in a field cage with 40 microns distance between electrodes according to FIG 4, when activated with a voltage amplitude of IV and a drive frequency of 0.7 MHz, the vertical axis being plotted with the force F acting on the suspended particles 10 in the field cage 1.
  • the horizontal axis is along the height 2 and for the ACCY mode according to FIG 3 and the RED mode according to Figure 1.
  • the force diagram shows that the values for the ACC mode shown in FIG focussing force in the focal point is relatively weak even for 12 ⁇ m particles, since in this control the gradient of E 2 in the central axis disappears, Only dielectrophoretic forces that are proportional to the fifth power of the particle radius become effective. On the other hand, since the sedimentation force is volume-dependent, the focal height depends strongly on the particle size. In contrast, in the novel ACCY mode and in the conventional ROT mode, the focus force has a relatively strong gradient at the focal point and the dielectric force is proportional to the particle volume, resulting in stabilization and fixation largely independent of the particle size.
  • FIG. 6 shows a further diagram in which the offset ⁇ Z of the focal point in the Z direction of the field cage 1 as a function of the voltage ratio between the voltage amplitude the cage electrodes 2-5 in the upper electrode plane on the one hand and the cage electrodes 6-9 in the lower electrode plane on the other hand is shown (with the influence of gravity was neglected).
  • FIG. 7 shows a greatly simplified example of a micro fluidic system 12 having a carrier flow channel with a rectangular cross section, in which a carrier flow with particles 10 suspended therein flows, wherein a field cage 1 according to the invention is arranged in the carrier flow channel.
  • FIG. 8 shows an alternative exemplary embodiment of a field cage 1 according to the invention, which largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 3, so that reference is made to the above description in order to avoid repetitions.
  • a special feature of this embodiment is the spatial orientation of the field cage 1 with respect to the outer flow force F FLOW -
  • the plane of symmetry 11 in the embodiment of Figure 3 is aligned parallel to the outer flow force F FLOW
  • the symmetry plane 11 in the embodiment of FIG the outer flow force F FLOW is inclined at an angle of 45 °. This advantageously leads to the fact that the particles in the field cage 1 can be better fixed against the flow.
  • FIG 9 shows an alternative embodiment of a field cage 13 according to the invention with six cage electrodes 14-19, which are arranged in the form of a penta-leather.
  • the cage electrodes 16-19 are in this case arranged in a lower electrode plane in each case at the corners of a square, while the cage electrodes 14, 15 are arranged in an upper electrode plane.
  • this embodiment allows a fixation of suspended particles 20 in a certain focal height H F above the lower electrode plane, wherein the focal height H f is largely independent of the particle size.
  • FIGS. 10A-10C show the field profile in the field cage according to FIG. 9 in different sectional planes, as can be seen directly from the drawings.
  • FIGS. 11A-11C show the field profile in a modified embodiment of the field cage according to FIG. 9, in which the upper cage electrodes 14, 15 are enlarged in relation to the lower cage electrodes 16-19. This leads to the fact that the particle can be fixed in the channel center.
  • FIGS. 12A-12C show the field profile in the field cage 13 according to FIG. 9 during a rotation drive.
  • the cage electrode 18 is driven at 0 °, the cage electrode 19 at 180 °, the cage electrode 16 at 300 ° and the cage electrode 17 at 120 °.
  • the cage electrode 14 in the upper electrode plane is driven at 60 °, while the cage electrode 15 is driven in the upper electrode plane at 240 °.

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Abstract

The invention relates to a field cage (1) for spatially fixing suspended particles (10) by means of an electrical captive field, with at least six cage electrodes (2 - 9) for producing the captive field, wherein the cage electrodes (2 - 9) have at least two different phase angles, and at least one electrode plane, in which a plurality of the cage electrodes (2 - 9) are arranged, wherein the electrode plane is aligned substantially at right angles with respect to an external force of gravity (g). The invention proposes that two directly adjacent cage electrodes (2 - 9) have the same phase angle in the electrode plane. Furthermore, the invention comprises a corresponding operating method.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION
Feldkäfig und zugehöriges BetriebsverfahrenField cage and associated operating method
Die Erfindung betrifft einen Feldkäfig zur räumlichen Fixierung von suspendierten Partikeln durch ein elektrisches Fangfeld sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.The invention relates to a field cage for the spatial fixation of suspended particles by an electric capture field and an associated operating method.
Aus Müller, T. et al.: "A 3-D microelectrode System for hand- ling and caging Single cells and particles", Biosensors & Bioelectronics, 1999, Volume 14, No. 3, S. 247-256 sind mikrofluidische Systeme bekannt, die einen Trägerstromkanal aufweisen, in dem ein Trägerstrom mit darin suspendiertenFrom Müller, T. et al .: "A 3-D microelectrode system for handling and caging single cells and particles", Biosensors & Bioelectronics, 1999, Volume 14, no. 3, pp 247-256 microfluidic systems are known which have a carrier flow channel in which a carrier stream with suspended therein
Partikeln (z.B. biologischen Zellen) fließt, wobei die suspendierten Partikel in dem mikrofluidischen System untersucht und manipuliert werden können. Hierzu sind in dem Trägerstromkanal sogenannte Feldkäfige (englisch: "Cage") angeord- net, die ein dielektrophoretisches Fangfeld erzeugen, das die suspendierten Partikel in dem Feldkäfig räumlich fixiert, was eine Manipulation und Untersuchung der suspendierten Partikel im fixierten Zustand ermöglicht.Particles (e.g., biological cells) flow, whereby the suspended particles in the microfluidic system can be examined and manipulated. For this purpose, so-called field cages are arranged in the carrier flow channel, which generate a dielectrophoretic capture field which spatially fixes the suspended particles in the field cage, which allows manipulation and examination of the suspended particles in the fixed state.
Die Figuren 1 und 2 zeigen verschiedene Betriebsarten eines derartigen herkömmlichen Feldkäfigs 1 mit acht Käfigelektroden 2-9, die kubisch angeordnet sind und unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, um mittels Die- lektrophorese ein Fangfeld zu erzeugen, das einen suspendier- ten Partikel 10 in einer bestimmten Fokushöhe HF oberhalb der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals fixiert.FIGS. 1 and 2 show different operating modes of such a conventional field cage 1 with eight cage electrodes 2-9, which are arranged cubically and can be electrically controlled independently of one another in order to generate a capture field by means of dielectrophoresis, which contains a suspended particle 10 fixed a specific focal height H F above the lower channel wall of the carrier flow channel.
Figur 1 zeigt hierbei eine herkömmliche Ansteuerung der einzelnen Käfigelektronen 2-9, die auch als ROT-Modus bezeichnet wird, da der suspendierte Partikel 10 in dem Feldkäfig 1 nicht nur fixiert, sondern auch gedreht wird. Hierzu werden die Käfigelektroden 2-5 in der oberen Elektrodenebene und die Käfigelektroden 6-9 in der unteren Elektrodenebene so ange- steuert, dass in Umlaufrichtung benachbarte Käfigelektroden 6-9 jeweils einen Phasenunterschied von 90° aufweisen, wie aus den Phasenangaben in Figur 1 ersichtlich ist.FIG. 1 shows a conventional control of the individual cage electrons 2-9, which is also referred to as the RED mode is because the suspended particle 10 is not only fixed in the field cage 1, but also rotated. For this purpose, the cage electrodes 2-5 in the upper electrode plane and the cage electrodes 6-9 in the lower electrode plane so controlled that in the circumferential direction adjacent cage electrodes 6-9 each have a phase difference of 90 °, as can be seen from the phase information in Figure 1 is.
Figur 2 zeigt dagegen eine herkömmliche Betriebsart des FeId- käfigs, die auch als ACC-Modus bezeichnet wird und lediglich zu einer räumlichen Fixierung des Partikels 10 in dem Feldkäfig 2 führt, ohne dass eine Rotation des fixierten Partikels 10 erfolgt. Hierzu werden die Käfigelektroden 2-5 in der oberen Elektrodenebene und die Käfigelektroden 6-9 in der unte- ren Elektrodenebene jeweils in Umlaufrichtung mit einem Phasenunterschied von 180° zwischen den benachbarten Käfigelektroden 2-5 bzw. 6-9 angesteuert, wie aus den Phasenangaben in Figur 2 ersichtlich ist.By contrast, FIG. 2 shows a conventional operating mode of the cage, which is also referred to as the ACC mode and merely leads to a spatial fixation of the particle 10 in the field cage 2, without a rotation of the fixed particle 10 taking place. For this purpose, the cage electrodes 2-5 in the upper electrode plane and the cage electrodes 6-9 in the lower electrode plane in each case in the circumferential direction with a phase difference of 180 ° between the adjacent cage electrodes 2-5 and 6-9 are driven, as from the phase information can be seen in Figure 2.
Nachteilig an dem bekannten ACC-Modus ist die Tatsache, dass die Fokushöhe HF des Partikels 10 in dem Feldkäfig 1 von der Partikelgröße abhängig ist, so dass unterschiedlich große Partikel 10 in dem Feldkäfig 1 an verschiedenen Positionen innerhalb des Feldkäfigs 1 fixiert werden. Dies ist insbeson- dere dann störend, wenn zur Untersuchung der fixierten Partikel 10 optische Untersuchungsverfahren eingesetzt werden sollen, die einen bestimmten Brennpunkt haben.A disadvantage of the known ACC mode is the fact that the focal height H F of the particle 10 in the field cage 1 depends on the particle size, so that particles 10 of different sizes are fixed in the field cage 1 at different positions within the field cage 1. This is particularly troublesome if, for examining the fixed particles, 10 optical examination methods are to be used which have a specific focal point.
Ein weiterer Nachteil des bekannten ACC-Modus besteht darin, dass nur solche Partikel zuverlässig in dem Feldkäfig 1 fixiert werden, die hinreichend groß sind.Another disadvantage of the known ACC mode is that only those particles are reliably fixed in the field cage 1, which are sufficiently large.
Darüber hinaus besteht bei dem ACC-Modus die Gefahr, dass Partikel außerhalb des Feldkäfigs 1 nahe den bzw. zwischen übereinanderliegenden Käfigelektroden 2-9 fixiert werden (siehe mittlere Abbildungen in Figur 4). Zum Einen ist dies problematisch, da die Partikel dort in der Regel nicht durch herkömmliche Untersuchungsverfahren erkannt werden. Zum Ande- ren werden die außerhalb des Feldkäfigs 1 fixierten Partikel bei einer Abschaltung des Feldkäfigs 1 zusammen mit den in dem Feldkäfig 1 fixierten Partikeln 10 freigegeben, was zu einer Kontamination führen kann, falls die Partikel nach einer Untersuchung in dem Feldkäfig in verschiedene Kanäle bzw. Strömungspfade sortiert werden sollen.In addition, in the ACC mode there is a risk that particles outside the field cage 1 near or between one above the other cage electrodes 2-9 are fixed (see middle figures in Figure 4). On the one hand, this is problematic since the particles are generally not recognized there by conventional examination methods. On the other hand, when the field cage 1 is shut off, the particles fixed outside the field cage 1 are released together with the particles 10 fixed in the field cage 1, which can lead to contamination if, after an examination in the field cage, the particles are divided into different channels or channels Flow paths should be sorted.
Der eingangs beschriebene ROT-Modus weist diese Nachteile zwar nicht auf, jedoch führt der ROT-Modus zwangsläufig zu einer Drehung der suspendierten Partikel und ist deshalb nur für extrem schnelle Untersuchungsverfahren geeignet, bei denen das Untersuchungsergebnis durch die Partikeldrehung nicht beeinträchtigt wird.Although the above-described ROT mode does not have these disadvantages, the RED mode inevitably leads to a rotation of the suspended particles and is therefore only suitable for extremely fast examination methods, in which the examination result is not impaired by the particle rotation.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekann- ten Feldkäfige entsprechend zu verbessern.The invention is therefore based on the object to improve the well-known field cages accordingly.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Feldkäfig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by a field cage according to the invention and an associated operating method according to the independent claims.
Die Erfindung geht von einem Feldkäfig aus, der mindestens sechs Käfigelektroden aufweist, um ein Fangfeld zur räumlichen Fixierung von suspendierten Partikeln zu erzeugen, wobei die Käfigelektroden mindestens zwei verschiedene Phasenlagen aufweisen.The invention is based on a field cage which has at least six cage electrodes in order to generate a capture field for the spatial fixation of suspended particles, wherein the cage electrodes have at least two different phase positions.
Weiterhin weist der erfindungsgemäße Feldkäfig mindestens eine Elektrodenebene auf, in der mehrere der Käfigelektroden angeordnet sind, wobei die Elektrodenebene im Wesentlichen rechtwinklig zu einer äußeren Schwerkraft ausgerichtet ist.Furthermore, the field cage according to the invention has at least one electrode plane in which a plurality of the cage electrodes are arranged, wherein the electrode plane is aligned substantially perpendicular to an external gravity.
Die Erfindung sieht vor, dass in der Elektrodenebene zwei un- mittelbar benachbarte Käfigelektroden die gleiche Phasenlage aufweisen. Dieses Merkmal beruht auf der von den Erfindern erstmals gewonnenen technischen Erkenntnis, dass auf diese Weise die Fokushöhe in dem Feldkäfig im Wesentlichen unabhängig von der Partikelgröße ist. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel mit gleichen spezifischen physikalischen Eigenschaften (Dichte, Leitfähigkeit, Polarisierbarkeit ) in dem erfindungsgemäßen Feldkäfig unabhängig von ihrer Partikelgröße an einem bestimmten Punkt fixiert werden, der auch als Fokuspunkt bezeichnet wird. Bei einer Untersuchung der fixierten Partikel durch mikroskopische oder sonstige Untersuchungsverfahren kann der Brennpunkt der Untersuchungsverfahren deshalb genau auf den Fokuspunkt des Feldkäfigs eingestellt werden, ohne dass in Abhängigkeit von der Partikelgröße eine Verstellung erforderlich ist.The invention provides that in the electrode plane two directly adjacent cage electrodes have the same phase position. This feature is based on the technical knowledge gained by the inventors for the first time that in this way the focus height in the field cage is essentially independent of the particle size. This has the advantage that the particles having the same specific physical properties (density, conductivity, polarizability) in the field cage according to the invention are fixed at a certain point, which is also referred to as the focal point, irrespective of their particle size. In a study of the fixed particles by microscopic or other examination methods, the focus of the investigation method can therefore be set exactly to the focal point of the field cage, without depending on the particle size adjustment is required.
Die im Rahmen der Erfindung verwendete Definition von unmittelbar benachbarten Käfigelektroden bedeutet, dass diese Käfigelektroden in einem geschlossenen Polygonzug in einer gemeinsamen Elektrodenebene entlang dem Polygonzug unmittelbar aufeinander folgen.The definition of immediately adjacent cage electrodes used in the context of the invention means that these cage electrodes follow one another directly in a closed polygon in a common electrode plane along the traverse.
Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Feldkäfig in jeder Elektrodenebene mindestens zwei Elektroden angeordnet. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Feldkäfig zwei pa- rallele Elektrodenebenen aufweisen, in denen jeweils vier Käfigelektroden angeordnet sind. In einem anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs sind dagegen in der einen Elektrodenebene vier Käfigelektroden und in der anderen E- lektrodenebene zwei Käfigelektroden angeordnet. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Verteilung der einzelnen Käfigelektroden auf die verschiedenen Elektrodenebenen nicht auf diese beiden Beispiele beschränkt, sondern auch in anderer Weise realisierbar.Preferably, in the field cage according to the invention at least two electrodes are arranged in each electrode plane. For example, the field cage according to the invention can have two parallel electrode planes, in each of which four cage electrodes are arranged. In another example of a field cage according to the invention, on the other hand, four cage electrodes are arranged in one electrode plane and two cage electrodes are arranged in the other electrode plane. The invention However, in terms of the distribution of the individual cage electrodes on the different electrode levels is not limited to these two examples, but also feasible in other ways.
Neben der Schwerkraft wirkt auf die Partikel in einem Mikro- system in der Regel auch eine weitere zusätzliche äußere Kraft, die im Wesentlichen senkrecht zu der Schwerkraft ausgerichtet ist und beispielsweise durch eine hydrodynamische Strömung erzeugt wird. Die zusätzliche äußere Kraft ist dann parallel zu der Strömungsrichtung in dem Trägerstromkanal des mikrofluidischen Systems ausgerichtet. In dem erfindungsgemäßen Feldkäfig wirken dann auf die suspendierten Partikel mindestens drei verschiedene Kräfte, nämlich die Schwerkraft, die hydrodynamische Strömungskraft sowie die Fixierungskraft des Feldkäfigs, die in der Regel mittels Dielektrophorese erzeugt wird.In addition to the force of gravity, the particles in a microsystem generally also have an additional additional external force, which is oriented substantially perpendicular to the gravitational force and is generated, for example, by a hydrodynamic flow. The additional external force is then aligned parallel to the flow direction in the carrier flow channel of the microfluidic system. In the field cage according to the invention then act on the suspended particles at least three different forces, namely gravity, the hydrodynamic flow force and the fixing force of the field cage, which is usually produced by dielectrophoresis.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erfin- dungsgemäße Feldkäfig eine Symmetrieebene auf, in der mehrere der Käfigelektroden angeordnet sind und bezüglich derer die Käfigelektroden der einzelnen Phasenlagen jeweils symmetrisch angeordnet sind, wobei die Symmetrieebene gegenüber der Schwerkraft geneigt ist. Beispielsweise können die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden einerseits und die außerhalb der Symmetrieebene angeordneten Käfigelektroden andererseits gegenphasig angesteuert werden.In a preferred exemplary embodiment, the field cage according to the invention has a plane of symmetry in which a plurality of the cage electrodes are arranged and with respect to which the cage electrodes of the individual phase layers are each arranged symmetrically, the plane of symmetry being inclined with respect to gravity. For example, the cage electrodes lying in the plane of symmetry on the one hand and the cage electrodes arranged outside the plane of symmetry, on the other hand, can be driven in antiphase fashion.
Die einzelnen Käfigelektroden sind hierbei bezüglich der Sym- metrieebene in dem Sinne symmetrisch angeordnet, dass die einzelnen Käfigelektroden durch eine Spiegelung an der Symmetrieebene jeweils auf eine gleichphasige Käfigelektrode abgebildet werden. Hierbei weist die Symmetrieebene gegenüber der Schwerkraft vorzugsweise einen Neigungswinkel zwischen 10° und 80° auf, wobei beliebige Werte und Teilbereiche innerhalb dieses Intervalls möglich sind. Beispielsweise kann der Neigungswinkel zwischen 30° und 60° oder zwischen 40° und 50° liegen, wobei ein Neigungswinkel von 45° besonders vorteilhaft ist.The individual cage electrodes are in this case arranged symmetrically with respect to the symmetry plane in the sense that the individual cage electrodes are each imaged by mirroring on the plane of symmetry onto an in-phase cage electrode. In this case, the plane of symmetry preferably has an angle of inclination between 10 ° and 80 ° with respect to gravity, with any values and subregions within this interval being possible. For example, the angle of inclination between 30 ° and 60 ° or between 40 ° and 50 °, with an inclination angle of 45 ° is particularly advantageous.
Versuche der Erfinder haben ergeben, dass das vorstehend erwähnte Symmetrieprinzip den Vorteil bietet, dass die Fokushö- he im Wesentlichen unabhängig von der Partikelgröße ist.Experiments by the inventors have shown that the symmetry principle mentioned above offers the advantage that the focus height is essentially independent of the particle size.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Symmetrieebene im Wesentlichen parallel zu der zusätzlichen äußeren Kraft ausgerichtet und verläuft deshalb vorzugs- weise parallel zu der hydrodynamischen Kraft bzw. zur Längsachse des Trägerstromkanals.In a preferred embodiment of the invention, the plane of symmetry is oriented substantially parallel to the additional external force and therefore preferably runs parallel to the hydrodynamic force or to the longitudinal axis of the carrier flow channel.
Vorzugsweise weist der Feldkäfig genau acht Käfigelektroden auf, die jeweils an den Ecken eines Hexaeders, insbesondere eines Kubus, angeordnet sind.Preferably, the field cage has exactly eight cage electrodes, which are each arranged at the corners of a hexahedron, in particular a cube.
In einer anderen Variante der Erfindung weist der Feldkäfig dagegen sechs Käfigelektroden auf, die jeweils an den Ecken eines Pentaeders angeordnet sind.In another variant of the invention, however, the field cage on six cage electrodes, which are each arranged at the corners of a pentahedron.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Käfigelektroden nicht auf Hexaeder oder Pentaeder beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Anordnungen realisierbar.However, the invention is not limited to hexahedron or pentahedron in terms of the spatial arrangement of the cage electrodes, but in principle also feasible with other arrangements.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass alle Käfigelektroden des erfindungsgemäßen Feldkäfigs die gleiche Spannungsamplitude aufweisen können. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Käfigelektroden unterschiedliche Spannungsamplituden aufweisen. Beispielsweise kann das Verhältnis der Spannungsamplituden der Käfigelektroden in der oberen Elektrodenebene einer- seits und der Käfigelektroden in der unteren Elektrodenebene andererseits variiert werden, um die Fokushöhe einzustellen.It should also be mentioned that all cage electrodes of the field cage according to the invention can have the same voltage amplitude. However, there is also the alternative possibility that the cage electrodes have different voltage amplitudes. For example, the ratio of the voltage amplitudes of the cage electrodes in the upper electrode plane on the one hand and the cage electrodes in the lower electrode plane on the other hand can be varied to adjust the focal height.
Bei der vorstehend erwähnten Variante mit acht Käfigelektroden können vier der Käfigelektroden in der Symmetrieebene liegen, während die anderen vier Käfigelektroden außerhalb der Symmetrieebene liegen können.In the eight-cage electrode variant mentioned above, four of the cage electrodes may be in the plane of symmetry, while the other four cage electrodes may be outside the plane of symmetry.
Die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden weisen dann vorzugsweise eine gemeinsame Phasenlage (z.B. 180°) auf, wie auch die außerhalb der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden vorzugsweise eine gemeinsame Phasenlage (z.B. 0°) aufweisen. Hierbei sind die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden einerseits und die außerhalb der Symmetrie- ebene liegenden Käfigelektroden andererseits vorzugsweise ge- genphasig, d.h. sie weisen einen Phasenunterschied von 180° auf.The cage electrodes lying in the plane of symmetry then preferably have a common phase position (e.g., 180 °), as well as the off-symmetry plane cage electrodes preferably have a common phase (e.g., 0 °). On the other hand, the cage electrodes lying in the plane of symmetry on the one hand and the cage electrodes lying outside the plane of symmetry, on the other hand, are preferably in the opposite phase, ie. they have a phase difference of 180 °.
Hierbei besteht auch die Möglichkeit, dass die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, während die außerhalb der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden auf Masse liegen und deshalb zwangsläufig e- benfalls eine gemeinsame Phasenlage aufweisen.In this case, there is also the possibility that the cage electrodes lying in the plane of symmetry have a common phase position, while the cage electrodes lying outside the plane of symmetry are grounded and therefore inevitably have a common phase position as well.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungslinien zwi- sehen den Käfigelektroden mit derselben Phasenlage jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90°, gegenüber der Schwerkraft geneigt sind. Darüber hinaus ist in einer Variante der Erfindung eine Symmetrieebene vorhanden, bezüglich derer die Käfigelektroden der einzelnen Phasenlagen jeweils antisymmetrisch angeordnet sind. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die einzel- nen Käfigelektroden bei einer Spiegelung an der Symmetrieebene jeweils auf eine gegenphasige Käfigelektrode abgebildet werden. Beispielsweise wird dann eine Käfigelektrode mit einer Phasenlage von 0° bei einer Spiegelung an der Symmetrieebene auf eine andere Käfigelektrode mit einer Phasenlage von 180° abgebildet. Die Symmetrieebene verläuft hierbei vorzugsweise parallel zu der Schwerkraft.Furthermore, it is advantageous if the connecting lines between the cage electrodes with the same phase angle are inclined in each case by a predetermined angle, preferably 90 °, with respect to gravity. In addition, in a variant of the invention, a plane of symmetry is present with respect to which the cage electrodes of the individual phase layers are each arranged antisymmetrically. In the context of the invention, this means that the individual cage electrodes are respectively imaged onto an opposite-phase cage electrode when mirrored at the plane of symmetry. For example, a cage electrode with a phase angle of 0 ° is then imaged at a mirroring on the plane of symmetry onto another cage electrode with a phase angle of 180 °. The plane of symmetry in this case preferably runs parallel to the force of gravity.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Käfigelektroden in mindestens einer der Elektrodenebenen jeweils an den Ecken eines geschlossenen Polygonzugs angeordnet sind, was jedoch bei einer kubischen Anordnung zwangsläufig der Fall ist.It should also be mentioned that the cage electrodes are arranged in at least one of the electrode planes in each case at the corners of a closed polygon, which is necessarily the case with a cubic arrangement.
Die Erfindung umfasst nicht nur den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Feldkäfig, sondern auch ein mikrofluidi- sches System mit einem derartigen Feldkäfig zur Fixierung von suspendierten Partikeln in einem Trägerstromkanal des mikrofluidischen Systems.The invention comprises not only the field cage according to the invention described above, but also a microfluidic system with such a field cage for fixing suspended particles in a carrier flow channel of the microfluidic system.
Ferner umfasst die Erfindung auch ein Gerät, insbesondere ei- nen Partikelsortierer, mit einem derartigen mikrofluidischen System. Das erfindungsgemäße Gerät weist eine Steuereinheit auf, welche die einzelnen Käfigelektroden des erfindungsgemäßen Feldkäfigs mit den vorstehend beschriebenen Phasenlagen ansteuert .Furthermore, the invention also encompasses a device, in particular a particle sorter, with such a microfluidic system. The device according to the invention has a control unit which activates the individual cage electrodes of the field cage according to the invention with the phase positions described above.
Schließlich umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren zur Ansteuerung der einzelnen Käfigelektroden des erfindungsgemäßen Feldkäfigs, wie sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahren kann der Feldkäfig auch abwechselnd in dem neuartigen ACCY-Modus und in dem bekannten ROT-Modus betrieben werden. In dem ACCY- Modus kann der fixierte Partikel dann ohne eine Partikelrotation untersucht werden. Zur Untersuchung des Partikels aus einer anderen Perspektive kann dann ein ROT-Modus eingeschaltet werden, um den fixierten Partikel in dem Feldkäfig zu drehen.Finally, the invention also encompasses a corresponding operating method for controlling the individual cage electrodes of the field cage according to the invention, as already evident from the above description. In the context of the operating method according to the invention, the field cage can also be operated alternately in the novel ACCY mode and in the known ROT mode. In the ACCY mode, the fixed particle can then be examined without particle rotation. To examine the particle from a different perspective, a RED mode can then be turned on to rotate the fixed particle in the field cage.
Weiterhin können im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens verschiedene Untersuchungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Lichtmikroskopie, Impedanzspektroskopie oder auch Ultraschallmikroskopie, um nur einige zu nen- nen.Furthermore, various investigation methods can be used within the scope of the operating method according to the invention, such as, for example, light microscopy, impedance spectroscopy or ultrasound microscopy, to name only a few.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are explained in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. Show it:
Figur 1 eine Perspektivansicht eines herkömmlichenFigure 1 is a perspective view of a conventional
Feldkäfigs in dem sogenannten ROT-Modus,Field cage in the so-called RED mode,
Figur 2 den Feldkäfig aus Figur 1 in dem sogenanntenFigure 2 shows the field cage of Figure 1 in the so-called
ACC-Modus,ACC mode,
Figur 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldkäfigs,FIG. 3 shows a preferred embodiment of the field cage according to the invention,
Figur 4 Feldverteilungen in den Feldkäfigen gemäß den Figuren 1-3, Figur 5 ein Kraftdiagramm, das die Kraftbeiträge in den verschiedenen Betriebsarten verdeutlicht,FIG. 4 shows field distributions in the field cages according to FIGS. 1-3, FIG. 5 shows a force diagram which illustrates the power contributions in the various operating modes,
Figur 6 ein Diagramm, das den Fokuspunkt als Funktion des Spannungsverhältnisses zwischen der oberen Elektrodenebene und der unteren E- lektrodenebene zeigt,FIG. 6 shows a diagram showing the focal point as a function of the voltage ratio between the upper electrode plane and the lower electrode plane,
Figur 7 eine stark vereinfachte Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem erfindungsgemäßen Feldkäfig,7 shows a greatly simplified perspective view of a microfluidic system according to the invention with a field cage according to the invention, FIG.
Figur ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs mit einer anderen Ausrichtung zur Strömungskraft,FIG. 1 shows another embodiment of a field cage according to the invention with a different orientation to the flow force, FIG.
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs mit sechs Käfigelektroden,FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a field cage according to the invention with six cage electrodes,
Figuren 10A-10D die Feldverteilung in dem Feldkäfig gemäßFIGS. 10A-10D show the field distribution in the field cage according to FIG
Figur 9,FIG. 9,
Figuren 11A-11C die Feldverteilung in dem Feldkäfig gemäßFIGS. 11A-11C show the field distribution in the field cage according to FIG
Figur 9 mit vergrößerten Mittelelektroden,FIG. 9 with enlarged center electrodes,
Figuren 12A-12C die Feldverteilung in dem Feldkäfig gemäßFigures 12A-12C, the field distribution in the field cage according to
Figur 9 bei einer Rotationsansteuerung des Feldkäfigs.FIG. 9 during a rotation control of the field cage.
Der erfindungsgemäße Feldkäfig gemäß Figur 3 stimmt teilweise mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Feldkäfigen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden.The field cage according to the invention according to FIG. 3 corresponds in part to the conventional field cages described above and shown in FIGS. 1 and 2, so that Reference is made to avoid repetition of the above description, wherein the same reference numerals are used for corresponding elements.
Ein wesentlicher Unterschied des erfindungsgemäßen Feldkäfigs gemäß Figur 3 besteht in der unterschiedlichen Phasenlage der einzelnen Käfigelektroden 2-9. So werden die beiden Käfigelektroden 2, 3 in der oberen Elektrodenebene einerseits und die beiden Käfigelektroden 8, 9 in der unteren Elektrodenebe- ne gleichphasig mit einer Phasenlage von 0° angesteuert. Die beiden Käfigelektroden 4, 5 in der oberen Elektrodenebene einerseits und die beiden Käfigelektroden 6, 7 in der unteren Elektrodenebene werden dagegen mit einer gemeinsamen Phasenlage von 180° angesteuert. Die Käfigelektroden 2-9 sind also bezüglich einer Symmetrieebene 11 symmetrisch in dem Sinne angeordnet, dass die Käfigelektroden 2-9 durch eine Spiegelung an der Symmetrieebene 11 jeweils auf gleichphasige Käfigelektroden 2-9 abgebildet werden.An essential difference of the field cage according to the invention according to FIG. 3 is the different phase position of the individual cage electrodes 2-9. Thus, the two cage electrodes 2, 3 in the upper electrode plane on the one hand and the two cage electrodes 8, 9 in the lower Elektrodenebe- ne in phased with a phase angle of 0 ° are driven. By contrast, the two cage electrodes 4, 5 in the upper electrode plane on the one hand and the two cage electrodes 6, 7 in the lower electrode plane are driven with a common phase position of 180 °. The cage electrodes 2-9 are thus arranged symmetrically with respect to a plane of symmetry 11 in the sense that the cage electrodes 2-9 are imaged by a reflection on the plane of symmetry 11 respectively on in-phase cage electrodes 2-9.
Die Symmetrieebene 11 ist hierbei parallel zu einer Strömungskraft FFLOW ausgerichtet, die auf die suspendierten Partikel 10 wirkt und durch die Strömung in einem Trägerstromkanal eines mikrofluidischen Systems erzeugt wird.The plane of symmetry 11 is in this case aligned parallel to a flow force F FLOW , which acts on the suspended particles 10 and is generated by the flow in a carrier flow channel of a microfluidic system.
Darüber hinaus ist die Symmetrieebene 11 gegenüber einer äußeren Schwerkraft g um einen Neigungswinkel von 45° geneigt.In addition, the plane of symmetry 11 is inclined to an external gravity g by an inclination angle of 45 °.
Figur 4 zeigt links die Feldverteilung E2 in dem Feldkäfig 1 gemäß Figur 1 in dem herkömmlichen ROT-Modus und in der Mitte die Feldverteilung in dem Feldkäfig 1 gemäß Figur 2 in dem bekannten ACC-Modus. Auf der rechten Seite zeigt Figur 4 dagegen die Feldverteilung in dem erfindungsgemäßen Feldkäfig 1 gemäß Figur 3 in dem neuen, sogenannten ACCY-Modus. Die Bilder in der oberen Reihe zeigen hierbei die Feldverteilung in einer Zentralebene parallel zur X-Y-Ebene. Die Bilder in der unteren Reihe zeigen dagegen die Feldverteilung in einer Zentralebene parallel zur Y-Z-Ebene.FIG. 4 shows on the left the field distribution E 2 in the field cage 1 according to FIG. 1 in the conventional ROT mode and in the middle the field distribution in the field cage 1 according to FIG. 2 in the known ACC mode. In contrast, on the right side, FIG. 4 shows the field distribution in the field cage 1 according to the invention according to FIG. 3 in the new, so-called ACCY mode. The pictures in the upper row show the field distribution in a central plane parallel to the XY plane. In contrast, the images in the lower row show the field distribution in a central plane parallel to the YZ plane.
Figur 5 zeigt ein Kraftdiagramm für einen in einem wässrigen Medium mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,3 Sm"1 suspendierten biologischen Partikel 10 (Zelle) mit einer Größe von 12μm, der in einem Feldkäfig mit 40 μm Elektrodenabstand gemäß Figur 4 bei einer Ansteuerung mit einer Span- nungsamplitude von IV und einer Ansteuerungsfrequenz von 0,7MHz gefangen wird, wobei an der senkrechten Achse die Kraft F aufgetragen ist, die auf die suspendierten Partikel 10 in dem Feldkäfig 1 wirkt. Auf der waagerechten Achse ist dagegen hierbei die Höhe entlang der Z-Achse aufgetragen. Hierbei sind in dem Kraftdiagramm die Werte für den ACC-Modus gemäß Figur 2 und für den ACCY-Modus gemäß Figur 3 bzw. den ROT-Modus gemäß Figur 1 gegenüber gestellt. Aus dem Kraftdiagramm ist ersichtlich, dass die fokussierende Kraft im Fokuspunkt selbst für 12 μm große Partikel relativ schwach ist. Da in dieser Ansteuerung der Gradient von E2 in der Zentralachse verschwindet, werden nur dielektrophoretische Kräfte wirksam, die proportional zur fünften Potenz des Partikelradius sind. Da andererseits die Sedimentationskraft volumenabhängig ist, hängt die Fokushöhe stark von der Partikelgröße ab. Bei dem neuartigen ACCY-Modus und bei dem herkömmlichen ROT-Modus weist die Fokussierungskraft dagegen im Fokuspunkt einen relativ starken Gradienten auf und die dielektrische Kraft ist proportional zum Partikelvolumen, was zu einer Stabilisierung und Fixierung weitgehend unabhängig von der Partikelgröße führt.Figure 5 shows a force diagram for a suspended in an aqueous medium having a specific electric resistance of 0.3 Sm "1 biological particle 10 (cell) having a size of 12 microns, in a field cage with 40 microns distance between electrodes according to FIG 4, when activated with a voltage amplitude of IV and a drive frequency of 0.7 MHz, the vertical axis being plotted with the force F acting on the suspended particles 10 in the field cage 1. The horizontal axis, on the other hand, is along the height 2 and for the ACCY mode according to FIG 3 and the RED mode according to Figure 1. The force diagram shows that the values for the ACC mode shown in FIG focussing force in the focal point is relatively weak even for 12 μm particles, since in this control the gradient of E 2 in the central axis disappears, Only dielectrophoretic forces that are proportional to the fifth power of the particle radius become effective. On the other hand, since the sedimentation force is volume-dependent, the focal height depends strongly on the particle size. In contrast, in the novel ACCY mode and in the conventional ROT mode, the focus force has a relatively strong gradient at the focal point and the dielectric force is proportional to the particle volume, resulting in stabilization and fixation largely independent of the particle size.
Figur 6 zeigt ein weiteres Diagramm, in dem der Versatz ΔZ des Fokuspunktes in Z-Richtung des Feldkäfigs 1 als Funktion des Spannungsverhältnisses zwischen der Spannungsamplitude der Käfigelektroden 2-5 in der oberen Elektrodenebene einerseits und der Käfigelektroden 6-9 in der unteren Elektrodenebene andererseits dargestellt ist (wobei der Einfluss der Gravitation vernachlässigt wurde) .FIG. 6 shows a further diagram in which the offset ΔZ of the focal point in the Z direction of the field cage 1 as a function of the voltage ratio between the voltage amplitude the cage electrodes 2-5 in the upper electrode plane on the one hand and the cage electrodes 6-9 in the lower electrode plane on the other hand is shown (with the influence of gravity was neglected).
Figur 7 zeigt ein stark vereinfachtes Beispiel eines mikro- fluidischen Systems 12 mit einem Trägerstromkanal mit einem rechteckigen Querschnitt, in dem ein Trägerstrom mit darin suspendierten Partikeln 10 strömt, wobei in dem Trägerstrom- kanal ein erfindungsgemäßer Feldkäfig 1 angeordnet ist.FIG. 7 shows a greatly simplified example of a micro fluidic system 12 having a carrier flow channel with a rectangular cross section, in which a carrier flow with particles 10 suspended therein flows, wherein a field cage 1 according to the invention is arranged in the carrier flow channel.
Figur 8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs 1, das weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 übereinstimmt, so dass zur Ver- meidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.FIG. 8 shows an alternative exemplary embodiment of a field cage 1 according to the invention, which largely corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. 3, so that reference is made to the above description in order to avoid repetitions.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der räumlichen Ausrichtung des Feldkäfigs 1 gegenüber der äußeren Strömungskraft FFLOW- So ist die Symmetrieebene 11 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 parallel zu der äußeren Strömungskraft FFLOW ausgerichtet, während die Symmetrieebene 11 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 gegenüber der äußeren Strömungskraft FFLOW um einen Winkel von 45° geneigt ist. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass der Partikel in dem Feldkäfig 1 besser gegen die Strömung fixiert werden kann.A special feature of this embodiment is the spatial orientation of the field cage 1 with respect to the outer flow force F FLOW - Thus, the plane of symmetry 11 in the embodiment of Figure 3 is aligned parallel to the outer flow force F FLOW , while the symmetry plane 11 in the embodiment of FIG the outer flow force F FLOW is inclined at an angle of 45 °. This advantageously leads to the fact that the particles in the field cage 1 can be better fixed against the flow.
Figur 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs 13 mit sechs Käfigelektroden 14- 19, die in Form eines Pentaeders angeordnet sind. Die Käfigelektroden 16-19 sind hierbei in einer unteren Elektrodenebene jeweils an den Ecken eines Quadrats angeordnet, während die Käfigelektroden 14, 15 in einer oberen Elektrodenebene angeordnet sind. Auch dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Fixierung von suspendierten Partikeln 20 in einer bestimmten Fokushöhe HF oberhalb der unteren Elektrodenebene, wobei die Fokushöhe Hf weitgehend unabhängig von der Partikelgröße ist.Figure 9 shows an alternative embodiment of a field cage 13 according to the invention with six cage electrodes 14-19, which are arranged in the form of a penta-leather. The cage electrodes 16-19 are in this case arranged in a lower electrode plane in each case at the corners of a square, while the cage electrodes 14, 15 are arranged in an upper electrode plane. Also this embodiment allows a fixation of suspended particles 20 in a certain focal height H F above the lower electrode plane, wherein the focal height H f is largely independent of the particle size.
Die Figuren 10A-10C zeigen den Feldverlauf in dem Feldkäfig gemäß Figur 9 in verschiedenen Schnittebenen, wie aus den Zeichnungen unmittelbar ersichtlich ist.FIGS. 10A-10C show the field profile in the field cage according to FIG. 9 in different sectional planes, as can be seen directly from the drawings.
Die Figuren 11A-11C zeigen den Feldverlauf in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel des Feldkäfigs gemäß Figur 9, bei dem die oberen Käfigelektroden 14, 15 gegenüber den unteren Käfigelektroden 16-19 vergrößert sind. Dies führt dazu, dass der Partikel in der Kanalmitte fixiert werden kann.FIGS. 11A-11C show the field profile in a modified embodiment of the field cage according to FIG. 9, in which the upper cage electrodes 14, 15 are enlarged in relation to the lower cage electrodes 16-19. This leads to the fact that the particle can be fixed in the channel center.
Schließlich zeigen die Figuren 12A-12C den Feldverlauf in dem Feldkäfig 13 gemäß Figur 9 bei einer Rotationsansteuerung. Dabei wird die Käfigelektrode 18 mit 0°, die Käfigelektrode 19 mit 180°, die Käfigelektrode 16 mit 300° und die Käfig- elektrode 17 mit 120° angesteuert. Die Käfigelektrode 14 in der oberen Elektrodenebene wird dagegen mit 60° angesteuert, während die Käfigelektrode 15 in der oberen Elektrodenebene mit 240° angesteuert wird.Finally, FIGS. 12A-12C show the field profile in the field cage 13 according to FIG. 9 during a rotation drive. The cage electrode 18 is driven at 0 °, the cage electrode 19 at 180 °, the cage electrode 16 at 300 ° and the cage electrode 17 at 120 °. The cage electrode 14 in the upper electrode plane, however, is driven at 60 °, while the cage electrode 15 is driven in the upper electrode plane at 240 °.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Bezugs zeichenliste :The invention is not limited to the preferred embodiments described above. Rather, a variety of variants and modifications is possible, which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope. Reference sign list:
I FeldkäfigI field cage
2-9 Käfigelektroden 10 Partikel2-9 cage electrodes 10 particles
II SymmetrieebeneII symmetry plane
12 Mikrofluidisches System12 Microfluidic system
13 Feldkäfig 14-19 Käfigelektroden 20 Partikel13 field cage 14-19 cage electrodes 20 particles
* * * * * * * * * *

Claims

ANSPRÜCHE
1. Feldkäfig (1; 13) zur räumlichen Fixierung von suspen- dierten Partikeln (10; 20) durch ein elektrisches Fangfeld, mit a) mindestens sechs Käfigelektroden (2-9; 14-19) zur Erzeugung des Fangfeldes, wobei die Käfigelektroden (2-9; 14-19) mindestens zwei verschiedene Phasenlagen aufwei- sen, b) mindestens einer Elektrodenebene, in der mehrere der Käfigelektroden (2-9; 14-19) angeordnet sind, wobei die Elektrodenebene im Wesentlichen rechtwinklig zu einer äußeren Schwerkraft (g) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass c) in der Elektrodenebene zwei unmittelbar benachbarte Käfigelektroden (2-9; 14-19) die gleiche Phasenlage aufweisen.1. Field cage (1; 13) for the spatial fixation of suspended particles (10; 20) by an electric trapping field, with a) at least six cage electrodes (2-9; 14-19) for generating the trapping field, wherein the cage electrodes ( 2-9, 14-19) have at least two different phase positions, b) at least one electrode plane in which a plurality of the cage electrodes (2-9, 14-19) are arranged, wherein the electrode plane is substantially perpendicular to an external gravity ( g) is aligned, characterized in that c) in the electrode plane two immediately adjacent cage electrodes (2-9, 14-19) have the same phase position.
2. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) in einer bestimmten Fokushöhe (HF) fixiert sind, wobei die Fokushöhe (HF) unabhängig von der Größe der fixierten Partikel (10; 20) ist.2. Field cage (1; 13) according to claim 1, characterized in that the suspended particles (10; 20) are fixed in the field cage (1; 13) at a specific focal height (H F ), the focal height (H F ) being regardless of the size of the fixed particles (10; 20).
3. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Elektrodenebene mindestens zwei Käfigelektroden (2-9; 14-19) angeordnet sind.3. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two cage electrodes (2-9; 14-19) are arranged in each electrode plane.
4. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine weitere äußere Kraft (FFLOW) auf die Partikel (10; 20) wirkt, die im wesentlichen senkrecht zu der Schwerkraft (g) ausgerichtet ist. 4. field cage (1; 13) according to one of the preceding Ansprü ¬ che, characterized in that in addition a further external force (F FLOW ) acts on the particles (10; 20), which is aligned substantially perpendicular to the gravitational force (g) is.
5. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche äußere Kraft (FFL0W) durch eine hydrodynamische Strömung erzeugt wird.5. Field cage (1; 13) according to claim 4, characterized in that the additional external force (F FL0W ) is generated by a hydrodynamic flow.
6. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet: durch a) eine Symmetrieebene (11), in der mehrere der Käfigelektroden (2-9) angeordnet sind und bezüglich derer die Käfigelektroden (2-9) der einzelnen Phasenlagen je- weils symmetrisch angeordnet sind, sowie b) eine Neigung der Symmetrieebene gegenüber der Schwerkraft (g) .6. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized by: a) a plane of symmetry (11) in which a plurality of the cage electrodes (2-9) are arranged and with respect to which the cage electrodes (2-9) of the individual phase positions each symmetrically arranged, and b) an inclination of the plane of symmetry with respect to gravity (g).
7. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, dass die Symmetrieebene (11) gegenüber der Schwerkraft (g) mit einem Neigungswinkel zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60°, insbesondere 45°, geneigt ist.7. field cage (1; 13) according to claim 6, characterized marked, that the plane of symmetry (11) with respect to gravity (g) with an inclination angle between 10 ° and 80 °, in particular between 30 ° and 60 °, in particular 45 ° , is inclined.
8. Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass die Symmetrieebene (11) im Wesentlichen parallel zu der zusätzlichen äußeren Kraft (FFL0W) ausgerichtet ist.8. field cage (1; 13) according to one of claims 6 to 7, character- ized in that the plane of symmetry (11) is aligned substantially parallel to the additional external force (F FL0W ).
9. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Feldkäfig (1; 13) acht Käfigelektroden (2-9) aufweist, die jeweils an den Ecken eines Hexaeders, insbesondere eines Kubus, angeordnet sind, oder b) dass der Feldkäfig (1; 13) sechs Käfigelektroden (14- 19) aufweist, die jeweils an den Ecken eines Pentaeders angeordnet sind. 9. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized in that a) that the field cage (1; 13) comprises eight cage electrodes (2-9), each at the corners of a hexahedron, in particular a cube, or b) that the field cage (1; 13) comprises six cage electrodes (14-19) each disposed at the corners of a penta-cher.
10. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Käfigelektroden (2-9; 14-19) die gleiche Spannungsamplitude aufweisen.10. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized in that all the cage electrodes (2-9; 14-19) have the same voltage amplitude.
11. Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier der Käfigelektroden (2-9) in der Symmetrieebene (11) liegen, während die anderen vier Käfigelektroden (2-9) außerhalb der Symmetrieebene liegen.11. Field cage (1; 13) according to one of claims 9 to 10, characterized in that four of the cage electrodes (2-9) lie in the plane of symmetry (11), while the other four cage electrodes (2-9) lie outside the plane of symmetry ,
12. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, und c) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) einerseits und die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) ande- rerseits gegenphasig sind.12. field cage (1; 13) according to claim 11, characterized in that a) that in the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2-9) have a common phase position, b) that the outside of the plane of symmetry (11) lying cage electrodes ( 2-9) have a common phase position, and c) that in the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2-9) on the one hand and the outside of the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2-9) on the other hand are in opposite phase.
13. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfig- elektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) auf Masse liegen.13. Field cage (1; 13) according to claim 11 or 12, characterized in that a) that in the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2-9) have a common phase position, b) that outside the plane of symmetry (11 ) lying on ground cage electrodes (2-9).
14. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (2-9;14. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized in that the cage electrodes (2-9;
14-19) in den verschiedenen Elektrodenebenen entweder a) die gleiche Spannungsamplitude oder b) eine andere Spannungsamplitude aufweisen. 14-19) in the different electrode planes have either a) the same voltage amplitude or b) a different voltage amplitude.
15. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit derselben Phasenlage jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90°, gegenüber der Schwerkraft (g) geneigt sind.15. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting lines between the cage electrodes (2-9; 14-19) with the same phase angle are each at a predetermined angle, preferably 90 °, with respect to the force of gravity (g ) are inclined.
16. Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet: dadurch, dass a) dass eine Symmetrieebene vorhanden ist, bezüglich derer die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der einzelnen Phasenlagen jeweils antisymmetrisch angeordnet sind, und b) dass die Symmetrieebene parallel zu der Schwerkraft verläuft.16. field cage (1; 13) according to one of claims 1 to 6, characterized in that a) that a plane of symmetry is present, with respect to which the cage electrodes (2-9; 14-19) of the individual phase positions are each arranged antisymmetric, and b) that the plane of symmetry is parallel to gravity.
17. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) in mindestens einer der Elektrodenebenen jeweils an den Ecken eines geschlossenen Polygonzugs angeordnet sind.17. Field cage (1; 13) according to one of the preceding claims, characterized in that the cage electrodes (2-9; 14-19) are arranged in at least one of the electrode planes at the corners of a closed traverse.
18. Mikrofluidisches System (12) mit einem Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.18. A microfluidic system (12) with a field cage (1; 13) according to one of the preceding claims.
19. Partikelsortierer mit einem mikrofluidischen System nach Anspruch 18.19. Particle sorter with a microfluidic system according to claim 18.
20. Betriebsverfahren für einen Feldkäfig (1; 13) mit mehreren Käfigelektroden (2-9; 14-19) , insbesondere für einen Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit dem folgenden Schritt: Ansteuerung der einzelnen Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit Wechselstromsignalen mit mindestens zwei verschiedenen Phasenlagen, so dass suspendierte Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) durch ein Fangfeld räumlich fixiert werden, wobei in einer rechtwinklig zu einer äußeren Schwerkraft (G) ausgerichteten Elektrodenebene mehrere der Käfigelektroden (2-9; 14-19) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet:, dass mindestens zwei unmittelbar benachbarte Käfigelektroden (2-9; 14-19) in der Elektrodenebene gleichphasig angesteuert werden.20. Operating method for a field cage (1; 13) with a plurality of cage electrodes (2-9; 14-19), in particular for a field cage (1; 13) according to one of claims 1 to 17, with the following step: activation of the individual cage electrodes (2-9, 14-19) with alternating current signals having at least two different phase positions, so that suspended particles (10; 20) in the field cage (1; 13) are spatially fixed by a trapping field, wherein in a perpendicular to an external gravity ( G) a plurality of cage electrodes (2-9, 14-19) are arranged, characterized in that at least two immediately adjacent cage electrodes (2-9; 14-19) are driven in phase in the electrode plane.
21. Betriebsverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet:, dass die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) in einer bestimmter Fokushöhe (HF) fixiert werden, wobei die Fokushöhe (HF) unabhängig von der Größe der suspendierten Partikeln (10; 20) ist.21. Operating method according to claim 20, characterized in that the suspended particles (10; 20) are fixed in the field cage (1; 13) at a certain focal height (H F ), the focal height (H F ) being independent of the size of the suspended particles (10; 20).
22. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass a) dass die Käfigelektroden (2-9) der einzelnen Phasenlagen jeweils bezüglich einer Symmetrieebene (11) symmet¬ risch angeordnet sind, b) dass in der Symmetrieebene (11) mehrere der Käfigelekt- roden (2-9; 14-19) angeordnet sind, und c) dass die Symmetrieebene (11) gegenüber der Schwerkraft22. Operating method according to one of claims 20 to 21, characterized in are that a) that the cage electrodes (2-9) of the individual phase positions respectively with respect to (a plane of symmetry 11) symmet arranged ¬ driven, b) that in the plane of symmetry (11) several of the cage selectors (2-9, 14-19) are arranged, and c) that the plane of symmetry (11) against gravity
(g) geneigt ist.(g) is inclined.
23. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieebene (11) gegenüber der Schwerkraft (g) mit einem Neigungswinkel zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60°, insbesondere 45°, geneigt ist.23. Operating method according to one of claims 20 to 22, characterized in that the plane of symmetry (11) relative to the gravitational force (g) with an inclination angle between 10 ° and 80 °, in particular between 30 ° and 60 °, in particular 45 °, is inclined ,
24. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine äußere Kraft (FFLOw) auf die Partikel (10; 20) wirkt, die im wesentlichen senkrecht zu der äußeren Schwerkraft (g) ausgerichtet ist. 24. Operating method according to one of claims 20 to 23, characterized in that in addition an external force (F FLO w) acts on the particles (10; 20), which is aligned substantially perpendicular to the external gravitational force (g).
25. Betriebsverfahren Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet:, dass die zusätzliche äußere Kraft (FFLOw) durch eine hydrodynamische Strömung erzeugt wird.25. Operating method claim 24, characterized in that: the additional external force (F FLO w) is generated by a hydrodynamic flow.
26. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (1) acht Käfigelektroden (2-9) aufweist, die an den Ecken eines Hexaeders, insbesondere eines Kubus, angeordnet sind.26. Operating method according to one of claims 20 to 25, characterized in that the field cage (1) eight cage electrodes (2-9), which are arranged at the corners of a hexahedron, in particular a cube.
27. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass alle Käfigelektroden (2-9; 14- 19) mit der gleichen Spannungsamplitude angesteuert werden.27. Operating method according to one of claims 20 to 26, characterized in that all the cage electrodes (2-9, 14- 19) are driven with the same voltage amplitude.
28. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass vier der Käfigelektroden (2-9) in der Symmetrieebene (11) liegen, während die anderen vier Käfigelektroden (2-9) außerhalb der Symmetrieebene liegen.28. Operating method according to one of claims 20 to 27, characterized in that four of the cage electrodes (2-9) lie in the plane of symmetry (11), while the other four cage electrodes (2-9) lie outside the plane of symmetry.
29. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage auf- weisen, und c) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) einerseits und die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) andererseits gegenphasig sind.29. Operating method according to one of claims 20 to 28, characterized in that a) that in the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2-9) have a common phase position, b) that the outside of the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2 9) have a common phase position, and c) that the cage electrodes (2-9) lying in the plane of symmetry (11) on the one hand and the cage electrodes (2-9) lying outside the plane of symmetry (11), on the other hand, are in opposite phase.
30. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) auf Masse liegen.30. Operating method according to one of claims 20 to 29, characterized in that a) that in the plane of symmetry (11) lying cage electrodes (2-9) have a common phase position, b) that lying outside the plane of symmetry (11) cage electrodes (2-9) are grounded.
31. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet:, dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) in den verschiedenen Elektrodenebenen entweder a) mit der gleichen Spannungsamplitude oder b) mit unterschiedlichen Spannungsamplituden angesteuert werden.31. Operating method according to one of claims 20 to 30, characterized in that the cage electrodes (2-9; 14-19) in the different electrode planes are driven either a) with the same voltage amplitude or b) with different voltage amplitudes.
32. Betriebsverfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet a) dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der oberen Elektrodenebene und die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der un- teren Elektrodenebene mit unterschiedlichen Spannungsamplituden entsprechend einem bestimmten Amplitudenverhältnis angesteuert werden, und b) dass das Amplitudenverhältnis entsprechend der gewünschten Fokushöhe (HF) eingestellt wird.32. Operating method according to claim 31, characterized in that a) that the cage electrodes (2-9; 14-19) of the upper electrode plane and the cage electrodes (2-9; 14-19) of the lower electrode plane with different voltage amplitudes corresponding to a certain amplitude ratio be controlled, and b) that the amplitude ratio is set according to the desired focus height (H F ).
33. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit derselben Phasenlage jeweils um einen vorgegebenen Winkel, insbesondere 90°, gegen- über der Schwerkraft (g) geneigt sind.33. Operating method according to one of claims 20 to 32, characterized in that the connecting lines between the cage electrodes (2-9, 14-19) with the same phase position in each case by a predetermined angle, in particular 90 °, with respect to the gravity (g) are inclined.
34. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit derselben Phasenlage je- weils im Wesentlichen parallel zu der Schwerkraft (g) ausgerichtet sind. 34. Operating method according to one of claims 20 to 33, characterized in that the connecting lines between the cage electrodes (2-9; 14-19) are aligned with the same phase position each substantially parallel to the gravitational force (g).
35. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Einstellung eines Fixiermodus zur Fixierung der suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) und b) Einstellung eines Rotationsmodus des Feldkäfigs (1; 13) vor und/oder nach dem Fixiermodus, wobei in dem Rotationsmodus die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) gedreht werden.35. Operating method according to one of claims 20 to 34, characterized by the following steps: a) setting of a fixing mode for fixing the suspended particles (10; 20) in the field cage (1; 13) and b) setting a rotation mode of the field cage (1; 13) before and / or after the fixing mode, wherein in the rotation mode the suspended particles (10; 20) in the field cage (1; 13) are rotated.
36. Betriebsverfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) in dem Rotationsmodus jeweils paarweise mit vier verschiedenen Phasenlagen angesteuert werden.36. Operating method according to claim 35, characterized in that the cage electrodes (2-9, 14-19) in the rotation mode are each driven in pairs with four different phase angles.
37. Betriebsverfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Phasenlagen in dem Rotationsmodus 0°, 90°, 180° und 270° sind.37. Operating method according to claim 36, characterized in that the four phase positions in the rotation mode are 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.
38. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd der Fixiermodus und der Rotationsmodus eingestellt wird.38. Operating method according to one of claims 34 to 37, characterized in that alternately the fixing mode and the rotation mode is set.
39. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Untersuchung des in dem Feldkäfig (1; 13) fixierten Partikels (10; 20) im Fixiermodus des Feldkäfigs (1; 13) .39. Operating method according to one of claims 34 to 38, characterized by the following step: examination of the in the field cage (1; 13) fixed particle (10; 20) in the fixing mode of the field cage (1; 13).
40. Betriebsverfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) durch eines der folgenden Untersuchungsverfahren erfolgt: a) Lichtmikroskopie, b) Impedanzspektroskopie oder c) Ultraschallmikroskopie. 40. Operating method according to claim 39, characterized in that the examination of the particles (10; 20) in the field cage (1; 13) takes place by one of the following examination methods: a) light microscopy, b) impedance spectroscopy or c) ultrasonic microscopy.
41. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 40, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:41. Operating method according to one of claims 39 to 40, characterized by the following step:
Selektion bestimmter Partikel (10; 20) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Untersuchung.Selection of certain particles (10; 20) depending on the result of the study.
42. Betriebsverfahren nach Anspruch 41, gekennzeichnet: durch folgenden Schritt:42. Operating method according to claim 41, characterized by the following step:
Sortierung der selektierten Partikel (10; 20) in einen von mehreren Trägerstromausgangsleitungen eines mikrofluidischen Systems .Sorting the selected particles (10; 20) into one of several carrier flow output lines of a microfluidic system.
43. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 42, dadurch gekennzeichnet:, dass die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) rotationsfrei fixiert werden.43. Operating method according to one of claims 20 to 42, characterized in that the suspended particles (10; 20) in the field cage (1; 13) are fixed without rotation.
44. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 43, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der einzelnen Phasenlagen jeweils bezüglich genau einer Symmetrieebene antisymmetrisch angeordnet sind, und b) dass die Symmetrieebene parallel zu der Schwerkraft verläuft .44. Operating method according to one of claims 20 to 43, characterized in that a) that the cage electrodes (2-9, 14-19) of the individual phase positions are each arranged antisymmetrically with respect to exactly one plane of symmetry, and b) that the plane of symmetry parallel to the gravity runs.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19500683B4 (en) * 1994-12-10 2007-03-22 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Trapping of molecules and microparticles in field cages
DE19653659C1 (en) * 1996-12-20 1998-05-20 Guenter Prof Dr Fuhr Electrode arrangement for field cages
DE60202374T2 (en) * 2002-10-25 2005-12-08 Evotec Technologies Gmbh Method and apparatus for taking three-dimensional images of suspended micro-objects using high-resolution microscopy
DE10311716A1 (en) * 2003-03-17 2004-10-14 Evotec Oai Ag Method and device for separating particles in a liquid flow
DE10352416B4 (en) * 2003-11-10 2005-10-20 Evotec Technologies Gmbh Methods and apparatus for examining a deformable object
WO2005075957A1 (en) * 2004-02-04 2005-08-18 Evotec Technologies Gmbh Microfluidic system comprising an electrode arrangement and associated control method
DE102004017474A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-27 Evotec Technologies Gmbh Measuring device for impedance spectroscopy and associated measuring method
DE102004023466B4 (en) * 2004-05-12 2008-11-13 Evotec Technologies Gmbh Method and device for collecting suspended particles

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