EP4188607A1 - Method and fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles - Google Patents

Method and fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles

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EP4188607A1
EP4188607A1 EP21752544.3A EP21752544A EP4188607A1 EP 4188607 A1 EP4188607 A1 EP 4188607A1 EP 21752544 A EP21752544 A EP 21752544A EP 4188607 A1 EP4188607 A1 EP 4188607A1
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EP
European Patent Office
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electrode
particle
electrode segments
channel
segment
Prior art date
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Pending
Application number
EP21752544.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Kirschbaum
Marten Tobias GERLING
Nieves GODINO AMADO
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • B03C5/005—Dielectrophoresis, i.e. dielectric particles migrating towards the region of highest field strength
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    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/26—Details of magnetic or electrostatic separation for use in medical applications

Definitions

  • the invention relates to a method for dielectrophoretic manipulation of suspended particles, in particular for sorting suspended particles such.
  • B biological cells or microcompartments in a fluidic microsystem.
  • the invention relates to a fluidic microsystem that is set up for dielectrophoretic manipulation, in particular for sorting, of suspended particles.
  • Applications of the invention are z. B. given in the processing of particles, in particular of biological cells, microcompartments or other micro-objects in chemistry, medicine, biology or biochemistry.
  • heterogeneous particle samples e.g. B. heterogeneous cell samples.
  • B. heterogeneous cell samples
  • conventional flow cytometry enables large cell samples to be characterized in a short time using very simple markers ("low-content” markers), such as e.g. B. size, granularity or integral fluorescence intensity of the biological cells.
  • Microscopy techniques are typically used to also record spatially resolved structural properties of individual cells or artificial microcompartments ("high-content” markers).
  • the "high-content” markers are of great relevance for modern biomedicine, since, for example, biological processes are often determined by the spatial arrangement of cellular components [1]. platelets or the metastasis potential of cancer stem cells, the strength and type of interaction between cells, the local protein distribution within the cell and/or the number and arrangement of cellular components.
  • FACS Fluorescence-Activated Cell Sorting
  • a combination with microscopy technology is possible for many fluidic microsystems with planar channel structures.
  • microscope image data from microscopy techniques or measurement data from other complex measurement techniques can be used directly for the identification and sorting of cells using "high-content" markers.
  • Suspended cells moving one after the other in a channel of a fluidic microsystem can be sorted using micromechanical ([3]), optical ([5]), hydrodynamic ([7], [8] or [9]), electrokinetic [2] or other [10] forces.
  • Electrokinetic forces have the advantage that they can be generated with electrodes integrated in the channel in a highly parallel manner and with a high level of local precision and integration density, independently of the measurement of the cells, in particular of the optical field of view of a microscope.
  • the application of electrokinetic forces is based z. B. on dielectrophoresis, in which a force is generated by polarizing the cells in inhomogeneous high-frequency electric fields ([6]).
  • electrodes arranged on the upper and lower side of the channel are exposed to high-frequency electric fields, so that repulsive forces are exerted on the cells and a field barrier is formed by the electrodes (negative dielectrophoresis, see e.g. [4], [11], [12] and [13]).
  • FIG An example of a channel 10' of a fluidic microsystem 100' with two pairs of electrodes 21A', 21B' is shown in FIG only the electrodes on the underside of the channel are shown.
  • an electric field is present at the electrodes 21A', 21B', it is impossible or possible for suspended cells I 1 to pass through the respective field barriers.
  • the cells I 1 can pass through the non-activated electrodes 21A 1 and cannot pass through the activated electrodes 21B 1 .
  • the electrodes 21A', 21B' are arranged at a deflection angle a' obliquely to the direction of flow in the channel, the superimposition of the flow forces in the flow of the suspension liquid and the dielectrophoretic forces along the electrodes or field barriers cause the cells to move to another flow path in the channel guided, or they continue to follow their original flow path.
  • the sequence of the cells 1A', 1B' in the channel 10' should be maintained at least in the time interval between the image recording with the microscope 40' and the sorting process (in particular during the period required for image processing) or at least be tracked by measurement technology, otherwise a correct assignment between the recorded cell and the cell to be analyzed and sorted is hardly possible.
  • the reliability of the electrode function, with which the particles can be deflected from their hydrodynamic flow lines (movement paths) at a given flow speed, depends on the deflection angle of the deflecting electrode relative to the channel and flow direction (angle between channel direction and longitudinal direction of the electrode extension). The smaller the deflection angle, the more reliably the electrode works. This means that given a specific target displacement (displacement of the particles perpendicular to the direction of flow) the required interaction length (or: detection length) of the electrode increases with decreasing deflection angle.
  • the reliability, in particular, of the sorting function of the electrode 21' is thus related in particular to the interaction length L' of the electrode 21' in the longitudinal direction (flow direction) of the channel 10'.
  • the electrode 21' according to FIG. 3 has a greater interaction length L' and thus a greater reliability of the sorting function than the electrode 21B' according to FIG.
  • the interaction length L' also determines the minimum distance between the cells 1' flowing one behind the other in the channel 10', for which the individual cells 1' can still be handled independently of one another and their error-free sorting is made possible without also detecting or detecting subsequent cells 1A' to influence.
  • the cell density is so high that the different cells 1A', 1B' cannot be separated as desired and directed to the different sub-channels 11', 12'.
  • the object of the invention is to provide an improved method for operating a fluidic microsystem for dielectrophoretic manipulation of suspended particles in a suspension liquid and/or an improved fluidic microsystem for dielectrophoretic manipulation of suspended particles, with which disadvantages of conventional techniques are avoided.
  • the dielectrophoretic manipulation of the suspended particles should be able to take place in particular with an increased particle density without impairing the reliability of the electrode function.
  • This object is achieved by a method for operating a fluidic microsystem or by a fluidic microsystem, which have the features of the independent claims. Preferred embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.
  • the above object is achieved by a method for operating a fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles with a predetermined particle diameter in a suspension liquid.
  • the fluidic microsystem comprises a channel with a longitudinal direction, an electrode device with an elongated electrode (deflection electrode), whose longitudinal extension deviates from the longitudinal direction of the channel and which has a large number of individually controllable electrode segments (partial electrodes) for generating dielectrophoretic forces acting on the particles ,
  • Each electrode segment having a deflection angle (electrode angle) ( « ⁇ relative to the longitudinal direction of the channel and a segment length (si) which determine a segment offset (Di) transverse to the longitudinal direction of the channel, and a control device with which the electrode segments can be controlled.
  • the method for operating the fluidic microsystem comprises the steps of generating a flow of the suspension liquid at a flow rate in the channel, so that the suspended particles successively pass through an interaction area of the electrode that is spanned by the electrode segments, and controlling the electrode segments to deflect the particles in the Channel each on predetermined trajectories, which are determined by a superposition of flow forces in the flow of the suspension liquid and the dielectrophoretic forces that are generated at the electrode segments.
  • each of the electrode segments is controlled in a clocked manner by the control device depending on the desired movement path for a predetermined activation period.
  • the activation duration of each electrode segment is determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment and the flow rate.
  • the electrode segments are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment is smaller than the particle diameter, and at least two consecutive electrode segments interact for the deflection of the particles.
  • the above object is achieved by a fluidic microsystem that is set up for the dielectrophoretic manipulation of particles with a predetermined particle diameter in a suspension liquid.
  • the microsystem comprises a channel with a longitudinal direction, an electrode device with an elongated electrode whose longitudinal extent deviates from the longitudinal direction of the channel and which has a large number of individually controllable electrode segments for generating dielectrophoretic forces acting on the particles, each electrode segment having a deflection angle ( aj relative to the longitudinal direction of the channel and a segment length (si), which determine a segment offset (Di) transverse to the longitudinal direction of the channel, and a control device with which the electrode segments can be controlled.
  • the channel is designed to receive a flow of the suspension liquid with a Flow rate set up in such a way that the suspended particles successively pass through an interaction area of the electrode, which is spanned by the electrode segments Channel each set up on predetermined trajectories, which are determined by a superposition of flow forces in the flow of the suspension liquid and the dielectrophoretic forces that are generated at the electrode segments.
  • the control device is set up to control the passage of each particle of each of the electrode segments, which the particle successively passes, in a clocked manner depending on the desired movement path for a predetermined activation period, the activation period of each electrode segment being determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment and the flow rate is determined.
  • the electrode segments are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment is smaller than the particle diameter.
  • the control device is set up to control the electrode segments in such a way that at least two consecutive electrode segments interact in each case for the deflection of the particles.
  • the method according to the first general aspect of the invention or one of its preferred embodiments is preferably carried out with the fluidic microsystem according to the second general aspect of the invention or one of its preferred embodiments.
  • the object of the invention is advantageously achieved in particular in that the electrode segments of an electrode are clocked in a particle-specific manner, ie each for the predetermined activation period.
  • the activation duration is at least equal to the time interval which a particle needs for the passage of an electrode segment.
  • Each particle passes each of the electrode segments for a specific time interval determined by segment length and flow rate. Since the time intervals of the passage of each particle at each of the electrode segments and thus also the position of the time intervals relative to one another are predetermined, the electrode segments can be specifically controlled individually for the activation durations.
  • the invention provides for all electrode segments to be activated continuously in a particle-specific manner.
  • the activation of the electrode segments migrates with the particles that reach the electrode.
  • the activation of an electrode segment at a specific point in time only affects the particle that passes the electrode segment under consideration.
  • the activation of the electrode segment has no influence on particles that are on other electrode segments of the electrode at the time.
  • the particles can pass the electrode with a greater cell density (number of cells per length in the channel), so that the throughput increases.
  • the electrode has a specific, possibly different effect for each particle, even if several particles are within the interaction length of the overall electrode.
  • the flow rate in the microsystem can be selected to be relatively high according to the invention, without disadvantages due to the the resulting high total interaction length of the electrode in relation to the particle density must be accepted.
  • the dielectrophoretic manipulation of the particles generally includes a displacement of particles through the interaction of the dielectrophoretic forces and the flow forces on predetermined trajectories within the channel of the microsystem, for example for a distribution of the particles on the trajectories, a change in the order of the particles or preferably a sorting of the particles into different channels downstream of the electrode device.
  • the electrode segments that the particle successively passes by are activated successively with the control device until the particle has the desired one due to the segment offset at the respectively activated electrode segments Reached trajectory, and not activated the electrode segment located in this.
  • the invention is applicable with different types of particles, e.g. B. biological particles such as biological cells or their components, or non-biological particles such as carrier particles with chemical substances or macromolecules. All particles can have the same diameter (homogeneous particle sample). Alternatively, the particles can each have different diameters (heterogeneous particle sample), in which case the segment offset is smaller than the smallest particle diameter.
  • the particles generally include micro-objects with a characteristic size, e.g. B. diameter, which is preferably equal to or greater than 1 pm and / or equal to or less than 1 mm. This size range has particular advantages with regard to the observability of the particles with sufficient optical resolution, the dielectrophoretic forces, and/or the maintenance of laminar flow conditions.
  • the particles can biological particles such. B. animal or plant cells or bacteria or cell clusters include.
  • the diameter of biological cells are z. B. in the range of 5 pm to 25 pm, and the diameter of cell clusters are z. B. in the range of 25 pm to 250 pm.
  • the particles can be non-biological micro-objects, such as e.g. B. plastic particles and / or semiconductor particles include.
  • the suspension liquid is a liquid medium such as e.g. B. an aqueous solution, in the case of manipulation of biological cells in particular a physiologically compatible liquid or a cultivation medium.
  • Electrode is typically made up of two mutually congruent groups of electrode segments on opposite channel walls, e.g. B. channel base and channel top formed.
  • an electrode may comprise a single group of electrode segments on a single channel wall.
  • the elongate electrode typically has the shape of a straight, piecewise straight or curved strip composed of the successively arranged electrode segments, which encloses the deflection angle with the longitudinal direction of the channel. Facing ends of the electrode segments are isolated from each other and electrically isolated.
  • the electrode segments can all have the same or different deflection angles. In the case of curved electrode segments, the deflection angle can be determined by a tangent to the electrode segment, for example at one of its ends or its middle.
  • the electrodes are used to deflect the particles in the channel onto predetermined movement paths.
  • the movement paths are flow paths or trajectories of the particles, which are arranged next to one another in the direction of flow in the channel.
  • the channel In the area of the electrode device, the channel preferably runs straight, and the movement paths run parallel in accordance with the flow profile of a laminar flow formed in the channel.
  • the segment lengths (si) of the electrode segments can be less than or equal to 10 times the particle diameter, in particular less than or equal to twice or even less than or equal to one particle diameter.
  • the detection length is shortened and the space requirement in the microsystem is reduced.
  • the segment lengths (si) of the electrode segments can, for. B. less than or equal to 50 pm, in particular less than or equal to 10 pm.
  • the segment lengths are preferably at least equal to or greater than one tenth part of the particle diameter.
  • the deflection angles (a) of the electrode segments can be less than 10°, in particular less than 5° to almost 0°.
  • the deflection angles (aj) of the electrode segments are in particular significantly less than the deflection angles disclosed, for example, in [12]. The reliability of the field barrier formed by the electrode and the reliability of the manipulation of the particles are advantageously improved by the small deflection angles.
  • the activation durations of the electrode segments can be selected depending on the particle size and the flow rate. For example, in particular with a particle diameter of 100 ⁇ m and a flow rate of 1 mm/s, the activation durations of the electrode segments can be less than or equal to 100 ms, in particular less than or equal to 50 ms, particularly preferably 20 ms or 30 ms or even less being.
  • such short activation durations of the electrode segments allow an increase in the throughput of the particle manipulation due to a higher propulsion speed/flow speed that can be selected.
  • a position detection for determining at least one particle position of each particle and a control of the electrode segments depending on the at least one particle position of each particle are provided.
  • a sequence of time periods in which the respective particle passes the individual electrode segments can advantageously be determined by the position detection.
  • the activation durations of the electrode segments correspond to the recorded time periods.
  • the electrode segments can be activated or not activated for each particle for the duration of the respective time periods.
  • the fluidic microsystem is preferably equipped accordingly with a position detection device with which the at least one particle position of each particle can be detected, the control device being set up to control the electrode segments depending on the at least one particle position of each particle.
  • the position detection includes an observation of the interaction area of the electrode with a microscope device, the electrode segments past which the particle successively passes being detected directly with the microscope device.
  • the position detection device of the microsystem comprises the microscope device, which is arranged for observing the interaction region of the electrode and for directly detecting the electrode segments which the particle successively passes by.
  • the position detection comprises an observation of an observation area upstream of the interaction area of the electrode with a microscope device, the observation area being spaced apart from each of the electrode segments by a predetermined channel length and the electrode segments, which the particle successively passes, consist of a Observation time of the particles in the observation area, the channel lengths and the flow rate can be determined.
  • the microscope device forms a position detection device of the microsystem, which is arranged upstream of the electrode.
  • the position detection can be combined with image processing for detecting particle features, with the transit time of each particle along the channel length enough time for image processing and z. B. a sorting decision is available.
  • At least one particle property of each particle is detected, with the electrode segments being controlled as a function of the at least one particle property.
  • the control device is preferably set up to activate the electrode as a function of at least one particle property.
  • the particulate property preferably includes at least one of a particulate structure and at least one particulate substance.
  • the particle property is determined, for example, using optical and/or photonic methods, e.g. B. scattering measurements, and / or detected with lensless X-ray diffraction.
  • the particle property is particularly preferably recorded with the microscope device in connection with an image analysis device with which at least one particle property can be determined from image data of each particle.
  • Image data-based particle sorting especially cell sorting, with high throughput is of great benefit for all areas of life sciences and cell-based medicine.
  • a precise and safe isolation of cells, especially in a clinical context, provides new cell therapy methods and standards with high social and economic potential (e.g. in CAR T cell therapy).
  • the image data-based sorting of cells also has applications in basic biomedical research, especially in drug development, such as in the areas of drug screening, immuno-oncology or stem cell production.
  • a distribution of the particles in the microsystem is preferably selected such that there are a plurality of particles in the interaction region of the electrode, with at most one of the particles being located on each electrode segment on average over time.
  • the distribution of the particles can be determined simultaneously with the detection of at least one particle property. Particles that are so close together that at least two particles pass through an electrode segment at the same time can be detected and discarded.
  • the channel of the microsystem downstream of the interaction area of the electrode is divided into several sub-channels and each of the particles moves into one of the sub-channels by controlling the electrode segments depending on the respective at least one particle property will.
  • the control device is set up to control each of the particles to move by the activation of the electrode depending on the at least one particle property of the particle in one of the sub-channels.
  • the sorting function of the electrode can be fulfilled in a particle-specific manner, even if a number of particles are located within the interaction length of the electrode.
  • Each electrode segment on which a particle is currently located is controlled (activated or not activated) according to the detected particle property and sorting decision.
  • the flow rate of the suspension is adjusted to a predetermined constant value using a control circuit.
  • the microsystem in particular the control device, is preferably coupled to the control loop.
  • a constant flow rate allows increased accuracy in setting the activation duration of the electrode segments.
  • FIG. 1 a schematic illustration of features of embodiments of the method according to the invention and of the fluidic microsystem according to the invention.
  • FIGS. 2 and 3 schematic illustrations of conventional fluidic microsystems.
  • Figure 1 shows a schematic top view of the channel 10 of the fluidic microsystem 100 with an electrode device 20, a control device 30 and a microscope device 40.
  • the channel 10 extends straight in a longitudinal direction z up to a branching into partial channels 11, 12.
  • the channel 10 has e.g. B. a rectangular cross section with a width in the range of 20 pm to 1000 mm and a height in the range of 5 pm to 1 mm.
  • the flat underside is also referred to as the channel base 13 and the flat top as the top surface (not shown).
  • Cells 1, 1A suspended in a suspension liquid 2 are located in the channel.
  • a pumping device 14 When a pumping device 14 is actuated, a flow of the suspension liquid is generated in the channel 10 with a flow direction which corresponds to the longitudinal direction z.
  • the electrode device 20 includes the electrode 21 which is divided into a large number of electrode segments 22 .
  • the electrode 21 has the shape of a straight strip, which is formed by the straight electrode segments 22 lined up. Only the electrode 21 on the bottom 13 of the channel is shown in FIG.
  • a further electrode (not shown) with the same size and shape and orientation relative to the channel 10 or alternatively a flat counter-electrode is preferably arranged on the top surface.
  • the longitudinal extension of the electrode 21 forms a deflection angle a L with the longitudinal direction z of the channel 10, which forms the deflection angle «of each electrode segment 22 because of the straight shape of the electrode.
  • the electrode segments 22 have a segment length s along the longitudinal direction z of the channel 10; and transverse to the longitudinal direction z of the channel 10 a segment offset Di.
  • each electrode segment 22 is assigned an interaction length.
  • the interaction length (detection length) L of the entire electrode 21 results from the sum of the individual interaction lengths of the electrode segments 22 and their mutual distances. In the example shown, all of the electrode segments 22 have the same interaction lengths.
  • the electrode 21 is divided into the electrode segments 22 in order to be able to work at the lowest possible deflection angle with the highest possible cell density, whereby a gradual deflection of the cells with a minimum width of the segment offset D; (sort window) becomes possible.
  • the subdivision is such that the width of the segment offset D; is of the order of the cell diameter.
  • the individual electrode segments 22 can be switched on and off again one after the other, so that only the electrode segment 22 on which the cell to be sorted is located is active. Cells that follow very closely can also do this be handled independently of the preceding cell.
  • z. B 20 electrode segments 22 each with a segment length s; of 20 pm and a deflection angle ⁇ of 3°, resulting in an interaction length L of the entire electrode 21 of 0.2 mm.
  • the width of the electrode 21 is z. 10pm.
  • the control device 30 comprises an electrode voltage source 31 and a computer unit 32.
  • the computer unit 32 controls the electrode voltage source 31, the microscope device 40 and the pump device 14. Furthermore, the computer unit 32 is designed to analyze image data from the microscope device 40, to record particle properties of the cells 1, 1A and to generate a sorting decision as a function of the particle properties recorded.
  • the electrode voltage source 31 is designed to generate high-frequency electrical voltages for driving the electrode 21 . According to the invention, each electrode segment 22 is controlled individually.
  • the electrode voltage source 31 has a group of output channels, the number of which is equal to the number of electrode segments 22 . Each output channel is connected to one of the electrode segments 22 of the electrode 21 and to one of the electrode segments of the electrode (not shown) on the top surface of the channel 10 .
  • the microscope device 40 includes z. B. a transmitted light or fluorescence microscope, which is arranged for image acquisition in an observation area upstream of the interaction area of the electrode 21. In the observation area, the top surface of the channel 10 is transparent. At the same time, the microscope device 40 forms a position detection device with which the particle position of the cells 1, 1A can be detected. For this purpose, the passage of the cells 1, 1A through the observation area and the associated observation time are recorded. The time intervals at which the particles 1, 1A pass the electrode segments 22 result in connection with the flow rate in the channel 10 and the segment lengths.
  • the computer unit 32 carries out the analysis of the image data from the microscope device 40, the detection of particle properties of the cells 1, 1A, such as e.g. B. size, shape, co-localization of fluorescently stained membrane proteins and the sorting decision.
  • the suspension liquid 2 such as. B. cell culture medium, buffer solution, etc.
  • suspended cells 1, 1A For cell sorting in the channel 10 flow in the suspension liquid 2, such as. B. cell culture medium, buffer solution, etc., suspended cells 1, 1A through the observation area of the microscope device 40 to the electrode device 20.
  • Each cell is a particle property and the time intervals of the passage at the electrode segments 22 assigned.
  • the electrode segments 22 are driven by applying high-frequency electrical voltages for activation periods equal to the respective time intervals of the passage. If no field is generated at an electrode segment 22 (the electrode 21 is locally inactive), then the cells can pass through the electrode segment 22 freely. If a field is generated at an electrode segment 22 (the electrode 21 is locally active), the cells are prevented from passing through negative dielectrophoresis and are directed onto a different trajectory in accordance with the electrode geometry and the hydrodynamic propulsion.
  • the effective detection length of the electrode 21 is minimized so that even cells 1, 1A that follow one another in close proximity can be sorted individually and reach the sub-channels 11, 12 correctly separated.
  • the use of the sorting function described enables the processing of very dense cell samples.
  • the same throughput can be achieved with significantly lower flow velocities, which facilitates the optical image acquisition and the handling of dead times potentially caused by image processing.
  • the complex microfluidic control elements required for high flow velocities are omitted, which further reduces the complexity of the method and thus significantly improves the compactness, costs and operability of the system.

Abstract

The invention relates to a method for operating a fluidic microsystem (100) for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles (1) having a particle diameter in a suspension liquid (2), wherein the microsystem (100) comprises: - a channel (10) having a longitudinal direction; - an electrode device (20) having an electrode (21), the longitudinal extent of which deviates from the longitudinal direction of the channel (10) and which has individually controllable electrode segments (22) for producing dielectrophoretic forces which act on the particles (1), each electrode segment (22) having a deflection angle α, relative to the longitudinal direction of the channel (10), and a segment length (si), which determine a segment offset (Di) perpendicular to the longitudinal direction of the channel (10); and - a control device (30). The method comprises: - producing a flow of the suspension liquid (2) with a flow velocity so that the particles (1) successively pass through an interaction region of the electrode (21), which interaction region is spanned by the electrode segments (22); and - activating the electrode segments (22) in order to deflect the particles (1) onto predetermined motion paths (4, 5), which are determined by a superposition of flow forces in the flow of the suspension liquid (2) and of the dielectrophoretic forces at the electrode segments (22). During the passage of each particle, each of the electrode segments (22) which are passed by the particle (1) is activated in a clocked manner for a predetermined activation duration, according to the desired motion path (4, 5), the activation duration of each electrode segment (22) being determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment (22) and the flow velocity. The electrode segments (22) are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment (22) is less than the particle diameter. For the deflection of each particle (1), at least two successive electrode segments (22) cooperate.

Description

VERFAHREN UND FLUIDISCHES MIKROSYSTEM ZUR DIELEKTROPHORETISCHEN MANIPULIERUNG VON SUSPENDIERTEN PARTIKELN METHOD AND FLUIDIC MICROSYSTEM FOR THE DIELECTROPHORETIC MANIPULATION OF SUSPENDED PARTICLES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dielektrophoretischen Manipulierung von suspendierten Partikeln, insbesondere zur Sortierung von suspendierten Partikeln, wie z. B. biologischen Zellen oder Mikrokompartimenten, in einem fluidischen Mikrosystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein fluidisches Mikrosystem, das zur dielektrophoretischen Manipulierung, insbesondere zur Sortierung, von suspendierten Partikeln eingerichtet ist. Anwendungen der Erfindung sind z. B. bei der Prozessierung von Partikeln, insbesondere von biologischen Zellen, Mikrokompartimenten oder anderen Mikroobjekten, in der Chemie, Medizin, Biologie oder Biochemie gegeben. The invention relates to a method for dielectrophoretic manipulation of suspended particles, in particular for sorting suspended particles such. B. biological cells or microcompartments in a fluidic microsystem. Furthermore, the invention relates to a fluidic microsystem that is set up for dielectrophoretic manipulation, in particular for sorting, of suspended particles. Applications of the invention are z. B. given in the processing of particles, in particular of biological cells, microcompartments or other micro-objects in chemistry, medicine, biology or biochemistry.
In der vorliegenden Beschreibung wird auf den folgenden Stand der Technik Bezug genommen, der den technischen Hintergrund der Erfindung darstellt: In the present description, reference is made to the following prior art, which represents the technical background of the invention:
[1] M. Boutros et al. (2015): Microscopy-based high-content screening. Cell 163, 1314-1325; [1] M. Boutros et al. (2015): Microscopy-based high-content screening. Cell 163, 1314-1325;
[2] N. Godino et al. (2019): Combining dielectrophoresis and computer vision for precise and fully automated single-cell handling and analysis. Lab Chip 19, 4016-4020; [2] N.Godino et al. (2019): Combining dielectrophoresis and computer vision for precise and fully automated single-cell handling and analysis. Lab Chip 19, 4016-4020;
[3] C. -T. Ho et al. (2005): Micromachined electrochemical T-switches for cell sorting applications. Lab Chip 5, 1248-1258; [3] C.-T. Ho et al. (2005): Micromachined electrochemical T-switches for cell sorting applications. Lab Chip 5, 1248-1258;
[4] M. Kirschbaum et al. (2008): T cell activation on a single-cell level in dielectrophoresisbased microfluidic devices. J Chromatogr A. 1202 (1), 83-89; [4] M. Kirschbaum et al. (2008): T cell activation on a single-cell level in dielectrophoresis-based microfluidic devices. J Chromatogr A. 1202 (1), 83-89;
[5] B. Landenberger et al. (2012): Microfluidic sorting of arbitrary cells with dynamic optical tweezers. Lab Chip 12, 3177-3183; [5] B. Landenberger et al. (2012): Microfluidic sorting of arbitrary cells with dynamic optical tweezers. Lab Chip 12, 3177-3183;
[6] M. Li et al. (2018): Cellular dielectrophoresis coupled with single-cell analysis. Analytical and Bioanalytical Chemistry 410, 2499-2 515; [6] M. Li et al. (2018): Cellular dielectrophoresis coupled with single-cell analysis. Analytical and Bioanalytical Chemistry 410, 2499-2515;
[7] G. Meineke et al. (2016): A microfluidic opto-caloric switch for sorting of particles by using 3Dhydrodynamrc focusing based on SLE fabricatron capabilities. Lab Chip 16, 820-828; [7] G. Meineke et al. (2016): A microfluidic opto-caloric switch for sorting of particles by using 3Dhydrodynamrc focusing based on SLE fabricatron capabilities. Lab Chip 16, 820-828;
[8] N. Nitta et al. (2018): Intelligent Image-Activated Cell Sorting. Cell 175(1 ):266-276; [8] N. Nitta et al. (2018): Intelligent Image-Activated Cell Sorting. Cell 175(1):266-276;
[9] S. Sakuma et al. (2017): On-chip cell sorting by high-speed local-flow control using dual membrane pumps. Lab Chip 17, 2760-2767; [9] S. Sakuma et al. (2017): On-chip cell sorting by high-speed local-flow control using dual membrane pumps. Lab Chip 17, 2760-2767;
[10] Y. Shen et al. (2019): Recent advances in microfluidic cell sorting systems. Sensors & Actuators: B. Chemical 282, 268-281; [10] Y. Shen et al. (2019): Recent advances in microfluidic cell sorting systems. Sensors & Actuators: B.Chemical 282, 268-281;
[11] DE 198 15 882 Al; [12] DE 198 60 117 Al; und [11] DE 198 15 882 A1; [12] DE 198 60 117 A1; and
[13] DE 19860 118 CI. [13] DE 19860 118 CI.
In der Biologie und Medizin besteht ein starkes Interesse an der Charakterisierung und Verarbeitung heterogener Partikelproben, wie z. B. heterogener Zellproben. Es ist allgemein bekannt, dass die herkömmliche Durchflusszytometrie eine Charakterisierung großer Zellproben innerhalb kurzer Zeit anhand sehr einfacher Marker ("low-content"-Marker), wie z. B. Größe, Granularität oder integrale Fluoreszenzintensität der biologischen Zellen ermöglicht. Um auch strukturelle Eigenschaften von einzelnen Zellen oder künstlichen Mikrokompartimenten ortsaufgelöst zu erfassen ("high-content"-Marker), werden typischerweise Mikroskopietechniken verwendet. Die "high- content"-Marker sind für die moderne Biomedizin von hoher Relevanz, da z.B. biologische Prozesse oft durch die räumliche Anordnung zellulärer Bestandteile bestimmt werden [1], So äußern sich wichtige zelluläre Eigenschaften, wie z.B. die Antigenspezifizität von Immunzellen, Gerinnungsstörungen der Blutplättchen oder das Metastasierungspotential von Krebsstammzellen, über die Stärke und Art der Interaktion von Zellen untereinander, die örtliche Proteinverteilung innerhalb der Zelle und/oder über die Anzahl und Anordnung zellulärer Bestandteile. In biology and medicine there is a strong interest in the characterization and processing of heterogeneous particle samples, e.g. B. heterogeneous cell samples. It is well known that conventional flow cytometry enables large cell samples to be characterized in a short time using very simple markers ("low-content" markers), such as e.g. B. size, granularity or integral fluorescence intensity of the biological cells. Microscopy techniques are typically used to also record spatially resolved structural properties of individual cells or artificial microcompartments ("high-content" markers). The "high-content" markers are of great relevance for modern biomedicine, since, for example, biological processes are often determined by the spatial arrangement of cellular components [1]. platelets or the metastasis potential of cancer stem cells, the strength and type of interaction between cells, the local protein distribution within the cell and/or the number and arrangement of cellular components.
Für funktionelle Analysen ist es wichtig, die Zellen anhand ihres Phänotyps nicht nur identifizieren, sondern auch sortieren zu können, was basierend auf der Durchflusszytometrie mit der Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS)-Technik möglich ist. Verfügbare FACS-Geräte können jedoch mit Mikroskopietechniken bislang nicht kombiniert werden, weshalb nur "low-content"- Marker und keine "high-content"-Marker erfasst werden können. Aufgrund der Komplexität biologischer Prozesse reicht die FACS-Technik für viele Fragen der Biomedizin daher nicht aus, um einzelne Zelltypen bzw. Subpopulationen hinreichend voneinander abzugrenzen. For functional analyses, it is important not only to be able to identify the cells based on their phenotype, but also to be able to sort them, which is possible based on flow cytometry using the Fluorescence-Activated Cell Sorting (FACS) technique. However, available FACS devices cannot yet be combined with microscopy techniques, which is why only "low-content" markers and no "high-content" markers can be detected. Due to the complexity of biological processes, the FACS technique is not sufficient for many questions in biomedicine to sufficiently differentiate individual cell types or subpopulations from one another.
Eine Kombination mit Mikroskopietechnik ist für viele fluidische Mikrosysteme mit planaren Kanalstrukturen möglich. Mittels dieser Systeme können Mikroskop-Bilddaten aus Mikroskopietechniken oder Messdaten aus anderen komplexen Messtechniken somit direkt für die Identifizierung und Sortierung von Zellen anhand von "high-content"-Markern genutzt werden. Die Sortierung von sich hintereinander in einem Kanal eines fluidischen Mikrosystems bewegenden suspendierten Zellen kann mit mikromechanischen ([3]), optischen ([5]), hydrodynamischen ([7], [8] oder [9]), elektrokinetischen [2] oder anderen [10] Kräften erfolgen. A combination with microscopy technology is possible for many fluidic microsystems with planar channel structures. Using these systems, microscope image data from microscopy techniques or measurement data from other complex measurement techniques can be used directly for the identification and sorting of cells using "high-content" markers. Suspended cells moving one after the other in a channel of a fluidic microsystem can be sorted using micromechanical ([3]), optical ([5]), hydrodynamic ([7], [8] or [9]), electrokinetic [2] or other [10] forces.
Während mikromechanische Ansätze aufwändig und kostenintensiv in der Fertigung sind, können hydrodynamische Kräfte oft nur mit geringer Präzision eingesetzt werden, und sie erfordern große bzw. aufwändig zu justierende mikromechanische Aktuatoren, was einer einfachen Parallelisierung derartiger Verfahren im Wege steht. Optische Kräfte sind sehr schwach und daher nur bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und im Sehfeld eines Mikroskops anwendbar, was den Anwendungsbereich stark einschränkt. Elektrokinetische Kräfte besitzen den Vorteil, dass sie mit im Kanal integrierten Elektroden hochparallel und mit einer hohen lokalen Präzision und Integrationsdichte unabhängig von der Messung der Zellen, insbesondere vom optischen Sehfeld eines Mikroskops, erzeugt werden können. Die Anwendung von elektrokinetischen Kräften basiert z. B. auf Dielektrophorese, bei der eine Kraftwirkung durch eine Polarisation der Zellen in inhomogenen hochfrequenten elektrischen Feldern erzeugt wird ([6]). While micromechanical approaches are complex and expensive to manufacture, hydrodynamic forces can often only be used with little precision and they require large ones or micromechanical actuators that are difficult to adjust, which stands in the way of a simple parallelization of such methods. Optical forces are very weak and can therefore only be used at low flow velocities and in the field of view of a microscope, which severely limits the range of applications. Electrokinetic forces have the advantage that they can be generated with electrodes integrated in the channel in a highly parallel manner and with a high level of local precision and integration density, independently of the measurement of the cells, in particular of the optical field of view of a microscope. The application of electrokinetic forces is based z. B. on dielectrophoresis, in which a force is generated by polarizing the cells in inhomogeneous high-frequency electric fields ([6]).
Typischerweise werden in einem Kanal eines fluidischen Mikrosystems zur Erzeugung dielektrophoretischer Kräfte auf der Ober- und Unterseite des Kanals angeordnete Elektroden mit hochfrequenten elektrischen Feldern beaufschlagt, so dass abstoßende Kräfte auf die Zellen ausgeübt werden und durch die Elektroden eine Feldbarriere gebildet wird (negative Dielektrophorese, siehe z. B. [4], [11], [12] und [13]). Typically, in a channel of a fluidic microsystem for generating dielectrophoretic forces, electrodes arranged on the upper and lower side of the channel are exposed to high-frequency electric fields, so that repulsive forces are exerted on the cells and a field barrier is formed by the electrodes (negative dielectrophoresis, see e.g. [4], [11], [12] and [13]).
Ein Beispiel eines Kanals 10' eines fluidischen Mikrosystems 100' mit zwei Paaren von Elektroden 21A', 21B' ist in Figur 2 (Stand der Technik, siehe z. B. [11], [12] und [13]) gezeigt, wobei nur die Elektroden an der Kanalunterseite dargestellt sind. Je nachdem, ob ein elektrisches Feld an den Elektroden 21A', 21B' anliegt oder nicht, ist es suspendierten Zellen I1 unmöglich oder möglich, die jeweiligen Feldbarrieren zu passieren. Beispielsweise können die Zellen I1 die nicht aktivierten Elektroden 21A1 passieren und die aktivierten Elektroden 21B1 nicht passieren. Da die Elektroden 21A', 21B' mit einem Ablenkwinkel a' schräg zur Strömungsrichtung im Kanal angeordnet sind, werden die Zellen durch die Überlagerung der Strömungskräfte in der Strömung der Suspensionsflüssigkeit und der dielektrophoretischen Kräften entlang den Elektroden bzw. Feldbarrieren auf eine andere Strömungsbahn im Kanal geführt, oder sie folgen weiterhin ihrer ursprünglichen Strömungsbahn. An example of a channel 10' of a fluidic microsystem 100' with two pairs of electrodes 21A', 21B' is shown in FIG only the electrodes on the underside of the channel are shown. Depending on whether or not an electric field is present at the electrodes 21A', 21B', it is impossible or possible for suspended cells I 1 to pass through the respective field barriers. For example, the cells I 1 can pass through the non-activated electrodes 21A 1 and cannot pass through the activated electrodes 21B 1 . Since the electrodes 21A', 21B' are arranged at a deflection angle a' obliquely to the direction of flow in the channel, the superimposition of the flow forces in the flow of the suspension liquid and the dielectrophoretic forces along the electrodes or field barriers cause the cells to move to another flow path in the channel guided, or they continue to follow their original flow path.
Bei einer Sortierungsanwendung, die beispielhaft in Figur 3 (Stand der Technik, siehe z. B. [11], [12] und [13]) gezeigt ist, sollen Zellen 1A1, 1B1 im fluidischen Mikrosystem 100' aufeinander folgend durch den mit einem Mikroskop 40' ausgestatteten planaren Kanal 10' gespült und an einer Weiche mit einer Elektrode 21' in Abhängigkeit von mit dem Mikroskop 40' erfassten Eigenschaften der Zellen 1A', 1B' zu unterschiedlichen Teilkanälen 11', 12' des Mikrosystems 100' gelenkt werden. Die Abfolge der Zellen 1A', 1B' im Kanal 10' sollte wenigstens im Zeitintervall zwischen der Bildaufnahme mit dem Mikroskop 40' und dem Sortiervorgang (insbesondere während des für die Bildverarbeitung benötigten Zeitraums) aufrechterhalten oder zumindest messtechnisch verfolgt werden, da andernfalls eine korrekte Zuordnung zwischen erfasster und analysierter und zu sortierender Zelle kaum möglich ist. In a sorting application, the example in Figure 3 (prior art, see z. B. [11], [12] and [13]) is shown, cells 1A 1 , 1B 1 in the fluidic microsystem 100 'successively through the flushed with a planar channel 10' equipped with a microscope 40' and directed at a switch with an electrode 21' to different sub-channels 11', 12' of the microsystem 100' depending on properties of the cells 1A', 1B' detected with the microscope 40' will. The sequence of the cells 1A', 1B' in the channel 10' should be maintained at least in the time interval between the image recording with the microscope 40' and the sorting process (in particular during the period required for image processing) or at least be tracked by measurement technology, otherwise a correct assignment between the recorded cell and the cell to be analyzed and sorted is hardly possible.
Die Zuverlässigkeit der Elektrodenfunktion, mit der die Partikel von ihren hydrodynamischen Strömungslinien (Bewegungsbahnen) bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit abgelenkt werden können, hängt vom Ablenkwinkel der ablenkenden Elektrode relativ zur Kanal- und Strömungsrichtung (Winkel zwischen Kanalrichtung und Längsrichtung der Elektrodenausdehnung) ab. Je kleiner der Ablenkwinkel ist, desto zuverlässiger arbeitet die Elektrode. Dies bedeutet, dass bei Vorgabe eines bestimmten Zielversatzes (Verschiebung der Partikel senkrecht zur Strömungsrichtung) mit sinkendem Ablenkwinkel die erforderliche Wechselwirkungslänge (oder: Erfassungslänge) der Elektrode größer wird. Die Zuverlässigkeit insbesondere der Sortierfunktion der Elektrode 21' steht somit insbesondere mit der Wechselwirkungslänge L' der Elektrode 21' in Längsrichtung (Strömungsrichtung) des Kanals 10' in Zusammenhang. Die Elektrode 21' gemäß Figur 3 hat eine größere Wechselwirkungslänge L' und damit eine größere Zuverlässigkeit der Sortierfunktion als die Elektrode 21B' gemäß Figur 2. The reliability of the electrode function, with which the particles can be deflected from their hydrodynamic flow lines (movement paths) at a given flow speed, depends on the deflection angle of the deflecting electrode relative to the channel and flow direction (angle between channel direction and longitudinal direction of the electrode extension). The smaller the deflection angle, the more reliably the electrode works. This means that given a specific target displacement (displacement of the particles perpendicular to the direction of flow) the required interaction length (or: detection length) of the electrode increases with decreasing deflection angle. The reliability, in particular, of the sorting function of the electrode 21' is thus related in particular to the interaction length L' of the electrode 21' in the longitudinal direction (flow direction) of the channel 10'. The electrode 21' according to FIG. 3 has a greater interaction length L' and thus a greater reliability of the sorting function than the electrode 21B' according to FIG.
Die Wechselwirkungslänge L' bestimmt allerdings auch den minimalen Abstand der hintereinander im Kanal 10' strömenden Zellen 1', für den die einzelnen Zellen 1' noch unabhängig voneinander gehandhabt werden können und ihre fehlerfreie Sortierung ermöglicht wird, ohne nachfolgende Zellen 1A' ebenfalls zu erfassen oder zu beeinflussen. Beispielsweise ist in der in Figur 3 gezeigten Situation die Zelldichte so hoch, dass die verschiedenen Zellen 1A', 1B' nicht wie gewünscht getrennt und zu den unterschiedlichen Teilkanälen 11', 12' gelenkt werden können. However, the interaction length L' also determines the minimum distance between the cells 1' flowing one behind the other in the channel 10', for which the individual cells 1' can still be handled independently of one another and their error-free sorting is made possible without also detecting or detecting subsequent cells 1A' to influence. For example, in the situation shown in FIG. 3, the cell density is so high that the different cells 1A', 1B' cannot be separated as desired and directed to the different sub-channels 11', 12'.
Es besteht ein Interesse, Durchfluss-Sortier-Verfahren mit einem möglichst hohen Durchsatz (Anzahl der prozessierten Zellen pro Zeiteinheit) auszuführen. Der Durchsatz ist gleich dem Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit und Zelldichte der Probe. Zwischen beiden Größen besteht ein Zielkonflikt: Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erfordert zur Erhaltung der Zuverlässigkeit der Sortierfunktion eine große Wechselwirkungslänge der Elektrode, während für eine hohe Zelldichte eine geringe Wechselwirkungslänge der Elektrode wünschenswert ist. Zur Erzielung eines hohen Durchsatzes, d. h. für eine Sortierung mit hoher Zelldichte und hoher Strömungsgeschwindigkeit, besteht also ein Interesse, Elektroden mit einer geringen Wechselwirkungslänge zu verwenden und zugleich eine Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit der Elektrodenfunktion bei der hohen Strömungsgeschwindigkeit zu vermeiden. Die herkömmlichen Techniken, z. B. gemäß [11], [12] und [13], zeichnen sich jedoch durch eine relativ große Wechselwirkungslänge der Elektroden aus, so dass die genannten Anforderungen bei der Manipulation von Zellen durch dielektrophoretische Kräfte nicht oder nur beschränkt erfüllt werden können. There is an interest in carrying out flow-through sorting methods with the highest possible throughput (number of cells processed per unit of time). The throughput is equal to the product of the flow rate and the cell density of the sample. There is a conflict of objectives between the two variables: A high flow velocity requires a large interaction length of the electrode in order to maintain the reliability of the sorting function, while a short interaction length of the electrode is desirable for a high cell density. In order to achieve a high throughput, ie for sorting with a high cell density and high flow rate, there is an interest in using electrodes with a short interaction length and at the same time avoiding impairment of the reliability of the electrode function at the high flow rate. The conventional techniques, e.g. B. according to [11], [12] and [13], but are characterized by a relatively large interaction length of the electrodes, so that the requirements mentioned in the manipulation of cells by dielectrophoretic forces can not be met or only partially.
Aus [12] und [13] ist bekannt, Elektroden, deren Gesamtlänge den Partikeldurchmesser mit einem Faktor 20 bis 50 übersteigt, in einzelne Elektrodensegmente zu unterteilen. Die Funktion der herkömmlichen Unterteilung ist es, mit den Elektrodensegmenten zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung eines von einer Elektrode erzeugten Feldes oder der Form der Feldbarriere zu schaffen. Beispielweise können bei der Ansteuerung von Elektrodensegmenten gemäß [12] einzelne Elektrodensegmente deaktiviert (abgeschaltet) werden, um Partikel auf eine bestimmte Trajekto- rie im Kanal des Mikrosystems durchzulassen, während alle anderen Elektrodensegmenten gemeinsam aktiviert sind. In [13] wird ein flächiges Array von punktförmigen Elektrodensegmenten beschrieben, das eine flexible Gestaltung der Form der Feldbarriere durch Ansteuerung ausgewählter Elektrodensegmente innerhalb des Arrays erlaubt. Die herkömmliche Segmentierung der Elektroden erlaubt jedoch keine gleichzeitige Erhöhung des Durchsatzes und der Zuverlässigkeit der Partikelmanipulation. It is known from [12] and [13] to subdivide electrodes whose total length exceeds the particle diameter by a factor of 20 to 50 into individual electrode segments. The function of the conventional subdivision is to create additional degrees of freedom with the electrode segments when designing a field generated by an electrode or the shape of the field barrier. For example, when controlling electrode segments according to [12], individual electrode segments can be deactivated (switched off) in order to let particles pass along a specific trajectory in the channel of the microsystem, while all other electrode segments are activated together. [13] describes a planar array of punctiform electrode segments that allows the shape of the field barrier to be designed flexibly by controlling selected electrode segments within the array. However, the conventional segmentation of the electrodes does not allow a simultaneous increase in throughput and reliability of particle manipulation.
Die genannten Beschränkungen der herkömmlichen Techniken treten nicht nur bei der Manipulation biologischer Zellen, sondern auch bei nicht-biologischen Partikeln, wie z. B. künstlichen Mikrokompartimenten oder Trägerpartikeln von chemischen Substanzen auf. The limitations of conventional techniques mentioned occur not only in the manipulation of biological cells, but also in non-biological particles such. B. artificial microcompartments or carrier particles of chemical substances.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Mikrosystems zur dielektrophoretischen Manipulierung von suspendierten Partikeln in einer Suspensionsflüssigkeit und/oder ein verbessertes fluidisches Mikrosystem zur dielektrophoretischen Manipulierung von suspendierten Partikeln bereitzustellen, mit denen Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die dielektrophoretische Manipulierung der suspendierten Partikeln soll insbesondere mit einer erhöhten Partikeldichte erfolgen können, ohne die Zuverlässigkeit der Elektrodenfunktion zu beeinträchtigen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Mikrosystems bzw. durch ein fluidisches Mikrosystem gelöst, welche die Merkmale der unabhängigen Ansprüche aufweisen. Bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. The object of the invention is to provide an improved method for operating a fluidic microsystem for dielectrophoretic manipulation of suspended particles in a suspension liquid and/or an improved fluidic microsystem for dielectrophoretic manipulation of suspended particles, with which disadvantages of conventional techniques are avoided. The dielectrophoretic manipulation of the suspended particles should be able to take place in particular with an increased particle density without impairing the reliability of the electrode function. This object is achieved by a method for operating a fluidic microsystem or by a fluidic microsystem, which have the features of the independent claims. Preferred embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.
Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Mikrosystems zur dielektrophoretischen Manipulierung von suspendierten Partikeln mit einem vorbestimmten Partikeldurchmesser in einer Suspensionsflüssigkeit gelöst. Das fluidische Mikrosystem umfasst einen Kanal mit einer Längsrichtung, eine Elektrodeneinrichtung mit einer langgestreckten Elektrode (Ablenkelektrode), deren Längsausdehnung von der Längsrichtung des Kanals abweicht und die eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Elektrodensegmenten (Teilelektroden) zur Erzeugung von auf die Partikel wirkenden, dielektrophoretischen Kräften aufweist, wobei jedes Elektrodensegment einen Ablenkwinkel (Elektrodenwinkel) («^relativ zu der Längsrichtung des Kanals und eine Segmentlänge (si) aufweist, die einen Segmentversatz (Di) quer zur Längsrichtung des Kanals bestimmen, und eine Steuereinrichtung, mit der die Elektrodensegmenten ansteuerbar sind. According to a first general aspect of the invention, the above object is achieved by a method for operating a fluidic microsystem for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles with a predetermined particle diameter in a suspension liquid. The fluidic microsystem comprises a channel with a longitudinal direction, an electrode device with an elongated electrode (deflection electrode), whose longitudinal extension deviates from the longitudinal direction of the channel and which has a large number of individually controllable electrode segments (partial electrodes) for generating dielectrophoretic forces acting on the particles , Each electrode segment having a deflection angle (electrode angle) («^ relative to the longitudinal direction of the channel and a segment length (si) which determine a segment offset (Di) transverse to the longitudinal direction of the channel, and a control device with which the electrode segments can be controlled.
Das Verfahren zum Betrieb des fluidischen Mikrosystems umfasst die Schritte Erzeugung einer Strömung der Suspensionsflüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Kanal, so dass die suspendierten Partikel aufeinanderfolgend einen Wechselwirkungsbereich der Elektrode passieren, der von den Elektrodensegmenten aufgespannt wird, und Ansteuerung der Elektrodensegmente zur Ablenkung der Partikel im Kanal jeweils auf vorbestimmte Bewegungsbahnen, die durch eine Überlagerung von Strömungskräften in der Strömung der Suspensionsflüssigkeit und von den dielektrophoretischen Kräften bestimmt werden, die an den Elektrodensegmenten erzeugt werden. The method for operating the fluidic microsystem comprises the steps of generating a flow of the suspension liquid at a flow rate in the channel, so that the suspended particles successively pass through an interaction area of the electrode that is spanned by the electrode segments, and controlling the electrode segments to deflect the particles in the Channel each on predetermined trajectories, which are determined by a superposition of flow forces in the flow of the suspension liquid and the dielectrophoretic forces that are generated at the electrode segments.
Gemäß der Erfindung wird bei der Passage jedes Partikels jedes der Elektrodensegmente, an denen das Partikel aufeinanderfolgend vorbeitritt, mit der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der gewünschten Bewegungsbahn jeweils für eine vorbestimmte Aktivierungsdauer getaktet angesteuert. Die Aktivierungsdauer jedes Elektrodensegments wird durch den Quotienten aus der Segmentlänge (si) des Elektrodensegments und der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Des Weiteren sind gemäß der Erfindung die Elektrodensegmente so dimensioniert, dass der Segmentversatz (Di) von jedem Elektrodensegment kleiner als der Partikeldurchmesser ist, und für die Ablenkung der Partikel jeweils mindestens zwei aufeinanderfolgende Elektrodensegmente Zusammenwirken. Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein fluidisches Mikrosystem gelöst, das zur dielektrophoretischen Manipulierung von Partikeln mit einem vorbestimmten Partikeldurchmesser in einer Suspensionsflüssigkeit eingerichtet ist. Das Mikrosystem umfasst einen Kanal mit einer Längsrichtung, eine Elektrodeneinrichtung mit einer langgestreckten Elektrode, deren Längsausdehnung von der Längsrichtung des Kanals abweicht und die eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Elektrodensegmenten zur Erzeugung von auf die Partikel wirkenden, dielektrophoretischen Kräfte aufweist, wobei jedes Elektrodensegment einen Ablenkwinkel (aj relativ zu der Längsrichtung des Kanals und eine Segmentlänge (si) aufweist, die einen Segmentversatz (Di) quer zur Längsrichtung des Kanals bestimmen, und eine Steuereinrichtung, mit der die Elektrodensegmente ansteuerbar sind. Der Kanal ist zur Aufnahme einer Strömung der Suspensionsflüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit derart eingerichtet, dass die suspendierten Partikel aufeinanderfolgend einen Wechselwirkungsbereich der Elektrode durchlaufen, der von den Elektrodensegmenten aufgespannt wird. Die Steuereinrichtung ist zur Ansteuerung der Elektrodensegmente zur Ablenkung der Partikel im Kanal jeweils auf vorbestimmte Bewegungsbahnen eingerichtet, die durch eine Überlagerung von Strömungskräften in der Strömung der Suspensionsflüssigkeit und von den dielektrophoretischen Kräften bestimmt werden, die an den Elektrodensegmenten erzeugt werden. According to the invention, during the passage of each particle, each of the electrode segments, which the particle successively passes, is controlled in a clocked manner by the control device depending on the desired movement path for a predetermined activation period. The activation duration of each electrode segment is determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment and the flow rate. Furthermore, according to the invention, the electrode segments are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment is smaller than the particle diameter, and at least two consecutive electrode segments interact for the deflection of the particles. According to a second general aspect of the invention, the above object is achieved by a fluidic microsystem that is set up for the dielectrophoretic manipulation of particles with a predetermined particle diameter in a suspension liquid. The microsystem comprises a channel with a longitudinal direction, an electrode device with an elongated electrode whose longitudinal extent deviates from the longitudinal direction of the channel and which has a large number of individually controllable electrode segments for generating dielectrophoretic forces acting on the particles, each electrode segment having a deflection angle ( aj relative to the longitudinal direction of the channel and a segment length (si), which determine a segment offset (Di) transverse to the longitudinal direction of the channel, and a control device with which the electrode segments can be controlled.The channel is designed to receive a flow of the suspension liquid with a Flow rate set up in such a way that the suspended particles successively pass through an interaction area of the electrode, which is spanned by the electrode segments Channel each set up on predetermined trajectories, which are determined by a superposition of flow forces in the flow of the suspension liquid and the dielectrophoretic forces that are generated at the electrode segments.
Gemäß der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, bei der Passage jedes Partikels jedes der Elektrodensegmente, an denen das Partikel aufeinanderfolgend vorbeitritt, in Abhängigkeit von der gewünschten Bewegungsbahn jeweils für eine vorbestimmte Aktivierungsdauer getaktet anzusteuern, wobei die Aktivierungsdauer jedes Elektrodensegments durch den Quotienten aus der Segmentlänge (si) des Elektrodensegments und der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Des Weiteren sind gemäß der Erfindung die Elektrodensegmente so dimensioniert, dass der Segmentversatz (Di) von jedem Elektrodensegment kleiner als der Partikeldurchmesser ist. Des Weiteren ist gemäß der Erfindung die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Elektrodensegmente so anzusteuern, dass für die Ablenkung der Partikel jeweils mindestens zwei aufeinanderfolgende Elektrodensegmente Zusammenwirken. According to the invention, the control device is set up to control the passage of each particle of each of the electrode segments, which the particle successively passes, in a clocked manner depending on the desired movement path for a predetermined activation period, the activation period of each electrode segment being determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment and the flow rate is determined. Furthermore, according to the invention, the electrode segments are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment is smaller than the particle diameter. Furthermore, according to the invention, the control device is set up to control the electrode segments in such a way that at least two consecutive electrode segments interact in each case for the deflection of the particles.
Vorzugsweise wird das Verfahren gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung oder einer seiner bevorzugten Ausführungsformen mit dem fluidischen Mikrosystem gemäß dem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung oder einer seiner bevorzugten Ausführungsformen ausgeführt. Vorteilhafterweise wird die Aufgabe der Erfindung insbesondere dadurch gelöst, dass die Elektrodensegmente einer Elektrode Partikel-spezifisch getaktet, d. h. jeweils für die vorbestimmte Aktivierungsdauer, angesteuert werden. Die Aktivierungsdauer ist mindestens gleich dem Zeitintervall, welches ein Partikel für die Passage eines Elektrodensegments benötigt. Jedes Partikel tritt an jedem der Elektrodensegmente für ein bestimmtes Zeitintervall vorbei, das durch die Segmentlänge und die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Da die Zeitintervalle der Passage jedes Partikels an jedem der Elektrodensegmente und somit auch die Lage der Zeitintervalle relativ zueinander vorgegeben sind, können die Elektrodensegmente für die Aktivierungsdauern einzeln spezifisch angesteuert werden. The method according to the first general aspect of the invention or one of its preferred embodiments is preferably carried out with the fluidic microsystem according to the second general aspect of the invention or one of its preferred embodiments. The object of the invention is advantageously achieved in particular in that the electrode segments of an electrode are clocked in a particle-specific manner, ie each for the predetermined activation period. The activation duration is at least equal to the time interval which a particle needs for the passage of an electrode segment. Each particle passes each of the electrode segments for a specific time interval determined by segment length and flow rate. Since the time intervals of the passage of each particle at each of the electrode segments and thus also the position of the time intervals relative to one another are predetermined, the electrode segments can be specifically controlled individually for the activation durations.
Im Unterschied zu [12] ist erfindungsgemäß vorgesehen, alle Elektrodensegmente laufend Partikel-spezifisch anzusteuern. Die Ansteuerung der Elektrodensegmente wandert mit den Partikeln mit, welche an die Elektrode gelangen. Die Ansteuerung eines Elektrodensegments zu einem bestimmten Zeitpunkt wirkt sich ausschließlich auf das Partikel aus, welches das betrachtete Elektrodensegment passiert. Zugleich bleibt die Ansteuerung des Elektrodensegments ohne Einfluss auf Partikel, die sich zu dem Zeitpunkt an anderen Elektrodensegmenten der Elektrode befinden. Entsprechend können die Partikel mit einer größeren Zelldichte (Anzahl von Zellen pro Länge im Kanal) an der Elektrode vorbeitreten, so dass der Durchsatz steigt. Die Elektrode hat für jedes Partikel eine spezifische, ggf. unterschiedliche Wirkung, selbst wenn sich mehrere Partikel innerhalb der Wechselwirkungslänge der Gesamtelektrode befinden. In contrast to [12], the invention provides for all electrode segments to be activated continuously in a particle-specific manner. The activation of the electrode segments migrates with the particles that reach the electrode. The activation of an electrode segment at a specific point in time only affects the particle that passes the electrode segment under consideration. At the same time, the activation of the electrode segment has no influence on particles that are on other electrode segments of the electrode at the time. Correspondingly, the particles can pass the electrode with a greater cell density (number of cells per length in the channel), so that the throughput increases. The electrode has a specific, possibly different effect for each particle, even if several particles are within the interaction length of the overall electrode.
Da des Weiteren abweichend von [12] der Segmentversatz (Di) von jedem Elektrodensegment kleiner als der Partikeldurchmesser ist und für die Ablenkung jedes Partikels jeweils mindestens zwei aufeinanderfolgende Elektrodensegmente Zusammenwirken, kann erfindungsgemäß die Strömungsgeschwindigkeit im Mikrosystem relativ hoch gewählt sein, ohne dass Nachteile aufgrund der dadurch hohen Gesamt-Wechselwirkungslänge der Elektrode in Bezug auf die Partikeldichte in Kauf genommen werden müssen. Since, in deviation from [12], the segment offset (Di) of each electrode segment is smaller than the particle diameter and at least two consecutive electrode segments interact for the deflection of each particle, the flow rate in the microsystem can be selected to be relatively high according to the invention, without disadvantages due to the the resulting high total interaction length of the electrode in relation to the particle density must be accepted.
Vorteilhafterweise wird der o. g. Zielkonflikt zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der Zelldichte der Probe gelöst. Es können Proben mit einer vergrößerten Dichte auch bei hoher Strömungsgeschwindigkeit zuverlässig manipuliert, insbesondere sortiert werden. Advantageously, the above Conflict of interest between flow rate and sample cell density resolved. Samples with an increased density can be reliably manipulated, in particular sorted, even at high flow rates.
Die dielektrophoretische Manipulierung der Partikel umfasst allgemein eine Verschiebung von Partikeln durch das Zusammenwirken der dielektrophoretischen Kräfte und der Strömungskräfte auf vorbestimmte Bewegungsbahnen innerhalb des Kanals des Mikrosystems, beispielsweise für eine Verteilung der Partikel auf die Bewegungsbahnen, eine Änderung der Reihenfolge der Partikel oder vorzugsweise eine Sortierung der Partikel in verschiedene Kanäle stromabwärts von der Elektrodeneinrichtung. Um ein Partikel ausgehend von einer anfänglichen Bewegungsbahn auf eine andere Bewegungsbahn innerhalb des Kanals des Mikro systems zu bewegen, werden mit der Steuereinrichtung die Elektrodensegmente, an denen das Partikel aufeinanderfolgend vorbeitritt, aufeinanderfolgend aktiviert, bis das Partikel durch den Segmentversatz an jeweils aktivierten Elektrodensegmenten die gewünschte Bewegungsbahn erreicht, und das in dieser befindliche Elektrodensegment nicht aktiviert. The dielectrophoretic manipulation of the particles generally includes a displacement of particles through the interaction of the dielectrophoretic forces and the flow forces on predetermined trajectories within the channel of the microsystem, for example for a distribution of the particles on the trajectories, a change in the order of the particles or preferably a sorting of the particles into different channels downstream of the electrode device. In order to move a particle from an initial trajectory to another trajectory within the channel of the microsystem, the electrode segments that the particle successively passes by are activated successively with the control device until the particle has the desired one due to the segment offset at the respectively activated electrode segments Reached trajectory, and not activated the electrode segment located in this.
Vorteilhafterweise ist die Erfindung mit verschiedenen Arten von Partikeln anwendbar, die z. B. biologische Partikel, wie biologische Zellen oder deren Bestandteile, oder nicht-biologische Partikel, wie Trägerpartikel mit chemischen Substanzen oder Makromoleküle, umfassen. Alle Partikel können den gleichen Durchmesser haben (homogene Partikelprobe). Alternativ können die Partikel jeweils verschiedene Durchmesser haben (heterogene Partikelprobe), wobei in diesem Fall der Segmentversatz kleiner als der kleinste Partikeldurchmesser ist. Die Partikel umfassen allgemein Mikroobjekte mit einer charakteristischen Größe, z. B. Durchmesser, die vorzugsweise gleich oder größer 1 pm und/oder gleich oder kleiner 1 mm ist. Dieser Größenbereich hat insbesondere Vorteile in Bezug auf die Beobachtbarkeit der Partikel mit einem ausreichenden optisches Auflösungsvermögen, die dielektrophoretischen Kräfte, und/oder die Erhaltung laminarer Strömungsbedingungen. Die Partikel können biologische Partikel, wie z. B. tierische oder pflanzliche Zellen oder Bakterien oder Zellcluster, umfassen. Die Durchmesser von biologischen Zellen liegen z. B. im Bereich von 5 pm bis 25 pm, und die Durchmesser von Zellclustern liegen z. B. im Bereich von 25 pm bis 250 pm. Alternativ oder zusätzlich können die Partikel nicht-biologische Mikroobjekte, wie z. B. Kunststoffpartikel und/oder Halbleiterpartikel, umfassen. Die Suspensionsflüssigkeit ist ein flüssiges Medium, wie z. B. eine wässrige Lösung, im Fall der Manipulierung biologischer Zellen insbesondere eine physiologisch verträgliche Flüssigkeit oder ein Kultivierungsmedium. Advantageously, the invention is applicable with different types of particles, e.g. B. biological particles such as biological cells or their components, or non-biological particles such as carrier particles with chemical substances or macromolecules. All particles can have the same diameter (homogeneous particle sample). Alternatively, the particles can each have different diameters (heterogeneous particle sample), in which case the segment offset is smaller than the smallest particle diameter. The particles generally include micro-objects with a characteristic size, e.g. B. diameter, which is preferably equal to or greater than 1 pm and / or equal to or less than 1 mm. This size range has particular advantages with regard to the observability of the particles with sufficient optical resolution, the dielectrophoretic forces, and/or the maintenance of laminar flow conditions. The particles can biological particles such. B. animal or plant cells or bacteria or cell clusters include. The diameter of biological cells are z. B. in the range of 5 pm to 25 pm, and the diameter of cell clusters are z. B. in the range of 25 pm to 250 pm. Alternatively or additionally, the particles can be non-biological micro-objects, such as e.g. B. plastic particles and / or semiconductor particles include. The suspension liquid is a liquid medium such as e.g. B. an aqueous solution, in the case of manipulation of biological cells in particular a physiologically compatible liquid or a cultivation medium.
Eine "Elektrode" ist typischerweise aus zwei zueinander kongruenten Gruppen von Elektrodensegmenten an einander gegenüberliegenden Kanalwänden, z. B. Kanalunterseite und Kanaloberseite, gebildet. Alternativ kann eine Elektrode eine einzige Gruppe von Elektrodensegmenten an einer einzigen Kanalwand umfassen. Die langgestreckte Elektrode, deren Längsausdehnung von der Längsrichtung des Kanals abweicht, hat typischerweise die Form eines geraden, stückweise geraden oder gekrümmten, aus den aufeinanderfolgend angeordneten Elektrodensegmenten zusammengesetzten Streifens, der mit der Längsrichtung des Kanals den Ablenkwinkel einschließt. Zueinander weisende Enden der Elektrodensegmente sind voneinander getrennt und elektrisch isoliert. Die Elektrodensegmente können sämtlich den gleichen oder jeweils verschiedene Ablenkwinkel aufweisen. Im Fall gekrümmter Elektrodensegmente kann der Ablenkwinkel durch eine Tangente am Elektrodensegment, zum Beispiel an einem seiner Enden oder seiner Mitte, bestimmt werden. An "electrode" is typically made up of two mutually congruent groups of electrode segments on opposite channel walls, e.g. B. channel base and channel top formed. Alternatively, an electrode may comprise a single group of electrode segments on a single channel wall. The elongate electrode, the longitudinal extent of which deviates from the longitudinal direction of the channel, typically has the shape of a straight, piecewise straight or curved strip composed of the successively arranged electrode segments, which encloses the deflection angle with the longitudinal direction of the channel. Facing ends of the electrode segments are isolated from each other and electrically isolated. The electrode segments can all have the same or different deflection angles. In the case of curved electrode segments, the deflection angle can be determined by a tangent to the electrode segment, for example at one of its ends or its middle.
Mit der Elektrode erfolgt die Ablenkung der Partikel im Kanal jeweils auf vorbestimmte Bewegungsbahnen. Die Bewegungsbahnen sind Strömungswege oder Trajektorien der Partikel, die im Kanal in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Im Bereich der Elektrodeneinrichtung hat der Kanal bevorzugt einen geraden Verlauf, und die Bewegungsbahnen verlaufen entsprechend dem Strömungsprofil einer im Kanal gebildeten laminaren Strömung parallel. The electrodes are used to deflect the particles in the channel onto predetermined movement paths. The movement paths are flow paths or trajectories of the particles, which are arranged next to one another in the direction of flow in the channel. In the area of the electrode device, the channel preferably runs straight, and the movement paths run parallel in accordance with the flow profile of a laminar flow formed in the channel.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die folgenden Merkmale einzeln oder in Kombination vorgesehen sein. Die Segmentlängen (si) der Elektrodensegmente können kleiner oder gleich dem 10-fachen Partikeldurchmesser, insbesondere kleiner oder gleich dem doppelten oder sogar kleiner oder gleich dem einfachen Partikeldurchmesser, sein. Vorteilhafterweise werden damit kürzere lokale Wechselwirkungslängen der einzelnen Elektrodensegmente als im Stand der Technik realisiert. Die Erfassungslänge wird verkürzt und der Platzbedarf im Mikrosystem wird verringert. Die Segmentlängen (si) der Elektrodensegmente können z. B. kleiner oder gleich 50 pm, insbesondere kleiner oder gleich 10 pm, sein. Des Weiteren sind die Segmentlängen vorzugsweise mindestens gleich oder größer als der zehnte Teil des Partikeldurchmessers. Alternativ oder zusätzlich können die Ablenkwinkel (a der Elektrodensegmente geringer als 10°, insbesondere geringer als 5° bis nahezu 0° sein. Die Ablenkwinkel (aj der Elektrodensegmente sind insbesondere deutlich geringer als die Ablenkwinkel, die z. B. in [12] offenbart sind. Vorteilhafterweise werden durch die geringen Ablenkwinkel die Zuverlässigkeit der von der Elektrode gebildeten Feldbarriere und die Zuverlässigkeit der Manipulierung der Partikel verbessert. According to preferred embodiments of the invention, the following features can be provided individually or in combination. The segment lengths (si) of the electrode segments can be less than or equal to 10 times the particle diameter, in particular less than or equal to twice or even less than or equal to one particle diameter. Advantageously, this results in shorter local interaction lengths of the individual electrode segments than in the prior art. The detection length is shortened and the space requirement in the microsystem is reduced. The segment lengths (si) of the electrode segments can, for. B. less than or equal to 50 pm, in particular less than or equal to 10 pm. Furthermore, the segment lengths are preferably at least equal to or greater than one tenth part of the particle diameter. Alternatively or additionally, the deflection angles (a) of the electrode segments can be less than 10°, in particular less than 5° to almost 0°. The deflection angles (aj) of the electrode segments are in particular significantly less than the deflection angles disclosed, for example, in [12]. The reliability of the field barrier formed by the electrode and the reliability of the manipulation of the particles are advantageously improved by the small deflection angles.
Die Aktivierungsdauern der Elektrodensegmente können in Abhängigkeit von der Partikelgröße und der Strömungsgeschwindigkeit gewählt werden. Beispielsweise können, insbesondere bei einem Partikeldurchmesser von 100 pm und einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 mm / s, die Aktivierungsdauern der Elektrodensegmente gleich oder kleiner 100 ms, insbesondere gleich oder kleiner 50 ms, sein, besonders bevorzugt bei 20 ms oder 30 ms oder sogar darunter gewählt sein. Vorteilhafterweise ermöglichen derart kurze Aktivierungsdauern der Elektrodensegmente eine Erhöhung des Durchsatzes der Partikelmanipulierung aufgrund einer höher wählbaren Vortriebsgeschwindigkeit / Strömungsgeschwindigkeit. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind eine Positionserfassung zur Ermittlung mindestens einer Partikelposition jedes Partikels und eine Ansteuerung der Elektrodensegmente in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikelposition jedes Partikels vorgesehen. Vorteilhafterweise kann durch die Positionserfassung eine Folge von Zeitabschnitten, in denen das jeweilige Partikel an den einzelnen Elektrodensegmenten vorbeitritt, ermittelt werden. Die Aktivierungsdauern der Elektrodensegmente entsprechen den erfassten Zeitabschnitten. Die Elektrodensegmente können für jedes Partikel für die Dauer der jeweiligen Zeitabschnitte aktiviert oder nicht aktiviert werden. The activation durations of the electrode segments can be selected depending on the particle size and the flow rate. For example, in particular with a particle diameter of 100 μm and a flow rate of 1 mm/s, the activation durations of the electrode segments can be less than or equal to 100 ms, in particular less than or equal to 50 ms, particularly preferably 20 ms or 30 ms or even less being. Advantageously, such short activation durations of the electrode segments allow an increase in the throughput of the particle manipulation due to a higher propulsion speed/flow speed that can be selected. According to a further advantageous embodiment of the invention, a position detection for determining at least one particle position of each particle and a control of the electrode segments depending on the at least one particle position of each particle are provided. A sequence of time periods in which the respective particle passes the individual electrode segments can advantageously be determined by the position detection. The activation durations of the electrode segments correspond to the recorded time periods. The electrode segments can be activated or not activated for each particle for the duration of the respective time periods.
Vorzugsweise ist das fluidische Mikrosystem entsprechend mit einer Positionserfassungseinrichtung ausgestattet, mit der die mindestens eine Partikelposition jedes Partikels erfassbar ist, wobei die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Elektrodensegmente in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikelposition jedes Partikels eingerichtet ist. The fluidic microsystem is preferably equipped accordingly with a position detection device with which the at least one particle position of each particle can be detected, the control device being set up to control the electrode segments depending on the at least one particle position of each particle.
Gemäß einer vorteilhaften Variante umfasst die Positionserfassung eine Beobachtung des Wechselwirkungsbereiches der Elektrode mit einer Mikroskopeinrichtung, wobei die Elektrodensegmente, an denen das Partikel aufeinanderfolgend vorbeitritt, mit der Mikroskopeinrichtung unmittelbar erfasst werden. Entsprechend umfasst die Positionserfassungseinrichtung des Mikrosystems die Mikroskopeinrichtung, die zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereiches der Elektrode und zur unmittelbaren Erfassung der Elektrodensegmente angeordnet ist, an denen das Partikel aufeinanderfolgend vorbeitritt. Diese Variante ist besonders von Vorteil, wenn die Positionserfassung zugleich eine Sortierentscheidung in Echtzeit, d. h. ohne oder mit vernachlässigbar geringer Verzögerung erlaubt. According to an advantageous variant, the position detection includes an observation of the interaction area of the electrode with a microscope device, the electrode segments past which the particle successively passes being detected directly with the microscope device. Correspondingly, the position detection device of the microsystem comprises the microscope device, which is arranged for observing the interaction region of the electrode and for directly detecting the electrode segments which the particle successively passes by. This variant is particularly advantageous if the position detection is also a sorting decision in real time, i. H. allowed with no or negligible delay.
Gemäß einer alternativen, besonders bevorzugten Variante umfasst die Positionserfassung eine Beobachtung eines Beobachtungsbereichs stromaufwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode mit einer Mikroskopeinrichtung, wobei der Beobachtungsbereich von jedem der Elektrodensegmente durch eine vorbestimmte Kanallänge beabstandet ist und die Elektrodensegmente, an denen das Partikel aufeinanderfolgend vorbeitritt, aus einer Beobachtungs-Zeit der Partikel in dem Beobachtungsbereich, den Kanallängen und der Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Entsprechend bildet die Mikroskopeinrichtung eine Positionserfassungseinrichtung des Mikrosystems, die stromaufwärts von der Elektrode angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann die Positionserfassung mit einer Bildverarbeitung zur Erkennung von Partikelmerkmalen kombiniert werden, wobei durch die Laufzeit jedes Partikels entlang der Kanallänge genügend Zeit für die Bildverarbeitung und z. B. eine Sortierentscheidung zur Verfügung steht. Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Erfassung mindestens einer Partikeleigenschaft jedes Partikels vorgesehen, wobei die Ansteuerung der Elektrodensegmente in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikeleigenschaft erfolgt. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Elektrode in Abhängigkeit von mindestens einer Partikeleigenschaft eingerichtet. Die Partikeleigenschaft umfasst vorzugsweise mindestens eines von einer Partikelstruktur und mindestens einer Partikelsubstanz. According to an alternative, particularly preferred variant, the position detection comprises an observation of an observation area upstream of the interaction area of the electrode with a microscope device, the observation area being spaced apart from each of the electrode segments by a predetermined channel length and the electrode segments, which the particle successively passes, consist of a Observation time of the particles in the observation area, the channel lengths and the flow rate can be determined. Correspondingly, the microscope device forms a position detection device of the microsystem, which is arranged upstream of the electrode. Advantageously, the position detection can be combined with image processing for detecting particle features, with the transit time of each particle along the channel length enough time for image processing and z. B. a sorting decision is available. According to a further, particularly preferred embodiment of the invention, at least one particle property of each particle is detected, with the electrode segments being controlled as a function of the at least one particle property. The control device is preferably set up to activate the electrode as a function of at least one particle property. The particulate property preferably includes at least one of a particulate structure and at least one particulate substance.
Die Partikeleigenschaft wird beispielsweise mit optischen und/oder photonischen Verfahren, z. B. Streuungsmessungen, und/oder mit linsenloser Röntgenbeugung erfasst. Besonders bevorzugt wird die Partikeleigenschaft mit der Mikroskopeinrichtung in Verbindung mit einer Bildanalyseeinrichtung erfasst, mit der mindestens eine Partikeleigenschaft aus Bilddaten jedes Partikels ermittelbar sind. The particle property is determined, for example, using optical and/or photonic methods, e.g. B. scattering measurements, and / or detected with lensless X-ray diffraction. The particle property is particularly preferably recorded with the microscope device in connection with an image analysis device with which at least one particle property can be determined from image data of each particle.
Eine Bilddaten-basierte Partikelsortierung, insbesondere Zellsortierung, mit hohem Durchsatz ist für alle Bereiche der Lebenswissenschaften und zellbasierten Medizin von großem Vorteil. Eine präzise und sichere Isolierung von Zellen insbesondere im klinischen Kontext liefert neue zelltherapeutische Wege und Standards mit hohem gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Potential (z.B. bei der CAR-T-Zell-Therapie). Die Bilddaten-basierte Sortierung von Zellen hat des Weiteren Anwendungen in der biomedizinischen Grundlagenforschung, insbesondere in der Wirkstoffentwicklung, wie z.B. die Bereiche Drug-Screening, der Immunonkologie oder der Stammzellherstellung. Image data-based particle sorting, especially cell sorting, with high throughput is of great benefit for all areas of life sciences and cell-based medicine. A precise and safe isolation of cells, especially in a clinical context, provides new cell therapy methods and standards with high social and economic potential (e.g. in CAR T cell therapy). The image data-based sorting of cells also has applications in basic biomedical research, especially in drug development, such as in the areas of drug screening, immuno-oncology or stem cell production.
Vorzugsweise wird eine Verteilung der Partikel im Mikrosystem derart gewählt, dass sich im Wechselwirkungsbereich der Elektrode mehrere Partikel befinden, wobei sich im zeitlichen Mittel an jedem Elektrodensegment höchstens eines der Partikel befindet. Vorteilhafterweise kann die Verteilung der Partikel gleichzeitig mit der Erfassung mindestens einer Partikeleigenschaft ermittelt werden. Partikel mit einem derart geringen Abstand, dass mindestens zwei Partikel gleichzeitig ein Elektrodensegment passieren, können erkannt und verworfen werden. A distribution of the particles in the microsystem is preferably selected such that there are a plurality of particles in the interaction region of the electrode, with at most one of the particles being located on each electrode segment on average over time. Advantageously, the distribution of the particles can be determined simultaneously with the detection of at least one particle property. Particles that are so close together that at least two particles pass through an electrode segment at the same time can be detected and discarded.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung bei der Partikelsortierung ist vorgesehen, dass sich der Kanal des Mikrosystems stromabwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode in mehrere Teilkanäle aufteilt und jedes der Partikel durch die Ansteuerung der Elektrodensegmente in Abhängigkeit von der jeweiligen mindestens einen Partikeleigenschaft in einen der Teilkanäle bewegt wird. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung eingerichtet, jedes der Partikel durch die Ansteuerung der Elektrode in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikeleigenschaft des Partikels in einen der Teilkanäle zu bewegen. Vorteilhafterweise kann die Sortierfunktion der Elektrode Partikel-spezifisch erfüllt werden, selbst wenn sich mehrere Partikel innerhalb der Wechselwirkungslänge der Elektrode befinden. Jedes Elektrodensegment, an dem sich ein Partikel aktuell befindet, wird entsprechend der erfassten Partikeleigenschaft und Sortierentscheidung angesteuert (aktiviert oder nicht aktiviert). According to a preferred application of the invention in particle sorting, it is provided that the channel of the microsystem downstream of the interaction area of the electrode is divided into several sub-channels and each of the particles moves into one of the sub-channels by controlling the electrode segments depending on the respective at least one particle property will. In this case, the control device is set up to control each of the particles to move by the activation of the electrode depending on the at least one particle property of the particle in one of the sub-channels. Advantageously, the sorting function of the electrode can be fulfilled in a particle-specific manner, even if a number of particles are located within the interaction length of the electrode. Each electrode segment on which a particle is currently located is controlled (activated or not activated) according to the detected particle property and sorting decision.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Strömungsgeschwindigkeit der Suspension mit einem Regelkreis auf einen vorgegeben konstanten Wert eingestellt. Vorzugsweise ist das Mikrosystem, insbesondere die Steuereinrichtung, mit dem Regelkreis gekoppelt. Vorteilhafterweise erlaubt eine konstante Strömungsgeschwindigkeit eine erhöhte Genauigkeit der Einstellung der Aktivierungsdauer der Elektrodensegmente. According to a further advantageous embodiment of the invention, the flow rate of the suspension is adjusted to a predetermined constant value using a control circuit. The microsystem, in particular the control device, is preferably coupled to the control loop. Advantageously, a constant flow rate allows increased accuracy in setting the activation duration of the electrode segments.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in: Further details and advantages of the invention are described below with reference to the accompanying drawings. The drawings show in:
Figur 1: eine schematische Illustration von Merkmalen von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems; und FIG. 1: a schematic illustration of features of embodiments of the method according to the invention and of the fluidic microsystem according to the invention; and
Figuren 2 und 3: schematische Illustrationen von herkömmlichen fluidischen Mikrosystemen. FIGS. 2 and 3: schematic illustrations of conventional fluidic microsystems.
Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf eine Sortierung von biologischen Zellen an einer Y-Verzweigung eines Kanals eines fluidischen Mikrosystems in zwei Teilkanäle beschrieben. Es wird betont, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern entsprechend bei einer anderen Manipulierung von Partikeln, z. B. für deren Verschiebung auf eine von mehr als zwei Bewegungsbahnen im Kanal, z. B. für eine Umverteilung oder Änderung der Partikelabstände, möglich ist. Anstelle der Manipulation biologischer Zellen kann erfindungsgemäß eine Manipulation anderer, insbesondere nichtbiologischer Partikel vorgesehen sein. Bei der Umsetzung der Erfindung in der Praxis können insbesondere Größen und Formen der Teile des Mikrosystems in Abhängigkeit von den Anforderungen der konkreten Anwendung gewählt werden. Einzelheiten des Aufbaus und des Betriebs fluidischen Mikrosystems, insbesondere der Erzeugung hochfrequenter elektrischer Felder zur Elektrodenansteuerung, und der Erfassung von Partikeleigenschaften, z. B. durch eine Verarbeitung von Messdaten eines Mikroskops, werden nicht beschrieben, da diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Features of embodiments of the invention are described below by way of example with reference to a sorting of biological cells at a Y-junction of a channel of a fluidic microsystem into two sub-channels. It is emphasized that the application of the invention is not limited to this example, but correspondingly in another manipulation of particles, e.g. B. for their shift to one of more than two trajectories in the channel, z. B. for a redistribution or change in particle spacing is possible. Instead of the manipulation of biological cells, manipulation of other, in particular non-biological particles can be provided according to the invention. When putting the invention into practice, in particular the sizes and shapes of the parts of the microsystem can be chosen depending on the requirements of the specific application. Details of the structure and operation of the fluidic microsystem, in particular the generation of high-frequency electric fields for electrode control, and the detection of particle properties, e.g. B. by processing Measurement data from a microscope are not described since these are known per se from the prior art.
Figur 1 zeigt in schematischer Draufsicht den Kanal 10 des fluidischen Mikrosystems 100 mit einer Elektrodeneinrichtung 20, einer Steuereinrichtung 30 und einer Mikroskopeinrichtung 40. Der Kanal 10 erstreckt sich gerade in einer Längsrichtung z bis zu einer Verzweigung in Teilkanäle 11, 12. Der Kanal 10 hat z. B. einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite im Bereich von 20 pm bis 1000 mm und einer Höhe im Bereich von 5 pm bis 1 mm. Die ebene Unterseite wird auch als Kanalboden 13 und die ebene Oberseite als Deckfläche (nicht gezeigt) bezeichnet. Im Kanal befinden sich Zellen 1, 1A, die in einer Suspensionsflüssigkeit 2 suspendiert sind. Bei Betätigung einer Pumpeinrichtung 14 wird im Kanal 10 eine Strömung der Suspensionsflüssigkeit mit einer Strömungsrichtung erzeugt, die mit der Längsrichtung z übereinstimmt. Figure 1 shows a schematic top view of the channel 10 of the fluidic microsystem 100 with an electrode device 20, a control device 30 and a microscope device 40. The channel 10 extends straight in a longitudinal direction z up to a branching into partial channels 11, 12. The channel 10 has e.g. B. a rectangular cross section with a width in the range of 20 pm to 1000 mm and a height in the range of 5 pm to 1 mm. The flat underside is also referred to as the channel base 13 and the flat top as the top surface (not shown). Cells 1, 1A suspended in a suspension liquid 2 are located in the channel. When a pumping device 14 is actuated, a flow of the suspension liquid is generated in the channel 10 with a flow direction which corresponds to the longitudinal direction z.
Die Elektrodeneinrichtung 20 umfasst die Elektrode 21, die in eine Vielzahl von Elektrodensegmenten 22 unterteilt ist. Im dargestellten Beispiel hat die Elektrode 21 die Form eines geraden Streifens, der durch die aufgereihten geraden Elektrodensegmente 22 gebildet wird. In Figur 1 ist nur die Elektrode 21 am Kanalboden 13 gezeigt. An der Deckfläche ist vorzugsweise eine weitere Elektrode (nicht gezeigt) mit der gleichen Größe und Form und Ausrichtung relativ zum Kanal 10 oder alternativ eine flächige Gegenelektrode angeordnet. Die Längsausdehnung der Elektrode 21 bildet mit der Längsrichtung z des Kanals 10 einen Ablenkwinkel aL, der wegen der geraden Elektrodenform den Ablenkwinkel «Jedes Elektrodensegments 22 bildet. Die Elektrodensegmente 22 haben entlang der Längsrichtung z des Kanals 10 eine Segmentlänge s; und quer zur Längsrichtung z des Kanals 10 einen Segmentversatz Di. Entsprechend ist jedem Elektrodensegment 22 eine Wechselwirkungslänge zugeordnet. Die Wechselwirkungslänge (Erfassungslänge) L der gesamten Elektrode 21 ergibt sich aus der Summe der einzelnen Wechselwirkungslängen der Elektrodensegmente 22 und deren gegenseitigen Abständen. Im dargestellten Beispiel haben alle Elektrodensegmente 22 die gleiche Wechselwirkungslängen . The electrode device 20 includes the electrode 21 which is divided into a large number of electrode segments 22 . In the example shown, the electrode 21 has the shape of a straight strip, which is formed by the straight electrode segments 22 lined up. Only the electrode 21 on the bottom 13 of the channel is shown in FIG. A further electrode (not shown) with the same size and shape and orientation relative to the channel 10 or alternatively a flat counter-electrode is preferably arranged on the top surface. The longitudinal extension of the electrode 21 forms a deflection angle a L with the longitudinal direction z of the channel 10, which forms the deflection angle «of each electrode segment 22 because of the straight shape of the electrode. The electrode segments 22 have a segment length s along the longitudinal direction z of the channel 10; and transverse to the longitudinal direction z of the channel 10 a segment offset Di. Correspondingly, each electrode segment 22 is assigned an interaction length. The interaction length (detection length) L of the entire electrode 21 results from the sum of the individual interaction lengths of the electrode segments 22 and their mutual distances. In the example shown, all of the electrode segments 22 have the same interaction lengths.
Die Elektrode 21 ist in die Elektrodensegmente 22 unterteilt, um bei einem möglichst geringen Ablenkwinkel mit einer möglichst hohen Zelldichte arbeiten zu können, wodurch eine stufenweise Ablenkung der Zellen bei minimaler Breite des Segmentversatzes D; (Sortierfenster) möglich wird. Idealerweise erfolgt die Unterteilung so, dass die Breite des Segmentversatzes D; in der Größenordnung des Zelldurchmessers liegt. Die einzelnen Elektrodensegmente 22 können nacheinander an- bzw. wieder ausgeschaltet werden, so dass immer nur dasjenige Elektrodensegment 22 aktiv ist, an dem sich die zu sortierende Zelle befindet. Auch sehr dicht nachfolgende Zellen können so unabhängig von der vorausgehenden Zelle gehandhabt werden. In einer konkreten Ausführungsform sind z. B. 20 Elektrodensegmente 22 jeweils mit einer Segmentlänge s; von 20 pm und einem Ablenkwinkel a, von 3° vorgesehen, wobei sich eine Wechselwirkungslänge L der gesamten Elektrode 21 von 0,2 mm ergibt. Die Breite der Elektrode 21 beträgt z. B. 10 pm. The electrode 21 is divided into the electrode segments 22 in order to be able to work at the lowest possible deflection angle with the highest possible cell density, whereby a gradual deflection of the cells with a minimum width of the segment offset D; (sort window) becomes possible. Ideally, the subdivision is such that the width of the segment offset D; is of the order of the cell diameter. The individual electrode segments 22 can be switched on and off again one after the other, so that only the electrode segment 22 on which the cell to be sorted is located is active. Cells that follow very closely can also do this be handled independently of the preceding cell. In a specific embodiment z. B. 20 electrode segments 22 each with a segment length s; of 20 pm and a deflection angle α of 3°, resulting in an interaction length L of the entire electrode 21 of 0.2 mm. The width of the electrode 21 is z. 10pm.
Die Steuereinrichtung 30 umfasst eine Elektrodenspannungsquelle 31 und eine Computereinheit 32. Mit der Computereinheit 32 werden die Elektrodenspannungsquelle 31, die Mikroskopeinrichtung 40 und die Pumpeinrichtung 14 angesteuert. Des Weiteren ist die Computereinheit 32 zur Analyse von Bilddaten der Mikroskopeinrichtung 40, zur Erfassung von Partikeleigenschaften der Zellen 1, 1A und zur Erzeugung einer Sortierentscheidung in Abhängigkeit von den erfassten Partikeleigenschaften ausgelegt. Die Elektrodenspannungsquelle 31 ist zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Spannungen zur Ansteuerung der Elektrode 21 ausgelegt. Erfindungsgemäß wird jedes Elektrodensegment 22 einzeln angesteuert. Hierzu weist die Elektrodenspannungsquelle 31 eine Gruppe von Ausgangskanälen auf, deren Anzahl gleich der Anzahl der Elektrodensegmente 22 ist. Jeder Ausgangskanal ist jeweils mit einem der Elektrodensegmente 22 der Elektrode 21 und mit einem der Elektrodensegmente der nicht gezeigten Elektrode an der Deckfläche des Kanals 10 verbunden. The control device 30 comprises an electrode voltage source 31 and a computer unit 32. The computer unit 32 controls the electrode voltage source 31, the microscope device 40 and the pump device 14. Furthermore, the computer unit 32 is designed to analyze image data from the microscope device 40, to record particle properties of the cells 1, 1A and to generate a sorting decision as a function of the particle properties recorded. The electrode voltage source 31 is designed to generate high-frequency electrical voltages for driving the electrode 21 . According to the invention, each electrode segment 22 is controlled individually. For this purpose, the electrode voltage source 31 has a group of output channels, the number of which is equal to the number of electrode segments 22 . Each output channel is connected to one of the electrode segments 22 of the electrode 21 and to one of the electrode segments of the electrode (not shown) on the top surface of the channel 10 .
Die Mikroskopeinrichtung 40 umfasst z. B. ein Durchlicht- oder Fluoreszenz-Mikroskop, das zur Bilderfassung in einem Beobachtungsbereich stromaufwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode 21 angeordnet ist. Im Beobachtungsbereich ist die Deckfläche des Kanals 10 transparent. Zugleich bildet die Mikroskopeinrichtung 40 eine Positionserfassungseinrichtung, mit der die Partikelposition der Zellen 1, 1A erfassbar ist. Hierzu werden die Passage der Zellen 1, 1A durch den Beobachtungsbereich und die zugehörige Beobachtungs-Zeit erfasst. In Verbindung mit der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal 10 und den Segmentlängen ergeben sich die Zeitintervalle, zu denen die Partikel 1, 1A die Elektrodensegmente 22 passieren. The microscope device 40 includes z. B. a transmitted light or fluorescence microscope, which is arranged for image acquisition in an observation area upstream of the interaction area of the electrode 21. In the observation area, the top surface of the channel 10 is transparent. At the same time, the microscope device 40 forms a position detection device with which the particle position of the cells 1, 1A can be detected. For this purpose, the passage of the cells 1, 1A through the observation area and the associated observation time are recorded. The time intervals at which the particles 1, 1A pass the electrode segments 22 result in connection with the flow rate in the channel 10 and the segment lengths.
Im Zeitabschnitt zwischen der Beobachtungs-Zeit und dem Erreichen des ersten Elektrodensegments 22 führt die Computereinheit 32 die Analyse der Bilddaten der Mikroskopeinrichtung 40, die Erfassung von Partikeleigenschaften der Zellen 1, 1A, wie z. B. Größe, Form, Co-Lokalisation von fluoreszenzgefärbten Membranproteinen und die Sortierentscheidung aus. In the period of time between the observation time and reaching the first electrode segment 22, the computer unit 32 carries out the analysis of the image data from the microscope device 40, the detection of particle properties of the cells 1, 1A, such as e.g. B. size, shape, co-localization of fluorescently stained membrane proteins and the sorting decision.
Zur Zellsortierung im Kanal 10 strömen die in der Suspensionsflüssigkeit 2, wie z. B. Zellkulturmedium, Pufferlösung etc., suspendierte Zellen 1, 1A durch den Beobachtungsbereich der Mikroskopeinrichtung 40 zu der Elektrodeneinrichtung 20. Jeder Zelle werden eine Partikeleigenschaft und die Zeitintervalle der Passage an den Elektrodensegmenten 22 zugeordnet. Die Elektrodensegmente 22 werden durch Beaufschlagung mit hochfrequenten elektrischen Spannungen für Aktivierungsdauern gleich den jeweiligen Zeitintervallen der Passage angesteuert. Wird kein Feld an einem Elektrodensegment 22 erzeugt (die Elektrode 21 ist lokal inaktiv), so können die Zellen das Elektrodensegment 22 frei passieren. Wird ein Feld an einem Elektrodensegment 22 erzeugt (die Elektrode 21 ist lokal aktiv), werden die Zellen durch negative Dielektrophorese an der Passage gehindert und entsprechend der Elektrodengeometrie und dem hydrodynamischen Vortrieb auf eine andere Bewegungsbahn gelenkt. Durch die Aufteilung der Elektrode 21 in die Elektrodensegmente 22 mit einem relativ geringen Ablenkwinkel c wird die effektive Erfassungslänge der Elektrode 21 minimiert, so dass auch dicht aufeinanderfolgende Zellen 1, 1A individuell sortiert werden können und korrekt getrennt die Teilkanäle 11, 12 erreichen. For cell sorting in the channel 10 flow in the suspension liquid 2, such as. B. cell culture medium, buffer solution, etc., suspended cells 1, 1A through the observation area of the microscope device 40 to the electrode device 20. Each cell is a particle property and the time intervals of the passage at the electrode segments 22 assigned. The electrode segments 22 are driven by applying high-frequency electrical voltages for activation periods equal to the respective time intervals of the passage. If no field is generated at an electrode segment 22 (the electrode 21 is locally inactive), then the cells can pass through the electrode segment 22 freely. If a field is generated at an electrode segment 22 (the electrode 21 is locally active), the cells are prevented from passing through negative dielectrophoresis and are directed onto a different trajectory in accordance with the electrode geometry and the hydrodynamic propulsion. By dividing the electrode 21 into the electrode segments 22 with a relatively small deflection angle c, the effective detection length of the electrode 21 is minimized so that even cells 1, 1A that follow one another in close proximity can be sorted individually and reach the sub-channels 11, 12 correctly separated.
Im Gegensatz zu bisher beschriebenen Verfahren (z.B. [8]) ermöglicht die Nutzung der beschriebenen Sortierfunktion die Verarbeitung von sehr dichten Zellproben. In Kombination mit einer (einfach zu realisierenden) Parallelisierung des Systems kann der gleiche Durchsatz daher mit deutlich niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden, was die optische Bildakquise sowie den Umgang mit potentiell durch die Bildverarbeitung bedingten Totzeiten erleichtert. Zudem entfallen die bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten erforderlichen, aufwändigen mikrofluidischen Steuerelemente, was die Komplexität des Verfahrens weiter reduziert und somit die Kompaktheit, Kosten und Bedienbarkeit des Systems erheblich verbessert. In contrast to previously described methods (e.g. [8]), the use of the sorting function described enables the processing of very dense cell samples. In combination with an (easily realizable) parallelization of the system, the same throughput can be achieved with significantly lower flow velocities, which facilitates the optical image acquisition and the handling of dead times potentially caused by image processing. In addition, the complex microfluidic control elements required for high flow velocities are omitted, which further reduces the complexity of the method and thus significantly improves the compactness, costs and operability of the system.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder Unterkombination 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 important both individually and in combination or sub-combination for the realization of the invention in its various configurations.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betrieb eines fluidischen Mikrosystems (100) zur dielektrophoretischen Manipulierung von suspendierten Partikeln (1) mit einem vorbestimmten Partikeldurchmesser in einer Suspensionsflüssigkeit (2), wobei das fluidische Mikrosystem (100) umfasst: 1. A method for operating a fluidic microsystem (100) for the dielectrophoretic manipulation of suspended particles (1) with a predetermined particle diameter in a suspension liquid (2), the fluidic microsystem (100) comprising:
- einen Kanal (10) mit einer Längsrichtung, - a channel (10) with a longitudinal direction,
- eine Elektrodeneinrichtung (20) mit einer langgestreckten Elektrode (21), deren Längsausdehnung von der Längsrichtung des Kanals (10) abweicht und die eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Elektrodensegmenten (22) zur Erzeugung von auf die Partikel (1) wirkenden, dielektrophoretischen Kräften aufweist, wobei jedes Elektrodensegment (22) einen Ablenkwinkel (aL) relativ zu der Längsrichtung des Kanals (10) und eine Segmentlänge (si) aufweist, die einen Segmentversatz (Di) quer zur Längsrichtung des Kanals (10) bestimmen, und - an electrode device (20) with an elongated electrode (21), the length of which deviates from the longitudinal direction of the channel (10) and which has a large number of individually controllable electrode segments (22) for generating dielectrophoretic forces acting on the particles (1). , wherein each electrode segment (22) has a deflection angle (a L ) relative to the longitudinal direction of the channel (10) and a segment length (si) which determine a segment offset (Di) transverse to the longitudinal direction of the channel (10), and
- eine Steuereinrichtung (30), mit der die Elektrodensegmente (22) ansteuerbar sind, umfassend die Schritte: - a control device (30) with which the electrode segments (22) can be controlled, comprising the steps:
- Erzeugung einer Strömung der Suspensionsflüssigkeit (2) mit einer Strömungsgeschwindigkeit in dem Kanal (10), so dass die suspendierten Partikel (1) aufeinanderfolgend einen Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) passieren, der von den Elektrodensegmenten (22) aufgespannt wird, und - generating a flow of the suspension liquid (2) with a flow speed in the channel (10) so that the suspended particles (1) successively pass an interaction area of the electrode (21) spanned by the electrode segments (22), and
- Ansteuerung der Elektrodensegmente (22) zur Ablenkung der Partikel (1) im Kanal (10) jeweils auf vorbestimmte Bewegungsbahnen (4, 5), die durch eine Überlagerung von Strömungskräften in der Strömung der Suspensionsflüssigkeit (2) und von den dielektrophoretischen Kräften bestimmt werden, die an den Elektrodensegmenten (22) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass - Activation of the electrode segments (22) for deflecting the particles (1) in the channel (10) onto predetermined movement paths (4, 5), which are determined by a superimposition of flow forces in the flow of the suspension liquid (2) and by the dielectrophoretic forces , which are generated on the electrode segments (22), characterized in that
- bei der Passage jedes Partikels jedes der Elektrodensegmente (22), an denen das Partikel (1) aufeinanderfolgend vorbeitritt, mit der Steuereinrichtung (30) in Abhängigkeit von der gewünschten Bewegungsbahn (4, 5) jeweils für eine vorbestimmte Aktivierungsdauer getaktet angesteuert wird, wobei die Aktivierungsdauer jedes Elektrodensegments (22) durch den Quotienten aus der Segmentlänge (si) des Elektrodensegments (22) und der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, und - during the passage of each particle, each of the electrode segments (22), which the particle (1) successively passes, is activated in a clocked manner with the control device (30) depending on the desired movement path (4, 5) for a predetermined activation period, wherein the activation duration of each electrode segment (22) is determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment (22) and the flow rate, and
- die Elektrodensegmente (22) so dimensioniert sind, dass der Segmentversatz (Di) von jedem Elektrodensegment (22) kleiner als der Partikeldurchmesser ist, und für die Ablenkung jedes Partikel (1) jeweils mindestens zwei aufeinanderfolgende Elektrodensegmente (22) Zusammenwirken. - the electrode segments (22) are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment (22) is smaller than the particle diameter, and for the deflection of each particle (1) at least two consecutive electrode segments (22) interact.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem 2. The method according to claim 1, wherein
- die Segmentlängen (si) der Elektrodensegmente (22) kleiner oder gleich dem 10-fachen Partikeldurchmesser, insbesondere kleiner oder gleich dem doppelten Partikeldurchmesser, sind. - The segment lengths (si) of the electrode segments (22) are less than or equal to 10 times the particle diameter, in particular less than or equal to twice the particle diameter.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein
- die Ablenkwinkel (aj der Elektrodensegmente (22) geringer als 10°, insbesondere geringer als 5° sind. - the deflection angles (aj) of the electrode segments (22) are less than 10°, in particular less than 5°.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten 4. The method according to any one of the preceding claims, with the steps
- Positionserfassung zur Ermittlung mindestens einer Partikelposition jedes Partikels, und- position detection for determining at least one particle position of each particle, and
- Ansteuerung der Elektrodensegmente (22) in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikelposition jedes Partikels (1). - Control of the electrode segments (22) depending on the at least one particle position of each particle (1).
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem 5. The method according to claim 4, wherein
- die Positionserfassung eine Beobachtung des Wechselwirkungsbereiches der Elektrode (21) mit einer Mikroskopeinrichtung (40) umfasst, mit der die Elektrodensegmente (22), an denen das Partikel (1) aufeinanderfolgend vorbeitritt, unmittelbar erfasst werden. - the position detection includes an observation of the interaction area of the electrode (21) with a microscope device (40) with which the electrode segments (22) past which the particle (1) successively passes are directly detected.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem 6. The method according to claim 4 or 5, wherein
- die Positionserfassung eine Beobachtung eines Beobachtungsbereichs stromaufwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) mit einer Mikroskopeinrichtung (40) umfasst, wobei der Beobachtungsbereich von jedem der Elektrodensegmente (22) durch eine vorbestimmte Kanallänge beabstandet ist und die Elektrodensegmente (22), an denen das Partikel (1) aufeinanderfolgend vorbeitritt, aus einer Beobachtungs-Zeit der Partikel (1) in dem Beobachtungsbereich, den Kanallängen und der Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. - the position detection comprises observing an observation area upstream of the interaction area of the electrode (21) with a microscope device (40), the observation area being spaced apart from each of the electrode segments (22) by a predetermined channel length and the electrode segments (22) on which the particle (1) successively passes, can be determined from an observation time of the particles (1) in the observation area, the channel lengths and the flow speed.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt 7. The method according to any one of the preceding claims, with the step
- Erfassung mindestens einer Partikeleigenschaft jedes Partikels, wobei - Detection of at least one particle property of each particle, wherein
- die Ansteuerung der Elektrodensegmente (22) in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikeleigenschaft erfolgt. - The activation of the electrode segments (22) takes place as a function of the at least one particle property.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem 8. The method according to claim 7, wherein
- der Kanal (10) sich stromabwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) in mehrere Teilkanäle (101, 102) aufteilt, wobei 19 - The channel (10) is divided into a plurality of sub-channels (101, 102) downstream of the interaction region of the electrode (21), wherein 19
- jedes der Partikel (1) durch die Ansteuerung der Elektrodensegmente (22) in Abhängigkeit von der jeweiligen mindestens einen Partikeleigenschaft in einen der Teilkanäle (101, 102) bewegt wird. - Each of the particles (1) is moved into one of the partial channels (101, 102) by the activation of the electrode segments (22) depending on the respective at least one particle property.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein
- die Strömungsgeschwindigkeit der Suspensionsflüssigkeit (2) mit einem Regelkreis auf einen vorgegeben konstanten Wert eingestellt wird. - The flow rate of the suspension liquid (2) is set to a predetermined constant value with a control loop.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein
- eine Verteilung der Partikel (1) derart gewählt ist, dass sich im Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) mehrere Partikel (1) befinden, wobei sich im zeitlichen Mittel an jedem Elektrodensegment (22) höchstens eines der Partikel (1) befindet. - a distribution of the particles (1) is selected such that there are a plurality of particles (1) in the interaction region of the electrode (21), with at most one of the particles (1) being located on each electrode segment (22) on average over time.
11. Fluidisches Mikrosystem (100), das zur dielektrophoretischen Manipulierung von Partikeln (1) mit einem vorbestimmten Partikeldurchmesser in einer Suspensionsflüssigkeit (2) eingerichtet ist, umfassend 11. Fluidic microsystem (100), which is set up for dielectrophoretic manipulation of particles (1) with a predetermined particle diameter in a suspension liquid (2), comprising
- einen Kanal (10) mit einer Längsrichtung, - a channel (10) with a longitudinal direction,
- eine Elektrodeneinrichtung (20) mit einer langgestreckten Elektrode (21), deren Längsausdehnung von der Längsrichtung des Kanals (10) abweicht und die eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Elektrodensegmenten (22) zur Erzeugung von auf die Partikel (1) wirkenden, dielektrophoretischen Kräften aufweist, wobei jedes Elektrodensegment (22) einen Ablenkwinkel (aj relativ zu der Längsrichtung des Kanals (10) und eine Segmentlänge (si) aufweist, die einen Segmentversatz (Di) quer zur Längsrichtung des Kanals (10) bestimmen, und - An electrode device (20) with an elongate electrode (21) whose longitudinal extension deviates from the longitudinal direction of the channel (10) and which has a large number of individually controllable electrode segments (22) for generating dielectrophoretic forces acting on the particles (1). , wherein each electrode segment (22) has a deflection angle (aj relative to the longitudinal direction of the channel (10) and a segment length (si) which determine a segment offset (Di) transverse to the longitudinal direction of the channel (10), and
- eine Steuereinrichtung (30), mit der die Elektrodensegmente (22) ansteuerbar sind, wobei- A control device (30) with which the electrode segments (22) can be controlled, wherein
- der Kanal (10) zur Aufnahme einer Strömung der Suspensionsflüssigkeit (2) mit einer Strömungsgeschwindigkeit derart eingerichtet ist, dass die suspendierten Partikel (1) aufeinanderfolgend einen Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) durchlaufen, der von den Elektrodensegmenten (22) aufgespannt wird, und - the channel (10) is set up to receive a flow of the suspension liquid (2) at a flow rate such that the suspended particles (1) successively pass through an interaction region of the electrode (21) which is spanned by the electrode segments (22), and
- die Steuereinrichtung (30) zur Ansteuerung der Elektrodensegmente (22) zur Ablenkung der Partikel (1) im Kanal (10) jeweils auf vorbestimmte Bewegungsbahnen (4, 5) eingerichtet ist, die durch eine Überlagerung von Strömungskräften in der Strömung der Suspensionsflüssigkeit (2) und von den dielektrophoretischen Kräften bestimmt werden, die an den Elektrodensegmenten (22) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass 20 - the control device (30) for controlling the electrode segments (22) for deflecting the particles (1) in the channel (10) is set up in each case on predetermined movement paths (4, 5) which are set up by superimposing flow forces in the flow of the suspension liquid (2nd ) and are determined by the dielectrophoretic forces generated at the electrode segments (22), characterized in that 20
- die Steuereinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, bei der Passage der Partikel (1) jedes der Elektrodensegmente (22), an denen eines der Partikel (1) aufeinanderfolgend vorbeitritt, in Abhängigkeit von der gewünschten Bewegungsbahn (4, 5) jeweils für eine vorbestimmte Aktivierungsdauer getaktet anzusteuern, wobei die Aktivierungsdauer jedes Elektrodensegments (22) durch den Quotienten aus der Segmentlänge (si) des Elektrodensegments (22) und der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, - The control device (30) is set up to, during the passage of the particles (1), each of the electrode segments (22) past which one of the particles (1) successively passes, depending on the desired trajectory (4, 5) for one to control a predetermined activation period in a clocked manner, the activation period of each electrode segment (22) being determined by the quotient of the segment length (si) of the electrode segment (22) and the flow rate,
- die Elektrodensegmente (22) so dimensioniert sind, dass der Segmentversatz (Di) von jedem Elektrodensegment (22) kleiner als der Partikeldurchmesser ist, und - the electrode segments (22) are dimensioned such that the segment offset (Di) of each electrode segment (22) is smaller than the particle diameter, and
- die Steuereinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, die Elektrodensegmente (22) so anzusteuern, dass für die Ablenkung jedes Partikels jeweils mindestens zwei aufeinanderfolgende Elektrodensegmente (22) Zusammenwirken. - the control device (30) is set up to control the electrode segments (22) in such a way that at least two consecutive electrode segments (22) interact in each case for the deflection of each particle.
12. Fluidisches Mikrosystem gemäß Anspruch 11, mit mindestens einem der Merkmale12. Fluidic microsystem according to claim 11, having at least one of the features
- die Segmentlängen (si) der Elektrodensegmente (22) sind kleiner oder gleich dem 10-fachen Partikeldurchmesser, insbesondere kleiner oder gleich dem doppelten Partikeldurchmesser, und- The segment lengths (si) of the electrode segments (22) are less than or equal to 10 times the particle diameter, in particular less than or equal to twice the particle diameter, and
- die Segmentlängen (si) der Elektrodensegmente (22) sind kleiner oder gleich 100 pm, insbesondere kleiner oder gleich 10 pm. - The segment lengths (si) of the electrode segments (22) are less than or equal to 100 pm, in particular less than or equal to 10 pm.
13. Fluidisches Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, das umfasst 13. Fluidic microsystem according to any one of claims 11 to 12, which comprises
- eine Positionserfassungseinrichtung, mit der mindestens eine Partikelposition jedes Partikels erfassbar ist, wobei - A position detection device with which at least one particle position of each particle can be detected, wherein
- die Steuereinrichtung (30) zur Ansteuerung der Elektrodensegmente (22) in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikelposition jedes Partikels eingerichtet ist. - The control device (30) for controlling the electrode segments (22) is set up as a function of the at least one particle position of each particle.
14. Fluidisches Mikrosystem gemäß Anspruch 13, bei dem 14. Fluidic microsystem according to claim 13, wherein
- die Positionserfassungseinrichtung eine Mikroskopeinrichtung (40) umfasst, die zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereiches der Elektrode (21) und zur unmittelbaren Erfassung der Elektrodensegmente (22) angeordnet ist, an denen das Partikel (1) aufeinanderfolgend vorbeitritt. - the position detection device comprises a microscope device (40) which is arranged for observing the interaction region of the electrode (21) and for directly detecting the electrode segments (22) which the particle (1) successively passes.
15. Fluidisches Mikrosystem gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem 15. Fluidic microsystem according to claim 13 or 14, wherein
- die Positionserfassungseinrichtung eine Mikroskopeinrichtung (40) umfasst, die zur Beobachtung eines Beobachtungsbereichs stromaufwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) mit einer Mikroskopeinrichtung (40) angeordnet ist, wobei der Beobachtungsbereich von jedem der Elektrodensegmente (22) durch eine vorbestimmte Kanallänge beabstandet ist, wobei 21 - the position detection device comprises a microscope device (40) which is arranged for observing an observation area upstream of the interaction area of the electrode (21) with a microscope device (40), the observation area being spaced apart from each of the electrode segments (22) by a predetermined channel length, whereby 21
- die Steuereinrichtung (30) eingerichtet ist, die Elektrodensegmente (22), an denen das Partikel- The control device (30) is set up, the electrode segments (22) on which the particle
(1) aufeinanderfolgend vorbeitritt, aus einer Beobachtungs-Zeit der Partikel (1) in dem Beobachtungsbereich, den Kanallängen und der Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln. (1) successively passes to be determined from an observation time of the particles (1) in the observation area, the channel lengths and the flow velocity.
16. Fluidisches Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem 16. Fluidic microsystem according to any one of claims 11 to 15, wherein
- die Steuereinrichtung (30) zur Ansteuerung der Elektrode (21) in Abhängigkeit von mindestens einer Partikeleigenschaft eingerichtet ist. - The control device (30) for controlling the electrode (21) is set up as a function of at least one particle property.
17. Fluidisches Mikrosystem gemäß Anspruch 16, bei dem - der Kanal (10) sich stromabwärts von dem Wechselwirkungsbereich der Elektrode (21) in mehrere Teilkanäle (101, 102) aufteilt, wobei 17. Fluidic microsystem according to claim 16, in which - the channel (10) is divided into a plurality of sub-channels (101, 102) downstream of the interaction region of the electrode (21), wherein
- die Steuereinrichtung (30) eingerichtet ist, jedes der Partikel (1) durch die Ansteuerung der Elektrode (21) in Abhängigkeit von der mindestens einen Partikeleigenschaft des Partikels in einen der Teilkanäle (101, 102) zu bewegen. - the control device (30) is set up to move each of the particles (1) into one of the partial channels (101, 102) by controlling the electrode (21) depending on the at least one particle property of the particle.
18. Fluidisches Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, umfassend 18. Fluidic microsystem according to any one of claims 11 to 17, comprising
- einen Regelkreis, mit dem die Strömungsgeschwindigkeit der Suspensionsflüssigkeit (2) auf einen vorgegeben konstanten Wert einstellbar ist. - A control loop with which the flow rate of the suspension liquid (2) can be adjusted to a predetermined constant value.
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