WO2020002541A1 - Electrode assembly for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell, and method - Google Patents

Electrode assembly for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell, and method Download PDF

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cavity
electrolyte
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Samir KADIC
Christoph FAIGLE
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Robert Bosch Gmbh
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    • B03C2201/26—Details of magnetic or electrostatic separation for use in medical applications

Definitions

  • Electrode arrangement for a microfluidic device in particular for a microfluidic flow cell, and method
  • Flow cells are used in microfluidics to separate biological cells or DNA, for example by size, using dielectrophoresis.
  • Separate polymer layer and in other places contacted with needle-like electrodes channels are used to generate the electric field.
  • the local deformation of the field strength of the field takes place through insulating posts in the flow cell.
  • the invention relates to an electrode arrangement for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell.
  • the electrode arrangement comprises a fluidic layer, a substrate layer and a membrane arranged between the fluidic layer and the substrate layer.
  • the electrode arrangement comprises a layer structure, a first layer, referred to as a fluidic layer, from a second layer, referred to as a substrate layer, being at least partially separated by a membrane.
  • the substrate layer has a first channel structure connected to a first electrode and a second one connected to a second electrode
  • a channel structure wherein the first channel structure and the second channel structure are fluidically and electrically separated from each other.
  • a channel structure is to be understood in particular as a channel or a plurality of channels connected to one another, the channel or channels in the form of
  • Recesses or cavities can be formed in the substrate layer.
  • a fluidic separation of the channel structures is to be understood in particular to mean that no fluid can move or extend from the first channel structure into the second channel structure, in particular due to a barrier, for example comprising material of the substrate layer.
  • Electrical separation of the channel structures is to be understood in particular to mean that the first channel structure and the second channel structure are electrically insulated from one another, in particular by an electrically non-conductive material of the substrate view.
  • the first channel structure is at least partially from a first
  • Limited membrane area and the second channel structure is at least partially limited by a second membrane area.
  • the first membrane area and the second membrane area further limit one to the membrane
  • the first membrane region is adjacent cavity of the fluidic layer, so that depending on one in the first channel structure or in the second channel structure by a pressure generated by a liquid electrolyte, the first membrane region
  • first electrolyte electrode or a second electrolyte electrode extends into the cavity to form a first electrolyte electrode or a second electrolyte electrode.
  • the electrode arrangement according to the invention has the advantage that electrodes can be formed dynamically in the fluidic layer. It is particularly advantageous that the formation of the electrodes can be controlled in a simple manner by controlling the pressure in the channel structures. By controlling the size and geometry of the electrodes via the pressure, the shape and the amount of the electrical field formed can advantageously also be controlled. Another advantage is that on metallic and fixed
  • Electrodes can be dispensed with and the electrodes can instead be made by parts of the membrane filled with electrolyte.
  • microstructuring of electrodes can advantageously be omitted. This also facilitates production of the layer structure of the electrode arrangement in the
  • the number of electrodes can be increased in a simple manner by changing or expanding the channel structures, in particular by increasing the number of channels adjacent to the membrane, which are opposite the cavity. This means that the throughput of the flow cell can also be expanded without having to resort to higher electrical voltages.
  • the membrane at least partially forms a wall that at least partially delimits the channels of the channel structures.
  • the first channel structure and / or the second channel structure preferably comprise two or more parallel channels for the formation of electrolyte electrodes arranged in parallel.
  • a regular electric field can advantageously be generated in the cavity.
  • at least some of the channels of the first channel structure are arranged in mesh with at least some of the channels of the second channel structure.
  • the cavity has structures for locally changing an electrical field generated by the electrolyte electrodes.
  • the structures are electrically non-conductive structures, that is to say insulators. In combination with the electrolyte electrodes, this can cause a local deformation of the field strength of the electrical field in the cavity.
  • the structures are preferably designed in the form of projections, in particular as posts.
  • the change in the field strength can be set in a well-defined manner by choosing the shape and size, in particular the thickness, of the projections.
  • the structures are arranged on a wall delimiting the cavity, the wall being arranged opposite the membrane delimiting the cavity.
  • this advantageously allows the space available in the cavity to be optimally utilized and, on the other hand, a hindrance to the expansion of the membrane into the cavity by the structures is reduced or completely prevented.
  • the electrode arrangement according to the invention can have one or more further channel structures for forming further electrolyte electrodes, the channel structures being fluidly and electrically separated from one another.
  • the invention is thus advantageously easily scalable in accordance with the requirements for the flow cell.
  • the invention also relates to a flow cell comprising a
  • the invention further relates to a method for operating the electrode arrangement according to the invention, the liquid electrolyte exerting pressure on the first membrane area or on the second membrane area to form the first electrolyte electrode or the second electrolyte electrode in the cavity by expanding the membrane into the cavity becomes.
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • Electrode arrangement as part of an exemplary embodiment of the flow cell according to the invention
  • Figure 2 is a flow diagram of an embodiment of the
  • Figures la and lb show an embodiment of the electrode arrangement 100 according to the invention, for example as part of a microfluidic Flow cell 1000.
  • the electrode arrangement 100 comprises three layers, namely a fluidic layer 110, which is separated from a substrate layer 130 by a deformable membrane 120.
  • the layers 110, 120, 130 can be connected to one another in a fluid-tight manner by means of a laser welding process.
  • the fluidic layer 110 and the substrate layer 130 can each have a stable polymer such as polycarbonate, for example with a layer thickness of 500 to 2000 micrometers each.
  • the membrane 120 can comprise, for example, a deformable, connectable polymer such as thermoplastic polyurethane, for example with a thickness between 50 and 400 micrometers, so that the deformability of the membrane 120 is ensured.
  • the fluidic layer 110 comprises a cavity 180, which is provided in particular for the core functionality of the flow cell 1000, that is to say in particular for the separation of biological cells as described above.
  • the substrate layer 130 comprises a first channel structure 150 with first channels 155 and a second channel structure 160, fluidically and electrically separated therefrom, with second channels 165, each of which is contacted with an electrode 131, 132 and can thus be connected in opposite polarity via a voltage source.
  • the contacting of the channels 155, 165 with the electrodes takes place in particular through the use of a liquid electrolyte 190 in the channels 155, 165.
  • channels 155 of the first channel structure 150 arranged in parallel can in particular be connected to channels 165 of the second channel structure 160 be toothed, which results in a row of electrodes 140 arranged as in
  • FIG. 1 a shows membrane regions 170 on membrane 120, which delimit channels 155, 165 of first and second channel structures 150, 160.
  • the electrode arrangement 100 according to the invention enables the channels 155, 165 filled with electrolyte 190 in the substrate layer 130 to be pressurized in such a way that this membrane region 170 extends into the cavity 180 of the fluidic layer 110 arch and thus in cavity 180
  • the membrane regions 170 thus represent the delimitation of electrolyte electrodes 140 filled with electrolyte.
  • a first membrane region 171 and a second are shown by way of example in FIG.
  • Membrane region 172 shown which is also the first electrolyte electrode 141 or form the second electrolyte electrode 142.
  • An electrically conductive liquid can be used as the electrolyte 190, for example a buffer such as phosphate-buffered saline, for example with a conductivity between 10 and 20 millisiemens per centimeter.
  • An advantageous embodiment of the electrode arrangement 100 according to the invention comprises insulating structures 181 in the cavity 180, in particular projections 181 such as posts or columns, which serve to deform the electrical field generated by the electrolyte electrodes 140, which in turn results in the resulting dielectrophoretic force on particles in the
  • these structures 181 can advantageously be on one of the membranes 120
  • a voltage source with 12 volts DC, 200 to 500 volts
  • AC voltage at a frequency between 50 and 200 kilohertz can be used, for example, preferably with a tunable frequency.
  • FIG. 2 shows a flow chart for an exemplary embodiment of the
  • Method 600 according to the invention, the method 600, for example, with the exemplary embodiment of the inventive method described above
  • Electrode arrangement 100 can be performed.
  • the electrode arrangement 100 is provided.
  • the electrolyte electrodes 140 are formed dynamically in that the liquid electrolyte 190 presses the first membrane region 171 or the second membrane region 172 to form the first electrolyte electrode 141 or the second electrolyte electrode 142 in the cavity 180 over an expansion of the Membrane 120 is exerted in the cavity 180.
  • Flow cell 1000 are operated as intended, for example for separating biological cells of different sizes as described above, the size and strength of the electrolyte electrodes 140 being able to be adjusted as required via the pressure setting.

Abstract

The invention relates to an electrode assembly (100) for a microfluidic device (1000), in particular a microfluidic flow cell (1000), comprising a fluidic layer (110), a substrate layer (130), and a membrane (120) arranged between the fluidic layer (110) and the substrate layer (130), wherein the substrate layer (130) has a first channel structure (150) connected to a first electrode (131) and a second channel structure (160) connected to a second electrode (132), and the first channel structure (131) and the second channel structure (132) are fluidically and electrically separated from each other. The first channel structure (131) is at least partly delimited by a first membrane region (171), and the second channel structure (132) is at least partly delimited by a second membrane region (172), said first membrane region (171) and second membrane region (172) delimiting a fluidic layer (110) cavity (180) adjoining the membrane (120) such that the first membrane region (171) or the second membrane region (172) is stretched into the cavity (180) in order to form a first electrolyte electrode (141) or a second electrolyte electrode (142) on the basis of a pressure generated by a liquid electrolyte (190) in the first channel structure (150) or in the second channel structure (150). The invention additionally relates to a method (600) for operating such an electrode assembly (100) and to a flow cell (1000).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Elektrodenanordnung für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle, und Verfahren  Electrode arrangement for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell, and method
Stand der Technik State of the art
In der Mikrofluidik werden Flusszellen eingesetzt, um über Dielektrophorese biologische Zellen oder DNA beispielsweise nach Größe zu trennen. Flow cells are used in microfluidics to separate biological cells or DNA, for example by size, using dielectrophoresis.
Beispielsweise ist aus Salmanzadeh et al., "Isolation of rare cancer cells from blood cells using dielectrophoresis," 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Diego, CA, 2012, pp. 590-593, doi: 10.1109/EMBC.2012.6346000 eine Art der Dielektrophorese bekannt, wobei mit Elektrolyt gefüllte, von der Flusszelle durch eine dünneFor example, Salmanzadeh et al., "Isolation of rare cancer cells from blood cells using dielectrophoresis," 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Diego, CA, 2012, pp. 590-593, doi: 10.1109 / EMBC.2012.6346000 a type of dielectrophoresis known, being filled with electrolyte, by the flow cell through a thin
Polymerschicht getrennte und an anderer Stelle mit nadelartigen Elektroden kontaktierte Kanäle zur Erzeugung des elektrischen Feldes genutzt werden. Die lokale Verformung der Feldstärke des Feldes findet dabei durch isolierende Pfosten in der Flusszelle statt. Separate polymer layer and in other places contacted with needle-like electrodes channels are used to generate the electric field. The local deformation of the field strength of the field takes place through insulating posts in the flow cell.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung Disclosure of the Invention Advantages of the Invention
Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Elektrodenanordnung für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle. Die Elektrodenanordnung umfasst eine Fluidikschicht, eine Substratschicht und eine zwischen der Fluidikschicht und der Substratschicht angeordnete Membran. Mit anderen Worten umfasst die Elektrodenanordnung einen Schichtaufbau, wobei eine erste Schicht, als Fluidikschicht bezeichnet, von einer zweiten Schicht, als Substratschicht bezeichnet, durch eine Membran zumindest teilweise getrennt ist. Against this background, the invention relates to an electrode arrangement for a microfluidic device, in particular for a microfluidic flow cell. The electrode arrangement comprises a fluidic layer, a substrate layer and a membrane arranged between the fluidic layer and the substrate layer. In other words, the electrode arrangement comprises a layer structure, a first layer, referred to as a fluidic layer, from a second layer, referred to as a substrate layer, being at least partially separated by a membrane.
Die Substratschicht weist eine mit einer ersten Elektrode verbundene erste Kanalstruktur und eine mit einer zweiten Elektrode verbundene zweite The substrate layer has a first channel structure connected to a first electrode and a second one connected to a second electrode
Kanalstruktur auf, wobei die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur fluidisch und elektrisch voneinander getrennt sind. Unter einer Kanalstruktur sind insbesondere ein Kanal oder mehrere miteinander verbundene Kanäle zu verstehen, wobei der Kanal beziehungsweise die Kanäle in Form von Channel structure, wherein the first channel structure and the second channel structure are fluidically and electrically separated from each other. A channel structure is to be understood in particular as a channel or a plurality of channels connected to one another, the channel or channels in the form of
Ausnehmungen oder Hohlräumen in der Substratschicht ausgebildet sein können. Unter einer fluidischen Trennung der Kanalstrukturen ist insbesondere zu verstehen, dass sich kein Fluid von der ersten Kanalstruktur in die zweite Kanalstruktur bewegen oder erstrecken kann, insbesondere aufgrund einer Barriere, beispielsweise umfassend Material der Substratschicht. Unter einer elektrischen Trennung der Kanalstrukturen ist insbesondere zu verstehen, dass die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur voneinander elektrisch isoliert sind, insbesondere durch ein elektrisch nichtleitendes Material der Substratsicht. Recesses or cavities can be formed in the substrate layer. A fluidic separation of the channel structures is to be understood in particular to mean that no fluid can move or extend from the first channel structure into the second channel structure, in particular due to a barrier, for example comprising material of the substrate layer. Electrical separation of the channel structures is to be understood in particular to mean that the first channel structure and the second channel structure are electrically insulated from one another, in particular by an electrically non-conductive material of the substrate view.
Die erste Kanalstruktur ist zumindest teilweise von einem ersten The first channel structure is at least partially from a first
Membranbereich begrenzt und die zweite Kanalstruktur ist zumindest teilweise von einem zweiten Membranbereich begrenzt. Der erste Membranbereich und der zweite Membranbereich begrenzen ferner einen an die Membran Limited membrane area and the second channel structure is at least partially limited by a second membrane area. The first membrane area and the second membrane area further limit one to the membrane
angrenzenden Hohlraum der Fluidikschicht, so dass sich abhängig von einem in der ersten Kanalstruktur oder in der zweiten Kanalstruktur durch einen von einem flüssigen Elektrolyten erzeugten Druck der erste Membranbereich adjacent cavity of the fluidic layer, so that depending on one in the first channel structure or in the second channel structure by a pressure generated by a liquid electrolyte, the first membrane region
beziehungsweise der zweite Membranbereich zur Ausbildung einer ersten Elektrolytelektrode beziehungsweise einer zweiten Elektrolytelektrode in den Hohlraum ausdehnt. or the second membrane region extends into the cavity to form a first electrolyte electrode or a second electrolyte electrode.
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung hat den Vorteil, dass Elektroden dynamisch in der Fluidikschicht ausgebildet werden können. Insbesondere ist von Vorteil, dass die Ausbildung der Elektroden dabei auf einfache Weise über die Steuerung des Drucks in den Kanalstrukturen gesteuert werden kann. Durch die Steuerung der Größe und Geometrie der Elektroden über den Druck ist vorteilhafterweise auch die Form und der Betrag des gebildeten elektrisches Feld steuerbar. Ferner ist von Vorteil, dass auf metallische und fix verbaute The electrode arrangement according to the invention has the advantage that electrodes can be formed dynamically in the fluidic layer. It is particularly advantageous that the formation of the electrodes can be controlled in a simple manner by controlling the pressure in the channel structures. By controlling the size and geometry of the electrodes via the pressure, the shape and the amount of the electrical field formed can advantageously also be controlled. Another advantage is that on metallic and fixed
Elektroden verzichtet werden kann und die Elektroden stattdessen durch mit Elektrolyt gefüllte Teile der Membran realisiert werden. Insbesondere kann eine Mikrostrukturierung von Elektroden vorteilhafterweise entfallen. Dies erleichtert auch eine Herstellung des Schichtaufbaus der Elektrodenanordnung im Electrodes can be dispensed with and the electrodes can instead be made by parts of the membrane filled with electrolyte. In particular, microstructuring of electrodes can advantageously be omitted. This also facilitates production of the layer structure of the electrode arrangement in the
Spritzgussverfahren. Außerdem kann die Anzahl der Elektroden auf einfache Weise über eine Abänderung oder Ausdehnung der Kanalstrukturen erhöht werden, indem insbesondere die Anzahl der an die Membran angrenzenden Kanäle, welche gegenüber dem Hohlraum liegen, erhöht wird. Somit kann auch der Durchsatz der Flusszelle erweitert werden, ohne auf höhere elektrische Spannungen zurückgreifen zu müssen. Injection molding. In addition, the number of electrodes can be increased in a simple manner by changing or expanding the channel structures, in particular by increasing the number of channels adjacent to the membrane, which are opposite the cavity. This means that the throughput of the flow cell can also be expanded without having to resort to higher electrical voltages.
Insbesondere bildet die Membran zumindest teilweise eine die Kanäle der Kanalstrukturen zumindest teilweise begrenzende Wand. Dies hat den Vorteil, dass eine Änderung des Drucks in den Kanalstrukturen unmittelbar auf die Membran für eine Ausdehnung der Membran in den Hohlraum wirken kann. In particular, the membrane at least partially forms a wall that at least partially delimits the channels of the channel structures. This has the advantage that a change in the pressure in the channel structures can act directly on the membrane for an expansion of the membrane into the cavity.
Bevorzugt umfassen die erste Kanalstruktur und/oder die zweite Kanalstruktur zwei oder mehrere parallele Kanäle für die Ausbildung parallel angeordneter Elektrolytelektroden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein regelmäßiges elektrisches Feld im Hohlraum erzeugt werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest einige der Kanäle der ersten Kanalstruktur mit zumindest einigen der Kanäle der zweiten Kanalstruktur verzahnt angeordnet. Durch eine solche zumindest teilweise Verzahnung der ersten Kanalstruktur mit der zweiten Kanalstruktur können vorteilhafterweise in einer Reihe angeordnete Elektroden mit sich abwechselnder Polarität realisiert werden. Ferner erleichtert diese Weiterbildung eine Parallelisierung von Dielektrophoreseeinheiten in der Flusszelle. The first channel structure and / or the second channel structure preferably comprise two or more parallel channels for the formation of electrolyte electrodes arranged in parallel. As a result, a regular electric field can advantageously be generated in the cavity. According to a particularly advantageous development of the invention, at least some of the channels of the first channel structure are arranged in mesh with at least some of the channels of the second channel structure. By such an at least partial interlocking of the first channel structure with the second channel structure, electrodes arranged in a row can advantageously be realized with alternating polarity. This further development also facilitates parallelization of dielectrophoresis units in the flow cell.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Hohlraum Strukturen zur lokalen Änderung eines durch die Elektrolytelektroden erzeugten elektrischen Feldes auf. Insbesondere handelt es sich bei den Strukturen um elektrisch nichtleitende Strukturen, also Isolatoren. Dadurch kann in Kombination mit den Elektrolytelektroden eine lokale Verformung der Feldstärke des elektrischen Feldes im Hohlraum bewirkt werden. In a particularly preferred development of the invention, the cavity has structures for locally changing an electrical field generated by the electrolyte electrodes. In particular, the structures are electrically non-conductive structures, that is to say insulators. In combination with the electrolyte electrodes, this can cause a local deformation of the field strength of the electrical field in the cavity.
Vorzugsweise sind die Strukturen in Form von Vorsprüngen ausgebildet, insbesondere als Pfosten. Durch eine Wahl der Form und Größe, insbesondere der Dicke, der Vorsprünge kann die Änderung der Feldstärke wohldefiniert eingestellt werden. The structures are preferably designed in the form of projections, in particular as posts. The change in the field strength can be set in a well-defined manner by choosing the shape and size, in particular the thickness, of the projections.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Strukturen an einer den Hohlraum begrenzenden Wand angeordnet, wobei die Wand gegenüber der den Hohlraum begrenzenden Membran angeordnet ist. Damit kann vorteilhafterweise zum einen der im Hohlraum verfügbare Raum optimal ausgenutzt werden und zum anderen eine Behinderung der Ausdehnung der Membran in den Hohlraum durch die Strukturen verringert oder ganz verhindert werden. According to a particularly advantageous development of the invention, the structures are arranged on a wall delimiting the cavity, the wall being arranged opposite the membrane delimiting the cavity. On the one hand, this advantageously allows the space available in the cavity to be optimally utilized and, on the other hand, a hindrance to the expansion of the membrane into the cavity by the structures is reduced or completely prevented.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ein oder mehrere weitere Kanalstrukturen zur Ausbildung weiterer Elektrolytelektroden aufweisen, wobei die Kanalstrukturen voneinander fluidisch und elektrisch getrennt sind. Die Erfindung ist somit vorteilhafterweise ohne weiteres entsprechend den Anforderungen an die Flusszelle skalierbar. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Flusszelle umfassend eine In a further embodiment of the invention, the electrode arrangement according to the invention can have one or more further channel structures for forming further electrolyte electrodes, the channel structures being fluidly and electrically separated from one another. The invention is thus advantageously easily scalable in accordance with the requirements for the flow cell. The invention also relates to a flow cell comprising a
erfindungsgemäße Elektrodenanordnung. electrode arrangement according to the invention.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsmäßen Elektrodenanordnung, wobei durch den flüssigen Elektrolyten ein Druck auf den ersten Membranbereich beziehungsweise auf den zweiten Membranbereich zur Ausbildung der ersten Elektrolytelektrode beziehungsweise der zweiten Elektrolytelektrode in dem Hohlraum über eine Ausdehnung der Membran in den Hohlraum ausgeübt wird. The invention further relates to a method for operating the electrode arrangement according to the invention, the liquid electrolyte exerting pressure on the first membrane area or on the second membrane area to form the first electrolyte electrode or the second electrolyte electrode in the cavity by expanding the membrane into the cavity becomes.
Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die oben ausgeführten korrespondierenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen. Regarding the advantages of the method according to the invention, reference is made to the corresponding advantages of the device according to the invention explained above.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird. Exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and are explained in more detail in the description below. The same reference numerals are used for the elements shown in the various figures and acting in a similar manner, and the elements are not repeated.
Es zeigen Show it
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Figure 1 shows an embodiment of the invention
Elektrodenanordnung als Teil eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Flusszelle,  Electrode arrangement as part of an exemplary embodiment of the flow cell according to the invention,
Figur 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Figure 2 is a flow diagram of an embodiment of the
erfindungsgemäßen Verfahrens.  inventive method.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Figuren la und lb zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 100, beispielsweise als Teil einer mikrofluidischen Flusszelle 1000. Wie insbesondere in der Explosionsdarstellung der Figur la gezeigt, umfasst die Elektrodenanordnung 100 drei Schichten, nämlich eine Fluidikschicht 110, welche durch eine verformbare Membran 120 von einer Substratschicht 130 getrennt ist. Beispielsweise können die Schichten 110, 120, 130 durch einen Laserschweißprozess miteinander fluidisch dicht verbunden werden. Die Fluidikschicht 110 und die Substratschicht 130 können jeweils ein stabiles Polymer wie beispielsweise Polycarbonat aufweisen, beispielsweise mit einer Schichtdicke von jeweils 500 bis 2000 Mikrometer. Die Membran 120 kann beispielsweise ein verformbares, verbindbares Polymer wie thermoplastisches Polyurethan umfassen, beispielsweise mit einer Dicke zwischen 50 und 400 Mikrometer, so dass die Verformbarkeit der Membran 120 gewährleistet ist. Figures la and lb show an embodiment of the electrode arrangement 100 according to the invention, for example as part of a microfluidic Flow cell 1000. As shown in particular in the exploded view in FIG. 1 a, the electrode arrangement 100 comprises three layers, namely a fluidic layer 110, which is separated from a substrate layer 130 by a deformable membrane 120. For example, the layers 110, 120, 130 can be connected to one another in a fluid-tight manner by means of a laser welding process. The fluidic layer 110 and the substrate layer 130 can each have a stable polymer such as polycarbonate, for example with a layer thickness of 500 to 2000 micrometers each. The membrane 120 can comprise, for example, a deformable, connectable polymer such as thermoplastic polyurethane, for example with a thickness between 50 and 400 micrometers, so that the deformability of the membrane 120 is ensured.
Die Fluidikschicht 110 umfasst einen Hohlraum 180, welcher insbesondere für die Kernfunktionalität der Flusszelle 1000 vorgesehen ist, also insbesondere zur Trennung von biologischen Zellen wie oben beschrieben. Die Substratschicht 130 umfasst eine erste Kanalstruktur 150 mit ersten Kanälen 155 und eine davon fluidisch und elektrisch getrennte zweite Kanalstruktur 160 mit zweiten Kanälen 165, die mit jeweils einer Elektrode 131, 132 kontaktiert werden und somit über eine Spannungsquelle gegenpolig geschaltet werden können. Die Kontaktierung der Kanäle 155, 165 mit den Elektroden erfolgt dabei insbesondere über die Verwendung eines flüssigen Elektrolyten 190 in den Kanälen 155, 165. Wie in Figur la gezeigt, können insbesondere parallel angeordnete Kanäle 155 der ersten Kanalstruktur 150 mit Kanälen 165 der zweiten Kanalstruktur 160 verzahnt sein, was in einer Reihe angeordneter Elektroden 140 resultiert, wie im The fluidic layer 110 comprises a cavity 180, which is provided in particular for the core functionality of the flow cell 1000, that is to say in particular for the separation of biological cells as described above. The substrate layer 130 comprises a first channel structure 150 with first channels 155 and a second channel structure 160, fluidically and electrically separated therefrom, with second channels 165, each of which is contacted with an electrode 131, 132 and can thus be connected in opposite polarity via a voltage source. The contacting of the channels 155, 165 with the electrodes takes place in particular through the use of a liquid electrolyte 190 in the channels 155, 165. As shown in FIG. 1 a, channels 155 of the first channel structure 150 arranged in parallel can in particular be connected to channels 165 of the second channel structure 160 be toothed, which results in a row of electrodes 140 arranged as in
Folgenden erläutert. Auf der Membran 120 sind in Figur la Membranbereiche 170 gezeigt, welche Kanäle 155, 165 der ersten und der zweiten Kanalstruktur 150, 160 begrenzen. Wie auch in der Schnittdarstellung in Figur 2b gezeigt, ermöglicht es die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 100, dass die in der Substratschicht 130 mit Elektrolyt 190 gefüllten Kanäle 155, 165 derart unter Druck gesetzt werden, dass sich diese Membranbereich 170 in den Hohlraum 180 der Fluidikschicht 110 hinein wölben und somit im Hohlraum 180 Explained below. FIG. 1 a shows membrane regions 170 on membrane 120, which delimit channels 155, 165 of first and second channel structures 150, 160. As also shown in the sectional view in FIG. 2b, the electrode arrangement 100 according to the invention enables the channels 155, 165 filled with electrolyte 190 in the substrate layer 130 to be pressurized in such a way that this membrane region 170 extends into the cavity 180 of the fluidic layer 110 arch and thus in cavity 180
gegenpolige Elektroden 140 bilden. Die Membranbereiche 170 stellen somit die Begrenzung von mit Elektrolyt gefüllten Elektrolytelektroden 140 dar. In Figur la wird beispielhaft ein erster Membranbereich 171 und ein zweiter form opposite polar electrodes 140. The membrane regions 170 thus represent the delimitation of electrolyte electrodes 140 filled with electrolyte. A first membrane region 171 and a second are shown by way of example in FIG
Membranbereich 172 gezeigt, welche zugleich die erste Elektrolytelektrode 141 beziehungsweise die zweite Elektrolytelektrode 142 bilden. Als Elektrolyt 190 kann eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit verwendet werden, beispielsweise ein Puffer wie phosphatgepufferte Salzlösung, beispielsweise mit einer Leitfähigkeit zwischen 10 und 20 Millisiemens pro Zentimeter. Membrane region 172 shown, which is also the first electrolyte electrode 141 or form the second electrolyte electrode 142. An electrically conductive liquid can be used as the electrolyte 190, for example a buffer such as phosphate-buffered saline, for example with a conductivity between 10 and 20 millisiemens per centimeter.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 100 umfasst im Hohlraums 180 isolierende Strukturen 181, insbesondere Vorsprünge 181 wie Pfosten oder Säulen, welche zur Verformung des durch die Elektrolytelektroden 140 erzeugten elektrischen Feldes dienen, welches wiederum die resultierende dielektrophoretische Kraft auf Partikel in der An advantageous embodiment of the electrode arrangement 100 according to the invention comprises insulating structures 181 in the cavity 180, in particular projections 181 such as posts or columns, which serve to deform the electrical field generated by the electrolyte electrodes 140, which in turn results in the resulting dielectrophoretic force on particles in the
Flusszelle 1000 beeinflusst. Wie in Figur la und lb dargestellt, können diese Strukturen 181 vorteilhafterweise auf einer der Membran 120 Flow cell 1000 influenced. As shown in FIGS. 1 a and 1 b, these structures 181 can advantageously be on one of the membranes 120
gegenüberliegenden Seite oder Wand 182 des Hohlraums 180 angeordnet sein, in diesem Beispiel auf der inneren Oberseite 182 des Hohlraums 180. opposite side or wall 182 of the cavity 180, in this example on the inner top 182 of the cavity 180.
Eine Spannungsquelle mit 12 Volt Gleichspannung, 200 bis 500 Volt A voltage source with 12 volts DC, 200 to 500 volts
Wechselspannung bei einer Frequenz zwischen 50 und 200 Kilohertz kann beispielsweise verwendet werden, vorzugsweise mit durchstimmbarer Frequenz. Beispielsweise ergibt sich somit eine mittlere Stärke des elektrischen Feldes in der Flusszelle 1000 von 10000 bis 500000 Volt (V) pro Meter (m), wobei die isolierende Strukturen 181 beispielsweise eine Feldestärkegradienten zwischen 10L10 und 10L16 VA2 / mA3 hervorrufen können, abhängig insbesondere von Geometrien, Anordnungen, Material oder Ausformungen der Strukturen 181. AC voltage at a frequency between 50 and 200 kilohertz can be used, for example, preferably with a tunable frequency. For example, this results in an average strength of the electric field in the flow cell 1000 of 10,000 to 500,000 volts (V) per meter (m), the insulating structures 181, for example, a field strength gradient between 10 L 10 and 10 L 16 V A 2 / m A 3 can cause, depending in particular on geometries, arrangements, material or shapes of the structures 181.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des FIG. 2 shows a flow chart for an exemplary embodiment of the
erfindungsgemäßen Verfahrens 600, wobei das Verfahren 600 beispielsweise mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Method 600 according to the invention, the method 600, for example, with the exemplary embodiment of the inventive method described above
Elektrodenanordnung 100 durchgeführt werden kann. In einem ersten Schritt 601 wird die Elektrodenanordnung 100 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 602 werden die Elektrolytelektroden 140 dynamisch ausgebildet, indem durch den flüssigen Elektrolyt 190 ein Druck auf den ersten Membranbereich 171 beziehungsweise auf den zweiten Membranbereich 172 zur Ausbildung der ersten Elektrolytelektrode 141 beziehungsweise der zweiten Elektrolytelektrode 142 in dem Hohlraum 180 über eine Ausdehnung der Membran 120 in den Hohlraum 180 ausgeübt wird. Anschließend kann in einem dritten Schritt 603 die Flusszelle 1000 bestimmungsgemäß betrieben werden, beispielsweise zur Trennung von biologischen Zellen unterschiedlicher Größe wie oben beschrieben, wobei die Elektrolytelektroden 140 je nach Bedarf über die Druckeinstellung in ihrer Größe und somit Stärke angepasst werden können. Electrode arrangement 100 can be performed. In a first step 601, the electrode arrangement 100 is provided. In a second step 602, the electrolyte electrodes 140 are formed dynamically in that the liquid electrolyte 190 presses the first membrane region 171 or the second membrane region 172 to form the first electrolyte electrode 141 or the second electrolyte electrode 142 in the cavity 180 over an expansion of the Membrane 120 is exerted in the cavity 180. Then in a third step 603 Flow cell 1000 are operated as intended, for example for separating biological cells of different sizes as described above, the size and strength of the electrolyte electrodes 140 being able to be adjusted as required via the pressure setting.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrodenanordnung (100) für eine mikrofluidische Vorrichtung (1000), insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle (1000), umfassend eine Fluidikschicht (110), eine Substratschicht (130) und eine zwischen der Fluidikschicht (110) und der 1. Electrode arrangement (100) for a microfluidic device (1000), in particular for a microfluidic flow cell (1000), comprising a fluidic layer (110), a substrate layer (130) and one between the fluidic layer (110) and the
Substratschicht (130) angeordnete Membran (120), dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht (130) eine mit einer ersten Elektrode (131) verbundene erste Kanalstruktur (150) und eine mit einer zweiten Elektrode (132) verbundene zweite Kanalstruktur (160) aufweist, wobei die erste Kanalstruktur (131) und die zweite Kanalstruktur (132) fluidisch und elektrisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kanalstruktur (131) zumindest teilweise von einem ersten Membranbereich (171) begrenzt und die zweite Kanalstruktur (132) zumindest teilweise von einem zweiten Membranbereich (172) begrenzt wird, wobei der erste Membranbereich (171) und der zweite Membranbereich (172) einen an die Membran (120) angrenzenden Hohlraum (180) der Fluidikschicht (110) begrenzen, so dass sich abhängig von einem in der ersten Kanalstruktur (150) oder in der zweiten Kanalstruktur (150) durch einen von einem flüssigen Elektrolyt (190) erzeugten Druck der erste Membranbereich (171) beziehungsweise der zweite Membranbereich (172) zur Ausbildung einer ersten Elektrolytelektrode (141) beziehungsweise einer zweiten Elektrolytelektrode (142) in den Hohlraum (180) ausdehnt.  Substrate layer (130) arranged membrane (120), characterized in that the substrate layer (130) has a first channel structure (150) connected to a first electrode (131) and a second channel structure (160) connected to a second electrode (132), wherein the first channel structure (131) and the second channel structure (132) are fluidically and electrically separated from one another, the first channel structure (131) being at least partially delimited by a first membrane region (171) and the second channel structure (132) at least partially by a second Membrane area (172) is limited, the first membrane area (171) and the second membrane area (172) delimiting a cavity (180) of the fluidic layer (110) adjoining the membrane (120), so that depending on one in the first channel structure (150) or in the second channel structure (150) by a pressure generated by a liquid electrolyte (190) the first membrane region (171) or the second Extends membrane area (172) into the cavity (180) to form a first electrolyte electrode (141) or a second electrolyte electrode (142).
2. Elektrodenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Kanalstruktur (150) und/oder die zweite Kanalstruktur (160) zwei oder mehrere parallele Kanäle (155,2. The electrode arrangement (100) according to claim 1, wherein the first channel structure (150) and / or the second channel structure (160) has two or more parallel channels (155,
165) für eine Ausbildung parallel angeordneter Elektrolytelektroden (140, 141, 142) umfassen. 165) for forming parallel electrolyte electrodes (140, 141, 142).
3. Elektrodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Kanäle (155) der ersten Kanalstruktur (150) mit zumindest einigen der Kanäle (165) der zweiten Kanalstruktur (165) verzahnt angeordnet sind. 3. Electrode arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein at least some of the channels (155) of the first channel structure (150) are arranged in mesh with at least some of the channels (165) of the second channel structure (165).
4. Elektrodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (180) Strukturen (181) zur lokalen Änderung eines durch die 4. Electrode arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein the cavity (180) structures (181) for the local change of one by the
Elektrolytelektroden (140, 141, 142) erzeugten elektrischen Feldes aufweist.  Has electrolyte electrodes (140, 141, 142) generated electric field.
5. Elektrodenanordnung (100) nach Anspruch 4, wobei die Strukturen (181) in Form von Vorsprüngen (180), insbesondere Pfosten oder Säulen, ausgebildet sind. 5. Electrode arrangement (100) according to claim 4, wherein the structures (181) in the form of projections (180), in particular posts or columns, are formed.
6. Elektrodenanordnung (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Strukturen (181) an einer den Hohlraum (180) begrenzenden Wand (182) angeordnet sind, wobei die Wand (182) gegenüber der den Hohlraum (180) begrenzenden Membran (120) angeordnet ist. 6. The electrode arrangement (100) according to claim 4 or 5, wherein the structures (181) are arranged on a wall (182) delimiting the cavity (180), the wall (182) opposite the membrane (120) delimiting the cavity (180) ) is arranged.
7. Elektrodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere weitere Kanalstrukturen (150, 160) zur Ausbildung weiterer 7. Electrode arrangement (100) according to one of the preceding claims, wherein one or more further channel structures (150, 160) for forming further
Elektrolytelektroden (140) aufweist, wobei die Kanalstrukturen voneinander fluidisch und elektrisch getrennt sind.  Has electrolyte electrodes (140), the channel structures being fluidically and electrically separated from one another.
8. Mikrofluidische Flusszelle (1000) umfassend eine Elektrodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 8. Microfluidic flow cell (1000) comprising an electrode arrangement (100) according to one of the preceding claims.
9. Verfahren (600) zum Betreiben einer Elektrodenanordnung (100) für eine 9. Method (600) for operating an electrode arrangement (100) for a
mikrofluidische Vorrichtung (1000), insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle (1000), wobei die Elektrodenanordnung (100) eine Fluidikschicht (110), eine  Microfluidic device (1000), in particular for a microfluidic flow cell (1000), the electrode arrangement (100) comprising a fluidic layer (110), a
Substratschicht (130) und eine zwischen der Fluidikschicht (110) und der  Substrate layer (130) and one between the fluidic layer (110) and the
Substratschicht (130) angeordnete Membran umfasst, wobei die Substratschicht (130) eine mit einer ersten Elektrode (131) verbundene erste Kanalstruktur (150) und eine mit einer zweiten Elektrode (132) verbundene zweite Kanalstruktur (160) aufweist, wobei die erste Kanalstruktur (150) und die zweite Kanalstruktur (160) fluidisch und elektrisch voneinander getrennt sind, wobei die erste Kanalstruktur (150) zumindest teilweise von einem ersten Membranbereich (171) begrenzt und die zweite Kanalstruktur (160) zumindest teilweise von einem zweiten Membranbereich (172) begrenzt wird, wobei der erste Membranbereich (171) und der zweite  The substrate layer (130) comprises a membrane, the substrate layer (130) having a first channel structure (150) connected to a first electrode (131) and a second channel structure (160) connected to a second electrode (132), the first channel structure ( 150) and the second channel structure (160) are fluidically and electrically separated from one another, the first channel structure (150) being at least partially delimited by a first membrane area (171) and the second channel structure (160) being at least partially delimited by a second membrane area (172) , the first membrane region (171) and the second
Membranbereich (172) einen an die Membran (120) angrenzenden Hohlraum (180) der Fluidikschicht (110) begrenzen und wobei in der ersten Kanalstruktur (150) und/oder in der zweiten Kanalstruktur (160) durch einen flüssigen Elektrolyt (190) ein Druck auf den ersten Membranbereich (171) beziehungsweise auf den zweiten Membranbereich (172) zur Ausbildung einer ersten Elektrolytelektrode (141) beziehungsweise einer zweiten Elektrolytelektrode (141) in dem Hohlraum (180) über eine Ausdehnung der Membran (120) in den Hohlraum (180) ausgeübt wird. Membrane region (172) delimit a cavity (180) of the fluidic layer (110) adjoining the membrane (120) and wherein in the first channel structure (150) and / or in the second channel structure (160) by a liquid electrolyte (190) a pressure on the first membrane area (171) or on the second membrane area (172) to form a first electrolyte electrode (141) or a second electrolyte electrode (141) in the cavity (180) is exerted by expanding the membrane (120) into the cavity (180).
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