WO2020007703A1 - Vorrichtung zum dielektrophoretischen einfang von teilchen - Google Patents

Vorrichtung zum dielektrophoretischen einfang von teilchen Download PDF

Info

Publication number
WO2020007703A1
WO2020007703A1 PCT/EP2019/067150 EP2019067150W WO2020007703A1 WO 2020007703 A1 WO2020007703 A1 WO 2020007703A1 EP 2019067150 W EP2019067150 W EP 2019067150W WO 2020007703 A1 WO2020007703 A1 WO 2020007703A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
layers
obstacle
particles
obstacle structure
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/067150
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Samir KADIC
Christoph FAIGLE
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN201980044778.3A priority Critical patent/CN112334234A/zh
Priority to EP19735269.3A priority patent/EP3817859A1/de
Priority to US17/255,547 priority patent/US11975340B2/en
Publication of WO2020007703A1 publication Critical patent/WO2020007703A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02—Separators
    • B03C5/022—Non-uniform field separators
    • B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads, for physically stretching molecules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/005—Dielectrophoresis, i.e. dielectric particles migrating towards the region of highest field strength
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0647—Handling flowable solids, e.g. microscopic beads, cells, particles
    • B01L2200/0668—Trapping microscopic beads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0424—Dielectrophoretic forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C2201/00—Details of magnetic or electrostatic separation
    • B03C2201/26—Details of magnetic or electrostatic separation for use in medical or biological applications

Definitions

  • the invention relates to a device for dielectrophoretic capture of particles and a method for producing a corresponding device.
  • Circulating tumor cells CTC ' s
  • cell-free tumor DNA Circulating Tumor DNA, ctDNA
  • dielectrophoretic capture of particles at least comprising one or more layers and electrical contacting, the layers each having a top layer, a bottom layer and an obstacle structure.
  • a fluid comprising the particles can flow through the obstacle structure.
  • the obstacle structure is arranged on the top side of the layer, the obstacle structure spacing the top side of the layer from the bottom side of the same layer or a further one of the layers.
  • the solution proposed here is based in particular on the approach of manipulating particles according to their dielectric properties. This approach has the particular advantages that it can be scaled independently of markers and on a large scale, as well as being simple, non-contact, versatile, and very easy to integrate into modern MEMS and microfluidic technologies.
  • a particularly preferred component of the solution proposed here is the superimposition of a layer that can be caught by D EP force, in particular
  • the at least one layer is also referred to below as the so-called “DEP band”.
  • the device is used for (targeted) dielectrophoretic capture of
  • the device serves for the targeted dielectrophoretic capture of particles of a certain type or type (target cells) or
  • the solution presented here advantageously allows at least one specific type of particle to be specifically captured from a medium guided in the channel and thus to be made removable or removable.
  • the type of particle or type of particle is determined in particular by its dielectric properties.
  • tumor cells circulating in the blood differ in their dielectric properties.
  • the particles to be captured are in particular circulating
  • Each cell usually has its own unique morphology. Among other things, it is a function of the cell type, the complexity of the cell interior and the phase in the cell cycle. The cell membrane of most cell types is still not smooth, but is actually littered with wrinkles and microvilli.
  • tumor cells form a solid tissue from which in the course of tumor growth single circulating tumor cells (so-called. CTC's) can be detached. Because of the increased packing density in the original tissue, their actual cell membrane area is therefore larger than that of the healthy blood cells freely present in the blood and increases with increasing disorder due to the progressive growth of the tumor.
  • CTC's tumor growth single circulating tumor cells
  • the cell membrane area is the morphological property that is evident in the different transition frequencies of the two cell types:
  • the transition frequencies for five types of leukemia cells were between 60 kHz and 100 kHz.
  • Crossover frequencies of the most abundant subpopulations of healthy blood cells - namely lymphocytes and granulocytes - have very low standard deviations and are at least 5 to 7 standard deviations away from the crossover frequencies of most tumor types Dielectrophoresis suitable for the reliable isolation of all types of solid tumors and - albeit with lower efficiencies - applicable for (highly concentrated) leukemia populations.
  • Particle types Especially when the operating frequency lies between the respective transition frequencies, tumor cells can be attracted by pDEP and healthy blood cells can be rejected by nDEP.
  • the obstacle structure and / or the electrical contacting is or are in particular set up such that corresponding operating frequencies can be set here.
  • dielectrophoresis is at the basis of dielectrophoretic capture. This describes the movement of (also uncharged) polarizable particles in a non-homogeneous electric field. A dipole induced in the particle as a result of an external electrical alternating field interacts with this external field and leads to a dielectrophoretic force effect on the particle. This force effect can be used here to hold back the particle and thus its dielectrophoretic capture.
  • Constriction instead, in which particles can be captured using pDEP.
  • a DC voltage can often also cause a flow of the fluid at the same time.
  • the field is usually generated by directly applying an electrical voltage to obstacle structures (Electrode structures), especially metal (obstacle) structures
  • the device further comprises one or more layers.
  • the device comprises exactly or only one layer, for example if the layer is e.g. B. is wound into a so-called winding cylinder.
  • the device can have a plurality of layers, for example if the layers are stacked one above the other to form a stack.
  • the layers preferably each comprise at least one (electrically insulating) insulator layer or insulation layer.
  • the layers can each comprise at least one (flat) layer which is set up in such a way that it has an electrically insulating effect.
  • This insulator layer can be formed, for example, with a film.
  • the (insulator) films can be, for example, (thin, spin-coated) polyimide films, in particular with a thickness of, for example, up to 25 ⁇ m.
  • the device comprises an electrical contact.
  • the electrical contacting is in particular set up to form an electrical field within the fluid channel and in particular in the area of the obstacle structures.
  • the electrical contact can generally be connected or connected to a voltage supply.
  • the contacting can be two, for example
  • the contact arms preferably extend on the top side of the layer and / or in the region of the obstacle structure (formed as an isolator structure for iDEP applications). Furthermore, contact arms can preferably be formed both on the top side of the layer and on the underside of the layer. The contact arms are preferably in particular on the top of the layer and / or
  • Layer underside (flat) conductor tracks formed.
  • the contact arms form a positive pole and the other contact arm form a negative pole.
  • a particularly inhomogeneous electric field can thus be set between the contact arms, the field lines of which can be curved or deflected by the obstacle structure (insulator structure).
  • the contacting can be set up, for example, to form the electrodes of the electrodes
  • the contact can have contact arms which, for example, connect some of the electrodes of the electrode structure to a positive pole and others of the electrodes of the electrode structure to a negative pole. A particularly inhomogeneous electric field can thus be set between the electrodes of the electrode structure.
  • the contacting can connect the electrode extending along and / or in position, for example with a positive pole or negative pole.
  • the layers each have a top side and a bottom side.
  • the layers are preferably each flat. As a rule, these each have a flat top side and a flat bottom side. If several layers are provided, these are preferably formed identically.
  • the layers can each be constructed with a plurality of layers arranged one above the other and / or flat.
  • the layers each have an obstacle structure.
  • a fluid comprising the particles can flow through the obstacle structure.
  • the fluid is usually blood. That is further
  • Obstacle structure arranged on top of the layer.
  • an obstacle structure is arranged on the top of the layer and an obstacle structure on the underside of the layer.
  • the obstacle structure is configured to face the top of the layer from the underside of the same layer (for example, if only one layer is provided that is wound into a cylinder) or another of the layers (for example if there are several layers that are stacked into a stack) spacing.
  • the obstacle structures extend in particular along at least one (longitudinal) section of the position and / or (in a developed state of the Location) on one level. At least one of the obstacle structures preferably has a plurality of (electrically insulating and / or electrically insulated or in the form of rod electrodes) posts. Each obstacle structure particularly preferably has a plurality of posts. An obstacle structure can, for example, run along one
  • Longitudinal section of the layer extend that in the longitudinal direction of the layer (which may relate to a development direction of the layer) several posts of the
  • Obstacle structure are arranged side by side.
  • multiple posts of the obstacle structure transverse to the longitudinal direction
  • the obstacle structures are preferably each set up in such a way that they set a (certain, in particular predefined) spatial one
  • the electrical field is formed in particular within the fluid channel and in particular in the area of the obstacle structures (possibly (in the case of mDEP) even from the obstacle structures).
  • the obstacle structures are particularly preferably set up to form particle-type-specific energetic minima in the fluid channel. The meaning of the term “energetic minima” is explained in more detail below. This advantageously allows certain (or only) certain particles or particles of a certain type to be captured in the fluid channel. In this
  • the obstacle structures are dimensioned specifically for the particle type. In other words, this means in particular that the obstacle structures are dimensioned according to the partial chart (target cell) that is to be captured.
  • At least one of the layers is wound.
  • this layer is also preferably wound into a so-called winding cylinder.
  • the layer is particularly preferably wound spirally.
  • the layer is wound in such a way that a (microfluidic) fluid channel is formed between the top side and the bottom side of the same layer, in which the
  • Obstacle structure is arranged.
  • several of the layers are stacked.
  • These layers each have an obstacle structure.
  • at least one (smooth) layer can be provided in the stack or stack, which has no obstacle structure, for example as
  • a (microfluidic) fluid channel is formed, in which one of the obstacle structures is arranged.
  • Obstacle structure is an isolator structure.
  • the obstacle structures are formed with or from an electrically insulating material.
  • Such obstacle structures are used in particular when implementing an iDEP system (insulator based dielectrophoresis, iDEP).
  • the insulating material protrudes into the channel in the manner of posts, possibly even spanning at least part of a channel cross section.
  • Obstacle structure is an electrode structure.
  • the obstacle structures are formed with or from an electrically conductive material.
  • Such obstacle structures are used in particular when implementing an mDEP system (metal based dielectrophoresis, mDEP).
  • the electrically conductive material protrudes into the channel in the manner of posts in particular, possibly even spanning at least part of a channel cross section.
  • the electrode structures are each formed with a large number of microelectrodes. Those are preferred
  • the obstacle structures include both cathodes and anodes. At least one of the obstacle structures particularly preferably comprises the same number of cathodes as anodes.
  • the (necessary) (micro) electrodes could e.g. B. structured with lithographic methods directly on the top of the layer.
  • thermally vapor-deposited or galvanically applied metal such as gold or copper, is suitable for this.
  • the device further comprises at least one electrical passivation or electrical insulation.
  • the layer preferably comprises electrical passivation, in particular over the entire surface, preferably on the top side of the layer.
  • the electrical passivation can also cover at least part of the surface of the obstacle structure that is arranged on the layer.
  • the electrical passivation can be formed, for example, with a chemically inert but electrically transparent material.
  • the electrical insulation can be formed, for example, with one or more insulator layers of one layer.
  • the device further comprises at least one electrode that extends at least partially along (and / or in) one of the layers.
  • the electrode preferably extends within the (flat) material of the layer, which can be achieved, for example, by arranging the electrode between two one above the other
  • the layer is preferably formed with a sandwich arrangement of two insulator layers and a metal electrode embedded therein over the entire surface.
  • a method for producing a device proposed here is also proposed, at least comprising one
  • FIG. 3 a position according to FIG. 1 or from FIG. 2 in a perspective
  • Fig. 7 an illustration of a step of the proposed here
  • Device for dielectrophoretic capture of particles can be:
  • the underlying mechanism, the so-called dielectrophoresis (DEP) describes the movement (also uncharged) of polarizable particles in a non-homogeneous electric field.
  • DEP dielectrophoresis
  • a dipole induced in the particle as a result of an external electrical alternating field interacts with this external field and leads to a dielectrophoretic
  • the time-average dielectrophoretic force on a particle can in the most general case be used for a spatially stationary E- Field as
  • E RMS is the effective value of the E field vector (root mean square
  • the last factor ⁇ E RMS ⁇ in the above expression for (F DEP ) is particularly important, which occurs regardless of the material, shape and size of the target particle. In addition to the amplitude and the temporal distribution of the E field, it expresses its spatial inhomogeneity. This spatial
  • Inhomogeneity in a microfluidic channel can be achieved, for example, by suitable structuring of microelectrodes in the channel and direct application of an appropriate electrical signal to them (metal based
  • mDEP dielectrophoresis
  • Isolator structures in the channel and outside of the created E-field
  • iDEP insulator based dielectrophoresis
  • both variants set themselves the goal, by appropriate dimensioning of V
  • a 10 ml blood sample would have to be taken in a channel with a height of 50 pm within one hour
  • an object of the invention is, in particular, to achieve a
  • dielectrophoretic particle capture at a sufficiently high throughput in would take up a volume that is as manageable as possible
  • the expansion of a quasi-planar DEP structure can be expanded by a third spatial dimension, so that compression flows through as large as possible
  • Cross-sectional area can be made available.
  • the arrangement is in particular able to keep the target cells as small as possible
  • Fig. 1 shows schematically a layer 4 for a device proposed here in a sectional view.
  • the layer 4 has a layer top 6, one
  • the obstacle structure 8 is made of a fluid comprising the particles 2, 3 (not shown here)
  • the obstacle structure 8 is arranged on the top side 6 of the layer.
  • the layer 4 is formed, for example, in the manner of a DEP film.
  • the layer 4 has a sandwich arrangement made up of two insulator layers 13 and one which is embedded over the entire surface thereof
  • the insulator layers 13 represent an example of how the layer 4 can have electrical insulation 11.
  • Counter electrodes form extruded metal posts, which are applied to one of the two insulator layers 13 and are connected to one another on the bottom by flat conductor tracks 14 (not shown here, see FIG. 3) (for example, there is a change of polarities in the checkerboard pattern between the posts) ,
  • the extruded metal posts represent an example of how the obstacle structure 8 can be designed as an electrode structure.
  • the layer 4, as shown in FIG. 1 has, for example, a full-area electrical passivation 10 of the strip.
  • This electrical passivation 10 can be formed, for example, with a chemically inert, but electrically as transparent as possible material.
  • the layer 4 in FIG. 1 has, for example, a thin adhesive layer 15 on the back of the tape or on the bottom 7 of the layer. This adhesive layer 15 could stacking for ultimate strength and later in operation for tightness of the microchannels.
  • FIG. 2 schematically shows a device 1 proposed here in a sectional illustration.
  • the reference symbols are used uniformly, so that reference can be made in full to the above explanations relating to FIG. 1.
  • the device 1 is set up for the dielectrophoretic capture of particles 2, 3 (not shown here).
  • the device 1 comprises one or more layers 4 and an electrical contact 5 (not shown here).
  • the layers 4 each have a layer top 6, a layer bottom 7 and one
  • Obstacle structure 8 A fluid comprising the particles 2, 3 (not shown here) can flow through the obstacle structure 8.
  • the obstacle structure 8 is arranged on the top side 6 of the layer. Also spaced the
  • Obstacle structure 8 the top layer 6 of the bottom layer 7 of the same layer 4 or a further one of the layers 4.
  • the arrangement according to FIG. 2 can be formed, for example, by stacking several layers 4 according to FIG. 1 or alternatively by winding a layer 4 according to FIG. 1.
  • the arrangement can resemble a coplanar line.
  • the effective cross-sectional area of an imaginary microfluidic channel can be defined via the distances and heights of the individual posts.
  • the obstacle structure 8 or the layer with the metal posts is rolled up and is insulated on both sides by two layers 4 of a planar one
  • Obstacle structures 8 or (obstacle structure) layers are completely shielded - winding or stacking is thus made possible in a particularly advantageous manner. This manifests itself in particular in a symmetrical and uniform electrical field 16, which can be found in each of the “cages” (partial microfluidic channels 17).
  • the shielding could also be omitted for simplified manufacture and operation. For example, only one insulator layer 13 could remain, on which the metal posts
  • inflowing particles could pass through the stacked obstacle structures 8 and thereby advantageously interact as strongly as possible with the inhomogeneous E field 16.
  • the summation of many imaginary small partial microfluidic channels 17 over the width of an entire band results in a stacked state in parallel connection to a channel with an acceptable effective cross-sectional area.
  • FIG. 2 it can also be seen that a fluid channel 9, in which the obstacle structure 8 is arranged, is formed between the top side 6 of the bottom 7 facing the layer.
  • the sum of these fluid channels 9 or the partial microfluidic channels 17 results in a flowable (total) cross-sectional area of the device, which previously also was effective
  • FIG. 3 schematically shows a layer 4 according to FIG. 1 or from FIG. 2 in a perspective view.
  • the reference numerals are used uniformly, so that reference can be made in full to the above statements relating to the preceding FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 schematically shows a further layer 4 for a device proposed here in a perspective view.
  • the reference numerals are used uniformly, so that reference can be made in full to the above statements relating to the previous figures.
  • Electrode structure but an insulator structure. Instead of the metal posts, insulating spacers (posts) are used as the obstacle structure 8 with planar metal electrodes 12 applied (on one or both sides). It is particularly advantageous here if (because of possible
  • FIG. 5 schematically shows a detailed view of the exemplary embodiment according to FIG.
  • FIG. 6 schematically shows a sequence of a method proposed here.
  • the method is used to manufacture a device proposed here.
  • the sequence of the method steps shown with the blocks 110 and 120 results in a regular operating sequence.
  • A occurs in block 110
  • at least one of the layers is wrapped or several of the layers are stacked.
  • FIG. 7 illustrates the provision of a layer 4.
  • the layer 4 is held on a carrier roller 19 by way of example with a fastening means 18.
  • the fastening means 18 is simultaneously formed, for example, in the manner of a spacer.
  • FIG. 8 illustrates a winding of the layer 4 provided according to FIG. 7.
  • a layer 4 (suitably structured film arrangement) is wound onto a carrier roll 19 and electrically contacted at the end.
  • the effective cross-sectional area of such a "DEP winding cylinder" can be determined from the top surfaces of the
  • rolled-up tape and the carrier contained therein are calculated and varies depending on the layout.
  • the diameter of the carrier 19 can be minimized in favor of a maximum throughput.
  • Such a cylinder would be integrable into a likewise cylindrical channel (see FIG. 9) without major difficulties.
  • FIG. 9 schematically shows a further device 1 proposed here in a perspective view.
  • the reference symbols are used uniformly, so that reference can be made in full to the above explanations regarding the previous figures.
  • the device 1 could have been manufactured, for example, using the method steps illustrated in FIGS. 7 and 8. In other words, this means in particular that the device 1 is formed in the manner of a “winding cylinder” according to the division of darts according to FIG. 9.
  • a layer 4 (DEP tape), for example according to FIG. 1, with a thickness of 100 pm (50 pm substrate thickness and 50 pm post height with a ratio of post width to post spacing of 1: 1) and about 1 m length could have over 35 turns on a roll 19 with a diameter of 6 mm are rolled into a cylinder with a total diameter of less than 13 mm.
  • the length of such a winding cylinder could be chosen individually (e.g. 1 cm).
  • a 10 ml blood sample could then also be processed at a maximum flow rate of 100 pm / s within about an hour, with the big difference (compared to the calculation example given above for conventional DEP trapping filtering) that such a filter would then could be installed relatively easily in lab-on-chip systems.
  • the insulator layers 13 could be made with insulator foils.
  • the insulator films could be thin, spin-on polyimide films with a thickness of, for example, up to 25 ⁇ m.
  • a carrier roll 19 from z. B. Plastic could have a bend radius of up to one millimeter or less. Sheets and rolls could be connected to each other with an adhesive tape of a suitable height, which could also serve as a spacer and protection of the posts (obstacle structure 8) during a first winding.
  • a metal, such as copper, could be used as the electrode material or gold, which (previously) for example by photolithography,
  • Obstacle structure 8 was structured and applied.
  • Conductor tracks 14 could have thicknesses between a few nanometers to a few micrometers and posts of an exemplary obstacle structure 8) heights of possibly up to 100 pm.
  • Solder contacts would be conceivable for the electrical contact 5 of the layer 4. If one wanted to passivate the metal electrodes electrically with chemically inert material (as exemplary passivation 10), aluminum oxide could be evaporated for this purpose.
  • a similar effect could also be achieved by stacking several layers 4 to form a “DEP stack” with a defined cross-section.
  • FIG. 10 schematically shows a further device 1 proposed here in a perspective view.
  • the reference symbols are used uniformly, so that reference can be made in full to the above explanations regarding the previous figures.
  • FIG. 10 exemplifies the previously mentioned embodiment as a “DEP stack”. In other words, this relates in particular to a device 1 in which a plurality of the layers 4 are stacked.
  • Layers or “DEP tapes”, as previously presented, could in principle be produced in any width and length and, consequently, individually to form cylinders and stacks with any diameter, length, width and height.
  • the relative flow velocity in the fluidic channel can be reduced in a compact form, with particles keeping a maximum distance from the electrodes • Versatile layout options, as a very large selection of design parameters is available (especially with regard to the length and width of the D EP tapes used, which would be easily adjustable)

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Electrostatic Separation (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen (2, 3), zumindest umfassend eine oder mehrere Lagen (4) und eine elektrische Kontaktierung (5), wobei die Lagen (4) jeweils eine Lagenoberseite (6), eine Lagenunterseite (7) und eine Hindernisstruktur (8) aufweisen, wobei die Hindernisstruktur (8) von einem die Teilchen (2, 3) umfassenden Fluid durchströmbar ist, wobei die Hindernisstruktur (8) auf der Lagenoberseite (6) angeordnet ist und wobei die Hindernisstruktur (8) die Lagenoberseite (6) von der Lagenunterseite (7) derselben Lage (4) oder einer weiteren der Lagen (4) beabstandet.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Vorrichtung.
Stand der Technik
Zirkulierende Tumorzellen (Circulating Tumor Cells, CTC's) sowie zellfreie Tumor-DNA (Circulating Tumor DNA, ctDNA) haben sich in den vergangenen Jahren als vielversprechende und durchaus klinisch relevante Biomarker zur Diagnose sowie angepassten Therapie von bösartigen Tumoren und Metastasen etabliert. Deren frühzeitige und zuverlässige Detektion im menschlichen Körper, so vor allem aus Blut oder anderen geeigneten Körperflüssigkeiten, ist daher bereits seit Langem einer der Hauptforschungsschwerpunkte der modernen Onkologie (Liquid Biopsy).
Diese Form der Tumor- Analyse bietet, insbesondere für den Patienten, gegenüber herkömmlichen invasiven Gewebebiopsien wesentliche Vorteile. Nicht zuletzt die Integration aufkommender Analysetechnologien in hochentwickelte Mikrosysteme und die Vereinigung sämtlicher erforderlicher
Verarbeitungsschritte zu einer Kette in einem einzigen kompakten Gerät (Lab- On-a-Chip) lassen diesen Untersuchungsansatz wegen seiner potentiell sehr geringen Prozessierungsdauer, hohen Präzision, Reproduzierbarkeit, Flexibilität, Einfachheit und enormen Kostengünstigkeit als durchweg attraktiv erscheinen.
In diesem Zusammenhang äußerte sich der dringende Bedarf nach einer zuverlässigen Isolation von Tumormaterial im Hinblick auf diese Vorgaben bisher in einer großen Vielzahl unterschiedlicher Ansätze. Neben einfachen mechanischen Filtern wurden in der Vergangenheit so unter anderem hydrodynamische Varianten oder antikörper-basierte Verfahren zur Separation von zirkulierenden Tumorzellen in Mikrofluidikkanälen auf Grundlage entsprechender physikalischer Eigenschaften wie Größe, Dichte oder
Verformbarkeit herangezogen. Hierbei konnten allerdings jeweils entscheidende Einschränkungen beobachtet werden, ein praktikabler Einsatz blieb
weitestgehend erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 eine Vorrichtung zum
dielektrophoretischen Einfang von Teilchen, zumindest umfassend eine oder mehrere Lagen und eine elektrische Kontaktierung, wobei die Lagen jeweils eine Lagenoberseite, eine Lagenunterseite und eine Hindernisstruktur aufweisen. Die Hindernisstruktur ist von einem die Teilchen umfassenden Fluid durchströmbar. Weiter ist die Hindernisstruktur auf der Lagenoberseite angeordnet, wobei die Hindernisstruktur die Lagenoberseite von der Lagenunterseite derselben Lage oder einer weiteren der Lagen beabstandet.
Die hier vorgeschlagenen Lösung basiert insbesondere auf dem Ansatz, Teilchen nach ihren dielektrischen Eigenschaften zu manipulieren. Dieser Ansatz weist die besonderen Vorteile auf, dass er unabhängig von Markern und in großem Maßstab skalierbar sowie einfach, berührungsfrei, vielseitig einsetzbar und sehr gut in moderne MEMS- und Mikrofluidik-Technologien integrierbar ist. Ein besonders bevorzugter Bestandteil der hier vorgeschlagenen Lösung ist das Übereinanderlegen einer per D EP- Kraft fangfähigen Lage, insbesondere
Folienstruktur, zu einem mehrlagigen Gesamt- Fangsystem. Die mindestens eine Lage wird im Folgenden auch als sogenanntes„DEP-Band“ bezeichnet.
Die Vorrichtung dient zum (gezielten) dielektrophoretischen Einfang von
(bestimmten) Teilchen bzw. ist hierzu eingerichtet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Vorrichtung zum gezielten dielektrophoretischen Einfang von Teilchen bestimmter Art bzw. Sorte (Zielzellen) dient bzw.
eingerichtet ist. Die hier vorgestellte Lösung erlaubt in vorteilhafter Weise aus einem in dem Kanal geführten Medium gezielt mindestens eine bestimmte Teilchenart einzufangen und somit entnehmbar zu machen bzw. zu entnehmen. Die Teilchenarten bzw. Teilchensorte (Zielpartikel/Zielzelle) ist insbesondere durch ihre dielektrischen Eigenschaften bestimmt. Beispielhaft unterscheiden sich im Blut zirkulierende Tumorzellen (vorteilhafte Zielzellen) in ihrer
elektrischen Perm ittivität von normalen weißen Blutkörperchen. Bei den einzufangenden Teilchen handelt es sich insbesondere um zirkulierende
Tumorzellen.
Jede Zelle besitzt üblicherweise ihre eigene, einzigartige Morphologie. Sie ist unter anderem eine Funktion des Zelltyps, der Komplexität des Zellinnenlebens sowie der Phase im Zellzyklus. Die Zellmembran der meisten Zelltypen ist weiterhin nicht glatt, sondern in Wirklichkeit übersät mit Falten und Mikrovilli.
Anders als gesunde Blutzellen, formen Tumorzellen ein festes Gewebe, aus welchem im Verlauf des Tumorwachstums einzelne zirkulierende Tumorzellen (sog. CTC's) losgelöst werden können. Deren tatsächliche Zellmembranfläche ist aufgrund der erhöhten Packungsdichte im Ursprungsgewebe deshalb gegenüber derjenigen der frei im Blut vorliegenden gesunden Blutzellen größer und steigt, bedingt durch das fortschreitende Wachstum des Tumors, mit zunehmender Unordnung.
Zusammen mit der Zellgröße ist die Zellmembranfläche die morphologische Eigenschaft, die sich in unterschiedlichen Übergangsfrequenzen der beiden Zelltypen deutlich macht: Bei eine Untersuchung des Frequenzverhaltens von über 80 verschiedenen festen Tumorarten konnte festgestellt werden, dass eine im Vergleich zu gesunden Blutzellen zwischen 50 % und 300 % größere normierte Oberflächenkapazität und ein durchschnittlich größerer Zellradius für Tumorzellen auf Übergangsfrequenzen zwischen 20 kHz und 75 kHz führen. Bei der gleichen Leitfähigkeit von 0,03 S/m betrugen für sämtliche der untersuchten 15 Subpopulationen von gesunden mononukleären Blutzellen die
Übergangsfrequenzen mehr als 120 kHz. Für fünf Arten von Leukämiezellen lagen die Übergangsfrequenzen zwischen 60 kHz und 100 kHz.
Beruhend auf diesen Erkenntnissen und der Tatsache, dass die
Übergangsfrequenzen der am reichlichsten vorhandenen Subpopulationen von gesunden Blutzellen - nämlich der Lymphozyten und Granulozyten - sehr geringe Standardabweichungen besitzen und von den Übergangsfrequenzen der meisten Tumortypen um mindestens 5 bis 7 Standardabweichungen entfernt sind, ist die Dielektrophorese zur zuverlässigen Isolation aller Arten von soliden Tumoren geeignet und - wenn auch mit geringeren Effizienzen - anwendbar für (hoch konzentrierte) Leukämiepopulationen.
Die DEP-Sortierung von CTC's aus gesunden Blutzellen basiert (in diesem Zusammenhang) insbesondere auf einer Gegenbewegung der beiden
Teilchensorten: Insbesondere wenn die Betriebsfrequenz zwischen den jeweiligen Übergangsfrequenzen liegt, können Tumorzellen per pDEP angezogen und gesunde Blutzellen per nDEP abgestoßen werden. Die Hindernisstruktur und/oder die elektrische Kontaktierung ist bzw. sind insbesondere derart eingerichtet, dass hier entsprechende Betriebsfrequenzen eingestellt werden können.
Dem dielektrophoretischen Einfang liegt der Mechanismus der sogenannten Dielektrophorese (DEP) zugrunde. Diese bezeichnet die Bewegung (auch ungeladener) polarisierbarer Partikel in einem nicht-homogenen elektrischen Feld. Dabei wechselwirkt ein infolge eines von außen angelegten elektrischen Wechselfeldes in das Teilchen induzierter Dipol mit eben diesem äußeren Feld und führt zu einer dielektrophoretischen Kraftwirkung auf das Teilchen. Diese Kraftwirkung kann hier zum Zurückhalten des Teilchens und somit zu dessen dielektrophoretischem Einfang genutzt werden.
Nachstehend werden die zwei unterschiedlichen Architekturen bzw. Prinzipien des Teilcheneinfangs, die hier vorliegen können, mDEP und iDEP, näher erläutert.
Prinzip der iDEP: Bei dieser Variante werden elektrische Feldlinien mit einem DC-Signal oder AC-Signal niedriger Frequenz generiert (eventuell liegt sogar eine Überlagerung aus zwei verschiedenen Signalkomponenten vor) und an isolierenden (Hindernis-)Strukturen (Polymere, Glas, etc.) innerhalb des Fluidkanals gekrümmt. Die stärkste Krümmung findet im Bereich der
Einschnürung statt, in welchem sich Teilchen per pDEP einfangen lassen. Eine DC-Spannung kann bei iDEP-Anwendungen per Elektroosmose häufig auch gleichzeitig für einen Fluss des Fluids sorgen.
Prinzip der mDEP: Die Felderzeugung geschieht hier in der Regel durch das direkte Anlegen einer elektrischen Spannung an Hindernisstrukturen (Elektrodenstrukturen), insbesondere Metall-(Hindernis-)Strukturen
(gewöhnlicherweise an eine alternierende Mikroelektrodenanordnung). Der größte Feldgradient tritt in der Regel an den Kanten der Elektroden auf.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine oder mehrere Lagen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung genau bzw. nur eine Lage, beispielsweise, wenn die Lage z. B. zu einem sog. Wickelzylinder gewickelt wird. Alternativ kann die Vorrichtung eine Vielzahl von Lagen aufweisen, beispielsweise, wenn die Lagen zu einem Stapel bzw. Stack übereinander gestapelt werden.
Vorzugsweise umfassen die Lagen jeweils mindestens eine (elektrisch isolierende) Isolator-Schicht bzw. Isolationsschicht. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Lagen jeweils mindestens eine (flächige) Schicht umfassen können, die derart eingerichtet ist, dass sie elektrisch isolierend wirkt. Diese Isolator-Schicht kann beispielsweise mit einer Folie gebildet sein. Bei den (Isolator-) Folien kann es sich beispielsweise um (dünne, aufgeschleuderte) Polyimid-Folien, insbesondere mit einer Dicke von beispielsweise bis zu 25 pm handeln. Besonders bevorzugt umfassen die Lagen jeweils mindestens zwei (flächige) übereinander angeordnete Isolator-Schichten, die zwischen sich eine (flächige und/oder mäanderförmig angeordnete) Elektrode einschließen können.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine elektrische Kontaktierung. Die elektrische Kontaktierung ist insbesondere dazu eingerichtet, ein elektrisches Feld innerhalb des Fluidkanals und insbesondere im Bereich der Hindernisstrukturen auszubilden. Hierzu ist die elektrische Kontaktierung in der Regel mit einer Spannungsversorgung verbindbar bzw. verbunden.
Für iDEP-Anwendungen kann die Kontaktierung beispielsweise zwei
Kontaktarme aufweisen, die sich einander gegenüberliegend, zumindest teilweise entlang einer der Lagen erstrecken. Einander (unmittelbar)
gegenüberliegende Kontaktarme überlappen sich insbesondere (nur) teilweise. Vorzugsweise erstrecken sich die Kontaktarme dabei auf der Lagenoberseite und/oder im Bereich der (für iDEP-Anwendungen als Isolatorstruktur gebildeten) Hindernisstruktur. Weiterhin bevorzugt können sowohl auf der Lagenoberseite, als auch auf der Lagenunterseite Kontaktarme ausgebildet sein. Die Kontaktarme sind vorzugsweise mit insbesondere auf die Lagenoberseite und/oder
Lagenunterseite aufgebrachte (flache) Leiterbahnen gebildet. Hierbei kann einer der Kontaktarme einen Pluspol und der andere Kontaktarm einen Minuspol bilden. Zwischen den Kontaktarmen kann somit ein insbesondere inhomogenes elektrisches Feld eingestellt werden, dessen Feldlinien von der Hindernisstruktur (Isolatorstruktur) gekrümmt bzw. abgelenkt werden können.
Für mDEP-Anwendungen kann die Kontaktierung beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Elektroden der als Elektrodenstruktur gebildeten
Hindernisstruktur und/oder die sich entlang (und/oder in) der Lage erstreckende Elektrode mit einer Spannungsversorgung zu verbinden. Auch in diesem Fall kann die Kontaktierung Kontaktarme aufweisen, die beispielsweise einige der Elektroden der Elektrodenstruktur mit einem Pluspol und andere der Elektroden der Elektrodenstruktur mit einem Minuspol verbinden. Zwischen den Elektroden der Elektrodenstruktur kann somit ein insbesondere inhomogenes elektrisches Feld eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Kontaktierung die sich entlang und/oder in der Lage erstreckende Elektrode beispielsweise mit einem Pluspol oder Minuspol verbinden.
Die Lagen weisen jeweils eine Lagenoberseite und eine Lagenunterseite auf. Die Lagen sind vorzugsweise jeweils flächig gebildet. Dabei weisen diese in der Regel jeweils eine flächige Lagenoberseite und eine flächige Lagenunterseite auf. Wenn mehrere Lagen vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise identisch gebildet. Die Lagen können jeweils mit mehreren, übereinander angeordneten und/oder flächigen Schichten aufgebaut sein.
Weiterhin weisen die Lagen jeweils eine Hindernisstruktur auf. Die
Hindernisstruktur ist von einem die Teilchen umfassenden Fluid durchströmbar. Bei dem Fluid handelt es sich hier in der Regel um Blut. Weiter ist die
Hindernisstruktur auf der Lagenoberseite angeordnet. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass eine Hindernisstruktur auf der Lagenoberseite und eine Hindernisstruktur auf der Lagenunterseite angeordnet ist. Die Hindernisstruktur ist dazu eingerichtet die Lagenoberseite von der Lagenunterseite derselben Lage (beispielsweise, wenn nur eine Lage vorgesehen ist, die zu einem Zylinder gewickelt wird) oder einer weiteren der Lagen (beispielsweise wenn mehrere Lagen vorgesehen sind, die zu einem Stack gestapelt werden) zu beabstanden.
Die Hindernisstrukturen erstrecken sich insbesondere entlang zumindest eines (Längs-)Abschnitts der Lage und/oder (in einem abgewickelten Zustand der Lage) in einer Ebene. Vorzugsweise weist zumindest eine der Hindernisstrukturen eine Vielzahl von (elektrisch isolierenden und/oder elektrisch isolierten oder in der Art von Stab- Elektroden gebildeten) Pfosten auf. Besonders bevorzugt weist jede Hindernisstruktur eine Vielzahl von Pfosten auf. Eine Hindernisstruktur kann sich beispielsweise dadurch entlang eines
Längsabschnitts der Lage erstrecken, dass in der Längsrichtung der Lage (die eine Abwickelrichtung der Lage betreffen kann) mehrere Pfosten der
Hindernisstruktur nebeneinander angeordnet sind. Darüber hinaus können mehrere Pfosten der Hindernisstruktur (quer zu der Längsrichtung)
hintereinander angeordnet sein.
Bevorzugt sind die Hindernisstrukturen jeweils derart eingerichtet, dass sie zum Einstellen einer (bestimmten, insbesondere vordefinierten) räumlichen
Inhomogenität eines elektrischen Feldes beitragen. Das elektrische Feld ist hierbei insbesondere innerhalb des Fluidkanals und insbesondere im Bereich der Hindernisstrukturen (ggf. (bei mDEP) sogar von den Hindernisstrukturen) gebildet. Besonders bevorzugt sind die Hindernisstrukturen (insbesondere im Zusammenwirken mit der elektrischen Kontaktierung) jeweils dazu eingerichtet Teilchenart-spezifische energetische Minima in dem Fluidkanal zu bilden. Die Bedeutung des Begriffs„energetische Minima“ wird unten näher erläutert. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass in dem Fluidkanal (nur) bestimmte Teilchen bzw. Teilchen bestimmter Art eingefangen werden können. In diesem
Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Hindernisstrukturen Teilchenart-spezifisch dimensioniert sind. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Hindernisstrukturen entsprechend der Teilchart (Zielzelle) dimensioniert sind, die eingefangen werden soll.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Lagen gewickelt ist. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn nur eine Lage vorgesehen ist. Diese Lage ist weiterhin bevorzugt zu einem sog. Wickelzylinder gewickelt. Besonders bevorzugt ist die Lage spiralförmig gewickelt. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn die Lage so gewickelt ist, dass zwischen der Lagenoberseite und der Lagenunterseite derselben Lage ein (mikrofluidischer) Fluidkanal gebildet ist, in dem die
Hindernisstruktur angeordnet ist. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass mehrere der Lagen gestapelt sind. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass mindestens zwei der Lagen vorgesehen und zu einem Stapel bzw. Stack gestapelt sind. Diese Lagen weisen jeweils eine Hindernisstruktur auf. Darüber hinaus kann in dem Stapel bzw. Stack auch mindestens eine (Glatt-) Lage vorgesehen sein, die keine Hindernisstruktur aufweist, beispielweise als
Zwischenlage oder Decklage. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn mehrere der Lagen so gestapelt sind, dass zwischen der Lagenoberseite einer der Lagen und der Lagenunterseite einer dazu
benachbarten Lage ein (mikrofluidischer) Fluidkanal gebildet ist, in dem eine der Hindernisstrukturen angeordnet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die
Hindernisstruktur eine Isolatorstruktur ist. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Hindernisstrukturen mit bzw. aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind. Solche Hindernisstrukturen kommen insbesondere bei der Realisierung eines iDEP-Systems zum Einsatz (insulator based dielectrophoresis, iDEP). Das isolierende Material ragt hierbei insbesondere in der Art von Pfosten in den Kanal hinein, ggf. überspannt es sogar zumindest einen Teil eines Kanalquerschnitts.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die
Hindernisstruktur eine Elektrodenstruktur ist. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Hindernisstrukturen mit bzw. aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind. Solche Hindernisstrukturen kommen insbesondere bei der Realisierung eines mDEP-Systems zum Einsatz (metal based dielectrophoresis, mDEP). Das elektrisch leitfähige Material ragt hierbei insbesondere in der Art von Pfosten in den Kanal hinein, ggf. überspannt es sogar zumindest einen Teil eines Kanalquerschnitts. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Elektrodenstrukturen jeweils mit einer Vielzahl von Mikroelektroden gebildet sind. Bevorzugt sind die
Elektrodenstrukturen so elektrisch kontaktiert, dass die Hindernisstrukturen (jeweils) sowohl Kathoden, als auch Anoden umfassen. Besonders bevorzugt umfasst zumindest eine der Hindernisstrukturen dieselbe Anzahl an Kathoden, wie Anoden. In mDEP-Systemen könnten die (dafür notwendigen) (Mikro-) Elektroden z. B. mit lithographischen Verfahren direkt auf der Lagenoberseite strukturiert werden. Insbesondere eignet sich hierfür thermisch aufgedampftes oder galvanisch aufgebrachtes Metall, wie etwa Gold oder Kupfer. Im Falle von iDEP- Anwendungen könnten die (dafür erforderlichen) Isolator- Hindernisstrukturen bzw. Isolatorstrukturen aus dem gleichen Material wie auch die Lage,
insbesondere eine Isolator-Schicht der Lage selbst bestehen und/oder ebenfalls lithographisch (ggf. gemeinsam mit der Lage) strukturiert werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung weiterhin zumindest eine elektrische Passivierung oder elektrische Isolierung. Bevorzugt umfasst die Lage eine insbesondere ganzflächige elektrische Passivierung, vorzugsweise auf deren Lagenoberseite. Die elektrische Passivierung kann dabei auch zumindest einen Teil der Oberfläche der Hindernisstruktur bedecken, die auf der Lage angeordnet ist. Die elektrische Passivierung kann beispielsweise mit einem chemisch inerten, jedoch elektrisch möglichst transparenten Material gebildet sein. Die elektrische Isolierung kann beispielsweise mit einer oder mehreren Isolator-Schichten einer Lage gebildet sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Elektrode, die sich zumindest teilweise entlang (und/oder in) einer der Lagen erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich die Elektrode dabei innerhalb des (flächigen) Materials der Lage, was beispielsweise dadurch realisiert sein kann, dass sich die Elektrode zwischen zwei übereinander angeordneten
Schichten, insbesondere Folien erstreckt. Hierbei ist die Lage vorzugsweise mit einer Sandwich-Anordnung aus zwei Isolator-Schichten und einer darin ganzflächig eingebetteten Metallelektrode gebildet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass eine Isolator-Schicht als obere Schicht und eine Isolator-Sicht als untere Schicht vorgesehen sind, die zwischen sich die
Metallelektrode einschließen.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung vorgeschlagen, zumindest umfassend ein
Bereitstellen einer oder mehrere der Lagen und ein Wickeln zumindest einer der Lagen oder ein Stapeln mehrere der Lagen. Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
Fig. 1: eine Lage für eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Schnittdarstellung,
Fig. 2: eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer Schnittdarstellung,
Fig. 3: eine Lage gemäß Fig. 1 bzw. aus Fig. 2 in einer perspektivischen
Ansicht,
Fig. 4: eine weitere Lage für eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 5: eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4,
Fig. 6: einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens,
Fig. 7: eine Veranschaulichung eines Schritts des hier vorgeschlagenen
Verfahrens,
Fig. 8: eine Veranschaulichung eines weiteren Schritts des hier
vorgeschlagenen Verfahrens
Fig. 9: eine weitere hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht, und
Fig. 10: eine weitere hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
Zum technisches Umfeld der hier vorgestellten Lösung, die auch eine
Vorrichtung zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen betrifft kann Folgendes ausgeführt werden: Der zugrunde liegende Mechanismus, die so genannte Dielektrophorese (DEP), bezeichnet die Bewegung (auch ungeladener) polarisierbarer Partikel in einem nicht-homogenen elektrischen Feld. Dabei wechselwirkt ein infolge eines von außen angelegten elektrischen Wechselfeldes in das Teilchen induzierter Dipol mit eben diesem äußeren Feld und führt zu einer dielektrophoretischen
Kraftwirkung auf das Teilchen.
Werden nur das Dipolmoment erster Ordnung berücksichtigt und alle anderen Terme höherer Ordnung sowie die Kraftwirkung auf geladene Teilchen in Form des Coulomb-Terms (Elektrophorese) außer Acht gelassen, so kann die zeitgemittelte dielektrophoretische Kraft auf ein Partikel im allgemeinsten Fall für ein räumlich stationäres E-Feld als
Figure imgf000013_0001
Formuliert werden. Hierbei bezeichnen G den Geometrie- Faktor des Partikels,
£m die (absolute) reelle elektrische Permittivität des umgebenden Mediums,
ERMS den Effektivwert des angelegten E-Feld- Vektors (Root Mean Square,
RMS) und Reifem) den Realteil des so genannten„Clausius- Mosotti- Faktors“ (CM- Faktor).
Für den einfachsten Fall eines sphärischen Partikels, beispielhaft stellvertretend für eine Tumorzelle, lässt sich für
Figure imgf000013_0002
und
G = 27ÜÄ3 dieser Ausdruck zu
Figure imgf000013_0003
umschreiben. Hier stehen R für den Radius der betrachteten Zelle sowie ip und im für die (absolute) komplexe elektrische Permittivität von Partikel und umgebendem Medium, wobei ferner gilt
Figure imgf000014_0001
mit / = — I als komplexer Einheit, s als elektrischer Leitfähigkeit und w als Kreisfrequenz des angelegten elektrischen Feldes.
Je nach Vorzeichen von Re{fM) (abhängig vom Arbeitspunkt des elektrischen Feldes und der relativen Abstimmung zwischen frequenzabhängiger (absoluter) reeller elektrischer Permittivität e und elektrischer Leitfähigkeit s zwischen Medium und Material) kann zur Manipulation entweder eine anziehende (positive Dielektrophorese, pDEP) oder abstoßende (negative Dielektrophorese, nDEP) Kraftwirkung auf Teilchen hervorgerufen werden.
Dies ist vor allem dann interessant, wenn beispielsweise durch äußere
Limitierungen wie Undefinierte Strömungsbedingungen in Mikrofluidikkanälen oder Platzmangel im DEP-System keine kontinuierliche Separation
(Gleichgewichtsansätze) in einem strömenden Fluid realisiert, sondern stattdessen nur der Einfang (Ungleichgewichtsansätze) von Zielpartikeln in diesem entweder per Metallektroden (mDEP) oder isolierenden Pfosten (iDEP) verfolgt werden kann. Letzterer Ansatz beruht auf dem Grundprinzip, dass zu isolierende Partikel per pDEP durch Elektroden entgegen den Strömungskräften des fließenden Mediums adressiert und festgehalten, während gleichzeitig ungewünschte Partikel per nDEP abgestoßen werden.
Für die Funktionsweise einer DEP-Manipulation, vor allem in der Auslegung des
— f .—f .2
Konzepts, ist insbesondere der letzte Faktor \ERMS\ in obigem Ausdruck für (FDEP) von Bedeutung, welcher unabhängig von Material, Form und Größe des Zielpartikels auftritt. Er drückt neben der Amplitude und der zeitlichen Verteilung des E-Feldes dessen räumliche Inhomogenität aus. Diese räumliche
Inhomogenität kann in einem Mikrofluidikkanal zum Beispiel durch eine geeignete Strukturierung von Mikroelektroden im Kanal und direktem Anlegen eines entsprechenden elektrischen Signals an diese (metal based
dielectrophoresis, mDEP) oder (alternativ) durch passend ausgelegte Isolatorstrukturen im Kanal und außerhalb angelegtem E-Feld (insulator based dielectrophoresis, iDEP) erzeugt werden. Bei mDEP wäre eine Verformung des E-Feldes an den annähernd planaren Elektrodenkanten, bei iDEP infolge einer Deformierung um die isolierenden extrudierten Strukturen zu beobachten.
Soll das DEP-System nicht (nur) zur kontinuierlichen Separation in einem strömenden Fluid, sondern (wie hier) zum Einfang von Zielpartikeln in diesem ausgelegt sein (Annahme: Arbeitspunkt durch E-Feld ist insbesondere dergestalt eingestellt, dass auf sämtliche Zielpartikel eine ausreichend hohe pDEP wirken kann), so setzen sich beide Varianten insbesondere zum Ziel, durch eine passende Dimensionierung von V| ER 5| die räumliche Energielandschaft für Partikel so zu gestalten, dass hervorgerufene energetische Minima
(Energieminimum für Teilchen, da pDEP) lediglich Zielpartikel entgegen jeglicher sonst im System auftretender Energien im Rahmen festgesetzter
Randbedingungen (Durchsatz, Zerstörung der Zelle, Recovery- und Purity-Raten der Separation, etc.) festhalten, während alle anderen im Medium
vorkommenden Spezies von dieser Wirkung weitestgehend unbetroffen bleiben (Kraftwirkung durch DEP entweder positiv und sehr klein oder gar negativ).
Die Bedeutung des Begriffs„energetische Minima“ wird nachfolgend näher erläutert: Bei pDEP (anziehende Kraft) werden Teilchen in der Regel in Richtung der Maxima der elektrischen Feldstärke bewegt. Diese Bereiche entsprechen in einer Energielandschaft aber Minima, sozusagen„Potentialtöpfen“. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, das bei pDEP sich die Teilchen in Richtung der höheren Feldstärke bewegen, aber in einen„Potentialtopf“ bzw. in „Potentialtöpfe“ fallen. Unter„energetischen Minima“ sind hier insbesondere die beschriebenen Minima in der Energielandschaft zu verstehen bzw. die beschriebenen Potentialtöpfe. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass es sich bei den energetischen Minima um Minima in der Energielandschaft und/oder um Potentialtöpfe handelt.
Das (zuvor beschriebene) Prinzip des Teilcheneinfangs (Trapping) mittels pDEP ist ein attraktiver Manipulationsansatz, der im Rahmen der hier vorgestellten Lösung bevorzugt verfolgt wird.
Bei konventionellen Realisierungen von mDEP- bzw. iDEP-Trapping-Separatoren konnte Folgendes beobachtet werden: Aufgrund der im Allgemeinen sehr geringen Reichweite der dielektrophoretischen Kraft sollten beim Teilcheneinfang jedoch in aller Regel maximale Abstände zwischen den Elektroden und den Teilchen eingehalten werden (bis zu 100 mhh), was im Umkehrschluss aber, zumindest in vertikale Richtung, begrenzte
Kanaldimensionen und damit vergleichsweise kleine Durchsätze bedingen kann. Diese können durch Steigerung der Fließgeschwindigkeit nur in beschränktem Maße erhöht werden, da die resultierenden Strömungskräfte auf keinen Fall die dielektrophoretischen Kräfte (im pN-Bereich) dominieren oder die Zellen beschädigen sollten (entspricht in konventionellen DEP-Systemen als Äquivalent maximalen Fließgeschwindigkeiten bis etwa 100 pm/s). Ein sofortiges
Wegspülen der eingefangenen Teilchen wäre die Folge und ein drastischer Abfall in der Separationseffizienz wäre zu erwarten.
Alternativ könnte zur Steigerung des Querschnitts und damit des Durchsatzes bei konventionellen Realisierungen auch eine starke Verbreiterung des Kanals in horizontale Richtung in Erwägung gezogen werden, jedoch ist auch hier durch die üblicherweise limitierte Größe des DEP-Systems die Ausdehnung eines solchen Kanals stark beschränkt.
Vor diesem Hintergrund soll nachstehend ein kurzes Rechenbeispiel für eine konventionelle DEP-Trapping-Filterung vorgestellt werden (welches weiter unten mit einem Rechenbeispiel zu einer Ausführungsform der hier vorgestellten Lösung verglichen wird):
Müsste für Liquid-Biopsy-Anwendungen zum Beispiel eine 10 ml große Blutprobe innerhalb einer Stunde in einem Kanal mit 50 pm Höhe bei einer
Fluidgeschwindigkeit von 100 pm/s prozessiert werden, so müsste eine effektive Kanalbreite von mehr als 55 cm in Kauf genommen werden (die durchströmte Querschnittsfläche beträgt ohne Hindernisse dann ungefähr 28 mm2), welche allerdings aus mikrofluidischer Sicht viel zu unhandlich wäre.
Hiervon ausgehend ist ein Ziel der Erfindung insbesondere, einen durch die geringe Reichweite der dielektrophoretischen Kraft bedingten,
erzwungenermaßen sehr flachen und breiten Kanal, welcher konventionell eine sonst zu große Grundfläche für den Filterbetrieb in Form eines
dielektrophoretischen Teilcheneinfangs bei genügend hohem Durchsatz in Anspruch nehmen würde, auf ein möglichst handhabbares Volumen
umzuverteilen. Hierbei kann beispielsweise die Ausdehnung eines quasi planaren DEP-Aufbaus derart um eine dritte Raumdimension erweitert werden, so dass eine Komprimierung auf eine möglichst große durchströmte
Querschnittsfläche zur Verfügung gestellt werden kann. Die Anordnung ist insbesondere in der Lage, den Zielzellen einen möglichst kleinen
Wechselwirkungsabstand (hohe Gradienten des E-Felds bzw. hohe DEP-Kräfte) aber einen hinreichend langen Wechselwirkungsweg mit den D EP- Elektroden bei sonst vorteilhaft kleinen Fließgeschwindigkeiten aber vorteilhaft genügend hohem Durchsatz zu gewähren.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Lage 4 für eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer Schnittdarstellung. Die Lage 4 weist eine Lagenoberseite 6, eine
Lagenunterseite 7 und eine Hindernisstruktur 8 auf. Die Hindernisstruktur 8 ist von einem die Teilchen 2, 3 (hier nicht dargestellt) umfassenden Fluid
durchströmbar. Zudem ist die Hindernisstruktur 8 auf der Lagenoberseite 6 angeordnet.
Gemäß der Ausführungsvariante nach Fig. 1 ist die Lage 4 beispielhaft in der Art einer DEP-Folie gebildet. Hierbei ist die Lage 4 mit einer Sandwich-Anordnung aus zwei Isolator-Schichten 13 und einer darin ganzflächig eingebetteten
Metallelektrode 12 gebildet. Die Isolator-Schichten 13 stellen ein Beispiel dafür dar, wie die Lage 4 eine elektrische Isolierung 11 aufweisen kann. Die
Gegenelektroden bilden extrudierte Metall pfosten, welche auf einer der beiden Isolatorschichten 13 aufgebracht und am Boden durch flache Leiterbahnen 14 (hier nicht dargestellt, vgl. Fig. 3) miteinander verbunden sind (es findet zwischen den Pfosten beispielsweise ein Wechsel der Polaritäten im Schachbrettmuster statt). Die extrudierten Metallpfosten stellen ein Beispiel dafür dar, wie die Hindernisstruktur 8 als Elektrodenstruktur ausgeführt sein kann.
Darüber hinaus weist die Lage 4 gemäß der Darstellung nach Fig. 1 beispielhaft eine ganzflächige elektrische Passivierung 10 des Bandes auf. Diese elektrische Passivierung 10 kann beispielsweise mit einem chemisch inerten, jedoch elektrisch möglichst transparenten Material gebildet sein. Weiterhin weist die Lage 4 in Fig. 1 beispielhaft eine dünne Klebeschicht 15 auf der Rückseite des Bandes bzw. auf der Lagenunterseite 7 auf. Diese Klebeschicht 15 könnte bei einer Stapelung für eine endgültige Festigkeit sowie im späteren Betrieb für eine Dichtigkeit der Mikrokanäle sorgen.
Fig. 2 zeigt schematisch eine hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 in einer Schnittdarstellung. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zur Fig. 1 vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Die Vorrichtung 1 ist zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen 2, 3 (hier nicht dargestellt) eingerichtet. Die Vorrichtung 1 umfasst eine oder mehrere Lagen 4 und eine elektrische Kontaktierung 5 (hier nicht dargestellt). Die Lagen 4 weisen jeweils eine Lagenoberseite 6, eine Lagenunterseite 7 und eine
Hindernisstruktur 8 auf. Die Hindernisstruktur 8 ist von einem die Teilchen 2, 3 (hier nicht dargestellt) umfassenden Fluid durchströmbar. Die Hindernisstruktur 8 ist auf der Lagenoberseite 6 angeordnet. Zudem beabstandet die
Hindernisstruktur 8 die Lagenoberseite 6 von der Lagenunterseite 7 derselben Lage 4 oder einer weiteren der Lagen 4.
Die Anordnung gemäß Fig. 2 kann beispielsweise durch ein Stapeln mehrerer Lagen 4 gemäß Fig. 1 oder alternativ durch ein Wickeln einer Lage 4 gemäß Fig. 1 gebildet werden. Die Anordnung kann in diesem Zusammenhang einer Koplanarleitung ähneln. Die effektive Querschnittsfläche eines gedachten Mikrofluidikkanals kann über die Abstände und Höhen der einzelnen Pfosten definiert werden. Zusammengerollt ist die Hindernisstruktur 8 bzw. die Schicht mit den Metallpfosten beidseitig isoliert von zwei Lagen 4 einer planaren
Elektrode 12 umschlossen und damit gegenüber benachbarten
Hindernisstrukturen 8 bzw. (Hindernisstruktur-)Schichten vollständig abgeschirmt - eine Wicklung bzw. Stapelung wird somit in besonders vorteilhafter Weise ermöglicht. Dies äußert sich insbesondere in einem symmetrischen und einheitlichen elektrischen Feld 16, welches in jedem der„Käfige“ (Teil- Mikrofluidikkanäle 17) aufzufinden ist.
Wäre ein Übersprechen zweier Lagen 4 des DEP-Bandes im Betrieb allerdings vernachlässigbar, so könnte für eine vereinfachte Herstellung und Bedienung die Abschirmung auch weggelassen werden. Es könnte dabei beispielhaft lediglich eine Isolatorschicht 13 verbleiben, auf welcher die Metallpfosten
(Hindernisstruktur 8) mitsamt Leiterbahnen 14 (hier nicht dargestellt, vgl. Fig. 3) und Kontaktierung 5 (hier nicht dargestellt, vgl. Fig. 3) aufgebracht werden könnten.
In allen Fällen könnten einströmende Teilchen (Zielzellen) die aufgestapelten Hindernisstrukturen 8 passieren und dabei in vorteilhafter Weise in möglichst starke Wechselwirkung mit dem inhomogenen E-Feld 16 treten. Die Summation vieler gedachter kleiner Teil-Mikrofluidikkanäle 17 über die Breite eines gesamten Bandes ergibt im gestapelten Zustand eine Parallelschaltung zu einem Kanal mit akzeptabler effektiver Querschnittsfläche.
In Fig. 2 ist weiterhin zu erkennen, dass zwischen der Lagenoberseite 6 einer dieser zugewandten Lagenunterseite 7 ein Fluidkanal 9 gebildet ist, in dem die Hindernisstruktur 8 angeordnet ist. Die Summe dieser Fluidkanäle 9 bzw. der Teil-Mikrofluidikkanäle 17 ergibt eine durchströmbare (Gesamt- ) Querschnittsfläche der Vorrichtung, die vorangehend auch als effektive
Querschnittsfläche bezeichnet wurde.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Lage 4 gemäß Fig. 1 bzw. aus Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren 1 und 2 vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Lage 4 für eine hier vorgeschlagene Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Die Ausführungsvariante nach Fig. 4 unterscheidet sich insbesondere dadurch von der nach den Figuren 1 bis 3, dass hier die Hindernisstrukur 8 keine
Elektrodenstruktur, sondern eine Isolatorstruktur ist. Hierbei werden anstelle der Metallpfosten isolierende Abstandhalter (Pfosten) als Hindernisstruktur 8 mit (einseitig oder beidseitig) aufgebrachten, planaren Metallelektroden 12 verwendet. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn (wegen möglichem
Übersprechen von Feldern benachbarter Lagen 4) nun zusätzlich auf eine genaue Justierung beim Stapeln bzw. Wickeln geachtet wird. Fig. 5 zeigt schematisch eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig.
4. Der zugehörige Detailausschnitt ist in Fig. 4 mit IV markiert. Die
Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zur Herstellung einer hier vorgeschlagenen Vorrichtung. Die dargestellte Reihenfolge der Verfahrensschritte mit den Blöcken 110 und 120 ergibt sich bei einem regulären Betriebsablauf. In Block 110 erfolgt ein
Bereitstellen einer oder mehrere der Lagen. In Block 120 erfolgt ein Wickeln zumindest einer der Lagen oder ein Stapeln mehrere der Lagen.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Veranschaulichung eines Schritts des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Fig. 7 veranschaulicht in diesem Zusammenhang ein Bereitstellen einer Lage 4. Die Lage 4 ist beispielhaft mit einem Befestigungsmittel 18 an einer Trägerrolle 19 gehalten. Das Befestigungsmittel 18 ist hierzu beispielhaft zugleich in der Art eines Abstandhalters gebildet.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Veranschaulichung eines weiteren Schritts des hier vorgeschlagenen Verfahrens. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Fig. 8 veranschaulicht in diesem Zusammenhang ein Wickeln der gemäß Fig. 7 bereitgestellte Lage 4. Hierbei wird beispielhaft eine Lage 4 (geeignet strukturierte Folien-Anordnung) auf eine Trägerrolle 19 aufgewickelt und am Ende elektrisch kontaktiert. Die effektiv durchflossene Querschnittsfläche eines derartigen„DEP-Wickelzylinders“ kann aus den Deckflächen des
zusammengerollten Bandes sowie des darin enthaltenen Trägers berechnet werden und variiert je nach Layout. Der Durchmesser des Trägers 19 kann zugunsten eines maximalen Durchsatzes minimiert werden. Ein solcher Zylinder wäre ohne größere Schwierigkeiten in einen ebenfalls zylinderförmigen Kanal (vgl. Fig. 9) integrierbar.
Fig. 9 zeigt schematisch eine weitere hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Die Vorrichtung 1 könnte beispielsweise anhand der in Fig. 7 und Fig. 8 veranschaulichten Verfahrensschritte hergestellt worden sein. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Vorrichtung 1 gemäß der Dartsteilung nach Fig. 9 in der Art eines„Wickelzylinders“ gebildet ist.
Nachfolgend sollen einige Vorteile dieser Ausführungsform anhand eines Rechenbeispiels für einen Wickelzylinder erörtert werden:
Eine Lage 4 (DEP-Band), beispielsweise nach Fig. 1, mit 100 pm Dicke (50 pm Substratdicke und 50 pm Pfostenhöhe bei einem Verhältnis Pfostenbreite zu Pfostenabstand von 1:1) und etwa 1 m Länge könnte über 35 Windungen auf eine Rolle 19 mit 6 mm Durchmesser zu einem Zylinder mit insgesamt weniger als 13 mm Durchmesser zusammengerollt werden. Die Länge eines solchen Wickelzylinders könnte dabei individuell gewählt werden (z.B. 1 cm). Eine 10 ml große Blutprobe ließe sich bei einer maximalen Fließgeschwindigkeit von 100 pm/s dann ebenfalls innerhalb von ungefähr einer Stunde verarbeiten, mit dem großen Unterschied (zu dem oben ausgeführten Rechenbeispiel für eine konventionelle DEP-Trapping-Filterung), dass ein derartiger Filter dann relativ einfach in Lab-on-Chip-Systeme eingebaut werden könnte.
Die Herstellung eines solchen Filters könnte mikrofabrikationstechnisch erfolgen: Die Isolatorschichten 13 könnten mit Isolatorfolien hergestellt sein. Bei den Isolatorfolien könnte es sich um dünne, aufgeschleuderte Polyimid- Folien mit einer Dicke von beispielsweise bis zu 25 pm handeln. Eine Trägerrolle 19 aus z. B. Kunststoff könnte einen Biegeradius von bis zu einem Millimeter oder weniger besitzen. Folien und Rolle könnte man mit einem Klebeband geeigneter Höhe miteinander verbinden, welches gleichzeitig auch als Abstandhalter und Schutz der Pfosten (Hindernisstruktur 8) bei einer ersten Umwicklung dienen könnte. Als Elektrodenmaterial könnte sich ein Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Gold eignen, welches (zuvor) beispielsweise per Fotolithografie,
Sputterverfahren und/oder Galvanotechnik insbesondere in unterschiedlichen Höhen für Leiterbahnen 14 und Metallpfosten (einer beispielhaften
Hindernisstruktur 8) strukturiert und aufgebracht wurde. Leiterbahnen 14 könnten dabei Dicken zwischen einigen Nanometern bis hin zu wenigen Mikrometern und Pfosten einer beispielhaften Hindernisstruktur 8) Höhen von eventuell bis zu 100 pm besitzen. Für die elektrische Kontaktierung 5 der Lage 4 wären Lötkontakte denkbar. Wollte man die Metallelektroden elektrisch mit chemisch inertem Material passivieren (als beispielhafte Passivierung 10), könnte hierzu zum Beispiel Aluminiumoxid aufgedampft werden.
Auch durch eine Stapelung mehrerer Lagen 4 zu einem„DEP-Stack“ mit insbesondere definiertem Fangquerschnitt wäre ein ähnlicher Effekt erzielbar.
Fig. 10 zeigt schematisch eine weitere hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 in einer perspektivischen Ansicht. Die Bezugszeichen werden einheitlich verwendet, sodass auf die vorstehenden Ausführungen zu den vorhergehenden Figuren vollumfänglich Bezug genommen werden kann.
Fig. 10 veranschaulicht beispielhaft die zuvor erwähnte Ausführung als ein„DEP- Stack“. Dies Betrifft mit anderen Worten insbesondere eine Vorrichtung 1, bei der mehrere der Lagen 4 gestapelt sind.
Lagen bzw.„DEP-Bänder“, wie zuvor vorgestellt, wären prinzipiell in beliebigen Breiten und Längen und infolgedessen individuell zu Zylindern und Stacks mit beliebigen Durchmessern, Längen, Breiten und Höhen herstellbar.
Die hier vorgeschlagene Lösung weist insbesondere einen oder mehrere der nachfolgenden Vorteile auf:
• Hoher Parallelisierungsgrad von einzelnen Mikrofluidikkanälen mit präzise einstellbaren Dimensionen und Feldstärken, welcher eine effiziente Ausnutzung des dielektrophoretischen Fangvolumens ermöglicht:
Erhöhung der effektiv durchströmten Querschnittsfläche bzw.
Verringerung der relativen Flussgeschwindigkeit im Fluidikkanal in kompakter Form realisierbar, wobei Teilchen einen maximalen Abstand zu den Elektroden bewahren • Vielseitige Layoutmöglichkeiten, da eine sehr große Auswahl an Designparametern verfügbar (vor allem in Hinsicht auf Länge und Breite der eingesetzten D EP- Bänder, welche leicht einstellbar wäre)
• Verfahren potentiell sehr kostengünstig, da Massenproduktion denkbar
• Prinzip relativ einfach und gut in MEMS-bzw. Mikrofluidiktechnologien integrierbar
• Optional Betrieb mit passivierten Metallelektroden (evtl, beidseitig und extrudiert) einfach realisierbar: Erzeugung hoher Feldstärkegradienten auch bei hohen Frequenzen mit vergleichsweise geringen
Betriebsspannungen ohne beispielsweise Blasenbildung durch chemische Reaktionen, etc. möglich

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen (2, 3), zumindest umfassend eine oder mehrere Lagen (4) und eine elektrische Kontaktierung (5), wobei die Lagen (4) jeweils eine Lagenoberseite (6), eine Lagenunterseite (7) und eine Hindernisstruktur (8) aufweisen, wobei die Hindernisstruktur (8) von einem die Teilchen (2, 3) umfassenden Fluid durchströmbar ist, wobei die Hindernisstruktur (8) auf der Lagenoberseite (6) angeordnet ist und wobei die Hindernisstruktur (8) die Lagenoberseite (6) von der Lagenunterseite (7) derselben Lage (4) oder einer weiteren der Lagen (4) beabstandet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Lagen (4)
gewickelt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Lage (4) so gewickelt ist, dass zwischen der Lagenoberseite (6) und der Lagenunterseite (7) derselben Lage (4) ein Fluidkanal (9) gebildet ist, in dem die Hindernisstruktur (8) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrere der Lagen (4) gestapelt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei mehrere der Lagen (4) so gestapelt sind, dass zwischen der Lagenoberseite (6) einer der Lagen (4) und der Lagenunterseite (7) einer dazu benachbarten Lage (4) ein Fluidkanal (9) gebildet ist, in dem eine der Hindernisstrukturen (8) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Hindernisstruktur (8) eine Isolatorstruktur ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Hindernisstruktur (8) eine Elektrodenstruktur ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin
umfassend zumindest eine elektrische Passivierung (10) oder elektrische Isolierung (11).
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Elektrode (12), die sich zumindest teilweise entlang einer der Lagen (4) erstreckt.
10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, zumindest umfassend ein Bereitstellen einer oder mehrere der Lagen (4) und ein Wickeln zumindest einer der Lagen (4) oder ein Stapeln mehrere der Lagen (4).
PCT/EP2019/067150 2018-07-04 2019-06-27 Vorrichtung zum dielektrophoretischen einfang von teilchen WO2020007703A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201980044778.3A CN112334234A (zh) 2018-07-04 2019-06-27 用于介电泳地捕集微粒的装置
EP19735269.3A EP3817859A1 (de) 2018-07-04 2019-06-27 Vorrichtung zum dielektrophoretischen einfang von teilchen
US17/255,547 US11975340B2 (en) 2018-07-04 2019-06-27 Device for dielectrophoretic capture of particles

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018211001.8A DE102018211001A1 (de) 2018-07-04 2018-07-04 Vorrichtung zum dielektrophoretischen Einfang von Teilchen
DE102018211001.8 2018-07-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020007703A1 true WO2020007703A1 (de) 2020-01-09

Family

ID=67139723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2019/067150 WO2020007703A1 (de) 2018-07-04 2019-06-27 Vorrichtung zum dielektrophoretischen einfang von teilchen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11975340B2 (de)
EP (1) EP3817859A1 (de)
CN (1) CN112334234A (de)
DE (1) DE102018211001A1 (de)
WO (1) WO2020007703A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024013994A (ja) * 2022-07-21 2024-02-01 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 流路チップ
US20240207847A1 (en) * 2022-12-23 2024-06-27 Imec Vzw Method and system for capturing analyte particles in a liquid

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4127405A1 (de) * 1991-08-19 1993-02-25 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur kontinuierlichen trennung von gemischen mikroskopisch kleiner, dielektrischer teilchen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
US20040175708A1 (en) * 2001-04-27 2004-09-09 Patrice Caillat Uses of a miniature device for separating and isolating biological objects and methods used
US20070187248A1 (en) * 2005-12-13 2007-08-16 Dalibor Hodko Three dimensional dielectrophoretic separator and methods of use
US20080289966A1 (en) * 2004-01-29 2008-11-27 Joel Voldman Microscale sorting cytometer
WO2014199889A1 (ja) * 2013-06-13 2014-12-18 日本写真印刷株式会社 マイクロ流体デバイス及び誘電泳動装置
US20150152556A1 (en) * 2011-08-02 2015-06-04 Tokyo Electron Limited Method and device for controlling pattern and structure formation by an electric field
US20170106083A1 (en) * 2015-10-15 2017-04-20 Q21 Personal Vaccine and Method of Making

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6375899B1 (en) 1993-11-01 2002-04-23 Nanogen, Inc. Electrophoretic buss for transport of charged materials in a multi-chamber system
GB9619093D0 (en) * 1996-09-12 1996-10-23 Scient Generics Ltd Methods of analysis/separation
DE19815882A1 (de) * 1998-04-08 1999-10-14 Fuhr Guenther Verfahren und Vorrichtung zur Manipulierung von Mikropartikeln in Fluidströmungen
US7014747B2 (en) * 2001-06-20 2006-03-21 Sandia Corporation Dielectrophoretic systems without embedded electrodes
US6689267B2 (en) 2002-03-11 2004-02-10 Center For Blood Research Multi-plate electrophoresis system having non-mechanical buffer circulation
KR100745754B1 (ko) * 2005-12-29 2007-08-02 삼성전자주식회사 금속 기둥 전극 구조를 포함하는 유전 영동을 이용하여입자를 조작하기 위한 장치 및 그를 이용하여 빠른유속으로 유전 영동에 의하여 입자를 조작할 수 있는 방법
CN100457239C (zh) 2005-12-30 2009-02-04 财团法人工业技术研究院 多样品微流体介电泳分离装置
CN100535649C (zh) * 2006-03-30 2009-09-02 中国科学院电子学研究所 三维纳隙网格阵列微电极生物传感芯片
TW200811438A (en) * 2006-08-29 2008-03-01 Horn-Jiunn Sheen Real-time hardened red blood cell detecting chip by using dielectrophoresis force
EP2039433A1 (de) * 2007-08-31 2009-03-25 Koninklijke Philips Electronics N.V. Dielektrophoretische Vorrichtung zur Verarbeitung von Teilchen
TWI352266B (en) * 2007-10-19 2011-11-11 Raydium Semiconductor Corp Particles-lifting device and optical tweezers usin
WO2012048230A2 (en) 2010-10-07 2012-04-12 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Dielectrophoresis devices and methods therefor
WO2013148865A1 (en) * 2012-03-27 2013-10-03 The Regents Of The University Of California Continuous whole-chip 3-dimensional dep cell sorter and related fabrication method
US9387488B2 (en) * 2012-11-13 2016-07-12 Academia Sinica Molecular entrapment and enrichment
JP5991236B2 (ja) * 2013-03-13 2016-09-14 ソニー株式会社 分取装置
CN104165079B (zh) * 2014-08-22 2017-11-21 阮海生 一种汽车尾气净化系统
CN104174492B (zh) * 2014-08-22 2017-03-29 成都代代吉前瞻科技股份有限公司 一种高效静电‑介电电泳除尘器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4127405A1 (de) * 1991-08-19 1993-02-25 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur kontinuierlichen trennung von gemischen mikroskopisch kleiner, dielektrischer teilchen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
US20040175708A1 (en) * 2001-04-27 2004-09-09 Patrice Caillat Uses of a miniature device for separating and isolating biological objects and methods used
US20080289966A1 (en) * 2004-01-29 2008-11-27 Joel Voldman Microscale sorting cytometer
US20070187248A1 (en) * 2005-12-13 2007-08-16 Dalibor Hodko Three dimensional dielectrophoretic separator and methods of use
US20150152556A1 (en) * 2011-08-02 2015-06-04 Tokyo Electron Limited Method and device for controlling pattern and structure formation by an electric field
WO2014199889A1 (ja) * 2013-06-13 2014-12-18 日本写真印刷株式会社 マイクロ流体デバイス及び誘電泳動装置
US20170106083A1 (en) * 2015-10-15 2017-04-20 Q21 Personal Vaccine and Method of Making

Also Published As

Publication number Publication date
EP3817859A1 (de) 2021-05-12
US11975340B2 (en) 2024-05-07
DE102018211001A1 (de) 2020-01-09
CN112334234A (zh) 2021-02-05
US20210260602A1 (en) 2021-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1603678B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur trennung von partikeln in einer flüssigkeitsströmung
DE4400955C2 (de) Adhäsionssteuerbare Oberflächenstruktur
EP1089823B1 (de) Elektrodenanordnungen zur erzeugung funktioneller feldbarrieren in mikrosystemen
WO2007082738A1 (de) Elektrischer feldkäfig und zugehöriges betriebsverfahren
EP1565266B1 (de) Fluidisches mikrosystem und verfahren mit feldformenden passivierungsschichten auf mikroelektroden
DE19815882A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Manipulierung von Mikropartikeln in Fluidströmungen
WO2000000292A1 (de) Elektrodenanordnung zur dielektrophoretischen partikelablenkung
DE112017001898B4 (de) Verfahren zum Beeinflussen und Einfangen von Partikeln in mikrofluidischen Einheiten unter Verwendung von zweidimensionalen Materialien sowie entsprechende Vorrichtung
DE102009028493A1 (de) Mikrofluidische Zelle
DE19859459A1 (de) Mikrosysteme zur Zellpermeation und Zellfusion
WO2020007703A1 (de) Vorrichtung zum dielektrophoretischen einfang von teilchen
EP1525449A1 (de) Impedanzmessung in einem fluidischen mikrosystem
DE19860118C1 (de) Elektrodenanordnungen zur Erzeugung funktioneller Feldbarrieren in Mikrosystemen
DE102009028496A1 (de) Mikrofluidische Zelle
DE69608958T2 (de) Wanderfeldscheider zur trennung von partikeln
WO2010076337A1 (de) Elektromagnetisches mikrosystem zur manipulation magnetischer mikro- oder nanoperlen
EP1744831B8 (de) Verfahren und vorrichtung zur sammlung von suspendierten partikeln
DE102018210693A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur dielektrischen Trennung von Partikeln
DE19860117A1 (de) Elektrodenanordnung zur dielektrophoretischen Partikelablenkung
DE102011106294A1 (de) Verfahren zur wiederlösbaren, stoffschlüssigen Verbindung mindestens zweier Körper und dessen Verwendung sowie entsprechende Verbundsysteme
DE102018210993A1 (de) Vorrichtung zum simultanen dielektrophoretischen Einfang von mehreren Teilchen verschiedener Art
DE102020202271A1 (de) Vorrichtung zum Einfangen von Zielzellen in einem Blutgefäß
DE102018207391A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenfilms und Elektrode
DE102016200151B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems für einen elektromechanischen Wandler, Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers und elektromechanischer Wandler
DE102020202274A1 (de) Mikrofluidikkanalelement zur verbesserten Separation von Zielpartikeln aus Nicht-Zielpartikeln innerhalb eines Mediums auf der Basis von Dielektrophorese

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19735269

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2019735269

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019735269

Country of ref document: EP

Effective date: 20210204