BESCHREIBUNG

Elektrischer Feldkäfig und zugehöriges Betriebsverfahren

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Feldkafig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß dem Oberbegriff der ne- bengeordneten Ansprüche.

Aus Muller, T. et al . : "A 3D-Microelectrode for Handling and Caging Single Cells and Particles", Biosensors and Bio- electronics 14, 247-256, 1999 sind mikrofluidische Systeme mit dielektrophoretischen Feldkafigen bekannt, die eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel in der stromenden Tragerflussigkeit ermöglichen, so dass diese Elektrodenanordnungen entsprechend ihrer Funktion auch als Feldkafig (engl, "cage") bezeichnet werden. Die bekannten Feldkafige weisen eine dreidimensionale Elektrodenkonfiguration mit beispielsweise acht kubisch angeordneten Kafigelektroden auf.

Nachteilig an diesen bekannten dreidimensionalen Feldkafigen ist neben der notwendigen genauen Assemblierung der dreidi- mensionalen Elektrodenanordnung das unbefriedigende Verhältnis von Fixierungskraft, der erforderlichen elektrischen Spannung zur Ansteuerung der Feldkafige und der thermischen Erhitzung der fixierten Partikel aufgrund der elektrischen Ansteuerung des Feldkafigs. So werden die Partikel hierbei zentral zwischen den Elektrodenebenen gefangen, wo zum einen die Fangkrafte am geringsten und zum anderen die Flussgeschwindigkeit im Kanal und damit die auslenkenden Kräfte am größten sind. Zwar fuhrt eine Spannungserhohung bei der Ansteuerung der herkömmlichen Feldkafige zu einer erwünschten

Erhöhung der Fixierungskraft. Dies ist aber mit einer unerwünschten Zunahme der Erwärmung der fixierten Partikel verbunden, insbesondere in physiologischen oder höher leitfähigen Medien.

Aus FUHR, G. et al . : "Levitation, holding, and rotation of cells within traps made by high-frequency fields", Biochimica et Biophysica Acta, 1108 (1992) 215-223 sind weiterhin plana- re Feldkäfige bekannt, bei denen die Käfigelektroden in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet sind.

Nachteilig an diesen planaren Elektrodenanordnungen ist die Tatsache, dass die zu fixierenden Partikel bei negativer Die- lektrophorese rechtwinklig zur Elektrodenebene abgestoßen werden, so dass diese Elektrodenanordnungen allein nicht zur Fixierung und Halterung von Partikeln geeignet sind. Allerdings können die bekannten planaren Elektrodenanordnungen als Feldkäfige eingesetzt werden, wenn eine zusätzliche Kraft ausgenutzt wird, wie beispielsweise die Gravitationskraft o- der die von einem Laser-Tweezer erzeugte Kraft.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen entsprechend verbesserten Feldkäfig zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Feldkäfig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß den Nebenansprüchen gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass mindestens eine der Käfigelektroden die andere Käfigelektrode ringförmig umgibt.

Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer ringförmigen Käfigelektrode ist in geometrischer Hinsicht nicht auf kreisringförmige Käfigelektroden beschränkt, sondern schließt

verschiedene Formgebungen ein. Beispielsweise kann die ringförmige Käfigelektroden polygonförmig, rechteckig, elliptisch oder allgemein rund sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform umgibt die äußere Ringelektrode eine innere Ringelektrode. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umgeben diese beiden Ringelektroden eine dritte bspw. kreisförmige Elektrode. Beide Anordnungen eignen sich besonders gut für die Manipulation von Partikeln mittels negativer Dielektrophorese .

Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff einer Ringelektrode umfasst zum einen Ringelektroden im engeren Sinne, die innen nicht ausgefüllt sind. Zum anderen umfasst dieser Begriff aber auch Elektroden, bei denen lediglich der Umfang ringförmig ist, während die Elektroden innen ausgefüllt sind.

Weiterhin umfasst die Erfindung die allgemeine technische Lehre, anstelle der eingangs beschriebenen bekannten dreidi- mensionalen Feldkäfige eine im Wesentlichen planare Elektrodenstruktur als Feldkäfig zu verwenden.

Der im Rahmen der Erfindung, verwendete Begriff eines planaren Feldkäfigs ist vorzugsweise dahingehend zu verstehen, dass die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind, wohingegen die zu fixierenden Partikel bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen dreidimensionalen Feldkäfigen innerhalb des Feldkäfigs fixiert werden, so dass die einzelnen Käfigelektroden den fi- xierten Partikel auf verschiedenen Seiten umgeben.

Die Käfigelektroden befinden sich also vorzugsweise auf einem Substrat (d.h. einer Oberfläche), wobei es sich beispielsweise um Glas, Kunststoff oder Silizium handeln kann. Das Sub-

strat mit den Käfigelektroden kann beispielsweise an einer oberen Kanalwand des Trägerstromkanals oder an einer unteren Kanalwand des Trägerstromkanals angeordnet sein.

Vorzugsweise weisen die einzelnen Käfigelektroden einen vertikalen Elektrodenabstand auf, der kleiner ist als der laterale Elektrodenabstand, wohingegen der Elektrodenabstand bei den eingangs beschriebenen herkömmlichen dreidimensionalen Feldkäfigen wesentlich größer ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erfindungsgemäße Feldkäfig genau zwei Käfigelektroden auf, jedoch ist die Erfindung hinsichtlich der Anzahl der Käfigelektroden nicht auf genau zwei Käfigelektroden zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel beschränkt. Vielmehr ist es beispielsweise auch möglich, dass der erfindungsgemäße Feldkäfig drei, vier, sechs oder acht Käfigelektroden aufweist oder eine andere Anzahl von Käfigelektroden.

Weiterhin sind die einzelnen Käfigelektroden des Feldkäfigs vorzugsweise jeweils planar und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.

In einer Variante der Erfindung sind sämtliche Käfigelektro- den in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet, so dass die gesamte Elektrodenanordnung exakt planar ist.

In einer anderen Variante der Erfindung sind die Käfigelekt ^¬ roden dagegen in zwei parallelen und zueinander versetzten Ebenen angeordnet. Auch diese Variante kann jedoch im Rahmen der Erfindung als planare Elektrodenanordnung bezeichnet wer ^¬ den, da die einzelnen Käfigelektroden bezüglich des zu fixie ^¬ renden Partikels nur einseitig angeordnet sind.

Darüber hinaus ist auch der vertikale Elektrodenabstand hierbei vorzugsweise wesentlich kleiner als die laterale Elektrodenausdehnung. Hierbei kann die innere ringförmige Kafig- elektroden wahlweise über oder unter der äußeren ringförmigen Kafigelektrode angeordnet sein.

Die ringförmigen Kafigelektroden können im Rahmen der Erfindung konzentrisch oder exzentrisch zueinander angeordnet sein, jedoch ist eine konzentrische Anordnung der Kafigelekt- roden bevorzugt.

In einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung mit zwei ringförmigen Kafigelektroden umschließt die innere ringförmige Kafigelektrode eine öffnung in einer Kanalwand eines Tragerstromkanals, wobei die suspendierten Partikel durch diese öffnung in der Kanalwand eintreten oder austreten können. Durch die öffnung in der Kanalwand des Tragerstromkanals können die suspendierten Partikel beispielsweise in fluidische Ruhezonen (z.B. Speicherreservoirs) oder in andere Kana- Ie überfuhrt werden.

Ferner besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass mindestens eine der ringförmigen Kafigelektroden an einer Seite geöffnet ist und/oder an einer Seite eine Passivie- rungsschicht aufweist, um die Elektrodenanordnung in einer bestimmten Richtung zu schwachen. Die Verwendung von Passi- vierungsschichten zur Schwächung des Feldkafigs hat hierbei den Vorteil, dass die relative Schwächung der von dem Feldka- fig erzeugten Feldbarriere über die Frequenz des Feldes ge- steuert werden kann. Dabei können auch zellbiologisch eingesetzte Moleküle, wie z.B. Lamin, als Isolationsschicht dienen. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Emkoppeln des Feldes in die Tragerlosung über der gegebenen Passivierungsschicht frequenz- und mediumabhangig ist. So nimmt die Feldeinkopp-

lung in die Tragerlosung mit der Frequenz zu und fallt mit dem Verhältnis der Leitfähigkeiten von Medium und Passivie- rungsschicht und der Dicke der Passivierungsschicht .

Durch applizieren einer niedrigeren Frequenz öffnet sich der Feldkafig in Richtungen der Passivierungsschichten. Der FeId- kafig kann dies gleichzeitig tun, wenn alle Passivierungen gleich sind. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass verschiedene Passivierungsschichten aufgebracht werden und der Feldkafig dann an diesen Stellen z.B. nacheinander/selektiv geöffnet wird.

Alternativ kann das Einströmen eines andern Mediums (bspw. mit anderer Leitfähigkeit) als Schalter genutzt werden. Die- ses Verfahren kann sowohl das Befullen der nDEP-Ringarrays

(welches über stromaufwärts gelegene Deflektoren bzw. Funnein vereinfacht werden kann) als auch das Entlassen in definierte Richtungen erleichtern. Zusätzlich dazu können dadurch bestimmte Zeilwachstumsrichtungen gezielt bevorzugt werden. Dies kann bspw. zum Aufbau eines definierten Neuronennetzwer- kes eingesetzt werden. Hierzu wird etwa ein Array aus nDEP- Ringstrukturen auf einem bspw. rechteckigen Gitter zunächst mit einzelnen Neuronen befullt. Das Wachstum der Axone kann gemäß der vordefinierten Passivierungen erlaubt/geschaltet werden. Bei individuell ansteuerbaren nDEP-Ringstrukturen kann dies auch individuell erfolgen. Alternativ können die Offnungen auch über einen Laser durch Ablation von Elektrodenmaterial nach dem Anwachsen der Zellen realisiert werden. nDEP-Rmg-Arrays können des Weiteren zum Sammeln und ggf. an- schließenden Kryokonservieren von insbesondere partikularem Material aus Suspensionen verwendet werden.

Im Rahmen der Erfindung besteht ferner die Möglichkeit, dass die einzelnen Kafigelektroden wahlweise gleich oder unterschiedlich geformt sind.

Weiterhin weist der erfindungsgemaße Feldkafig einen bestimmten Fangpunkt (Minimum des elektrischen Feldes bei negativer Dielektrophorese) auf, in dem die Partikel raumlich fixiert werden, wobei der Fangpunkt wahlweise direkt an einer Kanalwand des Tragerstromkanals liegt oder zu den Kanalwanden des Tragerstromkanals beabstandet ist. Die wandnahe Fixierung der suspendierten Partikel bietet den Vorteil, dass die Stromungsgeschwindigkeit dort wesentlich niedriger ist als in der Mitte des Tragerstromkanals, so dass zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel kleinere Haltekrafte ausreichen.

Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das Substrat mit einer Passivierungsschicht, einer biochemischen Beschichtung und/oder einer Nanoschicht versehen ist. Die biochemische Beschichtung des Substrats kann beispielsweise die Adhasionseigenschaften des Substrats für die zu fixierenden Partikel modifizieren und/oder Differenzie- rungssignale für die zu fixierenden Partikel setzen.

In einer Variante sind hierbei innerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode und außerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode unterschiedliche Beschichtungen auf das Sub ^¬ strat aufgebracht, wobei die Beschichtung innerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode auf die zu fixierenden Parti- kel adhäsiv (anziehend) wirkt, wahrend die Beschichtung au ^¬ ßerhalb der inneren ringförmigen Kafigelektrode auf die zu fixierenden Partikel repulsiv (abstoßend) wirkt.

In einer weiteren Variante der Erfindung ist das Substrat mit den Kafxgelektroden des Feldkafigs nicht an einer Kanalwand des Tragerstromkanals angeordnet, sondern das Substrat durchzieht den Tragerstromkanal in Stromungsrichtung mittig m Form einer Membran, so dass das Substrat den Tragerstromkanal in zwei Teilkanale aufteilt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich in dem Substrat eine öffnung befindet, durch die Partikel von dem einen Teilkanal in den anderen Teilkanal des Tragerstromkanals übertreten können.

Bei dem erfindungsgemaßen Feldkafig handelt es sich vorzugsweise um einen dielektrophoretischen Feldkafig, wobei wahlweise positive Dielektrophorese oder negative Dielektrophore- se eingesetzt werden kann, um die suspendierten Partikel räumlich zu fixieren.

Weiterhin umfasst die Erfindung eine Variante mit einer Vielzahl von Feldkafigen mit jeweils vorzugsweise zwei oder drei Kafigelektroden, wobei die einzelnen Feldkafige jeweils eine raumliche Fixierung eines oder mehrerer suspendierter Partikel ermöglichen. Die einzelnen Feldkafige sind hierbei mat- rixformig in mehreren Spalten und mehreren Zeilen angeordnet, wobei die elektrische Ansteuerung der Feldkafige durch mehrere Spalten-Steuerleitungen und mehrere Zeilen-Steuerleitungen erfolgt. Für jede Spalte der Feldkafige ist hierbei jeweils eine gemeinsame Spalten-Steuerleitung für alle Feldkafige der jeweiligen Spalte vorgesehen, wobei die Spalten-Steuerleitung bei jeder Elektrodenanordnung der jeweiligen Spalte jeweils mit der ersten Kafigelektrode verbunden ist. In gleicher Wei- se ist für jede Zeile der Feldkafige jeweils eine gemeinsame Zeilen-Steuerleitung für alle Feldkafige der jeweiligen Zeile vorgesehen, wobei die Zeilen-Steuerleitung bei jeder Elektrodenanordnung der jeweiligen Zeile jeweils mit der zweiten Ka- figelektrode verbunden ist. Bei der Variante mit drei Kafig-

elektroden kann eine der Kafigelektroden wahlweise elektrisch separat angesteuert werden oder auf einem elektrisch schwimmenden Potential liegen.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Erfindung nicht nur den vorstehend beschriebenen Feldkafig umfasst, sondern auch ein mikrofluidisches System mit einem solchen Feldkafig sowie ein zellbiologisches Gerat mit einem solchen mikrofluidischen System, wie beispielsweise einen Zeilsortierer, ein ZeIl- Screenmg-Gerat oder ähnliches.

Ferner umfasst die Erfindung auch die Verwendung eines erfin- dungsgemaßen mikrofluidischen Systems m einem solchen zell- biologischen Gerat.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch einen Mikromampulator zur, Manipulation suspendierter Partikel, wobei der erfin- dungsgemaße Mikromampulator einen erfindungsgemaßen Feldkafig aufweist, um die suspendierten Partikel zu fixieren. Bei- spielsweise kann der Mikromampulator als dielektrophoreti- sche Pinzette ausgebildet sein.

Als Elektrodenmateπal kommen neben Metallen und dotierten Halbleitern auch leitfahige Polymere in Frage, wie beispiels- weise Polyanilm, Polypyrrol oder Polythiophen. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von laser-modiflzierbaren Polymeren, wie Polybisalkylthioacetylen . Im Laserdirektschreibverfahren können auf diese Weise Elektroden in einen Polymerchip geschrieben werden, was insbesondere für den Prototypenbau vor- teilhaft ist.

Schließlich betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren für das vorstehend beschriebene erfmdungs- gemaße mikrofluidische System.

Hierbei besteht die Möglichkeit, dass der Feldkäfig zur räumlichen Fixierung der Partikel und zur anschließenden Freigabe der fixierten Partikel mit unterschiedlichen Frequenzen ange- steuert wird. So erfolgt die Ansteuerung zur räumlichen Fixierung der suspendierten Partikel vorzugsweise mit einer Frequenz, die hinreichend groß ist, um ein Fangfeld auszubilden. Die anschließende elektrische Ansteuerung zur Freigabe der fixierten Partikel erfolgt dagegen mit einer kleineren Frequenz, die hinreichend klein ist, um das Fangfeld zumindest im Bereich der öffnung oder der Passivierungsschicht zu öffnen.

Die bereits vorstehend beschriebene öffnung der ringförmigen Käfigelektroden an einer Seite kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Käfigelektroden durch einen Laser bestrahlt werden, so dass von den bestrahlten Käfigelektroden Elektrodenmaterial abgetragen wird, wodurch sich die gewünschte öff- nung bildet.

Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren auch eine vorzugsweise optische Prüfung durchgeführt werden, ob in den einzelnen Feldkäfigen Partikel fixiert sind oder nicht. Eine solche Belegungsprüfung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das mikrofluidische System zahlreiche Elektrodenanordnung ^■ zur Fixierung von Partikeln aufweist. In diesem Fall wird das mikrofluidische System nämlich zunächst mit Partikeln beschickt, bis sämtliche Feldkäfige mit suspendier- ten Partikeln belegt sind. Anschließend kann dann die Beschickungsphase beendet werden und es können sich weitere Betriebsphasen anschließen. Die Belegungsprüfung ermöglicht also eine zeitliche Minimierung der Beschickungsphase bei gleichzeitiger Vollbelegung sämtlicher Elektrodenkäfige.

Ferner kann bei einer Vielzahl von Feldkafigen ein chemischer Gradient zwischen den einzelnen Feldkafigen erzeugt werden, indem die Strömung entsprechend beeinflusst wird. Beispiels- weise können hierzu chemische Zusatzstoffe mit dem Tragerstrom in das mikrofluidische System eingespult werden, wobei der Zustrom der Zusatzstoffe zeitlich und/oder raumlich innerhalb des Tragerstroms variiert werden kann.

Weiterhin kann die zur Partikelfixierung dienende Elektrodenanordnung zusatzlich zu einem weiteren Zweck eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung elektrisch angesteuert werden, um an dem darin fixierten Partikel einen Reiz auszulosen und oder eine elektrische Messung (z.B. Impe- danz) auszufuhren.

Schließlich ist noch zu erwähnen, dass es sich bei den zu suspendierten Partikeln vorzugsweise um biologische Zellen handelt. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der zu fixie- renden Partikel nicht auf biologische Zellen beschrankt, sondern ermöglicht beispielsweise auch die Fixierung von Zellaggregaten oder sonstigen Partikeln.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren naher erläutert. Es zeigen:

Figur IA ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel eines er- fmdungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkafig mit zwei konzentrischen ringförmigen Kafigelektroden, die an der unteren Kanalwand des Tragerstromkanals angebracht

sind und eine räumliche Fixierung der suspendierten Partikel ermöglichen,

Figur IB, IC die Feldverteilung bei dem Feldkafig aus Figur IA,

Figur ID die Feldverteilung bei einem doppelringforangen Feldkafig, bei dem die Ringelektroden kreuzförmig geöffnet sind,

Figur 2 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel, bei dem der Feldkafig an der oberen Kanalwand des Tragerstromkanals angeordnet ist,

Figur 3 ein Substrat, das einen Feldkafig tragt, wobei das Substrat in dem Tragerstromkanal beispielsweise in der Kanalmitte angeordnet sein kann und einen Durchtritt der suspendierten Partikel ermöglicht,

Figur 4 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel eines derartigen Substrats mit einer anderen Konfiguration des Feldkafigs,

Figur 5A ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel eines erfmdungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkafig, wobei der Feldkafig aus zwei ringförmigen konzentrischen Kafigelekt- roden an der unteren Kanalwand besteht, die einseitig Passivierungsschichten aufweisen,

Figur 5B eine Abwandlung des Ausfuhrungsbeispiels gemäß Figur 5A, wobei die Passivierungsschich-

ten eine Schwächung in vier Richtungen bewirken,

Figur 5C eine Abwandlung des Ausfuhrungsbeispiels gemäß Figur 5A, wobei die Passivierungsschich- ten eine Schwächung m drei Richtungen bewirken,

Figur 6 ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel mit einer matπxformigen Anordnung einer Vielzahl von Feldkafigen zur Partikelfixierung,

Figur 7 das erfmdungsgemaße Betriebsverfahren m Form eines Flussdiagramms,

Figur 8 eine erfmdungsgemaße dielektrophoretische Pinzette,

Figur 9 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfin- dungsgemaßen dielektrophoretischen Pinzette,

Figur 10A ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines erfin- dungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Feldkafig mit drei konzentrischen ringförmigen Kafigelektroden,

Figur 1OB die Feldverteilung bei dem Feldkafig gemäß Figur 10A,

Figur IIA ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems mit einer flachigen Gegenelektrode,

Figur IIB die Feldverteilung bei dem mikrofluidischen

System gemäß Figur IIA, sowie

Figuren 12A-12I verschiedene Ausfuhrungsbeispiele von erfin- dungsgemaßen Feldkafigen .

Figur IA zeigt in vereinfachter Form ein Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen mikrofluidischen Systems mit einem Tragerstromkanal 1, durch den in X-Richtung eine Tragerflus- sigkeit mit darin suspendierten Partikeln 2, 3 strömt.

Der Tragerstromkanal 1 weist hierbei eine untere Kanalwand 4 und eine obere Kanalwand 5 auf, wobei an der unteren Kanalwand 4 ein Feldkafig 6 angeordnet ist, der aus zwei kreisfor- migen, konzentrischen Ringelektroden 7, 8 besteht, die unabhängig voneinander angesteuert werden können und eine raumliche Fixierung des Partikels 3 in der stromenden Tragerflus- sigkeit ermöglichen, indem der Feldkafig 6 ein elektrisches Fangfeld erzeugt, das in den Figuren IB und IC perspektivisch dargestellt ist.

Die beiden Ringelektroden 7, 8 sind hierbei koplanar in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet, so dass der Fangpunkt ebenfalls in der gemeinsamen Elektrodenebene unmittelbar an der unteren Kanalwand 4 liegt. Diese wandnahe Fixierung des Partikels 3 ist vorteilhaft, weil die Stromungsgeschwindigkeit dort kleiner ist als in der Mitte des Tragerstromkanals 1, so dass relativ geringe Haltekrafte ausreichen, um den Partikel 3 zu raumlich fixieren. Dies ermöglicht wiederum ei- ne relativ schwache elektrische Ansteuerung des Feldkafigs 6, so dass der fixierte Partikel 3 durch Feldwirkungen nur wenig beeinträchtigt wird. Zudem kann der Partikel 3 durch zusätz ^¬ liche Kräfte (bspw. Tragheitskrafte sowie die Gravitations ^¬ kraft g) unterstutzend am Boden fixiert werden

Die Figuren IB und IC zeigen den Feldverlauf bei dem Feldka- fxg 6 gemäß Figur IA in einem zentralen vertikalen Schnitt durch (Figur IB) sowie in einer horizontalen Ebene über der Elektrodenstruktur (Figur IC) .

Ferner zeigt Figur ID den Feldverlauf in einer horizontalen Ebene über der Elektrodenstruktur für einen abgewandelten Feldkafig, bei dem die ringförmigen Kafigelektroden 7, 8 nicht geschlossen, sondern kreuzförmig geöffnet sind.

Das in Figur 2 dargestellte alternative Ausfuhrungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und m Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel uberein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausfuhrungsbeispiels besteht darin, dass der Feldkafig 6 nicht an der unteren Kanalwand 4, sondern an der oberen Kanalwand 5 des Tragerstromkanals 1 angeordnet ist. Durch überlagerung mit zusätzlichen Kräften, bspw. Tragheitskraften oder der Gravitationskraft g, kann der Fangpunkt auch von der Kanalwand in die Losung verschoben werden.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines aus Glas, Kunststoff oder Silizium bestehenden Substrats 9 mit dem Feldkafig 6, wie er bereits vorstehend unter Bezug- nähme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb hinsichtlich des Feldka- figs 6 auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen.

In dem Substrat 9 befindet sich hierbei eine zylindrische öffnung 10, durch welche die Partikel 2, 3 von der einen Seite des Substrats 9 auf die andere Seite des Substrats 9 hindurchtreten können, wie schematisch durch die gestrichelten Pfeillinien verdeutlicht ist. Das Substrat 9 wirkt also als Trennwand und kann beispielsweise bei dem mikrofluidischen System gemäß Figur 1 als Membran in der Mittel des Trager- stromkanals 1 angeordnet sein und sich in Längsrichtung des Tragerstromkanals 1 erstrecken, so dass das Substrat 9 in dem Tragerstromkanal 1 zwei benachbarte Teilkanale voneinander trennt .

Figur 4 zeigt ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel eines Substrats 9, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 3 verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden .

Eine Besonderheit besteht hierbei darin, dass die öffnung 10 in dem Substrat 9 nach oben hin konisch zulauft, wobei die beiden Ringelektroden 7, 8 in verschiedenen Elektrodenebenen angeordnet sind. Die beiden Elektrodenebenen sind hierbei pa- rallel zueinander ausgerichtet und zueinander beabstandet, wodurch der Fangpunkt aus der Elektrodenebene herausgehoben wird. Der Feldkafig 6 kann hierbei jedoch ebenfalls als pla- nare Elektrodenanordnung bezeichnet werden, da die einzelnen Kafigelektroden bezuglich des zu fixierenden Partikels nur einseitig angeordnet sind. Bevorzugt kann hier ebenfalls der Abstand der Elektrodenebenen kleiner sein als die laterale Elektrodenausdehnung, d.h. die Elektrodenausdehnung in Y- Richtung.

Figur 5A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, das weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wie- derholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die beiden Ringelektroden 7, 8 auf der stromabwärts gelegenen Seite jeweils eine Passivierungsschicht 11 bzw. 12 aufweisen. Die Passivierungsschichten 11, 12 schwächen das von dem Feldkäfig 6 erzeugte Fangfeld im Bereich der Passivierungsschicht 11 bzw. 12.

Hierbei ist zu erwähnen, dass sich eine Schwächung in die jeweilige Richtung auch durch Aufbringen einer Passivierung nur auf dem inneren Ring oder nur auf dem äußeren Ring realisieren lässt. Anwendungen für die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 5B und 5C sind beispielsweise Neuronennetzwerke oder Rechteck- bzw. Dreieckgitter.

Hierbei besteht die Möglichkeit, innerhalb der inneren Ring ^¬ elektrode 7 eine weitere Elektrode anzuordnen, die eine Pas- sivierungsschicht aufweisen kann.

Figur 5B zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel mit vier Schwächungspunkten, während Figur 5C ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drei Schwächungspunkten zeigt.

Ferner zeigt Figur 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems mit zahlreichen matrixförmig angeordneten Feldkäfigen, die jeweils aus zwei konzentrisch an ^¬ geordneten Ringelektroden 13, 14 bestehen.

Die einzelnen Feldkäfige sind hierbei in vier Zeilen und vier Spalten matrixförmig angeordnet und werden durch vier Spalten-Steuerleitungen 15 und vier Zeilen-Steuerleitungen 16 e- lektrisch angesteuert. Die einzelnen Spalten-Steuerleitungen 15 sind hierbei jeweils mit der äußeren Ringelektrode 13 sämtlicher Feldkäfige der jeweiligen Spalte verbunden. In gleicher Weise sind die einzelnen Zeilen-Steuerleitungen 16 jeweils mit der inneren Ringelektrode 14 verbunden. Werden bspw. alle Zeilensteuerleitungen mit Signalen einer Phase und alle Spaltensteuerleitungen gegenphasig dazu angesteuert, können in allen Feldkäfigen Partikel fixiert werden. Ein einzelner Partikel kann dann dadurch entlassen werden, dass die entsprechende Zeilen- sowie Spaltensteuerleitung auf Masse gelegt wird.

Das Flussdiagramm in Figur 7 zeigt das Betriebsverfahren eines mikrofluidischen Systems mit der in Figur 6 dargestellten matrixförmigen Elektrodenanordnung .

Das Betriebsverfahren besteht hierbei im Wesentlichen aus einer Beschickungsphase 17, einer Konsolidierungsphase 18, einer Wachstums-/Differenzierungsphase 19 und einer Untersuchungsphase 20, die nachfolgend detailliert beschrieben wer- den.

In der Beschickungsphase 17 werden zunächst sämtliche matrix- fόrmig angeordneten Feldkäfige ausgeschaltet und es werden biologische Zellen eingespült. Anschließend werden die FeId- käfige zur Fixierung der eingespülten Zellen angeschaltet und dielektrophoretisch angesteuert, wobei mit den stromabwärts gelegenen Feldkäfigen begonnen wird. Dadurch werden in den einzelnen Feldkäfigen jeweils biologische Zellen räumlich fixiert. Dabei erfolgt eine optische Belegungsprüfung der ein-

zelnen Feldkafige und die nichtfixierten Zellen werden ausgespult, sobald samtliche Feldkafige mit biologischen Zellen belegt sind.

In der anschließenden Konsolidierungsphase 18 heften sich dann die fixierten Zellen an. Dabei kann je nach Anheftungs- grad bzw. Stromungsverhaltnissen das elektrische Feld verringert bzw. auch ganz ausgeschaltet werden.

In der anschließenden Wachstums-/Differenzierungsphase 19 werden die zur raumlichen Fixierung der Zellen dienenden Feldkafige dann in besonderer Weise elektrisch angesteuert, um den sich bildenden Zellverband zu strukturieren.

Darüber hinaus kann wahrend der Wachstums-/Differenzierungsphase 19 ein chemischer Gradient zwischen den einzelnen FeId- kafigen erzeugt werden, indem die Stromungsverhaltnisse entsprechend beeinflusst werden.

Schließlich erfolgt dann in der Untersuchungsphase eine Untersuchung der gebildeten Zeilverbande. Hierzu werden die Ka- figelektroden ausgeschaltet und die gewünschten Messungen werden durchgeführt, wobei beispielsweise optische oder e- lektronische Messungen möglich sind.

Dieses Betriebsverfahren kann auch zum Aufbau eines definierten Neuronennetzwerkes eingesetzt werden. ι

Figur 8 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer die- lektrophoretischen Pinzette 21, die eingesetzt werden kann, um suspendierte Partikel aus einer Tragerflussigkeit zu entnehmen.

An ihrem distalen Ende weist die Pinzette 21 eine halbkugelförmige Spitze auf, die zwei ringförmige Käfigelektroden 22,

23 trägt, die elektrisch unabhängig voneinander angesteuert werden können und eine Fixierung der suspendierten Partikel ermöglichen, so dass die fixierten Partikel zusammen mit der Pinzette 21 in der Trägerflüssigkeit manipuliert bzw. aus ihr entnommen werden können.

Figur 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer er- findungsgemäßen Pinzette 21, die weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Pinzette 21 an ihrem distalen Ende eine Vertiefung

24 aufweist, in der ein Partikel 25 fixiert werden kann.

Das in Figur 10A dargestellte alternative Ausführungsbeispiel eines mikrofluidischen Systems stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiel besteht darin, dass der Feldkäfig 6 drei Käfigelektroden 7, 8, 26 aufweist, wobei die äußeren Käfigelektroden 7, 8 unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, wie bereits vorstehend beschrieben wurde.

Die innere Käfigelektrode 26 kann dagegen wahlweise auf einem elektrisch schwimmenden Potential liegen oder ebenfalls e- lektrisch angesteuert werden, wie durch die gestrichelt gezeichnete Steuerleitung angedeutet wird.

Schließlich zeigt Figur 1OB die Feldverteilung des Feldkäfigs 6 gemäß Figur 10A in einem zentralen vertikalen Schnitt durch die Elektrodenstruktur, wobei die Elektroden 7 und 8 ge- genphasig angesteuert werden und die Elektrode 26 auf Masse liegt.

Figur IIA zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, das weitgehend mit den vorstehend beschriebenen mikrofluidischen Systemen übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die obere Kanalwand 5 des Trägerstromkanals 1 hierbei als eine flächige Gegenelektrode ausgebildet ist. Die Gegenelektrode besteht hierbei aus einen transparenten Material, um eine ungestörte optische Beobachtung durch die obere Ka- nalwand 5 hindurch zu erlauben. Beispielsweise kann die flächige Gegenelektrode an der oberen Kanalwand 5 aus Indiumzinnoxid (ITO) bestehen, jedoch sind auch andere Materialien möglich .

Der Feldkäfig 6 ist dagegen in diesem Ausführungsbeispiel an der unteren Kanalwand 4 angeordnet und liegt somit der flächigen Gegenelektrode an der oberen Kanalwand 5 gegenüber.

Mit dieser Anordnung lassen sich bereits mit einfachen Kreis- Ring-Strukturen nDEP-Feldkäfige realisieren, die die Partikel 2 in freier Lösung halten können, was insbesondere für Arrays von Interesse ist.

Figur IIB zeigt die Feldverteilung E ² in dem mikrofluidischen System gemäß Figur IIA in der z-y-Ebene, welche den Feldkäfig 6 mittig schneidet.

Die mittige Ringelektrode 7 hat hierbei dasselbe elektrische Potenzial wie die Gegenelektrode an der oberen Kanalwand 5, während die äußere Ringelektrode 8 auf dem entgegengesetzten elektrischen Potenzial liegt, was durch eine Phasenverschiebung von 180° erreicht wird.

Alternativ werden die innere Ringelektrode 7 und die Gegenelektrode 5 auf Masse gelegt bzw. befinden sich auf einem freien Potenzial, während die Ringelektrode 8 mit einem Wechselfeld angesteuert wird.

Die Figuren 12A-12I zeigen alternative Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Feldkäfigen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12A sind die beiden Ringelektroden 7, 8 jeweils quadratisch geformt und mit ihren Kanten parallel zueinander angeordnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12B sind die beiden Ringelektroden I ₁ 8 ebenfalls jeweils quadratisch geformt, jedoch ist die Ringelektrode 7 gegenüber der Ringelektrode 8 um einen Winkel von 45° verdreht.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 12C ist die Ringelektrode 8 quadratisch, wahrend die Ringelektrode 7 hexago- nal geformt ist.

Bei den Ausfuhrungsbeispielen gemäß den Figuren 12D bis Figur 12F weist die äußere Ringelektrode 8 die Form eines gleichseitigen Dreiecks auf. Die innere Ringelektrode 7 ist bei diesen Ausfuhrungsbeispielen kreisförmig oder elliptisch, wobei sich die Figuren 12D und 12E durch eine zentrische (Figur 12D) bzw. exzentrische (Figur 12E) Anordnung der inneren

Ringelektrode 7 innerhalb der äußeren Ringelektrode 8 unterscheiden.

Bei dem Feldkafig gemäß Figur 12G sind die beiden Ringelekt- roden 7, 8 jeweils kreisförmig und konzentrisch, wobei innerhalb der inneren Ringelektrode 7 mittig eine dreieckige weitere Elektrode angeordnet ist.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 12H weist die äußere Ringelektrode 8 die Form eines Pentagons auf, wahrend die in ^¬ nere Ringelektrode 7 kreisförmig und zentrisch innerhalb der äußeren Ringelektrode 8 angeordnet ist. Darüber hinaus ist bei diesem Ausfuhrungsbeispiel innerhalb der inneren Ring ^¬ elektrode 7 eine weitere Ringelektrode angeordnet.

Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 121 ist die äußere Ringelektrode 8 sternförmig, wahrend die innere Ringelektrode 7 kreisförmig zentrisch innerhalb der äußeren Ringelektrode 8 angeordnet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen be ^¬ vorzugten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die eben-

falls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Bezugs zeichenliste :

1 Tragerstromkanal

2 Partikel

3 Partikel

4 Untere Kanalwand

5 Obere Kanalwand

6 Feldkafig

7 Ringelektrode

8 Ringelektrode

9 Substrat

10 öffnung

11 Passlvierungsschicht 2 Passlvierungsschicht 3 Ringelektroden 4 Ringelektroden 5 Spalten-Steuerleitung 6 Zeilen-Steuerleitung 7 Beschickungsphase 8 Konsolidierungsphase 9 Wachstums-/Differenzierungsphase 0 Untersuchungsphase 1 Pinzette 2 Kafigelektrode 3 Kafigelektrode 4 Vertiefung 5 Partikel 6 Kafigelektrode